Повысьте дизайн продукта и эффективность с передовым симуляционным ПО

Последние системы визуализации позволяют производителям проектировать и изготавливать продукты быстрее и эффективнее, чем когда-либо.

Симуляция в производстве становится гораздо более всепроникающей. Передовые визуализации используются везде, от обработки на цеховых ЧПУ до офлайн-программирования CAD/CAM оборудования с ЧПУ. В области управления жизненным циклом продукта (PLM) разработчики продуктов сильно полагаются на сложные мультифизические приложения компьютерного инженерного анализа (CAE) на множестве этапов процесса проектирования, чтобы точно определить, выдержат ли их создания множественные тепловые, гидродинамические и материальные усталостные напряжения, типичные для суровых сред, таких как автомобилестроение и авиастроение, чтобы обеспечить соответствие новых проектов строгим контролям качества.

Последние итерации пакетов ПО 3D-визуализации дают производителям способы ускорить отработку своих резающих и сборочных операций, часто с точностью почти 100 процентов. Эта способность критична для улучшения эффективности как традиционной обработки, так и новых аддитивных производственных процессов.

Более точные результаты

Один из главных трендов — использование симуляций, предлагающих пользователям гораздо более точные результаты, с использованием сложных инструментов для получения свойств материалов, сказал Хендрик Шафсталь, сооснователь, управляющий партнер и CEO Simufact Engineering GmbH, Гамбург, Германия, бизнес-единицы разработчика CAE MSC Software, Ньюпорт-Бич, штат Калифорния. Производители теперь могут получить «симуляцию цепочки процесса всех соответствующих шагов процесса и связанных интерфейсов — в основном для захвата производственной истории для последующих аварий и усталостной жизни, и для предсказания локальных свойств в детали для производительности детали», сказал Шафсталь. Для OEM симуляции имеют полностью автоматизированное связывание с системами PDM [управления данными продукта], добавил он.

Другой тренд — использовать больше информации из симуляции производственного процесса, которую необходимо учитывать на этапе проектирования, отметил Шафсталь. «Большим драйвером является аддитивное производство и сборочные листы», сказал он. Также больше используется деталь «как изготовленная» для структурной симуляции для более точных результатов, добавил он, и симуляции имеют более надежные процессные окна для обнаружения главных влияющих параметров, которые должны контролироваться и управляться во время производства.

Повышенный практический «реализм» и более передовые аналитические возможности остаются ключевыми трендами для всех типов симуляции, сказал Бен Мунд, старший аналитик, CNC Software Inc., Толланд, штат Коннектикут, разработчик CAD/CAM ПО Mastercam. Мунд заметил, что современные симуляции предлагают пользователям «более глубоко понятную математическую модель всех движущихся частей станка, как они взаимодействуют с инструментом и заготовкой, и способность точно определить, где и почему может произойти нежелательное движение. Эти области развиваются в тандеме, обеспечивая больше уверенности для программиста и больше продуктивности на цехе».

Точная симуляция важнее niż когда-либо в производстве, добавил Мунд. «С появлением всё более сложных станков есть потребность и в высокой точности NC-программирования, и в пуленепробиваемой уверенности, что станок выполнит программу правильно», заявил Мунд. «Это также полезно для цехов иметь разные типы симуляции в зависимости от того, что им нужно. Симуляция только траектории инструмента позволяет быстрый и чистый взгляд на движение резака в детали, с глубокой аналитикой в любой точке вдоль пути. Симуляция уровня станка расширяет этот подход, добавляя среду станка, показывая любые потенциальные конфликты от предметов, движущихся внутри самого станка.

«Симуляция становится всё более критической для каждого цеха; по мере того как станки и инструменты становятся более передовыми, стремление к продуктивности растет, и потребность в связанной обратной связи становится более распространенной», продолжил он. «Реалистичная симуляция расцветает на всех фронтах. Глубокая математическая симуляция взаимодействий между станком, инструментом, материалом и предполагаемой итоговой заготовкой движет большинством практических приложений, которые нужны цеху. Это «ядро» симуляции, в которое производственные программные компании вкладывают большую часть своих тяжелых бюджетов разработки и тестирования».

Этот новый уровень математического реализма усиливается и делается более увлекательным с добавлением «на-экране» реализма. «Это берет физические модели и делает их такими же реальными, насколько возможно для пользователя», сказал Мунд. «Здесь вы увидите визуальные сборки станков и всех их движущихся частей (иногда включая логотипы производителей), выбор цвета и визуальных материалов, и другие опции отображения, позволяющие программисту легко видеть и быть уверенным в результатах своей программы».

Демократизация симуляции

Доступность инструментов симуляции была барьером для многих людей в производстве, так как высококлассные симуляции — особенно в CAE — обычно обрабатывались высококвалифицированными специалистами по симуляции. В последние годы, однако, более широкий доступ к этим визуализациям предоставляется по всем производственным организациям. Этот доступ обеспечивается связями с хост-системами данных, либо через легкие клиентские приложения, либо за счет использования мощности облака с высокопроизводительными вычислениями (HPC) и приведения суперкомпьютерной мощности к действию на экстремально больших, сложных визуализационных анализах.

«Один из ключевых трендов в симуляционном ПО — продолжать снижать барьеры для использования. Все принимают, что симуляция может дать ценные инсайты и сэкономить время и деньги, но часто есть барьеры для принятия», — сказал Брайан Фрэнк, старший менеджер по продукту для генеративного дизайна и решений симуляции в Autodesk Inc., Сан-Рафаэль, штат Калифорния.

«Некоторые из них проявляются в стоимости и способности получить доступ. Autodesk очень усердно работала, чтобы сделать доступ к мировым технологиям симуляции легче чем когда-либо через наши подписочные предложения, и мы продолжаем привносить больше технологии в основные дизайнерские предложения вроде Fusion 360. Мы также продолжаем гарантировать, что пользователям не нужны специализированные знания симуляции, чтобы получить ценность от акта симуляции, автоматизируя и направляя пользователей через рабочие процессы, которые им нужно выполнить».

Переход к оцифровке производства подчеркивает существенную необходимость расширить доступ к инструментам симуляции до более широкой аудитории, чтобы справиться со скоростью сегодняшних цифровых производственных/Индустрия 4.0 трансформаций, по словам Рави Шанкара, глобального директора по продуктовому маркетингу для Simcenter, Siemens PLM Software, базирующейся в Плейно, штат Техас. Симуляция критична для компаний, оцифровывающих свой процесс разработки продукта, потому что когда процесс проектирования и производства правильно симулируется в виртуальном мире, компании могут вывести свои дизайны на быстрее.

Расширение доступа к симуляции — важная тема, согласился Шанкар. «За последние годы сделан значительный прогресс», сказал он, «но еще есть куда идти. Мы можем рассматривать демократизацию как способность большего числа людей внутри организации выполнять симуляции, и также для большего числа людей потреблять симуляции, не будучи экспертами по симуляции».

Siemens находится на переднем крае этой трансформации, заявил Шанкар, благодаря своей силе в обслуживании потребностей дизайнеров. «Некоторые примеры этого включают интеграцию технологий симуляции в среду Siemens NX [включающую возможности CAD/CAM и CAE]; интеграцию возможностей симуляции в другие коммерческие CAD-предложения через наше решение Simcenter FloEFD [вычислительная гидродинамика Mentor Graphics]; и также более широко через наши инвестиции в генеративный дизайн и визуализацию, включая передовые VR-методы для исследования результатов симуляции».

Облачный доступ к CAE-решениям также добавил очень необходимую доступность для неэкспертных пользователей симуляции в производстве. «Исторически производственное ПО и CAE симуляционное ПО были разъединенными нишевыми продуктами, используемыми производственными инженерами и экспертами по симуляции соответственно», отметил Сухам Сетт, вице-президент по маркетингу и стратегическим инициативам Simulia, в Dassault Systèmes, базирующейся в Уолтаме, штат Массачусетс и Велизи-Виллакубле, Франция.

«Однако с сегодняшними [требованиями] качества с первого раза при сниженных производственных затратах компании ищут использовать преимущества симуляции производственных процессов до их внедрения. Для этого нужен интегрированный подход для связывания спецификации продукта [Bill of Materials] с производственным процессом — включая реалистичную симуляцию обоих».

Предложения симуляции 3DExperience Dassault Systèmes в облаке определенно помогают симуляции стать более демократизированной, отметил Сетт, потому что они «требуют только ограниченного локального оборудования и ИТ-поддержки для доступа к большим объемам вычислительной мощности и возможностей симуляции».

Мунд от CNC Software добавил, что «симуляция стала демократизированной до точки, где она является ожидаемым компонентом любого CAD/CAM предложения. По мере того как общая симуляция стала более распространенной, тип и глубина симуляции также драматически расширились. За последние два десятилетия отрасль перешла от базового обратного построения траектории к визуализации удаления материала к полной симуляции среды станка». Ожидания пользователей о том, что должно быть доступно как стандартный компонент CAD/CAM, двигались вместе с этим, сказал Мунд.

«Хотя исключительные автономные решения остаются — и имеют жизненно важное место во многих цехах — симуляция стала такой вкорневшейся частью рабочего процесса цеха, что большинство провайдеров CAD/CAM считают её почти такой же важной, как движение инструмента», заявил он.

Инвестиции в симуляцию

За последние несколько годы крупнейшие игроки в симуляции — Autodesk, Dassault, Siemens и теперь Hexagon — сделали существенные инвестиции в область симуляции, особенно в CAE мультифизические приложения. Siemens потратила 4,5 млрд долларов на поглощение гиганта электронной автоматизации проектирования (EDA) Mentor Graphics в 2016 году, и также приобрела LMS International и CD-adapco для построения своего портфеля симуляции. Недавно гигант метрологии Hexagon AB, Стокгольм, Швеция, приобрел Spring Technologies, разработчика NCSIMUL инструмента симуляции и верификации траектории, в 2018 году.

«Siemens была очень активна в поглощении и интеграции решений в пространстве симуляции как часть более крупного фокуса на доставке платформы цифровой инновации», сказал Шанкар от Siemens. «С Simcenter мы предлагаем один из самых широких и глубоких портфелей в отрасли для симуляции и тестирования. Это включает возможности от наших поглощений LMS и CD-adapco, которые помогли нам расшириться в таких областях, как системная симуляция, передовая 3D-симуляция, тестирование и гидродинамическая симуляция, все которые мы объединили с решениями для исследования дизайна и управления данными симуляции».

С Mentor Graphics Siemens получила сложные возможности в электро- и электронном пространстве, и также укрепила свои предложения для инженера-конструктора, конкретно через CAD-встроенную симуляцию потока, добавил он, отметив, что решения Mentor по тестированию оборудования также являются отличным дополнением к портфелю. Также в январе Siemens выпустила полное обновление своей платформы Simcenter 3D, добавив более быстрое моделирование и более точные симуляции.

«Высокоценные клиентские приложения во всех отраслях всё больше требуют способности симуляции для всей физики, на всех масштабах», отметил Сетт от Dassault. «Для дополнения нашей существующей силы в структурной и многотеловой симуляции, Dassault Systèmes недавно получила сильную способность для гидродинамической и акустической симуляции через поглощение линий продуктов PowerFlow, XFlow и Wave6. Кроме того, мы приобрели линейку продуктов CST Studio suite, которая обеспечивает дополнительную способность для электромагнитной симуляции».

Улучшенная точность, легкость использования

С ожиданием достижения истинных цифровых двойников в производственных операциях разработчики доставляют увеличенный реализм и точность. «CAE симуляции для производителей сегодня экстремально реалистичны и точны, до точки, где предсказанные производственные искажения могут использоваться для негативной компенсации дизайна, так что изготовленная деталь находится в требуемых допусках от спроектированной детали», сказал Сетт. «Простым языком, мы можем предвосхитить искажение формы детали из-за производственного процесса, затем учесть это искажение, так что готовая деталь соответствует желаемой геометрии.

«Пользователи симуляции ищут точность, скорость, легкость использования и интеграцию с производственным ПО», добавил он. «Кроме того, производственный инженер требует инструменты симуляции, которые легки и интуитивны в использовании, без глубокого фона симуляции». Использование симуляции в аддитивном производстве также быстро растет, так как способность создавать дизайны, невозможные в традиционном производстве, ведет к большей необходимости симулировать итерации дизайна. «Гостья передовая симуляционная работа в производстве связана с аддитивным производством», сказал Сетт.

В сегодняшних связанных, передовых производственных установках симуляция имеет большой потенциал ускорить дизайны на рынок, сократить затраты и минимизировать или устранить производственные дефекты. Симуляция может привести к «множеству разных потенциалов экономии затрат, в зависимости от приложения», отметил Шафсталь от MSC Software, «а также более быстрое время выхода на рынок, более глубокие инсайты, понимание процесса и внутренний трансфер знаний». Другие преимущества включают дополнительные потенциальные производственные вариации, с более надежным процессным окном, где больше идей можно протестировать, сказал он.

Симуляция предлагает пользователям гораздо более детальную информацию до начала производства, добавил он. «Лучшее понимание производственного процесса и его проблем поможет [создать] более технологичный, оптимизированный дизайн», заявил Шафсталь. «Это также означает, что производственная симуляция будет всё больше перемещаться в фазу проектирования [в аддитивном]».

В феврале MSC Software выпустила свой новый движок CoSim, разработанный для предоставления интерфейса косимуляции для прямого связывания разных солверов/дисциплин в мультифизическом фреймворке. Версия CoSim V1.6 позволяет инженерам настраивать модели косимуляции между Adams мультителовым движением (MBD), Marc (FEA) и scFLOW (CFD) приложениями MSC, и покрывает широкий спектр промышленных применений. Движок CoSim предлагает улучшенную точность, прецизию и производительность для сложных мультифизических приложений, по словам MSC.

Высокий уровень реалистичной точности никогда не был более достижим, чем с сегодняшними предложениями, по словам Франка от Autodesk. «С доступной сегодня вычислительной мощностью мы можем захватывать инсайты в производственный процесс как никогда раньше, и также проектировать эксперименты для понимания того, какая комбинация материалов, настроек процесса и параметров дизайна может быть использована для достижения лучших результатов. Будь то NC-симуляция для операции станков или процессная симуляция чего-то вроде производительности литья под давлением или аддитивной металлической 3D-печати, пользователи имеют самый глубокий инсайт в то, чего можно ожидать на цехе», сказал Фрэнк.

Он отметил, что Autodesk поддерживает свои собственные производственные и тестовые лаборатории, постоянно оценивая свое ПО на точность и предсказуемость.

Симуляция NC-обработки

В NC-симуляции, моделирование и верификация резающих процессов дает производителям ясную картину движения траектории резака, включая все остальные движущиеся элементы в станке кроме самого резака. С последним ПО симуляции и верификации от NCSIMUL Hexagon Production Software, Бостон, пользователи получают полностью автоматизированную систему, которая делает много работы, с новыми функциями автоматизации симуляции, теперь интегрированными в линейку CAD/CAM ПО Vero Software родительской Hexagon Manufacturing Intelligence, которая включает EdgeCAM, WorkNC, AlphaCAM и другие бренды Vero, а также 15 сторонних приложений, включая Mastercam и Siemens NX CAM.

Обновление NCSIMUL 2020, запланированное к выпуску в апреле, предлагает гораздо лучшую интеграцию с CAM-системами через свой API, обновленный графический интерфейс пользователя и полную спецификацию по производству, включая измерение и контроль, сказал генеральный менеджер NCSIMUL Сильвер Произи. Автоконтроль помогает улучшить связь с ЧПУ станками, добавил он, с возможностью считывания всех параметров на цехе. «Мы соединяем программистов с цехом», сказал он, «так что им не нужно уходить с компьютеров. Это еще более критично с пятиосевыми станками, которым нужна CAV (компьютерная верификация).»

Последняя система NCSIMUL предлагает более реалистичные симуляции, добавил он. «Мы режем объем в объем; вы можете видеть сколы, видите реальный срез на детали», сказал Произи. «Это действительно до реальности, с очень тонкой детализацией. Мы действительно автоматизируем процесс, с шаблонами, которые отправляют ваши модификации в NCSIMUL, который запускает симуляцию в черном ящике, и показывает, безопасна ваша программа или нет. Что нового — это детализация того, сколько автоматизации мы можем сделать, и также новая оптимизация не только для фрезерования, которую мы добавили в прошлом году, но и для токарных станков».

Симуляция и верификация резающего процесса никогда не были более критичны с последним поколением станков. «Новые ЧПУ станки делаются всё более сложными и быстрыми, чем их предшественники», отметил Джин Гранната, менеджер по продукту Vericut у разработчика NC симуляции/верификации CGTech, Ирвин, штат Калифорния. «Сегодняшние станки имеют больше движущихся частей, добавленные возможности и много новых M- и G-кодов, необходимых для правильной работы. Даже казалось бы простое действие вроде «смены инструмента» происходит пугающе быстрыми темпами. Катастрофический сбой может прийти очень быстро и неожиданно, когда резающие инструменты и ЧПУ станки толкаются до их пределов».

Оптимизация NC-кодов и процессов их создания — фокус для большинства NC-цехов, сказал Гранната. «Снижение маржи прибыли и увеличение конкуренции — основные причины; оптимизация любым способом и точная оценка затрат критичны для выживания бизнеса», добавил он. «Использование ПО вроде Vericut с оптимизацией Force гарантирует, что все NC-программы режут с оптимальными нагрузками на щепку, держат динамические резающие силы в безопасных пределах и позволяют более точные предсказания времени обработки».

Точная симуляция — ключ к продуктивности, сказал Гранната. «Симуляция NC-кода на моделях цифровых двойников ЧПУ станков держит ЧПУ станки производящими детали вместо траты ценного станочного времени на отработку. Использование симуляции «виртуально» устраняет потенциальные столкновения и ошибки обработки, которые могли вызвать серьезные проблемы в цехе, и тем самым избегает дорогостоящих простоев и задержек графика.

«Симуляция может делать лучшую работу, когда доступны более точные данные», продолжил он. «Например, точные модели станков желательны для точного обнаружения потенциальных столкновений станка. Аналогично, детальные модели резающих инструментов помогают верифицировать, что элементы детали могут быть достигнуты с уверенностью во время обработки и используются правильно [например, с безопасными углами входа]. Когда резающие инструменты загружаются из облака с рекомендуемыми параметрами резающей производительности, программисты также могут быть уверены, что они используют подходящие подачи и скорости для обработки и оптимизации».

По словам Гранната, NC-уровень симуляции на модели цифрового двойника ЧПУ станка рассматривается как самый всесторонний способ верифицировать, что NC-программы будут хорошо работать на предполагаемом ЧПУ станке и произведут обработанную деталь как ожидается, без столкновений, превышения лимитов перемещения осей или создания неприятностей от некорректных или отсутствующих NC-кодов. «NC-уровень симуляции также лучший выбор для оптимизации NC-программы, потому что оптимальные резающие методы и возможности/лимиты станка могут быть применены одновременно», отметил он.

Последняя версия Vericut 9 использует более передовые возможности OpenGL для обеспечения превосходного качества графического отображения и производительности, по словам CGTech. Улучшенная графика улучшает функцию и согласованность через виды, позволяя всем функциям ПО для замеров, применения сечений и сравнения теоретической дизайн-модели против симулированной вырезанной детали.

Некоторые функции, приходящие для пользователей Vericut, включают новую возможность Restart, сказал Гранната. «Когда ошибка идентифицирована в NC-программе, пользователи могут сделать коррекции и перезапустить симуляцию на блок или два до возникновения ошибки, затем проиграть вперед, чтобы верифицировать, что изменение — то, что они хотят». Оптимизаторы Force предложат лучше оптимизированную обработку и улучшенные взаимодействия Force Chart. Также будет новый продукт Force Calibration для цехов, которые хотят тестировать свои собственные условия реза инструмент-материал, и использовать собранные данные для управления анализом и оптимизацией NC-программ Vericut Force.