Perangkat Lunak Simulasi Canggih Meningkatkan Desain Produk dan Efisiensi Manufaktur

Saat menghadapi masalah yang rumit seperti kompleksitas produk, pengurangan berat, bahan canggih, dan metode manufaktur baru, insinyur manufaktur saat ini semakin menggunakan simulasi high-fidelity untuk memvisualisasikan solusi untuk tantangan ini. Perangkat lunak simulasi terbaru dapat memberikan petunjuk untuk meningkatkan desain dan kinerja produk dengan paket CAE high-end dan perangkat lunak simulasi NC yang membantu menentukan tidak hanya desain terbaik, tetapi cara paling efisien untuk mencapainya.

Proses manufaktur baru seperti manufaktur aditif (AM) menyajikan masalah yang berbeda bagi produsen, dan simulasi dapat menentukan di awal solusi mana yang paling efektif. Banyak paket perangkat lunak simulasi kini menawarkan simulasi spesifik aditif yang dapat membantu menerangi proses berlapis di mana produk aditif dibangun, sambil memvisualisasikan cara membuat proses pemesinan logam subtratif tradisional lebih efisien.

Menyelesaikan Masalah Kompleksitas

Dalam manufaktur diskrit, insinyur pengembangan produk menghadapi tantangan besar, karena segala sesuatu dari mobil hingga pesawat hingga kapal besar dan mesin berat berisi jutaan baris kode yang memprogram sistem dengan elektronik yang ditujukan untuk Industrial Internet of Things (IIoT).

"Tren besar yang kita lihat adalah kompleksitas produk yang meningkat," kata Ravi Shankar, director, global simulation product marketing, Siemens PLM Software (Plano, TX), sambil mencatat tingkat elektronik yang meningkat dalam komponen mekanis. "Apa yang mendorong itu adalah digital twin dan rekayasa berbasis model."

Kendaraan otonom dan drone adalah contoh terbaru dari sistem kompleks yang memerlukan sistem perangkat lunak simulasi, kata Shankar. "Kami juga telah melihat fokus pada efisiensi bahan bakar dan emisi otomotif, dengan peningkatan pengurangan berat dan penggunaan desain generatif," tambahnya.

Siemens baru-baru ini memperkenalkan solusi untuk mobil self-driving yang menggabungkan solusi simulasi Simcenter dengan teknologi sensor baru. Di US Innovation Day Siemens di Maret di Chicago, perusahaan memperkenalkan sistem, menggunakan citra sensor virtual Tass PreScan dengan platform Mentor DRS360 yang mengotomatisasi pengembangan algoritma untuk pemrosesan dan penggabungan sensor.

"Tren pertama adalah model dunia berbasis fisika dan model sensor berbasis fisika dapat dibuat," kata Martijn Tideman, director produk untuk Tass International (Steenovenweg, Belanda), yang diakuisisi tahun lalu oleh Siemens. "Model ini membuat informasi sensor buatan high-fidelity yang dapat dihasilkan seolah-olah berasal dari kamera, radar, dan LIDAR asli. Saat Anda memberi data buatan ini ke unit pemrosesan dalam mobil, seperti DRS360, Anda dapat mengevaluasi hardware/software dalam mobil tanpa mengemudikan satu mil pun."

Kunci lain adalah memastikan bahwa perangkat lunak simulasi pengemudian otomatis berjalan pada kluster high-performance (HPC), kata Tideman.

"Kluster ini dapat menjalankan banyak simulasi secara paralel, yang mempercepat proses evaluasi/validasi virtual. Anda ingin dapat mengemudikan satu juta mil virtual selama akhir pekan.

"Simulator pengemudian otomatis perlu terhubung ke berbagai modul perangkat keras dan lunak lainnya, misalnya impor peta, untuk secara otomatis menghasilkan jaringan jalan virtual atau alat simulasi dinamika kendaraan untuk memastikan kendaraan merespons dengan benar terhadap tindakan kontrol," jelasnya. "Antarmuka di antara alat simulasi semakin distandardkan," seperti dengan FMI/FMU (functional mock-up interface/functional mock-up unit), tambah Tideman.

Simulasi yang Mengganggu

Beberapa teknologi pendorong kunci mempengaruhi cara simulasi diterapkan dalam manufaktur. "Meskipun ada banyak perkembangan teknis yang terus berkembang dan membaik, beberapa memiliki potensi untuk secara mendasar mengganggu di mana, bagaimana, dan oleh siapa kemampuan simulasi digunakan," kata Seth A. Hindman, senior manager, strategi dan manajemen produk, manufaktur, konstruksi dan produksi di Autodesk Inc. (San Rafael, CA).

"Moore's Law telah terus berlaku lebih lama dari yang sebagian besar orang bayangkan. Dengan kemajuan berkelanjutan dalam daya pemrosesan, perangkat keras yang sangat canggih dapat diakses dengan harga yang sangat rendah. Digabungkan dengan perkembangan jaringan serat optik yang luas, perusahaan dapat terhubung ke sumber daya komputasi eksternal yang melebihi kecepatan intranet mereka sendiri," kata Hindman. "Kapasitas burst, elastic compute, dan HPC [high-performance computing] yang dapat dikonfigurasi memungkinkan perusahaan untuk secara mendasar mengubah cara mereka merancang dan memproduksi produk mereka dengan menjalankan cukup analisis untuk benar-benar memahami bagaimana produk mereka akan berperforma dalam berbagai aplikasi dan lingkungan."

Produsen juga beralih dari analisis yang tergantung pada mesh, kata Hindman.

"Sifat yang menakjubkan dari data desain 3D terus menekan permintaan untuk alat simulasi yang tidak lagi tergantung pada mesh dan dapat mendapat manfaat dari asosivitas dengan data desain asli. Ini tidak hanya meningkatkan produktivitas dalam alur kerja umum, tetapi juga memperluas audiens yang dapat mendapat manfaat dari kemampuan simulasi. Tekanan alami adalah untuk menciptakan solusi yang lebih kuat, lebih intuitif dan yang terlepas dari persyaratan CAE tradisional. Potensi jangka panjang adalah ini memungkinkan interaksi yang disederhanakan dengan solusi dan otomatisasi tugas yang membebani."

Perspektif yang berkelanjutan dalam CAE untuk membawa simulasi "di awal" sekarang digantikan oleh ide analisis berbasis tujuan, tambah Hindman. "Sementara simulasi di awal canggih, ia masih bergantung pada konvensi tradisional untuk menguji apa yang Anda desain versus mendorong eksplorasi desain yang memenuhi tujuan yang telah Anda tentukan," katanya. Autodesk saat ini memperkenalkan apa yang disebutnya desain generatif ke pasar rekayasa, tambah Hindman, yang baru saja tersedia di Autodesk Fusion 360 Ultimate.

"Teknologi desain generatif kami memungkinkan desain yang diinspirasi oleh tujuan dibuat oleh sistem, yang memfasilitasi eksplorasi luas ruang desain, memungkinkan trade-off berdasarkan wawasan," kata Hindman. "Tugas utama insinyur secara historis adalah menciptakan desain yang bekerja. Dengan desain generatif, setiap hasil berhasil memenuhi persyaratan dasar itu, yang berarti pengambilan keputusan dan trade-off diangkat ke tingkat inisiatif bisnis inti."

Mensimulasikan Proses Aditif

Pengembangan aditif terus membuat industri manufaktur bersemangat, dan banyak pengembang simulasi baru-baru ini merilis versi spesifik aditif baru atau ditingkatkan dari perangkat lunak simulasi mereka.

Misalnya, pada 19 April pengembang simulasi Ansys Inc. (Canonsburg, PA) merilis solusi Additive Print dan Additive Suite baru yang menyediakan simulasi untuk proses AM logam. Solusi ini dikatakan memungkinkan pengguna untuk mencetak bagian logam yang kompleks dan ringan serta menganalisis properti dan perilaku mikrostruktur. Ansys mengatakan ini akan membantu mengurangi biaya AM dengan membatasi keterbatasan desain, mengurangi limbah, dan menyusutkan waktu cetak.

Alur kerja simulasi aditif lengkap Ansys memungkinkan pelanggan untuk menguji desain produk mereka secara virtual sebelum mencetak bagian, menurut perusahaan. Perangkat lunak menyertakan simulasi sebelum proses pencetakan, yang memungkinkan insinyur untuk merancang, menguji, dan memvalidasi kinerja bagian pada tahap desain dan sangat mengurangi biaya tinggi dari coba-coba fisik.

AM adalah pengubah permainan untuk manufaktur, kata Brent Stucker, Ansys director of additive manufacturing. "Perangkat medis dapat diproduksi dengan geometri khusus pasien. Inventaris bagian cadangan untuk banyak komponen akan menjadi masa lalu, karena bagian pengganti dapat diproduksi saat dipesan," kata Stucker. "Produk yang beroperasi di lingkungan ekstrem, seperti di industri minyak dan gas, dapat diproduksi dengan komposisi material hybrid [lebih tahan lama] baru. Kompleksitas geometri yang ditawarkan AM berarti puluhan komponen dapat diintegrasikan ke dalam satu komponen yang lebih ringan dan kinerja lebih tinggi."

Stucker mencatat bahwa dalam AM, desainer dan operator mesin yang biasanya bukan pengguna simulasi rekayasa sekarang harus memahami proses cetak yang kompleks.

"Kami melihat bahwa operator mesin ingin lebih dari sekadar tebakan yang didasarkan pada pendidikan ketika datang untuk memprediksi apakah bagian dapat dibangun dengan sukses," katanya. "Mereka perlu dengan cepat memahami bagaimana pengaturan mesin tertentu akan menghasilkan distorsi bagian sebelum dan setelah dilepaskan dari support, dan apakah distorsi berlebihan mungkin menyebabkan mekanisme pembubunan bubuk mengenai bagian [yang dikenal sebagai blade crash]. Situasi serupa dengan desainer yang melakukan Desain untuk AM [DfAM]. Mereka ingin tahu apakah bagian yang telah mereka desain akan dicetak dengan sukses, dan jika bisa, properti komponen apa."

"Simulasi memasukkan kekuatan untuk memahami proses aditif ke tangan desainer dan operator," tambahnya. "Itulah mengapa kami telah mengembangkan Ansys Additive Print sebagai alat prediksi proses cetak mandiri—sehingga non-insinyur dapat menggunakan alat tersebut dalam beberapa hari."

Sementara perangkat lunak simulasi telah berhasil digunakan untuk memastikan bahwa struktur yang dirancang akan tahan di kondisi operasional selama operasi lapangan, ia juga terus ditantang oleh beban, material, dan fisika yang kompleks, catatan Subham Sett, director, Simulia Strategic Initiatives, Dassault Systèmes (Paris). "Perangkat lunak simulasi sekarang cenderung menyediakan solusi multiphysics dan multiscale yang memberikan prediksi untuk setiap aspek untuk mempercepat pertumbuhan industri. Misalnya, di industri otomotif, perangkat lunak simulasi digunakan untuk menyelesaikan masalah multiphysics dari dinamika multibody, kebisingan dan getaran, daya tahan tabrakan hingga aliran tidak stabil, serta masalah multiscale dari desain material, upscaling dan downscaling material multiscale, dan substruktur."

Menambahkan kemampuan untuk memprediksi bentuk yang dihasilkan dari proses AM menjorok sebagai salah satu perkembangan baru yang paling menarik dalam simulasi manufaktur, kata Sett. "Dengan mempertimbangkan jalur pemindaian, properti material, properti mesin dan laser, kami dapat secara akurat memprediksi deformasi bagian karena panas dan gravitasi saat bagian dicetak," tambahnya.

Mensimulasikan proses aditif memungkinkan pembangun untuk lebih akurat memprediksi dan mengontrol proses, mencegah kesalahan yang terjadi dalam proses pembentukan bagian aditif berlapis demi berlapis.

Shankar Siemens mengatakan simulasi dalam proses aditif, yang Siemens tambahkan dengan modul NX Additive tahun lalu, memungkinkan produsen untuk memprediksi hasil manufaktur.

"Saat Anda membuat berlapis, Anda harus mengetahui banyak hal: Berapa lama waktu pendinginannya? Apa voids [ruang kosong atau kantong] dalam bagian? Simulasi dapat membantu mengatasi voids dan juga stres residual dalam produk," katanya. Simulasi juga akan membantu produsen mengetahui cara menstandarkan proses dan memahami bagaimana produk akan berperforma.

Siemens saat ini sedang mengerjakan masalah seperti proses aditif dengan perubahan fase dan bagaimana bagian pendingin. Dalam beberapa kasus, HPC digunakan, karena sifat yang intensif komputasi dari simulasi tersebut. "Komputasi seringkali dapat diparalelkan. Jika Anda mencoba menyelesaikan model besar, [HPC] menarik," kata Shankar.

Sehubungan dengan aditif, Autodesk terus memperluas portofolio solusi mereka, kata Hindman. "Penambahan terbaru ke portofolio Netfabb adalah inklusi kemampuan desain generatif Autodesk. Seperti yang saya sebutkan sebelumnya, desain generatif memungkinkan desain yang diinspirasi oleh tujuan dibuat oleh sistem untuk memfasilitasi eksplorasi luas ruang desain. Bahan utama dari cara sistem dapat berfungsi sebagai peserta aktif adalah kami telah mengajarinya untuk sadar proses manufaktur aditif, sehingga ia akan menghasilkan hasil yang dioptimalkan untuk pencetakan 3D."

Dengan rilis Maret Netfabb Ultimate, Autodesk memperkenalkan kemampuan simulasi proses terintegrasi selain tawaran Netfabb Local Simulation mandiri yang ada. Hindman mengatakan bahwa kedua versi Netfabb kini mencakup: prediksi yang ditingkatkan efek seperti bubuk terjebak, hot spot/scorching dan lack of fusion; emulasi proses tambahan seperti penghapusan bagian EDM dan dampak perlakuan panas; kinerja yang ditingkatkan dalam layanan elastic compute opsi Autodesk; perkenalkan kemampuan analisis proses ke Netfabb Ultimate; dan kemampuan yang tersederhana untuk menukar preforms bagian yang dikompensasi oleh simulasi untuk geometri asli.

Autodesk juga meluncurkan dukungan untuk proses directed energy deposition (DED) dalam kolaborasi dengan portofolio Netfabb dan PowerMill (PowerMill Ultimate) perusahaan untuk memanfaatkan keahlian dalam kontrol robotik multiaxis.

"Ini menambahkan kemampuan lain untuk memprediksi potensi deformasi dan kegagalan yang luar biasa selama manufaktur deposit laju tinggi," kata Hindman. "Saat perusahaan meresmi manufaktur aditif logam, ada bahaya umum yang harus mereka hadapi dan atasi." Ia menambahkan bahwa tantangan umum dalam operasi printer bed fusion bubuk logam adalah: deformasi bagian, warpage (bagian yang dicetak tidak dapat diterima dan dapat merusak recoater); kegagalan/retakan yang diinduksi stres termal (bagian pecah selama cetak dan dapat merusak recoater); kegagalan support (stres sangat besar terbentuk dalam bagian sehingga merusak koneksi antara build plate dan bagian, membuat bagian tidak dapat diterima dan mungkin memungkinkan recoater bertabrakan dengan bagian); dan properti material yang bervariasi (bagian memiliki cacat yang terlihat atau tidak berperforma seperti yang diantisipasi).

Memvisualisasikan Proses NC

Untuk proses simulasi dan verifikasi NC, AM tetap menjadi area pengembangan kunci dengan pengembang sistem seperti Vericut NC simulasi perangkat lunak dari CGTech (Irvine, CA), yang baru-baru ini menambahkan modul Vericut Additive. "Manufaktur Aditif terus menjadi salah satu tren terpanas dalam manufaktur, jadi perangkat lunak simulasi berusaha untuk mengikuti," kata Gene Granata, product manager Vericut CGTech.

"Menggunakan perangkat lunak simulasi yang mampu mensimulasikan kode NC yang sama yang akan menggerakkan mesin adalah cara terbaik untuk melindungi peralatan CNC dan menciptakan bagian berkualitas dari pertama kalinya di bengkel."

Dalam komposit, dua tren terbaru yang menonjol adalah fokus pada tampilan grafis dan merepresentasikan workpiece dengan akurat, catatan Granata. "Meskipun memperbaiki grafik mungkin terlihat seperti perbaikan kosmetik, ada manfaat rekayasa nyata dari memprediksi dan memvisualisasikan bentuk akhir secara akurat dari komposit. Produsen mulai lebih banyak mengandalkan perangkat lunak untuk memprediksi bentuk akhir dan kualitas bagian," katanya. "Dengan tampilan resolusi tinggi dari workpiece yang selesai, insinyur dapat mulai menilai fitur yang paling memerhatikan mereka dengan fidelitas yang lebih besar."

Perangkat lunak simulasi menyediakan alat evaluasi dan optimasi proses yang penting yang meningkatkan produktivitas bengkel, tambahnya. "Pilihan baru untuk membuat 'efisien' toolpath sepertinya muncul di pasar secara teratur, namun seberapa baik mereka benar-benar bekerja? Perangkat lunak simulasi—didukung oleh toolpath G-code post-processed—mengungkap 'kebenaran' dalam waktu proses mesin," kata Granata. "Ini membantu programmer NC dan insinyur manufaktur menilai berbagai metode pemesinan sehingga mereka pada akhirnya dapat memilih metode paling efisien untuk membuat bagian mereka."

Otomatisasi, optimasi pemesinan, dan fleksibilitas mesin adalah area kunci yang Spring Technologies (Cambridge, MA), pengembang perangkat lunak NCSimul dan Optitool, dorong dalam pengembangan perangkat lunak simulasi, kata Silvere Proisy, general manager Spring Technologies.

Seiring permintaan pasar untuk proses yang lebih otomatis, NCSimul mengembangkan lebih banyak otomatisasi, katanya. "Dari data yang dikirim oleh perangkat lunak CAM ke NCSimul, ia telah diverifikasi secara otomatis, dan hasil simulasi diserahkan sebagai laporan akhir kepada programmer melalui e-mail. Pengguna tidak perlu berinteraksi lagi dengan perangkat lunak; semuanya dapat berjalan di server jarak jauh."

Optimasi pemesinan CNC dengan Optitool ditingkatkan, katanya. "Ini sekarang menawarkan dua tingkat optimisasi: satu adalah pengurangan pemotongan udara, mengoptimalkan semua gerakan pendekatan dan retraksi tanpa mengubah laju makan dalam material; tingkat kedua adalah optimisasi mode belajar yang mengatur laju makan pemotongan material berdasarkan sembilan parameter pemotongan, seperti ketebalan irisan atau aliran irisan, tanpa mengesampingkan laju dan kecepatan asli."

Fleksibilitas mesin adalah fokus pengembangan ketiga dengan opsi NCSimul 4CAM. "Memberikan kemampuan pada perusahaan manufaktur untuk mengubah pekerjaan dari satu mesin ke mesin lain, dalam beberapa menit dan tanpa harus memprogram ulang bagian dalam perangkat lunak CAM, adalah apa yang kita sebut revolusi," kata Proisy. "Ini membaca kode G awal dan menuliskan kode baru secara otomatis."