Tingkatkan Desain Produk dan Efisiensi dengan Perangkat Lunak Simulasi Canggih

Sistem visualisasi terbaru memungkinkan produsen merancang dan membuat produk lebih cepat dan lebih efisien dari sebelumnya.

Simulasi dalam manufaktur semakin luas. Visualisasi canggih digunakan di mana saja, mulai dari pemesinan di lantai bengkel CNC hingga pemrograman CAD/CAM offline untuk peralatan NC. Dalam arena manajemen siklus hidup produk (PLM), pengembang produk sangat bergantung pada aplikasi berbasis multiphysics canggih computer-aided engineering (CAE) di berbagai tahap proses desain untuk secara akurat menentukan apakah ciptaan mereka dapat menahan berbagai stres termal, fluida, dan kelelahan material yang biasanya dihadapi di lingkungan keras, seperti otomotif dan penerbangan, untuk memastikan desain produk baru memenuhi kontrol kualitas yang ketat.

Iterasi terbaru paket perangkat lunak visualisasi 3D memberikan cara bagi produsen untuk mempercepat pembuktian operasi pemotongan dan pemasangan manufaktur mereka, seringkali dengan akurasi mendekati 100 persen. Kemampuan ini penting untuk meningkatkan efisiensi proses pemesinan tradisional dan manufaktur aditif baru.

Hasil yang Lebih Akurat

Salah satu tren utama adalah penggunaan simulasi yang menawarkan hasil yang jauh lebih akurat bagi pengguna, menggunakan alat canggih untuk menurunkan properti material, kata Hendrik Schafstall, pendiri, mitra pengurus, dan CEO Simufact Engineering GmbH berbasis di Hamburg, Jerman, unit bisnis dari pengembang CAE MSC Software berbasis di Newport Beach, Calif. Produsen sekarang dapat mendapatkan "simulasi rantai proses dari semua langkah proses yang relevan dan antarmuka terkait—utama untuk menangkap sejarah manufaktur untuk tabrakan dan usia kelelahan selanjutnya, dan untuk memprediksi properti lokal dalam bagian untuk kinerja bagian," kata Schafstall. Untuk OEM, simulasi memiliki kopling sepenuhnya terotomatisasi dengan sistem PDM [product data management], katanya tambahan.

Tren lain adalah menggunakan lebih banyak informasi dari simulasi proses manufaktur, yang harus dipertimbangkan selama fase desain, kata Schafstall. "Pengemudi besar adalah manufaktur aditif dan pemasangan lembar," katanya. Ada juga penggunaan lebih banyak bagian "seperti diproduksi" untuk simulasi struktur untuk hasil yang lebih akurat, katanya tambahan, dan simulasi memiliki jendela proses yang lebih kuat untuk mendeteksi parameter pengaruh utama yang harus dipantau dan dikontrol selama produksi.

Kenyataan "realistis" yang meningkat dan kemampuan analitik yang lebih canggih tetap menjadi tren utama untuk semua jenis simulasi, kata Ben Mund, senior analyst, CNC Software Inc., Tolland, Conn., pengembang perangkat lunak CAD/CAM Mastercam. Mund menunjukkan bahwa simulasi saat ini menawarkan pengguna "model matematis yang lebih dalam dipahami dari semua bagian bergerak mesin, bagaimana mereka berinteraksi dengan alat potong dan benda kerja, dan kemampuan untuk mengidentifikasi tepat di mana dan mengapa gerakan yang tidak diinginkan mungkin terjadi. Area-area ini berkembang bersama-sama, memberikan lebih banyak kepercayaan bagi programmer dan lebih banyak produktivitas di lantai bengkel."

Simulasi yang akurat semakin penting dari sebelumnya dalam manufaktur, kata Mund tambahan. "Dengan hadirnya mesin yang semakin kompleks, ada kebutuhan akan presisi tinggi dalam pemrograman NC dan kepercayaan yang tidak dapat ditembus bahwa mesin akan menjalankan program tersebut dengan benar," kata Mund. "Ini juga berguna bagi bengkel untuk memiliki berbagai jenis simulasi tergantung pada apa yang mereka butuhkan. Simulasi toolpath-only memungkinkan tampilan cepat dan bersih dari gerakan cutter dalam bagian, dengan analitik yang tersedia di setiap titik sepanjang jalur. Simulasi tingkat mesin memperluas pendekatan ini dengan menambahkan lingkungan mesin, menunjukkan potensi konflik dari item yang bergerak di dalam mesin itu sendiri."

"Simulasi semakin krusial bagi setiap bengkel; seiring mesin dan alat potong semakin canggih, dorongan untuk produktivitas meningkat, dan kebutuhan akan umpan balik yang terhubung semakin umum," katanya lanjut. "Simulasi yang realistis berkembang di semua bidang. Simulasi matematis dalam interaksi antara mesin, alat potong, material, dan benda kerja akhir yang diinginkan mendorong sebagian besar aplikasi praktis yang dibutuhkan bengkel. Ini adalah 'inti' simulasi di mana perusahaan perangkat lunak manufaktur menanamkan sebagian besar anggaran pengembangan dan pengujian berat mereka."

Tingkat ke realistisan matematis baru ini ditingkatkan dan dibuat lebih menarik dengan penambahan realistis "di layar". "Ini mengambil model fisika dan membuatnya tampak nyata sebisanya mungkin bagi pengguna," kata Mund. "Di sini Anda akan melihat pembangunan visual mesin dan semua bagian bergeraknya (sesekali termasuk logo produsen), pilihan warna dan material visual, dan opsi tampilan lain yang memungkinkan programmer dengan mudah melihat dan yakin dengan hasil program mereka."

Demokratisasi Simulasi

Aksesibilitas terhadap alat simulasi telah menjadi hambatan bagi banyak orang di manufaktur, karena simulasi tingkat tinggi—terutama di CAE—secara umum ditangani oleh pakar simulasi yang terlatih tinggi. Namun dalam beberapa tahun terakhir, akses yang lebih besar terhadap visualisasi ini disediakan di seluruh organisasi manufaktur. Akses ini disediakan oleh koneksi ke sistem data host, baik melalui aplikasi klien ringan atau dengan memanfaatkan kekuatan cloud dengan komputasi berkinerja tinggi (HPC) dan membawa kekuatan level superkomputer untuk menganalisis visualisasi yang sangat besar dan kompleks.

"Salah satu tren utama dalam perangkat lunak simulasi adalah untuk terus mengurangi hambatan penggunaan. Setiap orang menerima bahwa simulasi dapat memberikan wawasan berharga dan menghemat waktu dan uang, tetapi seringkali ada hambatan adopsi," kata Brian Frank, senior product manager untuk solusi desain generatif dan simulasi di Autodesk Inc., San Rafael, Calif.

"Beberapa hal itu muncul dalam biaya dan kemampuan untuk mengakses. Autodesk telah bekerja sangat keras untuk membuatnya lebih mudah dari sebelumnya untuk mengakses teknologi simulasi kelas dunia melalui tawaran langganan kami, dan kami terus membawa lebih banyak teknologi ke dalam tawaran desain inti seperti Fusion 360. Kami juga terus memastikan pengguna tidak memerlukan pengetahuan simulasi spesial untuk mendapatkan nilai dari tindakan mensimulasikan dengan mengotomatisasi dan memandu pengguna melalui alur kerja yang perlu dieksekusi."

Gerakan menuju digitalisasi manufaktur menekankan kebutuhan esensial untuk mendorong alat simulasi ke audiens yang lebih luas untuk mengatasi kecepatan transformasi manufaktur digital/Industry 4.0 saat ini, menurut Ravi Shankar, global director product marketing untuk Simcenter, Siemens PLM Software, berbasis di Plano, Texas. Simulasi krusial bagi perusahaan yang sedang mendigitalisasi proses pengembangan produk mereka karena ketika proses desain dan manufaktur disimulasikan dengan benar di dunia virtual, perusahaan dapat membawa desain mereka ke pasar lebih cepat.

Memperluas akses simulasi adalah topik penting, setuju Shankar. "Sejumlah kemajuan signifikan telah dicapai dalam beberapa tahun terakhir," katanya, "tapi masih ada yang harus dilakukan. Kami dapat memandang demokratisasi sebagai baik kemampuan lebih banyak orang dalam organisasi untuk melakukan simulasi maupun bagi lebih banyak orang untuk mengonsumsi simulasi tanpa harus menjadi ahli simulasi."

Siemens berada di garis depan transformasi ini, kata Shankar, karena kekuatannya dalam melayani kebutuhan para desainer. "Beberapa contoh ini termasuk integrasi teknologi simulasi dalam lingkungan Siemens NX [yang mencakup kemampuan CAD/CAM dan CAE]; integrasi kemampuan simulasi dalam tawaran CAD komersial lainnya melalui solusi Simcenter FloEFD [Mentor Graphics' computational fluid dynamics] kami; dan juga lebih luas melalui investasi kami dalam desain generatif dan visualisasi, termasuk metode VR canggih untuk menjelajahi hasil simulasi."

Akses cloud ke solusi CAE juga menambahkan aksesibilitas yang sangat dibutuhkan bagi pengguna simulasi non-ahli di manufaktur. "Secara historis, perangkat lunak manufaktur dan perangkat lunak simulasi CAE adalah produk nich yang terpisah yang digunakan masing-masing oleh insinyur manufaktur dan ahli simulasi," kata Subham Sett, vice president, Simulia marketing and strategic initiatives, di Dassault Systèmes, berbasis di Waltham, Mass. dan Vélizy-Villacoublay, Prancis.

"Namun, dengan [kebutuhan] first-time quality dengan biaya produksi yang dikurangi saat ini, perusahaan ingin memanfaatkan manfaat mensimulasikan proses manufaktur sebelum diimplementasikan. Untuk melakukannya, pendekatan terintegrasi diperlukan untuk menghubungkan product BOM [Bill of Materials] ke proses manufaktur—termasuk simulasi yang realistis dari keduanya."

Tawaran simulasi 3DExperience milik Dassault Systèmes di cloud tentu membantu simulasi menjadi lebih demokratis, kata Sett, karena mereka "memerlukan hanya perangkat keras dan dukungan IT lokal yang terbatas untuk mengakses sejumlah besar kekuatan komputasi dan kemampuan simulasi."

Mund dari CNC Software menambahkan bahwa "simulasi telah demokratis hingga titik di mana merupakan komponen yang diharapkan dari setiap tawaran perangkat lunak CAD/CAM. Seiring simulasi umum menjadi lebih luas, jenis dan kedalaman simulasi juga secara dramatis diperluas. Selama dua dekade terakhir, industri telah bergerak dari backplotting toolpath dasar ke visualisasi pengeliminasi material hingga simulasi lengkap dari lingkungan alat mesin." Harapan pengguna tentang apa yang harus tersedia sebagai komponen standar CAD/CAM juga bergerak seiring itu, kata Mund.

"Sementara solusi mandiri yang luar biasa tetap ada—dan memiliki tempat yang vital di banyak bengkel—simulasi telah menjadi bagian yang begitu terpadu dalam alur kerja bengkel sehingga sebagian besar penyedia CAD/CAM mempertimbangkannya hampir sepenting dengan gerakan alat itu sendiri," katanya.

Investasi dalam Simulasi

Selama beberapa tahun terakhir, pemakai simulasi terbesar—Autodesk, Dassault, Siemens, dan sekarang Hexagon—telah membuat investasi besar dalam arena simulasi, terutama dalam aplikasi CAE multiphysics. Siemens menghabiskan $4,5 miliar untuk mengakuisisi raksasa electronic design automation (EDA) Mentor Graphics pada 2016, dan juga membeli LMS International dan CD-adapco untuk membangun portofolio simulasi mereka. Lebih baru lagi, raksasa metrologi Hexagon AB, Stockholm, Swedia, mengakuisisi Spring Technologies, pengembang perangkat lunak simulasi dan verifikasi toolpath NCSIMUL, pada 2018.

"Siemens sangat aktif dalam mengakuisisi dan mengintegrasikan solusi dalam ruang simulasi sebagai bagian dari fokus yang lebih besar untuk menyediakan platform inovasi digital," kata Shankar dari Siemens. "Dengan Simcenter, kami menawarkan salah satu portofolio terluas dan terdalam di industri untuk simulasi dan pengujian. Ini mencakup kemampuan dari akuisisi LMS dan CD-adapco kami, yang membantu kami memperluas di area seperti simulasi sistem, simulasi 3D canggih, pengujian, dan simulasi fluida, semuanya yang kami gabungkan dengan solusi untuk eksplorasi desain dan manajemen data simulasi."

Dengan Mentor Graphics, Siemens memperoleh kemampuan canggih dalam ruang listrik dan elektronik, dan juga memperkuat tawaran untuk insinyur desain, khususnya melalui simulasi aliran terintegrasi CAD, katanya tambahan, dengan menunjukkan bahwa solusi pengujian hardware milik Mentor juga merupakan tambahan yang bagus untuk portofolio. Selain itu, pada Januari Siemens merilis pembaruan lengkap dari platform Simcenter 3D, menambahkan pemodelan yang lebih cepat dan simulasi yang lebih akurat.

"Aplikasi pelanggan bernilai tinggi di semua industri semakin memerlukan kemampuan simulasi untuk semua fisika, pada semua skala," kata Sett dari Dassault. "Untuk melengkapi kekuatan yang sudah ada kami dalam struktur dan simulasi multibody, Dassault Systèmes baru saja memperoleh kemampuan kuat untuk simulasi fluida dan akustika melalui akuisisi garis produk PowerFlow, XFlow, dan Wave6. Selain itu, kami telah mengakuisisi garis produk CST Studio suite, yang menyediakan kemampuan komplementer untuk simulasi elektromagnetik."

Akurasi yang Ditingkatkan, Kemudahan Penggunaan

Dengan harapan mencapai digital twin yang sebenarnya dalam operasi manufaktur, pengembang menyediakan kenyataan dan akurasi yang ditingkatkan. "Simulasi CAE untuk produsen saat ini sangat realistis dan akurat, hingga titik di mana distorsi manufaktur yang diprediksi dapat digunakan untuk mengkompensasi negatif sebuah desain, sehingga bagian seperti diproduksi berada dalam toleransi yang diperlukan dari bagian seperti dirancang," kata Sett. "Dalam bahasa sehari-hari, kami dapat mengantisipasi distorsi pada bentuk bagian karena proses manufaktur, kemudian mengakomodasi distorsi tersebut sehingga bagian akhir cocok dengan geometri yang diinginkan."

"Pengguna simulasi mencari akurasi, kecepatan, kemudahan penggunaan, dan integrasi dengan perangkat lunak manufaktur," katanya tambahan. "Selain itu, insinyur manufaktur memerlukan alat simulasi yang mudah dan intuitif digunakan, tanpa latar belakang simulasi yang mendalam." Penggunaan simulasi oleh manufaktur aditif juga berkembang dengan cepat, karena kemampuan untuk menciptakan desain yang tidak mungkin dalam manufaktur tradisional menyebabkan kebutuhan yang lebih besar untuk mensimulasikan iterasi desain. "Sebagian besar pekerjaan simulasi yang modern di manufaktur terkait dengan manufaktur aditif," kata Sett.

Dalam instalasi manufaktur canggih yang terhubung saat ini, simulasi memiliki potensi besar untuk mempercepat desain ke pasar, mengurangi biaya, dan meminimalkan atau menghilangkan cacat manufaktur. Simulasi dapat menyebabkan "banyak potensi penghematan biaya, tergantung pada aplikasi," kata Schafstall dari MSC Software, "serta waktu ke pasar yang lebih cepat, wawasan yang lebih dalam, pemahaman proses, dan transfer pengetahuan internal." Keuntungan lainnya mencakup variasi manufaktur tambahan, dengan jendela proses yang lebih kuat di mana lebih banyak ide dapat divalidasi, katanya.

Simulasi menawarkan pengguna informasi yang jauh lebih rinci sebelum produksi dimulai, katanya tambahan. "Pemahaman yang lebih baik tentang proses manufaktur dan masalahnya akan membantu [menciptakan] desain yang lebih dapat diproduksi dan dioptimalkan," kata Schafstall. "Ini juga berarti simulasi manufaktur akan semakin bergerak ke dalam fase desain [dalam manufaktur aditif]."

Pada Februari, MSC Software merilis mesin CoSim baru yang dikembangkan untuk menyediakan antarmuka co-simulation untuk kopling langsung dari berbagai solver/disiplin dalam kerangka multiphysics. Versi CoSim V1.6 memungkinkan insinyur untuk menyiapkan model co-simulation antara aplikasi MSC Adams multibody dynamics (MBD), Marc (FEA), dan scFLOW (CFD), dan mencakup berbagai aplikasi skala industri. Mesin CoSim menawarkan akurasi, presisi, dan performa yang ditingkatkan untuk aplikasi multiphysics kompleks, menurut MSC.

Tingkat akurasi realistis yang tinggi belum pernah tercapai seperti dengan tawaran saat ini, menurut Frank dari Autodesk. "Dengan kekuatan komputasi yang tersedia saat ini, kami dapat menangkap wawasan tentang proses manufaktur seperti sebelumnya, dan juga merancang eksperimen untuk memahami kombinasi material, pengaturan proses, dan parameter desain apa yang dapat digunakan untuk mencapai hasil terbaik. Baik simulasi NC untuk operasi mesin atau simulasi proses untuk sesuatu seperti kinerja cetak injeksi atau cetakan logam aditif 3D, pengguna memiliki wawasan paling dalam tentang apa yang dapat diharapkan di lantai bengkel," kata Frank.

Katanya Autodesk memelihara laboratorium produksi dan pengujian sendiri, terus mengevaluasi perangkat lunak untuk akurasi dan prediktivitas.

Simulasi Pemotongan NC

Dalam simulasi NC, mensimulasikan dan memverifikasi proses alat potong memberikan produsen gambaran jelas tentang gerakan pemotongan toolpath, termasuk semua elemen bergerak lain di alat mesin selain alat potong sebenarnya. Dengan perangkat lunak simulasi dan verifikasi terbaru dari NCSIMUL Hexagon Production Software, Boston, pengguna mendapatkan sistem yang sepenuhnya terotomatisasi yang melakukan banyak pekerjaan, dengan fitur otomatisasi simulasi baru yang sekarang diintegrasikan ke dalam deretan perangkat lunak CAD/CAM Vero Software milik induk Hexagon Manufacturing Intelligence, yang mencakup EdgeCAM, WorkNC, AlphaCAM dan merek Vero lainnya, serta 15 aplikasi pihak ketiga, termasuk Mastercam dan Siemens NX CAM.

Pembaruan NCSIMUL 2020, yang dijadwalkan dirilis pada April, menawarkan integrasi yang jauh lebih baik dengan sistem CAM melalui antarmuka pemrograman aplikasi (API), antarmuka pengguna grafis yang diperbarui, dan bill of materials lengkap di seluruh produksi, termasuk pengukuran dan kontrol, kata General Manager NCSIMUL Silvère Proisy. Kemampuan kontrol otomatis membantu meningkatkan koneksi ke mesin CNC, katanya tambahan, dengan kemampuan untuk membaca semua parameter di lantai bengkel. "Kami menghubungkan programmer ke lantai bengkel," katanya, "sehingga mereka tidak perlu meninggalkan komputer mereka. Ini bahkan lebih kritis dengan mesin sumbu lima yang memerlukan CAV (computer-aided verification)."

Sistem NCSIMUL terbaru menawarkan simulasi yang lebih realistis, katanya tambahan. "Kami memotong volume ke volume; Anda dapat melihat scallops, melihat pemotongan sebenarnya pada bagian," kata Proisy. "Ini benar-benar sampai ke kenyataan, dengan detail yang sangat halus. Kami benar-benar mengotomatisasi proses, dengan templat yang mengirim modifikasi Anda ke NCSIMUL, yang menjalankan simulasi dalam kotak hitam, dan menunjukkan apakah program Anda aman atau tidak. Yang baru adalah detail seberapa banyak otomatisasi yang dapat kita lakukan, dan juga optimasi baru untuk tidak hanya pemotongan, yang kami tambahkan tahun lalu, tetapi juga untuk mesin bubut."

Mensimulasikan dan memverifikasi proses pemotongan belum pernah semakin kritis dengan generasi terbaru alat mesin. "Mesin CNC yang lebih baru dibuat semakin kompleks dan bergerak lebih cepat dari pendahulunya," kata Gene Granata, product manager Vericut di pengembang simulasi/verifikasi NC CGTech, Irvine, Calif. "Mesin saat ini memiliki lebih banyak bagian bergerak, kemampuan tambahan, dan banyak kode M dan G baru yang diperlukan untuk membuat hal-hal berfungsi dengan benar. Bahkan tindakan yang tampak sederhana seperti 'ganti alat' terjadi dengan kecepatan yang menakutkan. Kegagalan katastrofik dapat datang sangat cepat dan tidak terduga saat alat potong dan mesin CNC didorong hingga batas ultimatif mereka."

Mengoptimalkan kode NC dan proses yang digunakan untuk membuatnya adalah fokus bagi sebagian besar bengkel NC, kata Granata. "Margin keuntungan yang menurun dan persaingan yang meningkat adalah alasan utamanya; mengoptimalkan dengan cara apa pun dan estimasi biaya yang akurat adalah kritis untuk kelangsungan bisnis," katanya tambahan. "Menggunakan perangkat lunak seperti Vericut dengan Force optimization memastikan semua program NC memotong dengan beban chip optimal, menjaga gaya pemotongan dinamis dalam batas aman, dan memungkinkan prediksi waktu pemesinan yang lebih akurat."

Simulasi yang akurat adalah kunci produktivitas, kata Granata. "Mensimulasikan kode NC yang berjalan pada model mesin digital twin mempertahankan mesin CNC membuat bagian alih-alih membuang waktu mesin yang berharga pada pembuktian. Menggunakan simulasi, 'secara virtual' menghilangkan potensi tabrakan dan kesalahan pemesinan yang dapat menyebabkan masalah serius di bengkel, dan dengan itu menghindari waktu henti yang mahal dan keterlambatan jadwal."

"Simulasi dapat bekerja lebih baik ketika data yang lebih akurat tersedia," katanya lanjut. "Misalnya, model mesin yang akurat diinginkan untuk deteksi yang presisi dari potensi tabrakan mesin. Demikian pula, model alat potong yang rinci membantu memverifikasi bahwa fitur bagian dapat tercapai dengan yakin selama pemesinan dan digunakan dengan benar [misalnya dengan sudut ramping yang aman]. Saat alat potong diunduh dari cloud dengan parameter performa pemotongan yang direkomendasikan, programmer juga dapat yakin bahwa mereka menggunakan feed dan speed yang sesuai untuk pemesinan dan untuk optimasi."

Menurut Granata, simulasi tingkat NC pada mesin CNC digital twin dipandang sebagai cara paling komprehensif untuk memverifikasi bahwa program NC akan bekerja baik pada mesin CNC yang dimaksud dan menghasilkan bagian yang diproses seperti yang diharapkan, tanpa mengalami tabrakan, melebihi batas perjalanan sumbu, atau membuat kecelakaan dari kode NC yang salah atau hilang. "Simulasi tingkat NC juga adalah pilihan terbaik untuk optimasi program NC, karena metode pemotongan optimal dan kemampuan/batas mesin dapat diterapkan secara bersamaan," katanya.

Versi terbaru Vericut versi 9 menggunakan kemampuan grafik OpenGL yang lebih canggih untuk menyediakan kualitas dan performa tampilan grafis yang superior, menurut CGTech. Grafis yang ditingkatkan meningkatkan fungsi dan konsistensi di seluruh tampilan, memungkinkan semua fungsi perangkat lunak untuk mengambil ukuran, menerapkan potongan penampang, dan membandingkan model desain teoretis versus bagian yang dipotong simulasi.

Beberapa fitur yang akan hadir bagi pengguna Vericut mencakup kemampuan Restart baru, kata Granata. "Ketika kesalahan teridentifikasi dalam program NC, pengguna dapat melakukan koreksi dan memulai ulang simulasi satu atau dua blok sebelum kesalahan terjadi, lalu memutar ke depan untuk memverifikasi perubahan itu adalah yang mereka inginkan." Force optimizers akan menawarkan pemesinan yang lebih dioptimalkan dan interaksi Force Chart yang ditingkatkan. Akan ada juga penawaran produk Force Calibration baru untuk bengkel yang ingin menguji kondisi pemotongan alat-potong mereka sendiri, dan menggunakan data yang terkumpul untuk mendorong analisis dan optimasi program NC Force milik Vericut.