Dominando Eficiência de Produção com Ferramentas Avançadas de Simulação

Ferramentas de simulação estão tornando muito mais fácil para fabricantes otimizarem seus processos, visualizando todo o caminho de produção desde simulações de usinagem NC de corte de metal até design 3D e imagem de chão de fábrica. Com as ferramentas de simulação de hoje, designers de trajetória de ferramenta e engenheiros de manufatura podem facilmente ver exatamente onde trajetórias de ferramenta NC vão colidir e ser capazes de corrigir situações na hora, levando a acelerar imensamente a simulação e verificação do processo de corte de metal.

Algumas das últimas reviravoltas em sistemas de simulação apresentam novas capacidades sendo aplicadas aos crescentes processos de manufatura aditiva que construtores estão abraçando para prototipagem rápida e manufatura aditiva de componentes de produção. Novo software de simulação NC está sendo adaptado para acomodar estes processos aditivos, tornando muito mais simples calcular e simular o tempo necessário para construir peças nos processos camada por camada da aditiva tanto para prototipagem quanto para construir peças de metal de produção.

Na usinagem subtrativa mais tradicional, fabricantes também continuam focados em uma tendência contínua de espalhar a riqueza com ferramentas de simulação de ponta, com "democratização" e disseminação do uso de simulação incluindo engenharia assistida por computador (CAE), tipicamente usada principalmente por especialistas altamente treinados, através da cadeia de design/produção de manufatura.

Simulando para Aditivo e Subtrativo

As mais recentes ferramentas de simulação e verificação NC incluindo Vericut da CGTech (Irvine, CA) e NCSimul da Spring Technologies (Boston) estão adicionando capacidades aditivas para simular e verificar processos praticamente da mesma forma que fazem para usinagem tradicional.

"Manufatura aditiva é a última tendência, com mais e mais fabricantes incorporando este método em seu catálogo de capacidades", disse Gene Granata, gerente de produto da CGTech para Vericut. "A CGTech está atualmente trabalhando com parceiros de tecnologia como GE, Dassault Aviation, Mazak, Universidade de Sheffield, e Centro de Tecnologia Avançada de Connecticut [CCAT] para colaborar e cultivar nosso módulo AM previsto para ser lançado no Vericut 8.1, previsto para o final deste ano."

O novo Vericut adiciona trajetórias de ferramenta otimizadas usando dados baixados da nuvem. "Com nosso último lançamento de software Vericut 8.0.2, atualizamos nosso módulo de otimização de trajetória de ferramenta Force 'baseado em física', que agora recebe valores de entrada diretamente de ferramentas baseadas em nuvem e beneficia-se de vários novos recursos que simplificam a configuração de otimização", notou Granata. "Ao micro-analisar as condições de corte encontradas por um programa NC, Force garante que programas NC tenham taxas de avanço ótimas e espessuras de cavaco ideais que não excedam limites seguros de força ou potência. Isso melhora a produtividade imensamente."

Melhorias técnicas no novo Vericut incluem mais de 100 solicitações de usuários no Vericut 8.0.2 que simplificam setup e melhoram experiências do usuário, ajudando a estender vida de ferramentas e evitar danos caros ao fuso da máquina. "Algumas melhorias específicas incluem atualizações dentro do módulo de otimização Force, Gerenciador de Ferramentas agora importa mais dados disponíveis sobre uso e desempenho de ferramenta, e o produto de simulação Vericut Drill and Fastener [VDAF] beneficia-se de uma interface gráfica de usuário [GUI] atualizada", adicionou Granata. "Todas estas melhorias são projetadas para ajudar nossos clientes a verificar e otimizar seu código NC da forma mais eficiente possível."

Enquanto simular para aditivo é relativamente novo, mostra grande promessa para clientes de manufatura, notou Silvere Proisy, gerente geral, Spring Technologies, desenvolvedora do NCSimul Machine e ofertas de simulação relacionadas. "Para aditivo, estamos simulando o movimento das máquinas e calculando o tempo necessário para camadas do metal", disse Proisy.

A Spring Technologies concentrou-se principalmente em processos de manufatura aditiva de metal, notou Proisy, trabalhando com fornecedores Tier 1 e Tier 2 no setor aeroespacial/defesa incluindo construtores de motores e trens de pouso que desenvolvem simulações para aproveitar capacidades dentro do software NCSimul da empresa para estes processos aditivos.

Simulação de qualquer processo de manufatura é crítica, e com o software NCSimul 4CAM da Spring, operações de manufatura obtêm grande flexibilidade no chão de fábrica, disse Proisy. Uma das vantagens do NCSimul é que usuários podem simular o processo de corte ou aditivo de manufatura em código G real, disse Proisy, e se há cortes ou movimentos que não deveriam ser feitos, é fácil voltar e reconstruir o processo. "Você não tem que reiniciar o processo, pode editar a simulação 'on the fly' e isso permite reconstruir a peça", disse ele.

Outros fornecedores de software de simulação entrando no jogo aditivo incluem pesos pesados de software Dassault Systèmes (Paris) e Siemens PLM Software (Plano, TX).

A entrada da Dassault na arena AM inclui o Additive Manufacturing Engineer da empresa, disponível em versões cloud e on-premises, que permite fabricantes preparar e validar processos AM. O software economiza tempo dos usuários permitindo arquivar melhores práticas para reuso, otimizar automaticamente posições de peças, e desenvolver diferentes estratégias para o processo aditivo.

O lançamento 3DExperience 2017x diz transformar design, simulação e manufatura com um nível muito mais alto de integração. Com o novo papel Function Generative Designer, designers fornecem a especificação funcional (incluindo envelope 3D, cenário de carregamento, materiais, metas de redução de peso, processo de manufatura desejado), e um toque no botão roda uma simulação e gera a forma de conceito otimizada. Isso permite designers e engenheiros aproveitarem a flexibilidade da manufatura aditiva, comparada a processos de manufatura mais tradicionais como fresamento, fundição e forjamento. Dois novos papéis de manufatura digital e produção para manufatura aditiva definem e otimizam o setup e processo para fusão de leito de pó e impressão 3D industrial, e para programar o caminho do laser.

Em janeiro de 2017, a Siemens AG (Munique) e desenvolvedora aditiva Materialise NV (Leuven, Bélgica) anunciaram parceria sob a qual as empresas colaborariam na integração do software NX da Siemens PLM com tecnologias da Materialise no setor AM. Sob o acordo, as empresas integraram tecnologia da Materialise no software NX CAD/CAM/CAE, permitindo projetar com precisão modelos CAD para processos de fusão de leito de pó e material-jetting de impressão 3D. O software resultante diz acelerar o processo de construção de peças totalmente impressas em 3D em 30% ou mais, segundo as empresas.

O acordo representa um enorme salto à frente em tornar a manufatura aditiva uma prática de produção mainstream para clientes, disse Zvi Feuer, vice-presidente sênior de Software de Engenharia de Manufatura para Siemens PLM Software, em comunicado. "Até agora, o processo de manufatura aditiva exigia que fabricantes trabalhassem com dois sistemas separados — um para design de produto, e outro para preparar aquele design para impressão 3D", disse Feuer. "As questões de tradução de dados e falta de associatividade entre estes dois sistemas criavam um processo que era demorado e sujeito a erros. Eliminando estas questões, estamos ajudando a expandir a adoção da manufatura aditiva como uma ferramenta de produção universalmente aceita."

O NX agora aproveita tecnologia do Materialise Magics 3D Print Suite, permitindo processos AM comumente adotados para manufatura de peças finais, incluindo fusão de leito de pó, bem como material jetting, que prometem acelerar ainda mais a evolução da AM de prototipagem para tecnologia de manufatura em escala total. A solução vincula perfeitamente e associativamente o NX com tecnologia de lattice da Materialise, design de estruturas de suporte, nesting 3D, preparação de bandeja de construção, e tecnologia de framework de processadores de construção para manufatura aditiva. Isso elimina tradução de dados, conversões e garante que mudanças em modelos de design de produto digital são automaticamente e associativamente refletidas nos trabalhos de impressão 3D. O resultado é maior precisão de modelo, qualidade mais alta, e um processo de design para produção muito mais rápido.

Compartilhando CAE com as Massas

Entre as últimas tendências de simulação, adoção mais ampla de ferramentas CAE — incluindo ferramentas como dinâmica de fluidos computacional (CFD), análise de elementos finitos (FEA), e otimização de topologia — começou a fazer algum progresso em operações de manufatura, à medida que mais engenheiros fora de especialistas em CAE aproveitam o poder destas tecnologias de simulação.

"Algumas das tendências afetando a manufatura geral também são refletidas em software de simulação. Estas incluem manufatura aditiva e técnicas de simulação relacionadas, otimização de topologia, e simulação de compósitos no lado do produto", notou Ravi Shankar, diretor, marketing global de produto de simulação, Siemens PLM Software. "Manufatura aditiva também tem implicações para a criação de ferramentas para vários processos de manufatura tradicionais. Adicionalmente, técnicas de simulação também são aplicadas para o processo de manufatura como simulação de montagem, simulação de robótica, simulação de fluxo de material, e simulação humana e ergonomia."

Simulação permite detecção muito mais cedo de problemas potenciais e permite que empresas evitem tais problemas antes que ocorram, notou Shankar. "Isso impacta diretamente a produtividade diminuindo tempo de inatividade de manufatura, permitindo processamento mais rápido, aumentando vida e uso de ferramentas, e reduzindo custos de material", disse ele.

O processo de digitalização é essencial para fazer um bom produto manufaturado aditivamente, adicionou Shankar. "A Siemens tem várias iniciativas para simplificar o design, simulação, e produção para produtos aditivos", disse ele. "Estas incluem inovações recentes para design generativo, que permite designers usando NX usar técnicas de otimização de topologia para criar formas leves e orgânicas, refinar estes designs usando Convergent Modeling, e então impulsionar processos de manufatura. Similarmente, para compósitos, a Siemens oferece soluções para otimizar layups de compósitos, simular o processo de draping e o impacto nas peças, simular efeitos de cura e spring back, etc."

Embora tenha havido progresso na "democratização" de ferramentas CAE, como descrito pelo pesquisador CAD/CAM CIMdata Inc. (Ann Arbor, MI) alguns anos atrás em sua pesquisa de simulação, há um longo caminho a percorrer para ampliar a adoção de tais simulações, segundo Shankar. "Certamente vemos algumas empresas liderando o caminho em termos de adoção de tecnologias de simulação, mas também vemos muito potencial para expandir uso e trazer o valor destas tecnologias para o engenheiro de manufatura", adicionou Shankar. "Tecnologias de simulação estão sendo usadas para análise estrutural, simulação de fluxo de molde e resfriamento, manufatura de compósitos e outros. Na maioria dos casos, estes ainda são realizados por especialistas de simulação dedicados. Então é nossa crença que a democratização de CAE, embora em andamento, ainda não atingiu seu potencial total."

Furação Otimizada

Usinar materiais caros resistentes à corrosão é extremamente duro em brocas, e um estudo recente por pesquisadores da Universidade Técnica de Dortmund (Dortmund, Alemanha) usou ferramentas de análise de fluxo de fluido e estrutural da Ansys Inc. (Pittsburgh) para analisar distribuição de fluxo de refrigerante de processo e alcançar maior vida útil da ferramenta.

No Instituto de Tecnologia de Usinagem (ISF) da Universidade Técnica de Dortmund, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Dirk Biermann analisou métodos para estender a vida de brocas para uso na superliga Inconel 718. A baixa condutividade térmica desta liga significa que uma grande quantidade de calor deve ser transportada para longe da zona de furação usando métodos externos, ou a ferramenta pode se deformar. Isso pode levar a má qualidade de furo ou quebra da broca de metal duro. Velocidades de broca relativamente baixas sob 50 m/min são usadas para manter temperaturas mais baixas na zona de corte, mas um refrigerante líquido ainda é necessário. Para direcionar o fluido refrigerante onde é necessário, ele é bombeado através de dois minúsculos canais dentro da land, o padrão helicoidal sólido da broca.

Para entender a interação complexa entre a estrutura da broca, o fluido refrigerante e a peça de Inconel, a equipe ISF usou ferramentas de simulação da Ansys para otimização de processo realizando uma análise de interação fluido-estrutura (FSI). O processo incluiu criar malhas de fluido completas, então os engenheiros usaram software de dinâmica de fluidos computacional (CFD) Ansys CFX para modelar a distribuição de refrigerante através do domínio de fluido. A equipe também usou Ansys Mechanical com uma condição de contorno adicionada das forças de refrigerante calculadas pelo CFX para completar a análise FSI. Incluindo todas as diferentes simulações CFD e Mechanical, ISF completou sua análise computacional dentro de quatro semanas. "Furar em uma liga Inconel é cuidadosamente gerenciado para prevenir desgaste rápido e dano a máquinas-ferramenta", notou Biermann. "A equipe modificou seu processo de resfriamento para melhorar a vida da ferramenta em cerca de 50%."

Validando a Fábrica Digital

Além de desenvolvimentos aditivos e CAE, a necessidade de fabricantes projetarem rapidamente layouts de chão de fábrica nunca foi maior. Novas ferramentas de simulação de manufatura digital como FastSuite Edition 2 da Cenit North America (Auburn Hills, MI) ajudam fabricantes a projetar layouts de fábrica e validar todos os processos de manufatura antecipadamente, acelerando o processo e otimizando designs.

"IoT ou Indústria 4.0 representa a mudança radical que está abalando os alicerces do chão de fábrica. Software de fábrica digital e ferramentas 3D estão impulsionando essa mudança adiante", notou Lee Van Every, gerente sênior de contas da Cenit North America. "O software de fábrica digital ajuda empresas a entrar eficientemente em manufatura inteligente. Hoje em dia, o software deve ser compatível com todos os sistemas CAD e funcionar com robôs e máquinas de qualquer fabricante. Este é um pré-requisito obrigatório para relacionamentos com clientes que estão se tornando mais diversos com sistemas mais complexos e exigentes."

O software de simulação baseado em 3D de hoje permite visualização e validação de processos e tarefas de produção, notou Van Every. "Plantas de produção raramente são estabelecidas do zero, mas são frequentemente re-planejadas enquanto a produção está rodando. Ter fábricas virtuais e plantas modelo como representação exata dos sistemas de produção reais, não apenas geométrica e cinematicamente, mas também em relação ao comportamento lógico e controle das unidades de manufatura, garante unidades de produção ágeis e auto-organizadas", disse ele.

"Fábrica digital permite implementação de novos processos de manufatura, conceitos de planta, e tecnologias que seriam muito caros ou até impossíveis sem soluções baseadas em simulação", adicionou ele. "Quanto mais aplicações robóticas são usadas — não apenas para tarefas simples de manuseio, mas também para passos complexos de produção — maior a vantagem de usar ferramentas de programação e simulação. Soluções de software estão liderando o caminho para estas aplicações complexas, dando ao operador o ambiente necessário de programação e simulação para fazer aplicações que anteriormente eram representadas através de teach-in manual ou não mostrariam a qualidade de processo necessária."

Em vez de construir um layout rápido com componentes 3D CAD do catálogo, e então programar os scripts e macros para simular o fluxo de material e comportamento da célula, FastSuite Edition 2 usa componentes e recursos mecatrônicos para a definição do layout e ao mesmo tempo está definindo uma lógica esquemática para a ilha de produção, segundo Van Every. "Desta forma, é assegurado que o comportamento simulado e real correspondam — porque a simulação é baseada na mesma lógica usada durante a programação do CLP e portanto corresponde ao comportamento do sistema real mais tarde."

O novo software FastSuite da Cenit fornece funções amigáveis para integrar novos componentes específicos de projeto no layout, disse Van Every. "Este processo deve ser rápido e fácil para usuários sem conhecimento de programação completar."

A infraestrutura de software é baseada em padrões abertos, ele adicionou, com uso consistente de AML (Automation Markup Language) como linguagem descritiva para modelos de sistema, por exemplo, que Van Every disse permite interação consideravelmente mais simples com parceiros de engenharia através de troca padronizada, neutra de sistema, de dados completos de sistema ou equipamento, incluindo definições cinemáticas e lógicas. Além disso, PLC Open garante que a lógica do sistema na base dos primeiros conceitos de simulação também pode ser usada para programação de CLP posterior. O software usa uma memória compartilhada na qual os controles escrevem os dados de simulação e da qual a visualização 3D então lê os dados de simulação.

"Processos de produção como hem rolling, vedação, adesão ou pintura requerem um ambiente de programação e simulação virtual, para que também possam ser operados eficientemente quando pequenos lotes passam ou mudanças de engenharia ocorrem, exigindo atualização de novos programas offline para células de robô", Van Every afirmou. "Então há outro aspecto que mostra a vantagem de uma fábrica digital moderna: É muito mais eficiente reutilizar não apenas os dados CAD, mas também os metadados fornecidos pela engenharia [como para fixadores] em vez de redefini-los na produção toda vez."

No lado de produção, Line Designer é uma aplicação avançada para projetar e visualizar layouts de linhas de produção no software NX, disse Shankar da Siemens. "A plataforma integrada Siemens PLM Software permite que engenheiros associem facilmente o layout projetado ao planejamento de manufatura. Então o layout projetado com Line Designer pode ser usado para validar o processo de manufatura usando software Tecnomatix para manufatura digital. Usando a aplicação Process Simulate, você pode validar uma ampla gama de aplicações robóticas, permitindo simular sistemas de produção completos, incluindo validação de célula e otimização de posicionamento de robô. Simulando processos de produção, você pode definir o processo de manufatura ótimo."