Software Avançado de Simulação Aprimora Design de Produto e Eficiência de Manufatura

Ao lidar com questões vexatórias como complexidade de produto, leveza, materiais avançados e novos métodos de manufatura, engenheiros de manufatura de hoje usam cada vez mais simulações de alta fidelidade para visualizar soluções para esses desafios. O mais recente software de simulação pode oferecer pistas para melhorar design e performance de produto com pacotes CAE high-end e software de simulação NC que ajudam a determinar não apenas os melhores designs, mas as formas mais eficientes de alcançá-los.

Novos processos de manufatura como manufatura aditiva (AM) apresentam problemas diferentes para fabricantes, e simulação pode determinar upfront quais soluções funcionam melhor. Muitos pacotes de software de simulação agora oferecem simulações específicas para aditivo que podem ajudar a iluminar os processos de camadas pelos quais produtos aditivos são construídos, enquanto também visualizam como tornar processos tradicionais de corte de metal subtrativo mais eficientes.

Resolvendo o Problema da Complexidade

Na manufatura discreta, engenheiros de desenvolvimento de produto enfrentam enormes desafios, já que qualquer coisa de autos a aeronaves a navios massivos e máquinas pesadas contêm milhões de linhas de código que programam sistemas com eletrônica voltada para a Internet Industrial das Coisas (IIoT).

"As tendências maiores que vemos são a complexidade crescente de produtos", disse Ravi Shankar, diretor de marketing global de produto de simulação, Siemens PLM Software (Plano, TX), notando o nível crescente de eletrônica em componentes mecânicos. "O que está impulsionando isso é o digital twin e engenharia baseada em modelo."

Veículos autônomos e drones são o exemplo mais recente de sistemas complexos requerendo sistemas de software de simulação, disse Shankar. "Também vimos foco em eficiência de combustível e emissões automotivas, com aumento em leveza e uso de design generativo", adicionou.

A Siemens introduziu recentemente uma solução para carros autônomos que incorpora suas soluções de simulação Simcenter com nova tecnologia de sensores. No Siemens US Innovation Day em março em Chicago, a empresa revelou o sistema, usando imagens de sensores virtuais Tass PreScan com a plataforma Mentor DRS360 que automatiza desenvolvimento de algoritmos para fusão e processamento de sensores.

"A primeira tendência é que modelos mundiais baseados em física e modelos de sensores baseados em física podem ser criados", disse Martijn Tideman, diretor de produtos para Tass International (Steenovenweg, Holanda), que foi adquirida no ano passado pela Siemens. "Esses modelos fazem informação artificial de sensor de alta fidelidade que pode ser gerada como se viesse de câmeras, radares e LIDARs reais. Quando você alimenta esses dados artificiais para unidades de processamento in-car, como o DRS360, você pode avaliar o hardware/software in-car sem dirigir uma única milha."

Outra chave é garantir que o software de simulação de direção automatizada rode em clusters de alta performance (HPCs), disse Tideman.

"Esses clusters podem rodar muitas simulações em paralelo, o que acelera o processo de avaliação/validação virtual. Você quer ser capaz de dirigir um milhão de milhas virtuais no fim de semana.

"Simuladores de direção automatizada precisam ser conectados a uma ampla gama de outros módulos de hardware e software, por exemplo map-importers, para gerar automaticamente redes de estradas virtuais ou ferramentas de simulação de dinâmica de veículo para garantir que o veículo responda corretamente a ações de controle", explicou. "Interfaces entre ferramentas de simulação estão sendo cada vez mais padronizadas", como com FMI/FMU (functional mock-up interface/functional mock-up unit), adicionou Tideman.

Simulação Disruptiva

Várias tecnologias habilitadoras chave estão afetando a forma como simulação está sendo aplicada na manufatura. "Embora haja numerosos desenvolvimentos técnicos que continuam a evoluir e melhorar, um punhado tem potencial para fundamentalmente disruptar onde, como e por quem capacidades de simulação são usadas", disse Seth A. Hindman, gerente sênior de estratégia e gestão de produto, manufatura, construção e produção na Autodesk Inc. (San Rafael, CA).

"A Lei de Moore continuou a valer por muito mais tempo que a maioria imaginaria. Com avanços contínuos em poder de processamento, hardware incrivelmente poderoso está acessível a preço muito baixo. Combinado com desenvolvimento de redes de fibra óptica extensas, empresas podem ser conectadas a recursos computacionais externos que excedem as velocidades de suas próprias intranets", disse Hindman. "Capacidade burst, compute elástico e HPC [computação de alta performance] configurável estão permitindo que empresas mudem fundamentalmente a forma como engenheiram e manufaturam seus produtos rodando análises suficientes para realmente entender como seu produto performará em numerosas aplicações e ambientes."

Fabricantes também estão se afastando de análise dependente de malha, disse Hindman.

"A natureza ubíqua de dados de projeto 3D continuou a pressionar a demanda por ferramentas de simulação que não são mais dependentes de malha e que podem se beneficiar de associatividade com dados de projeto nativos. Não só isso aumenta produtividade no fluxo de trabalho geral, alarga a audiência que pode se beneficiar de capacidades de simulação. A pressão natural é criar soluções mais robustas, mais intuitivas e que rompam com requisitos CAE tradicionais. O potencial de longo prazo é que isso permite interação simplificada com soluções e automação de tarefas onerosas."

A perspectiva de longa data dentro de CAE de trazer simulação "upfront" está agora sendo substituída pela ideia de análise baseada em objetivo, adicionou Hindman. "Embora simulação upfront seja poderosa, ainda depende de convenção tradicional de testar o que você projetou vs. dirigir a exploração de designs que atendam aos objetivos que você definiu", disse. A Autodesk está atualmente introduzindo o que chama de design generativo no mercado de engenharia, adicionou Hindman, que acabou de ficar disponível no Autodesk Fusion 360 Ultimate.

"Nossa tecnologia de design generativo permite designs inspirados em objetivos serem criados pelo sistema, o que facilita exploração generalizada do espaço de design, permitindo trade-offs baseados em insight", disse Hindman. "A tarefa principal de engenheiros historicamente foi criar um design que funciona. Com design generativo, todo resultado atende com sucesso esse requisito base, o que significa que tomada de decisão e trade-offs são elevados ao nível de iniciativas de negócio centrais."

Simulando Processos Aditivos

Desenvolvimentos aditivos continuam a entusiasmar a indústria de manufatura, e muitos desenvolvedores de simulação lançaram recentemente versões novas ou aprimoradas específicas para aditivo de seus softwares de simulação.

Por exemplo, em 19 de abril o desenvolvedor de simulação Ansys Inc. (Canonsburg, PA) lançou suas novas soluções Additive Print e Additive Suite que entregam simulação para processos AM de metal. As soluções permitem usuários imprimir peças de metal leves e complexas e analisar propriedades e comportamento de microestrutura. A Ansys disse que isso ajudará a reduzir custos de AM limitando restrições de design, reduzindo desperdício e encolhendo tempo de impressão.

O fluxo de trabalho completo de simulação aditiva da Ansys deixa clientes testarem seus designs de produto virtualmente antes de imprimir uma peça, segundo a empresa. O software incorpora simulação antes do processo de impressão, o que deixa engenheiros projetar, testar e validar a performance de uma peça no estágio de design e reduz greatly o alto custo de tentativa e erro físico.

AM é um game-changer para manufatura, disse Brent Stucker, diretor de manufatura aditiva da Ansys. "Dispositivos médicos podem ser produzidos com geometrias específicas do paciente. Inventários de peças de reposição para muitos componentes serão coisa do passado, pois peças de reposição podem ser produzidas quando pedidas", notou Stucker. "Produtos que operam em ambientes extremos, como na indústria de óleo e gás, podem ser produzidos com novas composições de materiais híbridos [mais duráveis]. A complexidade geométrica oferecida por AM significa que dezenas de componentes podem ser integrados em um único componente que é mais leve e maior performance."

Stucker notou que em AM, designers e operadores de máquina que tipicamente não foram usuários de simulação de engenharia agora devem entender um processo de impressão complexo.

"Estamos vendo que operadores de máquina querem mais que apenas palpites educados quando se trata de prever se uma peça pode ser construída com sucesso", disse. "Eles precisam entender rapidamente como um setup particular de máquina resultará em distorção da peça antes e depois da remoção de suportes, e se distorção excessiva pode causar o mecanismo de espalhamento de pó a atingir a peça [o que é conhecido como blade crash]. A situação é similar com designers fazendo Design for AM [DfAM]. Eles querem saber se a peça que projetaram vai imprimir com sucesso, e se puder, quais serão as propriedades daquele componente.

"Simulação coloca o poder para entender o processo aditivo nas mãos de designers e operadores", adicionou. "É por isso que desenvolvemos Ansys Additive Print para ser uma ferramenta stand-alone de previsão de processo de impressão — para que um não-engenheiro possa usar a ferramenta em poucos dias."

Enquanto software de simulação tem sido usado com sucesso para garantir que uma estrutura projetada aguentará condições de serviço durante operações de campo, também é constantemente desafiado por carregamentos complexos, materiais, e física, notou Subham Sett, diretor, Iniciativas Estratégicas Simulia, Dassault Systèmes (Paris). "Software de simulação está agora tendendo para fornecer soluções multiphysics e multiscale fornecendo predições para todo aspecto para acelerar crescimento da indústria. Por exemplo, na indústria automotiva, software de simulação está sendo usado para resolver problemas multiphysics de dinâmica multibody, ruído e vibração, crash-worthiness a flow unsteady, bem como problemas multiscale de design de material, scaling up e down de material multiscale, e subestruturas."

Adicionar a capacidade de prever a forma resultante do processo AM classifica como um dos desenvolvimentos mais empolgantes em simulação de manufatura, disse Sett. "Levando em conta o caminho de escaneamento, propriedades de material, máquina e propriedades do laser, podemos prever com precisão a deformação da peça devido a calor e gravidade enquanto a peça está sendo impressa", adicionou.

Simular o processo aditivo permite construtores preverem e controlarem o processo mais precisamente, prevenindo erros de ocorrerem no processo de construção de peça aditiva camada por camada.

Shankar da Siemens disse que simulação em processos aditivos, que a Siemens adicionou com seu módulo NX Additive no ano passado, permite fabricantes preverem resultados de manufatura.

"Conforme você cria as camadas, você tem que saber muitas coisas: Quanto tempo leva para esfriar? Quais são os voids [espaços vazios ou bolsas] na peça? Simulação pode ajudar a abordar os voids e também os residual stresses no produto", disse. Simulação também ajudará fabricantes a saber como padronizar processos e entender como o produto performará.

A Siemens está atualmente trabalhando em questões como processos aditivos com mudanças de fase e como peças esfriam. Em alguns casos, HPC está sendo usado, devido à natureza computacionalmente intensiva dessas simulações. "Computações podem frequentemente ser paralisadas. Se você está tentando resolver modelos grandes, [HPC] é atraente", disse Shankar.

Com relação a aditivo, a Autodesk continua a estender seu portfólio de soluções, disse Hindman. "A mais nova adição ao portfólio Netfabb é a inclusão de capacidades de design generativo da Autodesk. Como mencionei anteriormente, design generativo permite designs inspirados em objetivos serem criados pelo sistema para facilitar exploração generalizada do espaço de design. Um ingrediente chave de como o sistema pode funcionar como participante ativo é que o ensinamos a ser ciente do processo de manufatura aditiva, então gerará resultados otimizados para impressão 3D."

Com o lançamento de março do Netfabb Ultimate, a Autodesk introduziu capacidades integradas de simulação de processo além da oferta stand-alone Netfabb Local Simulation existente. Hindman disse que ambas versões Netfabb agora incluem: predições aprimoradas de efeitos como pó preso, hot spots/scorching e falta de fusão; emulação de processo adicional como remoção de peça EDM e impacto de tratamento térmico; performance melhorada no serviço opcional de compute elástico da Autodesk; introdução de capacidades de análise de processo no Netfabb Ultimate; e capacidade simplificada de trocar preforms de peça compensadas por simulação pela geometria original.

A Autodesk também lançou suporte para processo de deposição de energia direta (DED) em parceria com os portfólios Netfabb e PowerMill (PowerMill Ultimate) da empresa para alavancar expertise em controles robóticos multiaxis.

"Isso adiciona outra capacidade para prever o potencial de deformações e falhas excepcionalmente grandes durante manufatura de deposição de alta taxa", disse Hindman. "À medida que empresas abraçam manufatura aditiva de metal, há perigos comuns que devem confrontar e superar." Adicionou que os desafios mais comuns de operar uma impressora de fusão de leito de pó de metal são: deformação de peça, warpage (a peça impressa é inaceitável e pode danificar o recoater); falhas/fraturas induzidas por tensão térmica (peça quebra durante impressão e pode danificar o recoater); falhas de suporte (tanta tensão se acumula na peça que quebra a conexão entre placa de construção e peça, tornando a peça inaceitável e possivelmente permitindo o recoater colidir com a peça); e propriedades de material variáveis (peças têm defeitos visíveis ou não performam como antecipado).

Visualizando Processos NC

Para processos de simulação e verificação NC, AM permanece área chave de desenvolvimento com desenvolvedores de sistemas como software de simulação NC Vericut da CGTech (Irvine, CA), que recentemente adicionou módulo Vericut Additive. "Manufatura Aditiva continua a ser uma das tendências mais quentes em manufatura, então software de simulação se esforça para acompanhar", disse Gene Granata, gerente de produto Vericut da CGTech.

"Usar software de simulação capaz de simular os mesmos códigos NC que vão comandar as máquinas é a melhor forma de proteger equipamentos CNC e criar peça de qualidade na primeira vez na oficina."

Em compósitos, duas das últimas tendências que se destacam são foco em display gráfico e representação precisa da peça, notou Granata. "Embora melhorar gráficos possa parecer melhoria cosmética, há benefícios reais de engenharia em prever e visualizar com precisão a forma líquida de uma peça composta. Fabricantes estão começando a confiar mais pesadamente em software para prever forma final e qualidade de uma peça", disse. "Com display de alta resolução da peça finalizada, engenheiros podem começar a interrogar características mais preocupantes para eles com maior fidelidade."

Software de simulação fornece importantes ferramentas de avaliação e otimização de processo que aumentam produtividade da oficina, adicionou. "Novas escolhas para criar trajetórias 'eficientes' parecem aparecer no mercado regularmente, mas quão bem realmente funcionam? Software de simulação — dirigido por trajetórias de ferramenta G-code pós-processadas — revela a 'verdade' em tempos de execução de máquina", disse Granata. "Isso auxilia programadores NC e engenheiros de manufatura julgar diferentes métodos de usinagem para que possam finalmente selecionar os métodos mais eficientes para fazer suas peças."

Automação, otimização de usinagem, e flexibilidade de máquina são áreas chave que a Spring Technologies (Cambridge, MA), desenvolvedora de software NCSimul e Optitool, está empurrando em seu desenvolvimento de software de simulação, disse Silvere Proisy, gerente geral da Spring Technologies.

Como o mercado demanda processos mais automatizados, NCSimul está desenvolvendo mais automação, disse. "Dos dados enviados pelo software CAM para o NCSimul, foi automaticamente verificado, e o resultado da simulação é entregue como relatório final ao programador através de e-mails. Os usuários não precisam mais interagir com o software; pode ser tudo rodando em um servidor remoto."

Otimização de usinagem CNC com Optitool é melhorada, disse. "Agora oferece dois níveis de otimização: um é redução de air-cutting, otimizando todos movimentos de aproximação e retração sem mudar feed rates no material; o segundo nível é otimização modo aprendizado que regula feeds de corte de material baseados em nove parâmetros de corte, como espessura de cavaco ou fluxo de cavaco, sem comprometer os feeds e speeds originais."

Flexibilidade de máquina é o terceiro foco de desenvolvimento com sua opção NCSimul 4CAM. "Dar capacidade a uma empresa de manufatura de mudar um job de uma máquina para outra, em poucos minutos e sem ter que reprogramar a peça em software CAM, é o que chamamos de revolução", disse Proisy. "Lê o G-code inicial e reescreve o novo código automaticamente."