Aprimore Design de Produto e Eficiência com Software Avançado de Simulação

Os mais recentes sistemas de visualização permitem que fabricantes projetem e fabriquem produtos mais rápido e eficientemente do que nunca.

A simulação na manufatura está se tornando muito mais pervasiva. Visualizações avançadas são usadas em todos os lugares, desde usinagem em CNCs de chão de fábrica até programação offline CAD/CAM de equipamentos NC. Na arena de gestão de ciclo de vida do produto (PLM), desenvolvedores de produto dependem fortemente de aplicações sofisticadas de engenharia assistida por computador (CAE) baseadas em multifísica em múltiplos estágios do processo de design para determinar com precisão se suas criações resistirão a uma multitude de tensões térmicas, de fluido e fadiga de material tipicamente encontradas em ambientes hostis, como automotivo e aeroespacial, para garantir que novos designs de produto atendam a rigorosos controles de qualidade.

As iterações mais recentes de pacotes de software de visualização 3D dão aos fabricantes maneiras de acelerar provas de suas operações de corte e montagem, frequentemente com precisão próxima a 100%. Essa capacidade é essencial para melhorar tanto a usinagem tradicional quanto as eficiências de novos processos de manufatura aditiva.

Resultados Mais Precisos

Uma grande tendência é o uso de simulações que oferecem aos usuários resultados muito mais precisos, usando ferramentas sofisticadas para derivar propriedades de materiais, disse Hendrik Schafstall, cofundador, sócio gerente e CEO da Simufact Engineering GmbH, baseada em Hamburgo, Alemanha, unidade de negócios da desenvolvedora de CAE MSC Software, baseada em Newport Beach, Califórnia. Fabricantes agora podem obter "uma simulação de cadeia de processo de todas as etapas de processo relevantes e interfaces relacionadas — principalmente para capturar histórico de manufatura para subsequentes colisões e vida de fadiga, e prever propriedades locais na peça para desempenho da peça", disse Schafstall. Para OEMs, simulações têm acoplamento totalmente automatizado com sistemas PDM [gestão de dados de produto], ele adicionou.

Outra tendência é usar mais informação da simulação do processo de manufatura, que deve ser contabilizada durante a fase de design, observou Schafstall. "Um grande impulsionador é manufatura aditiva e montagem de chapas", disse ele. Há também mais uso da peça "como manufaturada" para simulação de estrutura para resultados mais precisos, ele adicionou, e simulações têm janelas de processo mais robustas para detectar os principais parâmetros de influência que devem ser monitorados e controlados durante a produção.

Realismo prático aumentado e capacidade de análise mais avançada permanecem tendências chave para todos os tipos de simulação, disse Ben Mund, analista sênior da CNC Software Inc., Tolland, Conn., desenvolvedora do software CAD/CAM Mastercam. Mund observou que as simulações atuais oferecem aos usuários "um modelo matemático mais profundamente compreendido de todas as partes móveis de uma máquina, como elas interagem com a ferramenta e a peça, e a capacidade de identificar exatamente onde e por que movimento indesejado pode acontecer. Estas áreas estão se desenvolvendo em tandem, fornecendo mais confiança para o programador e mais produtividade no chão de fábrica."

Simulação precisa é mais importante do que nunca na manufatura, adicionou Mund. "Com o advento de máquinas cada vez mais complexas, há necessidade de alta precisão em programação NC e confiança à prova de balas de que a máquina executará aquele programa corretamente", afirmou Mund. "Também é útil para oficinas terem diferentes tipos de simulação dependendo do que precisam. Simulação apenas de toolpath permite visão rápida e limpa do movimento do cortador na peça, com análises profundas disponíveis em qualquer ponto ao longo do caminho. Simulação de nível de máquina expande essa abordagem adicionando o ambiente da máquina, mostrando quaisquer conflitos potenciais de itens movendo-se dentro da própria máquina."

"A simulação está se tornando mais crítica para toda oficina; à medida que máquinas e ferramentas se tornam mais avançadas, a busca por produtividade aumenta, e a necessidade de feedback conectado se torna mais comum", ele continuou. "Simulação realista está crescendo em todas as frentes. Simulação matemática profunda de interações entre máquina, ferramentas, material e peça final pretendida impulsiona a maioria das aplicações práticas que uma oficina precisa. Este é o 'núcleo' da simulação no qual empresas de software de manufatura investem a maior parte de seu orçamento pesado de desenvolvimento e teste."

Este novo nível de realismo matemático é aprimorado e tornado mais envolvente com a adição de realismo "na tela". "Isso pega os modelos de física e os faz parecer o mais real possível para o usuário", disse Mund. "Aqui você verá construções visuais de máquinas e todas suas partes móveis (ocasionalmente incluindo logos de fabricantes), escolha de cor e material visual, e outras opções de exibição que permitem ao programador ver facilmente e confiar nos resultados de seu programa."

Democratizando a Simulação

Acessibilidade a ferramentas de simulação tem sido uma barreira para muitas pessoas na manufatura, pois simulações de alto nível — especialmente em CAE — geralmente foram tratadas por especialistas em simulação altamente treinados. Nos últimos anos, no entanto, maior acesso a essas visualizações está sendo fornecido através de organizações de manufatura. Este acesso é fornecido por conexões a sistemas de dados hospedeiros, seja via apps cliente leves ou aproveitando o poder da nuvem com computação de alto desempenho (HPC) e trazendo poder de supercomputador para análises de visualização extremamente grandes e complexas.

"Uma das tendências chave em software de simulação é continuar a reduzir barreiras ao uso. Todos aceitam que simulação pode fornecer insights valiosos e economizar tempo e dinheiro, mas muitas vezes há barreiras à adoção", disse Brian Frank, gerente sênior de produto para design generativo e soluções de simulação na Autodesk Inc., San Rafael, Calif.

"Algumas dessas se manifestam no custo e capacidade de acessar. A Autodesk trabalhou muito para tornar mais fácil do que nunca acessar tecnologia de simulação de classe mundial através de nossas ofertas de assinatura, e continuamos a trazer mais da tecnologia para ofertas de design principais como Fusion 360. Também continuamos a garantir que usuários não precisem de conhecimento especializado em simulação para obter valor do ato de simular, automatizando e guiando usuários através dos fluxos de trabalho que precisam executar."

A mudança rumo à digitalização da manufatura ressalta a necessidade essencial de levar ferramentas de simulação a um público mais amplo para lidar com a velocidade das transformações atuais de manufatura digital/Indústria 4.0, segundo Ravi Shankar, diretor global de marketing de produto para Simcenter, Siemens PLM Software, baseado em Plano, Texas. Simulação é crítica para empresas que estão digitalizando seu processo de desenvolvimento de produto porque quando o processo de design e manufatura é simulado corretamente no mundo virtual, empresas podem levar seus designs ao mercado mais rápido.

Expandir acesso à simulação é um tópico importante, concordou Shankar. "Uma quantidade significativa de progresso foi feita nos últimos anos", ele disse, "mas ainda há um caminho a percorrer. Podemos ver democratização tanto como a capacidade de mais pessoas dentro de uma organização realizarem simulações quanto para mais pessoas consumirem simulações sem terem que ser especialistas em simulação."

A Siemens está na vanguarda desta transformação, afirmou Shankar, devido à sua força em atender necessidades de designers. "Alguns exemplos incluem a integração de tecnologias de simulação dentro do ambiente Siemens NX [que inclui capacidades CAD/CAM e CAE]; integração de capacidades de simulação em outras ofertas CAD comerciais através de nossa solução Simcenter FloEFD [dinâmica de fluidos computacional da Mentor Graphics]; e também mais amplamente através de nossos investimentos em design generativo e visualização, incluindo métodos avançados de VR para explorar resultados de simulação."

Acesso em nuvem a soluções CAE também adicionou acessibilidade muito necessária para usuários de simulação não especialistas na manufatura. "Historicamente, software de manufatura e software de simulação CAE foram produtos de nicho desconectados usados por engenheiros de manufatura e especialistas em simulação, respectivamente", observou Subham Sett, vice-presidente, marketing Simulia e iniciativas estratégicas, na Dassault Systèmes, baseada em Waltham, Mass. e Vélizy-Villacoublay, França.

"No entanto, com as demandas atuais de qualidade na primeira vez com custos de produção reduzidos, empresas buscam aproveitar os benefícios de simular processos de manufatura antes de serem implementados. Para isso, uma abordagem integrada é necessária para vincular o BOM [Lista de Materiais] do produto ao processo de manufatura — incluindo simulação realista de ambos."

As ofertas de simulação 3DExperience da Dassault Systèmes na nuvem definitivamente estão ajudando a simulação a se tornar mais democratizada, observou Sett, porque elas "requerem apenas hardware local e suporte de TI limitados para acessar grandes quantidades de poder computacional e capacidades de simulação."

Mund da CNC Software adicionou que "a simulação se tornou democratizada a ponto de ser um componente esperado de qualquer oferta de software CAD/CAM. À medida que a simulação geral se tornou mais difundida, o tipo e profundidade de simulação também se expandiram dramaticamente. Nas últimas duas décadas, a indústria passou de backplotting básico de toolpath para visualização de remoção de material para simulação completa do ambiente de máquina-ferramenta." As expectativas dos usuários sobre o que deve estar disponível como componente padrão de CAD/CAM mudaram com isso, disse Mund.

"Embora soluções stand-alone excepcionais permaneçam — e tenham lugar vital em muitas oficinas — a simulação se tornou parte tão enraizada do fluxo de trabalho da oficina que a maioria dos provedores CAD/CAM a considera quase tão importante quanto o movimento da ferramenta em si", ele afirmou.

Investindo em Simulação

Nos últimos vários anos, os maiores players de simulação — Autodesk, Dassault, Siemens, e agora Hexagon — fizeram investimentos substanciais na arena de simulação, particularmente em aplicações CAE multifísica. A Siemens gastou 4,5 bilhões de dólares para adquirir a gigante de automação de design eletrônico (EDA) Mentor Graphics em 2016, e também comprou LMS International e CD-adapco para construir seu portfólio de simulação. Mais recentemente, a gigante de metrologia Hexagon AB, Estocolmo, Suécia, adquiriu Spring Technologies, desenvolvedora do software de simulação e verificação de toolpath NCSIMUL, em 2018.

"A Siemens tem sido muito ativa em adquirir e integrar soluções no espaço de simulação como parte de um foco maior em entregar uma plataforma de inovação digital", disse Shankar da Siemens. "Com Simcenter, oferecemos um dos portfólios mais amplos e profundos da indústria para simulação e teste. Isso inclui capacidades de nossas aquisições de LMS e CD-adapco, que nos ajudaram a expandir em áreas como simulação de sistema, simulação 3D avançada, teste, e simulação de fluido, todas as quais combinamos com soluções para exploração de design e gestão de dados de simulação."

Com a Mentor Graphics, a Siemens ganhou capacidades sofisticadas no espaço elétrico e eletrônico, e também fortaleceu suas ofertas para o engenheiro de design, especificamente através de simulação de fluxo embutida em CAD, ele adicionou, notando que as soluções de teste de hardware da Mentor também são uma ótima adição ao portfólio. Também, em janeiro a Siemens lançou uma atualização completa de sua plataforma Simcenter 3D, adicionando modelagem mais rápida e simulações mais precisas.

"Aplicações de cliente de alto valor em todas as indústrias cada vez mais requerem capacidade de simulação para todas as físicas, em todas as escalas", observou Sett da Dassault. "Para complementar nossa força existente em estruturas e simulação multibody, a Dassault Systèmes recentemente ganhou forte capacidade para simulação de fluidos e acústica através da aquisição das linhas de produto PowerFlow, XFlow e Wave6. Além disso, adquirimos a linha de produto CST Studio suite, que fornece capacidade complementar para simulação eletromagnética."

Precisão e Facilidade de Uso Melhoradas

Com expectativas de atingir gêmeos digitais verdadeiros em operações de manufatura, desenvolvedores estão entregando realismo e precisão aumentados. "Simulações CAE para fabricantes hoje são extremamente realistas e precisas, a ponto onde distorções de manufatura previstas podem ser usadas para compensar negativamente um design, de modo que a peça como manufaturada esteja dentro das tolerâncias requeridas da peça como projetada", disse Sett. "Em linguagem simples, podemos antecipar a distorção na forma da peça devido ao processo de manufatura, então contabilizar essa distorção para que a peça final corresponda à geometria desejada.

"Usuários de simulação buscam precisão, velocidade, facilidade de uso e integração com software de manufatura", ele adicionou. "Adicionalmente, o engenheiro de manufatura requer ferramentas de simulação que sejam fáceis e intuitivas de usar, sem formação aprofundada em simulação." O uso de simulação na manufatura aditiva também está crescendo rapidamente, pois a capacidade de criar designs não possíveis na manufatura tradicional leva a maior necessidade de simular iterações de design. "Grande parte do trabalho de simulação de ponta em manufatura está relacionada à manufatura aditiva", disse Sett.

Nas instalações de manufatura avançadas e conectadas de hoje, a simulação tem muito potencial para acelerar designs ao mercado, cortar custos e minimizar ou eliminar falhas de manufatura. A simulação pode levar a "muito potencial de economia de custos, dependendo da aplicação", observou Schafstall da MSC Software, "bem como tempo mais rápido para mercado, insights mais profundos, entendimento de processo, e transferência de conhecimento interno." Outras vantagens incluem variações de manufatura adicionais potenciais, com janela de processo mais robusta onde mais ideias podem ser provadas, ele disse.

A simulação oferece aos usuários informação muito mais detalhada antes do início da produção, ele adicionou. "Um melhor entendimento do processo de manufatura e seus problemas ajudará [a criar] um design mais manufaturável, otimizado", afirmou Schafstall. "Isso também significa que a simulação de manufatura se moverá cada vez mais para a fase de design [na aditiva]."

Em fevereiro, a MSC Software lançou seu novo motor CoSim desenvolvido para fornecer interface de co-simulação para acoplamento direto de diferentes solvers/disciplinas dentro de uma estrutura multifísica. A versão CoSim V1.6 permite que engenheiros configurem modelos de co-simulação entre Adams dinâmica multibody (MBD), Marc (FEA), e scFLOW (CFD) da MSC, e cobre ampla gama de aplicações em escala industrial. O motor CoSim oferece precisão, exatidão e desempenho melhorados para aplicações multifísicas complexas, segundo a MSC.

O alto nível de precisão realista nunca foi mais alcançável do que com as ofertas atuais, segundo Frank da Autodesk. "Com o poder computacional disponível hoje, podemos capturar insights no processo de manufatura como nunca antes, e também projetar experimentos para entender qual combinação de materiais, configurações de processo, e parâmetros de design pode ser usada para alcançar os melhores resultados. Seja simulação NC para operação de máquinas ou simulação de processo de algo como desempenho de molde de injeção ou impressão 3D de metal aditivo, usuários têm a maior visão do que podem esperar no chão de fábrica", disse Frank.

Ele observou que a Autodesk mantém seus próprios laboratórios de produção e teste, avaliando constantemente seu software para precisão e previsibilidade.

Simulando Corte NC

Na simulação NC, simular e verificar processos de ferramentas de corte fornece aos fabricantes uma imagem clara do movimento de corte do toolpath, incluindo todos os outros elementos móveis na máquina-ferramenta além da ferramenta de corte real. Com o mais recente software de simulação e verificação da NCSIMUL Hexagon Production Software, Boston, usuários obtêm um sistema totalmente automatizado que faz muito do trabalho, com novos recursos de automação de simulação agora sendo integrados na linha de software CAD/CAM Vero da Hexagon Manufacturing Intelligence, que inclui EdgeCAM, WorkNC, AlphaCAM e outras marcas Vero, bem como 15 aplicações de terceiros, incluindo Mastercam e Siemens NX CAM.

Uma atualização NCSIMUL 2020, prevista para lançamento em abril, apresenta integração muito melhor com sistemas CAM através de sua interface de programação de aplicações (API), interface gráfica de usuário atualizada, e lista completa de materiais através da produção, incluindo medição e controle, disse o Gerente Geral da NCSIMUL, Silvère Proisy. Uma capacidade de auto controle ajuda a melhorar a conexão com máquinas CNC, ele adicionou, com capacidade de ler todos os parâmetros no chão de fábrica. "Conectamos os programadores ao chão de fábrica", disse ele, "para que não tenham que sair de seus computadores. Isso é ainda mais crítico com máquinas de cinco eixos que precisam de CAV (verificação assistida por computador)."

O sistema NCSIMUL mais recente oferece simulações mais realistas, ele adicionou. "Cortamos volume a volume; você pode ver as marcas de corte, ver o corte real na peça", disse Proisy. "É realmente até a realidade, com detalhes muito finos. Estamos realmente automatizando o processo, com templates que enviam suas modificações para NCSIMUL, que roda a simulação em uma caixa preta, e mostra se seu programa é seguro ou não seguro. O que é novo é o detalhe sobre quanta automação podemos fazer, e também nova otimização não apenas para fresamento, que adicionamos no ano passado, mas também para máquinas de torneamento."

Simular e verificar o processo de corte nunca foi mais crítico com a última geração de máquinas-ferramenta. "Novas máquinas CNC estão sendo feitas cada vez mais complexas e com movimento mais rápido que suas predecessoras", observou Gene Granata, gerente de produto Vericut na desenvolvedora de simulação/verificação NC CGTech, Irvine, Calif. "Máquinas atuais têm mais partes móveis, capacidades adicionadas, e muitos novos M e G-códigos necessários para fazer as coisas funcionarem corretamente. Mesmo uma ação aparentemente simples como 'troca de ferramenta' acontece em taxas assustadoramente rápidas. Falha catastrófica pode vir muito rápida e inesperadamente quando ferramentas de corte e máquinas CNC são levadas aos seus limites máximos."

Otimizar códigos NC e os processos usados para criá-los é o foco para a maioria das oficinas NC, disse Granata. "Margens de lucro decrescentes e competição aumentada são razões primárias para isso; otimizar de qualquer forma que você puder e estimativa de custo precisa são críticas para sobrevivência do negócio", ele adicionou. "Usar software como Vericut com otimização Force garante que todos os programas NC cortem com cargas de cavaco ótimas, mantenham forças de corte dinâmicas dentro de limites seguros, e permitam previsões de tempo de usinagem mais precisas."

Simulação precisa é chave para produtividade, disse Granata. "Simular código NC rodando em modelos de gêmeo digital de máquina CNC mantém máquinas CNC fazendo peças em vez de desperdiçar tempo valioso de máquina em provas. Usando simulação, 'virtualmente' elimina potenciais colisões e erros de usinagem que poderiam causar sérios problemas na oficina, e assim evita tempo de inatividade caro e atrasos de cronograma.

"Simulação pode fazer um trabalho melhor quando dados mais precisos são acessíveis", ele continuou. "Por exemplo, modelos de máquina precisos são desejáveis para detecção precisa de potenciais colisões de máquina. Similarmente, modelos detalhados de ferramentas de corte ajudam a verificar que características da peça podem ser alcançadas com confiança durante usinagem e são usadas corretamente [ex: com ângulos de rampa seguros]. Quando ferramentas de corte são baixadas da nuvem com parâmetros de desempenho de corte recomendados, programadores também podem ter certeza que estão usando avanços e velocidades apropriados para usinagem e otimização."

Segundo Granata, simulação de nível NC em máquina CNC gêmeo digital é vista como a maneira mais abrangente de verificar que programas NC funcionarão bem na máquina CNC pretendida e produzirão a peça usinada como esperado, sem encontrar colisões, exceder limites de curso de eixo, ou criar acidentes de códigos NC incorretos ou ausentes. "Simulação de nível NC também é a melhor escolha para otimização de programa NC, porque métodos de corte ótimos e capacidades/limites da máquina podem ser aplicados simultaneamente", ele notou.

A versão mais recente Vericut 9 usa capacidades gráficas OpenGL mais avançadas para fornecer qualidade e desempenho de exibição gráfica superiores, segundo a CGTech. Os gráficos aprimorados melhoram função e consistência entre visualizações, permitindo todas as funções do software para fazer medições, aplicar cortes de seção, e comparar o modelo de design teórico versus peça cortada simulada.

Alguns recursos chegando para usuários Vericut incluem nova capacidade de Restart, disse Granata. "Quando um erro é identificado em um programa NC, usuários podem fazer correções e reiniciar a simulação um ou dois blocos antes do erro ocorrer, então tocar para frente para verificar se a mudança é o que eles querem." Otimizadores Force oferecerão usinagem melhor otimizada e interações de Gráfico Force melhoradas. Haverá também novo produto Force Calibration para oficinas que querem testar suas próprias condições de corte ferramenta-peça, e usar os dados coletados para impulsionar análise e otimização de programa NC Force do Vericut.