Fortschrittliche Simulationssoftware verbessert Produktdesign und Fertigungseffizienz

Wenn man mit kniffligen Themen wie Produktkomplexität, Leichtbau, fortschrittlichen Materialien und neuen Fertigungsmethoden ringt, nutzen heutige Fertigungsingenieure zunehmend hochpräzise Simulationen, um Lösungen für diese Herausforderungen zu visualisieren. Die neueste Simulationssoftware kann Hinweise zur Verbesserung von Produktdesign und Leistung mit High-End-CAE-Paketen und NC-Simulationssoftware bieten, die helfen, nicht nur die besten Designs, sondern auch die effizientesten Wege zu deren Erreichung zu bestimmen.

Neue Fertigungsprozesse wie additive Fertigung (AM) stellen andere Probleme für Hersteller dar, und Simulation kann im Voraus bestimmen, welche Lösungen am besten funktionieren. Viele Simulationssoftware-Pakete bieten jetzt additive-spezifische Simulationen an, die helfen können, die Schichtprozesse zu beleuchten, durch die additive Produkte gebaut werden, während sie auch visualisieren, wie traditionelle subtraktive Metallbearbeitungsprozesse effizienter gemacht werden können.

Das Komplexitätsproblem lösen

In der diskreten Fertigung stehen Produktentwicklungsingenieure vor enormen Herausforderungen, da alles von Autos bis zu Flugzeugen, massiven Schiffen und schweren Maschinen Millionen von Codezeilen enthalten, die Systeme mit Elektronik für das Industrial Internet of Things (IIoT) programmieren.

„Die größeren Trends, die wir sehen, sind die zunehmende Komplexität von Produkten“, sagte Ravi Shankar, Director Global Simulation Product Marketing, Siemens PLM Software (Plano, TX), während er den zunehmenden Elektronikanteil in mechanischen Komponenten anmerkte. „Was das antreibt, ist der Digital Twin und modellbasiertes Engineering.“

Autonome Fahrzeuge und Drohnen sind das neueste Beispiel für komplexe Systeme, die Simulationssoftwaresysteme erfordern, sagte Shankar. „Wir haben auch den Fokus auf Automobil-Kraftstoffeffizienz und Emissionen gesehen, mit der Zunahme von Leichtbau und dem Einsatz von generativem Design“, fügte er hinzu.

Siemens führte kürzlich eine Lösung für selbstfahrende Autos ein, die seine Simcenter-Simulationslösungen mit neuer Sensortechnologie kombiniert. Auf Siemens' US Innovation Day im März in Chicago enthüllte das Unternehmen das System, das Tass PreScan virtuelle Sensorbilder mit der Mentor DRS360-Plattform nutzt, die die Entwicklung von Algorithmen für Sensorfusion und -verarbeitung automatisiert.

„Der erste Trend ist, dass physikbasierte Weltmodelle und physikbasierte Sensormodelle erstellt werden können“, sagte Martijn Tideman, Director of Products für Tass International (Steenovenweg, Niederlande), das letztes Jahr von Siemens übernommen wurde. „Diese Modelle ermöglichen die Erzeugung hochpräziser künstlicher Sensorinformationen, als kämen sie von echten Kameras, Radaren und LIDARs. Wenn man diese künstlichen Daten in die Fahrzeugverarbeitungseinheiten einspeist, wie die DRS360, kann man die In-Car-Hardware/Software evaluieren, ohne eine einzige Meile zu fahren.“

Ein weiterer Schlüssel ist sicherzustellen, dass die automatisierte Fahrsimulationssoftware auf High-Performance-Clustern (HPCs) läuft, sagte Tideman.

„Diese Cluster können viele Simulationen parallel ausführen, was den virtuellen Evaluierungs-/Validierungsprozess beschleunigt. Man möchte in der Lage sein, eine Million virtuelle Meilen am Wochenende zu fahren.

„Automatisierte Fahrsimulatoren müssen mit einer breiten Palette anderer Hardware- und Softwaremodule verbunden sein, beispielsweise Map-Importern, um virtuelle Straßennetze automatisch zu generieren, oder Fahrzeugdynamik-Simulationswerkzeuge, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug korrekt auf Steueraktionen reagiert“, erklärte er. „Schnittstellen zwischen Simulationswerkzeugen werden zunehmend standardisiert“, wie mit FMI/FMU (Functional Mock-up Interface/Functional Mock-up Unit), fügte Tideman hinzu.

Disruptive Simulation

Mehrere Schlüsseltechnologien beeinflussen die Art und Weise, wie Simulation in der Fertigung angewendet wird. „Während es zahlreiche technische Entwicklungen gibt, die sich weiterentwickeln und verbessern, haben eine Handvoll das Potenzial, grundlegend zu stören, wo, wie und von wem Simulationsfähigkeiten genutzt werden“, sagte Seth A. Hindman, Senior Manager Product Strategy and Management, Manufacturing, Construction and Production bei Autodesk Inc. (San Rafael, CA).

„Moores Gesetz hat weit länger Bestand gehabt, als sich die meisten vorstellen konnten. Mit kontinuierlichen Fortschritten in der Rechenleistung ist unglaublich leistungsstarke Hardware zu sehr niedrigen Preisen zugänglich. In Kombination mit der Entwicklung umfangreicher Glasfasernetzwerke können Unternehmen mit externen Rechenressourcen verbunden werden, die die Geschwindigkeiten ihrer eigenen Intranets übersteigen“, sagte Hindman. „Burst Capacity, Elastic Compute und konfigurierbares HPC [High-Performance Computing] ermöglichen es Unternehmen, die Art und Weise, wie sie ihre Produkte konstruieren und fertigen, grundlegend zu ändern, indem sie genug Analysen durchführen, um wirklich zu verstehen, wie ihr Produkt in zahlreichen Anwendungen und Umgebungen performen wird.“

Hersteller bewegen sich auch weg von netzabhängiger Analyse, sagte Hindman.

„Die allgegenwärtige Natur von 3D-Designdaten hat die Nachfrage nach Simulationswerkzeugen weiter gedrängt, die nicht mehr netzabhängig sind und von Assoziativität mit nativen Designdaten profitieren können. Nicht nur erhöht dies die Produktivität im allgemeinen Workflow, es erweitert das Publikum, das von Simulationsfähigkeiten profitieren kann. Der natürliche Druck nach unten ist es, Lösungen zu schaffen, die robuster, intuitiver sind und von traditionellen CAE-Anforderungen abweichen. Das langfristige Potenzial ist, dass dies eine vereinfachte Interaktion mit Lösungen und Automatisierung lästiger Aufgaben ermöglicht.“

Die langjährige Perspektive innerhalb der CAE, Simulation „vorne“ zu bringen, wird nun durch die Idee der zielbasierten Analyse ersetzt, fügte Hindman hinzu. „Während Upfront-Simulation mächtig ist, ist sie immer noch abhängig von einer traditionellen Konvention, das zu testen, was Sie entworfen haben, vs. die Erkundung von Designs voranzutreiben, die die Ziele erfüllen, die Sie definiert haben“, sagte er. Autodesk führt derzeit das ein, was es generatives Design nennt, in den Engineering-Markt ein, fügte Hindman hinzu, das gerade in Autodesk Fusion 360 Ultimate verfügbar geworden ist.

„Unsere generative Design-Technologie ermöglicht es, zielinspirierte Designs vom System erstellen zu lassen, was die weitreichende Erkundung des Designraums erleichtert und erlauben, insights-basierte Trade-offs“, sagte Hindman. „Die Hauptaufgabe von Ingenieuren war historisch, ein Design zu erstellen, das funktioniert. Mit generativem Design erfüllt jedes Ergebnis erfolgreich diese Basis-Anforderung, was bedeutet, dass Entscheidungsfindung und Trade-offs auf die Ebene von Kern-Geschäftsinitiativen gehoben werden.“

Additive Prozesse simulieren

Additive Entwicklungen begeistern die Fertigungsindustrie weiterhin, und viele Simulationsentwickler haben kürzlich entweder neue oder erweiterte additive-spezifische Versionen ihrer Simulationssoftware veröffentlicht.

Beispielsweise veröffentlichte am 19. April Simulationsentwickler Ansys Inc. (Canonsburg, PA) seine neuen Additive Print und Additive Suite Lösungen, die Simulation für Metall-AM-Prozesse liefern. Die Lösungen sollen es Nutzern ermöglichen, leichte, komplexe Metallteile zu drucken und Mikrostruktur-Eigenschaften und -Verhalten zu analysieren. Ansys sagte, dies werde helfen, AM-Kosten zu reduzieren, indem Designbeschränkungen limitiert, Abfall reduziert und Druckzeit verkürzt werden.

Ansys' kompletter additiver Simulations-Workflow lässt Kunden ihre Produktdesigns virtuell testen, bevor ein Teil gedruckt wird, so das Unternehmen. Die Software integriert Simulation vor dem Druckprozess, was Ingenieuren erlaubt, die Leistung eines Teils in der Designphase zu entwerfen, testen und validieren und die hohen Kosten von physischem Trial-and-Error stark zu reduzieren.

AM ist ein Gamechanger für die Fertigung, sagte Brent Stucker, Ansys Director of Additive Manufacturing. „Medizinische Geräte können mit patientenspezifischen Geometrien produziert werden. Ersatzteillager für viele Komponenten werden der Vergangenheit angehören, da Ersatzteile produziert werden können, wenn sie bestellt werden“, stellte Stucker fest. „Produkte, die in extremen Umgebungen operieren, wie in der Öl- und Gasindustrie, können mit neuen [haltbareren] hybriden Materialzusammensetzungen produziert werden. Die geometrische Komplexität, die AM bietet, bedeutet, dass Dutzende von Komponenten in eine einzelne Komponente integriert werden können, die leichter und leistungsstärker ist.“

Stucker merkte an, dass in AM Designer und Maschinenbediener, die typischerweise keine Engineering-Simulationsnutzer waren, jetzt einen komplexen Druckprozess verstehen müssen.

„Wir sehen, dass Maschinenbediener mehr wollen als nur gebildete Vermutungen, wenn es darum geht, vorherzusagen, ob ein Teil erfolgreich gebaut werden kann“, sagte er. „Sie müssen schnell verstehen, wie ein bestimmtes Maschinen-Setup zu Teileverzug vor und nach der Entfernung von Stützen führen wird, und ob übermäßiger Verzug den Pulververteilungsmechanismus dazu bringen könnte, das Teil zu treffen [was als Blade Crash bekannt ist]. Die Situation ist ähnlich bei Designern, die Design for AM [DfAM] machen. Sie wollen wissen, ob das von ihnen entworfene Teil erfolgreich drucken wird, und wenn ja, welche Eigenschaften die Komponente haben wird.

„Simulation gibt die Macht, den additiven Prozess zu verstehen, in die Hände von Designern und Bedienern“, fügte er hinzu. „Deshalb haben wir Ansys Additive Print als eigenständiges Druckprozess-Vorhersagetool entwickelt – damit ein Nicht-Ingenieur das Tool innerhalb weniger Tage nutzen kann.“

Während Simulationssoftware erfolgreich eingesetzt wurde, um sicherzustellen, dass eine entworfene Struktur unter Betriebsbedingungen im Feldeinsatz standhält, wird sie auch ständig durch komplexe Belastungen, Materialien und Physik herausgefordert, merkte Subham Sett, Director Simulia Strategic Initiatives, Dassault Systèmes (Paris) an. „Simulationssoftware tendiert nun dazu, Multiphysik- und Multiskalen-Lösungen bereitzustellen, die Vorhersagen für jeden Aspekt liefern, um das Branchenwachstum zu beschleunigen. Beispielsweise wird in der Automobilindustrie Simulationssoftware eingesetzt, um Multiphysik-Probleme von Mehrkörperdynamik, Lärm und Vibration, Crashworthiness bis hin zu instationärer Strömung zu lösen, sowie Multiskalen-Probleme von Materialdesign, Multiskalen-Material-Upscaling und -Downscaling und Teilsstrukturen.“

Die Fähigkeit hinzuzufügen, die Form vorherzusagen, die aus dem AM-Prozess resultiert, zählt zu den aufregendsten neuen Entwicklungen in der Fertigungssimulation, sagte Sett. „Indem man den Scanpfad, Materialeigenschaften, Maschinen- und Lasereigenschaften berücksichtigt, kann man die Teileverformung durch Hitze und Schwerkraft während des Druckens präzise vorhersagen“, fügte er hinzu.

Die Simulation des additiven Prozesses ermöglicht es Herstellern, den Prozess präziser vorherzusagen und zu kontrollieren, und verhindert Fehler im schichtweisen additiven Teileaufbau.

Siemens' Shankar sagte, Simulation in additiven Prozessen, die Siemens letztes Jahr mit seinem NX Additive Modul hinzugefügt hat, ermöglicht Herstellern, Fertigungsergebnisse vorherzusagen.

„Wenn man die Schichten erstellt, muss man viele Dinge wissen: Wie lange dauert das Abkühlen? Was sind die Hohlräume [die leeren Räume oder Taschen] im Teil? Simulation kann helfen, die Hohlräume und auch die Eigenspannungen im Produkt anzugehen“, sagte er. Simulation wird auch Herstellern helfen zu wissen, wie man Prozesse standardisiert und versteht, wie das Produkt performen wird.

Siemens arbeitet derzeit an Themen wie additive Prozesse mit Phasenänderungen und wie Teile abkühlen. In einigen Fällen wird HPC eingesetzt, aufgrund der rechenintensiven Natur dieser Simulationen. „Berechnungen können oft parallelisiert werden. Wenn man versucht, große Modelle zu lösen, ist es [HPC] attraktiv“, sagte Shankar.

In Bezug auf additive Fertigung erweitert Autodesk weiterhin sein Lösungsportfolio, sagte Hindman. „Die neueste Ergänzung zum Netfabb-Portfolio ist die Einbindung von Autodesk generativen Design-Fähigkeiten. Wie ich zuvor erwähnte, ermöglicht generatives Design, zielinspirierte Designs vom System erstellen zu lassen, um die weitreichende Erkundung des Designraums zu erleichtern. Ein Schlüsselbestandteil, wie das System als aktiver Teilnehmer funktionieren kann, ist, dass wir es gelehrt haben, additive Fertigungsprozess-bewusst zu sein, sodass es Ergebnisse generiert, die für 3D-Druck optimiert sind.“

Mit der März-Veröffentlichung von Netfabb Ultimate führte Autodesk integrierte Prozesssimulationsfähigkeiten zusätzlich zum bestehenden eigenständigen Netfabb Local Simulation Angebot ein. Hindman sagte, dass beide Netfabb-Versionen jetzt umfassen: verbesserte Vorhersagen von Effekten wie eingeschlossenem Pulver, Hot Spots/Versengung und Lack of Fusion; zusätzliche Prozessemulation wie EDM-Teilentfernung und Auswirkungen von Wärmebehandlung; verbesserte Leistung in Autodesks optionalen Elastic Compute Service; Einführung von Prozessanalysefähigkeiten in Netfabb Ultimate; und optimierte Fähigkeit, simulationsgetriebene kompensierte Teil-Vorformen für die Originalgeometrie auszutauschen.

Autodesk startete auch Unterstützung für den Direct Energy Deposition (DED) Prozess in Partnerschaft mit den Netfabb- und PowerMill (PowerMill Ultimate) Portfolios des Unternehmens, um Expertise in Mehrachsen-Robotersteuerung zu nutzen.

„Dies fügt eine weitere Fähigkeit hinzu, das Potenzial von außergewöhnlich großen Verformungen und Ausfällen während hochrate-deponierender Fertigung vorherzusagen“, sagte Hindman. „Wenn Unternehmen Metall-additive Fertigung annehmen, gibt es gemeinsame Gefahren, denen sie sich stellen und überwinden müssen.“ Er fügte hinzu, dass die häufigsten Herausforderungen beim Betrieb eines Metall-Pulverbettfusion-Druckers sind: Teileverformung, Verzug (das gedruckte Teil ist inakzeptabel und kann den Recoater beschädigen); thermisch spannungsinduzierte Ausfälle/Brüche (Teil bricht während des Druckens und kann den Recoater beschädigen); Stützausfälle (so viel Spannung baut sich im Teil auf, dass es die Verbindung zwischen Bauplatte und Teil bricht, was das Teil inakzeptabel macht und möglicherweise dem Recoater erlaubt, mit dem Teil zu kollidieren); und variierende Materialeigenschaften (Teile haben sichtbare Defekte oder performen nicht wie erwartet).

NC-Prozesse visualisieren

Für NC-Simulations- und Verifikationsprozesse bleibt AM ein Schlüsselentwicklungsbereich bei Entwicklern von Systemen wie Vericut NC-Simulationssoftware von CGTech (Irvine, CA), die kürzlich ein Vericut Additive Modul hinzugefügt hat. „Additive Fertigung bleibt einer der heißesten Trends in der Fertigung, daher bemüht sich Simulationssoftware, Schritt zu halten“, sagte Gene Granata, CGTech Vericut Produktmanager.

„Die Nutzung von Simulationssoftware, die in der Lage ist, dieselben NC-Codes zu simulieren, die die Maschinen antreiben werden, ist der beste Weg, CNC-Ausrüstung zu schützen und beim ersten Mal im Shop ein Qualitätsstück zu erstellen.“

Im Composites-Bereich stechen zwei der neuesten Trends hervor: ein Fokus auf grafische Darstellung und präzise Repräsentation des Werkstücks, merkte Granata an. „Obwohl die Verbesserung der Grafik wie eine kosmetische Verbesserung erscheinen mag, gibt es echte Engineering-Vorteile aus der präzisen Vorhersage und Visualisierung der Nettform eines Composite-Stücks. Hersteller beginnen, sich stärker auf Software zu verlassen, um die finale Form und Qualität eines Teils vorherzusagen“, sagte er. „Mit einer hochauflösenden Darstellung des fertigen Werkstücks können Ingenieure beginnen, die für sie wichtigsten Merkmale mit höherer Genauigkeit zu hinterfragen.“

Simulationssoftware bietet wichtige Prozessbewertungs- und Optimierungswerkzeuge, die die Shop-Produktivität steigern, fügte er hinzu. „Neue Optionen für die Erstellung ‚effizienter‘ Werkzeugwege scheinen regelmäßig auf dem Markt aufzutauchen, aber wie gut funktionieren sie wirklich? Simulationssoftware – getrieben von post-prozessierten G-Code-Werkzeugwegen – offenbart die ‚Wahrheit‘ in Maschinenlaufzeiten“, sagte Granata. „Dies hilft NC-Programmierern und Fertigungsingenieuren, verschiedene Bearbeitungsmethoden zu beurteilen, damit sie letztlich die effizientesten Methoden für die Herstellung ihrer Teile auswählen können.“

Automatisierung, Bearbeitungsoptimierung und Maschinenflexibilität sind Schlüsselbereiche, die Spring Technologies (Cambridge, MA), Entwickler von NCSimul und Optitool Software, in seiner Simulationssoftware-Entwicklung vorantreibt, sagte Silvere Proisy, Spring Technologies General Manager.

Da der Markt mehr automatisierte Prozesse fordert, entwickelt NCSimul mehr Automatisierung, sagte er. „Aus den Daten, die von der CAM-Software in NCSimul gesendet werden, wurde es automatisch verifiziert, und das Simulationsergebnis wird als endgültiger Bericht an den Programmierer per E-Mail geliefert. Die Benutzer müssen nicht mehr mit der Software interagieren; es kann alles auf einem Remote-Server laufen.“

CNC-Bearbeitungsoptimierung mit Optitool wird verbessert, sagte er. „Es bietet jetzt zwei Optimierungsebenen: eine ist Luftschnitt-Reduktion, Optimierung aller Anfahr- und Rückzugsbewegungen ohne Änderung der Vorschübe im Material; die zweite Ebene ist Learning-Mode-Optimierung, die die Materialschneidvorschübe basierend auf neun Schneidparametern regelt, wie Spanndicke oder Spanfluss, ohne die ursprünglichen Vorschübe und Geschwindigkeiten zu kompromittieren.“

Maschinenflexibilität ist der dritte Entwicklungsfokus mit seiner NCSimul 4CAM Option. „Einem Fertigungsunternehmen die Fähigkeit zu geben, einen Auftrag von einer Maschine auf eine andere in wenigen Minuten zu ändern, ohne das Teil in einer CAM-Software neu programmieren zu müssen, ist das, was wir eine Revolution nennen“, sagte Proisy. „Es liest den initialen G-Code und schreibt den neuen Code automatisch neu.“