• Home
  • Features
  • Simulation technology not only for the plastics industry

Simulation technology not only for the plastics industry

Simulation technology not only for the plastics industry

Simulations and computer technology in general using computer resources have been helping to save money in the development of new products for a long time, practically more than half a century. Recently, however, from the originally only verification phase of product design, simulations have been extended to the entire development process from conceptual design, through detailed construction to, for example, optimization of production lines.

Tento článek Vám umožní nahlédnout na simulace optikou plastikářského průmyslu a v závěru ukáže celé workflow návrhu konkrétního produktu.

Kromě toho se rozšiřování využití simulací projevuje i v tom, že výpočtářské simulační nástroje nejsou dostupné pouze nadnárodním společnostem s oddělením výpočtářů-specialistů, ale simulační nástroje jsou dnes přizpůsobené i potřebám uživatelů, kteří se simulacemi dosud nepřišli do styku. A to jak jednodušším uživatelským rozhraním vyžadujícím i výrazně nižší znalosti výpočtářského řemesla, tak v neposlední řadě zpřístupněním i po finanční stránce. Už se nejedná pouze o nástroje s milionovými ročními náklady.

Advanced Engineering s.r.o.  
Vizualizace modelu výrobku vyvinutého za pomocí řady simulací a optimalizací řešící jednotlivé aspekty návrhu. Zde zvýrazněny výsledky simulace výroby plastového pouzdra 


Dříve se kvůli obecné náročnosti používaly simulace pouze v ověřovací fázi vývoje, kde nahrazovaly nákladné fyzické ověřovací zkoušky. Měly za úkol ověřit, zda je navržený výrobek schopen odolat předpokládanému zatížení nebo simulacemi výrobních procesů ověřit jeho vyrobitelnost. Praxe však přinesla chuť inženýrů zapojovat simulace do čím dál častěji ranější fáze vývoje. To vychází z přirozené potřeby zohledňovat požadavky a odstraňovat nastalé problémy hned v zárodku, kdy je změnové řízení nejméně nákladné. Je pochopitelné, že se tím ušetří spousta zbytečné práce a finančních nákladů.

Altair byl leaderem tohoto trendu již od počátku a postupně představil přístupy Simulation-driven Design a Simulation-driven Design for Manufacturing. Kromě tradičních výpočtářských nástrojů, které se na trhu už významně etablovaly, představil postupně celou řadu nástrojů určených i pro další uživatele, než jakými jsou tradiční výpočtáři nebo v simulacích zkušení technologové. Díky představení simulačních nástrojů určených pro designéry, konstruktéry, nebo návrháře systémů, umožnil začít simulovat již v nejranějších koncepčních fázích.

Fáze koncepčního návrhu je okamžikem, kdy lze s nejmenším úsilím a nejmenšími náklady provádět největší úpravy produktu směrem k hledanému optimu. Proto je dobré této fázi věnovat velkou pozornost, a právě při ní použít simulační nástroje, které ověří, že se k optimu blížíme, nebo jsme ho našli. Takové optimum může (a mělo by) zahrnovat celý životní cyklus produktu. Mělo by zohledňovat hledisko výroby (vyrobitelnost, ekonomika, ekologie), životnosti, provozních nákladů a ekologických externalit, souvisejících často s hmotností, a řadu dalších aspektů.

Advanced Engineering s.r.o.  
Komplexní přístup při využití simulací při vývoji výrobku - konkrétně níže popisovaný injektor Nolava 


Simulační možnosti jsou dnes velmi široké. Tradiční pevnostní analýzy a optimalizace se staly běžným standardem a velmi často jsou doplňovány dalšími pokročilejšími simulacemi jakými jsou dynamické analýzy pohyblivých mechanismů, analýzy proudění kapalin, přenosů tepla, mechatronických systémů, nebo simulace pohybu sypkých hmot, jakými může být například plastový granulát ve výrobních linkách. Řada těchto analýz může být i vzájemně kombinována, v tom případě je pak řeč o tzv. multifyzikálních analýzách.

Jak už bylo naznačeno na příkladu výrobní linky, simulace nejsou využívány pouze k návrhu a ověření funkcionality nebo vyrobitelnosti produktů. Čím dál častěji jsou již v koncepční fázi doplňovány simulacemi výrobních procesů a přispívají tak multi-kriteriální optimalizaci konceptu. Altair nabízí simulační nástroje jak pro výrobu kovových dílů (odlévání, lisování, protlačování, 3D tisk), tak především umožňuje simulovat vstřikování plastů (Altair Inspire Mold), studených a polyuretanových pěn (Altair Inspire PolyFoam), nebo protlačování plastů (Altair Inspire Extrude Polymer).

Advanced Engineering s.r.o.  
Důležitou součástí tvorby simulačních modelů jsou kvalitní materiálové definice - zde Altair Material Data Center 

 

Díky těmto nástrojům lze bez finančně náročných zkoušek navrhovat ideální formy pro výrobu, hledat nejvhodnější parametry výrobního procesu nebo upravovat samotný produkt tak, aby byl v požadované kvalitě vyrobitelný, tedy aby byl eliminován výskyt potenciálních výrobních vad. Tomu může napomáhat i optimalizace ideálního chlazení formy – návrh rozměrů a umístění chladicích kanálů tak, aby bylo dosaženo co nejkvalitnějšího vstřikování.

Ukázka komplexního využití simulací ve vývoji výrobku

Komplexní využití simulačních nástrojů Altair při vývoji produktu si můžeme ukázat na pokročilé inzulince Nolava od společnosti Nolato ze Švédska.

Advanced Engineering s.r.o.  
Injektor (inzulinka) Nolava od švédské společnosti Nolato 

 

Prvním koncepčním krokem bylo nalezení ideálního tvarového řešení tak, aby byly ergonomické a zároveň elegantní. Altair Inspire Studio dává uživateli do ruky výkonné nástroje pro efektivní tvorbu průmyslového designu s rychlým generováním návrhových variant k jejich porovnávání. S tím jde ruku v ruce i využívání špičkového renderovacího modulu generování fotorealistických vizualizací. Ty jde využít i k zahájení marketingových aktivit již v době, kdy produkt ještě fyzicky ani neexistuje.

Advanced Engineering s.r.o.  
Prvotní stylistický a koncepční návrh ve formě skici 

 

Advanced Engineering s.r.o.  
3D vizualizace konstrukčního návrhu (Altair Inspire Studio) 

 

V další fázi vývoje bylo přistoupeno k návrhu vnitřních žeber vnější plastové konstrukce. K tomu byl použit nástroj pro strukturální analýzy a optimalizace Altair Inspire. Díky topologické optimalizaci bylo navrženo takové uspořádání žeber, které při minimální hmotnosti nabízí maximální tuhost dílu. Topologické optimalizaci zároveň byly zadány i podmínky vyrobitelnosti, čímž se zajistilo, že automaticky navržený tvar bude zároveň vyrobitelný a nebude se jednat pouze o idealistický tvar, který v praxi nelze použít.

Vyrobitelnost byla následně ověřena i v nástroji Altair Inspire Mold, který simuluje vstřikování plastu. Díky němu bylo možné již v předstihu, v průběhu konstrukce, odhalit potenciální výrobní vady a zareagovat na ně jednak změnou detailů navrženého plastového dílu, tak i úpravou chlazení vstřikovací formy. Pomocí stejného nástroje později technolog-specialista optimalizoval i parametry plnění formy a chladnutí.

Advanced Engineering s.r.o.  
Simulace plnění formy pouzdra injektoru Nolava (Altair Inspire Mold) 

 

Návrh vnitřního mechanismu byl konstruován za průběžného ověřování modulu Motion, který je taktéž součástí nástroje Altair Inspire. Některé části mechanismu byly dokonce automaticky tvarově optimalizovány na základě této kinematicko-dynamické analýzy.

Po dokončení návrhu celé strukturální části a vnitřního mechanismu byla v nástroji Altair SimLab provedena série pokročilejších analýz. Jednou z nich byl nárazový test, který simuluje pád produktu na zem (tzv. drop-test). Cílem takové simulace je ověřit, že při upuštění předmětu z ruky nedojde k většímu než jen povrchovému poškození.

Advanced Engineering s.r.o.  
Simulace mechanického chování zácvaků plastového pouzdra je řešena i s ohledem na výsledky simulace smršťování vstřikovaných dílů (Altair SimLab a Inspire Mold) 

 

Protože se nejedná o čistě mechanický produkt, ale obsahuje i elektronické součásti, bylo v Altair SimLab i ověřováno, že se žádná část inzulinky nepřehřívá a nezpůsobuje tak uživateli nepříjemné pocity, nebo to dokonce nemá vliv na strukturální vlastnosti produktu v důsledku teplotní degradace plastových materiálů.

Jak začít s pokročilejšími simulacemi?

Zavádění komplexních simulací se pro společnosti a uživatele, kteří s nimi nemají zkušenost, může zdát jako příliš tvrdý oříšek. Pravdou však je, že při zavádění pomocí menších dílčích kroků není tento proces příliš složitý ani náročný. Prostředky a úsilí tímto směrem vynaložené se vrátí jak v kvalitě výrobků, tak v budoucích možnostech rozvoje firmy.

Prvním dílčím krokem může být zadání některých simulací externě, tedy outsourcing. Společnost Advanced Engineering s.r.o., která stojí za obsahem tohoto článku a za podporou nástrojů Altair v České a Slovenské republice, je především engineeringovou firmou a může být takovým partnerem. Všechny zmíněné i řady dalších simulací a optimalizací lze řešit právě s námi, a to v různých formách spolupráce.

Díky úzké spolupráci během řešení vaší úlohy Vám zároveň umožníme si postupně osvojovat potřebné know-how a získávat na poli simulací samostatnost, kterou uplatníte ve stejných nástrojích, se kterými pracujeme my. Nasměrujeme Vás tím i na nástroje, které jsou pro Vaši úlohu a Váš způsob využití nejvhodnější a zároveň tomu přizpůsobíme výběr nejvýhodnějšího typu licence. Je dobré zmínit i fakt, že licenční systém nástrojů Altair při využívání více typů simulací nenavyšuje náklady, a tedy je pro využití komplexních simulací velmi přívětivý.

Všechny výše uvedené simulační nástroje umožňují kromě běžného ročního pronájmu licencí i pronájem krátkodobý. Díky němu lze výhodně řešit nárazové potřeby využití jednotlivých simulací tak, jak přichází s projekty, a omezit fixní náklady.

Více informací k projektu Nolava (VIRTUAL PRODUCT DESIGN OF A MEDICAL AUTOINJECTOR):

Dále doporučujeme Vaší pozornosti

Kontakt

  • autor:
  • Vojtěch Rulc, Advanced Engineering s.r.o.
  • Advanced Engineering s.r.o.

    Advanced Engineering s.r.o.

    Optimization of plastic process, Altair software solutions, simulation of plastic injection, analysis of plastic injection, simulation solutions for the plastics industry.



You might also be interested



 

Article archive