シミュレーション ソフトウェアが翼を広げる

製品の複雑さ、軽量化、高度な材料、新しい製造方法などの厄介な問題に取り組むとき、今日の製造エンジニアは、忠実度の高いシミュレーションを使用して、これらの課題に対するソリューションを視覚化することがますます増えています。最新のシミュレーション ソフトウェアは、最高の設計を決定するだけでなく、それらを達成するための最も効率的な方法を決定するのに役立つハイエンド CAE パッケージと NC シミュレーション ソフトウェアを使用して、製品設計とパフォーマンスを改善する手がかりを提供できます。

付加製造 (AM) などの新しい製造プロセスは、製造業者にさまざまな問題をもたらします。シミュレーションにより、どのソリューションが最適かを事前に判断できます。現在、多くのシミュレーション ソフトウェア パッケージは、アディティブ製品が構築されるレイヤリング プロセスを明らかにするのに役立つアディティブ固有のシミュレーションを提供すると同時に、従来のサブトラクティブ メタルカッティング プロセスをより効率的にする方法を視覚化することもできます。

複雑さの問題を解決する

ディスクリート製造では、製品開発エンジニアは、自動車から航空機、巨大な船舶、重機に至るまで、産業用モノのインターネット (IIoT) 向けの電子機器を備えたシステムをプログラムする何百万行ものコードが含まれているため、大きな課題に直面しています。

「私たちが見ているより大きな傾向は、製品の複雑さが増していることです」と、Siemens PLM Software (Plano, TX) のグローバル シミュレーション製品マーケティング ディレクターである Ravi Shankar 氏は、機械部品のエレクトロニクスのレベルが高まっていることを指摘しました。 「それを推進しているのは、デジタル ツインとモデルベースのエンジニアリングです。」

自動運転車とドローンは、シミュレーション ソフトウェア システムを必要とする複雑なシステムの最新の例です、と Shankar 氏は述べています。 「また、軽量化とジェネレーティブ デザインの使用の増加により、自動車の燃料効率と排出量に焦点が当てられていることもわかりました」と彼は付け加えました。

シーメンスは最近、Simcenter シミュレーション ソリューションと新しいセンサー技術を組み合わせた自動運転車向けのソリューションを発表しました。 3 月にシカゴで開催された Siemens の US Innovation Day で、同社は Tass PreScan 仮想センサー画像と Mentor DRS360 プラットフォームを使用して、センサーの融合と処理のためのアルゴリズムの開発を自動化するシステムを発表しました。

「最初のトレンドは、物理ベースの世界モデルと物理ベースのセンサー モデルを作成できることです」と、昨年シーメンスに買収された Tass International (オランダ、Steenovenweg) の製品担当ディレクター、Martijn Tideman 氏は述べています。 「これらのモデルは、実際のカメラ、レーダー、LIDAR から得られたかのように生成できる忠実度の高い人工センサー情報を作成します。これらの人工データを DRS360 などの車載処理ユニットにフィードすると、1 マイルも運転しなくても車載ハードウェア/ソフトウェアを評価できます。」

もう 1 つの鍵は、自動運転シミュレーション ソフトウェアが高性能クラスター (HPC) で確実に実行されるようにすることです、と Tideman 氏は述べています。

「これらのクラスターは多くのシミュレーションを並行して実行できるため、仮想評価/検証プロセスが高速化されます。週末に 100 万マイルの仮想マイルを運転できるようになりたいと考えています。

「自動運転シミュレーターは、仮想道路網やビークル ダイナミクス シミュレーション ツールを自動的に生成して、制御アクションに車両が正しく反応することを確認するために、マップ インポーターなどのさまざまな他のハードウェアおよびソフトウェア モジュールに接続する必要があります」と彼は説明しました。 . Tideman 氏は、FMI/FMU (機能モックアップ インターフェイス/機能モックアップ ユニット) など、「シミュレーション ツール間のインターフェイスはますます標準化されています」と付け加えました。

破壊的シミュレーション

いくつかの重要な実現技術が、製造におけるシミュレーションの適用方法に影響を与えています。 「進化と改善を続ける多くの技術開発がありますが、シミュレーション機能がどこで、どのように、誰によって使用されるかを根本的に混乱させる可能性があるものはほんの一握りです」 Autodesk Inc. (カリフォルニア州サンラファエル) での建設と生産。

「ムーアの法則は、ほとんどの人が想像していたよりもはるかに長く成り立っています。処理能力の継続的な進歩により、信じられないほど強力なハードウェアが非常に低価格で利用できるようになりました。大規模な光ファイバー ネットワークの開発と組み合わせることで、企業は自社のイントラネットの速度を超える外部の計算リソースに接続できます」と Hindman 氏は述べています。 「バースト キャパシティ、エラスティック コンピューティング、および構成可能な HPC [ハイ パフォーマンス コンピューティング] により、企業は、製品が多数のアプリケーションや環境でどのように機能するかを真に理解するのに十分な分析を実行することで、製品のエンジニアリングと製造の方法を根本的に変えることができます。」

Hindman 氏によると、製造業者はメッシュに依存する分析からも離れつつあります。

「3D 設計データのユビキタスな性質により、もはやメッシュに依存せず、ネイティブ設計データとの関連付けの恩恵を受けることができるシミュレーション ツールの需要が引き続き高まっています。これにより、一般的なワークフローの生産性が向上するだけでなく、シミュレーション機能の恩恵を受ける対象者が拡大します。自然なダウン プレッシャーは、より堅牢で直感的で、従来の CAE 要件を打破するソリューションを作成することです。長期的な可能性は、これによりソリューションとのやり取りが簡素化され、面倒なタスクが自動化されることです。」

シミュレーションを「前もって」行うという CAE 内の長年の考え方は、現在では目的に基づく分析の考え方に取って代わられている、と Hindman 氏は付け加えました。 「事前シミュレーションは強力ですが、設計したものをテストするのではなく、定義した目的を満たす設計の調査を推進するという従来の慣習に依拠しています」と彼は言いました。 Autodesk は現在、ジェネレーティブ デザインと呼ばれるものをエンジニアリング市場に導入していると Hindman 氏は付け加えました。これは、Autodesk Fusion 360 Ultimate で利用できるようになったばかりです。

「私たちのジェネレーティブ デザイン テクノロジーにより、システムによって客観的なデザインを作成できるようになり、デザイン スペースの広範な探索が容易になり、洞察に基づくトレードオフが可能になります」と Hindman 氏は述べています。 「歴史的にエンジニアの主な仕事は、機能するデザインを作成することでした。ジェネレーティブ デザインを使用すると、すべての結果がその基本要件をうまく満たします。つまり、意思決定とトレードオフがコア ビジネス イニシアチブのレベルに引き上げられます。」

付加プロセスのシミュレーション

積層造形の開発は製造業界を刺激し続けており、多くのシミュレーション開発者は最近、シミュレーション ソフトウェアの積層造形に特化した新しいバージョンまたは強化されたバージョンをリリースしました。

たとえば、4 月 19 日、シミュレーション開発者の Ansys Inc. (ペンシルベニア州キャノンズバーグ) は、金属 AM プロセスのシミュレーションを提供する新しい Additive Print および Additive Suite ソリューションをリリースしました。このソリューションにより、ユーザーは軽量で複雑な金属部品を印刷し、微細構造の特性と挙動を分析できるようになると言われています。 Ansys は、これにより、設計上の制約を制限し、無駄を減らし、印刷時間を短縮することで、AM コストを削減できると述べています。

同社によると、Ansys の完全なアディティブ シミュレーション ワークフローにより、顧客は部品を印刷する前に製品設計を仮想的にテストできます。このソフトウェアには、印刷プロセスの前にシミュレーションが組み込まれているため、エンジニアは設計段階で部品の性能を設計、テスト、および検証でき、物理的な試行錯誤にかかる高額なコストを大幅に削減できます。

AM は製造業のゲームチェンジャーであると、Ansys のアディティブ マニュファクチャリング担当ディレクターである Brent Stucker 氏は述べています。 「医療機器は、患者固有の形状で製造できます。多くのコンポーネントのスペアパーツの在庫は、注文時に交換パーツを製造できるため、過去のものになるでしょう」とスタッカー氏は述べています。 「石油やガス産業などの極端な環境で動作する製品は、新しい [より耐久性のある] ハイブリッド材料組成で製造できます。 AM によって提供される幾何学的な複雑さは、軽量で高性能な単一のコンポーネントに数十のコンポーネントを統合できることを意味します。」

Stucker 氏は、AM では、通常はエンジニアリング シミュレーションのユーザーではない設計者や機械オペレーターが複雑な印刷プロセスを理解する必要があると述べています。

「機械のオペレーターは、部品がうまく組み立てられるかどうかを予測する際に、知識に基づいた推測以上のものを求めていることがわかります」と彼は言いました。 「彼らは、特定のマシン設定がサポートからの取り外しの前後にどのように部品の歪みをもたらすか、および過度の歪みが粉体散布メカニズムが部品に当たる可能性があるかどうかを迅速に理解する必要があります.[ブレードクラッシュとして知られている.状況は、AM [DfAM] の設計を行う設計者にも似ています。彼らは、設計した部品が正常に印刷されるかどうか、印刷できる場合、そのコンポーネントのプロパティがどうなるかを知りたがっています.

「シミュレーションは、アディティブ プロセスを理解する力を設計者とオペレーターの手に委ねます」と彼は付け加えました。 「それが、Ansys Additive Print をスタンドアロンの印刷プロセス予測ツールとして開発した理由です。これにより、非エンジニアでも数日以内にツールを使用できるようになります。」

ダッソー・システムズの Simulia Strategic Initiatives 担当ディレクターである Subham Sett 氏は次のように述べています。パリ）。 「シミュレーション ソフトウェアは現在、マルチフィジックスおよびマルチスケール ソ​​リューションを提供する傾向にあり、業界の成長を加速するあらゆる側面の予測を提供します。たとえば、自動車産業では、シミュレーション ソフトウェアを使用して、マルチボディ ダイナミクス、騒音と振動、耐衝撃性から非定常流れまでのマルチフィジックス問題、および材料設計、マルチスケール材料のアップとダウン スケーリング、サブストラクチャーなどのマルチスケール問題を解決しています。 」

AM プロセスに起因する形状を予測する機能を追加することは、製造シミュレーションにおける最もエキサイティングな新しい開発の 1 つとしてランク付けされている、と Sett 氏は述べています。 「スキャン パス、材料特性、機械およびレーザーの特性を考慮して、パーツのプリント中に熱と重力によるパーツの変形を正確に予測できます」と彼は付け加えました。

アディティブ プロセスをシミュレートすることで、ビルダーはプロセスをより正確に予測および制御できるようになり、レイヤーごとのアディティブ パーツのビルド プロセスでエラーが発生するのを防ぐことができます。

Siemens の Shankar 氏は、Siemens が昨年 NX Additive モジュールに追加したアディティブ プロセスのシミュレーションにより、メーカーは製造結果を予測できるようになると述べています。

「レイヤーを作成するときは、多くのことを知っておく必要があります。冷却にはどのくらい時間がかかりますか?パーツ内のボイド [空のスペースまたはポケット] とは何ですか?シミュレーションは、製品のボイドや残留応力に対処するのに役立ちます」と彼は言いました。シミュレーションは、製造業者がプロセスを標準化する方法を知り、製品がどのように機能するかを理解するのにも役立ちます。

シーメンスは現在、相変化を伴う付加プロセスや部品の冷却方法などの問題に取り組んでいます。場合によっては、これらのシミュレーションの計算集約的な性質のために、HPC が使用されています。 「計算はしばしば麻痺することがあります。大規模なモデルを解決しようとしている場合、[HPC] は魅力的です」と Shankar 氏は述べています。

アディティブに関しては、Autodesk はソリューションのポートフォリオを拡大し続けていると Hindman 氏は述べています。 「Netfabb ポートフォリオへの最新の追加は、オートデスクのジェネレーティブ デザイン機能が含まれていることです。前述したように、ジェネレーティブ デザインを使用すると、システムによって客観的なデザインを作成できるようになり、デザイン スペースの広範な調査が容易になります。システムが積極的な参加者としてどのように機能できるかの重要な要素は、3D プリンティングに最適化された結果を生成するように、積層造形プロセスを認識するようにシステムに教えたことです。」

オートデスクは、Netfabb Ultimate の 3 月のリリースで、既存のスタンドアロンの Netfabb Local Simulation 製品に加えて、統合されたプロセス シミュレーション機能を導入しました。 Hindman 氏によると、現在 Netfabb の両方のバージョンには次の機能が含まれています。 EDM部品の除去や熱処理の影響などの追加のプロセスエミュレーション。オートデスクのオプションのエラスティック コンピューティング サービスのパフォーマンスが向上しました。 Netfabb Ultimate へのプロセス分析機能の導入。また、シミュレーション主導の補正済み部品プリフォームを元の形状に交換する合理化された機能。

オートデスクは、多軸ロボット制御の専門知識を活用するために、同社の Netfabb および PowerMill (PowerMill Ultimate) ポートフォリオと提携して、直接エネルギー堆積 (DED) プロセスのサポートも開始しました。

「これにより、高速堆積製造中の非常に大きな変形や故障の可能性を予測する別の機能が追加されます」と Hindman 氏は述べています。 「企業が金属アディティブ マニュファクチャリングを採用するにつれて、直面して克服しなければならない共通の危険があります。」彼は、金属粉末床フュージョン プリンターを操作する際の最も一般的な課題は次のとおりであると付け加えました。熱応力による故障/破損 (印刷中にパーツが破損し、リコーターが損傷する可能性があります)。サポートの失敗 (パーツに過度の応力が蓄積され、ビルド プレートとパーツの間の接続が壊れ、パーツが受け入れられなくなり、リコーターがパーツと衝突する可能性があります);およびさまざまな材料特性 (部品に目に見える欠陥があるか、期待どおりに機能しない)。

NC プロセスの可視化

NC シミュレーションおよび検証プロセスでは、最近 Vericut Additive モジュールを追加した CGTech (カリフォルニア州アーバイン) の Vericut NC シミュレーション ソフトウェアなどのシステムの開発者にとって、AM は依然として重要な開発分野です。 「アディティブ マニュファクチャリングは、引き続き製造業界で最もホットなトレンドの 1 つであるため、シミュレーション ソフトウェアはそれに追いつくよう努めています」と、CGTech ベリカット プロダクト マネージャーの Gene Granata 氏は述べています。

「マシンを駆動するのと同じ NC コードをシミュレートできるシミュレーション ソフトウェアを使用することは、CNC 機器を保護し、工場で初めて高品質の部品を作成するための最良の方法です。」

複合材で際立っている 2 つの最新トレンドは、グラフィック表示とワークピースの正確な表現に重点を置いていることです、と Granata 氏は述べています。 「グラフィックスの改善は表面的な改善のように思えるかもしれませんが、複合材の最終的な形状を正確に予測して視覚化することには、実際のエンジニアリング上の利点があります。メーカーは、部品の最終的な形状と品質を予測するためにソフトウェアに大きく依存し始めています」と彼は言いました。 「完成したワークピースの高解像度ディスプレイにより、エンジニアは最も重要な機能をより正確に調べることができます。」

シミュレーション ソフトウェアは、工場の生産性を向上させる重要なプロセス評価および最適化ツールを提供します、と彼は付け加えました。 「「効率的な」ツールパスを作成するための新しい選択肢が定期的に市場に出回っているようですが、実際にどれだけうまく機能するのでしょうか?後処理された G コード ツールパスによって駆動されるシミュレーション ソフトウェアは、マシン ランタイムの「真実」を明らかにします」と Granata 氏は述べています。 「これは、NC プログラマーや製造エンジニアがさまざまな加工方法を判断するのに役立ち、最終的に部品を作成するための最も効率的な方法を選択できるようになります。」

自動化、機械加工の最適化、および機械の柔軟性は、NCSimul および Optitool ソフトウェアの開発者である Spring Technologies (マサチューセッツ州ケンブリッジ) がシミュレーション ソフトウェア開発で推進している重要な分野です、と Spring Technologies のゼネラル マネージャーである Silvere Proisy は述べています。

市場がより自動化されたプロセスを要求しているため、NCSimul はより多くの自動化を開発していると彼は言いました。 「CAM ソフトウェアから NCSimul に送信されたデータは自動的に検証され、シミュレーションの結果は最終レポートとしてプログラマーにメールで送信されます。ユーザーはソフトウェアを操作する必要がなくなりました。すべてリモート サーバーで実行できます。」

Optitool を使用した CNC 加工の最適化は改善されています。 「現在、2 つのレベルの最適化が提供されています。1 つは、材料の送り速度を変更することなく、すべてのアプローチとリトラクトの動作を最適化するエアカット削減です。 2 番目のレベルは、元の送りと速度を損なうことなく、切りくずの厚さや切りくずの流れなどの 9 つの切削パラメーターに基づいて材料の切削送りを調整する学習モードの最適化です。」

機械の柔軟性は、NCSimul 4CAM オプションによる開発の 3 つ目の焦点です。 Proisy 氏は次のように述べています。 「最初の G コードを読み取り、新しいコードを自動的に書き換えます。」