Software de simulación avanzado mejora diseño de producto y eficiencia manufacturera

Al lidiar con problemas vexantes como complejidad de producto, aligeramiento, materiales avanzados y nuevos métodos de manufactura, los ingenieros de manufactura de hoy usan cada vez más simulaciones de alta fidelidad para visualizar soluciones a estos desafíos. El software de simulación más reciente puede ofrecer pistas para mejorar diseño de producto y rendimiento con paquetes CAE de alta gama y software de simulación NC que ayudan a determinar no solo los mejores diseños, sino las formas más eficientes de lograrlos.

Nuevos procesos de manufactura como manufactura aditiva (AM) presentan diferentes problemas para fabricantes, y la simulación puede determinar de antemano qué soluciones funcionan mejor. Muchos paquetes de software de simulación ahora ofrecen simulaciones específicas para aditiva que pueden ayudar a iluminar los procesos de capas por los que se construyen productos aditivos, mientras también visualizan cómo hacer procesos tradicionales de corte de metal sustractivo más eficientes.

Resolviendo el problema de complejidad

En manufactura discreta, ingenieros de desarrollo de producto enfrentan enormes desafíos, ya que cualquier cosa desde autos a aviones a barcos masivos y maquinaria pesada contienen millones de líneas de código que programan sistemas con electrónica preparada para el Internet Industrial de las Cosas (IIoT).

"Las tendencias mayores que vemos son la complejidad creciente de productos", dijo Ravi Shankar, director de marketing global de producto de simulación, Siemens PLM Software (Plano, TX), notando el nivel creciente de electrónica en componentes mecánicos. "Lo que impulsa eso es el gemelo digital e ingeniería basada en modelos."

Vehículos autónomos y drones son el último ejemplo de sistemas complejos que requieren sistemas de software de simulación, dijo Shankar. "También hemos visto el enfoque en eficiencia de combustible y emisiones automotrices, con el aumento en aligeramiento y uso de diseño generativo", añadió.

Siemens introdujo recientemente una solución para autos autónomos que incorpora sus soluciones de simulación Simcenter con nueva tecnología de sensores. En el Día de Innovación de EE. UU. de Siemens en marzo en Chicago, la compañía presentó el sistema, usando imágenes de sensores virtuales Tass PreScan con la plataforma Mentor DRS360 que automatiza desarrollo de algoritmos para fusión y procesamiento de sensores.

"La primera tendencia es que modelos mundiales basados en física y modelos de sensores basados en física pueden crearse", dijo Martijn Tideman, director de productos para Tass International (Steenovenweg, Países Bajos), que fue adquirida el año pasado por Siemens. "Estos modelos hacen información de sensores artificiales de alta fidelidad que puede generarse como si viniera de cámaras, radares y LIDARs reales. Cuando alimentas estos datos artificiales a unidades de procesamiento en el auto, como el DRS360, puedes evaluar el hardware/software en el auto sin manejar una sola milla."

Otra clave es asegurar que el software de simulación de conducción automatizada corra en clústeres de alto rendimiento (HPC), dijo Tideman.

"Estos clústeres pueden correr muchas simulaciones en paralelo, lo que acelera el proceso de evaluación/validación virtual. Quieres poder manejar un millón de millas virtuales el fin de semana."

"Los simuladores de conducción automatizada necesitan conectarse a una amplia gama de otros módulos de hardware y software, por ejemplo importadores de mapas, para generar automáticamente redes viales virtuales o herramientas de simulación de dinámica de vehículo para asegurar que el vehículo responde correctamente a acciones de control", explicó. "Las interfaces entre herramientas de simulación están siendo cada vez más estandarizadas", como con FMI/FMU (interfaz funcional mock-up/unidad funcional mock-up), añadió Tideman.

Simulación disruptiva

Varias tecnologías habilitadoras clave están afectando la forma en que la simulación se aplica en manufactura. "Aunque hay numerosos desarrollos técnicos que continúan evolucionando y mejorando, un puñado tienen el potencial de cambiar fundamentalmente dónde, cómo y por quién se usan las capacidades de simulación", dijo Seth A. Hindman, gerente senior de estrategia de producto y gestión, manufactura, construcción y producción en Autodesk Inc. (San Rafael, CA).

"La Ley de Moore ha continuado siendo cierta por mucho más de lo que la mayoría habría imaginado. Con avances continuos en poder de procesamiento, hardware increíblemente potente es accesible a un precio muy bajo. Combinado con el desarrollo de extensas redes de fibra óptica, las empresas pueden conectarse a recursos computacionales externos que superan las velocidades de sus propias intranets", dijo Hindman. "Capacidad de ráfaga, cómputo elástico y HPC configurable [computación de alto rendimiento] están permitiendo a las empresas cambiar fundamentalmente la forma en que ingenieran y manufacturan sus productos al correr suficiente análisis para realmente entender cómo su producto rendirá en numerosas aplicaciones y entornos."

Los fabricantes también se están alejando del análisis dependiente de malla, dijo Hindman.

"La naturaleza ubicua de datos de diseño 3D ha continuado presionando la demanda de herramientas de simulación que ya no son dependientes de malla y que pueden beneficiarse de asociatividad con datos de diseño nativos. No solo esto aumenta productividad en el flujo de trabajo general, amplía la audiencia que puede beneficiarse de capacidades de simulación. La presión natural a la baja es crear soluciones que sean más robustas, más intuitivas y que rompan con requisitos CAE tradicionales. El potencial a largo plazo es que esto permite una interacción simplificada con soluciones y automatización de tareas onerosas."

La perspectiva de larga data dentro de CAE de traer simulación "al frente" ahora está siendo reemplazada por la idea de análisis basado en objetivos, añadió Hindman. "Aunque la simulación al frente es poderosa, todavía depende de una convención tradicional de probar lo que has diseñado vs. impulsar la exploración de diseños que cumplan los objetivos que has definido", dijo. Autodesk está introduciendo actualmente lo que llama diseño generativo en el mercado de ingeniería, añadió Hindman, que acaba de estar disponible en Autodesk Fusion 360 Ultimate.

"Nuestra tecnología de diseño generativo permite crear diseños inspirados en objetivos por el sistema, lo que facilita exploración amplia del espacio de diseño, permitiendo trade-offs basados en insights", dijo Hindman. "La tarea principal de los ingenieros históricamente ha sido crear un diseño que funcione. Con diseño generativo, cada resultado cumple exitosamente ese requisito base, lo que significa que la toma de decisiones y trade-offs se elevan al nivel de iniciativas de negocio centrales."

Simulando procesos aditivos

Los desarrollos aditivos continúan emocionando a la industria manufacturera, y muchos desarrolladores de simulación han lanzado recientemente versiones nuevas o mejoradas específicas para aditiva de su software de simulación.

Por ejemplo, el 19 de abril el desarrollador de simulación Ansys Inc. (Canonsburg, PA) lanzó sus nuevas soluciones Additive Print y Additive Suite que entregan simulación para procesos AM de metal. Se dice que las soluciones permiten a usuarios imprimir piezas de metal ligeras y complejas y analizar propiedades y comportamiento de microestructura. Ansys dijo que esto ayudará a reducir costos AM limitando restricciones de diseño, reduciendo desperdicio y encogiendo tiempo de impresión.

El flujo de trabajo completo de simulación aditiva de Ansys permite a clientes probar sus diseños de producto virtualmente antes de imprimir una pieza, según la compañía. El software incorpora simulación antes del proceso de impresión, lo que permite a ingenieros diseñar, probar y validar el rendimiento de una pieza en la etapa de diseño y reduce enormemente el alto costo de ensayo y error físico.

AM es un game-changer para manufactura, dijo Brent Stucker, director de manufactura aditiva de Ansys. "Dispositivos médicos pueden producirse con geometrías específicas de paciente. Inventarios de repuestos para muchos componentes serán cosa del pasado, ya que piezas de reemplazo pueden producirse cuando se ordenan", señaló Stucker. "Productos que operan en entornos extremos, como en la industria de petróleo y gas, pueden producirse con nuevas composiciones de materiales híbridos [más duraderos]. La complejidad geométrica ofrecida por AM significa que docenas de componentes pueden integrarse en un solo componente que es más ligero y de mayor rendimiento."

Stucker señaló que en AM, diseñadores y operadores de máquina que típicamente no han sido usuarios de simulación de ingeniería ahora deben entender un proceso de impresión complejo.

"Estamos viendo que operadores de máquina quieren más que solo conjeturas educadas cuando se trata de predecir si una pieza puede construirse exitosamente", dijo. "Necesitan entender rápidamente cómo una configuración particular de máquina resultará en distorsión de pieza antes y después de remoción de soportes, y si distorsión excesiva podría causar que el mecanismo de esparcimiento de polvo golpee la pieza [lo que se conoce como blade crash]. La situación es similar con diseñadores haciendo Diseño para AM [DfAM]. Quieren saber si la pieza que diseñaron se imprimirá exitosamente, y si puede, cuáles serán las propiedades de ese componente."

"La simulación pone el poder para entender el proceso aditivo en manos de diseñadores y operadores", añadió. "Por eso hemos desarrollado Ansys Additive Print para ser una herramienta autónoma de predicción de proceso de impresión — para que un no ingeniero pueda usar la herramienta en pocos días."

Mientras el software de simulación ha sido usado exitosamente para asegurar que una estructura diseñada resistirá condiciones en servicio durante operaciones de campo, también es constantemente desafiado por cargas complejas, materiales y física, notó Subham Sett, director, Iniciativas Estratégicas Simulia, Dassault Systèmes (París). "El software de simulación ahora tiende hacia proveer soluciones multifísicas y multiescala proveyendo predicciones para cada aspecto para acelerar crecimiento de la industria. Por ejemplo, en industria automotriz, el software de simulación se usa para resolver problemas multifísicos desde dinámica de multicuerpos, ruido y vibración, resistencia a choques a flujo no estable, así como problemas multiescala desde diseño de material, escalado multiescala de material arriba y abajo, y subestructuras."

Añadir la capacidad de predecir la forma resultante del proceso AM se clasifica como uno de los desarrollos más emocionantes en simulación de manufactura, dijo Sett. "Tomando en cuenta la trayectoria de escaneo, propiedades de material, máquina y propiedades de láser, podemos predecir con precisión la deformación de pieza debido a calor y gravedad mientras la pieza se imprime", añadió.

Simular el proceso aditivo permite a constructores predecir y controlar el proceso más precisamente, previniendo errores en el proceso de construcción de pieza aditiva capa por capa.

Shankar de Siemens dijo que la simulación en procesos aditivos, que Siemens añadió con su módulo NX Additive el año pasado, permite a fabricantes predecir resultados de manufactura.

"Al crear las capas, tienes que saber muchas cosas: ¿Cuánto tarda en enfriar? ¿Cuáles son los vacíos [los espacios vacíos o bolsillos] en la pieza? La simulación puede ayudar a abordar los vacíos y también los esfuerzos residuales en el producto", dijo. La simulación también ayudará a fabricantes a saber cómo estandarizar procesos y entender cómo rendirá el producto.

Siemens actualmente está trabajando en temas como procesos aditivos con cambios de fase y cómo se enfrían las piezas. En algunos casos, se está usando HPC, debido a la naturaleza computacionalmente intensiva de esas simulaciones. "Los cómputos a menudo pueden paralizarse. Si estás intentando resolver modelos grandes, [HPC] es atractivo", dijo Shankar.

Con respecto a aditiva, Autodesk continúa extendiendo su portafolio de soluciones, dijo Hindman. "La adición más nueva al portafolio Netfabb es la inclusión de capacidades de diseño generativo de Autodesk. Como mencioné previamente, el diseño generativo permite crear diseños inspirados en objetivos por el sistema para facilitar exploración amplia del espacio de diseño. Un ingrediente clave de cómo el sistema puede funcionar como participante activo es que le hemos enseñado a ser consciente del proceso de manufactura aditiva, así que generará resultados optimizados para impresión 3D."

Con el lanzamiento de marzo de Netfabb Ultimate, Autodesk introdujo capacidades integradas de simulación de proceso además de la oferta existente Netfabb Local Simulation independiente. Hindman dijo que ambas versiones de Netfabb ahora incluyen: predicciones mejoradas de efectos como polvo atrapado, puntos calientes/quemaduras y falta de fusión; emulación de proceso adicional como remoción de pieza EDM e impacto de tratamiento térmico; rendimiento mejorado en el servicio opcional de cómputo elástico de Autodesk; introducción de capacidades de análisis de proceso en Netfabb Ultimate; y capacidad optimizada para intercambiar preformas de pieza compensadas por simulación por la geometría original.

Autodesk también lanzó soporte para el proceso de deposición de energía directa (DED) en asociación con los portafolios Netfabb y PowerMill (PowerMill Ultimate) de la compañía para aprovechar experiencia en controles robóticos multieje.

"Esto añade otra capacidad para predecir el potencial de deformaciones y fallas excepcionalmente grandes durante manufactura de deposición de alta tasa", dijo Hindman. "A medida que las empresas adoptan manufactura aditiva de metal, hay peligros comunes que deben confrontar y superar." Añadió que los desafíos más comunes de operar una impresora de fusión de lecho de polvo de metal son: deformación de pieza, warpage (la pieza impresa es inaceptable y puede dañar el recubridor); fallas/fracturas inducidas por estrés térmico (la pieza se rompe durante la impresión y puede dañar el recubridor); fallas de soporte (tanto estrés se acumula en la pieza que rompe la conexión entre placa de construcción y pieza, haciendo la pieza inaceptable y posiblemente permitiendo que el recubridor colisione con la pieza); y propiedades de material variables (las piezas tienen defectos visibles o no rinden como se anticipa).

Visualizando procesos NC

Para procesos de simulación y verificación NC, AM sigue siendo un área clave de desarrollo con desarrolladores de sistemas como software de simulación NC Vericut de CGTech (Irvine, CA), que recientemente añadió un módulo Vericut Additive. "Manufactura Aditiva continúa siendo una de las tendencias más candentes en manufactura, así que el software de simulación se esfuerza por mantenerse al día", dijo Gene Granata, gerente de producto Vericut de CGTech.

"Usar software de simulación capaz de simular los mismos códigos NC que impulsarán las máquinas es la mejor forma de proteger equipos CNC y crear una pieza de calidad la primera vez en el taller."

En compuestos, dos de las últimas tendencias que destacan son un enfoque en visualización gráfica y representar con precisión la pieza de trabajo, notó Granata. "Aunque mejorar gráficos pueda parecer una mejora cosmética, hay beneficios reales de ingeniería al predecir y visualizar con precisión la forma neta de una pieza de compuesto. Los fabricantes están empezando a confiar más en software para predecir la forma final y calidad de una pieza", dijo. "Con una visualización de alta resolución de la pieza de trabajo terminada, los ingenieros pueden empezar a interrogar características más concernientes para ellos con mayor fidelidad."

El software de simulación proporciona importantes herramientas de evaluación y optimización de proceso que mejoran la productividad del taller, añadió. "Nuevas opciones para crear trayectorias de herramienta 'eficientes' parecen aparecer en el mercado regularmente, pero ¿qué tan bien funcionan realmente? El software de simulación — impulsado por trayectorias de herramienta G-code post-procesadas — revela la 'verdad' en tiempos de ejecución de máquina", dijo Granata. "Esto ayuda a programadores NC e ingenieros de manufactura juzgando diferentes métodos de mecanizado para que puedan finalmente seleccionar los métodos más eficientes para hacer sus piezas."

Automatización, optimización de mecanizado y flexibilidad de máquina son áreas clave que Spring Technologies (Cambridge, MA), desarrollador de software NCSimul y Optitool, está impulsando en su desarrollo de software de simulación, dijo Silvere Proisy, gerente general de Spring Technologies.

Como el mercado demanda procesos más automatizados, NCSimul está desarrollando más automatización, dijo. "Desde los datos enviados por el software CAM a NCSimul, ha sido verificado automáticamente, y el resultado de simulación se entrega como informe final al programador a través de emails. Los usuarios no tienen que interactuar más con el software; puede estar todo corriendo en un servidor remoto."

La optimización de mecanizado CNC con Optitool ha mejorado, dijo. "Ahora ofrece dos niveles de optimización: uno es reducción de corte al aire, optimizando todos los movimientos de aproximación y retracción sin cambiar avances en material; el segundo nivel es optimización de modo aprendizaje que regula los avances de corte de material basados en nueve parámetros de corte, como espesor de viruta o flujo de viruta, sin comprometer los avances y velocidades originales."

La flexibilidad de máquina es el tercer foco de desarrollo con su opción NCSimul 4CAM. "Dar capacidad a una empresa de manufactura para cambiar un trabajo de una máquina a otra, en pocos minutos y sin tener que reprogramar la pieza en un software CAM, es lo que llamamos una revolución", dijo Proisy. "Lee el G-code inicial y reescribe el nuevo código automáticamente."