Maîtriser l'efficacité de production avec des outils de simulation avancés

Les outils de simulation rendent beaucoup plus facile pour les fabricants d'optimiser leurs processus, visualisant le chemin entier de production depuis les simulations d'usinage NC métal jusqu'à la conception 3D et l'imagerie d'atelier. Avec les outils de simulation d'aujourd'hui, les concepteurs de trajectoires d'outils et les ingénieurs de fabrication peuvent facilement voir exactement où les trajectoires d'outils NC vont crasher et être capables de corriger les situations à la volée, conduisant à une accélération immense de la simulation et vérification du processus de coupe métal.

Certaines des dernières innovations dans les systèmes de simulation présentent de nouvelles capacités appliquées aux processus de fabrication additive naissants que les constructeurs adoptent pour le prototypage rapide et la fabrication additive de composants de production. De nouveaux logiciels de simulation NC sont adaptés pour accommoder ces processus additifs, le rendant beaucoup plus simple de calculer et simuler le temps requis pour construire des pièces dans les processus couche par couche de l'additif, tant pour le prototypage que pour construire des pièces métalliques de production.

Dans l'usinage soustractif plus traditionnel, les fabricants continuent aussi de se concentrer sur une tendance continue vers la démocratisation des outils de simulation haut de gamme, avec la « démocratisation » et la diffusion de l'utilisation de la simulation incluant l'ingénierie assistée par ordinateur (CAE), typiquement utilisée principalement par des spécialistes hautement formés, à travers la chaîne de conception/production de fabrication.

Simuler pour l'additif et le soustractif

Les derniers outils de simulation et vérification NC incluant Vericut de CGTech (Irvine, CA) et NCSimul de Spring Technologies (Boston) ajoutent des capacités additives pour simuler et vérifier les processus de la même manière qu'ils le font pour l'usinage traditionnel.

« La fabrication additive est la dernière tendance, avec de plus en plus de fabricants incorporant cette méthode dans leur catalogue de capacités », a dit Gene Granata, chef de produit Vericut chez CGTech. « CGTech travaille actuellement avec des partenaires technologiques tels que GE, Dassault Aviation, Mazak, l'Université de Sheffield, et le Connecticut Center for Advanced Technology [CCAT] pour collaborer et cultiver notre module AM prévu pour être publié dans Vericut 8.1, prévu pour plus tard cette année. »

Le nouveau Vericut ajoute des trajectoires d'outils optimisées en utilisant des données téléchargées depuis le cloud. « Avec notre dernière version Vericut 8.0.2, nous avons mis à jour notre module d'optimisation de trajectoire Force « basé sur la physique », qui reçoit maintenant des valeurs d'entrée directement depuis l'outillage basé sur le cloud et bénéficie de plusieurs nouvelles fonctionnalités qui rationalisent la configuration d'optimisation », a noté Granata. « En micro-analysant les conditions de coupe rencontrées par un programme NC, Force assure que les programmes NC ont des avances optimales et des épaisseurs de copeau idéales qui ne dépassent pas les limites de force ou de puissance sûres. Cela améliore la productivité immensément. »

Les améliorations techniques dans le nouveau Vericut incluent plus de 100 demandes utilisateurs dans Vericut 8.0.2 qui rationalisent la configuration et améliorent l'expérience utilisateur, aidant à prolonger la vie des outils, et évitant les dommages coûteux aux broches de machine. « Certaines améliorations spécifiques incluent des mises à jour dans le module d'optimisation Force, le Gestionnaire d'Outils importe maintenant plus de données disponibles sur l'utilisation et la performance des outils, et le produit de simulation Vericut Drill and Fastener [VDAF] bénéficie d'une interface utilisateur graphique [GUI] mise à jour », a ajouté Granata. « Toutes ces améliorations sont conçues pour aider nos clients à vérifier et optimiser leur code NC le plus efficacement possible. »

Bien que la simulation pour l'additif soit relativement nouvelle, elle montre un grand potentiel pour les clients manufacturiers, a noté Silvere Proisy, directeur général, Spring Technologies, développeur de NCSimul Machine et offres de simulation connexes. « Pour l'additif, nous simulons le mouvement des machines et calculons le temps nécessaire pour le dépôt de couches de métal », a dit Proisy.

Spring Technologies s'est concentré principalement sur les processus de fabrication additive métal, a noté Proisy, travaillant avec des fournisseurs Tier 1 et Tier 2 dans le secteur aérospatial/défense, y compris des constructeurs de moteurs et de trains d'atterrissage qui développent des simulations pour tirer parti des capacités dans le logiciel NCSimul de l'entreprise pour ces processus additifs.

La simulation de tout processus de fabrication est critique, et avec le logiciel NCSimul 4CAM de Spring, les opérations de fabrication obtiennent une grande flexibilité sur le terrain d'usine, a dit Proisy. Un des avantages de NCSimul est que les utilisateurs peuvent simuler le processus de coupe ou additif en code G réel, a dit Proisy, et s'il y a des coupes ou mouvements qui ne devraient pas être faits, il est facile de revenir en arrière et reconstruire le processus. « Vous n'avez pas à redémarrer le processus, vous pouvez éditer la simulation « à la volée » et cela vous permet de reconstruire la pièce », a-t-il dit.

D'autres fournisseurs de logiciels de simulation entrant dans le jeu additif incluent les poids lourds logiciels Dassault Systèmes (Paris) et Siemens PLM Software (Plano, TX).

L'entrée de Dassault dans l'arène AM inclut l'Additive Manufacturing Engineer de l'entreprise, disponible en versions cloud et sur site, qui permet aux fabricants de préparer et valider les processus AM. Le logiciel fait gagner du temps aux utilisateurs en permettant l'archivage des meilleures pratiques pour réutilisation, l'optimisation automatique des positions de pièces, et le développement de différentes stratégies pour le processus additif.

La version 3DExperience 2017x est censée transformer la conception, la simulation et la fabrication avec un niveau d'intégration bien plus élevé. Avec le nouveau rôle Function Generative Designer, les concepteurs fournissent la spécification fonctionnelle (y compris l'enveloppe 3D, le scénario de chargement, matériaux, cibles de réduction de poids, processus de fabrication désiré), et une pression sur un bouton lance une simulation et génère la forme conceptuelle optimisée. Cela permet aux concepteurs et ingénieurs de profiter de la flexibilité de la fabrication additive, comparée à des processus de fabrication plus traditionnels tels que le fraisage, le moulage et le forgeage. Deux nouveaux rôles de fabrication numérique et production pour la fabrication additive définissent et optimisent la configuration et le processus pour la fusion sur lit de poudre et l'impression 3D industrielle, et pour programmer le chemin laser.

En janvier 2017, Siemens AG (Munich) et le développeur additif Materialise NV (Louvain, Belgique) ont annoncé un partenariat sous lequel les entreprises collaboreraient sur l'intégration du logiciel NX de Siemens PLM avec les technologies de Materialise dans le secteur AM. Sous l'accord, les entreprises ont intégré la technologie Materialise dans le logiciel NX CAO/FAO/CAE, lui permettant de concevoir avec précision des modèles CAO pour les processus de fusion sur lit de poudre et d'impression 3D par jet de matière. Le logiciel résultant est dit accélérer le processus de construction de pièces entièrement imprimées en 3D de 30 % ou plus, selon les entreprises.

L'accord représente un énorme bond en avant pour faire de la fabrication additive une pratique de production grand public pour les clients, a dit Zvi Feuer, vice-président senior du logiciel d'ingénierie de fabrication pour Siemens PLM Software, dans une déclaration. « Jusqu'à présent, le processus de fabrication additive nécessitait que les fabricants travaillent avec deux systèmes séparés — un pour la conception de produit, et un autre pour préparer cette conception pour l'impression 3D », a dit Feuer. « Les problèmes de traduction de données et le manque d'associativité entre ces deux systèmes créaient un processus qui était chronophage et sujet aux erreurs. En éliminant ces problèmes, nous aidons à étendre l'adoption de la fabrication additive comme un outil de production universellement accepté. »

NX tire maintenant parti de la technologie de la suite Materialise Magics 3D Print, permettant les processus AM couramment adoptés pour la fabrication de pièces finales, y compris la fusion sur lit de poudre, ainsi que le jet de matière, qui promettent d'accélérer davantage l'évolution de l'AM du prototypage à une technologie de fabrication à grande échelle. La solution lie de manière transparente et associative NX avec la technologie de treillis Materialise, la conception de structures de support, l'imbrication 3D, la préparation de plateau de construction, et la technologie de cadre de processeurs de construction pour la fabrication additive. Cela élimine la traduction de données, les conversions et assure que les changements aux modèles de conception de produit numérique sont automatiquement et associativement reflétés dans les travaux d'impression 3D. Le résultat est une plus grande précision de modèle, une qualité plus élevée, et un processus de conception à production beaucoup plus rapide.

Partager la CAE avec les masses

Parmi les dernières tendances de simulation, l'adoption plus large d'outils CAE — incluant des outils tels que la dynamique des fluides computationnelle (CFD), l'analyse par éléments finis (FEA), et l'optimisation topologique — a commencé à faire des progrès dans les opérations de fabrication, alors que plus d'ingénieurs en dehors des spécialistes CAE tirent parti de la puissance de ces technologies de simulation.

« Certaines des tendances affectant la fabrication dans son ensemble se reflètent aussi dans les logiciels de simulation. Celles-ci incluent la fabrication additive et techniques de simulation connexes, l'optimisation topologique, et la simulation de composites du côté produit », a noté Ravi Shankar, directeur, marketing produit simulation global, Siemens PLM Software. « La fabrication additive a aussi des implications pour la création d'outillages pour divers processus de fabrication traditionnels. De plus, les techniques de simulation sont aussi appliquées vers le processus de fabrication tel que la simulation d'assemblage, la simulation robotique, la simulation de flux de matière, et la simulation humaine et ergonomie. »

La simulation permet une détection beaucoup plus précoce de problèmes potentiels et permet aux entreprises d'éviter de tels problèmes avant qu'ils ne surviennent, a noté Shankar. « Cela impacte directement la productivité en diminuant les temps d'arrêt de fabrication, en permettant un traitement plus rapide, en augmentant la durée de vie et l'utilisation des outils, et en réduisant les coûts de matière », a-t-il dit.

Le processus de digitalisation est essentiel pour faire un bon produit fabriqué additivement, a ajouté Shankar. « Siemens a plusieurs initiatives pour rationaliser la conception, la simulation, et la production pour les produits additifs », a-t-il dit. « Celles-ci incluent des innovations récentes pour la conception générative, qui permet aux concepteurs utilisant NX d'utiliser des techniques d'optimisation topologique pour créer des formes légères et organiques, affiner ces designs en utilisant Convergent Modeling, et puis piloter les processus de fabrication. De même, pour les composites, Siemens offre des solutions pour optimiser les stratifiés composites, simuler le processus de drapage et l'impact sur les pièces, simuler le durcissement et les effets de retour élastique, etc. »

Bien qu'il y ait eu des progrès dans la « démocratisation » des outils CAE, comme décrit par le chercheur CAO/FAO CIMdata Inc. (Ann Arbor, MI) il y a quelques années dans sa recherche sur la simulation, il y a encore un long chemin à parcourir pour favoriser davantage l'adoption de telles simulations, selon Shankar. « Nous voyons certainement certaines entreprises mener la voie en termes d'adoption des technologies de simulation, mais nous voyons aussi beaucoup de potentiel pour étendre l'usage et apporter la valeur de ces technologies à l'ingénieur de fabrication », a ajouté Shankar. « Les technologies de simulation sont utilisées pour l'analyse structurelle, la simulation de flux et refroidissement de moules, la fabrication de composites et autres. Dans la plupart des cas, celles-ci sont encore effectuées par des spécialistes de simulation dédiés. Donc c'est notre croyance que la démocratisation de la CAE, bien qu'en cours, n'a pas encore atteint son plein potentiel. »

Forage optimisé

L'usinage de matériaux coûteux résistants à la corrosion est extrêmement dur pour les forets, et une étude récente par des chercheurs de l'Université Technique de Dortmund (Dortmund, Allemagne) a utilisé des outils d'analyse de flux de fluide et structurelle d'Ansys Inc. (Pittsburgh) pour analyser la distribution du flux de fluide de refroidissement et obtenir une plus longue durée de vie d'outil.

À l'Institut de Technologie d'Usinage (ISF) de l'Université Technique de Dortmund, une équipe de recherche dirigée par le Professeur Dirk Biermann a analysé des méthodes pour étendre la vie de forets pour une utilisation sur le superalliage Inconel 718. La faible conductivité thermique de cet alliage signifie qu'une grande quantité de chaleur doit être transportée loin de la zone d'alésage en utilisant des méthodes externes, ou l'outil peut se déformer. Cela peut mener à une mauvaise qualité d'alésage ou à la rupture du foret en carbure. Des vitesses de forage relativement basses sous 50 m/min sont utilisées pour maintenir des températures plus basses dans la zone de coupe, mais un fluide de refroidissement liquide est encore requis. Pour diriger le fluide de refroidissement où il est nécessaire, il est pompé à travers deux minuscules canaux à l'intérieur du chant, le motif hélicoïdal solide du foret.

Pour comprendre l'interaction complexe entre la structure du foret, le fluide de refroidissement et la pièce en Inconel, l'équipe ISF a utilisé des outils de simulation d'Ansys pour l'optimisation de processus en effectuant une analyse d'interaction fluide-structure (FSI). Le processus incluait la création de maillages fluides complets, puis les ingénieurs ont utilisé le logiciel de dynamique des fluides computationnelle (CFD) Ansys CFX pour modéliser la distribution du fluide de refroidissement à travers le domaine fluide. L'équipe a aussi utilisé Ansys Mechanical avec une condition aux limites ajoutée des forces de fluide de refroidissement calculées par CFX pour compléter l'analyse FSI. En incluant toutes les différentes simulations CFD et Mechanical, ISF a complété son analyse computationnelle en quatre semaines. « Le forage dans un alliage Inconel est soigneusement géré pour prévenir l'usure rapide et les dommages aux machines-outils », a noté Biermann. « L'équipe a modifié son processus de refroidissement pour améliorer la durée de vie de l'outil d'environ 50 %. »

Valider l'usine numérique

En dehors des développements additifs et CAE, le besoin pour les fabricants de concevoir rapidement des layouts d'atelier n'a jamais été plus grand. De nouveaux outils de simulation de fabrication numérique comme FastSuite Edition 2 de Cenit North America (Auburn Hills, MI) aident les fabricants à concevoir des layouts d'usine et valider tous les processus de fabrication à l'avance, accélérant le processus et optimisant les designs.

« L'IoT ou l'Industrie 4.0 représente le changement radical qui secoue les fondations mêmes de l'atelier. Les logiciels d'usine numérique et outils 3D pilotent ce changement vers l'avant », a noté Lee Van Every, gestionnaire de comptes senior chez Cenit North America. « Le logiciel d'usine numérique aide les entreprises à entrer efficacement dans la fabrication intelligente. De nos jours, le logiciel doit être compatible avec tous les systèmes CAO et fonctionner avec les robots et machines de n'importe quel fabricant. C'est un prérequis obligatoire pour des relations clients qui deviennent de plus en plus diverses avec des systèmes plus complexes et exigeants. »

Les logiciels de simulation basés sur la 3D d'aujourd'hui permettent la visualisation et la validation de processus et tâches de production, a noté Van Every. « Les usines de production sont rarement établies à partir de zéro, mais sont souvent re-planifiées pendant que la production tourne. Avoir les usines virtuelles et modèles d'usines comme une représentation exacte des vrais systèmes de production, pas seulement géométriquement et cinématiquement, mais aussi en ce qui concerne le comportement logique et le contrôle des unités de fabrication, garantit des unités de production agiles et auto-organisées », a-t-il dit.

« L'usine numérique permet l'implémentation de nouveaux processus de fabrication, concepts d'usines, et technologies qui seraient trop chers ou même impossibles sans solutions basées sur la simulation », a-t-il ajouté. « Plus les applications robotiques sont utilisées — pas seulement pour des tâches de manutention simples, mais aussi pour des étapes de production complexes — plus grand est l'avantage d'utiliser des outils de programmation et simulation. Les solutions logicielles mènent la voie vers ces applications complexes, donnant à l'opérateur l'environnement nécessaire de programmation et simulation pour faire des applications qui étaient auparavant représentées par un teach-in manuel ou ne montreraient pas la qualité de processus nécessaire. »

Au lieu de construire un layout rapide avec des composants 3D CAO du catalogue, et puis programmer les scripts et macros pour simuler le flux de matière et le comportement de la cellule, FastSuite Edition 2 utilise les composants et ressources méchatroniques pour la définition du layout et en même temps définit une logique schématique pour l'île de production, selon Van Every. « De cette façon, il est assuré que le comportement simulé et réel correspondent — parce que la simulation est basée sur la même logique utilisée pendant la programmation d'automate et correspond donc au comportement du système réel plus tard. »

Le nouveau logiciel FastSuite de Cenit fournit des fonctions conviviales pour intégrer de nouveaux composants spécifiques au projet dans le layout, a dit Van Every. « Ce processus doit être rapide et facile pour les utilisateurs sans connaissance de programmation à compléter. »

L'infrastructure logicielle est basée sur des standards ouverts, a-t-il ajouté, avec une utilisation cohérente de AML (Automation Markup Language) comme langage descriptif pour les modèles de système, par exemple, ce que Van Every a dit permet une interaction considérablement plus simple avec les partenaires d'ingénierie à travers l'échange standardisé, neutre au système, de données de système complet ou données d'équipement, incluant les définitions cinématiques et logiques. En plus, PLC Open assure que la logique de système à la base des premiers concepts de simulation peut aussi être utilisée pour la programmation d'automate plus tard. Le logiciel utilise une mémoire partagée dans laquelle les contrôles écrivent les données de simulation et à partir de laquelle la visualisation 3D lit ensuite les données de simulation.

« Les processus de production comme le roulage de bord, l'étanchéité, l'adhésion ou la peinture nécessitent un environnement de programmation et simulation virtuel, pour qu'ils puissent aussi être efficacement opérés quand de petits lots passent ou que des changements d'ingénierie ont lieu, nécessitant une mise à jour de nouveaux programmes hors ligne pour les cellules robot », a déclaré Van Every. « Puis il y a un autre aspect qui montre l'avantage d'une usine numérique moderne : C'est bien plus efficace de réutiliser non seulement les données CAO, mais aussi les métadonnées fournies par l'ingénierie [telles que pour les fixations] au lieu de les redéfinir en production à chaque fois. »

Du côté production, Line Designer est une application avancée pour concevoir et visualiser des layouts de lignes de production dans le logiciel NX, a dit Shankar de Siemens. « La plateforme intégrée Siemens PLM Software permet aux ingénieurs d'associer facilement le layout conçu à la planification de fabrication. Donc le layout conçu avec Line Designer peut être utilisé pour valider le processus de fabrication en utilisant le logiciel Tecnomatix pour la fabrication numérique. En utilisant l'application Process Simulate, vous pouvez valider une large gamme d'applications robotiques, vous permettant de simuler des systèmes de production complets, incluant la validation de cellule et l'optimisation de placement de robot. En simulant les processus de production, vous pouvez définir le processus de fabrication optimal. »