Logiciels de simulation avancés améliorent la conception produit et l'efficacité manufacturière

Lorsqu'ils luttent avec des problèmes vexants tels que la complexité produit, l'allègement, les matériaux avancés et les nouvelles méthodes de fabrication, les ingénieurs manufacturiers d'aujourd'hui utilisent de plus en plus des simulations haute fidélité pour visualiser des solutions à ces défis. Les derniers logiciels de simulation peuvent offrir des indices pour améliorer la conception et la performance produit avec des packages CAE haut de gamme et logiciels de simulation CN qui aident à déterminer non seulement les meilleurs designs, mais les moyens les plus efficaces pour les atteindre.

Les nouveaux processus de fabrication comme la fabrication additive (FA) présentent différents problèmes pour les fabricants, et la simulation peut déterminer en amont quelles solutions fonctionnent le mieux. De nombreux packages logiciels de simulation offrent maintenant des simulations spécifiques à l'additif qui peuvent aider à illuminer les processus de stratification par lesquels les produits additifs sont construits, tout en visualisant comment rendre les processus de coupe de métal soustractifs traditionnels plus efficaces.

Résoudre le problème de complexité

Dans la fabrication discrète, les ingénieurs de développement produit font face à d'énormes défis, car tout, des autos aux avions aux navires massifs et machines lourdes, contient des millions de lignes de code qui programment des systèmes avec électronique géée pour l'Internet industriel des objets (IIoT).

« Les tendances plus larges que nous voyons sont la complexité croissante des produits », déclare Ravi Shankar, directeur marketing produit simulation global, Siemens PLM Software (Plano, TX), notant le niveau croissant d'électronique dans les composants mécaniques. « Ce qui pilote cela est le jumeau numérique et l'ingénierie basée sur modèle. »

Les véhicules autonomes et drones sont le dernier exemple de systèmes complexes nécessitant des systèmes logiciels de simulation, dit Shankar. « Nous avons aussi vu l'accent sur l'efficacité énergétique et émissions automobile, avec l'augmentation de l'allègement et l'utilisation de conception générative », ajoute-t-il.

Siemens a récemment introduit une solution pour voitures autonomes qui incorpore ses solutions de simulation Simcenter avec nouvelle technologie de capteur. Au Siemens US Innovation Day en mars à Chicago, l'entreprise a dévoilé le système, utilisant l'imagerie de capteur virtuel Tass PreScan avec la plateforme Mentor DRS360 qui automatise le développement d'algorithmes pour fusion et traitement de capteurs.

« La première tendance est que des modèles mondiaux basés sur la physique et des modèles de capteurs basés sur la physique peuvent être créés », dit Martijn Tideman, directeur produits pour Tass International (Steenovenweg, Pays-Bas), qui a été acquis l'an dernier par Siemens. « Ces modèles font de l'information de capteur artificielle haute fidélité qui peut être générée comme si elle venait de vraies caméras, radars et LIDARs. Quand vous alimentez ces données artificielles aux unités de traitement embarquées, comme le DRS360, vous pouvez évaluer le matériel/logiciel embarqué sans conduire un seul mile. »

Une autre clé est de s'assurer que le logiciel de simulation de conduite automatisée tourne sur des grappes haute performance (HPC), dit Tideman.

« Ces grappes peuvent exécuter de nombreuses simulations en parallèle, ce qui accélère le processus d'évaluation/validation virtuelle. Vous voulez être capable de conduire un million de miles virtuels sur le week-end. »

« Les simulateurs de conduite automatisée doivent être connectés à une large gamme d'autres modules matériel et logiciel, par exemple importateurs de cartes, pour générer automatiquement des réseaux routiers virtuels ou outils de simulation dynamique véhicule pour s'assurer que le véhicule répond correctement aux actions de contrôle », explique-t-il. « Les interfaces entre outils de simulation sont de plus en plus standardisées », comme avec FMI/FMU (interface d'unité fonctionnelle mock-up/unité fonctionnelle mock-up), ajoute Tideman.

Simulation disruptive

Plusieurs technologies habilitantes clés affectent la façon dont la simulation est appliquée dans la fabrication. « Bien qu'il y ait de nombreux développements techniques qui continuent d'évoluer et s'améliorer, une poignée ont le potentiel de perturber fondamentalement où, comment et par qui les capacités de simulation sont utilisées », déclare Seth A. Hindman, gestionnaire senior stratégie produit et gestion, fabrication, construction et production chez Autodesk Inc. (San Rafael, CA).

« La loi de Moore a continué à tenir vrai bien plus longtemps que la plupart l'auraient imaginé. Avec les avancées continues en puissance de traitement, du matériel incroyablement puissant est accessible à un prix très bas. Combiné avec le développement de réseaux à fibre optique étendus, les entreprises peuvent être connectées à des ressources computationnelles externes qui dépassent les vitesses de leurs propres intranets », dit Hindman. « Capacité d'éclatement, calcul élastique et HPC [calcul haute performance] configurable permettent aux entreprises de changer fondamentalement la façon dont elles conçoivent et fabriquent leurs produits en exécutant assez d'analyses pour vraiment comprendre comment leur produit performera dans de nombreuses applications et environnements. »

Les fabricants s'éloignent aussi de l'analyse dépendante du maillage, dit Hindman.

« La nature ubiquitaire des données de conception 3D a continué de presser la demande pour des outils de simulation qui ne sont plus dépendants du maillage et qui peuvent bénéficier de l'associativité avec les données de conception natives. Non seulement cela augmente la productivité dans le flux de travail général, cela élargit l'audience qui peut bénéficier des capacités de simulation. La pression naturelle à la baisse est de créer des solutions plus robustes, plus intuitives et qui rompent avec les exigences CAE traditionnelles. Le potentiel à long terme est que cela permet une interaction simplifiée avec les solutions et l'automatisation des tâches fastidieuses. »

La perspective de longue date dans le CAE d'apporter la simulation « en amont » est maintenant remplacée par l'idée d'analyse basée sur objectifs, ajoute Hindman. « Bien que la simulation en amont soit puissante, elle repose encore sur une convention traditionnelle de tester ce que vous avez conçu vs. piloter l'exploration de designs qui rencontrent les objectifs que vous avez définis », dit-il. Autodesk introduit actuellement ce qu'il appelle la conception générative sur le marché de l'ingénierie, ajoute Hindman, qui vient de devenir disponible dans Autodesk Fusion 360 Ultimate.

« Notre technologie de conception générative permet la création de designs inspirés par objectifs par le système, ce qui facilite l'exploration généralisée de l'espace de design, permettant des arbitrages basés sur insights », dit Hindman. « La tâche principale des ingénieurs a historiquement été de créer un design qui fonctionne. Avec la conception générative, chaque résultat rencontre avec succès cette exigence de base, ce qui signifie que la prise de décision et les arbitrages sont élevés au niveau des initiatives métier centrales. »

Simuler les processus additifs

Les développements additifs continuent d'exciter l'industrie manufacturière, et de nombreux développeurs de simulation ont récemment publié soit de nouvelles versions, soit des versions améliorées spécifiques à l'additif de leur logiciel de simulation.

Par exemple, le 19 avril, le développeur de simulation Ansys Inc. (Canonsburg, PA) a lancé ses nouvelles solutions Additive Print et Additive Suite qui délivrent la simulation pour les processus FA métalliques. Les solutions permettraient aux utilisateurs d'imprimer des pièces métalliques légères et complexes et d'analyser les propriétés et comportement de microstructure. Ansys dit que cela aidera à réduire les coûts FA en limitant les contraintes de conception, réduisant le gaspillage et réduisant le temps d'impression.

Le flux de travail complet de simulation additive d'Ansys laisse les clients tester leurs designs produit virtuellement avant d'imprimer une pièce, selon l'entreprise. Le logiciel incorpore la simulation avant le processus d'impression, ce qui laisse les ingénieurs concevoir, tester et valider la performance d'une pièce au stade de conception et réduit grandement le coût élevé des essais-erreurs physiques.

La FA est un game-changer pour la fabrication, dit Brent Stucker, directeur fabrication additive chez Ansys. « Les dispositifs médicaux peuvent être produits avec des géométries spécifiques au patient. Les inventaires de pièces de rechange pour de nombreux composants seront chose du passé, car les pièces de remplacement peuvent être produites quand elles sont commandées », note Stucker. « Les produits qui opèrent dans des environnements extrêmes, comme dans l'industrie pétrolière et gazière, peuvent être produits avec de nouvelles compositions de matériaux hybrides [plus durables]. La complexité géométrique offerte par la FA signifie que des douzaines de composants peuvent être intégrés en un seul composant plus léger et plus performant. »

Stucker note qu'en FA, les concepteurs et opérateurs machine qui n'ont typiquement pas été utilisateurs de simulation d'ingénierie doivent maintenant comprendre un processus d'impression complexe.

« Nous voyons que les opérateurs machine veulent plus que des suppositions éclairées quand il s'agit de prédire si une pièce peut être construite avec succès », dit-il. « Ils ont besoin de comprendre rapidement comment une configuration machine particulière résultera en distorsion de pièce avant et après retrait des supports, et si une distorsion excessive pourrait causer le mécanisme d'étalement de poudre à heurter la pièce [ce qu'on appelle blade crash]. La situation est similaire avec les concepteurs faisant de la Conception pour FA [DfAM]. Ils veulent savoir si la pièce qu'ils ont conçue imprimera avec succès, et si c'est le cas, quelles seront les propriétés de ce composant. »

« La simulation met le pouvoir de comprendre le processus additif dans les mains des concepteurs et opérateurs », ajoute-t-il. « C'est pourquoi nous avons développé Ansys Additive Print pour être un outil autonome de prédiction de processus d'impression — afin qu'un non-ingénieur puisse utiliser l'outil en quelques jours. »

Alors que le logiciel de simulation a été utilisé avec succès pour s'assurer qu'une structure conçue tiendra dans les conditions de service pendant les opérations sur le terrain, il est aussi constamment mis au défi par des chargements complexes, matériaux, et physique, note Subham Sett, directeur, Initiatives Stratégiques Simulia, Dassault Systèmes (Paris). « Le logiciel de simulation tend maintenant vers la fourniture de solutions multiphysiques et multi-échelles fournissant des prédictions pour chaque aspect pour accélérer la croissance industrielle. Par exemple, dans l'industrie automobile, le logiciel de simulation est utilisé pour résoudre des problèmes multiphysiques de dynamique multi-corps, bruit et vibration, tenue au crash à écoulement non stationnaire, ainsi que problèmes multi-échelles de conception matériau, mise à l'échelle multi-échelle matériau haut et bas, et sous-structures. »

Ajouter la capacité de prédire la forme résultant du processus FA compte comme l'un des développements les plus excitants en simulation manufacturière, dit Sett. « En tenant compte du chemin de balayage, propriétés matériau, machine et propriétés laser, nous pouvons prédire avec précision la déformation de pièce due à la chaleur et la gravité pendant que la pièce est imprimée », ajoute-t-il.

Simuler le processus additif permet aux constructeurs de prédire et contrôler le processus plus précisément, prévenant les erreurs dans le processus de construction de pièce additive couche par couche.

Shankar de Siemens dit que la simulation dans les processus additifs, que Siemens a ajoutée avec son module NX Additive l'an dernier, permet aux fabricants de prédire les résultats de fabrication.

« Comme vous créez les couches, vous devez savoir beaucoup de choses : Combien de temps pour refroidir ? Quels sont les vides [les espaces vides ou poches] dans la pièce ? La simulation peut aider à adresser les vides et aussi les contraintes résiduelles dans le produit », dit-il. La simulation aidera aussi les fabricants à savoir comment standardiser les processus et comprendre comment le produit performera.

Siemens travaille actuellement sur des problèmes tels que les processus additifs avec changements de phase et comment les pièces refroidissent. Dans certains cas, le HPC est utilisé, dû à la nature computationnellement intensive de ces simulations. « Les calculs peuvent souvent être paralysés. Si vous essayez de résoudre de grands modèles, c'est [HPC] attractif », dit Shankar.

En ce qui concerne l'additif, Autodesk continue d'étendre son portefeuille de solutions, dit Hindman. « La plus récente addition au portefeuille Netfabb est l'inclusion des capacités de conception générative d'Autodesk. Comme mentionné précédemment, la conception générative permet la création de designs inspirés par objectifs par le système pour faciliter l'exploration généralisée de l'espace de design. Un ingrédient clé de comment le système peut fonctionner comme participant actif est que nous lui avons appris à être conscient du processus de fabrication additive, donc il générera des résultats optimisés pour l'impression 3D. »

Avec la sortie de mars de Netfabb Ultimate, Autodesk a introduit des capacités de simulation de processus intégrées en plus de l'offre existante Netfabb Local Simulation autonome. Hindman dit que les deux versions Netfabb incluent maintenant : prédictions améliorées d'effets comme poudre piégée, points chauds/brûlure et manque de fusion ; émulation de processus additionnelle comme retrait pièce EDM et impact de traitement thermique ; performance améliorée dans le service de calcul élastique optionnel d'Autodesk ; introduction de capacités d'analyse de processus dans Netfabb Ultimate ; et capacité rationalisée d'échanger des préformes de pièce compensées par simulation pour la géométrie originale.

Autodesk a aussi lancé le support pour le processus de dépôt d'énergie dirigée (DED) en partenariat avec les portefeuilles Netfabb et PowerMill (PowerMill Ultimate) de l'entreprise pour tirer parti de l'expertise en contrôles robotiques multiaxes.

« Cela ajoute une autre capacité pour prédire le potentiel de déformations et défaillances exceptionnellement grandes pendant la fabrication par dépôt à haut débit », dit Hindman. « Alors que les entreprises adoptent la fabrication additive métallique, il y a des périls communs qu'elles doivent confronter et surmonter. » Il ajoute que les défis les plus communs de l'opération d'une imprimante à lit de poudre métallique sont : déformation de pièce, gauchissement (la pièce imprimée est inacceptable et peut endommager le recoater) ; défaillances/fractures induites par contrainte thermique (la pièce casse pendant l'impression et peut endommager le recoater) ; défaillances de support (tant de contrainte s'accumule dans la pièce qu'elle casse la connexion entre le plateau de construction et la pièce, rendant la pièce inacceptable et permettant possiblement au recoater de heurter la pièce) ; et propriétés de matériau variables (les pièces ont des défauts visibles ou ne performent pas comme anticipé).

Visualiser les processus CN

Pour les processus de simulation et vérification CN, la FA reste un domaine clé de développement avec les développeurs de systèmes comme le logiciel de simulation CN Vericut de CGTech (Irvine, CA), qui a récemment ajouté un module Vericut Additive. « La Fabrication Additive continue d'être l'une des tendances les plus chaudes en fabrication, donc le logiciel de simulation s'efforce de suivre », dit Gene Granata, gestionnaire produit Vericut CGTech.

« Utiliser un logiciel de simulation capable de simuler les mêmes codes CN qui piloteront les machines est la meilleure façon de protéger l'équipement CNC et créer une pièce de qualité du premier coup en atelier. »

Dans les composites, deux des dernières tendances qui ressortent sont un accent sur l'affichage graphique et la représentation précise de la pièce, note Granata. « Bien qu'améliorer les graphiques puisse sembler une amélioration cosmétique, il y a de vrais bénéfices d'ingénierie à prédire et visualiser avec précision la forme nette d'une pièce composite. Les fabricants commencent à compter plus lourdement sur le logiciel pour prédire la forme finale et la qualité d'une pièce », dit-il. « Avec un affichage haute résolution de la pièce finie, les ingénieurs peuvent commencer à interroger les caractéristiques les plus préoccupantes pour eux avec une fidélité plus grande. »

Le logiciel de simulation fournit d'importants outils d'évaluation et d'optimisation de processus qui améliorent la productivité d'atelier, ajoute-t-il. « De nouveaux choix pour créer des trajectoires "efficaces" semblent apparaître sur le marché régulièrement, mais combien marchent-ils vraiment ? Le logiciel de simulation — piloté par des trajectoires G-code post-traitées — révèle la "vérité" dans les temps d'exécution machine », dit Granata. « Cela aide les programmeurs CN et ingénieurs manufacturiers à juger différentes méthodes d'usinage pour qu'ils puissent ultimement sélectionner les méthodes les plus efficaces pour faire leurs pièces. »

L'automatisation, l'optimisation d'usinage, et la flexibilité machine sont des domaines clés que Spring Technologies (Cambridge, MA), développeur des logiciels NCSimul et Optitool, pousse dans son développement de logiciel de simulation, dit Silvere Proisy, directeur général Spring Technologies.

Comme le marché demande plus de processus automatisés, NCSimul développe plus d'automatisation, dit-il. « Des données envoyées par le logiciel FAO dans NCSimul, ça a été automatiquement vérifié, et le résultat de simulation est délivré comme rapport final au programmeur par emails. Les utilisateurs n'ont plus à interagir avec le logiciel ; ça peut tourner tout sur un serveur distant. »

L'optimisation d'usinage CNC avec Optitool est améliorée, dit-il. « Elle offre maintenant deux niveaux d'optimisation : un est réduction de coupe à vide, optimisant tous les mouvements d'approche et rétraction sans changer les avances en matériau ; le second niveau est optimisation mode apprentissage qui règle les avances de coupe matériau basées sur neuf paramètres de coupe, comme épaisseur de copeau ou flux de copeau, sans compromettre les avances et vitesses originales. »

La flexibilité machine est le troisième axe de développement avec son option NCSimul 4CAM. « Donner la capacité à une entreprise de fabrication de changer un travail d'une machine à une autre, en quelques minutes et sans avoir à reprogrammer la pièce dans un logiciel FAO, c'est ce qu'on appelle une révolution », dit Proisy. « Il lit le G-code initial et réécrit le nouveau code automatiquement. »