Améliorer la conception produit et l'efficacité avec les logiciels de simulation avancés

Les derniers systèmes de visualisation permettent aux fabricants de concevoir et fabriquer des produits plus rapidement et plus efficacement que jamais.

La simulation dans la fabrication devient beaucoup plus omniprésente. Les visualisations avancées sont utilisées partout, de l'usinage sur CNC d'atelier à la programmation hors ligne CAO/FAO d'équipements CN. Dans le domaine de la gestion du cycle de vie produit (PLM), les développeurs de produits s'appuient fortement sur des applications sophistiquées de conception assistée par ordinateur multiphysique (CAO) à plusieurs étapes du processus de conception pour déterminer avec précision si leurs créations résisteront à une multitude de contraintes thermiques, fluides et de fatigue des matériaux généralement rencontrées dans des environnements difficiles, comme l'automobile et l'aérospatiale, pour garantir que les nouvelles conceptions de produits répondent à des contrôles de qualité stricts.

Les dernières itérations des progiciels de visualisation 3D donnent aux fabricants des moyens d'accélérer les validations de leurs opérations de coupe et d'assemblage, souvent avec une précision proche de 100 %. Cette capacité est essentielle pour améliorer l'efficacité des processus d'usinage traditionnels et de la nouvelle fabrication additive.

Des résultats plus précis

Une tendance majeure est l'utilisation de simulations offrant aux utilisateurs des résultats beaucoup plus précis, en utilisant des outils sophistiqués pour dériver les propriétés des matériaux, a déclaré Hendrik Schafstall, cofondateur, associé directeur et PDG de Simufact Engineering GmbH, basée à Hambourg, en Allemagne, une unité commerciale de MSC Software, développeur CAE basé à Newport Beach, en Californie. Les fabricants peuvent maintenant obtenir « une simulation de chaîne de processus de toutes les étapes de processus pertinentes et interfaces associées — principalement pour capturer l'historique de fabrication pour les chocs et la durée de vie en fatigue ultérieurs, et pour prédire les propriétés locales dans la pièce pour la performance de la pièce », a déclaré Schafstall. Pour les OEM, les simulations ont un couplage entièrement automatisé avec les systèmes PDM [gestion des données produit], a-t-il ajouté.

Une autre tendance est d'utiliser davantage d'informations issues de la simulation du processus de fabrication, qui doivent être prises en compte pendant la phase de conception, a noté Schafstall. « Un grand moteur est la fabrication additive et l'assemblage de tôles », a-t-il dit. Il y a aussi plus d'utilisation de la pièce « telle que fabriquée » pour la simulation de structure pour des résultats plus précis, a-t-il ajouté, et les simulations ont des fenêtres de processus plus robustes pour détecter les principaux paramètres d'influence qui doivent être surveillés et contrôlés pendant la production.

Un « réalisme » pratique accru et une capacité d'analyse plus avancée restent des tendances clés pour tous les types de simulation, a déclaré Ben Mund, analyste senior chez CNC Software Inc., Tolland, Conn., développeur du logiciel CAO/FAO Mastercam. Mund a noté que les simulations d'aujourd'hui offrent aux utilisateurs « un modèle mathématique beaucoup plus profondément compris de toutes les pièces mobiles d'une machine, comment elles interagissent avec l'outillage et la pièce, et la capacité d'identifier exactement où et pourquoi un mouvement indésirable pourrait se produire. Ces domaines se développent en tandem, offrant plus de confiance au programmeur et plus de productivité sur le terrain. »

Une simulation précise est plus importante que jamais dans la fabrication, a ajouté Mund. « Avec l'avènement de machines de plus en plus complexes, il y a un besoin à la fois de haute précision en programmation NC et d'une confiance à toute épreuve qu'une machine exécutera ce programme correctement », a déclaré Mund. « C'est aussi utile pour les ateliers d'avoir différents types de simulation selon ce dont ils ont besoin. La simulation de trajectoire d'outil uniquement permet une vue rapide et claire du mouvement de l'outil dans la pièce, avec des analyses approfondies disponibles à tout point le long du trajet. La simulation au niveau machine étend cette approche en ajoutant l'environnement machine, montrant tout conflit potentiel d'éléments en mouvement à l'intérieur de la machine elle-même. »

« La simulation devient plus critique pour chaque atelier ; à mesure que les machines et l'outillage deviennent plus avancés, la recherche de productivité augmente, et le besoin de rétroaction connectée devient plus courant », a-t-il poursuivi. « La simulation réaliste est en plein essor sur tous les fronts. La simulation mathématique profonde des interactions entre machine, outillage, matériau et pièce finale visée pilote la plupart des applications pratiques dont un atelier a besoin. C'est le « cœur » de la simulation dans lequel les entreprises de logiciels de fabrication investissent la majeure partie de leur budget de développement et de tests lourds. »

Ce nouveau niveau de réalisme mathématique est amélioré et rendu plus engageant avec l'ajout de réalisme « à l'écran ». « Cela prend les modèles physiques et les rend aussi réels que possible pour l'utilisateur », a déclaré Mund. « Ici, vous verrez des constructions visuelles de machines et toutes leurs pièces mobiles (occasionnellement y compris les logos des fabricants), choix de couleurs et de matériaux visuels, et d'autres options d'affichage qui permettent au programmeur de voir facilement et d'avoir confiance dans les résultats de son programme. »

Démocratiser la simulation

L'accessibilité aux outils de simulation a été une barrière pour de nombreuses personnes dans la fabrication, car les simulations haut de gamme — surtout en CAE — ont généralement été gérées par des spécialistes de simulation hautement formés. Ces dernières années, cependant, un accès plus large à ces visualisations est fourni dans l'ensemble des organisations de fabrication. Cet accès est fourni par des connexions aux systèmes de données hôtes, soit via des applications clientes légères, soit en tirant parti de la puissance du cloud avec le calcul haute performance (HPC) et en apportant une puissance de niveau supercalculateur pour porter sur des analyses de visualisation extrêmement grandes et complexes.

« L'une des tendances clés dans les logiciels de simulation est de continuer à réduire les barrières à l'utilisation. Tout le monde accepte que la simulation puisse fournir des informations précieuses et faire gagner du temps et de l'argent, mais il y a souvent des barrières à l'adoption », a déclaré Brian Frank, responsable produit senior pour la conception générative et les solutions de simulation chez Autodesk Inc., San Rafael, Californie.

« Certaines de ces barrières se manifestent dans le coût et la capacité d'accéder. Autodesk a travaillé très dur pour rendre l'accès à la technologie de simulation de classe mondiale plus facile que jamais grâce à nos offres d'abonnement, et nous continuons à intégrer davantage de technologie dans nos offres de conception de base comme Fusion 360. Nous continuons également à nous assurer que les utilisateurs n'ont pas besoin de connaissances spécialisées en simulation pour tirer de la valeur de l'acte de simuler en automatisant et en guidant les utilisateurs à travers les flux de travail qu'ils doivent exécuter. »

Le mouvement vers la numérisation de la fabrication souligne le besoin essentiel de pousser les outils de simulation vers un public plus large pour faire face à la vitesse des transformations de la fabrication numérique/Industrie 4.0 d'aujourd'hui, selon Ravi Shankar, directeur mondial du marketing produit pour Simcenter, Siemens PLM Software, basé à Plano, Texas. La simulation est critique pour les entreprises qui numérisent leur processus de développement produit car lorsque le processus de conception et de fabrication est correctement simulé dans le monde virtuel, les entreprises peuvent mettre leurs conceptions sur le marché plus rapidement.

L'élargissement de l'accès à la simulation est un sujet important, a convenu Shankar. « Une quantité significative de progrès a été réalisée ces dernières années », a-t-il dit, « mais il reste encore du chemin à parcourir. Nous pouvons considérer la démocratisation comme à la fois la capacité pour plus de personnes au sein d'une organisation d'effectuer des simulations et aussi pour plus de personnes de consommer des simulations sans avoir à être des experts en simulation. »

Siemens est à l'avant-garde de cette transformation, a déclaré Shankar, en raison de sa force dans le service des besoins des concepteurs. « Quelques exemples de cela incluent l'intégration des technologies de simulation dans l'environnement Siemens NX [qui inclut les capacités CAO/FAO et CAE] ; l'intégration de capacités de simulation dans d'autres offres CAO commerciales via notre solution Simcenter FloEFD [dynamique des fluides computationnelle de Mentor Graphics] ; et plus largement grâce à nos investissements dans la conception générative et la visualisation, y compris des méthodes VR avancées pour explorer les résultats de simulation. »

L'accès cloud aux solutions CAE a également ajouté une accessibilité bien nécessaire pour les utilisateurs de simulation non-experts dans la fabrication. « Historiquement, les logiciels de fabrication et les logiciels de simulation CAE ont été des produits de niche déconnectés utilisés par les ingénieurs de fabrication et les experts en simulation, respectivement », a noté Subham Sett, vice-président, marketing Simulia et initiatives stratégiques, chez Dassault Systèmes, basé à Waltham, Mass. et Vélizy-Villacoublay, France.

« Cependant, avec les exigences d'aujourd'hui pour la qualité au premier essai avec des coûts de production réduits, les entreprises cherchent à tirer parti des avantages de la simulation des processus de fabrication avant leur mise en œuvre. Pour ce faire, une approche intégrée est nécessaire pour lier la nomenclature produit [Bill of Materials] au processus de fabrication — y compris la simulation réaliste des deux. »

Les offres de simulation 3DExperience de Dassault Systèmes sur le cloud aident définitivement la simulation à devenir plus démocratisée, a noté Sett, car elles « ne nécessitent qu'un matériel local et un support IT limités pour accéder à de grandes quantités de puissance de calcul et de capacités de simulation. »

Mund de CNC Software a ajouté que « la simulation est devenue démocratisée au point où c'est un composant attendu de toute offre de logiciel CAO/FAO. À mesure que la simulation générale est devenue plus répandue, le type et la profondeur de simulation ont également été considérablement étendus. Au cours des deux dernières décennies, l'industrie est passée du backplotting de trajectoire d'outil de base à la visualisation d'enlèvement de matière à la simulation complète de l'environnement de machine-outil. » Les attentes des utilisateurs sur ce qui devrait être disponible en tant que composant standard de CAO/FAO ont évolué avec, a déclaré Mund.

« Bien que des solutions autonomes exceptionnelles restent — et ont une place vitale dans de nombreux ateliers — la simulation est devenue une partie si ancrée du flux de travail d'atelier que la plupart des fournisseurs CAO/FAO la considèrent presque aussi importante que le mouvement d'outil lui-même », a-t-il déclaré.

Investir dans la simulation

Au cours des dernières années, les plus grands acteurs de la simulation — Autodesk, Dassault, Siemens, et maintenant Hexagon — ont fait des investissements substantiels dans le domaine de la simulation, particulièrement dans les applications CAE multiphysiques. Siemens a dépensé 4,5 milliards de dollars pour acquérir le géant de l'automatisation de la conception électronique (EDA) Mentor Graphics en 2016, et a également acheté LMS International et CD-adapco pour construire son portefeuille de simulation. Plus récemment, le géant de la métrologie Hexagon AB, Stockholm, Suède, a acquis Spring Technologies, développeur du logiciel de simulation et vérification de trajectoire d'outil NCSIMUL, en 2018.

« Siemens a été très actif dans l'acquisition et l'intégration de solutions dans l'espace de la simulation dans le cadre d'une focalisation plus large sur la fourniture d'une plateforme d'innovation numérique », a déclaré Shankar de Siemens. « Avec Simcenter, nous offrons l'un des portefeuilles les plus larges et les plus profonds de l'industrie pour la simulation et le test. Cela inclut les capacités de nos acquisitions de LMS et CD-adapco, qui nous ont aidés à nous étendre dans des domaines tels que la simulation système, la simulation 3D avancée, les tests, et la simulation fluide, que nous avons toutes combinées avec des solutions pour l'exploration de conception et la gestion des données de simulation. »

Avec Mentor Graphics, Siemens a acquis des capacités sophistiquées dans l'espace électrique et électronique, et a également renforcé ses offres pour l'ingénieur concepteur, spécifiquement via la simulation d'écoulement intégrée à la CAO, a-t-il ajouté, notant que les solutions de test matériel de Mentor sont également un excellent ajout au portefeuille. Aussi, en janvier, Siemens a publié une mise à jour complète de sa plateforme Simcenter 3D, ajoutant une modélisation plus rapide et des simulations plus précises.

« Les applications clients à haute valeur dans toutes les industries nécessitent de plus en plus une capacité de simulation pour toutes les physiques, à toutes les échelles », a noté Sett de Dassault. « Pour compléter notre force existante dans la simulation de structures et multibody, Dassault Systèmes a récemment acquis une forte capacité pour la simulation de fluides et d'acoustique grâce à l'acquisition des gammes de produits PowerFlow, XFlow et Wave6. De plus, nous avons acquis la gamme de produits CST Studio Suite, qui fournit une capacité complémentaire pour la simulation électromagnétique. »

Précision améliorée, facilité d'utilisation

Avec l'attente d'atteindre de véritables jumeaux numériques dans les opérations de fabrication, les développeurs livrent un réalisme et une précision accrus. « Les simulations CAE pour les fabricants d'aujourd'hui sont extrêmement réalistes et précises, au point où les distorsions de fabrication prédites peuvent être utilisées pour compenser négativement une conception, de sorte que la pièce telle que fabriquée est dans les tolérances requises de la pièce telle que conçue », a déclaré Sett. « En langage clair, nous pouvons anticiper la distorsion de la forme de la pièce due au processus de fabrication, puis tenir compte de cette distorsion pour que la pièce finie corresponde à la géométrie souhaitée. »

« Les utilisateurs de simulation recherchent la précision, la vitesse, la facilité d'utilisation et l'intégration avec les logiciels de fabrication », a-t-il ajouté. « De plus, l'ingénieur de fabrication a besoin d'outils de simulation qui sont faciles et intuitifs à utiliser, sans une formation approfondie en simulation. » L'utilisation de la simulation par l'additif croît également rapidement, car la capacité de créer des conceptions impossibles dans la fabrication traditionnelle entraîne un plus grand besoin de simuler les itérations de conception. « Une grande partie du travail de simulation de pointe dans la fabrication est liée à la fabrication additive », a déclaré Sett.

Dans les installations de fabrication avancées et connectées d'aujourd'hui, la simulation a un potentiel énorme pour accélérer la mise sur le marché des conceptions, réduire les coûts et minimiser ou éliminer les défauts de fabrication. La simulation peut mener à « beaucoup de potentiel d'économies différent, selon l'application », a noté Schafstall de MSC Software, « ainsi qu'un temps de mise sur le marché plus rapide, des insights plus profonds, une compréhension des processus, et un transfert de connaissances interne. » D'autres avantages incluent des variations de fabrication potentielles supplémentaires, avec une fenêtre de processus plus robuste où plus d'idées peuvent être validées, a-t-il dit.

La simulation offre aux utilisateurs des informations beaucoup plus détaillées avant le début de la production, a-t-il ajouté. « Une meilleure compréhension du processus de fabrication et de ses problèmes aidera [à créer] une conception plus fabricable, optimisée », a déclaré Schafstall. « Cela signifie aussi que la simulation de fabrication va se déplacer de plus en plus dans la phase de conception [dans l'additif]. »

En février, MSC Software a publié son nouveau moteur CoSim développé pour fournir une interface de co-simulation pour le couplage direct de différents solveurs/disciplines dans un cadre multiphysique. La version CoSim V1.6 permet aux ingénieurs de configurer des modèles de co-simulation entre les applications MSC Adams (dynamique multibody MBD), Marc (FEA) et scFLOW (CFD), et couvre une large gamme d'applications à l'échelle industrielle. Le moteur CoSim offre une précision, une exactitude et une performance améliorées pour les applications multiphysiques complexes, selon MSC.

Le niveau élevé de précision réaliste n'a jamais été plus atteignable qu'avec les offres d'aujourd'hui, selon Frank d'Autodesk. « Avec la puissance de calcul disponible aujourd'hui, nous pouvons capturer des insights sur le processus de fabrication comme jamais auparavant, et aussi concevoir des expériences pour comprendre quelle combinaison de matériaux, paramètres de processus, et paramètres de conception peuvent être utilisés pour obtenir les meilleurs résultats. Qu'il s'agisse de simulation NC pour l'opération de machines ou de simulation de processus comme la performance de moulage par injection ou une impression 3D métal additive, les utilisateurs ont la meilleure vision de ce à quoi ils peuvent s'attendre sur le terrain », a déclaré Frank.

Il a noté qu'Autodesk maintient ses propres laboratoires de production et de test, évaluant constamment son logiciel pour la précision et la prévisibilité.

Simuler la coupe NC

En simulation NC, la simulation et la vérification des processus de coupe d'outils donnent aux fabricants une image claire du mouvement de trajectoire d'outil de coupe, y compris tous les autres éléments mobiles dans la machine-outil en plus de l'outil de coupe réel. Avec le dernier logiciel de simulation et vérification de NCSIMUL Hexagon Production Software, Boston, les utilisateurs obtiennent un système entièrement automatisé qui fait une grande partie du travail, avec de nouvelles fonctionnalités d'automatisation de simulation maintenant intégrées dans la gamme de logiciels CAO/FAO Vero Software de la société mère Hexagon Manufacturing Intelligence, qui inclut les marques EdgeCAM, WorkNC, AlphaCAM et autres Vero, ainsi que 15 applications tierces, y compris Mastercam et Siemens NX CAM.

Une mise à jour NCSIMUL 2020, prévue pour une sortie en avril, présente une bien meilleure intégration avec les systèmes FAO via son interface de programmation d'application (API), une interface utilisateur graphique mise à jour, et une nomenclature complète à travers la production, y compris la mesure et le contrôle, a déclaré Silvère Proisy, directeur général de NCSIMUL. Une capacité de contrôle automatique aide à améliorer la connexion aux machines CNC, a-t-il ajouté, avec la capacité de lire tous les paramètres sur le terrain. « Nous connectons les programmeurs au terrain », a-t-il dit, « pour qu'ils n'aient pas à quitter leurs ordinateurs. C'est encore plus critique avec les machines cinq axes qui ont besoin de VAC (vérification assistée par ordinateur). »

Le dernier système NCSIMUL offre des simulations plus réalistes, a-t-il ajouté. « Nous coupons volume à volume ; vous pouvez voir les scallops, voir la vraie coupe sur la pièce », a dit Proisy. « C'est vraiment descendu à la réalité, avec un détail très fin. Nous automatisons vraiment le processus, avec des modèles qui envoient vos modifications à NCSIMUL, qui exécute la simulation dans une boîte noire, et montre si votre programme est sûr ou pas sûr. Ce qui est nouveau, c'est le détail sur la quantité d'automatisation que nous pouvons faire, et aussi une nouvelle optimisation non seulement pour le fraisage, que nous avons ajoutée l'année dernière, mais aussi pour les machines de tournage. »

La simulation et la vérification du processus de coupe n'ont jamais été plus critiques avec la dernière génération de machines-outils. « Les nouvelles machines CNC sont de plus en plus complexes et à mouvement plus rapide que leurs prédécesseurs », a noté Gene Granata, responsable produit Vericut chez le développeur de simulation/vérification NC CGTech, Irvine, Californie. « Les machines d'aujourd'hui ont plus de pièces mobiles, des capacités ajoutées, et de nombreux nouveaux codes M et G requis pour faire fonctionner les choses correctement. Même une action apparemment simple comme un « changement d'outil » se produit à des vitesses effrayantes. Une défaillance catastrophique peut survenir très rapidement et de manière inattendue lorsque les outils de coupe et les machines CNC sont poussés à leurs limites ultimes. »

L'optimisation des codes NC et des processus utilisés pour les créer est l'objectif pour la plupart des ateliers NC, a déclaré Granata. « La diminution des marges bénéficiaires et l'augmentation de la concurrence sont les raisons principales ; optimiser de toute façon possible et l'estimation précise des coûts sont critiques pour la survie de l'entreprise », a-t-il ajouté. « L'utilisation de logiciels comme Vericut avec l'optimisation Force assure que tous les programmes NC coupent avec des charges de copeaux optimales, maintiennent les forces de coupe dynamiques dans des limites sûres, et permettent des prédictions de temps d'usinage plus précises. »

Une simulation précise est la clé de la productivité, a déclaré Granata. « La simulation de code NC exécuté sur des modèles de jumeau numérique de machine maintient les machines CNC à fabriquer des pièces au lieu de gaspiller un temps machine précieux sur les validations. L'utilisation de la simulation « virtuellement » élimine les collisions potentielles et les erreurs d'usinage qui pourraient causer de graves problèmes en atelier, évitant ainsi des temps d'arrêt coûteux et des retards de planning. »

« La simulation peut faire un meilleur travail lorsque des données plus précises sont accessibles », a-t-il poursuivi. « Par exemple, des modèles de machine précis sont souhaitables pour la détection précise de collisions potentielles de machine. De même, des modèles détaillés d'outils de coupe aident à vérifier que les caractéristiques de pièce peuvent être atteintes avec confiance pendant l'usinage et sont utilisées correctement [par exemple avec des angles de rampage sûrs]. Lorsque les outils de coupe sont téléchargés depuis le cloud avec des paramètres de performance de coupe recommandés, les programmeurs peuvent également être assurés qu'ils utilisent des avances et vitesses appropriées pour l'usinage et l'optimisation. »

Selon Granata, la simulation au niveau NC sur une machine CNC jumeau numérique est considérée comme la méthode la plus complète pour vérifier que les programmes NC fonctionneront bien sur la machine CNC visée et produiront la pièce usinée comme prévu, sans rencontrer de collisions, dépasser les limites de déplacement d'axe, ou créer des incidents dus à des codes NC incorrects ou manquants. « La simulation au niveau NC est aussi le meilleur choix pour l'optimisation de programme NC, car les méthodes de coupe optimales et les capacités/limites de la machine peuvent être appliquées simultanément », a-t-il noté.

La dernière version 9 de Vericut utilise des capacités graphiques OpenGL plus avancées pour fournir une qualité d'affichage graphique et une performance supérieures, selon CGTech. Les graphiques améliorés améliorent la fonction et la cohérence entre les vues, permettant toutes les fonctions du logiciel pour la prise de mesures, l'application de coupes de section, et la comparaison du modèle de conception théorique versus pièce coupée simulée.

Certaines fonctionnalités à venir pour les utilisateurs de Vericut incluent une nouvelle capacité de redémarrage, a déclaré Granata. « Lorsqu'une erreur est identifiée dans un programme NC, les utilisateurs peuvent faire des corrections et redémarrer la simulation un ou deux blocs avant l'erreur, puis avancer pour vérifier que le changement est ce qu'ils veulent. » Les optimiseurs Force offriront un usinage mieux optimisé et des interactions améliorées du graphique Force. Il y aura aussi une nouvelle offre de produit Force Calibration pour les ateliers qui veulent tester leurs propres conditions de coupe outil-matière, et utiliser les données recueillies pour piloter l'analyse et l'optimisation de programme NC Force de Vericut.