Si no eres un especialista, entonces el término "virtualización de procesos de producción" parece increíblemente aburrido. De hecho, esta es una lección interesante en la intersección de la física y la creatividad. Sin él, todos los objetos que nos rodean, desde muebles y artilugios hasta vehículos y edificios, no serían tan avanzados tecnológicamente, confiables e increíbles como lo son ahora. En esta publicación, le diremos a los no especialistas cómo establecer la producción virtual en una fábrica inexistente, descubrir la resistencia a la tracción de un artículo sin romperlo y cómo un programa reemplaza al personal de los probadores.
Hay un premio interno en Toshiba que lleva el nombre de uno de los padres fundadores de la compañía, el Premio Ichisuke Fujioka, que se otorga a los empleados que han hecho una contribución particularmente importante al desarrollo de la sociedad y a mejorar la vida de las personas. Tan importante que el galardonado podría llamarse "Edison japonés". En 2019, Yoshutada Nakagawa, un empleado del Centro de Ingeniería de Fabricación Corporativa de Toshiba, recibió este premio por el desarrollo e implementación de un sistema para simular procesos de producción en la empresa.
Las simulaciones en las que Nakagawa está trabajando permiten calcular y visualizar con precisión el comportamiento de los materiales durante la producción de cualquier cosa, desde dispositivos electrónicos portátiles hasta máquinas industriales pesadas (y, por ejemplo,
turbinas de vapor ). La simulación le permite reemplazar cientos y miles de pruebas de docenas de prototipos, para recrear absolutamente cualquier condición y carga, y con un resultado casi libre de errores, muy rápida y naturalmente económica: una computadora poderosa puede reemplazar los meses del laboratorio de pruebas.
Simulación de producción en diferentes etapas de creación de productos en Toshiba. Fuente: Toshiba
Cuando el Sr. Nakagawa llegó por primera vez a Toshiba, el modelado virtual aún no se consideraba una práctica necesaria: los ingenieros solo requerían un trabajo cuidadoso en los circuitos, y se realizaron pruebas en prototipos físicos. Nakagawa comenzó a familiarizarse con las actividades de varios departamentos y fábricas de la compañía y se sorprendió al comprender que cada departamento, cada taller de producción tiene su propia experiencia única, algunas ideas aún desconocidas para otros dentro de Toshiba. Se decidió formalizar todos estos desarrollos para aplicarlos en todas partes, para esto Nakagawa desarrolló un sistema de modelado para todas las etapas de producción, construyéndolo sobre la base de la experiencia de la compañía cuidadosamente protegida. Los ingenieros van y vienen, pero el conocimiento no debe desaparecer, debe transferirse sin distorsión y pérdida, de la manera más rápida y eficiente posible, y esto puede hacerse a través de paquetes de software que pueden reemplazar a las personas. Puede aplicar el conocimiento en diferentes áreas.
Simulación de fábrica
Uno de los desafíos que enfrenta Toshiba al diseñar una nueva planta es calcular mal su estructura interna. ¿Cómo organizar el transportador, las máquinas herramienta y los lugares de trabajo para que la producción funcione sin problemas? Siempre existe el riesgo de pasar por alto y descubrir que el área de operación del manipulador de un robot ya montado cae literalmente un centímetro en el techo o que los lugares de los trabajadores se encuentran sin éxito y, por lo tanto, debe llevar piezas en las manos a lo largo de una ruta no óptima.
Es mucho más fácil construir un edificio para sus necesidades de acuerdo con sus propios proyectos que equipar un edificio existente para usted, pero no siempre tiene sentido económico construir una nueva planta en un campo limpio. Para adaptar el edificio comprado de la manera más eficiente posible, recurrimos a la ayuda de la simulación virtual.
Se ve así: todos los objetos utilizados, como elementos transportadores, máquinas herramientas, robots, computadoras, muebles, todo lo que colocaremos, se carga en un software especializado. Luego se crea un modelo tridimensional, para los no iniciados desde el exterior, similar a una casa amueblada en Los Sims. En esta etapa, puede ver si hay algún conflicto entre los elementos.
Un ejemplo de una línea de producción en el programa Siemens Line Designer: uno de los robots muestra el alcance de su manipulador. En la etapa de simulación dinámica, esto ayudará a evitar la intersección peligrosa de trayectorias. Fuente: Solución Geométrica / YouTube
La simulación virtual de la planta le permite probar su funcionamiento en una gran cantidad de parámetros que las personas podrían olvidar (y a menudo olvidan) en la etapa de diseño. Enumeramos los más frecuentes.
- Cálculo incorrecto de ventilación / enfriamiento. Para algunas industrias es extremadamente importante mantener una temperatura y humedad estrictamente definidas en el taller, las desviaciones pueden afectar negativamente las propiedades de los materiales que se procesan. Sin mencionar a las personas para quienes una corriente fuerte o un área sobrecalentada a prueba de viento en la habitación será muy poco rentable.
En condiciones ideales en papel, el proyecto puede verse suave, pero las anomalías climáticas o las características de la habitación (se calienta al sol, acumula humedad) anularán todos los cálculos. Otra opción: al diseñar un sistema de aire acondicionado, los ingenieros pueden confiar en sus características técnicas, pero no tienen en cuenta que la longitud y la configuración de la línea principal afectan su rendimiento o, por ejemplo, que los productos terminados almacenados antes de ser transportados a un almacén en un lugar determinado interfieren con Circulación de aire adecuada.
La simulación de la planta en el programa ayudará a calcular con precisión el movimiento del flujo de aire y la temperatura en diferentes puntos. Los empleados del departamento de servicio no tendrán que inventar "muletas" para el taller recién inaugurado con equipo de sobrecalentamiento, si simula previamente el arduo trabajo de la planta.
- Carga desequilibrada en la red eléctrica. Modelar la carga de energía le permite ver los puntos potenciales de exceder la carga permitida y, por lo tanto, distribuir uniformemente el equipo a lo largo de las líneas de respaldo.
- Desprecio por las características del edificio. Después de ordenar equipos costosos para la producción, una sorpresa muy desagradable puede ser el hecho de que no pasa por las puertas / pasillos de la habitación. Verificar que una máquina de precisión no se convierta en una Winnie the Pooh saliendo de una madriguera de conejo es una parte integral de una simulación de producción virtual.
El aeropuerto alemán de Berlín-Brandeburgo en 2013 parecía completamente terminado. Pero debido a la gran cantidad de errores de cálculo de ingeniería y fallas de diseño que ciertamente habrían surgido en una simulación por computadora, el aeropuerto está siendo reconstruido y modificado hasta el día de hoy. Lea una historia emocionante al respecto. Fuente: Muns / WikipediaSimulación de producción
Imagine que necesita cocinar un plato determinado. Según la idea, el resultado debería ser una obra maestra culinaria, un éxito de restaurante. Sí, aquí está el problema: solo sabes aproximadamente cómo debería verse, y no tienes la receta exacta o la lista de ingredientes, simplemente porque nadie la ha preparado para ti. Con algo de experiencia, comenzará a buscar la formulación ideal, realizando decenas de experimentos. Probablemente no solo no sepa qué necesita combinar, también resulta que un ingrediente no resiste el calentamiento, el segundo es mejor usar caliente, el tercero en combinación con ellos generalmente cambia el sabor y el cuarto aumenta el costo del plato varias veces, aunque todos parecen hacerlo. Sería necesario.
Para encontrar el diseño de máquina más seguro, debe romper un centenar de prototipos. O calcule la tensión en una simulación de prueba de choque. Fuente: Maksim / Wikimedia
El proceso de búsqueda de materiales, estructura y el proceso más exitoso para producir bienes se parece a esto. Puede buscar el diseño de pieza más confiable, que se mecanizará correctamente o se moldeará sin defectos, hasta que se agote el presupuesto para la creación de prototipos, pero es mucho mejor cargar el modelo con los parámetros necesarios en el programa de análisis de elementos finitos. Usando el método de elementos finitos (FEM), el modelo de parte se divide en, de hecho, elementos para los cuales se calcula matemáticamente la respuesta a las cargas.
Gracias a la FEM, incluso en la etapa de modelado, es posible detectar, por ejemplo, puntos débiles o lugares de mayor estrés del caso, en el que se romperá con el impacto, puede calcular posibles defectos en la fundición o el fresado, para no obtener un lote de chatarra, elegir los materiales óptimos, tipos de plástico, grados de aleación . Programas como ANSYS o Abaqus Unified FEA toman los cálculos de las pruebas de prototipo; en general, no es necesario (aunque deseable) realizar pruebas reales. El nivel del software de modelado moderno es tan alto que en Europa se puede aprobar con éxito la certificación de un producto que se ha probado exclusivamente en un entorno informático.
Simulación en el programa Abaqus del proceso de alquiler de metales. Se visualiza el cálculo de tensiones en la pieza después del rodamiento. Con un procesamiento más complejo, la simulación le permite encontrar lugares potencialmente frágiles. Fuente: Abdullah Khalifa / YouTube
Y nuevamente, enumeramos los errores típicos al comienzo de la producción sin un modelado competente previo.
- Método de fundición incorrecto. Si necesita trabajar con piezas de plástico, debe acercarse a su fundición con mucho cuidado, porque obtener un rechazo durante la fundición es fácil. No puede simplemente tomar algunas partes y colocarlas más firmemente en la puerta, enviarlas a producción. El cálculo de fundir una parte individual será más o menos plausible, pero si se ubican varias partes en el molde a la vez, las simulaciones individuales serán inútiles; solo una simulación completa funcionará para todo el molde. De lo contrario, con alta probabilidad, algunos detalles serán defectuosos.
- Cálculo incorrecto de cargas durante el montaje. El ensamblaje de un objeto de varias partes inevitablemente crea tensiones en los materiales debido al ajuste con tornillos y la fijación de los pestillos. Incluso si, después del ensamblaje, la estructura parece muy confiable, pueden ocurrir grietas en los puntos de mayor voltaje con el tiempo. Casi todos podrán recordar algún dispositivo cuyo estuche se rompió solo de vez en cuando, incluso si se manejó con extremo cuidado. Si no estuviéramos hablando de la baja calidad de los materiales, con una alta probabilidad los ingenieros calcularon incorrectamente (si es que lo calcularon) las tensiones en el dispositivo ensamblado. Precio del defecto: pequeñas grietas, pestillos rotos, roscas desmoronadas en las conexiones de tornillo.
Es aún peor cuando se encuentran problemas no en los electrodomésticos, sino en el transporte. El primer avión de pasajeros de jet de Havilland Comet 1 tuvo un cálculo erróneo de diseño, debido a que se formaron microgrietas en las zonas de tensión cuando las ventanas cuadradas se cerraron con un remache. Debido a ellos, varios transatlánticos a principios de la década de 1950 literalmente se derrumbaron en el aire, causando la muerte de la tripulación y los pasajeros. La falla de diseño, que solo fue posible calcular después de largas pruebas del cuerpo del avión en la piscina de agua, condujo a la suspensión de los vuelos de los transatlánticos y casi se convirtió en la razón de la reducción completa del programa Comet.
Esos mismos ojos de buey cuadrados, los remaches alrededor de los cuales se crearon microgrietas que crecían de vuelo en vuelo. Esta pieza real de un avión que se estrella sobre el mar Mediterráneo se encuentra en el Museo de Ciencia de Londres. Fuente: Krelnik / Wikipedia
Simulación de la operación del producto.
Si desea encontrar los problemas y errores más sofisticados de su producto, libérelo en una prueba beta abierta. Un raro equipo de probadores podrá inventar los casos de uso que el producto encontrará en la vida real. Pero un lujo como las pruebas públicas puede ser accesible para nuevas empresas inspiradoras, pero no para compañías de renombre, cuyos clientes no dudan de la atención a la calidad: al intentar abrir una "prueba beta" puede perder no solo su imagen, sino también su parte de capitalización. Por lo tanto, los paquetes de simulación modernos también son necesarios para modelar la operación a largo plazo del producto en una variedad de condiciones. Cargas estáticas y dinámicas en todos los ejes, vibraciones, golpes, efectos térmicos y acústicos: todos estos cálculos son necesarios para que un par de semanas después del inicio de las ventas, los compradores enojados no abran los ojos al fabricante por cualquier error de diseño.
En Habré,
se publica una
historia interesante sobre cómo, utilizando modelos numéricos, buscaron las causas de la ruptura del canal vibratorio de la trituradora para chatarra. Después de un trabajo preparatorio en forma de una creación exhaustiva de un modelo de trituradora teniendo en cuenta la geometría, las características mecánicas de los materiales y las condiciones de carga, los ingenieros encontraron vibraciones resonantes y el punto específico en el que se produce el contacto de impacto que destruye las soldaduras. Era posible investigar un conducto vibratorio que funcionaba con sus propias manos, arriesgando terriblemente su salud y sus extremidades, y el resultado de tales estudios no estaría garantizado. Y puede preparar los datos para modelar y obtener rápidamente el modelo más preciso de la trituradora con la localización de los puntos problemáticos.
- Errores de diseño. Si el grosor del cuerpo del objeto no es suficiente para resistir golpes, caídas e incluso golpes, la primera forma lógica de fortalecer la estructura es agregar refuerzos ocultos. Sin embargo, sin volver a modelar la prueba de choque, no se puede poner en producción una versión actualizada de la pieza; a menudo hay casos en que las "mejoras" erróneas producen exactamente el efecto contrario. Los mismos rigidizadores absorben la energía cinética no sin dejar rastro, sino que la redistribuyen. Debido a ellos, se puede formar un nuevo punto débil en la parte, que no existía antes. Por lo tanto, después de cada cambio de diseño, es necesario simular nuevamente las cargas.
Simulando el paso del flujo de aire a través de un radiador, ¡aquí es donde hay espacio para mejorar la refrigeración y la aerodinámica! Fuente: Siemens Software / YouTube
Los errores de diseño no siempre son obvios en la etapa de diseño. Algunos de ellos se hacen sentir después de un mes de uso regular de los productos. Por ejemplo, hace diez años, los propietarios del iPhone 3G / 3GS se enfrentaron con el hecho de que la carcasa de plástico del teléfono inteligente comenzó a romperse con el tiempo, especialmente alrededor del conector de carga. En el iPhone 6 Plus, en el área de los botones de volumen y la bandeja de la tarjeta SIM, se encontraron debilidades en el caso de una aleación de aluminio insuficientemente fuerte, a menudo los propietarios sacaron un teléfono doblado del bolsillo trasero de sus pantalones.
Hay muchos videos en YouTube sobre lo fácil que es doblar e incluso romper el iPhone 6 Plus, incluso los niños pequeños pueden hacerlo. En el próximo iPhone 6S, Apple cambió la aleación sin cambiar el diseño del teléfono inteligente, lo que resolvió por completo el problema.Los antiguos usuarios del teléfono inteligente HTC HD2, seguramente, recordarán la ubicación extremadamente controvertida del cable de la pantalla táctil, que se encuentra exactamente debajo del botón de encendido del teléfono, debido a la presión constante en el botón, el cable se dañó y la pantalla dejó de responder al tacto. Estos problemas podrían calcularse en una larga simulación de la operación del dispositivo: tendrían que pasar meses para probar prototipos reales, mientras que el software haría frente a la simulación en un día.
Seguramente, los verdaderos ingenieros querrán complementar significativamente esta publicación con su experiencia y conocimiento; siempre estamos abiertos a comentarios útiles. Esperamos que este material haya ayudado a las personas lejos del diseño a abrir el velo del secreto sobre la simulación de los procesos de producción.