Wenn Sie kein Spezialist sind, ist der Begriff „Virtualisierung von Produktionsprozessen“ unglaublich langweilig. In der Tat ist dies eine interessante Lektion an der Schnittstelle von Physik und Kreativität. Ohne sie wären alle Objekte um uns herum, von Möbeln und Geräten bis hin zu Fahrzeugen und Gebäuden, nicht so technologisch fortschrittlich, zuverlässig und unglaublich wie sie jetzt sind. In diesem Beitrag werden wir Nichtfachleuten erklären, wie man eine virtuelle Produktion in einer nicht existierenden Fabrik aufbaut, die Zugfestigkeit eines Gegenstands herausfindet, ohne ihn zu beschädigen, und wie ein Programm das Personal von Testern ersetzt.
Bei Toshiba gibt es eine interne Auszeichnung, die nach einem der Gründungsväter des Unternehmens, dem Ichisuke Fujioka Award, benannt ist und an Mitarbeiter vergeben wird, die einen besonders wichtigen Beitrag zur Entwicklung der Gesellschaft und zur Verbesserung des Lebens der Menschen geleistet haben. So wichtig, dass der Preisträger als "japanischer Edison" bezeichnet werden könnte. Im Jahr 2019 erhielt Yoshutada Nakagawa, ein Mitarbeiter des Toshiba Corporate Manufacturing Engineering Center, diese Auszeichnung für die Entwicklung und Implementierung eines Systems zur Simulation von Produktionsprozessen im Unternehmen.
Die Simulationen, an denen Nakagawa arbeitet, ermöglichen die genaue Berechnung und Visualisierung des Verhaltens von Materialien während der Produktion jeglicher Art, von tragbarer Elektronik bis hin zu schweren Industriemaschinen (und beispielsweise
Dampfturbinen ). Die Simulation ermöglicht es Ihnen, Hunderte und Tausende von Tests von Dutzenden von Prototypen zu ersetzen, absolut alle Bedingungen und Belastungen wiederherzustellen und mit einem nahezu fehlerfreien Ergebnis sehr schnell und natürlich wirtschaftlich - ein leistungsfähiger Computer kann die Monate des Testlabors ersetzen.
Simulation der Produktion in verschiedenen Phasen der Produktentwicklung in Toshiba. Quelle: Toshiba
Als Herr Nakagawa zum ersten Mal bei Toshiba eintraf, galt die virtuelle Modellierung noch nicht als notwendige Praxis - Ingenieure mussten nur sorgfältig an den Schaltkreisen arbeiten, und es wurden Tests an physischen Prototypen durchgeführt. Nakagawa lernte die Aktivitäten der verschiedenen Abteilungen und Fabriken des Unternehmens kennen und war überrascht zu verstehen, dass jede Abteilung, jede Produktionswerkstatt ihre eigene einzigartige Erfahrung hat, einige Erkenntnisse sind anderen innerhalb von Toshiba noch unbekannt. Es wurde beschlossen, all diese Entwicklungen zu formalisieren, um sie überall anwenden zu können - dafür entwickelte Nakagawa ein Modellierungssystem für alle Produktionsstufen, das auf sorgfältig geschützten Unternehmenserfahrungen aufbaut. Ingenieure kommen und gehen, aber Wissen sollte nicht verschwinden, es muss so schnell und effizient wie möglich ohne Verzerrung und Verlust übertragen werden, und dies kann durch Softwarepakete geschehen, die Menschen ersetzen können. Sie können Wissen in verschiedenen Bereichen anwenden.
Fabriksimulation
Eine der Herausforderungen, denen sich Toshiba beim Entwurf eines neuen Werks gegenübersieht, ist die Fehleinschätzung seiner internen Struktur. Wie werden Förderer, Werkzeugmaschinen und Arbeitsplätze so angeordnet, dass die Produktion reibungslos funktioniert? Es besteht immer die Gefahr zu übersehen und zu entdecken, dass der Arbeitsbereich des Manipulators eines bereits montierten Roboters buchstäblich einen Zentimeter an die Decke fällt oder dass sich die Arbeitsplätze der Arbeiter erfolglos befinden und Sie daher Teile auf einem nicht optimalen Weg in Ihren Händen tragen müssen.
Es ist viel einfacher, ein Gebäude nach Ihren Wünschen nach Ihren eigenen Vorstellungen zu errichten, als ein bestehendes Gebäude selbst auszurüsten, aber es ist nicht immer wirtschaftlich, eine neue Anlage auf einem sauberen Feld zu errichten. Um das gekaufte Gebäude möglichst effizient anzupassen, greifen wir auf die virtuelle Simulation zurück.
So sieht es aus: Alle verwendeten Objekte wie Förderelemente, Werkzeugmaschinen, Roboter, Computer, Möbel - alles, was wir platzieren werden, wird in eine spezielle Software geladen. Dann wird ein dreidimensionales Modell für die Uneingeweihten von außen erstellt, ähnlich einem möblierten Haus in Die Sims. In dieser Phase können Sie feststellen, ob zwischen den Elementen Konflikte bestehen.
Ein Beispiel für eine Produktionslinie im Programm Siemens Line Designer: Einer der Roboter zeigt die Reichweite seines Manipulators. Auf der Stufe der dynamischen Simulation wird dies dazu beitragen, gefährliche Überschneidungen von Trajektorien zu vermeiden. Quelle: Geometric Solution / YouTube
Die virtuelle Simulation der Anlage ermöglicht es Ihnen, den Betrieb anhand einer Vielzahl von Parametern zu testen, die Menschen in der Planungsphase vergessen (und oft vergessen) konnten. Wir listen die häufigsten auf.
- Falsche Lüftungs- / Kühlungsberechnung. Für einige Branchen ist es äußerst wichtig, dass in der Werkstatt eine genau festgelegte Temperatur und Luftfeuchtigkeit eingehalten wird. Abweichungen können die Eigenschaften der zu verarbeitenden Materialien beeinträchtigen. Ganz zu schweigen von Personen, bei denen ein starker Luftzug oder eine winddichte Überhitzung im Raum sehr unrentabel sind.
Unter idealen Bedingungen auf Papier sieht das Projekt möglicherweise glatt aus, aber Wetteranomalien oder Raummerkmale (Erwärmung in der Sonne, Ansammlung von Feuchtigkeit) machen alle Berechnungen zunichte. Eine weitere Option: Bei der Konstruktion einer Klimaanlage können sich die Ingenieure auf ihre technischen Eigenschaften verlassen, berücksichtigen jedoch nicht, dass die Länge und Konfiguration der Hauptleitung die Leistung beeinflusst oder dass beispielsweise fertige Produkte, die vor dem Transport in ein Lager an einem bestimmten Ort gelagert wurden, die Leistung beeinträchtigen ordnungsgemäße Luftzirkulation.
Die Simulation der Anlage im Programm hilft dabei, die Bewegung von Luftstrom und Temperatur an verschiedenen Stellen genau zu berechnen. Mitarbeiter der Serviceabteilung müssen keine „Krücken“ für die neu eröffnete Werkstatt mit Überhitzungsanlagen erfinden, wenn Sie die harte Arbeit der Anlage vorab simulieren.
- Unausgeglichene Belastung des Stromnetzes. Durch die Simulation der Strombelastung können Sie die potenziellen Punkte der Überschreitung der zulässigen Belastung erkennen und so das Gerät gleichmäßig auf die Sicherungslinien verteilen.
- Ignorieren Sie die Merkmale des Gebäudes. Eine sehr unangenehme Überraschung nach der Bestellung teurer Ausrüstung für die Produktion ist möglicherweise die Tatsache, dass sie nicht durch die Türen / Korridore des Raums gelangt. Der Nachweis, dass aus einer Präzisionsmaschine kein Winnie the Pooh wird, der aus einem Kaninchenbau herausragt, ist ein wesentlicher Bestandteil einer virtuellen Produktionssimulation.
Der deutsche Flughafen Berlin-Brandenburg sah 2013 komplett fertig aus. Aber aufgrund der Vielzahl von technischen Fehlern und Konstruktionsfehlern, die bei einer Computersimulation aufgetaucht wären, wird der Flughafen bis heute umgebaut und modifiziert. Lesen Sie eine spannende Geschichte darüber. Quelle: Muns / WikipediaProduktionssimulation
Stellen Sie sich vor, Sie müssen ein bestimmtes Gericht kochen. Das Ergebnis soll ein kulinarisches Meisterwerk sein, ein Restauranthit. Ja, hier ist das Problem: Sie wissen nur ungefähr, wie es aussehen soll, und Sie haben weder das genaue Rezept noch die Zutatenliste - einfach, weil niemand es für Sie zubereitet hat. Mit etwas Erfahrung werden Sie nach der idealen Formulierung suchen und Dutzende von Experimenten durchführen. Nicht nur, dass Sie wahrscheinlich nicht wissen, was Sie kombinieren müssen, es stellt sich auch heraus, dass eine Zutat dem Erhitzen nicht standhalten kann, die zweite besser heiß ist, die dritte in Kombination mit ihnen im Allgemeinen den Geschmack ändert und die vierte die Kosten des Gerichts mehrmals erhöht, obwohl sie alle zu sein scheinen würde gebraucht werden.
Um das sicherste Maschinendesign zu finden, müssen Sie hundert Prototypen brechen. Oder berechnen Sie die Dehnung in einer Crashtest-Simulation. Quelle: Maksim / Wikimedia
Der Prozess der Suche nach Materialien, Strukturen und dem erfolgreichsten Prozess zur Herstellung von Waren sieht ungefähr so aus. Sie können nach dem zuverlässigsten Teiledesign suchen, das korrekt bearbeitet oder fehlerfrei gegossen wird, bis das Budget für das Prototyping erschöpft ist. Es ist jedoch viel besser, das Modell mit den erforderlichen Parametern in das Finite-Elemente-Analyseprogramm zu laden. Unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) wird das Teilemodell in Elemente unterteilt, für die die Reaktion auf Lasten mathematisch berechnet wird.
Dank der FEM ist es beispielsweise möglich, bereits in der Modellierungsphase Schwachstellen oder Stellen mit erhöhter Beanspruchung des Gehäuses zu erkennen, in denen es beim Aufprall bricht, mögliche Fehler beim Gießen oder Fräsen zu berechnen, um keine Schrottcharge zu erhalten, die optimalen Materialien, Kunststofftypen und Legierungsqualitäten auszuwählen . Programme wie ANSYS oder Abaqus Unified FEA übernehmen die Prototyp-Testberechnungen - im Allgemeinen ist es nicht erforderlich (obwohl wünschenswert), echte Tests durchzuführen. Das Niveau moderner Modellierungssoftware ist so hoch, dass Sie in Europa die Zertifizierung eines Produkts, das ausschließlich virtuell in einer Computerumgebung getestet wurde, erfolgreich bestehen können.
Simulation des Metallvermietungsprozesses im Abaqus-Programm. Die Berechnung der Spannungen im Teil nach dem Walzen wird visualisiert. Bei einer komplexeren Verarbeitung können Sie mit der Simulation potenziell anfällige Stellen finden. Quelle: Abdullah Khalifa / YouTube
Und wieder listen wir die typischen Fehler zu Beginn der Produktion ohne vorherige kompetente Modellierung auf.
- Falsche Gießmethode. Wenn Sie mit Kunststoffteilen arbeiten müssen, müssen Sie beim Gießen sehr vorsichtig vorgehen, da es einfach ist, beim Gießen einen Ausschuss zu erhalten. Sie können nicht nur ein paar Teile nehmen und enger auf das Tor legen, sondern sie auch in die Produktion schicken. Die Berechnung des Gießens eines einzelnen Teils ist mehr oder weniger plausibel. Befinden sich jedoch mehrere Teile gleichzeitig in der Form, sind einzelne Simulationen unbrauchbar - nur eine vollständige Simulation funktioniert für die gesamte Form. Andernfalls sind mit hoher Wahrscheinlichkeit einige Details fehlerhaft.
- Fehlerhafte Berechnung der Lasten bei der Montage. Das Zusammensetzen eines Objekts aus mehreren Teilen führt zwangsläufig zu Materialspannungen, die durch das Anziehen mit Schrauben und das Befestigen an Riegeln entstehen. Auch wenn die Struktur nach dem Zusammenbau sehr zuverlässig zu sein scheint, können Risse an Stellen mit erhöhter Spannung im Laufe der Zeit auftreten. Fast jeder wird in der Lage sein, sich an ein Gerät zu erinnern, dessen Gehäuse von Zeit zu Zeit zersprungen ist, selbst wenn es mit äußerster Sorgfalt behandelt wurde. Wenn wir nicht über die geringe Qualität der Materialien sprachen, haben die Ingenieure mit hoher Wahrscheinlichkeit die Spannungen im zusammengebauten Gerät falsch (wenn überhaupt) berechnet. Preis des Fehlers: kleine Risse, gebrochene Riegel, bröckelnde Gewinde in Schraubverbindungen.
Noch schlimmer ist es, wenn Probleme nicht bei Haushaltsgeräten, sondern beim Transport auftreten. Das erste Passagierflugzeug de Havilland Comet 1 hatte eine Konstruktionsfehlkalkulation, aufgrund derer sich Mikrorisse in den Spannungszonen bildeten, als die quadratischen Fenster mit einer Niete befestigt wurden. In den frühen 1950er Jahren brachen mehrere Liner in der Luft zusammen und forderten den Tod der Besatzung und der Passagiere. Der Konstruktionsfehler, der erst nach langwierigen Tests des Flugzeugkörpers im Wasserbecken berechnet werden konnte, führte zur Einstellung der Linienflüge und wurde fast zum Grund für die vollständige Kürzung des Comet-Programms.
Dieselben quadratischen Bullaugen, die Nieten, um die Mikrorisse entstanden, die von Flug zu Flug wuchsen. Dieses echte Stück eines Flugzeugs, das über dem Mittelmeer abstürzt, befindet sich im Londoner Museum of Science. Quelle: Krelnik / Wikipedia
Simulation des Produktbetriebs
Wenn Sie die komplexesten Probleme und Fehler Ihres Produkts finden möchten, geben Sie sie in einem offenen Betatest frei. Ein seltenes Team von Testern wird in der Lage sein, die Anwendungsfälle zu erfinden, denen das Produkt im wirklichen Leben begegnen wird. Ein solcher Luxus wie öffentliches Testen kann jedoch für inspirierende Start-ups zugänglich sein, nicht jedoch für namhafte Unternehmen, deren Kunden die Aufmerksamkeit für Qualität zweifeln. Wenn Sie versuchen, einen „Beta-Test“ zu eröffnen, können Sie nicht nur Ihr Image verlieren, sondern auch Ihren Anteil an der Kapitalisierung. Daher sind auch moderne Simulationspakete erforderlich, um den Langzeitbetrieb des Produkts unter verschiedenen Bedingungen zu modellieren. Statische und dynamische Belastungen aller Achsen, Vibrationen, Stöße, thermische und akustische Einwirkungen - all diese Berechnungen sind notwendig, damit verärgerte Einkäufer einige Wochen nach Verkaufsbeginn dem Hersteller nicht die Augen für Designfehler öffnen.
Auf Habré wird eine
interessante Geschichte darüber veröffentlicht, wie sie mithilfe numerischer Modelle nach den Ursachen für den Ausfall der Schredder-Vibrationsrutsche für Altmetall suchten. Nach vorbereitenden Arbeiten in Form einer gründlichen Erstellung eines Shredder-Modells unter Berücksichtigung der Geometrie, der mechanischen Eigenschaften der Materialien und der Belastungsbedingungen fanden die Ingenieure Resonanzschwingungen und den spezifischen Punkt, an dem der Stoßkontakt auftritt, der die Schweißnähte zerstört. Es war möglich, eine funktionierende Vibrationsrutsche mit eigenen Händen zu untersuchen, was die Gesundheit und die Gliedmaßen furchtbar gefährdete, und das Ergebnis solcher Studien konnte nicht garantiert werden. Und Sie können die Daten für die Modellierung vorbereiten und mit der Lokalisierung von Problempunkten schnell das genaueste Modell des Aktenvernichters erhalten.
- Designfehler. Wenn die Dicke des Körpers des Objekts nicht ausreicht, um Stößen, Stürzen und sogar Schlägen standzuhalten, besteht die erste logische Möglichkeit, die Struktur zu stärken, darin, versteckte Versteifungen hinzuzufügen. Ohne eine erneute Modellierung des Crashtests kann eine aktualisierte Version des Teils jedoch nicht in Produktion genommen werden - es gibt häufig Fälle, in denen fehlerhafte "Verbesserungen" genau das Gegenteil bewirkten. Dieselben Versteifungen absorbieren kinetische Energie nicht spurlos, sondern verteilen sie neu. Durch sie kann eine neue Schwachstelle in dem Teil gebildet werden, die vorher nicht existierte. Nach jeder Konstruktionsänderung ist es daher erforderlich, die Lasten erneut zu simulieren.
Den Luftstrom durch einen Kühler simulieren - hier gibt es Raum für eine verbesserte Kühlung und Aerodynamik! Quelle: Siemens Software / YouTube
Entwurfsfehler sind in der Entwurfsphase nicht immer offensichtlich. Einige von ihnen machen sich nach einem Monat des regelmäßigen Gebrauchs der Ware bemerkbar. Vor zehn Jahren waren Besitzer des iPhone 3G / 3GS beispielsweise mit der Tatsache konfrontiert, dass die Kunststoffhülle des Smartphones im Laufe der Zeit Risse bekam, insbesondere im Bereich des Ladeanschlusses. Beim iPhone 6 Plus wurden im Bereich der Lautstärketasten und des SIM-Kartenfachs Schwachstellen im Gehäuse aus einer nicht ausreichend starken Aluminiumlegierung festgestellt - oft holten die Besitzer ein verbogenes Telefon aus der Gesäßtasche ihrer Hose.
Auf YouTube gibt es viele Videos darüber, wie einfach es ist, das iPhone 6 Plus zu biegen und sogar zu zerbrechen - auch kleine Kinder können es. Im nächsten iPhone 6S änderte Apple die Legierung, ohne das Design des Smartphones zu ändern, wodurch das Problem vollständig gelöst wurdeEhemalige Benutzer des HTC HD2-Smartphones werden sich sicherlich an die äußerst umstrittene Position des Touchscreen-Kabels erinnern, das sich genau unter der Einschalttaste des Telefons befand - durch ständigen Druck auf die Taste wurde das Kabel beschädigt und der Bildschirm reagierte nicht mehr auf Berührungen. Diese Probleme könnten auf einer langen Simulation des Gerätebetriebs berechnet werden - es müssten Monate aufgewendet werden, um echte Prototypen zu testen, während die Software die Simulation an einem Tag bewältigen würde.
Echte Ingenieure werden diesen Beitrag mit ihrer Erfahrung und ihrem Wissen sicherlich erheblich ergänzen wollen - wir sind immer offen für nützliche Kommentare. Wir hoffen, dass dieses Material Menschen fern vom Design geholfen hat, den Schleier der Geheimhaltung über die Simulation von Produktionsprozessen zu öffnen.