Si vous n'êtes pas un spécialiste, le terme «virtualisation des processus de production» semble incroyablement ennuyeux. En fait, c'est une leçon intéressante à l'intersection de la physique et de la créativité. Sans elle, tous les objets qui nous entourent, des meubles aux gadgets en passant par les véhicules et les bâtiments, ne seraient pas aussi avancés, fiables et incroyables sur le plan technologique qu'aujourd'hui. Dans cet article, nous expliquerons aux non-spécialistes comment établir une production virtuelle dans une usine inexistante, découvrir la résistance à la traction d'un article sans le casser et comment un programme remplace le personnel des testeurs.
Il y a un prix interne chez Toshiba nommé d'après l'un des pères fondateurs de l'entreprise, le prix Ichisuke Fujioka, qui est décerné aux employés qui ont apporté une contribution particulièrement importante au développement de la société et à l'amélioration de la vie des gens. Tellement important que le lauréat pourrait être appelé "Edison japonais". En 2019, Yoshutada Nakagawa, un employé du Toshiba Corporate Manufacturing Engineering Center, a reçu ce prix pour le développement et la mise en œuvre d'un système de simulation des processus de production dans l'entreprise.
Les simulations sur lesquelles travaille Nakagawa permettent de calculer et de visualiser avec précision le comportement des matériaux lors de la production de tout, de l'électronique portable aux machines industrielles lourdes (et, par exemple,
les turbines à vapeur ). La simulation vous permet de remplacer des centaines et des milliers de tests de dizaines de prototypes, de recréer absolument toutes les conditions et charges, et avec un résultat presque sans erreur, très rapidement et naturellement économiquement - un ordinateur puissant est capable de remplacer les mois du laboratoire de test.
Simulation de production à différents stades de création de produit chez Toshiba. Source: Toshiba
Lorsque M. Nakagawa est arrivé à Toshiba pour la première fois, la modélisation virtuelle n'était pas encore considérée comme une pratique nécessaire - les ingénieurs ont seulement exigé un travail minutieux sur les circuits et des tests ont été effectués sur des prototypes physiques. Nakagawa a commencé à se familiariser avec les activités des différents départements et usines de l'entreprise et a été surpris de comprendre que chaque département, chaque atelier de production a sa propre expérience unique, certaines idées encore inconnues des autres au sein de Toshiba. Il a été décidé de formaliser tous ces développements afin de les appliquer partout - pour cela, Nakagawa a développé un système de modélisation pour toutes les étapes de la production, en le construisant sur la base d'une expérience d'entreprise soigneusement gardée. Les ingénieurs vont et viennent, mais les connaissances ne doivent pas disparaître, elles doivent être transférées sans distorsion ni perte, aussi rapidement et efficacement que possible, et cela peut se faire grâce à des progiciels qui peuvent remplacer les personnes. Vous pouvez appliquer des connaissances dans différents domaines.
Simulation d'usine
L'un des défis auxquels Toshiba est confronté lors de la conception d'une nouvelle usine est le mauvais calcul de sa structure interne. Comment organiser le convoyeur, les machines-outils et les lieux de travail pour que la production se déroule sans problème? Il y a toujours un risque de négliger et de découvrir que la zone de fonctionnement du manipulateur d'un robot déjà monté tombe littéralement d'un centimètre au plafond ou que les lieux des travailleurs se trouvent sans succès et que vous devez donc transporter des pièces entre vos mains le long d'un itinéraire non optimal.
Il est beaucoup plus facile de construire un bâtiment pour vos besoins selon vos propres projets que d'équiper vous-même un bâtiment existant, mais il n'est pas toujours économique de construire une nouvelle usine dans un champ propre. Afin d'adapter au mieux le bâtiment acheté, nous recourons à l'aide de la simulation virtuelle.
Cela ressemble à ceci: tous les objets utilisés, tels que les éléments de convoyage, les machines-outils, les robots, les ordinateurs, les meubles - tout ce que nous placerons, est chargé dans un logiciel spécialisé. Ensuite, un modèle en trois dimensions est créé, pour les non-initiés de l'extérieur, semblable à une maison meublée dans Les Sims. À ce stade, vous pouvez voir s'il y a des conflits entre les éléments.
Exemple de ligne de production dans le programme Siemens Line Designer: l'un des robots montre la portée de son manipulateur. Au stade de la simulation dynamique, cela permettra d'éviter une intersection dangereuse des trajectoires. Source: Solution géométrique / YouTube
La simulation virtuelle de l'usine vous permet de tester son fonctionnement sur un grand nombre de paramètres que les gens pourraient oublier (et souvent oublier) au stade de la conception. Nous listons les plus fréquents.
- Calcul de ventilation / refroidissement incorrect. Pour certaines industries, il est extrêmement important de maintenir une température et une humidité strictement définies dans l'atelier, les écarts peuvent nuire aux propriétés des matériaux traités. Sans parler des personnes pour lesquelles un fort courant d'air ou une zone surchauffée coupe-vent dans la pièce sera très peu rentable.
Dans des conditions idéales sur papier, le projet peut sembler fluide, mais les anomalies météorologiques ou les caractéristiques de la pièce (se réchauffe au soleil, accumulent l'humidité) annuleront tous les calculs. Une autre option: lors de la conception d'un système de climatisation, les ingénieurs peuvent se fier à ses caractéristiques techniques, mais ne tiennent pas compte du fait que la longueur et la configuration de la ligne principale affectent ses performances, ou, par exemple, que les produits finis stockés avant d'être transportés vers un entrepôt dans un certain endroit interfèrent avec bonne circulation de l'air.
La simulation de l'installation dans le programme aidera à calculer avec précision le mouvement du débit d'air et de la température à différents points. Les employés du service après-vente n'auront pas à inventer des «béquilles» pour l'atelier nouvellement ouvert avec un équipement de surchauffe, si vous pré-simulez le travail acharné de l'usine.
- Charge déséquilibrée sur le réseau électrique. La simulation de la charge électrique vous permet de voir les points potentiels de dépassement de la charge admissible et ainsi de répartir uniformément l'équipement le long des lignes de secours.
- Ne pas tenir compte des caractéristiques du bâtiment. Après avoir commandé un équipement coûteux pour la production, une surprise très désagréable peut être le fait qu'il ne passe pas par les portes / couloirs de la pièce. Vérifier qu'une machine de précision ne se transforme pas en Winnie l'Ourson qui sort d'un trou de lapin fait partie intégrante d'une simulation de production virtuelle.
L'aéroport allemand de Berlin-Brandebourg en 2013 avait l'air complètement terminé. Mais en raison du grand nombre d'erreurs de calcul et de défauts de conception qui auraient certainement fait surface sur une simulation informatique, l'aéroport est en cours de reconstruction et de modification à ce jour. Lisez une histoire passionnante à ce sujet. Source: Muns / WikipediaSimulation de production
Imaginez que vous devez cuisiner un certain plat. Selon l'idée, le résultat devrait être un chef-d'œuvre culinaire, un succès au restaurant. Oui, voici le problème: vous savez à peu près à quoi il devrait ressembler, et vous n'avez pas la recette exacte ou la liste des ingrédients - tout simplement parce que personne ne l'a préparé pour vous. Possédant une certaine expérience, vous commencerez à rechercher la formulation idéale, en menant des dizaines d'expériences. Non seulement vous ne savez probablement pas ce que vous devez combiner, il s'avère également qu'un ingrédient ne résiste pas à la chaleur, le second est préférable d'utiliser chaud, le troisième en combinaison avec eux change généralement de goût et le quatrième augmente le coût du plat plusieurs fois, bien qu'ils semblent tous serait nécessaire.
Pour trouver la conception de machine la plus sûre, vous devez casser une centaine de prototypes. Ou calculez la déformation dans une simulation de crash test. Source: Maksim / Wikimedia
Le processus de recherche de matériaux, de structure et le processus de production de biens le plus efficace ressemble à ceci. Vous pouvez rechercher la conception de pièce la plus fiable, qui sera correctement usinée ou coulée sans défauts, jusqu'à ce que le budget de prototypage soit épuisé, mais il est préférable de charger le modèle avec les paramètres nécessaires dans le programme d'analyse par éléments finis. En utilisant la méthode des éléments finis (FEM), le modèle de pièce est divisé en fait en éléments pour lesquels la réponse aux charges est calculée mathématiquement.
Grâce au FEM, même au stade de la modélisation, il est possible de détecter, par exemple, des points faibles ou des endroits de contrainte accrue du boîtier, dans lesquels il se cassera à l'impact, vous pouvez calculer les éventuels défauts de coulée ou de fraisage, afin de ne pas obtenir un lot de ferraille, choisir les matériaux optimaux, types de plastique, alliages . Des programmes tels que ANSYS ou Abaqus Unified FEA prennent en charge les calculs de test du prototype - en général, il n'est pas nécessaire (bien que souhaitable) de réaliser de vrais tests. Le niveau des logiciels de modélisation modernes est si élevé qu'en Europe, vous pouvez réussir la certification d'un produit qui a été testé exclusivement virtuellement dans un environnement informatique.
Simulation dans le programme Abaqus du processus de location de métaux. Le calcul des contraintes dans la pièce après laminage est visualisé. Avec un traitement plus complexe, la simulation vous permet de trouver des endroits potentiellement fragiles. Source: Abdullah Khalifa / YouTube
Et encore une fois, nous listons les erreurs typiques au début de la production sans modélisation compétente préalable.
- Mauvaise méthode de coulée. Si vous devez travailler avec des pièces en plastique, vous devez aborder leur moulage très attentivement, car il est facile d'obtenir un rejet pendant la coulée. Vous ne pouvez pas simplement prendre quelques pièces et les placer plus étroitement sur la porte, les envoyer en production. Le calcul de la coulée d'une pièce individuelle sera plus ou moins plausible, mais si plusieurs pièces sont situées dans le moule à la fois, les simulations individuelles seront inutiles - seule une simulation complète fonctionnera pour l'ensemble du moule. Sinon, avec une probabilité élevée, certains détails seront défectueux.
- Calcul incorrect des charges lors du montage. L'assemblage d'un objet à partir de plusieurs pièces crée inévitablement des contraintes dans les matériaux en raison du serrage avec des vis et de la fixation sur les verrous. Même si, après assemblage, la structure semble très fiable, des fissures peuvent apparaître à des points de tension augmentée dans le temps. Presque tout le monde pourra se souvenir d'un gadget dont le boîtier s'est fissuré de temps en temps, même s'il a été manipulé avec un soin extrême. Si nous ne parlions pas de la faible qualité des matériaux, alors avec une forte probabilité, les ingénieurs ont incorrectement calculé (voire pas du tout calculé) les contraintes dans le dispositif assemblé. Prix du défaut: petites fissures, loquets cassés, filets en ruine dans les raccords à vis.
C’est encore pire lorsque des problèmes ne se trouvent pas dans les appareils électroménagers, mais dans les transports. Le premier avion de ligne à réaction de Havilland Comet 1 avait une erreur de conception, à cause de laquelle des microfissures se sont formées dans les zones de tension lorsque les fenêtres carrées ont été fixées avec un rivet. À cause d'eux, plusieurs paquebots au début des années 1950 se sont littéralement effondrés dans les airs, causant la mort de l'équipage et des passagers. Un défaut de conception, qui n'a pu être calculé qu'après de longs tests de la carrosserie de l'aéronef dans une mare d'eau, a entraîné la suspension des vols de paquebots et est presque devenu la raison de l'arrêt complet du programme Comet.
Ces mêmes hublots carrés, les rivets autour desquels se créaient des microfissures de vol en vol. Ce véritable morceau d'avion qui s'écrase au-dessus de la mer Méditerranée se trouve au London Museum of Science. Source: Krelnik / Wikipedia
Simulation du fonctionnement du produit
Si vous souhaitez trouver les problèmes et les bogues les plus sophistiqués de votre produit, libérez-le dans un test bêta ouvert. Une rare équipe de testeurs pourra inventer les cas d'utilisation que le produit rencontrera dans la vraie vie. Mais un luxe tel que les tests publics peut être accessible aux start-ups inspirantes, mais pas aux grandes entreprises, dont les clients ne doutent pas de l'attention à la qualité - pour essayer d'ouvrir un «test bêta», vous pouvez perdre non seulement votre image, mais aussi votre part de capitalisation. Par conséquent, des progiciels de simulation modernes sont également nécessaires pour modéliser le fonctionnement à long terme du produit dans diverses conditions. Charges statiques et dynamiques sur tous les axes, vibrations, chocs, effets thermiques et acoustiques - tous ces calculs sont nécessaires pour que quelques semaines après le début des ventes, les acheteurs en colère n'ouvrent les yeux au fabricant pour aucun bug de conception.
Sur Habré, une
histoire intéressante est publiée sur la façon dont, à l'aide de la modélisation numérique, ils ont recherché les causes de la panne du vibrobar du déchiqueteur pour la ferraille. Après des travaux préparatoires sous la forme d'une création approfondie d'un modèle de broyeur, en tenant compte de la géométrie, des caractéristiques mécaniques des matériaux et des conditions de chargement, les ingénieurs ont trouvé des vibrations résonnantes et le point spécifique où se produit le contact d'impact qui détruit les soudures. Il était possible d'enquêter sur une goulotte vibrante fonctionnelle de leurs propres mains, risquant terriblement leur santé et leurs membres, et le résultat de telles études ne serait pas garanti. Et vous pouvez préparer les données pour la modélisation et obtenir rapidement le modèle le plus précis du broyeur avec la localisation des points problématiques.
- Erreurs de conception. Si l'épaisseur du corps de l'objet n'est pas suffisante pour résister aux chocs, aux chutes et même au poinçonnage, la première façon logique de renforcer la structure est d'ajouter des raidisseurs cachés. Cependant, sans remodeler le crash test, une version mise à jour de la pièce ne peut pas être mise en production - il y a souvent des cas où des "améliorations" erronées ont donné exactement l'effet inverse. Les mêmes raidisseurs absorbent l'énergie cinétique non sans laisser de trace, mais la redistribuent. Grâce à eux, un nouveau point faible peut se former dans la pièce, qui n'existait pas auparavant. Par conséquent, après chaque modification de conception, il est nécessaire de simuler à nouveau les charges.
Simuler le passage du flux d'air à travers un radiateur - c'est là qu'il y a de la place pour un refroidissement et une aérodynamique améliorés! Source: Logiciel Siemens / YouTube
Les erreurs de conception ne sont pas toujours évidentes au stade de la conception. Certains d'entre eux se font sentir après un mois d'utilisation régulière de la marchandise. Par exemple, il y a dix ans, les propriétaires de l'iPhone 3G / 3GS étaient confrontés au fait que le boîtier en plastique du smartphone commençait à se fissurer avec le temps, en particulier autour du connecteur de charge. Dans l'iPhone 6 Plus, au niveau des boutons de volume et du plateau de la carte SIM, des faiblesses ont été constatées dans le cas d'un alliage d'aluminium insuffisamment solide - souvent les propriétaires ont sorti un téléphone plié de la poche arrière de leur pantalon.
Il y a beaucoup de vidéos sur YouTube sur la façon dont il est facile de plier et même de casser l'iPhone 6 Plus - même les petits enfants peuvent le faire. Dans le prochain iPhone 6S, Apple a changé l'alliage sans changer la conception du smartphone, ce qui a complètement résolu le problèmeLes anciens utilisateurs du smartphone HTC HD2 se souviendront certainement de l'emplacement extrêmement controversé du câble de l'écran tactile, qui était situé exactement sous le bouton d'alimentation du téléphone - à cause d'une pression constante sur le bouton, le câble a été endommagé et l'écran a cessé de répondre au toucher. Ces problèmes pourraient être calculés sur une longue simulation du fonctionnement de l'appareil - des mois devraient être consacrés à tester de vrais prototypes, tandis que le logiciel gérerait la simulation en une journée.
Certes, les vrais ingénieurs voudront compléter considérablement ce poste avec leur expérience et leurs connaissances - nous sommes toujours ouverts aux commentaires utiles. Nous espérons que ce matériau a aidé des gens loin de la conception à ouvrir le voile du secret sur la simulation des processus de production.