Jika Anda bukan spesialis, maka istilah "virtualisasi proses produksi" tampaknya sangat membosankan. Sebenarnya, ini adalah pelajaran yang menarik di persimpangan fisika dan kreativitas. Tanpa itu, semua benda di sekitar kita, dari furnitur dan gadget hingga kendaraan dan bangunan, tidak akan semaju teknologi, dapat diandalkan, dan luar biasa seperti sekarang. Dalam posting ini, kami akan memberi tahu non-spesialis tentang cara membuat produksi virtual di pabrik yang tidak ada, mengetahui kekuatan tarik suatu item tanpa merusaknya, dan bagaimana satu program menggantikan staf penguji.
Ada penghargaan internal di Toshiba, dinamai sesuai dengan salah satu bapak pendiri perusahaan, Ichisuke Fujioka Award, yang diberikan kepada karyawan yang telah memberikan kontribusi sangat penting bagi pengembangan masyarakat dan meningkatkan kehidupan masyarakat. Sangat penting sehingga penerima hadiah bisa disebut "Edison Jepang." Pada tahun 2019, Yoshutada Nakagawa, seorang karyawan dari Pusat Teknik Manufaktur Perusahaan Toshiba, menerima penghargaan ini untuk pengembangan dan implementasi sistem untuk mensimulasikan proses produksi di perusahaan.
Simulasi yang sedang dilakukan Nakagawa memungkinkan untuk secara akurat menghitung dan memvisualisasikan perilaku material selama produksi apa pun, dari elektronik portabel hingga mesin industri berat (dan, misalnya,
turbin uap ). Simulasi ini memungkinkan Anda untuk mengganti ratusan dan ribuan tes dari puluhan prototipe, untuk menciptakan kembali benar-benar segala kondisi dan beban, dan dengan hasil yang hampir bebas dari kesalahan, sangat cepat dan alami secara ekonomis - satu komputer yang kuat mampu menggantikan bulan-bulan lab uji.
Simulasi produksi pada berbagai tahap penciptaan produk di Toshiba. Sumber: Toshiba
Ketika Bpk. Nakagawa pertama kali tiba di Toshiba, pemodelan virtual belum dianggap sebagai praktik yang perlu - para insinyur hanya membutuhkan kerja yang cermat di sirkuit, dan pengujian dilakukan pada prototipe fisik. Nakagawa mulai berkenalan dengan kegiatan berbagai departemen dan pabrik perusahaan dan terkejut memahami bahwa setiap departemen, masing-masing bengkel produksi memiliki pengalaman uniknya sendiri, beberapa wawasan masih belum diketahui oleh orang lain di dalam Toshiba. Diputuskan untuk memformalkan semua perkembangan ini untuk menerapkannya di mana-mana, karena Nakagawa ini mengembangkan sistem untuk memodelkan semua tahap produksi, membangunnya berdasarkan pengalaman perusahaan yang dijaga dengan cermat. Insinyur datang dan pergi, tetapi pengetahuan tidak boleh hilang, itu harus ditransfer tanpa distorsi dan kehilangan, secepat dan seefisien mungkin, dan ini dapat dilakukan melalui paket perangkat lunak yang dapat menggantikan orang. Anda dapat menerapkan pengetahuan di berbagai bidang.
Simulasi pabrik
Salah satu tantangan yang dihadapi Toshiba ketika mendesain pabrik baru adalah salah perhitungan struktur internalnya. Bagaimana cara mengatur konveyor, peralatan mesin dan tempat kerja sehingga produksi bekerja dengan lancar? Selalu ada risiko untuk mengabaikan dan menemukan bahwa area kerja manipulator robot yang sudah terpasang secara harfiah satu sentimeter jatuh di langit-langit atau bahwa tempat kerja terletak buruk dan Anda harus membawa bagian-bagian di tangan Anda sepanjang rute yang tidak optimal.
Jauh lebih mudah untuk membangun gedung untuk kebutuhan Anda sesuai dengan proyek Anda sendiri daripada untuk melengkapi bangunan yang sudah ada untuk Anda sendiri, tetapi tidak selalu berarti secara ekonomi untuk membangun pabrik baru di bidang yang bersih. Untuk menyesuaikan bangunan yang dibeli seefisien mungkin, kami menggunakan bantuan simulasi virtual.
Kelihatannya seperti ini: semua benda yang digunakan, seperti elemen konveyor, peralatan mesin, robot, komputer, furnitur - semua yang akan kita tempatkan, dimuat ke dalam perangkat lunak khusus. Kemudian model tiga dimensi dibuat, untuk yang belum tahu dari luar, mirip dengan rumah berperabotan di The Sims. Pada tahap ini, Anda dapat melihat apakah ada konflik antara item.
Contoh dari jalur produksi dalam program Siemens Line Designer: salah satu robot menunjukkan jangkauan manipulatornya. Pada tahap simulasi dinamis, ini akan membantu menghindari persimpangan lintasan berbahaya. Sumber: Solusi Geometris / YouTube
Simulasi virtual instalasi memungkinkan Anda menguji operasinya pada sejumlah besar parameter yang orang bisa lupa (dan sering lupa) pada tahap desain. Kami daftar yang paling sering.
- Perhitungan ventilasi / pendinginan yang salah. Untuk beberapa industri, sangat penting bahwa suhu dan kelembaban yang ditentukan secara ketat dipertahankan di bengkel, penyimpangan dapat berdampak negatif pada sifat bahan yang sedang diproses. Belum lagi orang-orang yang rancangannya kuat atau area yang terlalu panas di dalam ruangan akan sangat tidak menguntungkan.
Dalam kondisi ideal di atas kertas, proyek mungkin terlihat mulus, tetapi anomali cuaca atau fitur ruangan (panas di bawah sinar matahari, menumpuk kelembaban) akan meniadakan semua perhitungan. Pilihan lain: ketika merancang sistem pendingin udara, insinyur dapat mengandalkan karakteristik teknisnya, tetapi tidak memperhitungkan bahwa panjang dan konfigurasi jalur utama memengaruhi kinerjanya, atau, misalnya, produk jadi yang disimpan sebelum diangkut ke gudang di tempat tertentu mengganggu sirkulasi udara yang tepat.
Simulasi tanaman dalam program ini akan membantu menghitung pergerakan aliran udara dan suhu secara akurat di berbagai titik. Karyawan departemen layanan tidak perlu menemukan "tongkat penyangga" untuk bengkel yang baru dibuka dengan peralatan overheating, jika Anda pertama kali mensimulasikan kerja keras pabrik.
- Beban tidak seimbang pada jaringan listrik. Pemodelan beban daya memungkinkan Anda untuk melihat titik potensial melebihi beban yang diizinkan dan dengan demikian mendistribusikan peralatan secara merata di sepanjang jalur cadangan.
- Mengabaikan fitur bangunan. Setelah memesan peralatan mahal untuk produksi, kejutan yang sangat tidak menyenangkan mungkin fakta bahwa itu tidak melewati pintu / koridor ruangan. Memverifikasi bahwa mesin presisi tidak berubah menjadi Winnie the Pooh mencuat dari lubang kelinci adalah bagian integral dari simulasi produksi virtual.
Bandara Jerman Berlin-Brandenburg pada tahun 2013 tampak benar-benar selesai. Tetapi karena sejumlah besar kesalahan perhitungan teknik dan kekurangan desain yang pasti akan muncul pada simulasi komputer, bandara sedang dibangun kembali dan dimodifikasi hingga hari ini. Baca kisah yang menarik tentang hal itu. Sumber: Muns / WikipediaSimulasi produksi
Bayangkan Anda perlu memasak hidangan tertentu. Menurut ide tersebut, hasilnya harus menjadi mahakarya kuliner, hit restoran. Ya, inilah masalahnya: Anda hanya tahu bagaimana kelihatannya, dan Anda tidak memiliki resep atau daftar bahan yang tepat - hanya karena tidak ada yang menyiapkannya untuk Anda. Memiliki beberapa pengalaman, Anda akan mulai mencari formulasi yang ideal, melakukan puluhan percobaan. Tidak hanya Anda mungkin tidak tahu apa yang perlu Anda kombinasikan, ternyata juga satu bahan tidak tahan pemanasan, yang kedua lebih baik menggunakan panas, yang ketiga dalam kombinasi dengan mereka umumnya mengubah rasa, dan yang keempat meningkatkan biaya hidangan beberapa kali, meskipun mereka semua tampaknya akan dibutuhkan.
Untuk menemukan desain alat berat yang paling aman, Anda perlu memecahkan seratus prototipe. Atau hitung ketegangan dalam simulasi uji tabrakan. Sumber: Maksim / Wikimedia
Proses mencari bahan, struktur dan proses paling sukses untuk memproduksi barang terlihat seperti ini. Anda dapat mencari desain bagian yang paling andal, yang akan dikerjakan dengan benar atau dilemparkan tanpa cacat, sampai anggaran untuk pembuatan prototipe habis, tetapi jauh lebih baik memuat model dengan parameter yang diperlukan ke dalam program analisis elemen hingga. Menggunakan metode elemen hingga (FEM), model bagian dibagi menjadi, pada kenyataannya, elemen yang responnya terhadap beban dihitung secara matematis.
Berkat FEM, bahkan pada tahap pemodelan, dimungkinkan untuk mendeteksi, misalnya, titik-titik lemah atau tempat-tempat stres yang meningkat dari kasus, di mana itu akan pecah pada dampak, Anda dapat menghitung kemungkinan cacat dalam pengecoran atau penggilingan, sehingga tidak mendapatkan batch memo, pilih bahan yang optimal, jenis plastik, nilai paduan . Program seperti ANSYS atau Abaqus Unified FEA mengambil perhitungan tes prototipe - secara umum, tidak perlu (walaupun diinginkan) untuk melakukan tes nyata. Tingkat perangkat lunak pemodelan modern sangat tinggi sehingga di Eropa Anda dapat berhasil lulus sertifikasi produk yang telah diuji secara virtual di lingkungan komputer.
Simulasi dalam program Abaqus dari proses penyewaan logam. Perhitungan tegangan pada bagian setelah penggulungan divisualisasikan. Dengan pemrosesan yang lebih kompleks, simulasi memungkinkan Anda menemukan tempat yang berpotensi rapuh. Sumber: Abdullah Khalifa / YouTube
Dan lagi, kami daftar kesalahan khas pada awal produksi tanpa pemodelan yang kompeten sebelumnya.
- Metode casting yang salah. Jika Anda perlu bekerja dengan bagian plastik, Anda harus mendekati casting mereka dengan sangat hati-hati, karena mendapatkan penolakan selama casting mudah. Anda tidak bisa hanya mengambil beberapa bagian dan menempatkannya lebih erat di gerbang, mengirimkannya ke produksi. Perhitungan casting bagian individu akan lebih atau kurang masuk akal, tetapi jika beberapa bagian ditempatkan di cetakan sekaligus, simulasi individu akan sia-sia - hanya simulasi lengkap akan bekerja untuk seluruh cetakan. Kalau tidak, dengan probabilitas tinggi, beberapa detail akan rusak.
- Perhitungan beban yang salah selama perakitan. Merakit benda dari beberapa bagian tak terhindarkan menciptakan tekanan pada material karena pengencangan dengan sekrup dan pengancing pada kait. Sekalipun, setelah perakitan, struktur tampak sangat andal, retakan dapat terjadi pada titik-titik peningkatan voltase dari waktu ke waktu. Hampir setiap orang akan dapat mengingat beberapa gadget yang kasingnya retak dari waktu ke waktu, bahkan jika ditangani dengan sangat hati-hati. Jika kita tidak berbicara tentang rendahnya kualitas bahan, maka dengan probabilitas tinggi para insinyur salah menghitung (jika sama sekali dihitung) tekanan pada perangkat yang dirakit. Harga cacat: retakan kecil, kait rusak, ulir benang pada sambungan sekrup.
Bahkan lebih buruk ketika masalah ditemukan bukan pada peralatan rumah tangga, tetapi dalam transportasi. Pesawat penumpang jet de Havilland Comet 1 yang pertama memiliki kesalahan perhitungan desain, karena celah-celah mikro terbentuk di zona tegang ketika jendela kotak diikat dengan keling. Karena mereka, beberapa liner di awal 1950-an benar-benar hancur berantakan di udara, menyebabkan kematian para awak dan penumpang. Cacat desain, yang hanya mungkin dihitung setelah pengujian panjang badan pesawat di genangan air, menyebabkan penangguhan penerbangan liner dan hampir menyebabkan pengurangan total program Comet.
Lubang intip yang sama, paku keling di sekitarnya menciptakan microcracks yang tumbuh dari penerbangan ke penerbangan. Sepotong nyata pesawat yang menabrak Laut Mediterania ada di London Museum of Science. Sumber: Krelnik / Wikipedia
Simulasi operasi produk
Jika Anda ingin menemukan masalah dan bug paling canggih dari produk Anda - lepaskan dalam uji beta terbuka. Tim penguji yang langka akan dapat menemukan kasus penggunaan yang akan ditemui produk dalam kehidupan nyata. Tetapi kemewahan seperti pengujian publik dapat diakses oleh perusahaan baru yang menginspirasi, tetapi tidak untuk perusahaan besar, yang pelanggannya tidak meragukan perhatian terhadap kualitas - untuk mencoba membuka "uji beta" Anda dapat kehilangan tidak hanya gambar Anda, tetapi juga bagian dari kapitalisasi Anda. Oleh karena itu, paket simulasi modern juga diperlukan untuk memodelkan operasi jangka panjang produk dalam berbagai kondisi. Beban statis dan dinamis pada semua sumbu, getaran, guncangan, efek termal dan akustik - semua perhitungan ini diperlukan agar beberapa minggu setelah dimulainya penjualan, pembeli yang marah tidak membuka mata mereka kepada produsen untuk bug desain.
Di Habré, sebuah
cerita menarik diterbitkan tentang bagaimana, menggunakan pemodelan numerik, mereka mencari penyebab kerusakan vibrobar shredder untuk skrap. Setelah pekerjaan persiapan dalam bentuk penciptaan menyeluruh dari model mesin penghancur dengan mempertimbangkan geometri, karakteristik mekanik bahan dan kondisi pemuatan, para insinyur menemukan getaran resonansi dan titik tertentu di mana kontak dampak yang menghancurkan lasan terjadi. Adalah mungkin untuk menyelidiki saluran getaran yang bekerja dengan tangan mereka sendiri, sangat membahayakan kesehatan dan anggota badan mereka, dan hasil dari penelitian tersebut tidak dijamin. Dan Anda dapat menyiapkan data untuk pemodelan dan dengan cepat mendapatkan model shredder yang paling akurat dengan lokalisasi titik masalah.
- Kesalahan desain. Jika ketebalan benda tidak cukup untuk menahan goncangan, jatuh, dan bahkan tinju, cara logis pertama untuk memperkuat struktur adalah dengan menambahkan pengaku tersembunyi. Namun, tanpa memodelkan ulang tes kerusakan, versi yang diperbarui dari bagian tersebut tidak dapat dimasukkan ke dalam produksi - sering ada kasus di mana "perbaikan" yang salah memberikan efek sebaliknya. Pengaku yang sama menyerap energi kinetik bukan tanpa jejak, tetapi mendistribusikannya kembali. Karena mereka, titik lemah baru dapat dibentuk di bagian, yang tidak ada sebelumnya. Oleh karena itu, setelah setiap perubahan desain, perlu untuk mensimulasikan beban lagi.
Mensimulasikan aliran udara melalui radiator - ini adalah tempat di mana ada ruang untuk peningkatan pendinginan dan aerodinamika! Sumber: Perangkat Lunak Siemens / YouTube
Kesalahan desain tidak selalu jelas pada tahap desain. Beberapa dari mereka merasakan sendiri setelah sebulan menggunakan barang secara teratur. Misalnya, sepuluh tahun yang lalu, pemilik iPhone 3G / 3GS dihadapkan dengan fakta bahwa kotak plastik smartphone mulai retak dari waktu ke waktu, terutama di sekitar konektor pengisian daya. Di iPhone 6 Plus, di bidang tombol volume dan baki kartu SIM, kelemahan ditemukan dalam kasus yang terbuat dari paduan aluminium yang kurang kuat - sering pemilik mengeluarkan ponsel bengkok dari saku belakang celana mereka.
Ada banyak video di YouTube tentang betapa mudahnya untuk menekuk dan bahkan merusak iPhone 6 Plus - bahkan anak kecil pun bisa melakukannya. Di iPhone 6S berikutnya, Apple mengubah paduan tanpa mengubah desain smartphone, yang sepenuhnya menyelesaikan masalahMantan pengguna smartphone HTC HD2, pasti, akan mengingat lokasi kabel touchscreen yang sangat kontroversial, yang terletak persis di bawah tombol daya ponsel - dari tekanan konstan pada tombol, kabel rusak dan layar berhenti merespons sentuhan. Masalah-masalah ini dapat dihitung pada simulasi panjang operasi perangkat - berbulan-bulan harus dihabiskan untuk menguji prototipe nyata, sedangkan perangkat lunak akan mengatasi simulasi dalam sehari.
Tentunya, insinyur nyata akan ingin secara signifikan melengkapi posting ini dengan pengalaman dan pengetahuan mereka - kami selalu terbuka untuk komentar yang bermanfaat. Kami berharap bahwa bahan ini telah membantu orang jauh dari desain untuk membuka tabir kerahasiaan atas simulasi proses produksi.