Se você não é especialista, o termo “virtualização de processos de produção” parece incrivelmente chato. De fato, esta é uma lição interessante na interseção entre física e criatividade. Sem ele, todos os objetos ao nosso redor, de móveis e acessórios a veículos e edifícios, não seriam tão tecnologicamente avançados, confiáveis e incríveis como são agora. Neste post, falaremos a não especialistas sobre como estabelecer produção virtual em uma fábrica inexistente, descobrir a resistência à tração de um item sem quebrá-lo e como um programa substitui a equipe de testadores.
Há um prêmio interno na Toshiba que leva o nome de um dos fundadores da empresa, o Prêmio Ichisuke Fujioka, concedido a funcionários que deram uma contribuição particularmente importante ao desenvolvimento da sociedade e à melhoria da vida das pessoas. Tão importante que o vencedor poderia ser chamado de "japonês Edison". Em 2019, Yoshutada Nakagawa, funcionário do Toshiba Corporate Manufacturing Engineering Center, recebeu este prêmio pelo desenvolvimento e implementação de um sistema para simular processos de produção na empresa.
As simulações nas quais Nakagawa está trabalhando permitem calcular e visualizar com precisão o comportamento dos materiais durante a produção de qualquer coisa, desde eletrônicos portáteis a máquinas industriais pesadas (e, por exemplo,
turbinas a vapor ). A simulação permite substituir centenas e milhares de testes de dezenas de protótipos, recriar absolutamente quaisquer condições e cargas, e com um resultado quase sem erros, muito rapidamente e naturalmente economicamente - um computador poderoso pode substituir os meses do laboratório de teste.
Simulação de produção em diferentes estágios de criação do produto na Toshiba. Fonte: Toshiba
Quando Nakagawa chegou à Toshiba, a modelagem virtual ainda não era considerada uma prática necessária - os engenheiros exigiam apenas um trabalho cuidadoso nos circuitos, e os testes foram realizados em protótipos físicos. Nakagawa começou a se familiarizar com as atividades de vários departamentos e fábricas da empresa e ficou surpreso ao entender que cada departamento, cada oficina de produção tem sua própria experiência única, algumas idéias ainda desconhecidas para outros dentro da Toshiba. Decidiu-se formalizar todos esses desenvolvimentos para aplicá-los em todos os lugares - pois este Nakagawa desenvolveu um sistema de modelagem para todas as etapas da produção, construindo-o com base na experiência da empresa cuidadosamente guardada. Os engenheiros vão e vêm, mas o conhecimento não deve desaparecer, deve ser transferido sem distorção e perda, o mais rápido e eficientemente possível, e isso pode ser feito por meio de pacotes de software que podem substituir as pessoas. Você pode aplicar conhecimentos em diferentes áreas.
Simulação de fábrica
Um dos desafios que a Toshiba enfrenta ao projetar uma nova planta é calcular mal sua estrutura interna. Como organizar o transportador, as máquinas-ferramentas e os locais de trabalho para que a produção funcione sem problemas? Sempre existe o risco de ignorar e descobrir que a área de trabalho do manipulador de um robô já montado literalmente cai um centímetro no teto ou que os locais de trabalho estão mal localizados e é necessário transportar peças em suas mãos por um caminho não ideal.
É muito mais fácil construir um edifício para as suas necessidades de acordo com seus próprios projetos do que equipar um edifício existente para você, mas nem sempre é econômico construir uma nova planta em um campo limpo. Para adaptar o edifício adquirido da forma mais eficiente possível, recorremos à ajuda da simulação virtual.
É assim: todos os objetos usados, como elementos transportadores, máquinas-ferramentas, robôs, computadores, móveis - tudo o que colocaremos, são carregados em software especializado. Em seguida, é criado um modelo tridimensional, para os não iniciados do lado de fora, semelhante a uma casa mobiliada no The Sims. Nesta fase, você pode ver se há algum conflito entre os itens.
Um exemplo de uma linha de produção no programa Siemens Line Designer: um dos robôs mostra o alcance de seu manipulador. No estágio da simulação dinâmica, isso ajudará a evitar a interseção perigosa de trajetórias. Fonte: Solução Geométrica / YouTube
A simulação virtual da planta permite testar sua operação em um grande número de parâmetros que as pessoas podem esquecer (e muitas vezes esquecem) no estágio de design. Listamos os mais frequentes.
- Cálculo incorreto de ventilação / refrigeração. Para algumas indústrias, é extremamente importante que uma temperatura e umidade estritamente definidas sejam mantidas na oficina, desvios podem afetar adversamente as propriedades dos materiais que estão sendo processados. Sem mencionar as pessoas para quem um forte calado ou uma área superaquecida à prova de vento na sala não será muito lucrativa.
Sob condições ideais no papel, o projeto pode parecer tranquilo, mas as anomalias climáticas ou as características da sala (aquece ao sol, acumula umidade) negam todos os cálculos. Outra opção: ao projetar um sistema de ar condicionado, os engenheiros podem confiar em suas características técnicas, mas não levam em consideração que o comprimento e a configuração da linha principal afetam seu desempenho ou, por exemplo, que os produtos acabados armazenados antes de serem transportados para um armazém em um determinado local interferem em circulação de ar adequada.
A simulação da planta no programa ajudará a calcular com precisão o movimento do fluxo e da temperatura do ar em diferentes pontos. Os funcionários do departamento de serviço não terão que inventar “muletas” para a oficina recém-inaugurada com equipamentos de superaquecimento, se você simular previamente o trabalho árduo da planta.
- Carga desequilibrada na rede elétrica. A simulação da carga de energia permite ver os pontos em potencial de exceder a carga permitida e, assim, distribuir uniformemente o equipamento ao longo das linhas de backup.
- Desrespeito pelo edifício. Depois de encomendar equipamentos caros para a produção, uma surpresa muito desagradável pode ser o fato de não passar pelas portas / corredores da sala. Verificar se uma máquina de precisão não se transforma em um ursinho de pelúcia saindo de uma toca de coelho é parte integrante de uma simulação de produção virtual.
O aeroporto alemão Berlim-Brandemburgo em 2013 parecia completamente acabado. Porém, devido ao grande número de erros de cálculo de engenharia e falhas de projeto que certamente teriam surgido em uma simulação por computador, o aeroporto está sendo reconstruído e modificado até hoje. Leia uma história emocionante sobre isso. Fonte: Muns / WikipediaSimulação de produção
Imagine que você precisa cozinhar um determinado prato. Segundo a idéia, o resultado deve ser uma obra-prima culinária, um sucesso de restaurante. Sim, eis o problema: você apenas sabe exatamente como deve ficar e não possui a receita exata ou a lista de ingredientes - simplesmente porque ninguém a preparou. Com alguma experiência, você começará a procurar a formulação ideal, realizando dezenas de experimentos. Você provavelmente não apenas sabe o que precisa combinar, como também um ingrediente não suporta o aquecimento, o segundo é melhor usar quente, o terceiro em combinação com eles geralmente muda de sabor e o quarto aumenta o custo do prato várias vezes, embora todos pareçam seria necessário.
Para encontrar o design da máquina mais seguro, você precisa quebrar uma centena de protótipos. Ou calcule a tensão em uma simulação de teste de colisão. Fonte: Maksim / Wikimedia
O processo de busca de materiais, estrutura e o processo mais bem-sucedido de produção de mercadorias se parece com isso. Você pode procurar o design da peça mais confiável, que será usinado corretamente ou fundido sem defeitos, até que o orçamento para prototipagem esteja esgotado, mas é muito melhor carregar o modelo com os parâmetros necessários no programa de análise de elementos finitos. Usando o método dos elementos finitos (MEF), o modelo de peça é dividido em, de fato, elementos para os quais a resposta às cargas é calculada matematicamente.
Graças ao FEM, mesmo na fase de modelagem, é possível detectar, por exemplo, pontos fracos ou locais de maior tensão do caso, nos quais ocorrerá o impacto, é possível calcular os possíveis defeitos de fundição ou fresagem, para não receber um lote de sucata, escolher os materiais ideais, tipos de plástico, tipos de ligas . Programas como o ANSYS ou o Abaqus Unified FEA realizam os cálculos do teste de protótipo - em geral, não é necessário (embora desejável) realizar testes reais. O nível de software de modelagem moderno é tão alto que na Europa você pode obter êxito na certificação de um produto que foi testado exclusivamente virtualmente em um ambiente de computador.
Simulação no programa Abaqus do processo de aluguel de metais. O cálculo das tensões na peça após o rolamento é visualizado. Com um processamento mais complexo, a simulação permite encontrar lugares potencialmente frágeis. Fonte: Abdullah Khalifa / YouTube
E, novamente, listamos os erros típicos no início da produção sem modelagem competente prévia.
- Método de fundição errado. Se você precisar trabalhar com peças de plástico, precisará abordar a fundição com muito cuidado, pois é fácil obter uma rejeição durante a fundição. Você não pode simplesmente pegar algumas peças e colocá-las com mais força no portão, enviando-as para produção. O cálculo da fundição de uma peça individual será mais ou menos plausível, mas se várias peças estiverem localizadas no molde de uma só vez, as simulações individuais serão inúteis - apenas uma simulação completa funcionará para todo o molde. Caso contrário, com alta probabilidade, alguns detalhes estarão com defeito.
- Cálculo incorreto de cargas durante a montagem. A montagem de um objeto de várias partes inevitavelmente cria tensões nos materiais devido ao aperto com parafusos e fixação nas travas. Mesmo que, após a montagem, a estrutura pareça muito confiável, podem ocorrer rachaduras em pontos de aumento de tensão ao longo do tempo. Quase todo mundo conseguirá se lembrar de algum gadget cujo estojo quebrasse de vez em quando, mesmo que fosse tratado com extremo cuidado. Se não estivéssemos falando sobre a baixa qualidade dos materiais, com grande probabilidade os engenheiros calcularam incorretamente (se é que foram calculados) as tensões no dispositivo montado. Preço da falha: pequenas rachaduras, trincas quebradas, roscas quebradas nas conexões de parafuso.
É ainda pior quando problemas são encontrados não em eletrodomésticos, mas no transporte. O primeiro avião de passageiros a jato De Havilland Comet 1 teve um cálculo incorreto do projeto, devido ao qual micro-rachaduras se formaram nas zonas de tensão quando as janelas quadradas foram presas com um rebite. Por causa deles, vários navios no início da década de 1950 literalmente desmoronaram no ar, causando a morte da tripulação e dos passageiros. A falha de projeto, que só foi possível calcular após longos testes do corpo da aeronave na piscina de água, levou à suspensão dos vôos dos transatlânticos e quase se tornou a razão do corte completo do programa Comet.
As mesmas vigias quadradas, os rebites em torno dos quais criavam microfissuras crescendo de um vôo para o outro. Este pedaço real de um avião que caiu sobre o Mar Mediterrâneo está no Museu de Ciência de Londres. Fonte: Krelnik / Wikipedia
Simulação de operação do produto
Se você deseja encontrar os problemas e bugs mais sofisticados do seu produto, libere-o em um teste beta aberto. Uma equipe rara de testadores poderá inventar os casos de uso que o produto encontrará na vida real. Mas um luxo como o teste público pode ser acessível a empresas iniciantes inspiradoras, mas não a empresas de grande nome, cujos clientes não duvidam da atenção à qualidade - ao tentar abrir um "teste beta", você pode perder não apenas sua imagem, mas também sua participação na capitalização. Portanto, modernos pacotes de simulação também são necessários para modelar a operação de longo prazo do produto em uma variedade de condições. Cargas estáticas e dinâmicas em todos os eixos, vibrações, choques, efeitos térmicos e acústicos - todos esses cálculos são necessários para que, algumas semanas após o início das vendas, compradores irritados não abram os olhos para o fabricante por qualquer erro de projeto.
Em Habré,
é publicada uma
história interessante sobre como, usando modelagem numérica, eles procuraram as causas do colapso da calha vibratória do triturador por sucata. Após o trabalho preparatório na forma de uma criação completa de um modelo de triturador, levando em consideração a geometria, as características mecânicas dos materiais e as condições de carga, os engenheiros encontraram vibrações ressonantes e o ponto específico em que ocorre o contato de impacto que destrói as soldas. Foi possível investigar uma calha vibratória em funcionamento com as próprias mãos, arriscando terrivelmente a saúde e os membros, e o resultado de tais estudos não seria garantido. E você pode preparar os dados para modelagem e obter rapidamente o modelo mais preciso do triturador com a localização de pontos problemáticos.
- erros de design. Se a espessura do corpo do objeto não for suficiente para suportar choques, quedas e até socos, a primeira maneira lógica de fortalecer a estrutura é adicionar reforços ocultos. No entanto, sem refazer a modelagem do teste de colisão, uma versão atualizada da peça não pode ser colocada em produção - geralmente há casos em que "melhorias" erradas causavam exatamente o efeito oposto. Os mesmos reforçadores absorvem a energia cinética não sem deixar vestígios, mas a redistribuem. Por causa deles, um novo ponto fraco pode ser formado na peça, que não existia antes. Portanto, após cada alteração no projeto, é necessário simular as cargas novamente.
Simulando a passagem do fluxo de ar através de um radiador - é aqui que há espaço para melhor refrigeração e aerodinâmica! Fonte: Siemens Software / YouTube
Os erros de design nem sempre são óbvios na fase de design. Alguns deles se fazem sentir após um mês de uso regular dos produtos. Por exemplo, há dez anos, os proprietários do iPhone 3G / 3GS se depararam com o fato de que o estojo de plástico do smartphone começou a rachar com o tempo, principalmente em torno do conector de carregamento. No iPhone 6 Plus, na área dos botões de volume e da bandeja do cartão SIM, foram encontradas fraquezas no caso de uma liga de alumínio insuficientemente forte - geralmente os proprietários tiravam um telefone dobrado do bolso de trás da calça.
Existem muitos vídeos no YouTube sobre como é fácil dobrar e até quebrar o iPhone 6 Plus - até crianças pequenas podem fazê-lo. No próximo iPhone 6S, a Apple mudou a liga sem alterar o design do smartphone, o que resolveu completamente o problemaOs ex-usuários do smartphone HTC HD2, com certeza, lembrarão da localização extremamente controversa do cabo da tela de toque, localizado exatamente sob o botão liga / desliga do telefone - devido à pressão constante no botão, o cabo foi danificado e a tela parou de responder ao toque. Esses problemas poderiam ser calculados em uma longa simulação da operação do dispositivo - meses seriam gastos para testar protótipos reais, enquanto o software lidaria com a simulação em um dia.
Certamente, engenheiros de verdade quererão complementar significativamente este post com sua experiência e conhecimento - estamos sempre abertos a comentários úteis. Esperamos que esse material tenha ajudado as pessoas distantes do design a abrir o véu de sigilo sobre a simulação dos processos de produção.