Geld verdienen met productiesimulatie dr. ir. Mart Heerschap MG technical solutions BV (www.mgts.nl)
De uitdaging In de wereld van productie van goederen wordt er continu onderzocht of er sneller, goedkoper en schoner is te produceren. Invloeden van buitenaf, bijvoorbeeld regelgeving van de overheid, dwingen de producent om naar alternatieve productiemethoden of reductie van het gebruik van milieubelastende materialen. Minstens net zo belangrijk zijn de externe invloeden, klanten, die verlangen of beter eisen dat u sneller en goedkoper produceert. Dat betekent dat het productieproces steeds meer geoptimaliseerd moet worden.
Virtual manufacturing Een mogelijkheid om de eerder geschetste uitdaging aan te gaan is door middel van het gebruik van “virtual manufacturing”, ofwel virtuele productie. Wat is “virtual manufacturing”? Virtual manufacturing is de simulatie van een product en de processen nodig voor de fabricage. De simulatie laat toe om ongewenste effecten in een vroeg stadium te ontdekken en te verhelpen. Tevens bidt dit de mogelijkheden om het ontwerp aan te passen aan eventuele beperkingen van een gekozen productiemethode. Al bestaande en dus lopende productieprocessen kunnen worden geoptimaliseerd zonder de draaiende productie stil te leggen. Er kan met procesparameters gevarieerd worden om zo tot een optimaal ontworpen productieproces te komen. Er kunnen zelfs nieuwe productieprocessen worden uitgeprobeerd zonder de daarvoor benodigde productiemiddelen eerst aan te schaffen. Dit resulteert in twee belangrijke voordelen, ten eerste worden de ontwikkelingskosten voor productie sterk gereduceerd en ten tweede wordt de “time-to-market” gereduceerd.
Omdat het productieproces is gesimuleerd betekent het dat wanneer het fysieke proces wordt opgezet, het resultaat in één keer goed is. Productiesimulatie is een gereedschap om de introductie van een nieuw product op tijd en binnen budget te realiseren. Virtual manufacturing of productiesimulatie is gebaseerd op het gebruikt van niet-lineaire eindige elementen methoden (EEM). Hier wordt aan het eind van dit artikel nader op in gegaan.
Toepassing productiesimulatie Productiesimulatie is relatief jong. Het is een nieuw toepassingsgebied voor de niet-lineaire eindige elementen methode. Het is een logische uitbreiding van het toepassingsgebied omdat het de gebruiker nu in staat stelt het gehele technisch ontwikkelingstraject van nieuwe producten te digitaliseren. Essentieel punt daarbij is dat niet alleen het ontwerp, maar ook het productieproces invloed heeft op het functioneren van het uiteindelijke product. In het voorbeeld van het dieptrekken van een metalen onderdeel, heeft het proces van dieptrekken invloed op de uiteindelijke dikteverdeling van het product. De dikteverdeling heeft invloed op de sterkte, het gewicht en de kostprijs van het product. Het kan zelfs zo zijn dat het product door middel van dieptrekken met de gewenste dikteverdeling misschien zelfs helemaal niet produceerbaar is. Het is voor de hand liggend dat hoe sneller deze informatie beschikbaar komt, er minder geld verloren wordt in de productontwikkeling, en het gehele ontwikkelingstraject wordt versneld.
1
Het ontwikkelingstraject zonder productiesimulatie ziet er uit als in onderstaande figuur. ontwerp CAD
virtueel traject
sterkteberekening (EEM)
fysiek prototype onvoldoende
voldoende
evaluatie
serieproductie
figuur 1: traditioneel ontwikkelingstraject
Wanneer er een productiesimulatie wordt toegepast kan het gehele ontwikkeltraject gedigitaliseerd worden. Het ontwikkelproces wordt dan als volgt schematisch weergegeven.
ontwerp CAD
Wanneer beide figuren worden vergeleken valt direct op dat de stap van een fysiek prototype uit de ontwerpcyclus is gehaald. Deze stap is duur en tijdrovend in vergelijking met de productiesimulatie. In plaats van deze herhaald te moeten uitvoeren kan nu worden volstaan met het produceren van één prototype. In een aantal gevallen, bijvoorbeeld de ontwikkeling van een variant op basis van een bestaand product, kan de stap van het maken van een prototype zelfs geheel worden overgeslagen. Overigens wordt een productiesimulatie ook vaak achteraf toegepast. Meestal gaat dat om een productieproces of productiestap die is ingevoerd en niet in het gewenste effect resulteert. Dan wordt productiesimulatie als manier voor trouble shooting ingezet. Op die manier wordt een kostenreductie gerealiseerd, en het werkt sneller dan wanneer het probleem op een trial-and-error methode wordt opgelost. Maar ook hier geldt dat voorkomen van productieproblemen beter is dan genezen.
De voorbeelden Mooi verhaal, maar werkt het nu echt zult u zich misschien afvragen. Aan de hand van een aantal cases uit de praktijk wordt de werking van productiesimulatie aangetoond.
virtueel traject sterkteberekening (EEM)
Smeden
productiesimulatie
evaluatie
optimaal
onvoldoende één prototype en aansluitend serieproductie
Een fabrikant wil één van de productiestappen vervangen door een gesloten matrijs smeedproces. Daarbij is het belangrijk om de kwaliteit van het werkstuk en de perskracht te bepalen. Er zijn drie mogelijke manieren bedacht om de huidige productiestap te vervangen. Door productiesimulatie toe te passen was men in staat deze stappen onderling te vergelijken. Overigens worden in dit artikel slechts twee van de drie alternatieven getoond.
figuur 2: ontwikkelingstraject ondersteund met productiesimulatie
2
De winst voor het bedrijf is dat men nu het beste alternatief heeft kunnen kiezen zonder de matrijzen voor alle alternatieven te maken. De huidige productiestraat heeft men niet hoeven stoppen om één van de alternatieve stappen in te voegen. Verder heeft men vooraf vast kunnen stellen wat de te verwachten kwaliteit van de werkstukken is bij gebruik van een bepaalde productiemethode. Als extra kan men ook de benodigde hydraulica precies afstemmen op hetgeen werkelijk nodig is. Samenvattend heeft men een bedrag van enkele tienduizenden euro’s kunnen besparen. Tevens heeft men de ontwikkelingstijd van enige maanden kunnen verkorten tot ongeveer één week.
Strekbuigen Boeing figuur 3: Twee alternatieve vergeleken
figuur 4: Temperatuur werkstuk na het smeden
figuur 5: Smeedkracht voor één van de alternatieven
Bij strekbuigen van een aluminium plaat ontstaat een zekere hoeveelheid zogenaamde spring back. Het grootste gedeelte van de vervorming is plastisch van aard maar een gedeelte is een elastische vervorming. Dat elastische gedeelte zorgt voor de terugvering of spring back. Matrijzen zijn duur om deze grote platen te vervormen. Daarom werd er meestal voor de terugvering niet gecorrigeerd zodat bij de assemblage van het vliegtuig met vulstukjes gewerkt moest worden. Het resultaat is een arbeidsintensieve en dus dure assemblage en een contour van het vliegtuig die vanuit aerodynamisch oogpunt niet optimaal is. Om dit te voorkomen moeten de matrijzen enigszins door de contour heen gezet te worden om de plaat de uiteindelijke optimale vorm te laten bereiken. Door productiesimulaties kon het aanpassen van de matrijs stap voor stap worden uitgeprobeerd zonder een matrijs daadwerkelijk te produceren. Door deze aanpak kon na de productiesimulaties in één keer de juiste matrijs gefabriceerd worden. Het resultaat: twee matrijzen bespaard en een verbeterd brandstofverbruik van de vliegtuigen omdat de aerodynamische vorm van het toestel beter is.
3
Boeing heeft zelf de besparing op ongeveer 2 miljoen dollar in het eerste jaar alleen geraamd.
figuur 6: Strekbuigmachine bij Boeing
door de materiaaleigenschappen en de dikte van de beker. De materiaaleigenschappen zijn bij het hier gebruikte materiaal redelijk constant, maar de dikte varieert over de gehele beker. Dit wordt veroorzaakt door het productieproces, thermoformen. Een cirkelvormige schijf van het materiaal wordt verwarmd en vervolgens wordt, al dan niet met behulp van een plug, het materiaal door middel van een onderdruk in de matrijs gezogen. Temperatuur, drukverloop materiaal, en plug hebben een grote invloed op de uiteindelijke dikteverdeling van de beker. Het op deze manier gekozen concept bleek aanmerkelijk beter te voldoen dan de oude beker en was bovendien in één keer goed te produceren. Resultaat: in één keer de juiste matrijzen bepaald, in één keer juist kunnen produceren.
figuur 8: diverse alternatieven vergeleken figuur 7: Simulatie verschillende stadia van het strekbuigproces (met dank aan MSC.Software)
Ontwikkeling nieuwe puddingbeker Een zuivelproducent wilde een tweetal bestaande puddingbekers vernieuwen. In samenwerking met industrieel ontwerpers zijn testen uitgevoerd om de belasting bij stapelen vast te kunnen stellen. Met een sterktesimulatie zijn deze experimenten gereproduceerd. Nadat op deze manier het computermodel was gevalideerd is er gekeken naar andere vormen van de puddingbekers. De belastbaarheid van de bekers heeft vooral te maken met de last waarbij de beker uitknikt. De kniklast van de beker houdt wordt bepaald
figuur 9: de uiteindelijke dikteverdeling (getoond op een kwart van de beker)
4
figuur 10: productie van de puddingbeker in doorsnede
Torderen van een strip Een fabrikant van statische mixers (mengers voor chemische en voedingsmiddelenindustrie) baseert zijn machines op getordeerde strips. Deze strips worden op speciaal daarvoor gemaakte banken gefabriceerd. De markt vroeg om grotere mixers dan die in het huidige productgamma aanwezig waren. Op de huidige banken was het niet meer mogelijk deze te maken. De fabrikant twijfelde aan de haalbaarheid van de productie van de getordeerde strips met de afmetingen benodigd voor de nieuwe mixers. Door gebruik te maken van de huidige productiemachines en de instellingen van die machines bleken de nieuwe, grotere en dikkere strips niet te fabriceren, zie figuur 11.
Er werd gebruik gemaakt van krachtsgestuurde banken om de stabiliteit bij het torderen te waarborgen. Het proces is aangepast om tot een zeker moment de aansturing krachtsgestuurd en daarna verplaatsingsgestuurd te maken. Dat betekende dat met relatief eenvoudige aanpassing in het productieapparaat grotere mixers dan voor heen te maken waren.
Productie van dubbel gekromde Glare panelen Stork Fokker AESP (www.stork.com) produceert de Glare panelen voor de Airbus A380. In een gedeelte van de romp wordt Glare gebruikt, dat is ongeveer een totaal van 400 m2 per A380. Glare is een gelaagd materiaal, dat bestaat uit dunne laagjes aluminium en glasvezel versterkte kunststof. In de Stork fabriek in Papendrecht worden deze panelen gelamineerd. Dunne lage aluminium en lagen glasvezel versterkte kunststof worden met de hand in mallen geplaatst. Daarna worden de laminaten in een autoclaaf uitgehard.
figuur 12: de opbouw van Glare
figuur 11: links initiële productie en rechts de verbeterde
figuur 13: de plaatsen inde Airbus A380 romp waar Glare wordt toegepast
5
figuur 14: lamineren van Glare panelen
De dubbel gekromde Glare panelen vormen een extra uitdaging. De laagjes aluminium, die typisch 0,3 tot 0,4 mm dik zijn, vervormen alleen elastisch in de mal. De glasvezel versterkte kunststof wordt uitgehard bij een verhoogde temperatuur. Wanneer de kunststof is uitgehard houdt deze de aluminium platen in de gewenste vorm. In de praktijk is de gewenste vorm minder goed te handhaven dan in theorie. De elastische spanningen in de aluminium lagen en de verschillen in uitzettingscoëfficiënten van de diverse materialen, waarbij die in de kunststof tevens richtingsafhankelijk zijn, resulteren in een significante spring back (terugvering) van het paneel na de productie. De productie van het paneel is gesimuleerd. Als eerste werden de elastische voorspanningen in de aluminium platen berekend. Vervolgens is de temperatuur van het paneel verhoogd, kunststof uitgehard en vervolgens de temperatuur verlaagd tot kamertemperatuur verlaagd. De op deze manier berekende spring back werd vergeleken met de gemeten spring back. Op deze manier is het eindige elementen model gevalideerd.
figuur 15: berekende verplaatsingen in het dubbel gekromde Glare paneel
Toen de voorspellingen van de productiesimulatie voldoende nauwkeurig bleken te zijn, zijn een aantal matrijsvormen geëvalueerd die door de contour heen gezet waren. De mate waarin de matrijzen waren aangepast zijn gebaseerd op de eerdere metingen en berekeningen. Op deze manier is een paneel ontwikkeld dat nog maar een fractie van de oorspronkelijke spring back vertoont en dat zich nu ruim binnen de productietoleranties bevindt. Behalve dat nu een voldoende goed paneel wordt geproduceerd zijn nog een aantal voordelen gerealiseerd. Het aanpassen van de matrijs (ongeveer 12x4 m) hoefde maar één maal te gebeuren. Er hoefde geen extra panelen geproduceerd te worden. De geschatte besparing door de inzet van productiesimulatie is tenminste enkele tonnen.
Aluminium gieten Alcoa Infrastructures (www.alcoa.com), tegenwoordig SAPA Pole Products (www.sapagroup.com), fabriceert en verkoopt diverse soorten straatmeubilair. Daaronder worden lichtmasten, portalen, borden en hun toebehoren verstaan. Deze onderdelen worden vrijwel zonder uitzondering van aluminium gemaakt. Eén van de toebehoren is een voet bedoeld om een lichtmast op een betonnen ondergrond te monteren. Deze voeten worden door middel van gieten geproduceerd. Bij het gieten zijn diverse zaken die de sterkte van het
6
product negatief kunnen beïnvloeden. De belangrijkste negatieve gevolgen van het gietproces zijn: slink, gas en lucht. Slink is een inwendige porositeit die ontstaat in de fase van het gietproces waar stolling en navulling optreedt. Afhankelijk van de legering krimpt het materiaal ongeveer 5 tot 7% in volume. Hierdoor kunnen holtes ontstaan in het gietstuk. Daarom zorgt men voor een zo goed mogelijke 'navoeding' van materiaal uit een reservoir. Gas in de vorm van waterstof of stikstof kan ontstaan als men de smelt niet goed ontgast. Lucht ontstaat als het vullen van de gietvorm met te hoge snelheden plaatsvindt. Het ligt voor de hand dat de holtes, ernstige gevolgen kunnen hebben voor het uiteindelijk functioneren van het product.
Traditionele aanpak Bij de traditionele aanpak wordt een gietstuk ontworpen, hiervan een prototype gemaakt en na testen aangepast totdat het geschikt is voor de gietproductie. Om tot het beoogde resultaat te komen is veel ervaring nodig, in combinatie met trial and error. Dat kan nogal wat extra tijd en dus geld met zich meebrengen. Na elke correctie moet immers een nieuw prototype moet worden gemaakt, waarvoor al dan niet een nieuwe mal moet worden vervaardigd. Soms worden op doorsneden waarvan verwacht wordt dat ze kritisch zijn prototypes doorgezaagd. Wanneer er op deze zaagsneden geen slink wordt aangetroffen, wordt verondersteld dat het product slinkvrij is.
Productiesimulatie gieten Bij de virtuele aanpak krijgt het in CAD ontworpen gietstuk een vervolg in de vorm van een numeriek prototype. Dit numerieke prototype, of model, wordt vervolgens op allerlei punten doorgerekend. De komst van steeds krachtiger computers en gespecialiseerde software maakte het mogelijk om processen van gieten, sterkte en vermoeiing steeds nauwkeuriger te berekenen. Zo kan het gietproces, in het bijzonder de wijze van aansnijding, de wijze van stolling en de legeringskeuze, worden geoptimaliseerd. Door een gietsimulatie, ontwikkeld door het Sirris in Gent, België, heeft zijn slink en lucht aan te tonen, waarbij slink – de grootste boosdoener - exact vooraf kan worden berekend. Doordat vooraf berekenen en analyseren mogelijk is kan het gietproces worden voorspeld.
figuur 17: de gietsimulatie
figuur 16: het fysieke gietproces
Sterkteanalyses kunnen effectiever worden uitgevoerd doordat men zowel bij giet- als bij sterktesimulatie binnenin het product kan kijken. De residuele spanningen (ingevroren spanningen) na het gieten kunnen nu ook in rekening worden gebracht. De integratie van giet- en sterkte software, ontwikkeld door MGts en het Sirris, bestaat nu uit het overdragen van deze residuele spanningen van het giet model naar het sterkte model over te dragen. De gietsimulatie is gebaseerd op een eindige volume methode, de sterkte simulatie
7
op een eindige elementen methode, zie ook het kaderstuk aan het eind van dit artikel. Bij de eindige volume methode is de ruimte van het model opgedeeld in kleine volumes, ofwel cellen. Door deze cellen kan materiaal stromen, maar de cellen vervormen niet. Bij de eindige elementen methode wordt de geometrie van het model opgedeeld in kleine simpele volumes, de elementen. Het materiaal kan niet in of uit deze elementen stromen, maar de elementen zelf kunnen onder invloed van belastingen wel van vorm veranderen. Eén van de gevolgen van de verschillende gebruikte methoden is dat de meshes (celverdeling en elementverdeling) niet met elkaar overeenkomen. Er wordt nu gebruik gemaakt van een mapping techniek om de resultaten van de ene mesh naar de andere over te kunnen dragen. De volledige spanningstensor en rektensor wordt overgedragen. Op deze manier wordt het spanningsbeeld dat ontstaat als product van de gietanalyse zo goed mogelijk overgedragen naar de sterkteanalyse. Dit spanningsbeeld is dan het startpunt voor de sterkteanalyse.
Een bijkomend voordeel van deze virtualisering is dat je ook kunt bekijken of de producten met behoud van de sterkteeigenschappen en andere functionele eisen lichter of anders kunnen worden gefabriceerd. Hierdoor is er een besparing op materiaal- en op productiekosten mogelijk. Met behulp van deze productiesimulatie heeft Alcoa producten kunnen ontwikkelen die in één keer voldeden aan de gestelde eisen Bovendien is een besparing op het materiaal gebruik gerealiseerd.
figuur 19: het uiteindelijke product, met dank aan Alcoa Infrastructures
figuur 18: het spanningsbeeld als resultaat van de sterkteberekening
8
De voordelen van productiesimulatie Samenvattend kan productiesimulatie u helpen de volgende voordelen te realiseren: • Minder prototypes Omdat er nu meer ontwerpen van het productieproces in het virtuele laboratorium kunnen worden uitgeprobeerd, hoeven minder testen in de werkelijkheid worden uitgevoerd. Het is nu mogelijk om in één keer de productie goed te krijgen. Het bouwen en testen van virtuele productieprocessen is vele malen goedkoper dan het in werkelijkheid uit testen daarvan. • Minder materiaalgebruik Minder prototypes bouwen, betekent minder materiaalgebruik. Door verder gaande optimalisatie van het productieproces kan tevens het materiaalgebruik worden geminimaliseerd. • Minder gereedschapskosten Omdat gereedschappen zoals matrijzen, mallen en dergelijke met het gebruik van productiesimulatie veel sneller en in de meeste gevallen zelfs in één keer goed is, hoeft minder dan normaal aan gereedschappen te worden uitgegeven. Verder kan door optimalisatie vaak worden volstaan met lichter en dus goedkoper gereedschap. • Verbeterde kwaliteit van het product Behalve dat ontwikkelingskosten worden gereduceerd is de kwaliteit van het product vaak ook verbeterd. Doordat het er in het virtuele laboratorium meer alternatieven voor het productieproces kunnen worden geëvalueerd dan in de werkelijkheid, zal het uiteindelijke productieproces beter zijn. Een beter productieproces betekent ook dat het product beter aan de gestelde eisen zal voldoen. • Gereduceerde time-to-market Omdat de ontwikkelingstijd in het virtuele laboratorium veel korter is dan dat men met fysieke testen moet gaan werken wordt de totale ontwikkelingstijd sterk verkort. Dit staat de fabrikant tevens in staat de totale time-to-market significant te verkorten.
Onze ervaring Van al onze klanten die productiesimulatie hebben gebruikt of bedrijven die productiesimulatie zelf hebben ingevoerd, is er geen een die daarmee is gestopt. Wij zijn er van overtuigd dat er veel meer bedrijven zijn die profijt kunnen hebben van het gebruik van productiesimulatie.
9
Eindige elementen methode Virtual manufacturing of productiesimulatie is gebaseerd op het gebruikt van niet-lineaire eindige elementen methoden. De eindige elementen methode is een belangrijk gereedschap om gedrag van constructies te simuleren onder belasting, veranderingen in de constructie te maken en de effecten daarvan te tonen. De eindige elementen methode werkt door een constructie onder te verdelen in een behoorlijk aantal kleine delen (elementen). Het gedrag van ieder element is te voorspellen aan de hand van wiskundige uitdrukkingen. Door het gedrag van alle elementen samen te nemen, wordt het gedrag van de hele constructie voorspeld. Alle elementen bevatten informatie voor het gebruikte materiaal, eigenschappen en belastingen. Traditioneel wordt de eindige elementen methode gebruikt om sterkteberekeningen uit te voeren. Het is meestal goedkoper om een constructie te testen met een computersimulatie dan met een destructieve test. De eindige elementen methode is niet bedoeld om testen compleet te vervangen, maar als gedeeltelijke vervanging en aanvulling. Er worden bijvoorbeeld nog steeds enkele crashtesten op nieuwe auto modellen uitgevoerd, maar er worden ook tientallen, of honderden crash simulaties uitgevoerd. De uitgevoerde crash testen dienen dan vooral als validatie voor de uitgevoerde berekeningen. De eindige elementen methode is als eerste ontwikkeld in 1943 voor de simulatie van een trillingsprobleem. In 1956 werd de methode aangepast voor meer algemeen gebruik. In de jaren 70 van de vorige eeuw werd de methode commercieel toegepast, in het bijzonder in de luchtvaart- en ruimtevaarttechniek, nucleaire industrie, automobielindustrie, defensie. In de periode daarna is de methode doorgedrongen in alle industrieën waar sterkte van een constructie een rol speelt.
Niet-lineaire eindige elementen methode De niet-lineaire eindige elementen methode is gebaseerd op de gangbare lineaire eindige elementen methode. Toegenomen rekencapaciteit van computers heeft de mogelijkheden geopend om meer complex gedrag van constructies te simuleren. Bij een lineaire eindige elementen methode geldt dat wanneer een belasting twee keer zo groot is, de spanning en verplaatsing in de constructie twee maal zo groot is. Dat is waar voor een bepaald type constructies en bepaalde belastingen. Wanneer de belasting zo groot wordt dat de constructie plastisch vervormt of bezwijkt geldt dit uiteraard niet meer. Dat gedrag wordt niet lineair genoemd. De drie belangrijkste niet-lineariteiten zijn materiaalgedrag, zoals plasticiteit of breuk, geometrisch van aard, zoals knik en contact tussen onderdelen van de constructie. Met de genoemde vormen van niet-lineariteit wordt het al direct duidelijk waarom deze goed kan worden toegepast voor productiesimulatie. Wordt als voorbeeld het dieptrekken van een metalen onderdeel genomen, dan spelen zowel materiaalgedrag (plasticiteit), contact tussen blank en matrijs en grote verplaatsingen een belangrijke rol.
10
