시뮬레이션 소프트웨어가 날개를 펴다

제품 복잡성, 경량화, 고급 재료 및 새로운 제조 방법과 같은 성가신 문제와 씨름할 때 오늘날의 제조 엔지니어는 이러한 문제에 대한 솔루션을 시각화하기 위해 점점 더 충실도 높은 시뮬레이션을 사용합니다. 최신 시뮬레이션 소프트웨어는 최고의 설계뿐만 아니라 이를 달성하는 가장 효율적인 방법을 결정하는 데 도움이 되는 고급 CAE 패키지 및 NC 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 제품 설계 및 성능을 개선하는 데 단서를 제공할 수 있습니다.

적층 제조(AM)와 같은 새로운 제조 공정은 제조업체에 다양한 문제를 제시하며 시뮬레이션은 어떤 솔루션이 가장 효과적인지 미리 결정할 수 있습니다. 많은 시뮬레이션 소프트웨어 패키지는 이제 적층 제품이 만들어지는 레이어링 프로세스를 조명하는 데 도움이 될 수 있는 적층 특정 시뮬레이션을 제공하는 동시에 기존의 절삭 금속 절단 공정을 보다 효율적으로 만드는 방법을 시각화합니다.

복잡성 문제 해결

개별 제조에서 제품 개발 엔지니어는 자동차에서 항공기, 대형 선박 및 중장비에 이르기까지 산업용 사물 인터넷(IIoT)용 전자 장치로 시스템을 프로그래밍하는 수백만 줄의 코드를 포함하고 있기 때문에 엄청난 도전에 직면해 있습니다.

Siemens PLM Software(Plano, TX)의 글로벌 시뮬레이션 제품 마케팅 이사인 Ravi Shankar는 "우리가 보고 있는 더 큰 추세는 제품의 복잡성 증가입니다. "디지털 트윈과 모델 기반 엔지니어링이 원동력입니다."

자율 차량과 드론은 시뮬레이션 소프트웨어 시스템이 필요한 복잡한 시스템의 최신 예라고 Shankar는 말했습니다. "저희는 또한 경량화 및 제너레이티브 디자인 사용의 증가와 함께 자동차 연비와 배기가스 배출에 초점을 맞추는 것을 보았습니다."라고 그는 덧붙였습니다.

Siemens는 최근 Simcenter 시뮬레이션 솔루션과 새로운 센서 기술을 통합한 자율주행 자동차용 솔루션을 출시했습니다. 3월 시카고에서 열린 Siemens의 미국 혁신의 날(US Innovation Day)에서 이 회사는 센서 융합 및 처리를 위한 알고리즘 개발을 자동화하는 Mentor DRS360 플랫폼과 함께 Tass PreScan 가상 센서 이미지를 사용하는 시스템을 공개했습니다.

작년에 지멘스가 인수한 Tass International(네덜란드 스티노벤웨그)의 제품 이사인 Martijn Tideman은 “첫 번째 추세는 물리학 기반의 세계 모델과 물리학 기반의 센서 모델을 만들 수 있다는 것입니다. “이러한 모델은 실제 카메라, 레이더 및 LIDAR에서 가져온 것처럼 생성될 수 있는 충실도가 높은 인공 센서 정보를 만듭니다. 이러한 인공 데이터를 DRS360과 같은 차내 처리 장치에 제공하면 1마일을 운전하지 않고도 차내 하드웨어/소프트웨어를 평가할 수 있습니다.”

또 다른 핵심은 자동 운전 시뮬레이션 소프트웨어가 고성능 클러스터(HPC)에서 실행되도록 하는 것이라고 Tideman은 말했습니다.

“이러한 클러스터는 많은 시뮬레이션을 병렬로 실행할 수 있으므로 가상 평가/검증 프로세스의 속도가 빨라집니다. 주말에 백만 마일을 운전할 수 있기를 원합니다.

"자동 운전 시뮬레이터는 가상 도로 네트워크 또는 차량 역학 시뮬레이션 도구를 자동으로 생성하여 차량이 제어 작업에 올바르게 응답하는지 확인하기 위해 지도 가져오기와 같은 다양한 기타 하드웨어 및 소프트웨어 모듈에 연결되어야 합니다."라고 그는 설명했습니다. . FMI/FMU(기능적 목업 인터페이스/기능적 목업 장치)와 같이 "시뮬레이션 도구 간의 인터페이스가 점점 더 표준화되고 있습니다."라고 Tideman은 덧붙였습니다.

파괴적인 시뮬레이션

몇 가지 핵심 구현 기술이 시뮬레이션이 제조에 적용되는 방식에 영향을 미치고 있습니다. Seth A. Hindman, 제품 전략 및 관리, 제조, 수석 관리자는 "계속해서 진화하고 개선하는 수많은 기술 개발이 있지만 소수는 시뮬레이션 기능이 어디에서, 어떻게, 누구에 의해 사용되는지를 근본적으로 파괴할 가능성이 있습니다."라고 말했습니다. Autodesk Inc.(CA San Rafael, CA)의 건설 및 생산

“무어의 법칙은 대부분의 사람들이 상상했던 것보다 훨씬 오래 계속해서 사실입니다. 처리 능력의 지속적인 발전으로 매우 강력한 하드웨어를 매우 저렴한 가격에 사용할 수 있습니다. 광범위한 광섬유 네트워크의 개발과 결합하여 회사는 자체 인트라넷의 속도를 초과하는 외부 계산 리소스에 연결할 수 있습니다.”라고 Hindman이 말했습니다. "버스트 용량, 탄력적 컴퓨팅 및 구성 가능한 HPC[고성능 컴퓨팅]를 통해 기업은 제품이 수많은 애플리케이션 및 환경에서 어떻게 작동하는지 진정으로 이해할 수 있는 충분한 분석을 실행하여 제품 엔지니어링 및 제조 방식을 근본적으로 변경할 수 있습니다."

Hindman은 제조업체도 메쉬 종속 분석에서 벗어나고 있다고 말했습니다.

“3D 설계 데이터의 유비쿼터스 특성으로 인해 더 이상 메쉬에 종속되지 않고 기본 설계 데이터와의 연관성을 통해 이점을 얻을 수 있는 시뮬레이션 도구에 대한 수요가 계속해서 증가하고 있습니다. 이는 일반 워크플로의 생산성을 높일 뿐만 아니라 시뮬레이션 기능의 이점을 누릴 수 있는 대상을 확대합니다. 자연스러운 다운 압력은 더 강력하고 직관적이며 기존 CAE 요구 사항을 깨는 솔루션을 만드는 것입니다. 장기적인 잠재력은 이것이 솔루션과의 간소화된 상호 작용 및 번거로운 작업의 자동화를 가능하게 한다는 것입니다."

Hindman은 시뮬레이션을 "앞서" 가져오기 위한 CAE 내의 오랜 관점이 이제 객관적 기반 분석이라는 아이디어로 대체되고 있다고 덧붙였습니다. "선행 시뮬레이션은 강력하지만, 여전히 기존의 설계한 것을 테스트하는 것과 정의한 목표를 충족하는 설계를 탐색하는 관습에 의존하고 있습니다."라고 그는 말했습니다. Autodesk는 현재 Autodesk Fusion 360 Ultimate에서 제공되는 제너레이티브 디자인을 엔지니어링 시장에 도입하고 있다고 Hindman이 덧붙였습니다.

Hindman은 "우리의 제너레이티브 디자인 기술은 시스템에서 객관적인 디자인을 생성할 수 있도록 하여 디자인 공간의 광범위한 탐색을 촉진하고 통찰력 기반 트레이드오프를 가능하게 합니다."라고 말했습니다. “엔지니어의 주요 임무는 역사적으로 작동하는 디자인을 만드는 것이었습니다. 제너레이티브 디자인을 사용하면 모든 결과가 기본 요구 사항을 성공적으로 충족하므로 의사 결정과 균형이 핵심 비즈니스 이니셔티브 수준으로 향상됩니다.”

첨가 공정 시뮬레이션

적층 개발은 계속해서 제조 산업을 자극하고 있으며 많은 시뮬레이션 개발자는 최근 시뮬레이션 소프트웨어의 새로운 또는 향상된 적층 특정 버전을 출시했습니다.

예를 들어, 4월 19일 시뮬레이션 개발자 Ansys Inc.(Canonsburg, PA)는 금속 AM 공정을 위한 시뮬레이션을 제공하는 새로운 Additive Print 및 Additive Suite 솔루션을 출시했습니다. 이 솔루션을 통해 사용자는 가볍고 복잡한 금속 부품을 인쇄하고 미세 구조 속성 및 거동을 분석할 수 있습니다. Ansys는 이것이 설계 제약을 제한하고 낭비를 줄이며 인쇄 시간을 줄임으로써 AM 비용을 줄이는 데 도움이 될 것이라고 말했습니다.

Ansys의 완전한 적층 시뮬레이션 워크플로를 통해 고객은 부품을 인쇄하기 전에 가상으로 제품 설계를 테스트할 수 있습니다. 이 소프트웨어는 인쇄 프로세스 이전에 시뮬레이션을 통합하므로 엔지니어는 설계 단계에서 부품의 성능을 설계, 테스트 및 검증할 수 있으며 물리적 시행착오로 인한 높은 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

ANSYS 적층 제조 이사인 Brent Stucker는 AM이 제조 분야의 판도를 바꿀 수 있다고 말했습니다. “의료 기기는 환자 고유의 기하학적 구조로 생산될 수 있습니다. 교체 부품이 주문될 때 생산될 수 있기 때문에 많은 구성 요소의 예비 부품 재고는 과거의 일이 될 것입니다.”라고 Stucker는 말했습니다. “석유 및 가스 산업과 같은 극한 환경에서 작동하는 제품은 새로운 [더 내구성 있는] 하이브리드 재료 구성으로 생산될 수 있습니다. AM이 제공하는 기하학적 복잡성은 수십 개의 구성 요소를 더 가볍고 고성능인 단일 구성 요소에 통합할 수 있음을 의미합니다."

Stucker는 AM에서보다 일반적으로 엔지니어링 시뮬레이션 사용자가 아니었던 설계자와 기계 작업자가 이제 복잡한 인쇄 프로세스를 이해해야 한다고 말했습니다.

"우리는 부품이 성공적으로 제작될 수 있는지 예측할 때 기계 작업자가 교육받은 추측 이상을 원한다는 것을 알고 있습니다."라고 그는 말했습니다. "특정 기계 설정으로 인해 지지대에서 제거하기 전후에 부품이 어떻게 왜곡되는지, 과도한 왜곡으로 인해 분말 살포 메커니즘이 부품에 부딪힐 수 있는지 여부를 신속하게 이해해야 합니다(블레이드 충돌이라고 함). 상황은 AM[DfAM]을 위한 디자인을 수행하는 디자이너와 유사합니다. 그들은 자신이 디자인한 부품이 성공적으로 인쇄되는지, 가능하다면 해당 구성 요소의 속성이 무엇인지 알고 싶어합니다.

"시뮬레이션은 적층 공정을 이해하는 힘을 설계자와 작업자에게 제공합니다."라고 그는 덧붙였습니다. "이것이 우리가 Ansys Additive Print를 독립형 인쇄 프로세스 예측 도구로 개발한 이유입니다. 따라서 엔지니어가 아닌 사람도 며칠 이내에 도구를 사용할 수 있습니다."

시뮬레이션 소프트웨어는 현장 작업 중에 설계된 구조물이 작동 상태를 유지하도록 보장하는 데 성공적으로 사용되었지만 복잡한 하중, 재료 및 물리학의 문제도 끊임없이 제기되고 있다고 Dassault Systèmes의 Simulia Strategic Initiatives 이사인 Subham Sett는 말했습니다. 파리). “시뮬레이션 소프트웨어는 이제 산업 성장을 가속화하기 위해 모든 측면에 대한 예측을 제공하는 다중 물리학 및 다중 규모 솔루션을 제공하는 추세입니다. 예를 들어, 자동차 산업에서 시뮬레이션 소프트웨어는 다물체 역학, 소음 및 진동, 충돌 내구성에서 비정상 흐름까지의 다중 물리학 문제는 물론 재료 설계, 다중 스케일 재료 확장 및 축소, 하부 구조의 다중 스케일 문제를 해결하는 데 사용됩니다. "

AM 공정으로 인한 모양을 예측하는 기능을 추가하는 것은 제조 시뮬레이션에서 가장 흥미로운 새로운 개발 중 하나라고 Sett는 말했습니다. "스캔 경로, 재료 속성, 기계 및 레이저 속성을 고려하여 부품이 인쇄되는 동안 열과 중력으로 인한 부품 변형을 정확하게 예측할 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.

적층 공정 시뮬레이션을 통해 빌더는 공정을 보다 정확하게 예측하고 제어할 수 있어 적층 부품 제작 공정에서 오류가 발생하는 것을 방지할 수 있습니다.

Siemens의 Shankar는 Siemens가 작년에 NX Additive 모듈과 함께 추가한 적층 공정 시뮬레이션을 통해 제조업체가 제조 결과를 예측할 수 있다고 말했습니다.

“레이어를 생성할 때 많은 것을 알아야 합니다. 냉각되는 데 얼마나 걸립니까? 부품의 보이드[빈 공간 또는 포켓]는 무엇입니까? 시뮬레이션은 보이드와 제품의 잔류 응력을 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. 시뮬레이션은 또한 제조업체가 프로세스를 표준화하는 방법과 제품 성능을 이해하는 데 도움이 됩니다.

Siemens는 현재 상 변화가 있는 적층 공정 및 부품 냉각 방식과 같은 문제에 대해 연구하고 있습니다. 어떤 경우에는 이러한 시뮬레이션의 계산 집약적 특성으로 인해 HPC가 사용됩니다. “계산은 종종 마비될 수 있습니다. 대형 모델을 해결하려는 경우 [HPC]가 매력적입니다.”라고 Shankar는 말했습니다.

첨가제와 관련하여 Autodesk는 솔루션 포트폴리오를 계속 확장하고 있다고 Hindman은 말했습니다. “Netfabb 포트폴리오에 가장 최근에 추가된 것은 Autodesk 생성 설계 기능이 포함된 것입니다. 앞서 언급했듯이 제너레이티브 디자인을 사용하면 시스템에서 객관적인 디자인을 생성하여 디자인 공간을 광범위하게 탐색할 수 있습니다. 시스템이 능동적인 참여자로 기능할 수 있는 방법의 핵심 요소는 적층 제조 프로세스를 인식하도록 가르쳤기 때문에 3D 프린팅에 최적화된 결과를 생성할 수 있다는 것입니다."

Autodesk는 Netfabb Ultimate의 3월 릴리스와 함께 기존 독립 실행형 Netfabb 로컬 시뮬레이션 제품에 추가로 통합 프로세스 시뮬레이션 기능을 도입했습니다. Hindman은 두 Netfabb 버전 모두 현재 다음을 포함한다고 말했습니다. EDM 부품 제거 및 열처리의 영향과 같은 추가 프로세스 에뮬레이션; Autodesk의 선택적 탄력적 컴퓨팅 서비스의 향상된 성능; Netfabb Ultimate에 프로세스 분석 기능 도입 시뮬레이션 기반 보정 부품 프리폼을 원래 형상으로 교체할 수 있는 간소화된 기능.

Autodesk는 또한 Netfabb 및 PowerMill(PowerMill Ultimate) 포트폴리오와 협력하여 직접 에너지 증착(DED) 프로세스에 대한 지원을 시작하여 다축 로봇 제어에 대한 전문 지식을 활용했습니다.

Hindman은 "이것은 고속 증착 제조 동안 예외적으로 큰 변형 및 실패의 가능성을 예측하는 또 다른 기능을 추가합니다."라고 말했습니다. "기업이 금속 적층 제조를 수용함에 따라 직면하고 극복해야 하는 공통적인 위험이 있습니다." 그는 금속 분말 베드 퓨전 프린터 작동의 가장 일반적인 문제는 다음과 같다고 덧붙였습니다. 부품 변형, 뒤틀림(인쇄된 부품은 허용되지 않으며 리코터를 손상시킬 수 있음); 열 응력으로 인한 고장/파단(인쇄 중 부품 파손 및 리코터 손상 가능); 지원 실패(부품에 너무 많은 응력이 누적되어 제작판과 부품 사이의 연결이 끊어져 부품을 허용할 수 없게 만들고 리코터가 부품과 충돌할 수 있음) 및 다양한 재료 특성(부품에 눈에 띄는 결함이 있거나 예상대로 작동하지 않음).

NC 프로세스 시각화

NC 시뮬레이션 및 검증 프로세스의 경우 AM은 최근 Vericut Additive 모듈을 추가한 CGTech(캘리포니아 어바인)의 Vericut NC 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 시스템 개발자와 함께 주요 개발 영역으로 남아 있습니다. CGTech Vericut 제품 관리자인 Gene Granata는 "적층 제조는 계속해서 제조 분야에서 가장 인기 있는 트렌드 중 하나이므로 시뮬레이션 소프트웨어가 이를 따라잡기 위해 노력하고 있습니다."라고 말했습니다.

"기계를 구동할 동일한 NC 코드를 시뮬레이션할 수 있는 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하는 것이 CNC 장비를 보호하고 공장에서 처음으로 고품질 부품을 생성하는 가장 좋은 방법입니다."

복합 재료에서 눈에 띄는 두 가지 최신 트렌드는 그래픽 디스플레이에 초점을 맞추고 공작물을 정확하게 표현하는 것이라고 Granata는 말했습니다. “그래픽 개선이 외관상 개선된 것처럼 보일 수 있지만 복합 부품의 순 모양을 정확하게 예측하고 시각화함으로써 실질적인 엔지니어링 이점이 있습니다. 제조업체는 부품의 최종 모양과 품질을 예측하기 위해 소프트웨어에 더 많이 의존하기 시작했습니다.”라고 그는 말했습니다. "완성된 공작물의 고해상도 디스플레이를 통해 엔지니어는 자신과 가장 관련이 있는 기능을 보다 충실하게 조사할 수 있습니다."

시뮬레이션 소프트웨어는 작업장 생산성을 향상시키는 중요한 프로세스 평가 및 최적화 도구를 제공합니다. "'효율적인' 도구 경로를 만들기 위한 새로운 선택이 시장에 정기적으로 나타나는 것 같지만 실제로 얼마나 잘 작동합니까? 후처리된 G 코드 도구 경로로 구동되는 시뮬레이션 소프트웨어는 머신 런타임의 '진실'을 드러냅니다.”라고 Granata가 말했습니다. "이는 NC 프로그래머와 제조 엔지니어가 다양한 가공 방법을 판단하는 데 도움이 되므로 궁극적으로 가장 효율적인 부품 제작 방법을 선택할 수 있습니다."

자동화, 가공 최적화 및 기계 유연성은 NCSimul 및 Optitool 소프트웨어 개발자인 Spring Technologies(매사추세츠주 케임브리지)가 시뮬레이션 소프트웨어 개발을 추진하고 있는 핵심 영역이라고 Spring Technologies의 총책임자인 Silvere Proisy는 말했습니다.

시장이 더 많은 자동화된 프로세스를 요구함에 따라 NCSimul은 더 많은 자동화를 개발하고 있다고 그는 말했습니다. “CAM 소프트웨어에서 NCSimul으로 보낸 데이터에서 자동으로 검증되고 시뮬레이션 결과가 최종 보고서로 프로그래머에게 이메일로 전달됩니다. 사용자는 더 이상 소프트웨어와 상호 작용할 필요가 없습니다. 원격 서버에서 모두 실행될 수 있습니다."

Optitool을 사용한 CNC 가공 최적화가 향상되었습니다. "이제 두 가지 최적화 수준을 제공합니다. 하나는 공기 절단 감소로 재료의 이송 속도를 변경하지 않고 모든 접근 및 후퇴 동작을 최적화합니다. 두 번째 수준은 원래 피드 및 속도를 손상시키지 않으면서 칩 두께 또는 칩 흐름과 같은 9가지 절삭 매개변수를 기반으로 하는 재료 절삭 피드를 조절하는 학습 모드 최적화입니다.”

기계 유연성은 NCSimul 4CAM 옵션으로 개발의 세 번째 초점입니다. Proisy는 "CAM 소프트웨어에서 부품을 다시 프로그래밍할 필요 없이 몇 분 만에 한 기계에서 다른 기계로 작업을 변경할 수 있는 기능을 제조 회사에 제공하는 것을 혁명이라고 부릅니다."라고 말했습니다. "초기 G 코드를 읽고 새 코드를 자동으로 다시 작성합니다."