Digitální prototypování v mechatronickém navrhování

Tags: Digital prototyping | Mechatronika

Potřeba nového přístupu

Výrobci dnes čelí neúprosnému tlaku na neustálý vývoj nových, inovativních produktů. Podle průzkumu provedeného mezi výkonnými manažery výrobních společností věří přes dvě třetiny respondentů, že inovace jsou pro budoucnost jejich podniků zásadní. Jejich obavy jsou pochopitelné; z odhadů vyplývá, že výrobky generující téměř 70 % současného obratu zastarají během příštích 12 měsíců. V reakci na potřebu inovací rozšiřují výrobci využívání elektroniky ve svých produktech. Průzkum ukazuje, že celých 92 % výrobních společností integruje do svých produktů elektronické komponenty.

Ukázkovým příkladem je automobilový průmysl. Zatímco podíl nákladů na výrobu vozidel, které padnou na elektronické systémy, rostl během uplynulých osmi let v průměru o 8,3 % ročně, podíl připadající na mechanické systémy naopak každoročně klesal o 3,2 %. Stejný trend ale v zásadě platí pro všechny průmyslové oblasti.

Jestliže výrobci mají reagovat na tržní poptávku, musejí zvládnout stále komplikovanější synchronizaci mechanických, elektronických a softwarových prvků. Návrhové procesy proto vyžadují efektivní koordinaci nezávislých inženýrských týmů. Mechatronický přístup může v tomto ohledu být silnou podporou.

Efektivní mechatronický vývoj produktu stojí na třech klíčových pilířích:

• Mezioborový design a konstrukce. Mechatronika je založena na integraci řídících, elektrických a mechanických systémů. Mechatronický systém není jen pouhým spojením elektrických systémů s mechanickými, a zároveň je více než jen pouhý řídící systém. Je to kompletní integrace všech těchto systémů dohromady.
• Řízení komunikace a workflow. Integrace systémů by měla být sladěna s efektivnější koordinací jednotlivých týmů, které jsou odpovědné za vývoj jednotlivých subsystémů. Komplexní vztahy mezi těmito sub-systémy téměř vždy vyžadují jasnou a efektivní komunikaci.
• Včasná a efektivní validace. Pokud mají výrobci vyvíjet levnější, spolehlivější a flexibilnější systémy, musejí být schopni hodnotit a ověřovat návrhy mechanických, elektrických, elektronických a řídících systémů již v rané fázi návrhových procesů.

Přínosy mechatroniky

Výrobci využívající osvědčené mechatronické postupy mohou dosáhnout značných přínosů. Jsou schopni lépe dosáhnout svých cílů v rámci stanoveného rozpočtu, ziskovosti i produktové kvality a v neposlední řadě dodržovat včasné termíny uvedení produktů na trh. Tito výrobci jsou schopni také:

• Integrovat více funkcí a vlastností do svých produktů
• Redukovat rozměry, hmotnost a cenu svých produktů
• Zlepšovat celkovou efektivitu
• Využívat adaptivní kontroly a diagnostiky ke zvýšení spolehlivosti a snížení nákladů na údržbu
• Zákaznicky přizpůsobovat nebo upgradovat produkty doprogramováním firmwaru

Mechatronický přístup též zmírňuje rizika a řeší časté výzvy jako např. zdlouhavý návrhový proces, nedostatečnou komunikaci mezi designéry a zákazníky či nákladné testování fyzických prototypů.

Mechatronický vývoj s podporou digitálního prototypování

Výrobní společnosti ušetří čas i peníze, když umožní všem svým týmům spolupracovat v rámci vývoje mechatronických produktů na stejném digitálním modelu, aniž by se pokoušely složitě integrovat informace ze vzájemně nepropojených konstrukčních systémů. Mnoho výrobců dnes nahrazuje tradiční fyzické protypování za digitální prototypy. Sledováním a porovnáváním výsledků testů fyzických a digitálních prototypů dokázali tito výrobci hlouběji pochopit své produkty i prostředí, ve kterém pracují – což vedlo ke zvýšení kvality jejich výrobků.

Jakým způsobem umožňuje digitální prototypování kvalitnější výrobu? Z nedávného průzkumu vyplynulo, že výrobci používající digitální prototypování jsou výrazně efektivnější, než je průměr ostatních výrobců:

• Budují o 50 % méně fyzických prototypů
• Uvádějí produkty na trh o 58 dní dříve
• Mají o 48 % nižší náklady na prototypy
• Získávají více času a zdrojů k dalším inovacím

Přestože výrobci hovoří o výhodách digitálního prototypování již pěknou řádku let, schopnost opravdu vytvořit a testovat digitální prototyp byla až doposud nad možnostmi rozpočtu většiny výrobních podniků. Během uplynulých let však byla představena nová praktičtější řešení, která jsou cenově dostupnější, lépe škálovatelná a kompaktnější než jejich předchůdci.

Analytická společnost Aberdeen Group identifikovala čtyři klíčové postupy nezbytné pro optimální vývoj mechatronických produktů:

• Implementovat procesy, které překonají mezery mezi jednotlivými návrhovými disciplínami a přispějí k lepší komunikaci
• Používat simulaci k identifikaci možných problémů již v rané fázi návrhového procesu
• Zohledňovat návrhové požadavky během celého návrhového cyklu
• Urychlit návrh řídících systémů automatickými softwarovými nástroji a simulacemi

Ze všech těchto důvodů by výrobci měli hledat integrovaná softwarová řešení, která umožní realizovat digitální workflow.

Řešení Autodesk pro digitální prototypování

Řešení Autodesk pro digitální prototypování přináší výrobcům mechatroniky výhody v tom, že jim umožňuje rychle a snadno vytvořit a udržovat digitální model. Tento model zahrnuje data ze všech fází produktového vývoje pro použití v různých disciplínách, čímž spojuje práci různých týmů. Protože digitální model simuluje kompletní produkt, konstruktéři mohou lépe vizualizovat, optimalizovat a upravovat návrh ještě před vytvořením fyzického prototypu.

Zatímco konstrukční týmy pracují na digitálním prototypu, nástroje Autodesk pro řízení dat posílají použité elektrické a mechanické komponenty do kusovníku. Prostřednictvím těsně integrovaných informací o elektrických a mechanických charakteristikách produktu mohou vývojové týmy vytvořit přesné 2D a 3D návrhy v kratším čase, což umožní výrobci rychlejší uvedení finálního produktu na trh.

V nejnovější verzi 2011 nabízí Autodesk inovace návrhových procesů mechatronických výrobků u následujících softwarových řešení:

• Autodesk Inventor 2011. Nové funkce aplikace Inventor 2011 pro přímou manipulaci zásadně zdokonalují proces strojírenského navrhování a v porovnání s verzí Inventor 2010 urychlují běžné návrhové práce jako např. modelování o zhruba 40 %. Aplikace Inventor 2011 rovněž obsahuje špičkové funkce pro vizualizace návrhů, takže uživatelé mohou lépe rozvíjet koncepty a komunikovat své návrhy s klienty. Nové stínování, osvětlení a vlastnosti materiálů poskytují uživatelům fotorealistické znázornění jejich návrhů, přičemž software Inventor renderuje návrhy průběžně při práci uživatele.
• AutoCAD Electrical 2011 pomáhá návrhářům elektrických řídících systémů rychle vytvářet návrhy řídících systémů a mít snadný přístup k rozsáhlému katalogu informací pro velké projekty elektrického ovládání.
• Optimalizované návrhové prostředí aplikace AutoCAD Mechanical 2011 poskytuje uživatelům podstatně lepší přístup k funkčnosti power kótování, která automaticky uspořádá kóty součástí s ostatními vlastnostmi výkresu, aniž by bylo nutné otevírat zvláštní dialogové okno.
• Mechanické simulační nástroje Autodesk Algor Simulation 2011 jsou nyní integrovány s aplikací Autodesk Moldflow 2011. Díky tomu mohou uživatelé využívat výsledky simulace z Moldflow a její rozsáhlou databázi materiálů při provádění strukturálních simulací plastových dílů.
• Řada Autodesk Alias 2011 – Alias Sketch, Alias Design, Alias Surface a Alias Automotive – přinášejí funkce pro povrchové úpravy podporované špičkovými nástroji pro skicování, modelování a vizualizaci. Nový hybridní pracovní postup aplikace Autodesk Alias Sketch pro barvy a vektory pomůže kreativním profesionálům rychle proměnit nápady na přesvědčivé návrhy.
• Autodesk Inventor Publisher se nyní objevuje v komerčním debutu po nedávné technologické předpremiéře v rámci Autodesk Labs. Tato snadno použitelná aplikace pro tvorbu produktové dokumentace umožňuje výrobcům poskytovat zákazníkům přehlednější a komplexnější technické pokyny vycházející ze stejného digitálního modelu, který používají od návrhu až po výrobu.
• Autodesk Moldflow 2011 pomáhá uživatelům ověřovat a optimalizovat návrhy plastových dílů a vstřikovacích forem před zahájením výroby. Uživatelé mohou nyní snadno exportovat výsledky simulace z Moldflow do vizualizačního softwaru Autodesk Showcase 2011, ve kterém odhalí vady a uvidí, jak budou díly ve skutečnosti vypadat. Pomůže jim to zhodnotit kvalitu dílu a přijímat lepší návrhářská rozhodnutí.
• Řešení správy kompletního digitálního prototypu v pracovní skupině Autodesk Vault 2011 nyní nabízí nové vizuální prostředí pro grafické mapování informací v úložišti Vault na modely Inventoru. Zjednodušuje pracovní postupy, zásadně zlepšuje proces reportování a rozhodování a urychluje výběr a interakci s modely.

Autor je ředitelem společnosti Autodesk v regionu střední a jihovýchodní Evropy.