Obecnie na proces opracowania produktu składa się modelowanie 3D, symulacje komputerowe oraz weryfikacja modelu komputerowego z prototypem. Droga nowego produktu rozpoczyna się w głowie konstruktora, który przelewa swoją wizję do programu CAD. Historycznie następnym krokiem było przygotowanie prototypu oraz jego walidacja z określonymi normami. Teraz ten stan rzeczy się zmienia. Wytwarzanie obejmującej procesy odlewania, spawania, tłoczenia, kucia, obróbki cieplnej i walidacji całej konstrukcji przeprowadzane są całkowicie w świecie wirtualnym. Naprężenia szczątkowe powstałe podczas wytwarzania części odlewanej lub tłoczonej przekazywane są do analizy numerycznej procesów spawania i obróbki cieplnej lub tłoczenia. Każdy etap wytwarzania wnosi do historii naprężeń, zmian grubości materiału dodatkowe dane mające wpływ na testy końcowego produktu. W przypadku branży motoryzacyjnej przeprowadzone testy z wykorzystaniem modelu uwzględniającego naprężenia szczątkowe oraz zmiany grubości powstałe podczas kolejnych procesów wytwarzania usztywniają konstrukcję, co ma wpływ na wyniki testów zderzeniowych. Uwzględnienie zmian właściwości materiałowych na poszczególnych procesach wytwarzania w ostatecznej wersji całego modelu pozwala na rezygnację z kosztownych prototypów.

1. Wirtualne prototypowanie – proces

Wirtualne prototypowanie bierze swój początek w zamyśle konstruktora, który obecnie przelewa pomysł na nową konstrukcję do programu CAD. Bierze on pod uwagę materiały składowe całego produktu oraz sposób ich przekształcania w poszczególne elementy konstrukcji. Proces ten jest w chwili obecnej powiązany nie tylko z samym wytworzeniem konstrukcji jak również  z jej eksploatacją. Można go podzielić na kolejne etapy: surowy materiał, wytwarzanie, łączenie, użytkowanie, odzyskiwanie materiałów (recykling), co pokazano na rysunku poniżej

Procesy technologiczne zostały przeniesione do rzeczywistości wirtualnej i jest możliwe wykonanie konstrukcji bez przygotowywania prototypu. Wykorzystanie metody elementów skończonych  (MES) pozwoliło na przeprowadzanie analiz numerycznych procesów odlewnia, spawania, obróbki cieplnej, tłoczenia, itp. Inżynierowie opracowujący oprogramowanie do wspomnianej analizy udostępnili ponadto funkcjonalność pozwalającą łączyć oprogramowanie CAD z analizą MES oraz wirtualnym testowaniem narzędzi do wytwarzania.

Rys. 2. ukazuje całościowe podejście do procesu wirtualnego prototypowania. Część powstała w oprogramowaniu CAD została następnie przekazana do modułu wykonującego analizę tłoczenia arkusza blachy. Kolejny krokiem była analiza polegająca na sprawdzeniu konstrukcji i przekazanie wyników do kontroli jakości. Ostatni etap to wirtualny test narzędzia, które w rzeczywistości będzie użyte do wykonywania zaprojektowanej przez konstruktora części.

Na Rys. 3. przedstawiono proces zastosowany przez firmę BMW, MINI uwzględniający w symulacji zderzenia samochodu osobowego z barierą. Porowatość, generująca defekty mikrostruktury odlewu została zauważona w analizie numerycznej procesu odlewania. Dane dotyczące owej porowatości zostały zaimplementowane do modelu samochodu osobowego, który następnie poddano zderzeniu z barierą. Zastosowanie wyników z symulacji procesów odlewania w wirtualnym teście zderzeniowym całej konstrukcji pozwoliło na urealnienie otrzymanych wyników.

2. Wnioski końcowe

Wirtualne prototypowanie pozwala obecnie na przejście od pomysłu konstruktora, poprzez konstrukcję zapisaną jako CAD, poprzez kolejne etapy procesów wytwarzania, aż do wirtualnego testu końcowego produktu. Możliwe jest zatwierdzenie do produkcji konstrukcji zbudowanej, przetestowanej i sprawdzonej całkowicie w świecie wirtualnym. Dostępne narzędzia inżynierskie całkowicie to umożliwiają, co pozwala na przyspieszenie poszczególnych etapów produkcji, zmniejszenie jej kosztów, a co najważniejsze opracowanie nowych technologii wytwarzania.

Virtual prototyping – from cad model to real product

Currently the product development process consists of a 3D modeling, numerical analysis and verification of a computer model with the prototype. The way of the new product start in the head of the constructor, who put it into the CAD software. Historically, the next step was to prepare a prototype and its validation with specific standards. Now this state of affairs is changing. Production processes including casting, welding, stamping, forging, heat treatment and validation of the whole structure is carried out entirely in the virtual world. Residual stresses generated during the manufacture of cast or stamped parts are transmitted to the numerical analysis of welding processes and heat treatment or stamping. Each stage of manufacture claims the history of stress, changes in thickness of the additional data affecting the testing of the final product. In the case of the automotive industry conducted tests using a model taking into account the residual stresses and changes in thickness occurring during subsequent manufacturing processes stiffen the structure, which affects the results of crash tests. Reflect changes in material properties of the various manufacturing processes in the final version of the whole model allows for the abandonment of expensive prototypes.

Pełny artykuł