Bedre produktutvikling med simulering

oktober 2022

Produktutviklingen endres i takt med at teknologien åpner for nye muligheter til å utvikle produkter, men vi har også helt nye utfordringer å løse. Klima og miljø, og dermed kravet om bærekraft. Globale forsyningskjeder og deres sårbarhet er bare noen av trendene som påvirker hva og hvordan vi utvikler.

Simulering, som en viktig teknologi i Industri 4.0, inneholder flere forskjellige disipliner og prosesser. Det kan f.eks. være styrkeberegninger, strømningsanalyser, Generativ Design etc.

Simulering har blitt så nøyaktig at muligheten til å teste ut forskjellige produktvarianter er nærmest ubegrenset.

Det finnes muligheter for å «simulere» den virkelige verden ved hjelp av teknologi.

Les også bloggartikkelen om digitale tvillinger og Industri 4.0

Det er billigere og gir deg nøyaktige resultater. Det betyr at man tester produktvarianter som ikke behøver og dupliseres av fysiske prototyper – rett og slett fordi det ville være for dyrt. Nå er det til og med mulig å ikke bare teste en enkel del, men en simulering kan teste et helt komplekst produkt (eksempelvis en hel bil), samt at stadig nye materialer er tilgjengelig for simulering. Det gir mulighet til å verifisere hvordan hver del presterer i forbindelse med hele produktet – dette er en form for nøyaktig testing som ikke kan gjøres i den virkelige verden.

Simulering i sentrum av designprosessen

Simulering pleide å være noe man gjorde etter at designet var ferdig. Dette er nå radikalt endret. Simulering kan med fordel allerede brukes i konseptfasen, lenge før noe i det hele tatt er ferdig designet og produsert. Stadig mer komplekse deler og sammenstillinger, nye materialer f.eks. forskjellige komposittmaterialer, krever også stadig mer komplekse simuleringer. Regnekraft er ikke lenger noe flaskehals, idag kan det også gjøres beregninger i nettskyen, hvilket betyr nærmest ubegrenset regnekraft og et stort antall iterasjoner for å finne den beste løsningen. Les blogginnlegget om generativ design.

Det faktum at simulering har blitt til en sentral del av produktutviklingen, bidrar til å forme det ferdige produktet og dets ytelse. Ved hjelp av simuleringer og beregninger kan vi finne ut av hvordan laster, geometri og grensebetingelser påvirker designet uten at det må lages prototyper. Det reduserer utviklingstid og risikoen for feil og forbedrer kvaliteten på produktene. Med simulering som en integrert del av designløsningen, betyr det at man har mulighet til å utforske et bredt spekter av digitale produktversjoner. Det betyr mer innovasjon!

Tradisjonelt har simulering blitt brukt til produkter som skal brukes i krevende omgivelser, og som skal godkjennes av klassifiseringsselskaper. Slik er det ikke lenger, med simuleringsoftware som en integrert del i designverktøyet er dette tilgjengelig for alle som jobber med produktutvikling. Dagens simuleringsløsninger gjør det mulig å skape tusenvis av forskjellige designmuligheter og "what if"-scenarier.

Det har medført at både designere og analytikere jobber tettere sammen om optimalisering – tidlig i prosessen der man fortsatt har betydelig designfrihet. Man kan tidlig forstå effekten av materialvalg og design før feil blir kostbare, og dermed kan man lage produkter som fungerer bedre og varer lengre. I et bærekraftsperspektiv er det helt essensielt.

Finite element analysis

FEA-verktøy (Finite element analysis) har vært en viktig komponent i ingeniørenes verktøykasse i flere år. Evnen til å lage en virtuell prototype, eller en realistisk og representativ modell av en del eller sammenstilling før fysisk prototyping, gir bedrifter en mye raskere produktutvikling og det reduserer kostnader og potensielle feilkilder betraktelig. Vi ser at stadig flere bedrifter bruker simulering for å teste digitale versjoner av produktet – i stedet for å lage kostbare fysiske prototyper. Det er rett og slett en økonomisk nødvendighet og en av de viktigste teknologiene i som utgjør Industri 4.0. Simuleringssoftware er nå så kraftfull at man nå kan simulere de fleste produkter, scenarier og materialer. For eksempel:

Med FEM (Finite Element Analysis) beregnes styrke, utmatting og ulykkeslaster på sveiste og boltede strukturer i mange forskjellige materialer.

Autodesk Simulations bibliotek med materialmodeller inkluderer forskjellige metaller og legeringer, plast, glass, skum, stoffer, elastomerer, betong (med armeringsjern), jord og brukerdefinerte materialer. Autodesk Simulations elementbibliotek inkluderer 8 og 4 node solid, 8 og 4 node skall, samt bjelke- og stangelementer, avhengig av geometrien og typen analyse som skal utføres.

Med CFD systemer (Computational Fluid Dynamics) kan luft-, væske-, og varmetransport simuleres i samsvar med modellens fysiske egenskaper som hastighet, trykk, temperatur, tetthet og viskositet. Skal resultatet være nøyaktig må alle disse egenskapene vurderes samtidig. Dessuten er bestemmelse av riktige numeriske metoder nøkkelen til å generere en pålitelig løsning. For eksempel er Navier-Stokes (N-S) ligningene spesifisert som matematiske modellen for CFD beregninger.

Når produktet er så komplekst at det behøves et bredt spekter av fysikk, ikke bare en enkel disiplin – da snakker vi om Multiphysics. Man kan bare endre en del i et helt produkt og deretter kontrollere hvordan den fungerer i produktet, eksempelvis luftstrømmen rundt bilen, motoren og inn i kabinen for å se hvordan det påvirker klimaanlegget.

Med Multiphisics har man mulighet til å koble effekten av flere analysetyper til én analyse, for eksempel termiske effekter og luftstrøm, og kjører de respektive prosessorene interaktivt. Resultatene av den første analysen påvirker hva som skjer i den andre, og resultatene av den andre analysen påvirker resultatene av den første analysen. Fordi hvert resultat påvirker den andre prosessen, må løsningsprosessen være iterativ. Kjøretidene for multifysikkanalysene kan derfor være lengre enn kjøretidene for de enkelte analysene uten å vurdere påvirkningen fra den andre prosessen.

Fagfeltet simulering er i konstant utvikling. Nye materialer og produksjonsmetoder (som f.eks. 3D Print) endrer naturlig nok også krav til simuleringen.

Her kommer det fortløpende ny kunnskap og datagrunnlag, dermed blir det enklere og billigere å utforske bedre og stadig mer komplekse produkter.

Det vil forhåpentligvis også kunne bidra til å lage bedre og mer bærekraftige produkter, for å møte noen av de største utfordringene menneskeheten står overfor i dette århundre.

Simulering i sentrum av designprosessen

Finite element analysis

Vil du vite mer?