Если вы не специалист, то термин «виртуализация производственных процессов» кажется невероятно скучным. На самом деле это интереснейшее занятие на стыке физики и творчества. Без него все окружающие нас предметы, от мебели и гаджетов до транспорта и зданий не были бы столь технологичными, надежными и невероятными, какими являются сейчас. В этом посте мы расскажем неспециалистам о том, как наладить виртуальное производство на несуществующей фабрике, узнать предел прочности предмета, не ломая его, и как одна программа заменяет штат испытателей.
В Toshiba существует внутренняя награда, названная в честь одного из отцов-основателей компании Итисуке Фудзиоки (Ichisuke Fujioka Award), — она присуждается сотрудникам, внесшим особо важный вклад в развитие общества и улучшение жизни людей. Настолько важный, чтобы лауреата можно было назвать «японским Эдисоном». В 2019 году эту награду получил сотрудник Toshiba Corporate Manufacturing Engineering Center Ясутада Накагава (Yasutada Nakagawa) за разработку и внедрение в компании системы симуляции производственных процессов.
Симуляции, над которыми работает Накагава, позволяют точнейшим образом просчитать и визуализировать поведение материалов во время производства любых вещей, от портативной электроники до тяжёлых промышленных станков (и, например, паровых турбин). Симуляция позволяет заменить сотни и тысячи испытаний десятков прототипов, воссоздать абсолютно любые условия и нагрузки, причем с практически безошибочным результатом, очень быстро и, естественно, экономно — один мощный компьютер в состоянии заменить месяцы работы тестовой лаборатории.
Моделирование производства на разных этапах создания продукта в Toshiba. Источник: Toshiba
Когда г-н Накагава только пришел в Toshiba, виртуальное моделирование ещё не считалось необходимой практикой — от инженеров требовали только тщательной работы над схемами, а испытания проводились на физических прототипах. Накагава начал знакомиться с деятельностью разных подразделений и фабрик компании и с удивлением понял, что каждый отдел, каждый производственный цех имеет некий свой собственный уникальный опыт, некие инсайты, до сих пор неизвестные остальным внутри Toshiba. Было решено формализовать все эти наработки, чтобы применять их везде, — для этого Накагава и разработал систему моделирования всех этапов производства, построив её на основе тщательно оберегаемого опыта компании. Инженеры приходят и уходят, но знания не должны исчезать, их нужно передавать без искажений и потерь, максимально быстро и эффективно, а сделать это можно именно через программные пакеты, способные заменить людей. Применять знаний можно в разных областях.
Симуляция работы завода
Одна из сложных задач, с которыми сталкивается Toshiba во время проектирования нового завода — это просчёт его внутреннего устройства. Как расположить конвейер, станки и рабочие места, чтобы производство работало слаженно? Всегда есть риск недоглядеть и обнаружить, что зона работы манипулятора уже смонтированного робота буквально на сантиметр попадает на потолочное перекрытие или места рабочих расположены неудачно и тем приходится переносить в руках детали по неоптимальному маршруту.
Построить здание под свои нужды по собственным проектам гораздо проще, чем обустроить имеющееся помещение под себя, но не всегда есть экономический смысл возводить новый завод в чистом поле. Чтобы максимально эффективно адаптировать купленное здание, мы прибегаем к помощи виртуальной симуляции.
Выглядит это так: в специализированное ПО загружаются все используемые объекты, такие как элементы конвейера, станки, роботы, компьютеры, мебель — всё, что мы будем размещать. Затем создается трехмерная модель, для непосвященных со стороны похожая на обставленный дом в игре The Sims. На этом этапе можно посмотреть, нет ли конфликтов между предметами.
Пример производственной линии в программе Siemens Line Designer: на одном из роботов показана область досягаемости его манипулятора. На стадии динамической симуляции это поможет избежать опасного пересечения траекторий. Источник: Geometric Solution / YouTube
Виртуальная симуляция работы завода позволяет проверить его функционирование по огромному числу параметров, о которых люди могли бы забыть (и нередко забывают) на этапе проектирования. Перечислим самые частые.
— Неверный расчет вентиляции/охлаждения. Для некоторых производств крайне важно, чтобы в цехе поддерживалась строго определенная температура и влажность, отклонения могут негативно влиять на свойства материалов, проходящих обработку. Не говоря уже о людях, для которых сильный сквозняк или непродуваемая перегретая зона в помещении будут весьма неполезны.
В идеальных условиях на бумаге проект может выглядеть гладко, но погодные аномалии или особенности помещения (нагревается на солнце, накапливает влагу) сведут на нет все расчёты. Ещё вариант: при проектировании системы кондиционирования инженеры могут опираться на её технические характеристики, но не учитывать, что длина и конфигурация магистрали влияет на её производительность, или, например, что готовая продукция, складированная до момента транспортировки на склад в определённом месте, создает помехи для правильной циркуляции воздуха.
Симуляция завода в программе поможет точно просчитать движение воздушных потоков и температуру в разных точках. Сотрудникам службы эксплуатации не придется выдумывать «костыли» для только что открытого цеха с перегревающимся оборудованием, если предварительно смоделировать напряженную работу завода.
— Дисбаланс нагрузки на электросеть. Моделирование силовой нагрузки позволяет увидеть потенциальные точки превышения допустимой нагрузки и тем самым равномерно распределить оборудование по резервным линиям.
— Неучёт особенностей здания. После заказа дорогостоящего оборудования для производства очень неприятным сюрпризом может стать факт, что оно не проходит через двери/коридоры помещения. Проверка того, что высокоточный станок не превратится в Винни-Пуха, торчащего из норы кролика, является неотъемлемой частью виртуальной симуляции производства.
Немецкий аэропорт Берлин-Бранденбург еще в 2013 году выглядел совершенно законченным. Но из-за огромного количества инженерных просчётов и недоработок проекта, которые непременно всплыли бы на компьютерной симуляции, аэропорт перестраивают и дорабатывают до сих пор. Читайте захватывающий рассказ об этом. Источник: Muns / Wikipedia
Симуляция производства товара
Представьте, что вам нужно приготовить некое блюдо. Согласно задумке, в результате должен получиться кулинарный шедевр, ресторанный хит. Да вот проблема: вы лишь примерно знаете, как оно должно выглядеть, и ни точным рецептом, ни списком ингредиентов не располагаете — просто потому, что до вас его никто не готовил. Владея неким опытом, вы приступите к поискам идеальной рецептуры, проводя десятки экспериментов. Мало того, что вы наверняка не знаете, что нужно соединить, так ещё выясняется, что один ингредиент не выдерживает нагрева, второй лучше употреблять горячим, третий в сочетании с ними вообще меняет вкус, а четвертый удорожает блюдо в несколько раз, хотя все они вроде бы необходимы.
Чтобы найти наиболее безопасную конструкцию машины, нужно разбить сотню прототипов. Или просчитать деформации в симуляции краш-теста. Источник: Maksim / Wikimedia
Примерно так выглядит процесс поиска материалов, структуры и наиболее удачного процесса производства товара. Можно до исчерпания бюджета на прототипирование искать самую надёжную конструкцию детали, которая будет корректно выточена или отлита без дефектов, но гораздо лучше загрузить модель с нужными параметрами в программу конечно-элементного анализа. С помощью метода конечных элементов (МКЭ) модель детали разбивается на, собственно, элементы, для которых математически рассчитывается реакция на нагрузки.
Благодаря МКЭ ещё на этапе моделирования можно обнаружить, например, слабые точки или места повышенного напряжения корпуса, в которых он сломается при ударе, можно вычислить возможные дефекты литья или обработки фрезой, чтобы не получить партию брака, подобрать оптимальные материалы, виды пластика, сорта сплавов. Такие программы, как ANSYS или Abaqus Unified FEA берут на себя расчеты испытаний прототипов — в общем, не обязательно (хотя и желательно) проводить реальные испытания. Уровень современного ПО для моделирования настолько высок, что в Европе можно успешно пройти сертификацию товара, который испытывался исключительно виртуально в компьютерной среде.
Симуляция в программе Abaqus процесса проката металла. Визуализирован расчет напряжений в детали после проката. При более сложной обработки симуляция позволяет найти потенциально хрупкие места. Источник: Abdullah Khalifa / YouTube
И вновь перечислим типичные ошибки при старте производства без предварительного грамотного моделирования.
— Неправильный метод литья. Если необходимо работать с пластиковыми деталями, к их литью нужно подойти очень внимательно, потому что получить брак во время отливки проще простого. Нельзя просто взять несколько деталей и, поплотнее расположив их на литнике, отправить в производство. Расчет литья индивидуальной детали ещё более-менее будет правдоподобным, но, если в пресс-форме находятся несколько деталей сразу, индивидуальные моделирования будут бесполезны — сработает только полная симуляция для всей пресс-формы. В противном случае с большой вероятностью некоторые детали окажутся бракованными.
— Неверный расчёт нагрузок при сборке. Сборка предмета из нескольких деталей неизбежно создает напряжения в материалах из-за стягивания винтами и крепления на защелках. Даже если после сборки конструкция кажется очень надежной, со временем в точках повышенного напряжения могут возникнуть трещины. Почти каждый сможет вспомнить о каком-нибудь гаджете, корпус которого трескался просто от времени, даже если с ним обращались предельно бережно. Если речь не шла о низком качестве материалов, то с большой вероятностью инженеры неправильно рассчитали (если вообще рассчитали) напряжения в собранном устройстве. Цена недоработки: мелкие трещины, отломанные защелки, рассыпающаяся резьба в винтовых соединениях.
Куда хуже, когда проблемы обнаруживаются не в бытовой технике, а на транспорте. Первый реактивный пассажирский авиалайнер de Havilland Comet 1 имел конструктивный просчет, из-за которого при креплении квадратных иллюминаторов клёпкой образовывались микротрещины в зонах напряжения. Из-за них несколько лайнеров в начале 1950-х буквально развалились в воздухе, став причиной гибели экипажа и пассажиров. Конструктивный недостаток, вычислить который удалось только после длительных испытаниях корпуса самолете в бассейне с водой, привёл к приостановке полётов лайнеров и едва не стал причиной полного сворачивания программы Comet.
Те самые квадратные иллюминаторы, клёпки вокруг которых создавали микротрещины, растущие от рейса к рейсу. Этот реальный обломок самолета, потерпевшего крушение над Средиземным морем, находится в Лондонском музее науки. Источник: Krelnik / Wikipedia
Симуляция эксплуатации товара
Хотите отыскать самые изощренные проблемы и баги своего продукта — выпустите его в открытый бета-тест. Редкая команда тестировщиков сможет выдумать те сценарии использования, с которыми продукт столкнется в реальной жизни. Но такая роскошь, как публичное тестирование, может быть доступна вдохновляющим стартапам, но никак не именитым большим компаниям, в чьём внимании к качеству клиенты не сомневаются — за попытку открытого «бета-теста» можно потерять не только имидж, но и долю капитализации. Поэтому современные пакеты симуляции необходимы ещё и для моделирования длительной эксплуатации товара в самых разных условиях. Статические и динамические нагрузки по всем осям, вибрации, удары, тепловое и акустическое воздействие — все эти расчеты необходимы, чтобы спустя пару недель после начала продаж разгневанные покупатели не открыли производителю глаза на какой-нибудь баг конструкции.
На Хабре опубликован интересный рассказ о том, как с помощью численного моделирования искали причины поломки виброжелоба шредера для металлолома. После подготовительных работы в виде тщательного создания модели шредера с учетом геометрии, механических характеристик материалов и условий нагружения, инженеры обнаружили резонансные колебания и конкретную точку, в которой происходит ударный контакт, разрушающий сварные швы. Можно было своими рукам исследовать работающий виброжелоб, страшно рискуя здоровьем и конечностями, и результат таких изысканий не был бы гарантирован. А можно подготовить данные для моделирования и быстро получить точнейшую модель работы шредера с локализацией проблемных точек.
— Ошибки дизайна. Если толщина корпуса предмета не достаточна, чтобы спокойно выдерживать удары, падения и даже продавливания, первым логичным способом укрепления конструкции является добавление скрытых ребер жесткости. Однако без повторного моделирования краш-теста нельзя пускать в производство обновленную версию детали — нередки случаи, когда ошибочные «улучшения» давали ровно противоположный эффект. Те же ребра жесткости поглощают кинетическую энергию не бесследно, а перераспределяют ее. Из-за них в детали может образоваться новая слабая точка, которой раньше не было. Поэтому после каждого внесения изменений в конструкцию необходимо проводить симуляцию нагрузок заново.
Симуляция прохождения воздушных потоков сквозь радиатор — вот где простор для улучшения охлаждения и аэродинамики! Источник: Siemens Software / YouTube
Ошибки проектирования не всегда очевидны на этапе разработки. Некоторые из них дают о себе знать спустя месяц регулярного использования товара. Например, десять лет назад владельцы iPhone 3G/3GS столкнулись с тем, что пластиковый корпус смартфона со временем начинал покрываться трещинами, особенно вокруг разъема зарядки. В iPhone 6 Plus в районе кнопок громкости и лотка SIM-карты обнаружились слабые места в корпусе из недостаточно прочного алюминиевого сплава — часто из заднего кармана штанов владельцы доставали уже погнувшийся телефон.
На YouTube немало видео о том, как легко согнуть и даже сломать iPhone 6 Plus, — это удаётся даже маленьким детям. В следующем iPhone 6S Apple изменила сплав без изменения конструкции смартфона, что полностью решило проблему
Бывшие пользователи смартфона HTC HD2, наверняка, вспомнят крайне спорное расположение шлейфа тачскрина, который размещался точно под кнопкой включения телефона — от постоянных надавливаний кнопкой шлейф повреждался и экран переставал реагировать на прикосновения. Эти проблемы можно было бы вычислить на длительном симулировании эксплуатации устройств — для проведения тестов реальных прототипов пришлось бы потратить месяцы, тогда как ПО справится с моделированием за день.
Наверняка, настоящие инженеры захотят значительно дополнить этот пост своим опытом и знаниями — мы всегда открыты к полезным комментариям. Надеемся, что этот материал помог далеким от проектирования людям приоткрыть завесу тайны над симуляцией производственных процессов.
