Produzione intelligente: come ridurre i costi grazie alla simulazione

Nell’epoca della transizione 4.0 e delle smart manufacturing, MSC Software, appartenente alla divisione Manufacturing Intelligence di Hexagon ci mostra, attraverso questo whitepaper, come individuare il potenziale di ottimizzazione nello sviluppo del prodotto e implementarlo nel processo di produzione per ottenere importanti benefici sia sotto l’aspetto qualitativo del prodotto che del risparmio sui costi lungo la catena di produzione.

L’Industria 4.0 è stata per oltre un decennio al centro del dibattito pubblico, dettando l’agenda dei vertici di molte aziende. Diventa quindi centrale il processo di trasformazione dalla produzione organizzata in singole fasi controllate dall’uomo alla produzione connessa e digitalizzata. In questo scenario, le aziende sono alla ricerca di soluzioni intelligenti per aumentare la qualità e la produttività; Hexagon le aiuta a digitalizzare i processi di produzione, collegando senza soluzione di continuità i dati di tutto il processo e facendo convergere il mondo reale e quello virtuale per favorire il miglioramento continuo (Figura 1).

In particolare, La divisione Manufacturing Intelligence di Hexagon fornisce soluzioni che utilizzano i dati generati dai reparti di progettazione e ingegneria, produzione e misura per rendere la produzione più intelligente. Questo whitepaper si concentra sull’area della progettazione e dell’ingegneria, che si occupa dello sviluppo e della validazione del modello virtuale di un componente fino alla sua fattibilità. Inoltre, tratta dell’identificazione e dell’implementazione del potenziale di ottimizzazione nello sviluppo del prodotto e nel processo di produzione. Ciò comporta un aumento della qualità e della produttività nel processo di produzione e un risparmio sui costi lungo la catena di produzione (Figura 2).

A cosa sono dovuti i costi?

I dipartimenti di sviluppo e pianificazione della produzione sono responsabili fino al 90% dei costi del ciclo di vita di un prodotto, e questo quando un componente nemmeno ancora esiste fisicamente. È quindi necessario prendere tutte le misure possibili all’inizio del processo per consentire una produzione affidabile, senza errori ed economica. L’uso di simulazioni numeriche ha un ruolo importante in questa fase: i test fisici di prodotti o processi sono sostituiti o affiancati da test virtuali al computer, il che riduce drasticamente i costi di produzione dei prototipi. Inoltre, si riducono i tempi di sviluppo e consegna del prodotto attraverso analisi e convalide sul modello virtuale, migliorando così la qualità del prodotto stesso. Per il successo delle aziende manifatturiere, sono decisive l’analisi virtuale di producibilità e le simulazioni del processo di produzione prima della produzione effettiva.
Poiché le modifiche al prodotto o al processo di produzione sono spesso associate a un notevole impegno in termini di test e verifica, i costi possono aumentare rapidamente e smisuratamente. In pratica, grazie alla simulazione si può ottenere un risparmio di circa il 50% nei costi di processo e sviluppo. I costi di produzione possono essere ridotti fino al 30% attraverso un migliore uso delle macchine, ottimizzazione della sequenza delle fasi produttive, un uso più sostenibile dei materiali e una messa a punto più agevole. Gli indicatori di qualità sono migliorati riducendo gli scarti e le rilavorazioni di oltre il 20%.

Lo sviluppo di prodotti e processi virtuali

Il processo di sviluppo comporta un gran numero di operazioni di simulazione. Usando strumenti specializzati per ogni singola fase, lo sviluppo può essere implementato in modo efficiente e conveniente. Hexagon, con MSC Software, collega le discipline specialistiche che erano precedentemente gestite separatamente, dalla progettazione alla produzione fino al controllo di qualità finale (Figura 3).

L’ingegneria del valore

I processi di produzione e lavorazione assorbono oltre il 90% dei costi totali del ciclo di vita di un prodotto; tuttavia, fino al 70% di questi costi sono determinati da decisioni prese all’inizio del processo di creazione del prodotto. Prima di effettuare investimenti significativi (strumenti, sistemi o attrezzature), è possibile prevedere i costi dei materiali, i costi di produzione e la fattibilità in fase di progettazione. Questo processo è noto come ingegneria del valore. Il software FormingSuite fornisce soluzioni per la valutazione iniziale della fattibilità e il calcolo dei costi per parti in lamiera.
L’uso di questa soluzione software targata MSC Software nella fase iniziale dello sviluppo del prodotto permette ai progettisti di comprendere i costi i del progetto associati a materiale e produzione, permettendo di costruire i componenti in modo economico ed eliminando i costi derivanti dalle modifiche geometriche, identificandole in una fase iniziale di progetto. La simulazione permette, infatti, di identificare eventuali problemi di producibilità già all’inizio del processo di progettazione. Questo permette al progettista di progettare correttamente il componente fin dall’inizio. I progettisti possono analizzare la fattibilità del componente, ottimizzare la geometria ed evitare costose modifiche di progettazione più avanti nel processo di produzione (Figura 4).

Minimizzare il tempo di sviluppo

Uno degli aspetti cruciali sia prima che durante la produzione è il tempo. Con il software di simulazione, gli ingegneri possono identificare eventuali problemi di produzione prima di iniziare la produzione stessa, e possono correggerli in fase di simulazione. Ciò riduce significativamente le modifiche al processo e i cicli di cambio utensili nel processo di produzione. Inoltre, è richiesto un numero minore di prototipi.
Per ridurre al minimo i tempi di consegna e di sviluppo, il software Digimat offre un’accurata simulazione delle plastiche rinforzate con fibre. Per esempio, il tipico tempo di sviluppo di un componente che smorza le vibrazioni di un’automobile è di circa un anno e mezzo, con le prime 16 settimane dedicate alla progettazione e allo sviluppo del processo. Per accorciare significativamente questo ciclo, il calcolo viene effettuato con Digimat.
Il numero di modifiche al progetto può essere ridotto addirittura del 70%, dato che sono già disponibili risultati di simulazione molto precisi. Inoltre, le condizioni di lavorazione sono di essenziale importanza per il comportamento del componente, al fine di evitare stime imprecise. Con Digimat è possibile effettuare in pochi minuti una simulazione estremamente precisa della struttura aggiungendo le informazioni derivanti da una simulazione del processo. Il funzionamento semplice del software riduce il tempo di preparazione necessario per gli ingegneri.
Il tempo di analisi della variazione di un componente può essere ridotto da una settimana a sole 15 ore, i prototipi possono essere sviluppati prima e la produzione può essere molto più veloce (Figura 5).

Durata e resistenza del prodotto

Prevedere il cedimento e la fatica dei materiali è uno dei compiti più difficili nello sviluppo dei prodotti. I costi dei test fisici possono raggiungere rapidamente importi a cinque cifre e oltre. I metodi di simulazione numerica calcolano la vita utile e permettono di identificare i carichi di funzionamento sicuri. Inoltre, vengono esaminati gli effetti delle alte temperature, dei processi di fabbricazione e delle sollecitazioni nello stato assemblato.
La simulazione permette previsioni precise della vita utile e della fatica sotto qualsiasi combinazione immaginabile di condizioni di carico dipendenti dal tempo o dalla frequenza.

Caso di studio: processo di sviluppo virtuale nella costruzione di un mozzo

Il seguente caso di studio è stato realizzato con il Formula Student Team dell’Università di Paderborn, e mostra l’uso di diversi strumenti di simulazione in un processo strutturato (Figura 6). Il compito del progetto era quello di sostituire un mozzo in alluminio prodotto con processi tradizionali di fusione e asportazione con una variante per manifattura additiva. Non solo la variante per manifattura additiva avrebbe dovuto raggiungere le stesse prestazioni del design convenzionale, ma si sarebbe dovuto ottenere anche una riduzione del peso del componente.

La Figura 7 rappresenta il processo di sviluppo virtuale completo basato sul flusso di lavoro per un mozzo. Lo spazio di installazione, le condizioni di carico e i punti di montaggio erano noti dal progetto originale. Una simulazione multibody con MSC Adams ha fornito le principali condizioni di carico. Con queste informazioni, è stato innanzitutto possibile calcolare un componente ottimizzato per ridurne il peso. Con MSC Apex Generative Design, sono state generate per ulteriori studi diverse varianti con una riduzione media di peso di quasi il 50%. Un altro vantaggio della soluzione software è la possibilità di considerare sia gli aspetti legati alla produzione che le condizioni al contorno per l’ottimizzazione. Si crea così un oggetto pronto per la produzione. Le possibili varianti di progetto sono poi state esaminate in Simufact Additive per identificare eventuali problemi di produzione e stimare i loro costi di produzione. Tutti i fattori rilevanti che influenzano i costi sono analizzati ed è possibile mostrare immediatamente come una modifica al processo influisce sui costi di produzione. Il processo di produzione selezionato viene simulato e tutte le deviazioni dimensionali e i tipici difetti di costruzione, che porterebbero all’interruzione della produzione o a componenti difettosi, vengono esaminati. I risultati del calcolo sono stati trasferiti a MSC Nastran per il calcolo strutturale e a MSC Adams per la simulazione multi-body per la validazione finale. Questo serve a poter prevedere il comportamento dei componenti quando sono installati sotto carico operativo. Tutti i cambiamenti di proprietà locali che si verificano durante la produzione, a seconda dei parametri di produzione selezionati, sono considerati in questo controllo finale. Alla fine del processo di progettazione, si sono ottenuti un componente finito e un processo validato che non solo soddisfano le specifiche tecniche, ma garantisce anche di mantenere il controllo sui costi.

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Virtual Lifecycle Manufacturing il processo di produzione virtuale

Come descritto in precedenza, l’Industria 4.0 prevede un ambiente di lavoro connesso in rete lungo l’intera catena del valore. Per questo motivo, MSC Software è focalizzata sullo sviluppo di una piattaforma di soluzioni strategiche nell’ambito della produzione intelligente: Virtual Lifecycle Manufacturing permette di ottenere ulteriori risparmi sui costi e miglioramenti della qualità attraverso una combinazione di diverse soluzioni software. L’uso mirato di specifiche soluzioni di simulazione della produzione nelle prime fasi di sviluppo gioca un ruolo centrale. I dati di misurazione dei processi reali sono, di solito, disponibili solo per la valutazione e l’analisi della qualità del processo e del prodotto quando i test dei prototipi o la produzione sono iniziati.

Grazie al ciclo di produzione virtuale, i dati di misurazione virtuali sono generati dalla simulazione usando soluzioni software intelligenti, ed elaborati e analizzati con gli stessi metodi e nello stesso sistema di gestione dei dati e della qualità delle misurazioni reali. Inoltre, è possibile prendere in considerazione i dati di misura reali, in modo da permettere un confronto diretto con i parametri di misura virtuali e i dati CAD nominali con una logica di valutazione uniforme.
Tutti i dati di misura virtuali ottenuti dalla simulazione e i dati di misurazione fisica possono essere registrati, analizzati e documentati in una piattaforma integrata.
Questa vasta raccolta di dati fornisce la base per sviluppare modelli semplificati con l’intelligenza artificiale o il machine learning per ottenere rapidamente informazioni utili a ottimizzare il processo ed il prodotto. L’obiettivo di Hexagon è di offrire questa piattaforma come soluzione scalabile per consentire alle aziende industriali, di media dimensione, di avere un accesso più veloce all’Industria 4.0.