Use of CAE program and optimization of thermoplastic injection, Lubom�r Zeman, part 1.

Na úvod si definujeme pojem CAE – Computer Aided Enginnering. CAE je metoda pro vyu�ití po�íta�ového softwaru k usnadn�ní in�enýrské analýzy a optimalizaci. Termín CAE obecn� zahrnuje simulace, validace a optimalizace výrobk� a výrobních nástroj�. V informa�ních sítích se jednotlivé CAE systémy pova�ují ze jeden uzel sít� implementovaný do celkové informa�ní sít�, p�i�em� ka�dý samostatný uzel m��e komunikovat s ostatními uzly v síti.

Termín CAE se d�íve pou�íval, v širším slova smyslu, pro vyu�ití výpo�etní techniky v in�enýrské praxi obecn�, tj. nejen pro in�enýrské analýzy a optimalizace, jak je uvedeno výše. Pro širší vyu�ití výpo�etní techniky v in�enýrské praxi se dnes pou�ívají zkratky CAx a PLM – Product Lifecycle Management, proces �ízení komplexního �ivotního cyklu produktu, od jeho prvního konceptu – návrhu – p�es detailní návrh, výrobu a poprodejní servis.

P�i simulacích a modelování se studuje n�jaká v�c, respektive mo�né varianty n�jaké v�ci, p�i�em� slovo „v�c“ chápeme jako n�jaký objekt hmotného sv�ta, jako objekt, který existuje, nebo o kterém uva�ujeme, �e by mohl existovat, ale ješt� není definitivn� rozhodnuto o jeho kone�né podob�.

Podstatou modelování je náhrada zkoumaného systému jeho modelem, p�i�em� cílem je získat pomocí pokus� s modelem informace o p�vodním zkoumaném systému.

Simulace je technika, p�i ní� se zkoumaný dynamický systém – dynamický = systém je v ka�dém okam�iku své existence v jistém stavu – nahradí jeho modelem, se kterým se provád�jí experimenty pro zjišt�ní informací o p�vodním zkoumaném dynamickém systému. Cílem experiment� je lepší pochopení chování studovaného systému nebo posouzení r�zných variant �inností systému.

Modely obvykle d�líme do dvou základních skupin:

- fyzické modely – jsou hmatatelné, vycházejí z fyzikální nebo geometrické podobnosti mezi modelovaným systémem a modelem
- matematické modely – jsou to abstraktní, virtuální modely, neumo��ují provád�t experimenty fyzikální podstaty, ale umo��ují zkoumat jevy pomocí matematického popisu jejich pr�b�hu

Matematický model musíme implementovat do vhodného prost�edí – v našem p�ípad� se jedná o speciální simula�ní prost�edí, které umo��uje pou�ití model�, provád�ní jejich analýz a dokumentaci bez nutnosti velkých programátorských znalostí.

Pro implementaci model� do simula�ního prost�edí se pou�ívá metoda MKP – Metoda kone�ných prvk� (FEM – Finite Element Method; FEA – Finite Element Anylysis).

Metoda vychází z Lagrangeova principu, který �íká, �e t�leso je v rovnováze, jestli�e celková potenciální energie deformace soustavy je minimální. Metoda MKP  má t�i kroky – preprocesor (p�íprava modelu, jeho diskretizace), výpo�tový modul a postprocesor (zobrazení). Geometrický CAD model (pln� objemový) se diskretizuje, tj. provede se nahrazení nekone�ného objemu CAD modelu kone�ným po�tem prvk�, respektive uzlových bod�. Tím se pro ka�dý diskrétní bod získají t�i rovnice pole posuv� ve sm�rech x, y, z a po�ítá se pole deformací (6 rovnic) a pole nap�tí (6 rovnic). Funkce posuv� se nahradí polynomem, zavedou se okrajové podmínky a �eší se lineární algebraické rovnice z nich� vyjde výpo�et deformací a nap�tí pro jednotlivé uzlové body. Posledním krokem je, obvykle, grafické zobrazení vypo�tených dat na modelu, p�ípadn� s výpisem vybraných hodnot.

Systémy CAE jsou silnými nástroji pro ov��ování, �ešení problém� a jejich analýzu, ale stále existují dva, protich�dné, názory. První �íká, �e dostate�n� p�esné výsledky p�icházejí pom�rn� pozd� v cyklu p�edvýrobních etap – v cyklu návrhu výrobku – na to, aby mohly návrh ú�inn� ovlivnit a druhý názor zase, obvykle nekriticky, se sna�í vydávat výsledky analýz a optimalizací za jedinou cestu, kterou se máme vydávat. Domnívám se, �e v tomto p�ípad�, v�dy musí platit „D�v��uj, ale prov��uj“, to znamená v�dy výsledky CAE proces� je nutno prov��it „zdravým selským in�enýrským úsudkem“.   

Systémy CAE se obvykle propojují se systémy CAD – Computer Aided Design, respektive Drafting – po�íta�em podporované projektování, kreslení, navrhování a CAM – Computer Aided Manufacturing – po�íta�em podporovaná výroba, p�ípadn� programy obsahující n�jakou formu správy dat – PDM – Product Data Management. Tak vznikají komplexní CAx systémy, které umo��ují vytvá�et pln� funk�ní virtuální prototypy – technologie DMU – Digital MockUp. Do této skupiny programových vybavení �adíme, nap�íklad, programové balíky CATIA, Inventor, Pro/Engineering, Solid Edge, SolidWorks, VISI CAD a další.

Do CAx systém� jsou v poslední dob� zabudovávány také systémy, které sledují a provázejí daný produkt od jeho vzniku a� po ukon�ení jeho �ivotnosti. Jde o systémy PLM – Product Lifecycle Management, jejich� ú�elem je koordinovat a �ídit toky dat mezi výrobci, zákazníky a dalšími systémy tak, aby daný produkt byl sledován a plnil svoji funkci po celou jeho �ivotnost.

Pr�mysl 4.0 a vyu�ití softwar� CAE p�i optimalizaci procesu vst�ikování termoplast�

Pr�mysl 4.0 je ozna�ení pro tzv. �tvrtou pr�myslovou revoluci. Obecn� se slovem revoluce ozna�ují doby, kterým p�edcházel n�jaký zlom - pr�mysl se p�i revoluci orientuje jiným sm�rem, za�íná vyu�ívat nové poznatky, za�ízení, atd. Revoluce se netýkají jen výrobních proces�, ale týkají se i výrobk� a s nimi spojenými postupy.

V dnešní dob� rozeznáváme ji� �ty�i pr�myslové revoluce:

- Pr�mysl 1.0, první pr�myslová revoluce, konec 18. století, zavád�ní mechanických výrobních za�ízení pohán�ných vodou a párou, manufaktury, rok 1784 - první mechanický tkalcovský stav
- Pr�mysl 2.0, druhá pr�myslová revoluce, po�átek 20. století, zavád�ní hromadné výroby zalo�ené na odd�lení pracovních úkon�, pásová výroba, vyu�ívání elektrické energie, spalovací motory, rok 1870 - první pásový dopravník
- Pr�mysl 3.0, t�etí pr�myslová revoluce, 70. léta minulého století, zavád�ní elektroniky, mikroprocesory, po�íta�e, automatizace výrobních linek, rok 1969 - první  programovatelný logický automat Modicon 084
- Pr�mysl 4.0, �tvrtá pr�myslová revoluce, první teze v letech 2011 a� 2013, zavád�ní kyberneticko-fyzických systém�, CPS – Cyber Physical System

Výzvy a po�adavky na pr�mysl v sou�asné dob� kladené, co� v nemalé mí�e platí i pro obor vst�ikování termoplast�, je mo�no shrnout do �ty� oblastí:

- zkracování doby dodání výrobku na trh

     - zkracování inova�ních cykl�
     - zv�tšující se komplexicita výrobk� – integrace více funkcí do jednoho dílu 
     - po�adavky na zpracování velkého objemu dat

- zvyšování flexibility

     - kolísání po�adavk� trh�
     - poptávky po výrobcích se stále více individualizují
     - individualizace hromadné výroby

- tlak na vysokou produktivitu výroby
- zvyšování ú�innosti výroby

      - po�adavky na sni�ování výrobních náklad�
      - sni�ování energetické náro�nosti výroby     
      - tlak na zvyšování vyu�ití materiálových zdroj�

- tlak na neustálé zvyšování kvality jak výroby, tak i výrobk�, jejich u�itných vlastností

Obecn� lze �íci, �e Pr�mysl 4.0 se ji� odehrává, sou�asný digitaliza�ní trend to ukazuje. Jde o kompletní propojení všech úrovní tvorby p�idané hodnoty - od vývoje po logistiku, p�i za�len�ní automatizace do všech proces� výroby dílu, v našem p�ípad� výst�iku z termoplast�.

Spolu s automatizací je jednou z hlavních sou�ástí �tvrté pr�myslové revoluce internet v�cí – IoT (Internet of Thinks). Jeho základní myšlenkou je vytvá�et digitální – virtuální - dvoj�ata materiálních objekt� tak, �e dvoj�e je identifikováno IP adresou a ulo�eno n�kde na internetu v cloudovém serveru. Digitální dvoj�e umo��uje mít o materiálním objektu více informací ne� vznikne p�i jeho fungování. D�sledkem, ale je vznik velkého mno�ství dat – big data – která je nutno zpracovat do rozhodovacích pravidel – smart data.

Výrazn� s tím budou souviset i zm�ny na pracovním trhu - málo kvalifikované pozice, kterých je ve vst�ikování pom�rn� dost – operáto�i obsluhující vst�ikovací stroje - budou ohro�eny – p�evzetí jejich práce stroji, periferními za�ízeními – poptávka po vysoce kvalifikovaných pracovnících naopak rapidn� vzroste.

Koncept Pr�myslu 4.0 obsahuje, mimo jiné, i tyto aspekty, které se propojují se systémy CAD – CAM a CAE:

- propojení reálného a virtuálního sv�ta – propojení návrhu výrobku s návrhem výrobního postupu
- propojenou sí� informací umo��ující flexibilní výrobní procesy s p�ístupem k informacím ze všech �ástí firmy a dodavatelsko - odb�ratelského �et�zce a to v reálném �ase

P�i vst�ikování termoplast� je p�ístup� spadajících pod pojem Pr�mysl 4.0 v celém výrobním �et�zci celá �ada. Za�ít m��eme od nabídkového �ízení pomocí aplikací vyu�ívajících internet, p�edávání informací, technických podklad� a dalších pot�ebných doklad�, m��ících protokol�, poznatk�, zkušeností, p�ipomínek k procesu, zp�tných vazeb, apod. po síti.

Dále je to práce ve virtuálním prostoru – simula�ní výpo�ty, zhmotn�ní virtuálních dat pomocí technologií Rapid Prototyping, nej�ast�ji aditivními technologiemi s vyu�itím r�zných postup� 3D tiskáren.

Na druhém konci výrobního �et�zce je mo�no pracovat s r�znými zp�soby ozna�ování výst�ik�, kdy pod konkrétním ozna�ením je mo�no nalézt nejen fyzický díl, ale i jeho historii a všechny pot�ebné nebo po�adované údaje (nap�íklad doklady o prvním vzorování PPAP, PSW, hodnocení FMEA – analýza mo�ností vzniku vad a jejích následk�, m�rové protokoly, v�etn� nap�íklad návazností, montá�ních postup� (dílu, který se montuje se do n�jaké montá�ní podskupiny nebo  výrobku), apod.   

Pr�myslu 4.0 se týká i normalizace a další unifikace v procesu technologie vst�ikování. EUROMAP – European Plastics And Rubber Machinery – sdru�ení evropských výrobc� stroj� na zpracování plast� v souvislosti s Pr�myslem 4.0 definovalo nové rozhraní pro integrovanou výrobu, pro komunikaci mezi strojem a jeho periferiemi. Jedná se o rozhraní OPC – UA, definované v norm� Euromap 77.

OPC – United Architecture je novým pr�myslový M2M – Machine-to-Machine – komunika�ní standard. Jde o technologii zalo�enou na obecn� pou�ívaných komunika�ních standardech a je mo�no ji zabudovat do všech za�ízeních pot�ebných v technologii vst�ikování v nejširším slova smyslu.

Jedním z nejd�le�it�jších krok� p�i vst�ikování termoplast� je vývoj výst�iku a na n�j navazující výroba vst�ikovací formy. Zde, jako ji� mnohokrát d�íve, musím uvést, �e bez konstrukce výst�iku, která odpovídá zásadám technologi�nosti konstrukce výst�ik� z termoplast� a stanovení rozm�rové a tvarové p�esnosti odpovídající reálnému pou�ití výst�iku, není mo�no dosáhnout efektivního výsledku, tj. výroby výst�ik� s po�adovanými kvalitativními znaky a to ani za pou�ití všech mo�ných p�ístup� odpovídajících zásadám Pr�myslu 4.0.

Uvedené pln� zapadá i do kvalitativních systém� automobilového pr�myslu, kde bylo v sedmdesátých letech minulého století zavedeno striktní sledování kvality s koncepcí ZD – Zero Defects, nebo-li 0% ppm zmetk� – tedy bezporuchová výroba, která znamená, �e ka�dý výrobek, kvalitativn� vyhovující, má být vyroben na první pokus – na zmetek se tedy nemá p�ijít a� na konci výrobního �et�zce (na montá�ní lince), ale zmetky by nem�ly vznikat v �ádném výrobním procesu. To je p�i vst�ikování termoplast� více mén� utopický po�adavek a, bohu�el, se musíme smí�it s tím, �e výst�iky je nutno t�ídit na konci výrobního procesu, p�i�em� je samoz�ejmou snahou ka�dé vst�ikovny zabránit tomu, aby se chyba ud�lala v pr�b�hu výroby, kam �adíme i p�edvýrobní etapy výroby výst�ik�. Musíme si uv�domit, �e kontrola kvality cenu výst�iku výrazn� zvyšuje a v�tšina vyrobených výst�ik� z termoplast�, které neodpovídají po�adavk�m kvality je neopravitelná a kon�í sv�j �ivotnostní cyklus jako vy�azený zmetek.

Vst�ikování termoplast� – modelování a simulace – p�ístupy

Konstatování – znalost princip� modelování a simula�ních nástroj� je podmínka nutná, nikoliv posta�ující

Modelování a simulace p�edpokládají zna�né multidisciplinární znalosti o modelovaném procesu na jedné stran� a na druhé stran� o vhodných simula�ních nástrojích. Je tedy nasnad� principiální otázka – je cestou úsp�šného �ešení vytvá�ení tým� propojujících ob� strany té�e mince – znalost procesu a znalost simula�ních nástroj�, nebo snaha mít nebo vychovávat odborníky, kte�í se orientují v technologickém procesu vst�ikování termoplast�, ve vazb� na konkrétní vst�ikovnu a zárove� v metodách simulací a modelování?

Obecn� je mo�no konstatovat, �e se neustále zkvalit�uje nabídka modelovacích a simula�ních nástroj� – program�. Jsou stále intuitivn�jší a zejména mladí pracovníci berou tyto aplikace jako p�irozený nástroj pro svou práci. Pravd�podobn� je to zp�sobeno i tím, �e mají od raného v�ku zkušenost s vytvá�ením virtuálních sv�t� a simulováním r�zných proces� v podob� po�íta�ových her.

Zde ovšem za�íná platit konstatování, �e je to pouze podmínka nutná, ale nikoliv posta�ující – viz první v�ta této kapitoly. K tomu, aby po�adovaná simulace byla komplexní a v praxi vyu�itelná je pot�eba mít i odborníka na simulovanou technologii, v našem p�ípad� na technologii vst�ikování termoplast� a to pokud mo�no ve velmi širokém záb�ru. Záb�ru od znalostí výb�ru vst�ikovacích materiál� – jejich základních vlastností a oblastí pou�ití, technologi�nosti konstrukce výst�ik� z termoplast�, základ� konstrukce vst�ikovacích forem - úkosy, d�lící roviny, umíst�ní vyhazova��, vtokové systémy a� po vlastní technologický proces vst�ikování termoplast�, v�etn� hodnocení kvality vyrobených výst�ik�.

Sou�asným problémem uvedeného p�ístupu, tj. týmová spolupráce pracovník� ovládajících simula�ní postupy a pracovník� se znalostí technologie vst�ikování termoplast� i p�ístupu, který preferuje odborníka s multidisciplinárními znalostmi je, �e se jedná o b�h na velmi dlouhou tra� a to jak z �asových hledisek i z hledisek financování a v prvním p�ípad� jde i o komunikaci a motivaci, v�etn� �ízení – management - týmu. Jedná se o komunikaci lidí s rozdílnými zp�soby vzd�lání.

Ur�itým zp�sobem �ešení výše nazna�ených problém� je vyu�ití takových algoritm� v simula�ních programech, které analyzují problémy p�i eliminaci znalostí programování, tj. umo��ují s daným programovým vybavením pracovat s vyu�itím b�ných nástroj� u�ivatelského rozhraní. U�ivatel tedy nemusí znát detaily programu „za oponou“, ale m��e se zam��it na to, jak získat vypovídající výsledky, generovat analýzy a p�edpov�di a tyto presentovat v pochopitelném, zejména vizualizovaném prost�edí. P�i tom by se, ale nem�lo zapomínat, �e základní porozum�ní problematice modelování a simulací by m�lo být sou�ástí ka�dého technického vzd�lání, co� napom��e efektivnímu vyu�ívání simulací.     

Simula�ní nástroje se, s v�tším nebo menším úsp�chem, v oboru vst�ikování termoplast� vyu�ívají ji� od osmdesátých let minulého století. Problémem je, �e se jedná o simulaci, i kdy� velmi významnou, jednoho kroku procesu - vývoj výst�iku a z n�ho vyplývající konstrukce a výroba vst�ikovací formy. Prozatím, není p�ímé zapojení výsledk� optimalizace tohoto kroku procesu propojeno do optimalizace celého procesu, nap�íklad vyu�ití technologických dat optimalizovaného �ešení k nastavení základních technologických podmínek vst�ikování p�i výrob� prvních výst�ik� p�i o�ivování nové formy nebo propojení optimalizovaných technologických parametr� s hodnocením kvalitativních ukazatel�. Prozatím se tedy jedná o tzv. ostrovní �ešení, bez návaznosti na celý technologický proces.      

Polo�me si otázku – co je nejv�tší p�eká�ka pro zavád�ní metod simulace a modelování?

Ze zobecn�ných mých zkušeností z našich vst�ikoven to jsou t�i hlavní p�eká�ky – nedostatek kvalifikovaných odborník�, nestabilní vst�ikovací procesy (obvykle rozptyl vlastností vst�ikovaného materiálu v �ase) a mnohdy problematické vzorce chování n�kterých provozních pracovník�. V n�kterých p�ípadech k tomu p�istupuje i otázka financí, která je ovšem snadno �ešitelná vyu�itím slu�eb firem specializovaných na zákaznická �ešení simulací. A i zde si dovolím apelovat na kontrolu pomocí pou�ívání zdravého rozumu.     

Problémem je i mnohdy nep�ístupnost výsledk� simulací v rámci firmy (on-line nebo jinak) a i neznalost práce se získanými daty, p�ípadn� i nechu� d�lat zm�ny. Sou�ástí lidské p�irozenosti je snaha chránit si své znalosti a dr�et se své komfortní zóny, na kterou jsme zvyklí.

Druhá �ást �lánku bude zve�ejn�na 10.3.2020.

Ilustra�né foto: ISPE, s.r.o.