De ing. Petru-Paul BARNA si dr. ing. Dan LEUCIUC
Integrarea societătilor românesti în contextul unei economii de piată guvernate de legi specifice, impune sistemului decizional din aceste societăti să fie într-o permanentă căutare de solutii pentru cresterea vitezei de reactie la stimulii pietei.
Unul din răspunsurile verificate la problema de mai sus îl constituie adoptarea unei solutii de tip inginerie concurentă - o metodă modernă, eficientă, care elimină, prin natura ei, operatiunile de rutină, mari consumatoare de timp si resurse umane, specifice proiectării clasice, în favoarea activitătilor direct creatoare. Aceasta se bazează pe integrarea designului (CAD), a analizei constructive (CAE), a analizei si simulării proceselor industriale si a fabricării SDV-isticii (CAM) într-un mediu unitar, care să permită coerenta transmiterii simultane a informatiei între domeniile mai sus amintite (PDM).
Problematica cea mai complexă a ingineriei concurente este înglobată în ingineria de proces. Dacă definirea geometriei unui model este relativ usoară, iar functionare poate fi analizată cu putină experientă cu ajutorul pachetelor software CAE (care elimină interminabilele formule din Rezistenta Materialelor cu nenumăratii lor coeficienti), analiza de proces implică atât folosirea metodei elementelor finite cât si a experientei vaste din domeniul proceselor industriale, ca să amintim doar două din punctele cheie.
Abordând cele mai diverse aplicatii (ambutisare, turnare, forjare, sudare si tratamente termice etc.), ingineria de proces presupune înlocuirea metodei traditionale iterative build-test-rebuild cu construirea unor prototipuri virtuale a căror fabricatie este analizată si simulată cu ajutorul computerului.
Rezultatele obtinute la testarea virtuală sunt similare celor care s-ar obtine la testarea fizică a unei tehnologii. Aceasta este utilizată în industrie, ulterior etapei de analiză structurală cu ajutorul elementelor finite, prin reprezentarea unui număr suficient de detalii practice care să conducă la obtinerea unor rezultate realisitice, în acest fel economisindu-se costurile si timpul alocat etapei de testare a tehnologiei propuse.
În cele ce urmează sunt descrise pe scurt, cele mai reprezentative produse destinate ingineriei de proces.
Permite utilizatorilor simularea si verificarea proceselor de ambutisare tinând cont de toate aspectele lor specifice, cele mai importante fiind:
PAM-STAMP este un produs dedicat specialistilor de ambutisare (modul de introducere a datelor primare fiind din acest motiv deosebit de intuitiv), permitând estimarea aparitiei defectelor de fabricatie (cutări, fisuri, micsorarea grosimii, microfisuri), si punând la dispozitie un set de unelte specifice menite să optimizeze aceste procese. Astfel utilizarea functiilor de flattening si springback conduce la optimizarea formei semifabricatului, respectiv a zonei active a matritei astfel încât piesa finală să se înscrie într-o anumită tolerantă dimensională impusă. Pachetul dispune de un pre si postprocesor performant ce include si facilitătile de meshing adaptiv necesare unui astfel de produs.
Dintre facilitătile oferite de acest produs software putem enumera: discretizor automat pentru meshare (prevăzut cu optiune de generare a mesh-ului conectat/neconectat); optiunea “automatic adaptive meshing” (rafinarea locală a mesh-ului, pentru zonele de interes) si altele.
Lista de referinte PAM-STAMP (partială) include: General Motors, Alumax, BMW, British Steel, DASA, FIAT, Matrici, RENAULT, ROVER, VW, Hyunday, Kia, Mazda, Mitsubishi, Nissan, Toyota, Yamaha, s.a.
Produsul este dezvoltat de Pam System International - divizia de software a grupului ESI.
Proiectarea formelor de turnare este bazată în prezent, în cea mai mare măsură, pe “arta” si experienta specialistilor din acest domeniu. Din această cauză proiectarea matritelor complexe de turnare este un proces dificil, ceea ce reprezintă un real obstacol în calea turnătoriilor, solicitate să răspundă din ce în ce mai repede la crintele pietei.
Prezentat pentru prima oară în anul 1989, SIMULOR a revolutionat realmente tehnica proiectării formelor si a proceselor de turnare. Bazat pe metoda elementelor finite si de volum, produsul pune la dispozitia utilizatorilor o gamă foarte largă de instrumente pentru simularea tridimensională a umplerii formei si a solidificării materialului, precum si pentru determinarea defectelor specifice acestor procese.
Utilizând ecuatiile Navier-Stokes si tinând seama de comportarea termică a fluidului vâscos si a suprafetei libere a acestuia, pachetul poate prezice cu acuratete aparitia defectelor facilitând astfel optimizarea formei si/sau a procesului de turnare.
Pornind de la suprafata cavitătii formei modelată cu un sistem CAD si discretizată cu un generator de mesh, SIMULOR defineste automat elementele de volum atât pentru piesa în sine cât si pentru întreaga formă de turnare, discretizare absolut necesară calculelor de umplere, răcire si solidificare care urmează a fi făcute de nucleul pachetului. Interpretarea rezultatelor este facilitată în bună măsură de interfata prietenoasă bazată pe standardele IRIS GL si OSF/MOTIF.
Pachetul SIMULOR cuprinde: un pre/postprocesor; un nucleu de calcul pentru umplere, răcire, solidificare, defecte etc. si un modul optional pentru prezicerea microporozitătilor în aliajele de aluminiu.
Baza de materiale a pachetului cuprinde toate materialele uzuale (aliaje de aluminiu si de cupru, fonte, oteluri etc.), putând fi oricând completată cu noi materiale, iar simularea propriu-zisă poate fi făcută în cele mai reale conditii (gravitatie, turnare la presiune înaltă sau joasă, materializarea eventualelor circuite de răcire, luarea în considerarea a permeabilitătii nisipului din formă si altele).
Grafica excelentă furnizată de statiile de lucru grafice permite atât afisarea spatială a rezultatelor (stări de temperatură, fractii de solid în lichid) cât si vizualizarea evolutiei celor mai importanti parametri, permitând astfel adoptarea rapidă a unor solutii referitoare la aspectele procesului.
Ultima versiune lansată pe piată adaugă celor prezentate un modul pentru prezicerea microstructurilor în fonta cu grafit nodular hipo- si hipereutectică.
Având în vedere toate aceste aspecte se poate aprecia că prin folosirea pachetului SIMULOR specialistii din domeniul turnării au un mare ajutor atât în proiectarea propriu-zisă a formelor si a proceselor de turnare, cât si în verificarea unor proiecte elaborate pe cale clasică.
Lista de referinte PAM-CAST/ Simulor (partială) include: Aluminium Pechiney, FIAT, PSA, HidroAluminium, RENAULT, Pont a Mousson, Fonde Ardennaise, Skoda, Mitsubishi, Nissan, s.a. Produsul este dezvoltat de Pam System International - divizia de software a grupului ESI în colaborare cu Aluminim Pechiney.
Acest pachet software simulează deosebit de precis întregul proces de injectie (incluzând umplerea matritei, mentinerea la presiune constantă - holding, răcirea si solidificarea), permitând analiza efectelor diferitor parametrii (temperatură, presiune) asupra dimensiunilor si calitătii piesei finale.
Datele obtinute, referitoare la evolutia frontului de material, a răcirii piesei si matritei, precum si informatiile exacte asupra defectelor ce pot apărea (defecte de umplere, contractii, retasuri si deformatii locale, etc.) conduc în ultimă instantă la posibilitatea de optimizare a întregului proces. Pot fi analizate cele mai complexe procedee de injectare (injectare secventiala, injectarea de piese multicomponente, etc.), precum si comportarea mecanică a pieselor de plastic realizate în regim de încărcare static sau dinamic. Sistemul dispune de o excelentă interfatare cu pachetele CAD, de facilităti avansate de modelare si meshare, precum si de o bază de date de materiale complexă.
Lista de referinte a produsului (partială) include: Allibert, BP Chemicals, FIAT, MecaPlast, PSA, RENAULT, Schlumberger, Simoldes, Rhone Poulenc, s.a. Produsul STRIM FOR PLASTICS este dezvoltat de MATRA DATAVISION.
Concentrându-si atentia si asupra simulării proceselor industriale, compania americană MacNeal Schwender a lansat de curând pe piata de profil un produs revolutionar pentru analiza si simularea tridimensională a proceselor de forjare. Din punct de vedere fizic si matematic, procesul de forjare este un fenomen tranzitoriu, înalt neliniar, caracterizat printr-o deformare spatială accentuată a materialului, prin schimbul permanent de căldură între forjat si mediu si printr-o continuă modificare a conditiilor de frontieră. În cele mai multe cazuri forma semifabricatului este relativ simplă dar piesa finală poate avea o geometrie complicată, obtinută din mai multe treceri.
Bazat pe un fundament matematic eulerian care înlătură problemele generate de distorsionarea elementelor retelei de discretizare si pierderea acuratetei rezultatelor (probleme care caracterizează actualele produse de profil), MSC/Super Forge permite simularea, verificarea si optimizarea tehnologiilor de forjare respectiv estimarea problemelor ce pot apărea (împachetări, neumplerea matritei de forjare, decarburări etc.). Folosind o interfată utilizator dezvoltată pe baza celui mai performant pre/postprocesor din lumea CAE - MSC/PATRAN - pachetul se constituie într-un instrument de neînlocuit pentru producătorii de piese forjate.
Tratamentele termice sunt procese care apelează la transformări metalurgice ale metalelor pentru a le conferi o serie de calităti necesare în exploatarea ulterioară a pieselor fabricate din acele materiale. Totodată, însă, aceste transformări sunt foarte greu de controlat, si deci foarte greu de aplicat în conditii dimensionale si de calitate impuse. De asemenea, în timpul proceselor de sudare proprietătile mecanice ale reperelor sunt substantial modificate prin aparitia (mai putin controlată) a zonelor eterogene multi-fazice, a zonelor modificate termic sau a aglomerărilor de hidrogen.
Beneficiind de o experientă de peste 15 ani în domeniul tratamentelor termice, specialistii de la FRAMASOFT au elaborat si dezvoltat SYSWELD, un pachet software care integrează într-un mod fericit toate aspectele complexe ale transformărilor metalurgice, abordând atât procesele de tratament termic (de volum sau de suprafată), cât si cele de sudare (prin puncte, cu role, cu jet de electroni sau de plasmă, cu laser, TIG, cu electrod fuzibil etc.). În urma cooptării firmei FRAMASOFT în cadrul grupului ESI si a dezvoltării pachetului SYSWELD, acesta poartă numele PAM - WELDING, nume care, de altfel, l-a si consacrat în ultimul timp pe piată.
Dispunând de o gamă largă de functii pentru simularea fenomenelor fizice care apar în timpul acestor transformări, PAM - WELDING pune la îndemâna inginerilor tratamentisti o serie de rezultate absolut necesare atât optimizării proceselor (metode de răcire, gradienti de temperatură etc.) cât si optimizării pieselor tratate (din punct de vedere al materialelor sau al geometriilor).
Distributia diferitelor faze (pentru oteluri: austenite, bainite, martensite etc.) si evolutia parametrilor este determinată cu precizie în urma unei analize cuplate termo-metalurice, analiză care tine cont de diagramele CCT, de căldurile latente la transformările dintr-o fază în alta sau de proprietătile metalurgice ale metalelor - pentru a aminti numai câtiva din factorii care intervin.
Pentru procesele mai pretentioase PAM - WELDING poate modela orice sursă de căldură, chiar si în miscare, permitând, de asemenea, vizualizarea în orice moment de calcul a elementelor specifice procesului abordat (câmpuri magnetice si potentiale, curenti, temperaturi, faze metalurgice, durităti, dimensiuni ale grăuntilor, tensiuni remanente etc.), facilitând astfel determinarea defectelor (aglomerări de hidrogen, fisuri, rupturi, sufluri, zone eterogene sau modificate termic, abateri de formă sau dimensionale etc.).
Unic în ceea ce priveste domeniul abordat si fiind disponibil pe o gamă largă de echipamente hardware - de la statii de lucru grafice până la cele mai puternice mainframe-uri, PAM WELDING este un instrument complet pentru analiza si simularea proceselor de tratament termic si sudură, aducându-si un aport substantial la reducerea costurilor si timpilor de fabricatie a reperelor metalice.
Lista de referinte PAM - WELDING (partială) include: EDF, Fiat, Framatone, Institut de soudure, PSA, RENAULT, SKODA, VOLVO, etc.
Produsele destinate simulării proceselor industriale au în comun câteva particularităti: existenta unei interfete utilizator, materializată într-un pre/post procesor, care permite preluarea geometriei dintr-un sistem CAD (import/export de fisiere IGES, DXF, VDA); introducerea conditiilor la limită; vizualizarea si interpretarea rezultatelor, sub formă de animatie sau reprezentări grafice a variatiei mărimilor de interes...
Ca o sumară concluzie a celor prezentate apreciem că simularea proceselor a devenit o necesitate pentru toate companiile interesate în definirea unei game de produse de înaltă calitate, mai ieftine, adaptate cerintelor pietei. Posibilitătile puse la dispozitia utilizatorilor permit nu numai eficientizarea modului de lucru, ci chiar regândirea întregului concept, deschizându-se noi posibilităti si metode de lucru.
Dacă în trecut definirea unui nou produs însemna un proces iterativ, în care constructia, testarea, validarea prototipurilor reprezenta procesul cel mai costisitor si mai mare consumator de timp, prototiparea virtuală nu numai că-si aduce aportul la reducerea drastică a duratei proceselor, dar permite si abordarea unor aspecte calitative, dintre care amintim:
Posibilitătile puse la dispozitia utilizatorilor de către produsele software destinate simulării virtuale sunt practic nelimitate; din punct de vedere al câstigului obtinut, companiile fac un adevărat salt în timp.