Co je Virtuální prototypování?
Virtuální prototypování (VP) je proces, při kterém inženýři využívají specializované konstrukční a simulační počítačové programy pro návrh a tvorbu digitálního modelu produktu pro účely výzkumu a testování. Tento digitální prototyp, tzv. digitální dvojče zamýšleného fyzického produktu, lze podrobit téměř totožnému testování, jako je tomu u fyzických prototypů, jen s tím rozdílem, že zde probíhá testování digitálně (v simulačním softwaru).
Vlastností “digitalizace” prototypování je urychlení cyklu vývoje. Virtuální prototyp je obvykle vytvořen rychleji než fyzický prototyp, stejně jako aplikace změn ve virtuálním prototypu je rychlejší a snazší. Pomocí virtuálního prototypovacího softwaru lze provádět různé výkonnostní testy ihned v průběhu jeho tvorby, odhalit tak “neočekávaná opotřebení”, a díky tomu ihned utvářet efektivnější design součástí na základě definovaných zatížení a požadované životnosti. Samozřejmostí je rovněž možnost testování a simulace celých navržených mechanismů.
Při virtuálním prototypováni se pracuje s 2D a 3D modely. Výstupem simulací je pak kromě dat i animace. Tedy I přes to, že při virtuálním prototypování neexistují navrhované produkty ve formě fyzického prototypu, prezentace navrhovaných produktů je snadná - marketingové a obchodní oddělení má k dispozici digitální modely, které při troše práce mohou vypadat fotorealisticky, k nerozpoznání od finálních fyzických výrobků.
Volně přístupný náhled - publikace v přípravě.
Metody vytváření věcí se mění
Ve výrobě lze pozorovat několik trendů:
- Rostoucí požadavky a očekávání zákazníků díky vyššímu důrazu na přidanou hodnotu
- Lepší dostupnost nových způsobů výroby. Např technologie aditivní výroby umožňuje produkovat výrobky levněji, i v menších sériích, přímo v místě poptávky
- Moderní charakter výrobků, které jsou vzájemně propojené a inteligentní. To přináší příležitosti k rozšíření hodnoty produktu pomocí propojených služeb.
Při návrhu se klade zvýšený důraz na následující:
- Zvyšování inovační kapacity a konkurenceschopnosti
- Snižování záručních vad
- Zlepšování výkonnosti výrobků
- Získávání výnosnějších poptávek
Při návrhu úspěšných inovací je třeba ovládnout 5 následujících výzev:
- Dodržení termínů dodávek zákazníkům
- Správa změn
- Komplexnost produktů
- Konkurenceschopnost produktu v globálním měřítku
- Sdílení informací s dodavateli a zákazníky
Výše zmíněné požadavky lze splnit digitalizací procesů výroby a začleněním virtuálního prototypování.
Volně přístupný náhled - publikace v přípravě.
Výhody virtuálního oproti konvenčnímu prototypování
Řada firem používá lineární návrhový proces skládající se z následujících fází: KONCEPT → NÁVRH → VÝROBA Fyzického prototypu → Tetování → kdy na základě spokojenosti výsledků se přechází na Výrobu nebo se vrací do fáze návrhu za účelem provedení úprav. Po výrobě následují poté fáze PRODEJ → PROVOZ → UKONČENÍ.
Oproti tomu, virtuální prototypování umožňuje hned od začátku vývoj výrobku řízený simulacemi, označovaný jako SDPD z anglického Simulation Driven Product Development. V takovém případě je část výroby prvotních fyzických prototypů a jejich testování nahrazena prototypováním v digitálním prostoru, přičemž prvním fyzickým prototypem je případně až výsledný produkt virtuálního prototypování (např. pro ověření kvality výroby). I tento prototyp však může být přeskočen, výsledek VP může být uveden rovnou do výroby → Provozu → Ukončení.
Diagram 1 - Srovnání lineárního procesu vývoje a vývoje řízeného simulacemi
K rozšíření virtuálního prototypování došlo s potřebou vyrábět kvalitní a modifikovatelné produkty v kratším časovém období. Existuje výrazná tržní výhoda společnosti před konkurencí, představuje-li produkt jako první, případně umožňuje-li ekonomicky a časově dostupnou možnost přizpůsobitelnosti produktů na míru potřeb klienta. Jak je z diagramu 1 patrné, vývoj založený na simulacích a virtuálním prototypováním začíná shodně s lineárním procesem vývoje, a to fází konceptu, kdy inženýři přicházejí s nápady na návrhy a funkce produktu. To může zahrnovat četné výkresy a revize návrhu před vytvořením jakéhokoli typu prototypu.
Při tradičním lineárním procesu vývoje od konceptu, přes návrh, výrobu, uvedení na trh a ukončení se naráží na relativně krátkou životnost produktu definovanou kvalitou konkurence. Protahovat ji, potažmo zvyšovat konkurenceschopnost lze v takovém případě pouze zavedenější značkou, spolehlivostí, nebo nejhůře - podbízení se cenou (použití levnějších materiálů, efektivnějšími procesy).
Naopak, aplikace virtuálních simulací je moderní přístup adaptující principy FOMT (future of making things), tedy postavený na potřebě dynamicky reagovat nepřetržitými vylepšeními a inovacemi na roztříštěné a nestálé se měnící požadavky zákazníků a potřeby moderní doby.
S adopcí virtuálního prototypování je možné být flexibilní, zavést průběžné menší inovace i mezi jednotlivými generacemi výrobků. Od konceptu můžete výrobek konfigurovat dle individuálních přání zákazníků. Při návrhu lze aplikovat tzv. mechatronický přístup, kdy různá oddělení pracují se stejným prototypem současně. Díky nižším nákladům na testování, při návrhu lze používat postupy generativního navrhování a evolučních algoritmů. Navržené modely je možné efektivně zhmotnit díky moderní aditivní výrobě a konfigurovatelným továrnám. Hodnota výrobku už není pevně daná – personalizované produkty a s nimi datově propojené služby přináší možnosti rozšíření nabídky i o doplňkové služby generující přidanou hodnotu a příjem. Data získaná z propojených výrobků (internetem věcí - IoT) můžete ihned využít pro opakovaný proces iterativních inovací při stávajícím vývoji. Opomenout nelze ani fakt, že snížení časové náročnosti a nákladnosti tvorby prototypu inženýři mohou zkoumat i riskantní neobvyklé nápady, co ve výsledku vede k inovacím.
Softwary pro počítačové analýzy a testování digitálního prototypu jsou dnes již na takové úrovni, že umožňují testovat výrobek nejenom rychleji a levněji, ale i komplexněji než je tomu v případě fyzického prototypu. Počítačově je možné simulovat vyjma běžných provozních podmínek i různé kombinace podmínek extrémních, což je v praxi v případě fyzických prototypů obtížně proveditelné a nákladné. Digitální forma založená na principech CAE (computer aided engineering) má i výhodu ve snadné upravitelnosti prototypů, a tedy možnosti provádět a porovnávat výsledky pro různé varianty návrhu a jejich následné optimalizace vedoucí k výrazně lepší kvalitě navrhovaných produktů.
Volně přístupný náhled - publikace v přípravě.
Fáze virtuálního prototypování
Virtuální, nebo také digitální prototypování je proces, při kterém je navržen nový produkt a prototyp pro něj je vytvořen digitálně, nikoli fyzicky. Tento prototyp je obvykle tvořen v počítačovém softwaru umožňujícím propojení s dalšími užitečnými softwary pro simulace, analytiku, testování a vizualizaci, případně alespoň export modelů ve formátu importovatelném do dalších nástrojů. Výstupy z digitálního prototypování lze začlenit do každé fáze vývoje produktu od koncepčního návrhu až po finální fáze výroby a marketing.
Při virtuálním prototypování víceúčelových systémů kombinujících elektroniku, mechaniku a softwarové inženýrství lze využívat mechatronický přístup, který umožňuje provést integraci těchto tří nezávislých systémů (mechanika, elektronika, řídící systém) jednodušší, efektivnější a spolehlivější formou oproti lazené na fyzických systémech. Navíc, jednotlivé nezávislé profesní týmy mohou svoji část mechatronického systému ladit současně v rámci jednoho propojeného konstrukčního systému.
Pojďme si popsat jednotlivé fáze prototypování od koncepčního návrhu, přes reverse-engineering, výpočty, konstrukci a analýzu, až po simulace, vizualizace, výrobu, správu produktových dat a tvorbu servisní dokumentace. Pro podporu práce napříč níže popsanými fázemi digitálního prototypování a pro koordinaci + propojení dat a týmů na nich pracujících se používají nástroje pro správu dat. Tím je udržován produktivní pracovní postup, umožňující efektivní revize návrhu a automatizující procesy vydávání digitálních prototypů a spravy technických kusovníků.
Diagram 2 - Fáze virtuálního prototypování
1. Koncepční návrh
Fáze koncepčního návrhu zahrnuje převzetí zákaznických vstupů, dat a požadavků trhu na základě čehož je návrháři začínají tvořit první náčrty produktu, které posléze rozvíjejí do koncepčních návrhů.
Celý tento proces designéři provádí digitálně, díky čemuž je zachycen veškerý postup a především možnost tato data a soubory sdílet v kompatibilním formátu s inženýrským týmem. Součástí dat vázaných ke koncepčním návrhům mohou být i vysoce kvalitní digitální snímky nebo rendery, díky čemuž je usnadněno návrhy zřetelněji pochopit dalšími členy týmu a dávat tak k nim fundovanější zpětnou vazbu a rozhodnutí. Návrháři při tom mohou vytvořit a vizualizovat několik iterací designu, měnit věci, jako jsou materiály, tvar, nebo barevná schémata, než je koncept dokončen.
Vytvořené koncepční designy jsou poté předány dalším oddělením, které je využívají jako referenci při připomínkování z hlediska konstrukce, výroby i marketingu.
2. Engineering
Během konstrukční fáze pracovního postupu digitálního prototypování vytvoří inženýři 3D model produktu (digitální prototyp) a integrují data návrhu vyvinutá během fáze koncepčního návrhu. Týmy také přidávají data návrhu elektrických systémů do digitálního prototypu během jeho vývoje a vyhodnocují, jak různé systémy interagují. V této fázi pracovního postupu jsou všechna data související s vývojem produktu plně integrována do digitálního prototypu. Při práci s daty mechanického, elektrického a průmyslového designu týmy navrhují každý poslední detail produktu v konstrukční fázi pracovního postupu. V tomto okamžiku je digitální prototyp plně realistickým digitálním modelem kompletního produktu.
Inženýři testují a ověřují digitální prototyp v průběhu celého procesu návrhu, aby učinili nejlepší možná návrhová rozhodnutí a vyhnuli se nákladným chybám. Pomocí digitálního prototypu mohou inženýři:
- Provádět integrované výpočty a simulace napětí, průhybu a pohybu za účelem ověření návrhů
- Vyzkoušet, jak budou pohyblivé části fungovat vzájemně se ovlivňovat
- Vyhodnotit různá řešení pohybových problémů
- Vyzkoušet, jak návrh funguje pod reálnými omezeními
- Provést analýzu napětí pro zvolené materiály
- Ověřit pevnost součástí
Součástí konstrukční fáze je tvorba dokumentace pro výrobní tým.
3. Výroba
Při virtuálním prototypování jsou výrobní týmy zapojeny již od rané fáze procesu návrhu. Tento vstup je důležitý, aby návrh designérů byl tvořen s ohledem na efektivní výrobu z hlediska nákladů a potřebných technologií. Náročnost výroby navrhovaných dílů může být ihned testována - např prostřednictvím virtuální simulace lisování a vstřikování navržených částí digitálních prototypů. Danou simulací lze rovněž identifikovat potenciální výrobní vady.
Digitální prototypování mimo jiné umožňuje produktovým týmům sdílet podrobné montážní pokyny digitálně v 3D rozměru, které jsou oproti papírovým montážní výkresům rychleji pochopitelnými. Tato včasná a jasná spolupráce mezi výrobními a inženýrskými týmy pomáhá minimalizovat výrobní problémy v dílně.
Nakonec, simulovat lze i samotný výrobní řetězec, a to prostřednictvím dynamických simulací výroby. Tyto simulace prováděné procesními inženýry se zaměřují na designování efektivního výrobního procesu v rámci rozložení výrobních technologií, linek a zdrojů nezbytných pro výrobu v layoutu výrobní haly.
Marketing a komunikace
Virtuální prototypování zpravidla pracuje s 3D modely, které jsou prostřednictvím simulací dále například rozpohybovány do animací či dokonce interaktivních aplikací. Veškeré tyto výstupy lze buď přímo, anebo po dodatečných úpravách využít v materiálech pro prezentaci, testování zaujetí a marketing.
Na základě kvality modelu, případně pomocí dodatečných úprav lze dosáhnout fotorealistické vizualizace a rendery navrhovaného produktu, a to jak ve statickém tak dynamickém stavu. Takovýto digitální prototyp poté nejen že nahrazuje potřebu výroby a následného focení fyzických prototypů, ale především přináší zcela nové možnosti prezentace produktů z hlediska variability, interaktivity a detailu. Tyto výstupy lze prezentovat na všech relevantních platformách, od tisku, přes web, katalogy i televize.
S využíváním digitálních prototypů namísto fyzických mohou obchodní oddělení akčně a okamžitě reagovat zavedením změn na základě zpětné vazbu - a to jak z pohledu dat zaujetí, tak žádostí o návrhy od potenciálních zákazníků. Mimo jiné, určitá variabilita může být vlastností navrhovaného produktu, kdy interaktivně vizualizovat tuto variabilitu (možnosti přizpůsobení) produktu je efektivně možné právě digitálně.
Z výše uvedeného je zřejmé, že obchodní týmy mají dostatek materiálu pro komunikaci vyvíjených produktů. Tedy, do celého procesu vývoje, již od počátečních fází mohou zapojit přímo zákazníky a tím dopomáhat směřování vývoje správným směrem. 3D digitální modely jim snadno umožní realisticky prezentovat stroje, jak vypadají a fungují v realistických prostředích, aniž by zatím existovaly. Toto včasné zapojení zákazníků pomáhá vyvíjet produkty parametrově na základě potřeb trhu, namísto doměnek vedení.
Volně přístupný náhled - publikace v přípravě.