Virtuální výroba realitou

Napadlo vás, kolik úsilí, času a finančních prostředků lze ušetřit, pokud byste byli schopni otestovat turbínu dříve, než ji vyrobíte? Anebo zjistit, zda právě navrhovaná pračka nebude při odstřeďování budit celý dům? Nejlépe hned, v časné fázi vývoje, bez stavby jediného prototypu? A co třeba odladit procesy v celé továrně před tím, než vůbec započnete s její výstavbou? Na řadu těchto otázek již dnes umíme odpovědět pomocí nástrojů virtuální reality. Virtuální realita se díky pokroku v IT a zdokonalování simulačního softwaru stále více přibližuje skutečnosti. V průmyslové výrobě k tomu přispívá i stále častější digitalizace technologie výroby a výrobních zařízení. Ta umožňuje řídit celé výrobní linky počítačem. Zároveň zjednodušuje jejich přesné zobrazení ve virtuálním světě. Již dnes existují řešení, která pomáhají vytvářet virtuální kopie celých závodů. VIRTUÁLNÍ TOVÁRNA V závodě společnosti Siemens poblíž německého Amberku, kde se zhotovují komponenty pro automatizaci, běží výroba na plné obrátky. Poptávka po produktech roste, a s ní se objevuje i otázka výrobních kapacit. Amberský závod proto nyní pracuje na vývoji vlastní digitální kopie. Na simulaci a optimalizaci procesů a výroby pracuje 10 odborníků s programy od společnosti Siemens PLM Software. V nich zpracovávají úplné specifikace každého produktu a každého zařízení používaného ve výrobě, a nastavení veškeré komunikace mezi jednotlivými zařízeními. Po dokončení modelu bude možné odladit celý výrobní proces nejprve ve virtuálním prostředí, a poté učinit nutné změny ve skutečné továrně. Optimalizace výrobních procesů proto přinese minimální prostoje ve výrobě a úsporu nákladů. Jednotnou databázi produktů a výrobních technologií budou moci poté využívat i ostatní závody. A to samozřejmě výrazně zjednoduší vývoj řešení přizpůsobených potřebám jednotlivých zákazníků. Dr. Gerd Ulrich Spohr, zabývající se ve společnosti Siemens strategickými technologiemi v oblasti průmyslové automatizace a pohonů vysvětluje, kam až může propojování virtuálního a reálného světa pokročit: „Chceme, aby stroje a procesy v továrně nalezly své přesné protějšky ve virtuálním světě. Když bude zapotřebí provést ve výrobě změnu, budeme schopni simulovat možná řešení natolik přesně, že automaticky vygenerujeme software, který potřebným způsobem změní chování strojů. Podle našeho názoru se z toho stane velmi jednoduchý integrovaný proces vyžadující jen málo manuálních zásahů. To je naše vize. Myslíme si, že bude realizována do 10 let.” PLNĚ FUNKČNÍ MODELY Virtuální designové centrum společnosti Siemens navrhuje s pomocí počítačů produkty, které oživuje ve virtuálním světě. V něm se také testují, dávno před postavením prvního prototypu. Práce centra se zaměřuje na vývoj mechatronických systémů, tedy na současný návrh a propojení mechanických komponentů a jejich elektronických řídicích systémů. Mnichovští inženýři tuto metodu nazývají FINE (funkční a integrované inženýrství mechatronických systémů). FINE umožňuje souběžnou práci několika specialistů na společných virtuálních modelech. Kombinují se tak odborné znalosti kupř. ze strojírenství, elektrotechniky a vývoje softwaru. Velmi brzy tak lze zjistit, zda spolu bude harmonicky spolupracovat motor a řídicí jednotka. „V minulosti byly nejprve vyrobeny mechanické komponenty, poté přidána elektronika a až nakonec byl testován řídicí systém a jeho spolupráce s hardwarem,“ vysvětluje vedoucí centra Bernd Friedrich. Takový přístup ale trvá příliš dlouho, protože chyby, jako nedostatečný výkon motoru nebo pomalá řídicí jednotka, jsou většinou odhaleny až v dokončeném stroji. A tehdy je už příliš pozdě. Často se stávalo, že bylo postaveno a testováno několik prototypů ještě předtím, než byl dokončen výrobní design. Nový paralelní přístup spojuje hned od počátku inženýry ze všech disciplín, což znamená, že plně funkční produktový model je na počítači dokončen dříve, než je cokoli vyrobeno. Počítač tak lze využít pro simulaci a testování několika produktových variant. Navíc je možné vzít v potaz požadavky zákazníků. A to i těsně před dokončením samotného vývojového procesu. Tento přístup zkracuje čas nutný pro vývoj zhruba o třetinu. Nové produkty tak lze uvést na trh mnohem rychleji, což je klíčové pro prodejní úspěch. FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI Na pozadí veškerých simulací a virtuálního testování stojí matematické znalosti. Předpokladem komplexního přístupu je vždy vývoj potřebných algoritmů. Proto je v týmu Virtuálního designového centra několik matematiků, kteří pomohli vyvinout tzv. multifyzikální přístup. Koncept bere na vědomí mnoho různých fyzikálních vlastností, jako jsou distribuce teploty v rámci materiálů, nebo jeho pružnost a pevnost. Parametry, jež determinují budoucí funkčnost a kvalitu reálného produktu, jsou proto součástí virtuálního modelu. Je to jediný způsob, jak lze předem určit, zda bude kupř. budoucí automatická pračka odstřeďovat tiše. Nový přístup ale přesahuje samotný produkt, neboť bere v potaz celý procesní řetězec, a to od prvních designových návrhů až k budoucí výrobě. Začíná proto s CAD a CAE (inženýrství s pomocí počítače), postupuje k simulacím a modelování produktů a končí CAM (výrobou s pomocí počítače). Kupříkladu při plánování výroby turbínových lopatek odborníci vypočítali síly vznikající při frézování a jiném obrábění povrchů lopatek. Tyto výpočty umožnily přesně navrhnout upínací mechanismus, který drží lopatky při obrábění. VÝVOJ TURBÍN Na turbínové lopatky pro plynové turbíny se zaměřuje berlínské pracoviště společnosti Siemens. Hotová turbína váží stejně jako několik lokomotiv a skládá se z tisíců komponent. Mezi nimi je i několik stovek vysoce namáhaných lopatek, jejichž usazení musí být velice odolné a přesné zároveň. V Berlíně proto nedávno použili virtuální nástroje při vývoji 340megawattové turbíny pro nové plynové a parní zařízení v bavorském Irschingu. Aplikace nových metod zkrátila čas nutný pro vývoj turbíny, a to zejména díky lepší spolupráci zaměstnanců pracujících na několika místech – v americkém Orlandu, v německém Müllheimu a v Berlíně. V závislosti na komplexitě jednotlivých součástí turbíny dříve trvalo celé týdny i měsíce, než bylo možné jednoznačně určit, zda lze navrhovanou součást vyrobit a použít. „Je pravda, že virtuální realita nemůže vždy a ve všech případech zcela nahradit reálný provoz. Model zatím nemůže zachytit a odhalit některé odchylky,“ vysvětluje Michael Schwarzlose, který virtuální vývoj turbíny zavedl. Proces virtuálního plánování však podle něj může zkrátit vývoj o několik měsíců. Irschingská turbína byla uvedena do provozu po pouhých 7 letech vývoje, plánování a výstavby. To by bylo v minulosti nepředstavitelné. Virtuální realita se při výrobě turbín stane klíčovou součástí řízení životního cyklu výrobků. Cílem je obsáhnout všechny vývojové procesy, zkombinovat různé vývojové platformy a zjednodušit výměnu dat. Virtuální obraz reality bude čím dál přesnější. Firmám umožňuje ušetřit spoustu času a peněz. ROBOT TESTUJE TOMOGRAFY Počítačové tomografy vytvářejí snímky charakterizované vysokou prostorovou a časovou přesností, přičemž spoléhají na stále větší počet senzorových desek, které detekují rentgenové paprsky a přeměňují je na elektrické signály, ze kterých jsou rekonstruovány anatomické snímky. Nejnovější produktová řada počítačových tomografů Siemens obsahuje až 150 takových desek. To samozřejmě razantně zvyšuje náročnost testování. Siemens proto přichází s technologií automatizovaného testování senzorových desek. Technologie pod názvem AutoSETA využívá k usazování senzorových desek do detektorového modulu robotické rameno. Manuální usazování a testování se tak nahrazuje vysoce precizním automatizovaným procesem, který zároveň snižuje pracovní dobu operátora z dřívějších osmdesáti minut na pouhých pět (ze 150 na 2,5 s na senzorovou desku). Systém je tak díky spojení virtuálního světa a reality nejrychlejším a nejpreciznějším testovacím zařízením svého druhu na světě. SIEMENS PLM SOFTWARE Nedávná akvizice UGS poskytla společnosti Siemens nástroje pro spojení reálného a virtuálního světa výroby. Nově vzniklá společnost Siemens PLM Software se zaměřuje na vývoj a poskytování softwaru a služeb v oblasti PLM a podporu tzv. kolaborativního způsobu vývoje produktů. Cílem těchto metod je maximální zkrácení předvýrobních etap paralelní prací více skupin pracovníků při současné úspoře nákladů. Nabízené systémy umožňují tvorbu dat o výrobcích a procesech (CAD/ CAM/CAE, kusovníky, simulace výrobních procesů), sdílení informací a řízení jejich toků (prohlížeče, PDM, řízení projektů, řízení konfigurace, definice procesů, vizualizace), sběr, uchování a prezentaci dat a jejich výměnu mezi finalisty a subdodavateli. Nechybí ani interface pro prezentaci dat do jiných systémů (katalogy, obchodní konfigurátory, systémy SRM, ERP, SCM). V současnosti jsou vyvíjeny, dodávány a technicky podporovány CAD/ CAM/CAE a PDM systémy NX (Unigraphics NX, I-deas NX Series), Solid Edge, Teamcenter (Iman a Metaphase) včetně modelovacího jádra Parasolid, a produktová řada Tecnomatix pro vizualizaci a simulaci výrobků, výroby a výrobních procesů. Siemens PLM Software navazuje na více než 30letou tradici. Společnost má v současnosti přes 51 000 zákazníků a její systémy naleznete na více než 4 600 000 pracovních místech po celém světě. To z ní činí světového lídra na poli PLM v mnoha výrobních oborech: v leteckém, automobilovém a elektrotechnickém průmyslu, v komunikacích, ve strojírenství aj. Významnými zákazníky jsou General Motors, Boeing, General Electrics, či Ford. V České republice Aero Vodochody, ŽĎAS, KOVOSVIT, Škoda, Barum Continental, Tatra, Autopal a další. /fa/