Intelligent Performance Engineering zorgt voor innovatief ontwerp en hoge prestaties

Digitale transformaties stellen machinebouwers in staat om in te spelen op de veranderende klantvraag voor steeds meer op maat gemaakte producten. Als gevolg hiervan worden machines en apparatuur steeds complexer: slimmer, lichter en meer toegespitst op de specifieke behoeftes van de eindgebruiker. Industriële machinebedrijven passen geavanceerde ontwerp- en simulatieconcepten toe via Intelligent Performance Engineering om deze uitdagingen effectief het hoofd te bieden.

Rahul Garg is vicepresident industriële en zware machines bij Siemens Digital Industries Software en verantwoordelijk voor wereldwijde business development.

De implementatie van Intelligent Performance Engineering (IPE) in combinatie met een digitale thread is van vitaal belang voor bedrijven die tijdens het evalueren, verifiëren en testen van hun ontwerpen tegemoet willen komen aan de behoeftes van klanten voor wat betreft betrouwbaarheid en goede machineprestaties. Dit artikel beschrijft het Intelligent Performance Engineering-concept en het vermogen hiervan om zelfs voor de meest innovatieve, complexe machines consistente en hoge prestaties te garanderen. Bij die performance draait het om personalisatie, wereldwijde concurrentie en simulatie, waarbij de IPE-aanpak wordt toegepast om veiligheid, betrouwbaarheid en kosteneffectiviteit te garanderen.

IPE bevat de volgende drie onderscheidende factoren: multifysische simulaties en tests, geïntegreerd ontwerp en simulatie, en closed-loop validatie. Die factoren stellen machinebouwers in staat om een uitgebreide digital twin te creëren waarmee teams efficiënt de mogelijkheden en beperkingen van productprestaties en -variaties kunnen evalueren.

Multifysische simulaties en tests

Multifysische simulaties omvatten een breed scala aan fysische disciplines, waarmee ontwerpingenieurs de vele eigenschappen van een model kunnen onderzoeken. Bovendien bevorderen ze een betere samenwerking tussen domeinexperts rond kritieke, multidisciplinaire modules die traditioneel individueel werden aangepakt. In plaats van dat elke expert zich op zijn eigen gebied concentreert, versterken multifysische simulaties en tests het onderlinge overleg. Hierdoor functioneert de machine in alle omgevingen, zowel tijdens de virtuele simulatie als in de echte wereld.

Er zijn bijvoorbeeld verschillende simulatiemogelijkheden nodig voor thermische en stressanalyse. Vroeg in de ontwerpfase moet gelijktijdig met tal van factoren rekening worden gehouden: vloeistofkrachten, thermomechanische belastingen en elektromagnetische straling. Een ontwerper moet zowel de spanning als de thermische effecten onderzoeken om te bepalen of een te hoge temperatuur de betrouwbaarheid van het product kan beïnvloeden. Dit soort interacties kan van invloed zijn op de productprestaties, veiligheid en levensduur. Het isoleren en onderzoeken van deze factoren afzonderlijk voorspelt niet altijd nauwkeurig het eindgedrag. Daarom is het van groot belang om tijdens de simulatie alle effecten en belastingen tegelijkertijd te beschouwen.

Doordat ze beschikken over multifysicamogelijkheden binnen een geïntegreerde ontwerp- en simulatieomgeving, kunnen machinebouwers ook eenvoudig een compleet systeemsimulatiemodel maken. Dit proces wordt uitgevoerd door de gewenste onderdelen uit een bibliotheek te selecteren en ze naar het model te slepen. In dat simulatiemodel kunnen engineers hun machine aanpassen en zien wat de impact is van die wijziging. Dit garandeert hoge productieprestaties zonder dat het veel invloed heeft op de planning. Vervolgens is het mogelijk om in de conceptfase gedetailleerde wat-als-analyses uit te voeren om snel vast te stellen of een ontwerpwijziging inderdaad het gewenste resultaat oplevert. Je kunt bijvoorbeeld checken welke impact het verhogen van de productie- en doorvoersnelheid heeft op het energieverbruik. Bovendien is het met deze benadering mogelijk om de impact van nieuwe besturingsstrategieën te evalueren en het systeemsimulatiemodel te integreren met de testomgeving, waardoor fysieke metingen kunnen worden aangevuld met virtuele sensorgegevens.

Deze samenwerkingen gaan verder dan de uiteindelijke machine. Multifysische simulaties kunnen machinefabrikanten en hun toelevernetwerk helpen de volledige machineprestaties te evalueren, inclusief eventuele componentveranderingen. Vervolgens wordt een uitgebreide digital twin gebouwd, een twin die volledig is gevalideerd door tests op basis van real-life gedrag. Een twin ook die analyses uitvoert vanaf het niveau van de kleinste componenten tot aan de gehele machine, waarbij alle relevante kenmerken worden geëvalueerd. In de toekomst verwachten we dat deze systeemmodellen worden gebruikt als een executabele digital twin, die kan helpen het gedrag van de machine tijdens de productie te bewaken en te controleren.

Geïntegreerd ontwerp en simulatie

Machinebouwers staan voor veel uitdagingen als ze willen inspelen op de toenemende vraag naar flexibelere en op maat gemaakte machines. Met geïntegreerd ontwerp en simulatie hebben ze de waardevolle mogelijkheid om gedifferentieerde producten te maken, zodat toegevoegde product- of onderdelenvariaties veilig en kosteneffectief zijn en goed presteren. Bovendien zorgt het geïntegreerde ontwerp- en simulatieproces ervoor dat prestatie-engineering kan worden opgepakt vanaf het frontend productontwerp tot de inbedrijfstelling, zodat de ontwerp- en engineeringmodellen consistent zijn en dat alle gegevens synchroon lopen. Bijgevolg kan elke machinevariant snel worden gevalideerd door middel van multifysische simulatie en tests voordat hij aan de klant wordt opgeleverd.

Omdat de behoefte aan maatwerk steeds groter wordt, is het steeds minder haalbaar om voor elke variant een fysiek prototype te maken. Daarom is het cruciaal om deze varianten te testen in een virtuele omgeving. Een geïntegreerde ontwerp- en simulatieaanpak zorgt voor een drastische vermindering van de noodzaak om fysieke prototypes te ontwikkelen. Ontwerp- en simulatie-ingenieurs gebruiken een primair modelconcept voor hun eigen tools, waardoor simulatiegegevens synchroon blijven lopen met het ontwerp.

Deze aanpak kan ook gebruikmaken van componentbibliotheken die in de loop van de tijd zijn opgebouwd en het simuleren van verschillende wat-als-scenario’s in de vroege ontwerpfase vergemakkelijken. Daarmee wordt een bedrijfskennisbank gecreëerd en hergebruik gemaximaliseerd.

Closed-loop validatie

Het is essentieel om te valideren dat de virtuele simulatie overeenkomt met het daadwerkelijke gedrag in de fysieke wereld. Closed-loop validatie verbreedt het testen buiten de testbed- en prototypefase naar de werkelijkheid bij de klant, en integreert reële machinebewerkingen in de simulatieomgeving. Met de komst van iot-gerelateerde mogelijkheden haal je met dit closed loop-proces het hoogste niveau van klantenservice en kom je tot een continu innovatieproces.

Zodra gegevens over machinegebruik beschikbaar komen, worden deze samengevoegd met de verificatieanalyse. Dit proces creëert een closed-loop validatie, waarbij kan worden vastgesteld of de gegevens van het gebruik bij de klant, de fysieke tests en frontend simulatie en ontwerp allemaal synchroon lopen. Als dat zo is, is dat een bevestiging dat het virtuele model van de machine nauwkeurig het gedrag van de machine in de fysieke wereld weerspiegelt.

Zodra deze closed-loop validatie op de rit is, kan het ontwerpteam vol vertrouwen het machinegedrag in de virtuele omgeving verkennen. Het kan bijvoorbeeld meten wat de impact is als de doorvoersnelheid wordt opgevoerd tot boven de aanbevolen waarde. Het kan ook verschillende bedrijfsomstandigheden onderzoeken, zoals overmatig fijnstof in de omgeving of de invloed van verschillende vochtigheidsniveaus op de machineprestaties. Even belangrijk is dat deze gegevens uit de echte wereld kunnen worden toegepast bij het ontwerpen van de volgende generatie.

Praktijkvoorbeelden

Bedrijven zoals Picanol kennen de waarde van IPE. Het Ieperse bedrijf ontwikkelt en produceert hoogtechnologische weefmachines op basis van luchtstraal- en grijpertechnologie. Picanol speelt al 75 jaar een pioniersrol in de weefmachine-industrie. Zo’n 2600 weverijen gebruiken Picanol-machines; in totaal staan er ongeveer 130 duizend weefmachines in het veld.

‘Het draait niet meer alleen om aankoopprijs of prestatie’, zegt Kristof Roelstraete, r&d-manager bij Picanol. ‘Steeds meer klanten hebben een voorkeur voor machines met de beste total cost of ownership.’

Picanol voert al in een vroeg stadium simulaties uit, waarbij machineontwerpen vanaf het begin worden geoptimaliseerd. Zo kan het zijn innovatieve producten sneller op de markt brengen en machines produceren die gedurende hun leven weinig extra kosten met zich meebrengen. Bovendien produceert Picanol energiezuinige machines zonder concessies te doen aan de prestaties, en ondersteunt het een schaalbare optimalisatie van energiestromen, rekening houdend met efficiëntie en totale eigendomskosten.

Een ander voorbeeld is Hager, een toonaangevende leverancier van oplossingen en diensten voor elektrische installaties in residentiële, commerciële en industriële gebouwen. Het familiebedrijf met 11,5 duizend medewerkers heeft al zijn extrusietools geoptimaliseerd via simulaties tijdens het ontwerpproces om hun ontwikkelcycli te verkorten.

Omdat bedrijven te maken hebben met steeds meer concurrerende markten waarbij de vraag van de klant hoogwaardige complexe machines vereist, moeten ze snellere cyclussnelheden halen met een korte time-to-market. Het gebruik van simulatietechnologie versus conventioneel testen met meerdere fysieke prototypes blijkt cruciaal om aan deze eisen te voldoen. IPE-oplossingen ontsluiten inzichten die innovatie stimuleren, besluitvorming optimaliseren en algehele efficiëntie bieden door middel van simulatie en tests en betere samenwerking. Alleen zo kunnen ze moderne machines bouwen die tegemoetkomen aan de eisen van nu.