L'analisi automatica delle vibrazioni nelle schede PCB riduce gli errori e accelera il processo di 100 volte

Ingegneri al servizio dell'ingegneria

Fondata nel 1995 da tre ingegneri di United Technologies, Design Automation Associates Inc. (DAA) offre una vasta gamma di servizi di consulenza ingegneristica, con lo scopo di aiutare le aziende ad automatizzare i processi di sviluppo e configurazione dei prodotti. L'azienda, che oggi conta 20 dipendenti, serve molti settori diversi, tra cui apparecchiature rotanti, packaging per l’elettronica, macchinari industriali, nonché i settori aerospaziale, automobilistico e militare.

DAA vanta una notevole esperienza nell’identificare le attività adatte all'automazione. Una delle più promettenti è costituita dalla progettazione e dall'analisi di prodotti progettati su ordinazione (ETO, Engineered-To-Order) e configurati su ordinazione (CTO, Configured-To-Order). "I problemi iterativi si presentano in tutte le aree della progettazione e dell'analisi, ma sono più frequenti nelle aziende che realizzano prodotti progettati su ordinazione e configurati su ordinazione, in cui alcune parti sono progettate in modo estremamente ripetitivo, e l'automazione può garantire un enorme risparmio di tempo", spiega John Lambert, President e CEO di DAA.

Per fornire un esempio specifico del packaging per l’elettronica, Lambert indica l'analisi a elementi finiti (FEA) che deve essere eseguita per le schede di circuiti stampati (PCB) ETO. "Queste aziende devono riprogettare PCB per ogni nuovo ordine. Anche nelle aziende provviste di tecnologie di analisi avanzata, restano ancora molte le attività da svolgere manualmente", spiega Lambert. In molti casi sono necessari calcoli manuali, ad esempio per determinare i carichi e per valutare i risultati di un'analisi. "Molti di questi calcoli, come quelli utilizzati per interpretare i risultati, richiedono procedure specializzate che fanno parte della proprietà intellettuale di un'azienda, rendendola unica e competitiva", continua Lambert. "Esiste un intero campo della logica e del calcolo che non può essere aggiunto ad alcun software di analisi come funzionalità predefinita, perché è specifico dell'azienda".

DAA ha gestito situazioni in cui il processo di analisi per un singolo prodotto ETO ha richiesto ben 40 ore. “Un'azienda potrebbe avere l'esigenza di eseguire lo stesso processo di analisi da 100 a 200 volte l'anno", spiega Lambert. "Oltre al tempo e ai costi da sostenere, la dipendenza da tutti questi calcoli manuali aumenta la probabilità di errore". I tentativi di automazione incontrati da DAA sono quasi sempre costituiti da macro che, come sottolinea Lambert, "sono una tecnologia di venti anni fa".

Oltre le macro

Gli ingegneri DAA utilizzano molte soluzioni avanzate di progettazione e analisi nel proprio lavoro, ma per automatizzare le analisi iterative complesse e i cicli di progettazione e analisi, l'azienda si affida al software Simcenter e NX di Siemens Digital Industries Software. Per l'analisi avanzata, DAA utilizza Simcenter 3D e Simcenter Nastran, che fanno entrambi parte del portfolio Simcenter di Siemens. "Il set di strumenti fornito da Simcenter e NX offre funzionalità di livello assoluto", dichiara Lambert. "Simcenter 3D ed NX offrono funzionalità di modellazione e analisi integrate, oltre a NX Open". NX Open è l'interfaccia per la programmazione di applicazioni (API, Application Programming Interface) incorporata in Simcenter 3D e in NX. DAA utilizza NX Open, insieme ad alcuni programmi personalizzati, per le automazioni più complesse. "I problemi che dobbiamo affrontare presentano livelli di complessità e automazione che vanno ben oltre quelli supportati dalle funzionalità predefinite", spiega Lambert. "Proprio per questo, utilizziamo NX Open".

Come esempio di automazione implementata da DAA, Lambert illustra l'analisi a elementi finiti di una scheda PCB destinata a un'applicazione aerospaziale. "Questo è un ottimo esempio di attività da eseguire iterativamente, in parte a causa dell'alto numero di variabili di progetto, come i componenti sulla scheda e i montaggi, che possono essere modificati", spiega Lambert. "Inoltre, le schede sono soggette a vibrazioni casuali e, a seconda dello spettro, possono essere presenti una o più zone da evitare. È necessario spostare iterativamente le frequenze per non entrare nelle "zone da evitare" e sfruttare quelle con vibrazioni inferiori, ma è tutt'altro che semplice, perché in questo modo si rischia di incrementare carichi e tensioni. Quando si spostano le frequenze, è necessario rivalutare i carichi. Inoltre, nel packaging elettronico si utilizzano spesso componenti che presentano frequenze vicine, e che pertanto si amplificano a vicenda. Occorre pertanto seguire un processo iterativo completo, per trovare un equilibrio tra intervallo di frequenze e integrità strutturale della scheda".

La versione automatizzata di DAA di questo processo, che all'utente appare come una funzionalità nativa di NX, include modellazione geometrica, pre-processing FEA, post-processing e analisi tramite il software Simcenter 3D e Simcenter Nastran®. Partendo dal modello geometrico della scheda PCB in NX, il programma crea automaticamente la mesh a elementi finiti e applica le proprietà di materiale appropriate, quindi esegue iterativamente un'analisi di estrazione delle frequenze (Simcenter Nastran Solution 103). Il codice personalizzato, scritto da DAA tramite NX Open, confronta i risultati con lo spettro delle vibrazioni casuali, quindi prosegue il ciclo iterativo e continua a modificare la geometria, finché le frequenze delle vibrazioni della scheda PCB non sono sufficientemente lontane dalla zona da evitare nella curva delle vibrazioni casuali. Vengono quindi effettuati i calcoli necessari per determinare i carichi, seguiti dall'analisi di tensioni e deformazioni (Simcenter Nastran Solution 101). Un ulteriore codice personalizzato combina tali risultati con competenze specifiche di settore e processi, per generare previsioni di durata, effettuare confronti con i materiali consentiti e infine determinare se il progetto è accettabile. In caso contrario, il processo ricomincia e le iterazioni proseguono finché il progetto non presenta un'integrità strutturale adeguata.

In questo esempio, Lambert sottolinea che non viene eseguita alcuna analisi termica, ma sarebbe possibile: “Solitamente, è necessario eseguire un'analisi termica, che può essere a sua volta inclusa nell'automazione".

Risparmio di tempo e riduzione degli errori

Come abbiamo visto nell'esempio della scheda PCB, uno dei vantaggi più evidenti è costituito dal risparmio di tempo. Lambert ha visto casi in cui un’analisi, che in precedenza richiedeva 40 ore, è stata ridotta a 15 minuti grazie al processo di automazione.

Naturalmente, la creazione dell'automazione richiede tempo, e come regola generale DAA effettua sempre una stima del tempo necessario. "La creazione di una routine di automazione abbastanza affidabile richiede circa 10 volte il tempo impiegato da una singola iterazione", spiega Lambert. "Pertanto, non tutto si presta all'automazione. Se una determinata analisi deve essere eseguita solo poche volte, probabilmente non ne vale la pena. Ma se si tratta di un'attività da eseguire 25, 100 o 200 volte l'anno, ha decisamente senso". Ma che livello di competenza occorre per realizzare un'automazione come quella descritta? "Occorre una persona con discrete capacità di programmazione", dichiara Lambert. "La funzione di journaling genera automaticamente codice NX Open, ma è necessario sapere come aprire tale codice, modificarlo e ottimizzarlo in modo che risulti più adatto a un'applicazione generica, anziché limitarsi a registrare le pressioni dei tasti".

L'automazione dei processi di simulazione iterativi con Simcenter 3D offre anche molti altri vantaggi. Le automazioni presentano l'aspetto e le funzioni tipiche di NX, pertanto gli utenti che utilizzano abitualmente NX CAD hanno bisogno di una formazione minima per utilizzarle. Inoltre, dopo che i processi sono stati automatizzati da un analista esperto, possono essere eseguiti anche da utenti con un livello di preparazione inferiore, lasciando all'analista più tempo da dedicare ai progetti più complicati. L'automazione di un processo consente inoltre di standardizzarlo ed eliminare gli errori umani, come quelli commessi dagli analisti nei calcoli manuali.

Visto il successo ottenuto da DAA grazie all'automazione NX Open, Lambert si stupisce che la funzionalità di programmazione del software non venga sfruttata da più aziende. "NX e Simcenter offrono funzionalità molto avanzate, ma poche aziende le utilizzano. I nostri clienti potrebbero trarre notevoli vantaggi da questo tipo di automazione", spiega. "Nelle situazioni giuste, l'automazione dei processi di simulazione nell'ambiente NX CAD può costituire un investimento molto redditizio".