Automatyczna analiza drgań na płytce PCB redukuje liczbę błędów i stukrotnie przyspiesza pracę

Inżynierowie wspierają inżynierów

Firma Design Automation Associates Inc. (DAA) została założona w 1995 roku przez trójkę inżynierów z United Technologies i oferuje szereg usług doradczych w zakresie inżynierii, skupiając się przede wszystkim na wsparciu przedsiębiorstw podczas automatyzacji procesów rozwoju i konfiguracji produktów. Firma zatrudnia obecnie 20 osób i obsługuje różne gałęzie przemysłu, między innymi producentów maszyn wirujących, obudów urządzeń elektronicznych i maszyn oraz branżę lotniczą, wojskową i motoryzacyjną.

DAA ma szerokie doświadczenie, jeśli chodzi o określanie możliwości automatyzacji poszczególnych działań. Najbardziej obiecujące są procesy projektowania i analizy produktów tworzonych na zamówienie (ETO) oraz konfigurowanych na zamówienie (CTO). – Problemy z iteracjami pojawiają się we wszystkich dziedzinach inżynierii i analizy, ale przede wszystkim dotyczą one firm oferujących produkty tworzone i konfigurowane na zamówienie. Niektóre części charakteryzuje bowiem tak wysoka powtarzalność, że automatyzacja mogłaby zapewnić ogromną oszczędność czasu – tłumaczy John Lambert, prezes i CEO firmy DAA.

Jako przykład z branży obudów urządzeń elektronicznych Lambert podaje analizę metodą elementów skończonych (MES), którą należy przeprowadzić dla tworzonych na zamówienie płytek PCB. – Płytki drukowane należy opracować na nowo przy każdym kolejnym zamówieniu – dodaje Lambert. – Nawet firmy, które korzystają ze skutecznych technik analitycznych, muszą wykonać dużą część pracy manualnie. W wielu przypadkach konieczne jest na przykład ręczne obliczenie obciążeń i manualna ocena wyników analizy. – Wiele z tych obliczeń, na przykład te, które służą interpretacji wyników, wymaga specjalistycznych procedur stanowiących część know-how firmy, które są jej wyróżnikiem i elementem przewagi konkurencyjnej – podkreśla Lambert. – Części logiki i obliczeń nie można znaleźć w żadnym gotowym oprogramowaniu analitycznym, ponieważ są one specyficzne dla danej firmy.

DAA spotkało się z sytuacją, gdzie analiza jednego produktu tworzonego na zamówienie zajmowała nawet 40 godzin. – Taki sam proces analizy może powtarzać się nawet 100–200 razy rocznie – zauważa Lambert. – Poleganie na manualnych obliczeniach nie tylko zwiększa koszty i nakłady czasowe, ale również ryzyko błędów. Jeśli jednak DAA spotyka się z próbami automatyzacji procesów, prawie zawsze wykorzystują one makra, które Lambert uważa za przestarzałą technologię.

Wyjść poza makra

Inżynierowie DAA korzystają w swojej pracy z wielu zaawansowanych narzędzi projektowych i analitycznych, jednak jeśli chodzi o automatyzację złożonych, iteracyjnych analiz i cyklów projektowych firma polega na oprogramowaniu Simcenter i NX od Siemens Digital Industries Software. DAA wykorzystuje rozwiązania Simcenter 3D i Simcenter Nastran do zaawansowanych analiz (stanowią one część portfolio Siemens Simcenter). – Zestaw narzędzi Simcenter i NX oferuje funkcjonalności na światowym poziomie – uważa Lambert. – Dzięki Simcenter 3D oraz NX zyskujemy możliwość zintegrowanego modelowania i analizy, a także dostęp do NX Open. NX Open to interfejs API, osadzony w ramach systemów Simcenter 3D i NX. DAA korzysta z NX Open, a również ze spersonalizowanych funkcji kodowania w przypadku automatyzacji bardziej złożonych procesów. – Rozwiązywane przez nas problemy wymagają automatyzacji, która wykracza poza funkcje znane z gotowych rozwiązań – wyjaśnia Lambert. – Właśnie dlatego korzystamy z NX Open.

Jako przykład udanej automatyzacji przeprowadzonej przez DAA Lambert przywołuje proces analizy MES płytki PCB, która miała zostać wykorzystana w zastosowaniach lotniczych. – To świetny przykład zadania, które wymaga iteracyjnej pracy, między innymi ze względu na dużą liczbę zmiennych projektowych, np. elementów na płytce oraz mocowań, które mogą zostać zmienione – tłumaczy Lambert. – Płytki podlegają również zmiennym drganiom, a w zależności od ich spektrum konieczne może być określenie obszarów zastrzeżonych. W kolejnych iteracjach należy modyfikować częstotliwości w taki sposób, aby nie wpływały na strefy zabronione i przenieść je do obszarów o mniejszych drganiach, jednak jest to skomplikowane zadanie, ponieważ może wpłynąć na wzrost obciążeń i naprężeń. Każda miana częstotliwości wymaga ponownej oceny obciążeń. W obudowie urządzenia elektronicznego często znajdują się elementy o podobnych częstotliwościach, które działają na siebie wzmacniająco. Utrzymanie równowagi między odpowiednim rozmieszczeniem częstotliwości i wytrzymałością strukturalną płytki staje się skomplikowanym zadaniem wymagającym wielu iteracji.

Korzystając z oprogramowania Simcenter 3D oraz Simcenter Nastran®, DAA przygotowało zautomatyzowaną wersję tego procesu, która z punktu widzenia użytkownika nie różni się od natywnych funkcji NX i obejmuje modelowanie geometryczne, preprocessing metodą elementów skończonych, postprocessing oraz analizę. Na podstawie modelu geometrycznego płytki PCB przygotowanego w NX program automatycznie tworzy siatkę MES i stosuje odpowiednie właściwości materiałowe. Następnie w iteracyjny sposób wykonuje analizę częstotliwości (Simcenter Nastran Solution 103). Spersonalizowany kod napisany przez DAA w NX Open porównuje otrzymane wyniki ze spektrum drgań losowych, a następnie kontynuuje iteracyjne modyfikacje geometrii płytki PCB aż do momentu, gdy wibracje znajdą się poza strefą wykluczenia na krzywej drgań losowych. Następnie wykonuje się indywidualne obliczenia, które mają ustalić poziom obciążeń oraz analizę naprężeń i odchyleń (Simcenter Nastran Solution 101). Dodatkowy program służy powiązaniu tych wyników z wiedzą branżową oraz informacjami na temat procesu w celu wygenerowania prognoz żywotności, porównania wyników z wartościami dopuszczalnymi dla materiałów i ostatecznej akceptacji projektu. Jeśli nie zostanie on zatwierdzony, proces zaczyna się od nowa i kolejne iteracje trwają aż do momentu osiągnięcia odpowiedniej wytrzymałości konstrukcji.

Lambert podkreśla, że opisywany przykład nie obejmował analizy termicznej, ale byłoby to możliwe: – Zwykle konieczne jest przeprowadzenie analizy termicznej i ją również można zawrzeć w zautomatyzowanym procesie.

Duża oszczędność czasu i mniej błędów

Jak można zauważyć na przykładzie płytki PCB, jedną z najbardziej oczywistych zalet automatyzacji jest oszczędność czasu. Lambert był świadkiem sytuacji, gdzie automatyzacja analizy skracała proces, który zajmował dawniej 40 godzin do 15 minut.

Trzeba jednak pamiętać, że opracowanie automatycznego procesu również wymaga czasu, dlatego DAA stworzyło zasadę, która pozwala to oszacować. – Przygotowanie skutecznie działającego automatycznego procesu zajmuje około 10 razy dłużej niż wykonanie pojedynczej iteracji – wyjaśnia Lambert. – Oznacza to, że nie każde zadanie warto jest automatyzować. Jeśli mamy do czynienia z analizą, którą firma wykona tylko kilkukrotnie, automatyzacja prawdopodobnie nie będzie opłacalna. Jeśli jednak proces powtarza się 25, 100, a nawet 200 razy w roku, gra staje się warta świeczki – dodaje. Jakie umiejętności są niezbędne do stworzenia takiego automatycznego procesu? – Potrzebna jest osoba, która potrafi programować na poziomie średniozaawansowanym – mówi Lambert. – Funkcja dziennika w NX Open wygeneruje dużą część kodu automatycznie, jednak trzeba wiedzieć, jak go otworzyć, edytować i ulepszyć, aby móc go wykorzystać do ogólnych zastosowań, a nie ograniczać się tylko do rejestrowania wciskanych klawiszy.

Automatyzacja iteracyjnych procesów symulacji w Simcenter 3D ma jeszcze inne zalety. Działają one w podobny sposób co oprogramowanie NX, dlatego użytkownicy przyzwyczajeni do pracy w NX CAD nie potrzebują obszernych szkoleń. Procedury zautomatyzowane przez ekspertów ds. analizy mogą być następnie wykonywane przez mniej doświadczone osoby, co pozwala analitykom skupić się na bardziej skomplikowanych zadaniach. Automatyzacja przyczynia się również do standaryzacji procesu oraz wyeliminowania błędów ludzkich, takich jak pomyłki przy ręcznych obliczeniach.

DAA odnosi takie sukcesy dzięki automatyzacji w NX Open, że Lambert dziwi się, że więcej firm nie korzysta z oferowanej przez system funkcji programowania. – Jest to bardzo skuteczna opcja dostępna w NX i Simcenter, ale rzadko spotykamy się z jej wykorzystaniem, mimo że nasi klienci zgłaszają duże zapotrzebowanie na ten rodzaj automatyzacji – tłumaczy. – W niektórych sytuacjach automatyzacja procesów symulacji w środowisku NX CAD może być warta poczynionych inwestycji.