A análise automática de vibração da placa de circuitos reduz erros e proporciona um processo 100 vezes mais rápido

Estudo de Caso da Design Automation Associates

Engenheiros ajudando engenheiros

Fundada por três engenheiros da United Technologies em 1995, a Design Automation Associates Inc. (DAA) oferece diversos serviços de consultoria em engenharia, com foco em ajudar as empresas a automatizar seus processos de configuração e desenvolvimento de produtos. A empresa, que agora conta com uma equipe de 20 pessoas, atende a diversos setores, inclusive equipamentos giratórios, acondicionamento de eletrônicos e maquinários industriais, aeroespaciais, militares e automotivos.

A DAA tem muita experiência em determinar quais atividades são adequadas para automação. Uma das mais promissoras envolve o projeto e a análise de produtos com projeto personalizado (ETO) e configuração personalizada (CTO). "Os problemas iterativos ocorrem em todas as áreas do projeto e da análise de engenharia, mas especialmente nas empresas que oferecem produtos de projeto e configuração personalizados, nas quais determinadas peças são feitas tão repetitivamente que a automação pode trazer uma enorme economia de tempo", diz John Lambert, presidente e CEO da DAA.

Como exemplo específico no acondicionamento de eletrônicos, Lambert destaca a análise de elementos finitos (FEA) que deve ser executada para placas de circuito impresso (PCBs) em ETO. "É necessário recriar as placas de circuito para cada novo pedido. Até mesmo quando as empresas usam uma boa tecnologia de análise sobra muito trabalho para ser feito manualmente", explica Lambert. Em vários casos, é necessário fazer cálculos manuais para determinar cargas e para avaliar os resultados de uma análise. "Vários desses cálculos, como os usados para interpretar resultados, envolvem procedimentos especializados que fazem parte da propriedade intelectual de uma empresa, tornando-as únicas e competitivas", continua Lambert. "Há toda uma série de lógica e cálculo que não será adicionada a nenhum software de análise como recurso pronto para usar, pois é específica da empresa."

A DAA vivenciou situações em que o processo de análise de um único produto ETO chegou a levar 40 horas. "E a empresa pode executar o mesmo processo de análise 100 a 200 vezes por ano", diz Lambert. "Além do tempo e do dinheiro investidos, ter que depender tanto de cálculos manuais introduz a probabilidade de erro." Sempre que a DAA tenta criar automação, esta ocorre na forma de macros, que são, como diz Lambert, "tecnologia de 20 anos atrás".

Muito além das macros

Os engenheiros da DAA usam diversas soluções avançadas de projeto e análise no trabalho, mas quando se trata de automatizar análises complexas e iterativas e loopings de projeto/análise no ambiente NX, a empresa usa o software NX™, da Siemens PLM Software. "O conjunto de ferramentas do NX é um recurso de alta qualidade", diz Lambert. "Com o NX, conseguimos recursos de análise e modelagem integrados, sem contar o NX Open." O NX Open é a interface de programação de aplicativos (API) incorporada ao NX. A DAA usa o NX Open, junto com codificação DAA personalizada, para as automações mais complexas. "Os problemas em que nos concentramos exigem complexidade e automação além das suportadas pelos recursos prontos para usar", diz Lambert. "Por isso usamos o NX Open."

Como exemplo da automação feita pela DAA usando o NX, Lambert descreve uma análise de elementos finitos de uma PCB destinada ao uso em uma aplicação aeroespacial. "Esse é um excelente exemplo de uma tarefa que precisa ser feita iterativamente – em parte por haver tantas variáveis do projeto, como os componentes da placa e as montagens, que podem ser alterados", explica Lambert. "Além disso, as placas estão sujeitas a vibração aleatória e, dependendo do espectro, pode haver uma ou mais zonas de afastamento. Você precisa mover iterativamente as frequências para retirá-las das "zonas de afastamento" e colocá-las em áreas de vibração menor – mas não é simples assim, pois você pode aumentar as cargas e a tensão ao fazer isso. Ao mover frequências, você precisa reavaliar as cargas. E é comum no acondicionamento de eletrônicos existirem componentes com frequências próximas umas às outras, de forma que uma amplia a outra. Alcançar o equilíbrio entre a colocação da frequência adequada e a integridade da placa estrutural pode se tornar um jogo exaustivo e repetitivo."

A versão automatizada pela DAA desse processo, que parece ao usuário um recurso nativo do NX, inclui modelagem geométrica, pré-processamento de FEA e pós-processamento e análise usando o software NX Nastran®. Começando pelo modelo de geometria NX da PCB, o programa cria automaticamente a malha de elementos finitos e aplica as propriedades do material adequado. Em seguida, executa iterativamente uma análise de extração de frequência (solução NX Nastran 103). O código personalizado escrito pela DAA usando o NX Open compara os resultados ao espectro de vibração aleatória e, em seguida, continua o looping iterativo e as modificações na geometria da PCB até as frequências de vibração da PCB estarem fora da zona de afastamento da curva de vibração aleatória. Em seguida, são feitos cálculos personalizados para determinar as cargas, seguidos por análises de tensões e deflexões (solução NX Nastran 101). Alguns códigos personalizados adicionais combinam esses resultados com conhecimento do processo e do setor para gerar previsão de vida útil, fazer comparações com materiais permitidos e, acima de tudo, determinar se o projeto é aceitável. Se não for, o processo é reiniciado e as iterações continuam até o projeto ter uma integridade estrutural adequada.

Neste exemplo, Lambert observa que a análise térmica não estava envolvida, embora pudesse estar: "Geralmente a análise térmica precisa ser feita, podendo ser incluída também na automação."

Enorme economia de tempo e menos erros

Um dos benefícios mais óbvios da automação, conforme ilustrado no exemplo da PCB, é o tempo economizado. Lambert viu situações em que uma análise que antes precisava de 40 horas agora é feita pelo processo automatizado em 15 minutos.

É claro que criar a automação leva tempo, e a DAA tem uma boa regra para estimar esse tempo. "Leva aproximadamente 10 vezes mais tempo para criar uma rotina de automação robusta que para executar uma única iteração", explica Lambert. "Por isso, nem tudo é adequado para automação. Se for uma análise que a empresa só executará algumas vezes, provavelmente não valerá a pena. Mas se for algo que será feito 25 ou 100, ou 200 vezes por ano, faz muito sentido."

Que nível de habilidade é necessário para criar uma automação como a que ele descreveu? "Você precisa de alguém com um nível moderado de capacidade de programação", diz Lambert. "A função de criação de um diário gerará muito código do NX Open, mas você precisa saber como abrir o código, editá-lo e melhorá-lo, de forma que seja mais adequado a uma aplicação geral – e não uma simples gravação dos toques no teclado."

Há vários outros benefícios para automatizar processos iterativos com o NX. Para as automações, a aparência do NX é mantida, de forma que os usuários que se sentem confortáveis ao usar o NX precisem de um treinamento mínimo para usá-las. Além disso, uma vez automatizados os processos pelos analistas especializados, eles poderão ser executados por usuários com menos formação e treinamento, liberando os analistas para projetos mais desafiadores. Automatizar um processo também tem o efeito de padronizá-lo e eliminar erros humanos, como os cometidos pelos analistas nos cálculos à mão.

A DAA teve tanto sucesso com o uso da automação com NX que Lambert fica surpreso que outras empresas não estejam aproveitando o recurso de programação do software. "Há recursos muito poderosos no NX, mas raramente ele é usado – apesar de existir uma grande necessidade por esse tipo de automação entre os clientes", ele diz. "Nas situações certas, automatizar processos com o NX pode valer – e muito – o investimento."

Way beyond macros

DAA engineers use a number of advanced design and analysis solutions in their work, but when it comes to automating complex, iterative analyses and design-analysis loops, the firm relies on Simcenter and NX software from Siemens Digital Industries Software. DAA uses Simcenter 3D and Simcenter Nastran, both part of the Siemens’ Simcenter portfolio, for advanced analysis. “The Simcenter and NX toolset is world-class functionality,” says Lambert. “With Simcenter 3D and NX, we get integrated modeling and analysis capabilities, as well as NX Open.” NX Open is the application programming interface (API) embedded within both Simcenter 3D and NX. DAA uses NX Open, along with some custom coding, for its more complex automations. “The problems we’re focusing on require complexity and automation beyond that supported by out-of-the-box capabilities,” says Lambert. “For that we use NX Open.”

As an example of the automation DAA has done, Lambert describes a finite element analysis of a PCB destined for use in an aerospace application. “This is a great example of a task that must be done iteratively, in part because there are so many design variables, such as the components on the board and the mounts, that can be changed,” Lambert explains. “Also, the boards are subject to random vibration, and depending on the spectrum there can be one or more keep-away zones. You need to iteratively move frequencies to get them away from “keepaway zones” and into areas of lower vibration, but it’s not that simple because you can increase loads and stresses by doing that. When you move frequencies, you have to reassess loads. And often in electronics packaging there are components that have frequencies close to each other, so they magnify each other. It becomes an exhaustive, iterative game to achieve the balance between proper frequency placement and the structural board integrity.”

DAA’s automated version of this process, which looks to the user like native NX functionality, includes geometric modeling, FEA preprocessing, postprocessing and analysis using Simcenter 3D and Simcenter Nastran® software. Starting with the NX geometry model of the PCB, the program automatically creates the finite element mesh and applies the appropriate material properties. Then it iteratively runs a frequency extraction analysis (Simcenter Nastran Solution 103). Custom code written by DAA using NX Open compares the results to the random vibration spectrum, and then continues the iterative looping and modifications to the PCB geometry until the PCB vibration frequencies are out of the keep away zone on the random vibration curve. Next, custom calculations are done to determine loads, followed by analyses of stresses and deflections (Simcenter Nastran Solution 101). Some additional custom code combines those results with industry and process knowledge to generate life predictions, make comparisons against material allowables, and ultimately determine whether the design is acceptable. If not, the process starts again and the iterations continue until the design has adequate structural integrity.

In this example, Lambert notes that thermal analysis is not involved, although it could be: “Generally there is thermal analysis that has to be done and it can be included in the automation as well.”

Huge time savings and fewer errors

One of the most obvious benefits of automation, as illustrated in the PCB example, is the time it saves. Lambert has seen situations where an analysis that previously required 40 hours is now done by the automated process in 15 minutes.

Of course, creating the automation takes time, and DAA has a good rule of thumb for estimating how much time. “It takes approximately 10 times as long to create a somewhat robust automation routine as it does to run a single iteration,” Lambert explains. “So not everything is appropriate for an automation. If it’s an analysis that a company will run only a handful of times, it’s probably not worth it. But if it’s something they’re doing 25 or 100, or 200 times a year, it makes a lot of sense.” What skill level is needed to create an automation such as the one he described? “You need someone who has a moderate level of programming capability,” Lambert says. “The journaling function will generate a lot of NX Open code for you, but you need to know how to open that code, edit it and enhance it so it’s more suited to a general-purpose application, instead of just recording keystrokes.”

There are several other benefits to automating iterative simulation processes with Simcenter 3D. Automations maintain the NX look and feel, so users who are comfortable with NX CAD need minimal training to use them. Also, once processes are automated by expert analysts, they can be run by users with less education and training, freeing up analysts for more challenging projects. Automating a process also has the effect of standardizing it and eliminating human errors, such as analysts’ mistakes in hand calculations.

DAA has had so much success using NX Open automation that it surprises Lambert that more companies aren’t taking advantage of the software’s programming functionality. “There is very powerful capability in NX and Simcenter but we rarely see it used even though there is a great need for this kind of automation among our customers,” he says. “In the right situations, automating simulation processes within the NX CAD environment could be well worth the investment.”