Computer Aided Engineering de la ESI Group

De la concepție și până la materializare, multe produse se doresc astăzi a fi validate și optimizate, iar software-urile CAE implicabile s-au dezvoltat și diversificat destul de mult în ultimii ani. Reiterăm câteva aspecte teoretice ale acestui subdomeniu și apoi trecem în revistă portofoliul aplicațiilor de analize inginerești de la ESI Group.

Contextul teoretic 

Privind retrospectiv, se poate spune despre con­ceptul PLM (Product Lifecycle Management) că a apărut cam la jumătatea cronologică a domeniului CAD/CAM/CAE. Piața l-a primit cu oarece entuzi­asm, întrucât el sublinia și promova aspectul de inte­grare, de inter-relaționare, aducând aici o benefică viziune holistică. Însă eu (în rolul asumat de analist/ recenzor al acestei piețe) am avut oarece rețineri la tendința de substituire a șirului CAD/CAM/CAE cu acronimul PLM, și aceasta din motive semantice. Da, în sfera industrială, aplicațiile software subscrise conceptului Product Life-cycle Management ajută la conceperea produselor, la proiectarea lor detaliată, la analizarea virtuală (simulare) și la pregătirea fabricației, adică fazele din ,,prima jumătate a vieții produselor". Reticența mea se datora faptului că aplicațiile (încă) nu vizau decât foarte rar fazele din ,,a doua jumătate a vieții produselor": asam­blarea/montarea, punerea în funcțiune, exploatarea, mentenanța, dezafectarea, scoaterea din funcțiune, reciclarea. (Eventual facem observația că fazele mature/târzii ni se revelează, pe diagonala pieței de software PLM, doar pentru produse foarte com­plexe: avioane, nave maritime, instalații uzinale, clădiri.) 

Revenind la subiectul nostru de astăzi, vom nota că șirul clasic de acronime nu reflectă chiar ordinea firească din ciclul-de-viață, întrucât de obicei faza de ,,Computer Aided Engineering’’ este anterioară celei de ,,Computer Aided Manufacturing’’ (deși nu rareori modelul virtual ,,circulă’’ înainte și înapoi pe fluxul PLM până la definitivare). Și acum, spre finalul secțiunii teoretice, facem o mică recapitulare, să ne amintim succint la ce se referă CAE: 

• analiza cu element-finit (FEA) – pentru evidențierea și analizarea solicitărilor mecanice (structurale) ce apar în corpul entității proiectate (la exploatare); 
• analizarea solicitărilor/efectelor termice care pot apărea la exploatarea produsului proiectat; 
• evidențierea și analizarea câmpurilor electrice și magnetice din interiorul/proximitatea produsului; 
• analizarea comportamentului dinamic al fluidelor (gazoase și lichide) implicate în funcționarea/exploatarea produsului proiectat (CFD - Computational Fluid Dynamics); 
• analiza dinamicii multi-corporale (Multibody Dynamics), pentru studierea comportamentului dinamic al produselor compuse din mai multe com­ponente interconectate (rigid sau flexibil) și dintre care unele sunt destinate/supuse unor deplasări semnificative (translație/rotație);
• analize și simulări de fenomene acustice (CAA - Computational Aero-Acoustics);
• analize și simulări servind (diverse) scenarii de optimizare;
• generarea modelelor virtuale de tip ,,mesh­ing’’ (rețele de recompunere micro-structurală a geometriilor/formelor) în vederea utilizării/analizării/modelării în aplicații CAD, CAE sau CAM;
• analizarea conceptelor prin prototipare virtuală (Virtual Prototyping);
• modelări concertate ale fenomenelor/aspec­telor predictive de fizică; ș.a.m.d.

Domenii de aplicare? În mai toate industriile (de la aeronautică și construcții de mașini, la industrie alimentară și farmaceutică), în multe domenii de cercetare, în medicină (protezare), etc.

Aplicaţii de la ESI Group

Soluțiile de analiză prin simulare permit diverșilor producători să-și testeze și valideze conceptele din faze incipente ale ciclului de dezvoltare a produselor, și astfel predicția comportamentului produselor și cuantificarea precisă a aspectelor problematice pentru fabricație sau pentru exploatare conduc la o proiectare corectă și eficientă, atât din perspectivă temporală cât și economică.

Mai toate analizele de piață și clasamentele actuale privind aplicațiile software CAE conțin unde­va în top numele ESI Group, așa că îi vom aloca rân­durile următoare, descriind pe scurt câteva aplicații din portofoliu. Dar înainte de aceasta, și pentru că unele dintre soluțiile de aici au acest prefix, să notăm abrevierea PAM, de la ,,Performance Analysis Method’’.

• Software-ul ProCAST asistă beneficiarul la proiectarea matrițelor de turnare și la rezolvarea unor probleme ale procesului de turnare. Aplicația poate lucra cu mai toate aliajele de turnare și cu majoritatea tipurilor de turnare – turnarea în nisip, turnarea sub presiune, turnarea prin investiție (prin topirea modelelor de ceară în matrițe ceramice de unică folosință), mega-casting (pentru producerea componentelor masive din aluminiu pentru auto­mobile), ș.a. –, și va ajuta la controlarea aspectelor esențiale, precum umplerea matriței, solidificarea compoziției fluide și predicția porozității finale a pieselor turnate.

• Aplicația PAM-Composites se adresează industriilor care confecționează produse din materiale compozite – produse care, prin diverse combinări de materiale (mase plastice, fibre tex­tile, aliaje metalice), reunesc benefic proprietăți de masă, de rezistență mecanică, flexibilitate și durabili­tate. (Un exemplu clasic este cureaua de distribuție de la automobile, unde materialul compozit a înlo­cuit lanțul metalic, reducând astfel greutatea și zgo­motul motorului.) Cu software-ul PAM-Composites se poate studia fiecare fază din fluxul de fabricare a compozitelor: informații despre proprietățile fizico-mecanice ale materialului (rezistența la forfecare locală, conținutul local de fibre, orientarea materialu­lui relativ la solicitări, gradul de întărire, ș.a.), precum și proprietățile geometrice (formă, grosime etc), sunt evidențiate și transferate fluent de la o fază a procesului la următoarea, asigurându-se astfel o acuratețe maximă a feedback-ului atunci când se ajustează parametrii pentru corectarea deficiențelor sau pentru optimizarea produsului. Odată ce fluxul de procesare este definitivat (îndeplind obiectivele constructiv-funcționale și toleranțele admise), rezul­tatele simulării sunt transferate cu ușurință către departamentul de proiectare/inginerie pentru o analiză structurală ,,as-built" în loc de ,,as-designed". Această abordare scurtează timpul de realizare a produsului, minimizează marjele de proiectare și ajută la reducerea masei.

• Aplicația PAM-Stamp este destinată analizării proceselor de ștanțare și deformare a tablei, urmărind deopotrivă eliminarea prematură a problemelor tehnologice (fisurare, rupere, ridare, fragilizare) dar și alegerea utilajelor necesare pentru obținerea acelor componente/produse fabricate din foi subțiri de metal. Software-ul de la ESI oferă posi­bilitatea de a identifica și de a rezolva provocările implicate prin deformarea tablei, dar și de a sta­bili uneltele necesare, aceasta mergând până la a configura fabricarea piesei folosind un singur utilaj (pe mașini gen abkant multi-funcțional). Mai mult, se pot simula și valida inclusiv asamblări ale pie­selor din tablă (precum montarea ușilor/capotei în caroseria automobilului). Asistând managementul tehnic al producerii pieselor/subansamblurilor din tablă, procedurile de simulare PAM-Stamp permit definirea și validarea proceselor cheie de producție și de îmbinare/asamblare, și o pot face asumând ca material atât formule convenționale de oțel cât și table avansate (precum cele din metale ușoare sau din AHSS/UHSS). Printre facilitățile evoluate, notăm posibilitatea de a estima fenomenul de întoar­ cere elastică inclusiv pentru materiale de ultimă generație (AHSS, UHSS, aliaje de aluminiu), precum și facilitatea de a compensa eventuala revenire elastică a ansamblurilor de închidere (uși, capote) ca efect tehnologic sau de tensionare prin asam­blare. La finalul paragrafului menționăm și abilitatea aplicației de a suporta scalarea procesării hardware (până la 128 de nuclee CPU HPC), benefică pentru simularea rapidă a modelor foarte mari.

• Software-ul SimulationX poate să simuleze/ analizeze, simultan dar și inter-corelat, mai multe tipuri de solicitări aplicate reperului proiectat. Ceea ce în ecosistemul ANSYS s-ar numi ,,multi-phisics", aici se numește ,,multi-domain", și abordarea este justificată de faptul că deseori în practică pro­dusele industriale sunt de fapt sisteme complexe, conectate și dinamice, iar componentele lor se bazează pe și se confruntă cu diverse fenomene fizice (mecanice, termice, hidraulice, pneumatice, electronice, electro-magnetice), feonomene ce une­ori chiar urmează a fi monitorizate prin senzori și controllere. Pentru multe astfel de produse/sisteme, comportamentul din exploatare (conformitatea, siguranța, performanța, confortul, etc) depinde dras­tic de dinamica interacțiunilor dintre componente, iar aplicația SimulationX ajută proiectanții/inginerii să modeleze, simuleze și analizeze comportamentul componentelor, și pentru aceasta are în dotare biblioteci cuprinzătoare cu modele virtuale de com­ponente. 

Principalele domenii de aplicare sunt: 

• Abordarea simulării complete/sistemice a vehiculului: permite utilizatorilor să modeleze, să testeze și să optimizeze componentele individuale ale vehiculului, precum și întregul vehicul ca sistem cibernetic, asigurându-se că îndeplinește intenția de proiectare și totodată îmbunătățind calitatea și performanța. Testarea virtuală completă include facilități pentru analizarea/optimizarea integrată a designului, a sistemului de propulsie și a șasiului, a comportamentului dinamic al vehiculului, al cutiei de viteze, al sistemelor de comenzi, și respectiv a eficienței sistemelor energetice. 
• Sisteme cu fluide: instalații de alimentare cu combustibil pentru automobile; instalații uzinale; climatizarea vehiculelor și clădirilor; actuatoare hidraulice; sisteme pneumatice. SimulationX poate modela și simula complet instalații/subsisteme compuse din pompe, conducte/racorduri, actua­toare și supape, și poate descoperi și trata de timpu­riu orice efecte nedorite de funcționare (precum cele cauzate de fenomenele neliniare). 
• Sisteme energetice – pe lângă modelarea instalațiilor/subsistemelor de electrificare clasică, aplicația SimulationX are aplicabilitate și la modelarea/ analizarea surselor de energie alternative (solară, eoliană, cu hidrogen) destinate fie pentru a alimenta autovehicule, fie pentru alte mașini/utilaje/facilități, iar utilizatorii vor putea modela simultan sursa de energie, componenta de conversie, stocarea și con­sumul/consumatorii, și vor putea urmări simultan mai multe criterii: maximizarea eficienței energetice, autonomia, reducerea costurilor, reducerea masei, minimizarea impactului ecologic, reciclabilitatea ulterioară. 
• VA One – este un mediu software destinat analizelor aero-vibro-acustice (în toate domeniile de frecvență), și el permite inginerilor să efectueze de timpuriu evaluări precise de proiectare asupra zgomotului și vibrațiilor care se manfiestă în diverse sisteme/instalații. Prin astfel de analize sunt vizate atât cerințe de confort (precum zgomotul redus în habitaclul autoturismului) cât și cerințe derivate din norme industriale (protecția muncii, ecologie), dar și cerințe tehnice (precum reducerea impactului nega­tiv al vibrațiilor asupra performanței).
• VPS (Virtual Performance Solutions) – con­stituie un pachet software de nivel înalt capabil să simuleze aspecte deosebit de complexe ale produsului aflat în stadiu de concepere/dezvoltare, precum: impactul la accident al automobilului; evalu­area siguranței pentru om (implicând inclusiv airbag-urile și forma scaunelor); dinamica și rezistența caroseriei. În domeniul simulării digitale a acciden­telor de automobile, ESI are o experiență de aproape cinci decenii, astfel că VPS este recunoscut pentru robustețe, pentru fiabilitate și pentru rezultatele de simulare foarte consistente.

• IC.IDO – un software pentru inginerie cu realitate virtuală, aplicabil într-o mulțime de situații industriale/tehnice, și deosebit de util atunci când se propun/experimentează concepte foarte noi/radicale, ale căror eventuale neconformități/erori/probleme nu pot fi evidențiate din faza inițială. Aplicația ajută la crearea unei lumi virtuale în care se ,,aduce" produsul de proiectat, și în acest mediu i se simulează asamblarea/montarea, exploatarea și întreținerea. Utilizatorul obține astfel o imagine dinamică, interactivă și imersivă asupra produsului, și i se vor revela aspecte folositoare la detalierea proiectului (dimensiuni, gabarite, coliziuni, toleranțe/libertăți de mișcare, unghiuri/câmpuri de abordare/vizualizare, temporizări/sincronizări om-mașină sau mașină-mașină, ș.a.m.d.).
• SYSWELD – software-ul pentru simularea asamblărilor și a sudurilor are o aplicabilitate concretă în atelierele moderne de sudură și de asamblare a caroseriilor. Cu o experiență de peste 30 de ani, aplicația poate aborda diferite procese de sudare (sudură cu arc, fascicul de electroni, laser, sudură prin puncte) și diverse procese de trata­ment termic (carburare, carbo-nitrurare, călire), și poate lua în considerare toate fenomenele relevante (chimice, termice, metalurgice și mecanice), astfel că poate asista inclusiv acele industrii care trec la materiale ușoare, cum ar fi oțelurile de înaltă rezistență și aluminiul, cu provocări suplimentare în fazele de proiectare și validare (fiind materiale mai greu de lucrat din cauza elasticității reactive și care necesită un control precis al încălzirii). SYSWELD asigură o evaluare precisă a caracteristicilor mate­rialelor a microstructurii, a tensiunilor reziduale și a distorsiunilor în structurile și ansamblurile sudate. Mai mult, soluția se poate aplica și la procese de producție înlănțuite (poate simula diferite linii cu procese de sudare în amonte și în aval), pentru a obține o planificare eficientă a producției.

Borne de timp ESI Group:

• 1973: Este creată compania ESI (Engineering System International), în Franța.
• 1979: ESI deschide o sucursală în Germania.
• 1985: ESI efectuează prima simulare digitală a impactului de automobil, pentru un consorțiu german condus de Volkswagen (apariția software-ului emblematic PAM-Crash).
• 1991: ESI devine ESI Group și înființează sucursale în Statele Unite, Japonia și Coreea de Sud.
• 1997: Preia soluția software Framasoft (simulare pentru industria nucleară).
• 1999: Preia soluția Dynamic Software (simularea ștanțării).
• 2000: ESI Group lansează o emisie publică de acțiuni (IPO) și strânge din investiții publice suma de 30 milioane de Euro.
• 2000-2008: ESI Group urmează o stra-tegie de creștere concertată, achiziționând suc­cesiv Mecas (furnizor ceh de aplicații pentru prototipare virtuală în domeniul auto), STRACO (pentru analize vibro-acostice), VASci (pentru analizarea zgomotului și a confortului acus­tic), ProCAST și Calcom (turnătorie și meta-lurgie), o divizie a CFD Research Corporation (dinamica fluidelor), activitatea de servicii a IPS International (modele umane virtuale), ATE Technology International Ltd. (pentru diversifi­carea sectorului din China), platforma software Vdot (managementul proceselor de dezvoltare a produselor) și Mindware Engineering Inc (dinamica fluidelor).
• 2011: ESI Group achiziționează compa­nia IC.IDO (,,I see, I do") pentru soluții imersive de realitate virtuală.
• 2012-2017: ESI Group achiziționează o serie de tehnologii software, vizând fenomenele electromagnetice, dinamica fluidelor, mode­larea sistemelor, simularea virtuală a asistenței automate a șoferului de automobil (ADAS), analiza predictivă bazată pe colecții mari de date, învățarea automată, simularea ,,cloud’’ realistă a sistemelor mecatronice și a siste­melor multi-domeniu. În anul 2017 este lansată aplicația PAM-Stamp.
• 2021: ESI se remaniază la nivelul con­ducerii și își reoganizeazã strategia pe piața mondială.
• 2024: ESI Group devine parte a com­paniei americane Keysight Technologies, con­tinuând să ofere soluții CAE robuste bazate pe modelarea fizică predictivă și pe expertiza în prototipare virtuală, și vizând în principal indus­triile auto, transporturi, aerospațială, energetică, apărare și industria grea.