De kracht van simulatie

Onlangs bracht simulatiesoftwarespecialist Altair de 2018 versie van Inspire op de markt. Met dit nieuwe gereedschap komt topologieoptimalisatie binnen handbereik van elke engineer. Dus ook de robotbouwer is nu in staat om de allerbeste ontwerpkeuzes te maken. Wat is hiervan de impact op het robotontwerp van de toekomst?

Wie aan robotsimulaties denkt, ziet waarschijnlijk een virtuele robotlijn voor zich. Hier bewegen de 3D-gemodelleerde robots van A naar B en proberen robotprogrammeurs de optimale baan van de robot ten opzichte van de lijn te bepalen. Dit om cyclustijden zo hoog mogelijk te krijgen, maar ook om een onevenredige belasting van bepaalde assen te voorkomen. Wie een dergelijk beeld voor zich heeft, heeft natuurlijk geen ongelijk. Maar misschien is er wel een stapje vergeten. Want een robot komt er niet vanzelf. Ook een robot moet worden ontworpen, geoptimaliseerd en uiteindelijk zo goed mogelijk worden gemaakt. Of dat je de robot nu opbouwt uit modulaire bouwblokjes of helemaal ‘from scatch’ zelf bedenkt – ook bij het engineeren van de robot zelf is simulatie een onmisbaar gereedschap. Het zorgt ervoor dat je robot licht en toch stijf is, optimaal presteert, niet onnodig slijt en dat allemaal zonder eerst een duur prototype te hoeven bouwen.

 

Computer Aided Engineering

Een bedrijf dat zich gespecialiseerd heeft in het simuleren van alles wat moeder natuur voor de engineer in petto heeft, is Altair. Of het nu gaat om sterkte analyses, onderzoek naar trillingen, warmte of EMC, de software krijgt het– ook in onderling verband – allemaal boven water. Er is zelfs software die suggesties doet in hoe je het als engineer misschien slimmer kunt doen, op basis van zelf opgegeven randvoorwaarden. We belanden dan in het domein van topologieoptimalisatie en zelfs generative design. Spannende nieuwe 3D-technieken op basis van simulaties en nieuwe productiemethoden zoals 3D-printing die ook het voorkomen van de industriële robot wel eens drastisch zouden kunnen veranderen. Theo Verbruggen, die Altair in de Benelux vertegenwoordigt legt uit: ”Al lange tijd kan je met simulatie je ontwerp valideren. Dat doe je met zogenoemde CAE, ofwel Computed Aided Engineering software. Deze software gebruikt een eindige elementen methode om te berekenen waar bijvoorbeeld welke materiaalspanningen optreden ten gevolge van bepaalde statische of dynamische belastingen. De software deelt hiertoe de 3D-geometrie op in kleine delen en creëert zo een mesh. Vervolgens kijkt de software wat de invloed van een element op zijn buren is en doorloopt zo het hele ontwerp. Met kleuren wordt aangegeven hoe de materiaalspanningen gedistribueerd zijn. Rood betekent veel spanning, blauw weinig. En omdat de materiaaleigenschappen als elastiteitsmodulus, rekgrens en treksterkte bekend zijn, kan de berekende distributie ook worden gekwantificeerd. Een engineer weet dus precies hoeveel Newton per vierkante millimeter een bepaald deel van zijn ontwerp voor zijn kiezen krijgt en wat de hierdoor optredende vervorming is. Vervolgens kan hij bepalen of dit acceptabel is en zo nodig zijn ontwerp aanpassen.”

 

Topologieoptimalisatie

Het voorbeeld van Verbruggen is slechts een van de legio simulatievoorbeelden van hoe engineers overal ter wereld al heel wat jaartjes hun ontwerpen doorrekenen. Vergelijkbare voorbeelden zijn er zoals ook op het gebied van stromingsleer, warmteleer en magnetisme. Je kan het eigenlijk zo gek niet bedenken en Altair heeft er wel software voor die berekent wat de effecten van bepaalde condities zijn en voorspelt hoe een ontwerp zich in de praktijk zal gedragen. Al deze oplossingen heeft het bedrijf gebundeld in haar product suite HyperWorks, waarmee engineers uit alle industrieën hun ontwerpen virtueel kunnen valideren. Hiermee brengen ze niet alleen betere producten op de markt, maar doen dat ook nog eens veel sneller.
Een nieuw product van Altair dat dit proces nog meer versneld is Inspire. Verbruggen: “De traditionele werkwijze van elke simulatie is dat je je ontwerp maakt, het model hiervan in de simulatiesoftware inlaadt, de belastingscondidies en veiligheidsfactor definieert en vervolgens de computer laat rekenen. Vroeger zou je dan, afhankelijk van je ontwerp en de fijnmazigheid van je gekozen mesh , zo maar eens een of twee bakjes koffie kunnen gaan drinken voordat de computer zijn antwoord klaar had. Gelukkig zijn de computers de afgelopen jaren behoorlijk veel krachtiger geworden en gaat dat rekenen een stuk sneller. Maar nog steeds is het simulatieproces met traditionele software niet ideaal. Het is een iteratieve optelsom van versies, waarbij de engineer keer op keer zijn ontwerp in CAD aanpast om het vervolgens weer in de simulatieomgeving te testen. Efficiënt is die werkwijze niet. Beter is het om de computer je op voorhand te laten vertellen waar je materiaal moet toevoegen en waar je het kan weghalen voor een zo licht mogelijk en tegelijkertijd stijf en sterk mogelijk ontwerp. Topologieoptimalisatie noemen we dat. Helemaal in combinatie met nieuwe productiemethoden zoals additive manufacturing kan dat leiden tot enorme gewichts-, materiaal- en kostenbesparingen.”

 

Robotvoordelen

Volgens Verbruggen kunnen ook robot- en machinebouwers hun voordeel doen met Inspire. Zo zijn er sprekende praktijkvoorbeelden waar een drone zo maar 20 procent lichter werd dankzij topologieoptimalisatie. Maar ook voor industriële robots geldt – mits er niet aan stijfheid wordt ingeboet - hoe lichter hoe beter. Een lichter ontwerp resulteert in hogere cyclustijden en minder energieverbruik. Dat laatste is leuk voor de energierekening, maar betekent misschien ook dat er kleinere motoren kunnen worden toegepast, wat een robot of cobot aanzienlijk goedkoper maakt. En dan hebben we het nog niet eens gehad over grijpers die met software als Inspire heel snel kunt optimaliseren voor een specifiek product of een 3D printer. De mogelijkheden zijn legio en de robots op maat weer een belangrijke stap dichterbij.

 

Afbeeldingen: Altair