Nykyaikaisessa suunnittelussa siirrytään kohti täysin digitaalista ja dataohjautuvaa toimintatapaa, jossa suunnittelu, valmistus, mittaus ja simulointi yhdistyvät katkeamattomaksi digitaaliseksi ketjuksi. Kun mitattu geometria, tilastollinen analyysi, simulointimallit ja toleranssimäärittelyt kytketään toisiinsa, voidaan ymmärtää paremmin, miten mittavaihtelu vaikuttaa rakenteiden suorituskykyyn, toiminnallisuuteen ja käyttövarmuuteen. Digitaalinen ketju varmistaa, että tieto säilyy jäljitettävänä ja uudelleenkäytettävänä tuotteen koko elinkaaren ajan.
Teollisuus 4.0 -ajattelun mukaisesti jokaisen valmistetun osan mitat mitataan. Optiset menetelmät, kuten juovaprojektio ja robottikäyttöinen 3D-skannaus yhdessä muiden optisten antureiden kanssa, tarjoavat tähän lupaavia ratkaisuja. Mitatusta geometriatiedosta muodostetaan digitaalinen kaksonen. Se vastaa todellista fyysistä osaa, ja se luodaan optisista skannauksista, jotka muunnetaan STL-malliksi.
Digitaalisen kaksosen geometrian hyödyntäminen elementtimenetelmäanalyysissä mahdollistaa yksittäiseen fyysiseen kappaleeseen perustuvat elinikäennusteet esimerkiksi hitsausliitosten kohdistusvirheille, jotka vaikuttavat väsymiseen. Hitsattujen rakenteiden väsymiskestävyyden kannalta yksittäisten osien hitsien kohdistusvirheet ovat erityisen kriittisiä.
Kohti täysin digitaalista ja dataohjautuvaa elinkaarisuunnittelua
Perinteiset suunnittelu- ja tolerointimenetelmät perustuvat usein nimellisgeometrioihin ja varovaisiin oletuksiin, mikä voi johtaa ylimitoitukseen ja kustannusten kasvuun. Mitattua dataa ja tilastollisia malleja hyödyntämällä voidaan arvioida valmistuksessa syntyviä todellisia rakenteita ja komponentteja. Näin epävarmuuksia voidaan määrittää määrällisesti sekä ennustaa väsymiskestoa, toiminnallista suorituskykyä ja luotettavuutta entistä tarkemmin.
Yksi merkittävä hyöty on mahdollisuus määrittää toleranssit suorituskyvyn ja luotettavuuden perusteella sen sijaan, että ne perustuisivat käsikirjojen geometrisiin raja-arvoihin. Simulointimalleilla mittavaihtelu voidaan yhdistää hitsattujen rakenteiden väsymiskäyttäytymiseen sekä toiminnalliseen suorituskykyyn, kuten koneistettujen pintojen kosketusolosuhteisiin ja kulumiseen. Näin toleranssit voidaan optimoida niin, että vaaditut luotettavuustavoitteet saavutetaan ilman tarpeettomia valmistuspanoksia. Keskeinen yhteys kestävyyteen syntyy siitä, että menetelmä mahdollistaa luotettavat kevytrakenteet. Kevytrakentaminen vähentää raaka-aineiden kulutusta, valmistuksen energiankäyttöä ja elinkaaren aikaisia päästöjä.
Yhdistä suunnittelu- ja valmistusmäärittelyt suorituskykyyn ja käyttövarmuuteen
VTT:llä on erinomainen osaaminen digitaalisen ketjun luomisessa sekä optisilla mittalaitteilla, kuten juovaprojektiolla ja robottikäyttöisellä laserskannauksella, mitatun 3D-datan luotettavuuden ja laadun arvioinnissa. Mitatun datan luotettavuus on luonnollisesti ratkaisevan tärkeää digitaalisen ketjun onnistumiselle.
Seuraavassa kuvassa esitetty työnkulku yhdistää suunnittelutavoitteet, mittauksen, simuloinnin ja suorituskyvyn arvioinnin yhtenäiseksi digitaaliseksi ketjuksi. Työnkulku alkaa CAD-mallista, johon on määritelty kriittiset toleranssit. Valmistetuista rakenteista mitatut mitat karakterisoidaan ja niitä käytetään parametrisen elementtimenetelmäanalyysin lähtötietoina, joissa keskeisiä geometrisia ominaisuuksia vaihdellaan. Tuloksena saatavat jännitykset, väsymiseen liittyvät suorituskykymittarit ja toiminnalliset mittarit, kuten rakenteen jäykkyys kiinnityspisteiden välillä, kootaan ja järjestetään tietoaineistoksi. Sen avulla voidaan kouluttaa tekoälypohjaisia sijaismalleja, jotka mahdollistavat nopean luotettavuuden arvioinnin sekä tukevat suorituskykyperusteista tolerointia ja tietoon perustuvaa teollista päätöksentekoa.
Kuvatut konseptit kehitettiin tutkimushankkeessa ”Trustworthy virtual experiments and digital twins” (ViDiT). Hanke (22DIT01 ViDiT) on saanut rahoitusta eurooppalaisesta metrologiakumppanuudesta, jota osarahoittavat Euroopan unionin Horisontti Eurooppa -tutkimus- ja innovointiohjelma sekä osallistujamaat.
Jatka lukemista
Palvelu:
VTT MIKES
Jaa
