SCHUNK : Sélection numérique des matériaux
Les chaînes de développement numériques ne sont pas simplement un avantage concurrentiel, elles sont une nécessité - même chez les soi-disant "champions cachés" comme SCHUNK. La Souabe (région du sud de l’Allemagne), abrite les leaders technologiques mondiaux des technologies de serrage, de préhension et d'automatisation. Le processus de transformation numérique est très avancé, et les lacunes restantes sont systématiquement comblées. La sélection numérisée des matériaux en est un exemple.
Le défi quotidien des ingénieurs chargé du développement est d’accorder une grande variété de spécifications de produits. Robuste, mais léger ; de haute qualité, mais économique, spécial, mais disponible ; durable, mais écologique. Cette liste pourrait s'allonger à l'infini. La sélection des matériaux ne peut se faire sans compromis, mais lequel est le meilleur ? Cela doit être déterminé individuellement pour chaque nouveau projet, car la bonne combinaison de choix fera le succès du produit. Les experts en matériaux et leurs connaissances spécialisées jouent donc un rôle clé dans le processus de développement des produits.
En plus de son travail d'ingénieur de développement, Daniel Barta est également spécialiste des matériaux pour la R&D chez SCHUNK, leader mondial des techniques de préhension et de serrage. Grâce à son expertise en matière de matériaux et de technologie des surfaces, il porte les projets et les équipes de projet dans le développement de nouveaux produits innovants pour la gamme de services de SCHUNK, qui compte plus de 11 000 composants standard différents.
Toutefois, sa compréhension des questions relatives aux matériaux, en relation avec la conception de produits haut de gamme, lui laisse penser qu'il y a encore beaucoup à faire. Grâce aux outils numériques, il est possible de combiner les exigences, les connaissances spécialisées et les modèles précis de données sur les matériaux de telle sorte que les objectifs contradictoires atteints beaucoup plus efficacement qu'avec les méthodes traditionnelles, qui reposent essentiellement sur des valeurs empiriques. Ainsi, des potentiels jusqu'alors inutilisés sont exploités et les produits destinés au client (et c’est le but final) sont meilleurs, plus écologiques et plus économiques.
Optimisation des processus grâce à un système logiciel de base de données
Bien entendu, les informations provenant de diverses sources telles que les bases de données ont toujours joué un rôle dans la sélection des matériaux. Il s'agissait donc, en principe, d'un processus soutenu par l'informatique, mais loin d'être numérisé. Il s'agit donc de s'éloigner des solutions isolées statiques et d'opter pour un processus standardisé fiable dont le cœur est une plate-forme centrale intelligente, facile à utiliser pour différents groupes d'utilisateurs et types d'accès.
Une solution durable qui convient au niveau d’exigences de SCHUNK ne se trouve pas par hasard. Au contraire, une telle décision stratégique doit être bien préparée, et beaucoup de temps doit être investi. Avant de choisir un logiciel, il faut définir les processus spécifiques qu'il doit prendre en charge. Aussitôt dit, aussitôt fait : À la fin de son diplôme d'enseignement à distance en génie mécanique, le concept, l'évaluation et la sélection d'un processus de sélection de matériaux soutenu par une base de données sont devenus le sujet du mémoire de master de Daniel Barta.
Sélection systématique des matériaux dans le développement des produits
Le choix optimal d'un matériau est d'une importance capitale pour le fonctionnement et le cycle de vie d'un composant. Cependant, le choix traditionnel d'un matériau basé sur des valeurs empiriques peut signifier que le potentiel de développement de nouveaux produits reste inutilisé.
Chez SCHUNK, pour déterminer le matériau optimal pour un produit, un processus de sélection systématique en plusieurs étapes a été mis au point. Il se base schématiquement sur les modèles de processus existants. Outre l'adéquation technique, les critères essentiels sont le coût et la disponibilité du matériau sur le marché. Le processus de sélection en plusieurs étapes comprend les phases d'analyse des besoins, de présélection, de sélection fine et d'évaluation des matériaux candidats sélectionnés jusqu'alors, dont l'adéquation est testée par des mesures d'évaluation et de validation avant de déboucher sur une solution matérielle.
Au début du projet de développement, l'accent est mis sur une simple sélection de matériaux communs et connus, les matériaux dits préférés. Cependant, au fur et à mesure de l'avancement du projet, l'accent est mis sur l'optimisation des matériaux alternatifs. Ce changement peut résulter de modifications des exigences et des spécifications au cours du projet. Grâce aux critères d'exclusion correspondants, qui résultent des exigences relatives au matériau, les alternatives possibles sont de plus en plus limitées afin d'obtenir quelques matériaux candidats appropriés, qui peuvent être des matériaux préférés connus ou des solutions matérielles disponibles sur le marché.
Évaluation et décision pour Ansys Granta Selector
Il fallait maintenant trouver le système logiciel adapté à ce concept. Les critères essentiels étaient que toutes les informations devaient être clairement organisées en un seul endroit, actualisées et filtrables, avec des options de comparaison et de visualisation basées sur les propriétés pertinentes des matériaux. En outre, la plate-forme doit pouvoir être intégrée sans problème dans l'infrastructure du système existant.
Dans le cadre de son mémoire de maîtrise, Daniel Barta a traité de manière intensive trois systèmes de base de données qui sont apparus comme étant potentiellement les plus adaptés lors du processus de présélection. Le choix s'est porté sur Ansys Granta Selector, une solution prête à l'emploi, proposée par CADFEM, le partenaire de SCHUNK pour la simulation. Un point positif pour Granta était la longue coopération bien établie dans le domaine de l'ingénierie entre SCHUNK et CADFEM. Cependant, le facteur décisif a été les possibilités techniques qui correspondent aux processus de SCHUNK dans la sélection des matériaux.
- la méthodologie de sélection systématique
- la fourniture d'informations complètes et cohérentes
- la visualisation à l'aide de diagrammes de matériaux (appelés diagrammes d'Ashby)
- l'évaluation transparente des matériaux à l'aide de tableaux de comparaison
- la possibilité de comparer les solutions matérielles avec des matériaux de référence
- le lien avec les produits Ansys et, en général, les systèmes CAx nécessaires à la validation.
>> plus d'informations sur Ansys Granta Selector et la famille de produits Ansys Granta
Ansys Granta Selector - Exemple d'application d'un crochet en forme de coin
Après la sélection du concept et du système de base de données supportant le processus, le processus de sélection a été testé sur des exemples d'applications pratiques. Dans un exemple d'application, la pince parallèle pneumatique à deux doigts JGP-P a été utilisée dans sa phase de développement pour sélectionner un matériau optimal pour le crochet à clavette qui y est installé. Dans un premier temps, les exigences ont été définies, à savoir une résistance élevée, une bonne usinabilité, une bonne aptitude au traitement de surface et la spécification d'un faible prix du matériau. Sur la base de ces exigences, le matériau préférentiel interne "A" utilisé dans le produit précédent est initialement sélectionné comme matériau de référence pour la recherche ultérieure de matériaux.
Il s'avère que les contraintes admissibles dans le composant sont dépassées dans divers scénarios d'application. Un matériau plus résistant est donc nécessaire, et Ansys Granta Selector vérifie désormais un grand nombre d'options de matériaux très différents sur cette base. Pour ce faire, il faut d'abord définir les exigences obligatoires que le nouveau matériau doit remplir - dans cet exemple, il s'agit de la résistance accrue. Le matériau préféré précédemment sélectionné sert de matériau de référence.
Les candidats restants sont ensuite affichés dans un diagramme d'Ashby (triés graphiquement en fonction des propriétés souhaitées). La résistance à la traction est réglée en fonction de la vitesse de coupe et du module d'élasticité et les limites des propriétés dans le logiciel se rapprochent de plus en plus. Cela permet d'identifier rapidement et selon des critères transparents trois candidats appropriés.
Cette présélection est examinée en détail dans un tableau de comparaison de Granta, les fiches complètes des matériaux sont placées les unes à côté des autres et directement comparées entre elles. Sur la base de cette comparaison, les solutions matérielles ont pu être évaluées selon les 4 critères les plus importants.
Dans cette analyse systématique basée sur un logiciel dans Granta Selector, la solution de matériau "A" s'avère optimale, car le matériau présente à la fois une résistance à la traction et une usinabilité élevées par rapport au matériau préféré. Lors de la validation à l'aide d'une simulation de l'état solide dans Ansys Mechanical, une résistance plus élevée et donc un cycle de vie plus long du composant ont pu être confirmés.
Résultat: Sans compromis disproportionnés dans les autres critères, le matériau alternatif qui a été identifié a atteint une résistance supérieure de 25% à celle du matériau préféré.
Cela montre qu'Ansys Granta Selector répond le mieux aux exigences du support logiciel de la sélection systématique des matériaux dans le développement des produits chez SCHUNK. Afin d'examiner plus avant l'utilisation pratique du logiciel de base de données pour la sélection systématique des matériaux, SCHUNK a décidé de continuer à utiliser Ansys Granta Selector dans une phase d'essai d'un an dans le domaine de la recherche et du développement.
SCHUNK et CADFEM
SCHUNK et CADFEM travaillent ensemble depuis de nombreuses années dans le domaine de la simulation numérique avec Ansys. SCHUNK est entré très tôt dans le domaine de la simulation numérique avec Ansys - avec CADFEM comme partenaire pour toutes les questions concernant l'acquisition du logiciel, ainsi que tout ce qui est nécessaire à son utilisation efficace, comme le matériel, la formation, le support aux utilisateurs et le support technique lorsque de nouveaux domaines d'application sont ouverts.
SCHUNK GmbH & Co. KG
Daniel Barta
www.schunk.com
Auteurs:
Daniel Barta (SCHUNK GmbH & Co. KG)
Alexander Kunz (CADFEM GmbH)
Images: © SCHUNK GmbH & Co. KG
Publié: Octobre, 2022
