Når et selskap vil utvikle et nytt produkt, enten det er en ståldel, en plastdings, en mobil eller et helt skip, starter gjerne prosessen med at en designer eller konstruktør tegner i et såkalt CAD-verktøy.
Dette er et program for tredimensjonal modellering i en datamaskin. Den engelske forkortelsen står for «computer aided design». På norsk heter det dataassistert konstruksjon (DAK).
Når dingsen er ferdig tegnet, skal den testes. Ståldeler som skal inn i ett eller annet byggverk, bør for eksempel ikke knekke ved belastning. Før i tiden ble ting gjerne frest ut og testet mot virkelighetens fysiske krefter på et tidlig stadium.
Senere kom analyseprogrammene. Isteden for å gå rett til fysisk testing, kan et dataprogram sjekke hvordan fysiske krefter vil virke på dingsen. Til dette trengs et eget dataformat, som er ganske ulikt det designeren eller konstruktøren bruker.
80 prosent
Trenden går altså mot mer numerisk analyse og mindre testing, spesielt i de tidlige fasene av designprosessen. Problemene med å oversette fra DAK til denne typen analyse, gjør prosessene mer tidkrevende og kostbare enn de trenger å være. Dessuten blir modellene gjerne preget av feil.
Omtrent 80 prosent av tiden som brukes på analyse kan spares ved å bruke formater som fungerer både i CAD-verktøyene og analyseprogrammene, ifølge en undersøkelse fra Technische Universität München. Nye formater vil altså kunne ha en stor innvirkning.
Strømlinjeforming av fabrikkenes prosesser for design, analyse og testing, har vært målet for SINTEF-prosjektet Unified modelling for design and analysis in communicating organizations som har hatt finansiering fra VERDIKT i Forskningsrådet siste fem år.
– Når du skal analysere en eller annen stålbit, trenger du beskrivelsen av formen til objektet. I tillegg trenger du en representasjon av kreftene som virker på det, og resultatet av disse kreftene, forklarer forsker og prosjektleder Vibeke Skytt.
Siden CAD-modellene opprinnelig ble laget med tanke på produksjon, har de vært lite hensiktsmessige for analyse.
Les også: Her har de snudd industridød til høykonjunktur
Isogeometri
Såkalt isogeometri bruker imidlertid samme format for både formen og kreftene - et format som er hentet fra geometriverden. Dette kan løse mange problemer, og det er her de norske forskerne har tatt tak.
– Det er livsviktig å sikre at geometrien er riktig ved overføring fra ett system til et annet, sier Kjell Bengtsson. Han er markedsdirektør i Jotne, som har vært industripartner i forskningsprosjektet.
Selskapet har hatt kontakt med forskingsmiljøet på SINTEF IKT siden 1980-tallet. Denne kontakten dannet grunnlaget for det selskapet gjør i dag innen programvareutvikling. Jotne driver ellers mye med installasjoner til olje og gass offshore.
Programvaren deres, som etterhvert ble kjøpt inn av store selskaper som Boeing, Lockheed Martin og Airbus, blir brukt nettopp til informasjonsutveksling, interoperabilitet og sammenkobling mellom ingeniørsystemer.
– Når det er snakk om store, komplekse, industrielle prosjekter, tar folk gjerne kontakt med oss. Ett eksempel er produksjon av jagerfly. Kundene bruker programvaren til å overføre data mellom sine fabrikker i ulike land, sier Bengtsson.
Han tror teknologien SINTEF-forskerne har vært med å utvikle sammen med forskere i USA, kan få stor innvirkning på hvordan folk vil gjøre modellering og beregning i fremtiden.
– Jotne leverer løsninger for å håndtere 3D-data og simuleringsdata. Som leverandør av slike databaserte løsninger vil vi gjerne være først ute med å ta i bruk denne nye teknologien, sier Bengtsson.
Vanntett
Derfor skrev selskapet en EU-søknad sammen med SINTEF som ble til et nytt prosjekt - kalt TERRIFIC - hvor selskaper i hele Europa jobber sammen for å implementere teknologien.
CAD-verktøyene har hatt sin egen historiske utvikling. CAD-verktøy lager objekter med overflater som helst skal henge sammen, men dette er ikke alltid så lett å få til. Overflatene blir ikke vanntette.
– CAD-modellene har ikke vært nøyaktige nok, og noen ganger kan feilene addere seg opp så de blir ganske store. Analysen forlanger å ha det helt tett, forklarer Skytt.
Når designere jobber med 3D-modeller, opererer de med overflater. Splines, kurver og flater er matematiske representasjoner av objekter som anvendes i beskrivelsen av overflatene. Splines er stykkevise polynomer og godt egnet til å representere alle glatte former.
Et nytt tilskudd til klassen av splines er T-splines utviklet av professor Thomas Sederberg ved Blighan Young University i Utah, USA. T-splines er bedre egnet til å modellere lokal variasjon i form.
Forskerne ved SINTEF har tatt T-splines videre i en egen variant de kaller LR-splines, inspirert av arbeidet gjort innen isogeometri av professor Thomas J. R. Hughes ved University of Texas Austin i USA.
Les også: Roboter kan redde norsk industri
Rutenett
For å regne ut hvor mye spenning et mobildeksel tåler før det sprekker, måtte mobilen tidligere deles opp i et rutemønster kalt mesh. Det var en stor jobb å legge på slike rutemønster. Med den vanntette geometrien trengs ikke disse rutenettene lenger.
– Her er det flere ting å spare penger på. For det første blir det sannsynligvis høyere kvalitet på 3D-modellene, og for det andre vil en bedret integrasjon mellom modellering og simulering spare veldig mye tid, sier Bengtsson.
Han tror dessuten at den nye teknologien kan forenkle selve produksjonsprosessen, der mer presis geometrisk representasjon gir bedre resultater når 3D-modellen skal kjøres ut i en fresebenk.
Teknologien er spesielt godt egnet for mekaniske produkter og systemer, nettopp den typen geometri Jotne håndterer.
– Vi håper at de standardene vi jobber frem sammen med SINTEF skal slå an blant ingeniører, og at det skal bli veldig enkelt å overføre ingeniørdata, sier Bengtsson.
Dersom ingeniørbedriftene og fabrikasjonsselskapene blir enda smartere, tror han det kan bety at det vil lønne seg å hente produksjonen hjem igjen for mange selskaper.
– Kleven Verft annonserte nettopp at de skal begynne å produsere skrog igjen selv, etter mange års produksjon i Romania. Nå kan de gjøre det billigere hjemme fordi de har blitt smartere og gjør større bruk av roboter, sier Bengtsson.
Han tror altså den nye teknologien kan hente tilbake produksjon i høykostnadsland som er smartere enn land som har vært attraktive så langt på grunn av lave kostnader til arbeidskraft.
Les også: NTNU har en av verdens mest avanserte 3D-printere
Volumformat
Ett av skrittene i den retning er å lukke det gjenstående gapet mellom isogeometriske beskrivelser og det analysemodellene trenger. For eksempel gir CAD-modellene en overflatebeskrivelse, mens analysen trenger en volumbeskrivelse.
– Vi har laget et volumformat isteden for et flateformat, men dette volumformatet har flater ytterst, så du kan plukke dem av og lage en ny CAD-modell, forklarer Skytt.
Dermed kan formen enkelt oppdateres ut fra informasjonen fra analysen, og det blir lett å oppdatere geometrien. Hvordan kan propellbladene for eksempel utnytte vinden godt nok til at vindmøllenes strømproduksjon blir effektiv?
Skytt tror det ligger et stykke unna å få til en strømlinjeformet design- og testingsprosess for et hvilket som helst objekt, så det blir viktig å se på klasser av objekter og klasser av analyser for å finne den metoden som passer best.
– Håpet er at vi i løpet av EU-prosjektet klarer å utvide gruppen av objekter som dette nye formatet fungerer på, sier Skytt.
Denne artikkelen er levert av VERDIKT (Kjernekompetanse og verdiskaping i IKT), som er Forskningsrådets store program for IKT-forskning.
Les også:
Denne 3D-printeren kan du ha hjemme
