Modelowanie matematyczne, analizy numeryczne, modele CAD, obliczeniowa mechanika płynów, numeryczny przepływ ciepła, analizy strukturalne itd. to zagadnienia czy dziedziny nauki, o istnieniu których większość z nas nie wie. Do tej pory były one bowiem zarezerwowane dla wąskiej grupy specjalistów zajmujących się symulacjami komputerowymi, ogólnie rzecz ujmując, otaczającej nas rzeczywistości. Pewnie niewielu z Was zdaje sobie sprawę z tego, że żyje w świecie symulacji, a próby udowodnienia tego nie trzeba szukać daleko.
By przybliżyć ten świat innym, kilku zapaleńców z Centrum Badawczego ABB w Krakowie, zauroczonych możliwościami symulacji, rozpoczęło prace nad pierwszym w skali globalnej, w pełni automatycznym narzędziem służącym do symulowania procesów przetwórstwa tworzyw sztucznych w postaci żywic epoksydowych. Dziś o zaletach opracowanego narzędzia przekonują się kolejni inżynierowie odpowiedzialni za procesy produkcyjne, w których wspomniane żywice epoksydowe są wykorzystywane. W ten sposób udało nam się otworzyć drzwi do zagadkowej, a zarazem barwnej krainy symulacji każdemu kto jest zainteresowany poznaniem możliwości, jakie dają nam ogromne moce współczesnych komputerów w połączeniu z zaawansowanymi metodami komputerowymi. Jest to świat, do którego dostęp ma każdy inżynier ABB pod warunkiem … sęk w tym, że nie ma żadnych ograniczeń i to stanowi największą zaletę opracowanego narzędzia, ale do rzeczy.
Żywice epoksydowe – z czym to się je?
Wspomniane żywice epoksydowe są powszechnie stosowane w branży elektro-energetycznej jako materiał izolujący elektrycznie. Do produktów, w których można spotkać izolacje żywiczną zalicza się m.in. przekładniki prądowe i napięciowe, bieguny próżniowe, sensory, przepusty czy złącza kablowe. Tak szerokie zastosowanie żywic epoksydowych w aparaturze średniego i wysokiego napięcia wiąże się z doskonałymi właściwościami elektrycznymi, mechanicznymi oraz cieplnymi tej grupy materiałów. Pozwalają one osiągnąć wysoki stopień bezpieczeństwa pracy urządzeń elektrycznych zapewniając dodatkowo odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, która jest szczególnie istotna np. w przypadku urządzeń eksploatowanych na terenach aktywnych sejsmicznie. Ponadto, odporność na działanie wysokich temperatur, typowych dla pracy wymienionych wcześniej urządzeń, rzutuje bezpośrednio na niezawodność żywicznej izolacji elektrycznej.
Finalne parametry izolacji żywicznej są jednak ściśle zależne od przebiegu procesu wytwórczego, którego natura jest niestety niezwykle złożona. Składa się na niego kilka etapów, przy czym właściwe przeprowadzenie każdego z nich jest nie lada wyzwaniem. Przykładowo, w pierwszym kroku specjalnie zaprojektowana forma wtryskowa jest wypełniana przygotowaną wcześniej płynną mieszanką żywiczną, która pod wpływem działania wysokich temperatur utwardza się wydzielając jednocześnie duże ilości ciepła na skutek zachodzących reakcji chemicznych. Tak powstały produkt poddawany jest dalszej obróbce cieplnej i mechanicznej, nim osiągnie swe finalne charakterystyki.
Mnogość parametrów procesu mających wpływ na ostateczne własności izolacji elektrycznej powoduje, iż konieczne jest eksperymentalne wypracowanie optymalnej konfiguracji tego procesu zasadniczo dla każdego produktu osobno. Próby te są jednak niezwykle kosztowne oraz czasochłonne, a co więcej, nie dają pełnego obrazu zjawisk zachodzących wewnątrz wspomnianej formy wtryskowej. To właśnie te trudności i ograniczenia, a także inżynierska ciekawość przyczyniły się do rozwinięcia narzędzia symulacyjnego eRAMZES, które zabiera nas w wirtualną podróż do wnętrza procesu przetwórstwa żywic epoksydowych.
Powiedzmy, że macie wizję przyszłego produktu oraz pomysł na jego wytworzenie. Musicie jednak sprawdzić jak Wasza wizja zderzy się z rzeczywistością, a to umożliwia Wam symulacja komputerowa wykonana za pomocą narzędzia eRAMZES. Brzmi prosto i tym samym tajemniczo, nieprawdaż? Pomyślicie pewnie, że to niemożliwe, by coś co zazwyczaj wymagało twórczego, innowacyjnego, inżynierskiego podejścia, zostało zastąpione przez … dobre pytanie, czym jest eRAMZES?
eRAMZES – pilot zdalnego sterowania
W prostych słowach … nie sposób to wyjaśnić, dlatego spróbujmy zrobić to w nawiązaniu do czegoś co jest powszechnie znane. Wyobraźmy sobie platformę telewizyjną, która skupia w sobie kilkadziesiąt lub nawet kilkaset programów telewizyjnych. Podstawowa idea takiej platformy to zapewnienie użytkownikowi rozrywki na najwyższym poziomie poprzez urozmaicenie oferty programowej. Pozwala na to szeroki wybór tematyki wspomnianych programów, od przyrodniczych, poprzez dokumentalne, a na popularnonaukowych kończąc. Co równie ważne, istnienie cyfrowych multipleksów nie byłoby możliwe bez wieloletnich doświadczeń z telewizją analogową i ciągłego dążenia do rozwoju. Wbrew pozorom podobnie jest z narzędziem eRAMZES.
eRAMZES to platforma internetowa, która zbudowana jest w oparciu o kilka komercyjnych programów służących do symulacji komputerowych. Każdy z tych programów oferuje inne możliwości modelowania zjawisk fizycznych. Przykładowo jeden z nich odpowiada za symulację przepływu cieczy oraz energii w postaci ciepła, a inny za obliczenia mechaniczne naprężeń powstających w analizowanych produkcie. Osobno oprogramowania te nie dają pełnego obrazu procesu przetwórstwa żywic epoksydowych, lecz ich sprzężenie w połączeniu z intuicyjną i łatwą w obsłudze stroną internetową stanowią atrakcyjną ofertę dla inżynierów żądnych symulacyjnych wrażeń.
Niezwykle istotne jest to, że podejście symulacyjne zaszyte w narzędziu eRAMZES bazuje na wieloletnich doświadczeniach naukowców ABB zajmujących się zaawansowanymi symulacjami komputerowymi. Zostało one poparte szeregiem eksperymentów w celu potwierdzenia wiarygodności wyników otrzymywanych z symulacji komputerowych. Przykładowo, pomiar temperatur podczas produkcji izolacji żywicznej pozwolił zweryfikować dokładność obliczeń cieplnych. Z kolei skanowanie laserowe posłużyło do oceny deformacji produktu, co pozwala przewidzieć analiza strukturalna.
Jak widzicie, rozwój narzędzia eRAMZES przypomina nieco rewolucyjną drogę od telewizji analogowej do cyfrowej, w tym przypadku drogę od symulacji wykonywanych ręcznie (absorbujących inżynierów często na wiele tygodni) do symulacji automatycznych trwających zwykle kilka dni, które dodatkowo nie wymagają ingerencji ze strony użytkownika.
Podsumowując, łatwość obsługi, krótki czas reakcji, szeroka oferta programowa, pewność działania – naukowców i inżynierów ABB nie trzeba było długo przekonywać, by wzięli pilota w swoje ręce.
Łukasz Matysiak - pracuje w Korporacyjnym Centrum Badawczym ABB w Krakowie
