Dobór materiałów i optymalizacja właściwości w nowoczesnych środowiskach CAD

Dokładne dane materiałowe stanowią podstawę udanych projektów inżynierskich, zwłaszcza w środowiskach CAD takich jak SOLIDWORKS, gdzie decyzje projektowe wpływają na osiągi, masę i koszt produktu. Artykuł przedstawia, w jaki sposób kompleksowa baza danych Total Materia rewolucjonizuje proces doboru materiałów, zapewniając dostęp do ponad 570 000 materiałów i 25 milionów rekordów właściwości.

Inżynierowie pracujący w systemach CAD mogą optymalizować swoje projekty dzięki inteligentnemu doborowi materiałów, porównywać alternatywy w oparciu o stosunek właściwości do gęstości w celu redukcji masy oraz bezproblemowo integrować zweryfikowane dane materiałowe z przepływem pracy. Zaawansowane narzędzia platformy — w tym prognozowanie właściwości oparte na sztucznej inteligencji oraz globalne tabele odpowiedników — umożliwiają projektantom podejmowanie świadomych decyzji materiałowych od etapu koncepcji aż po produkcję, zapewniając spójność w zespołach projektowych, a jednocześnie ograniczając liczbę błędów i skracając czas rozwoju produktu.

Kluczowa rola danych materiałowych w projektowaniu CAD

Podstawą każdego udanego projektu inżynierskiego są dokładne informacje o właściwościach materiałów. W środowiskach CAD, czyli takich jak oprogramowanie SOLLIDWORKS, wybór materiału bezpośrednio wpływa na modelowanie geometrii, integralność konstrukcji oraz możliwości wytwórcze. Tradycyjne właściwości mechaniczne, takie jak granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, twardość czy plastyczność, mogą różnić się nawet dziesięciokrotnie dla stali konstrukcyjnych w temperaturze pokojowej — w zależności od składu stopu, obróbki cieplnej oraz procesu wytwarzania. Szacowanie tych właściwości na podstawie typowych wartości dla szerokich grup stopów może prowadzić do poważnych błędów projektowych i kosztownych awarii.

Platforma Total Materia odpowiada na te wyzwania, dostarczając inżynierom kompleksowych i zweryfikowanych danych materiałowych. Obejmuje ona ponad 570 000 materiałów z całego świata oraz ponad 25 milionów rekordów dotyczących właściwości mechanicznych, fizycznych i chemicznych. Ta rozbudowana baza danych stanowi scentralizowane źródło informacji materiałowych, pomagając inżynierom ograniczyć ryzyko błędów w doborze materiałów, a jednocześnie identyfikować bardziej ekonomiczne i łatwiej dostępne alternatywy na każdym etapie procesu projektowego.

Informacje o materiałach pełnią różne funkcje w zależności od rodzaju działalności inżynierskiej. Cztery typowe przypadki użycia odzwierciedlają najczęstsze sytuacje, z jakimi spotykają się inżynierowie pracujący z danymi materiałowymi w środowisku CAD.

Pozyskiwanie właściwości dla znanych materiałów

Najprostszym scenariuszem jest pobranie szczegółowych informacji o właściwościach materiału, który został już określony w projekcie. Inżynierowie mogą wyszukiwać dane po oznaczeniu materiału lub jego częściowej nazwie, uzyskując kompleksowe informacje w formie tabelarycznej i graficznej. W przypadku zastosowań, w których kluczowa jest masa, natychmiast dostępne są dane dotyczące gęstości, co umożliwia dokładne obliczenie masy elementu już na etapie modelowania w CAD.

a)

b)

Poza standardowymi właściwościami Total Materia umożliwia dostęp do zaawansowanych danych mechanicznych, które trudno znaleźć w tradycyjnych źródłach. Baza obejmuje krzywe naprężenie–odkształcenie, dane dotyczące podatności na formowanie, właściwości cykliczne, parametry mechaniki pękania oraz właściwości pełzania. Zbiór ten opiera się na ponad 2 200 źródłach eksperymentalnych, które zostały zweryfikowane i przetworzone za pomocą opatentowanych algorytmów. Informacje obejmują dziesięciolecia badań — od historycznych eksperymentów sprzed ponad 60 lat aż po najnowsze dostępne dane.

Wyszukiwanie materiałów spełniających określone wymagania

W wielu scenariuszach projektowych materiał nie jest określony na początku projektu. Zamiast tego inżynierowie rozpoczynają pracę od zestawu wymagań wydajnościowych wynikających z obliczeń konstrukcyjnych, warunków środowiskowych lub ograniczeń produkcyjnych. Total Materia pozwala użytkownikom łączyć wymagane wartości dla różnych właściwości mechanicznych i fizycznych za pomocą operatorów logicznych, tworząc kompleksowy profil wymagań, który musi spełniać każdy kandydat na materiał.

Wyniki wyszukiwania mogą obejmować od kilku do nawet tysięcy materiałów spełniających określone kryteria. Inżynierowie mogą następnie doprecyzować wyniki, stosując dodatkowe filtry, łącząc wymagania dotyczące właściwości mechanicznych z określonymi zakresami temperatur, odpornością na korozję, właściwościami spawalniczymi czy podatnością na formowanie. W projektach związanych z inżynierią wsteczną platforma oferuje specjalistyczne narzędzia identyfikacji materiałów, które działają na podstawie danych o składzie chemicznym, pozwalając użytkownikom dopasować nieznane materiały do obszernej bazy danych.

Porównywanie i analiza alternatywnych materiałów

Ten scenariusz jest bezpośrednio powiązany z optymalizacją masy i stanowi kluczowy punkt decyzyjny w procesie projektowania. Inżynierowie rozpoczynają od grupy kandydatów na materiały — wybranych w wyniku poprzedniego wyszukiwania lub samodzielnie — i systematycznie porównują ich właściwości, aby wybrać optymalny materiał do konkretnego zastosowania.

Total Materia oferuje wiele metod porównawczych, od przeglądania zestawień właściwości obok siebie po narzędzia analizy graficznej. Moduł Analytics okazuje się szczególnie przydatny przy optymalizacji masy w projektowaniu CAD, umożliwiając inżynierom analizę stosunków właściwości. Projektanci mogą wizualizować, jak stosunek właściwości strukturalnych, takich jak moduł sprężystości, odnosi się do gęstości materiału w jednej osi, co pomaga zidentyfikować materiały zapewniające najlepsze parametry konstrukcyjne przy minimalnej masie.

a)

b)

Platforma wspiera również dwuwymiarową wizualizację, pozwalając inżynierom na wykreślanie stosunków właściwości względem dodatkowych parametrów, takich jak granica plastyczności. W trakcie procesu optymalizacji grupę kandydatów na materiały można poszerzyć, korzystając z tabel odpowiedników, które identyfikują podobne materiały z różnych standardów i regionów, lub zawęzić, stosując ograniczenia eliminujące nieodpowiednie opcje.

Jednak gdy proces wyboru wymaga jednoczesnego uwzględnienia więcej niż dwóch lub trzech konkurencyjnych czynników — na przykład optymalizacji wytrzymałości, kosztu, odporności termicznej i zgodności z regulacjami międzynarodowymi — tradycyjne metody porównawcze stają się czasochłonne i narażone na subiektywne kompromisy.

Aby przezwyciężyć te ograniczenia, moduł Total Materia Optimizer oferuje specjalistyczny silnik wspomagania decyzji. Moduł ten wykracza poza proste filtrowanie, pozwalając inżynierom precyzyjnie uwzględniać wszystkie czynniki techniczne, kosztowe i regulacyjne za pomocą prostego suwaka „Importance”. Przetwarza pełny zestaw danych i generuje czytelną, uszeregowaną listę materiałów wraz z obiektywną oceną (0–100%), wskazującą dopasowanie każdego kandydata. Funkcjonalność ta znacząco skraca czas wyboru, umożliwiając inżynierom podejmowanie opartych na danych, w pełni śledzalnych decyzji, które w pełni odpowiadają priorytetom projektu.

Projekt koncepcyjny i wstępny dobór materiału

Gdy projektanci zaczynają z „czystą kartą”, praktycznie każdy materiał w bazie danych staje się potencjalnym kandydatem. Interfejs Material Discovery umożliwia wizualizację właściwości w całej kolekcji Total Materia, grupując materiały w główne kategorie, takie jak metale żelazne, metale nieżelazne, polimery, kompozyty i ceramika. To podejście do wizualizacji przypomina wykresy doboru materiałów według Ashby’ego, lecz działa na pełnej bazie danych obejmującej ponad 570 000 materiałów i 25 milionów rekordów danych.

Z tej początkowej przeglądu inżynierowie mogą zagłębiać się w konkretne kategorie, np. stopy tytanu, polimery PA 66 czy rodziny kompozytów, przy jednoczesnym stosowaniu filtrów dotyczących kraju lub standardu pochodzenia, zakresów temperatur i innych kryteriów. W miarę zawężania wyboru materiały mogą być przesyłane do modułu Analytics lub innych narzędzi porównawczych w celu szczegółowej analizy właściwość po właściwości, co umożliwia świadome decyzje już na wczesnych etapach projektowania.

Bezproblemowa integracja z systemami i przepływem pracy CAD

Dostęp do dokładnych danych materiałowych to jedno, kolejnym wyzwaniem jest ich płynna integracja ze środowiskami CAD. W firmach działających w rozproszonych zespołach globalnych, gdzie wymagane są różnorodne dane materiałowe, integracja eliminuje błędy wynikające z ręcznego wprowadzania danych i zapewnia spójność w całym procesie projektowym.

Moduł eXporter umożliwia wybór konkretnych danych i eksport w różnych formatach zgodnych z różnym oprogramowaniem inżynierskim. Total Materia obsługuje XML, XLS i ponad 20 formatów CAD i PLM, tworząc pliki, które mogą być bezpośrednio importowane do systemów projektowych. Integracja plikowa umożliwia łatwe przeniesienie zweryfikowanych właściwości materiałowych do projektów CAD bez ręcznego przepisywania danych.

Silniejsza integracja możliwa jest dzięki połączeniom przez API. Dostęp do API pozwala firmom programować funkcje Total Materia bezpośrednio w środowisku CAD lub automatycznie aktualizować wewnętrzne bazy danych materiałów. Jest to szczególnie przydatne w organizacjach ze standardowymi platformami CAD, gdzie dane materiałowe wymagają regularnej aktualizacji na wielu stanowiskach.

Branża motoryzacyjna pioniersko podchodzi do wymiany danych materiałowych poprzez specyfikację VDA, która koduje materiały i warunki ich dostawy w standardowych formatach cyfrowych. Total Materia wspiera tę specyfikację, umożliwiając precyzyjną komunikację na temat materiałów i specyfikacji nie tylko wśród inżynierów w jednej firmie, lecz także między firmami w całym łańcuchu dostaw. Standaryzacja ta stanowi istotny krok w kierunku integracji wymaganej przez inicjatywy Industry 4.0.

Nowoczesne inżynierstwo stawia coraz większe wymagania w zakresie zaawansowanych symulacji i szybkich iteracji projektowych. Tradycyjne bazy danych materiałów często nie spełniają tych wymagań. Total Materia wypełnia tę lukę, integrując narzędzia AI i machine learning, które są szczególnie przydatne dla projektantów CAD pracujących nad innowacyjnymi projektami.

Moduł Predictor wykorzystuje zaawansowane modele uczenia maszynowego, trenowane na największej na świecie kolekcji zweryfikowanych danych materiałowych. Jego główną funkcją jest wypełnianie braków danych, co jest częstym wyzwaniem przy pracy z nowymi stopami, materiałami niestandardowymi lub przy poszukiwaniu właściwości w nietypowych warunkach. Dla projektantów CAD oznacza to możliwość szacowania właściwości na podstawie składu chemicznego i innych znanych parametrów, umożliwiając prace wstępne i symulacje na wczesnym etapie bez oczekiwania na testy laboratoryjne. Inżynierowie mogą szybko ocenić potencjał nowych lub niestandardowych materiałów, generując przewidywane właściwości zweryfikowane przez AI, wspierające decyzje projektowe w środowisku CAD. Funkcjonalność ta przyspiesza cykl projektowy, zachowując pewność wartości właściwości używanych do wymiarowania geometrii i wstępnych obliczeń masy.

Moduł SmartComp rozwiązuje inne, równie istotne wyzwanie: identyfikację nieznanych lub nieoznaczonych stopów. Takie sytuacje często pojawiają się w projektach inżynierii wstecznej, analizach awarii lub przy integracji komponentów legacy w nowych projektach. SmartComp wykorzystuje dane o składzie chemicznym — zazwyczaj uzyskane z analiz spektrometrycznych — wraz z zaawansowanymi algorytmami, aby zidentyfikować dopasowane materiały spośród tysięcy standardów i gatunków w bazie danych. Po identyfikacji inżynierowie uzyskują natychmiastowy dostęp do wszystkich zweryfikowanych właściwości materiału, które mogą być importowane do systemów CAD w celu weryfikacji projektu lub włączane do nowych projektów. Połączenie analizy laboratoryjnej z danymi projektowymi jest nieocenione przy pracy z komponentami bez jasnej dokumentacji materiałowej.

Praktyczne korzyści dla zespołów projektowych

Total Materia dostarcza wymiernych korzyści, szczególnie istotnych dla użytkowników CAD i organizacji skoncentrowanych na projektowaniu. Platforma przekształca dane materiałowe z pasywnego zasobu w aktywny element procesu projektowego.

Modele geometryczne CAD stają się dokładniejsze, gdy bazują na zweryfikowanych właściwościach materiałów, a nie na przybliżeniach czy przestarzałych danych z podręczników. Dostęp do pełnych danych, w tym gęstości do obliczeń masy, współczynników rozszerzalności cieplnej dla dokładności wymiarowej oraz modułu sprężystości dla przewidywania sztywności, umożliwia projektantom tworzenie modeli wiernie odzwierciedlających zachowanie finalnego produktu.

Możliwości integracyjne znacznie skracają czas potrzebny na wprowadzenie danych materiałowych do projektów CAD. Projektanci nie muszą już godzinami przeszukiwać norm, książek czy dokumentów wewnętrznych, a następnie ręcznie wprowadzać dane do bibliotek materiałowych. Moduły eksportu zapewniają natychmiastowy dostęp do gotowych pakietów danych, pozwalając inżynierom skupić się na optymalizacji projektu, zamiast na gromadzeniu danych.

W dużych organizacjach wyzwaniem jest zapewnienie, że wszyscy — od projektantów CAD po specjalistów analiz i zespoły dokumentacyjne — korzystają z identycznych, zatwierdzonych danych materiałowych. Total Materia, szczególnie zintegrowana przez moduł Integrator, ustanawia Single Source of Truth dla informacji o materiałach. Ta spójność gwarantuje, że geometria zaprojektowana w systemie CAD z określonym materiałem będzie weryfikowana przy użyciu tych samych aktualnych właściwości, minimalizując błędy wynikające z niespójności danych między działami.

Dla firm działających globalnie nieocenione są globalne tabele odpowiedników Total Materia. Projektanci mogą natychmiast porównywać materiały z różnych standardów krajowych i dostawców, umożliwiając wybór lokalnych zamienników dla materiałów według standardów zagranicznych. Platforma obejmuje ponad 80 norm krajowych, a opatentowane algorytmy umożliwiają szybkie identyfikowanie odpowiedników materiałów na całym świecie. Funkcjonalność ta wspiera elastyczne strategie zaopatrzenia, przy zachowaniu intencji projektowej.

Nowoczesny rozwój produktów coraz częściej wymaga uwzględnienia przepisów środowiskowych i śladu węglowego. Moduł Green Line dostarcza informacji o zgodności z globalnymi regulacjami, w tym REACH i RoHS, wraz z szacunkami śladu węglowego dla różnych materiałów. Dane te wspierają zrównoważony wybór materiałów bezpośrednio na etapie projektowania, gdzie decyzje mają największy wpływ na środowiskowe parametry cyklu życia produktu.

Podsumowując: Nowoczesne podejście do doboru materiałów w środowisku CAD

Dokładne dane materiałowe to coś więcej niż element listy kontrolnej projektowania — stanowią fundament pewnego podejmowania decyzji w całym cyklu rozwoju produktu. Total Materia zapewnia zespołom inżynierskim pracującym w CAD kompleksowe informacje, inteligentne narzędzia oraz możliwości płynnej integracji, umożliwiając optymalizację projektów od wczesnych faz koncepcyjnych aż po finalne specyfikacje produkcyjne. Przekształcając dobór materiałów z czasochłonnego zadania badawczego w integralną część przepływu pracy CAD, platforma pozwala projektantom skupić się na innowacji, zapewniając jednocześnie optymalną wydajność, masę i koszty wybranych materiałów.

Materiał powstał we współpracy z Total Materia w ramach inicjatywy „Eksperci przemysłu”, której celem jest dzielenie się wiedzą i doświadczeniem w zakresie nowoczesnych technologii wspierających inżynierię i przemysł.