איך להפוך את המוצר שלכם ל-“COOL”

עמית חן ועקיבא ליטינסקי, סיסטמטיקס

איך תוכלו למדוד את החום שנוצר בתוך המוצרים שלכם?
אתגר לא פשוט מדידת החום שנוצר במערכות הזיווד. בפרט כאשר מדובר במערכות מורכבות המכילות רכיבים אלקטרונים רבים ומגוונים אשר פולטים חום.

פיתוח מוצר COOL, חדשני
רגע לפני שנתמקד בתכנון מערכת קרור למוצר שלנו, נתייחס למשמעות השניה של המושג “COOL”.
COOL, מתייחס למוצר חדשני אשר יצליח בשוק ויתרום להכנסות רבות, וללקוחות רבים שיקנו את המוצר. אותם חידושים שאנחנו שוקלים לצרף למוצר שלנו מגדילים גם את הסיכונים שבהצלחתו. הסטטיסטיקה מראה ש-75% מן המוצרים החדשים נכשלים. אם כן, צוות הפיתוח צריך לשנות את תהליך התכנון ומחוייב להקטין את אותם סיכונים.

תהליך התכנון המסורתי
תהליך התכנון המסורתי משלב איטריציות ארוכות של בניית אבי-טיפוס, בדיקתם וחוזר חלילה. בדרך כלל התכנון מתחיל מדרישות הלקוח, ממשיך לתכנון מפורט של המוצר וייצור אבטיפוס. את האבטיפוס מתקפים באמצעות אנליזות וסימולציות חוזרות ונשנות עד לקבלת מודל אופטימאלי. מכשהתכנון הושלם, מתחילים לתעד רטרואקטיבית את המודל, בכדי להפיק הוראות ייצור, הרכבה או מדריכי משתמש של המוצר. וכשכל השלבים הושלמו עוברים לייצור המוצר… עם כל טעות או שינוי באחד השלבים, יש להתחיל את כל תהליך התכנון מההתחלה…
תכנון המתבצע באופן טורי מזמן לחברות אתגרים רבים. ככל ששינויי תכן מתבצעים בשלב מאוחר יותר לאורך תהליך התכנון, השינוי לוקח זמן רב יותר ומביא לעיכוב משמעותי יותר ביציאת המוצר לשוק. חוסר יכולת להגיב במהירות לשינויים בשוק פוגע במיצוב השוק של המוצר ובערך שהוא מציע ללקוח. כמו כן, שינוי תכן בשלבים מאוחרים של תהליך הפיתוח כרוך בעלויות גבוהות יותר מאשר שינויי תכן בשלבים המוקדמים של התהליך.
אתגר נוסף אשר מזמנת שיטת עבודה טורית הוא שימוש בפלטפורמות שונות בכל שלב בתהליך התכנון, המביא להפרדה תקשורתית בין המחלקות השונות. חוסר עדכון של כל המחלקות בעקבות כל שינוי תכן מביא לכך שחלק מהמחלקות לא עובדות על גרסאות השרטוט העדכניות ביותר.
SolidWorks מציעה פתרון לבעיות אלו ומובילה תהליך תכנון חדש ואינטגרטיבי:
Total Design. גישת Total Design הינה גישה אינטגרטיבית אשר משלבת מגוון כלים ופתרונות לתכנון, מידול, סימולציות, אנליזות, תיעוד טכני, תכנון אלקטרוני, ניהול ושיתוף מידע הנדסי בעמדת עבודה אחת, כך שפעולות הולידציה והתקשורת הטכנית נעשות במקביל לפעולת התכנון וזאת תוך כדי ניהול וסנכרון מידע רציף בין כלל המחלקות בחברה, כך שכל מתכנן יכול לבדוק, לתעד ולנהל את התכנון.
גישת ה-Total Design מאפשרת לחברות להאריך את שלב התכנון הקונספטואלי, על מנת לבחון הלכה למעשה את היתכנות המוצר וכדאיות ייצורו, להקדים את פעולות התכנון כמו סימולציות, אנליזות, תיעוד טכני ותכנון אלקטרוני, ובו בזמן לקצר את זמן הפיתוח המעבר לייצור וכמובן היציאה לשוק.
גישת Total Design מאפשרת לחברות למנף את היתרון התחרותי שלהן ולצלוח את האתגרים שהשוק מציב בפניהן בכל הפרמטרים של איכות, גמישות, מהירות תגובה לצרכי השוק, דרישות הלקוח וכמובן מחיר.
השימוש ב-SolidWorks יתחיל כבר בשלב הקונספט, שלב מאוד חשוב בתהליך הפיתוח של מוצרים חדשים.
2014 SolidWorks מאפשרת למתכנני הזיווד כלים רבים לתכנון מוצרים חדשניים, הן בתחום חלקי הפח והן בתחום הפלסטיק.
התהליך החדש יאפשר קבלת החלטות מושכלת יותר וזאת על ידי שימוש במערכת לניהול המידע ושימוש בכלים של סימולציה ותיעוד תוך כדי שלב התכנון ולא לאחריו. בדרך זו נחסוך כסף וזמן ובו בזמן נקטין את הסיכונים שהמוצר החדש ייכשל.
תהליך ה-Total Design עונה על הצורך שלנו לבצע בקלות ובמהירות מספר פעולות, תכנון, סימולציה ותיעוד. הפתרונות של SolidWorks מאפשרים לצוות המכני להשתמש במספר פתרונות אינטגרטיביים כך שכל חבר בצוות יכול לבצע יותר מאשר רק “תכנון”. כך למשל ניתן בקלות לבחון את הפתרונות על המודל הוירטואלי וכבר בשלבים המוקדמים לזהות בעיות ולתקן אותן כשעלות התיקון בשלב הראשוני היא אפסית.

סימולציה למוצר אלקטרוני
נחזור לתכנון מערכת הקרור למוצר שלנו. בשלב הזה נשתמש במספר פתרונות המשולבים ב- SolidWorks.
הפתרון הראשון יהיה השימוש ב-SolidWorks Flow Simulation האפשר למתכננים אשר ביצעו את התכנון בתוכנת SolidWorks להגיע בקלות ובמהירות לתוצאות ללא צורך בבניית
אב-טיפוס.
ללא השימוש ב-SolidWorks Flow Simulation, המהנדס מתקשה להגיע לאופטימיזציה ולתכנון של מערכת קרור אפקטיבית. כתוצאה מכך כמות מחזורי התכנון של מהנדס הזיווד רבים, ארוכים ולא חסכוניים.

כמה זה עולה לנו?
מחיר המוצר ישפיע על הצלחתו בשוק, שימוש ב-SolidWorks Costing מאפשר לצוות לדעת את תמחור הייצור של הפריטים עבור המארז ולבחון כיצד ישתנה מחירם בהתאם לכל מיני שינויים בתכנון. המחיר ייקח בחשבון את החומר, עובי הפח וכמות הפריטים אותם נרצה לייצר.
SolidWorks Costing מנתח את המודל הוירטואלי, סופר את מספר הכיפופים, את מספר הפתחים ובודק האם יש צורך בכלים מיוחדים על מנת לייצר את הפריט. כמובן שניתן להוסיף צבע או ציפויים מיוחדים ואפילו להוסיף האם נקבל הנחה בייצור.

שילוב התכנון המכני והאלקטרוני
בשלב הבא נרצה לשלב את התכנון האלקטרוני ותכנון המארז. התכנון האלקטרוני מכיל את אותם כרטיסים אלקטרוניים אשר מכילים רכיבים פולטי חום. ה-SolidWorks CircuitWorks יאפשר לנו דו-שיח בין שתי המחלקות, המכנית והאלקטרונית. עבודה כזו במקביל מונעת טעויות ומקצרת זמנים.
ה-CircuitWorks מייבא את קבצי
ה-IDF/PADS/ProStep ובונה את הכרטיס בסביבת ה-SolidWorks. לאחר שנקבל את הכרטיס הוירטואלי במערכת ניתן לבדוק התנגשויות בין המארז לכרטיס האלקטרוני. בנוסף ה-CircuitWorks בונה את הרכיבים עם התכונות התרמיות לטובת אנליזת CFD ומאפשר לנו לבחון את התחממות המוצר ולהבין כיצד ניתן לקרר אותו ולהפוך אותו למוצר “COOL”.

איך מגדירים אנליזת CFD ב-SolidWorks
אז איך עושים זאת? איך מודדים את התחממות המוצר? איך מודדים את השפעת מערכת הקרור, המאווררים ופתחי האוורור על הרכיבים שמתחממים?
המטרה, בחירת האופציה היעילה ביותר לקירור המוצר.
בשלב הראשון נגדיר את החומרים של כל המרכיבים. מכיוון שייבאנו את הכרטיס בעזרת CircuitWorks, כמו שציינו קודם, החומרים של הרכיבים האלקטרוניים והתכונות התרמיות שלהם כבר מופיעים במודל הוירטואלי.
בשלב השני נגדיר את גבולות הסביבה, ואת לחצי היציאה והכניסה של האוויר, בשלב השלישי נריץ את האנליזה ונבחן את התוצאות.
לאחר הרצת התוצאות, ניתן לבצע שינויים מתאימים (מיקום שונה של רכיבים, בחירת ומיקום מאווררים, מיקום שונה של המאווררים השונים, תכנון צלעות קירור ועוד).
כך ניתן לתכנן באופן מלא את קירור המוצר שלך ולמצוא חלופות קירור טובות יותר וזולות יותר.
לפנינו דוגמה הממחישה את קלות מציאת פתרון בעיית פינוי החום במקלט לוויני:
זיהינו את מקור הצטברות החום במארז בעזרת SolidWorks Flow Simulation באופן גרפי וברור.
ניתן לראות שקיים רכיב שמתחמם מעל הרצוי וצלעות הקירור שעליו אינן מצליחות לפנות את החום כנדרש (האיזור מגיע
לכ-80 מעלות צלזיוס).
ניתן לבדוק מספר חלופות קירור ולהלן התוצאות:
הגדלת גובה צלעות הקירור – הטמפרטורה ירדה לכ-66 מעלות צלזיוס…
זה עדיין לא מספק.
מה נעשה עכשיו? האם כדאי להגדיל יותר את גובה צלעות הקירור? האם כדאי למקם את הרכיב הנ”ל במיקום שונה? האם כדאי להוסיף פתחי איוורור או מאוורר שיעזור לפנות את החום?
ישנם כמובן אינסוף פתרונות אפשריים ולכל פיתרון בגישה המסורתית יש צורך לבצע אב-טיפוס ולבדוק בניסויים.
SolidWorks בשיטת ה-Total Design מאפשרת לנו לבדוק את החלופות השונות בשלבים ראשונים ככל הניתן וכך קל מאוד לבצע שינויים ולהגיע לתכנון אופטימלי כבר בהתחלה.
ניתן לראות בסימולציה שזרימת פינוי החום “נתקלת” בצלעות הקירור וסיבובן יאפשר פינוי חום טוב יותר (דבר שקשה היה לראות גם בניסוי של אב-טיפוס):
ולכן, סיבוב צלעות הקירור ב-90 מעלות, ללא צורך להגדילן, להוסיף פתחים, מאווררים או כל שינוי אחר יאפשר לנו לפנות את החום בצורה מספקת ואופטימלית מבחינתנו.
לסיכום
יישום תהליך ה-Total Design לפיתוח מוצר חדשני מאפשר להקטין את הסיכונים שבהצלחת המוצר. שילוב של הפתרונות האינטגרטיביים כמו CircuitWorks ו-SolidWorks Simulation Flow, מאפשר בחינת המודל כבר בשלבים מוקדמים על מודל וירטואלי. מכיוון שהפתרונות הללו מאוד קלים ללימוד ונמצאים בסביבת העבודה של SolidWorks המתכנן המכני יכול בקלות להטמיע את השימוש בפתרונות הללו ולהצליח עם מוצר שהוא ללא ספק COOL!.

עמית חן הינו מנהל תחום תיב”ם בחברת סיסטמטיקס.
עקיבא ליטינסקי הינו מהנדס אפליקציה בחברת סיסטמטיקס.