Ütőképes csapat

A bevezetőben említett ipari verseny nemcsak sebességi vagy hatékonysági, hanem minőségi is, ami természetesen jelenti az egyre magasabb gyártási színvonalat, de mindemellett az egyre újabb termékek bevezetését is. A fejlesztés bonyolult, összetett tevékenység, sok a megválaszolandó kérdés az ötlet felvetődésétől a termék piacra kerüléséig. Az ezen a területen dolgozó szakemberek gyakran találkoznak olyan problémákkal, amelyek a szokványos hétköznapi módszerekkel nem oldhatók meg. Ilyenkor a folytatáshoz mindig szükséges egy jó ötlet. De felvetődik a kérdés, vajon működni fog-e, beváltja-e a hozzáfűzött reményeket? Ennek megválaszolására két alapvető út létezik. Az egyik a Próbáljuk ki!, a másik a Számoljuk ki! típusú megbizonyosodás.

Két világ találkozása

Az elsőt gyakrabban hallhatjuk jól szituált hatvanas úriemberek szájából, akik mindig öltönyben, nyakkendőben járnak munkába, aktatáskájukban hordják a körzőt és a vonalzót. Akik logaritmikus görbeseregekkel, empirikus képletekkel és persze sok-sok év tapasztalatával oldják meg a felmerülő problémát. Ők azok, akiket önkéntelenül is mérnök úrnak szólít az ember. A második megoldást előszeretettel választja az egyetem padjait csak néhány éve elhagyó farmernadrágos, pólós srác, aki minden információt a Wikipédián keres először a szakkönyvek helyett, aki a logarlécet vonalzónak nézi, de a PC legbelső zugát is jól ismeri. Ő az, aki szimulációval képzeli el minden probléma megoldását.

Az egyszerűség kedvéért a mérnök urat nevezzük most Sanyi bácsinak, a farmergatyás srácot pedig Ákosnak. Sanyi bácsi sok mérést tervezett és hajtott végre sikeresen életében, de órákat tud mesélni arról, hogy milyen gondosan kell megválasztani a mérési körülményeket, és milyen precizitással kell az adatokat rögzíteni ahhoz, hogy az eredmények használhatók legyenek.

Ákos nagy teljesítményű számítógépével oldott már meg néhány problémát, és mesélnivalója neki is sok van: hogy mennyire fontosak a bemeneti adatok, milyen nagymértékben függ az eredmények pontossága az iterációs módszer, az időlépés vagy a hálósűrűség helyes megválasztásától. Mindkettejük munkáját a mérnöki gondolkodás vezérli. Mindkét út helyes, szolgáltat jó eredményeket, de az optimális megoldás az, ha Sanyi bácsi leteszi a zakóját, Ákos pedig ingre cseréli a pólót, és elkezdenek együtt dolgozni. Ötvözve ezzel a jól bevált mérnöki praktikum és a modern számítástechnika vívmányait.

Eltérések a mérés és szimuláció között

A mérések „lelkivilága” mindannyiunk számára jól ismert. Minden egyes módszernek, berendezésnek megvan a maga finom fortélya, hogyan lehet pontos és reprodukálható eredményeket kapni. Így van ez a jól bevált, a hétköznapi rutinban gyakran alkalmazott mérések esetében is, de még inkább a korábban említett újszerű problémák esetén. Megjegyzendő, hogy a ma jól ismert, széles körben használt mérések (lásd például a húzó- és nyomóvizsgálatokat) is voltak valaha újak. Bizonyára sokan néztek furcsán Bertram Hopkinsra 1914-ben, amikor az első kis pogácsa alakú fém próbatesteket vetette alá nyomóvizsgálatnak.

A mérések tagadhatatlan előnye, hogy közvetlenül a valóságot vizsgálják, persze, csak ha helyesen választottuk meg a körülményeket, és gondosan végezzük a mérendő paraméterek észlelését. A szimulációs módszerek „mélylélektana” már kevésbé ismert, mivel egy lényegesen fiatalabb területről van szó. A szimuláció szó hallatán sokan, főleg az ilyesfajta munkák megrendelői, de még néha maga Sanyi bácsi is egy mindenre kiterjedő univerzális számítógépes eszközt képzel el, amelyben a felépített modell a vizsgált dolog környezetében bekövetkezett legkisebb változást is figyelembe veszi. Nagyban hasonlít ez az elképzelés a népszerű fantasztikus filmben, a Matrixban bemutatott szimulált valósághoz. Milyen jó is lenne, ha Sanyi bácsi Ákos segítségével kipróbálhatná az anyagalakításban, a gyártási folyamatban vagy az áramlástan terén felmerült problémáit egy, a Matrixban működő laborban! 

A korlátokon túl kell lépni

Erre persze még sokat kell várnunk! Addig pedig maradnak a jól megszokott mérési és szimulációs eszközeink, amelyek persze mindig korlátokkal rendelkeznek. Ha ezek a korlátok lehetetlenné teszik a problémánk megoldását, akkor is két lehetőségünk van: vagy vásárolunk egy nagyobb teljesítményű számítógépet és hosszabb időt szánunk a számításra, vagy olyan ésszerű elhanyagolásokat, egyszerűsítéseket teszünk, amelyek miatt némi hibával ugyan, de megkaphatjuk a megoldást. Mindezekből látszik a jól feltett kérdés és a helyes modellalkotás nehézsége és fontossága. Amikor viszont sikerül felépítenünk egy jól működő szimulációs modellt, akkor annak van egy hallatlan előnye a mérésekkel szemben.

Akárhány virtuális „kísérletet” el tudunk végezni, néha olyanokat is, amelyek a valóságban nem kivitelezhetőek. Ezek eredményei sokszor jelölhetnek ki új fejlesztési irányokat, vagy világíthatnak rá az adott probléma addig rejtett hiányosságaira. Sokszor az eszközeinknek az eredeti rendeltetésüktől eltérő használata vezethet el a megoldásig. Hasonlóan, ahogy a nagy „gondolkodó” Murphy mondja: bizonyos helyzetekben minden tárgy kalapáccsá válik. Példaként álljon itt egy, a FETI (Furukawa Electric Technológiai Intézet) Kft.-nél elvégzett munka rövid ismertetése. Ez a feladat a frontális stratégiával nem lett volna kivitelezhető.

Az elmozduló vezeték esete

A szóban forgó eljárásban egy vezetéket rögzítenek forrasztással, de nem az elektromos érintkezés, hanem a pozíció biztosítása érdekében. A folyamat során egy diadalív alakú forraszanyagdarabot helyeznek a vezeték fölé, és azt az alaplapot melegítve olvasztják meg. A cseppé összeugró forraszanyag megszilárdulva rögzíti a vezetéket. A problémát a megszilárdulás és a szobahőmérsékletre való visszahűlés okozta térfogatváltozás jelenti. Ez ugyanis elmozdítja a vezetéket az optimális pozícióból. A kérdés, hogy mennyire, és hogy a forrasztás körülményei, a felhasznált anyagok hogyan befolyásolják mindezt.

Már halljuk is Sanyi bácsi megoldási javaslatát a különféle paraméterekre összeállított 2p-r típusú redukált kísérleti tervre, és halljuk Ákos válaszát is, hogy a frontális szimulációs megoldás igen bonyolult lenne, mivel az alap egy kapcsolt hőtani-mechanikai számítás, amelyben figyelembe kellene venni a szilárd-folyadék fázisátalakulást, a térfogatváltozást és nem utolsósorban a szabad felszínű folyást, amelyet a felületi feszültség és az alap nedvesíthetősége határoz meg.

A kísérletes út és az említett módon kivitelezett szimuláció egyaránt túlzottan költséges lett volna. Ezért kellett olyan szimulációs modellt építeni, amely minimális ráfordítással ad választ a kérdéseinkre. Megállapítható, hogy a vezeték elmozdulását főleg a megszilárdulás és a visszahűlés során elszenvedett térfogatváltozás adja, és nincs például hatása a folyadék összeesése során keletkező esetleges hullámoknak.

Ilyenkor a csepp alakja már adott, főleg a mérete változik. Ezért a kiinduló, közel feszültségmentes állapotnak az olvadáspontján lévő folyékony cseppet tekintjük. De ebben az állapotban a környező alkatrészek hőmérséklet-eloszlása nem homogén, mivel a hőt az alaplapon át közöltük. Ez viszont erőteljesen befolyásolja a csepp lehűlésének ütemét.

Két lépésben végzett számítás

Megoldásként egy kétlépéses számítást választottak. Az első lépésben kiszámolták a szobahőmérsékletről az olvadáspontig felmelegített rendszer hőmérséklet-eloszlását, nem törődve a deformációkkal. Majd ezt az eloszlást a második lépésben átvitték egy azonos, de nem deformált hálóra, és innen számolták ki a visszahűtést egy speciális anyagmodellt használva.

Átalakították a forraszanyag folyáshatárgörbéjét. 553–554 K közötti hőmérsékleten drasztikusan lecsökkentették a folyáshatárt (3–4 MPa), ezzel reprezentálva a folyadékállapotot. A megszilárdulás során végbemenő térfogatváltozást pedig a hőtágulási együttható segítségével modellezték. A lineáris hőtágulási együtthatót úgy állították be, hogy a folyadék-szilárd fázisátalakulás térfogatváltozásának feleljen meg 553–554 K között.

Ezek után a már működő modellben az alaplapon elhelyezett termisztor jeléhez igazítva a számolt eredményt, beállították a környező alkatrészek számszerűen nem ismert hatását. Az így validált modellből a vezeték elmozdulása már számítható. Természetesen az elmozdulások értékét is ellenőrizni kell kísérletileg néhány esetben, hogy azután virtuális kísérletezésre használhassuk a módszert.

Végül is az először szinte lehetetlennek látszó feladat a helyes problémadefiníciónak és az eszközeink szokásostól kicsit eltérő alkalmazásának köszönhetően mégis megoldhatóvá vált. A napjainkban rohamosan fejlődő tervező-, szimulációs és folyamatirányítási szoftvereknek az óriási hatékonyság mellett van egy komoly veszélye. Mégpedig, hogy alkalmazójuk „elkényelmesedik”, és lassacskán leszokik az önálló gondolkodásról. Ahogy Sanyi bácsi és Ákos együtt tudtak igazán hatékonyak lenni, úgy a fejlett számítógépes eszközök és a rugalmasan gondolkodó alkalmazójuk képezhetik a mai kor ütőképes csapatát az ipar valamennyi területén.