Cyfrowe projektowanie systemów ochronnych – jak powstał MEPS w środowisku SOLIDWORKS

Współczesna inżynieria coraz rzadziej opiera rozwój nowych rozwiązań na metodzie prób i błędów wykonywanych na fizycznych prototypach. Obecnie proces projektowy rozpoczyna się w środowisku cyfrowym, gdzie inżynierowie tworzą szczegółowe modele 3D, analizują ich działanie i weryfikują kolejne warianty jeszcze przed uruchomieniem produkcji.

To właśnie na etapie projektowania CAD można sprawdzić geometrię elementów, sposób ich montażu, wykryć potencjalne kolizje. Co więcej, ocenić powtarzalność procesu produkcyjnego oraz przygotować konstrukcję do dalszych analiz. Dzięki temu fizyczny prototyp powstaje dopiero wtedy, gdy projekt osiągnie odpowiedni poziom dojrzałości.

Taką metodologię zastosowano podczas opracowywania MEPS (Modular Explosion Protection System) – autorskiego, opatentowanego rozwiązania firmy BARWA SYSTEM przeznaczonego do ochrony przeciwwybuchowej obiektów budowlanych, infrastruktury krytycznej oraz zastosowań dual-use.

Projekt, który łączy wiele dziedzin inżynierii

MEPS to lekki, modułowy system osłon ochronnych klasy EXR2, którego zadaniem jest ograniczanie skutków oddziaływania fali podmuchowej. Opracowanie takiego rozwiązania wymagało pogodzenia wielu aspektów jednocześnie. Konstrukcja musiała zapewniać skuteczną ochronę, a jednocześnie umożliwiać seryjną produkcję, szybki montaż, łatwe skalowanie oraz integrację z istniejącymi obiektami.

Dlatego projekt połączył zagadnienia związane z mechaniką konstrukcji, projektowaniem stalowych układów nośnych i technologią obróbki blach. Ponadto uwzględniona została dynamika wybuchu, technologia montażu, badania eksperymentalne oraz został przygotowany proces produkcyjny.

Kluczowym narzędziem wspierającym wszystkie etapy prac stał się system CAD 3D SOLIDWORKS, który umożliwił przeprowadzenie projektu od pierwszych koncepcji aż po kompletną dokumentację techniczną i dane dla produkcji.

Cyfrowy prototyp jako fundament projektu

Podczas opracowywania MEPS model 3D pełnił znacznie większą rolę niż klasyczna wizualizacja. Stał się cyfrowym odpowiednikiem przyszłego produktu i podstawowym źródłem informacji dla całego procesu projektowego.

W środowisku SOLIDWORKS opracowano geometrię wszystkich elementów systemu, zdefiniowano ich wzajemne położenie oraz przygotowano różne warianty konstrukcyjne. Równocześnie analizowano relacje pomiędzy panelem ochronnym, rdzeniem pochłaniającym energię, podkonstrukcją stalową, elementami mocującymi oraz chronioną przegrodą.

Jednocześnie szczególną uwagę poświęcono przestrzeni roboczej potrzebnej do prawidłowego działania osłony. W systemach przeciwwybuchowych sama wytrzymałość materiału nie wystarcza. Konstrukcja musi przejmować część energii wybuchu, odkształcać się w kontrolowany sposób i ograniczać przenoszenie obciążeń na zabezpieczany obiekt.

Z tego względu model 3D pozwalał nie tylko dopracować geometrię poszczególnych komponentów, lecz także lepiej zrozumieć sposób współpracy całego układu, jego ograniczenia technologiczne oraz wymagania montażowe.

Modułowość jako główne założenie systemu

Jednym z priorytetów podczas projektowania MEPS była możliwość łatwego dostosowania systemu do różnych inwestycji. Konstrukcja miała zachować powtarzalność produkcyjną, a jednocześnie umożliwiać tworzenie wielu konfiguracji zależnie od wymagań konkretnego obiektu.

Możliwości oferowane przez SOLIDWORKS pozwoliły tworzyć konfiguracje oraz złożenia, dzięki którym szybko porównywano kolejne warianty obejmujące między innymi:

• rozmieszczenie paneli ochronnych,
• sposób mocowania do konstrukcji nośnej,
• geometrię elementów stalowych,
• odległość osłony od chronionej ściany,
• dostępność montażową,
• stopień unifikacji części,
• możliwość wymiany pojedynczych modułów,
• adaptację systemu do różnych geometrii budynków.

Takie podejście przyniosło wymierne korzyści również z punktu widzenia produkcji. Projektanci od początku weryfikowali, czy zaproponowane rozwiązania będzie można wykonać z wykorzystaniem rzeczywistych technologii oraz czy zachowają one powtarzalność podczas seryjnego wytwarzania.

Analizy wirtualne przed wykonaniem pierwszego prototypu

Ostateczna ocena systemów ochronnych zawsze wymaga badań w rzeczywistych warunkach. Mimo to odpowiednio przygotowane analizy komputerowe pozwalają znacznie lepiej przygotować konstrukcję do takich testów.

Podczas prac nad MEPS wykorzystano narzędzia CAD/CAE, w tym SOLIDWORKS Simulation, aby ocenić zachowanie wybranych elementów konstrukcyjnych. Analizy umożliwiły identyfikację miejsc koncentracji naprężeń, porównanie różnych geometrii, ocenę sztywności komponentów oraz przewidywanie możliwych kierunków odkształceń.

Choć symulacje nie zastępują badań poligonowych, pomagają ograniczyć ryzyko projektowe i wyeliminować rozwiązania o najmniejszym potencjale już na etapie projektowania.

Dzięki temu zespół mógł skoncentrować się na najbardziej obiecujących wariantach i lepiej przygotować prototyp do późniejszych badań eksperymentalnych.

Projektowanie z uwzględnieniem technologii produkcji

Od początku zakładano, że MEPS będzie rozwiązaniem przeznaczonym do wdrożenia przemysłowego. Z tego powodu projektanci uwzględnili wszystkie kluczowe procesy technologiczne stosowane podczas obróbki metalu, takie jak cięcie, gięcie, spawanie, montaż czy kontrola jakości.

SOLIDWORKS umożliwił płynne połączenie projektowania konstrukcyjnego z przygotowaniem produkcji. Szczególnie przydatne okazały się narzędzia do projektowania elementów blaszanych, kontroli promieni gięcia, tworzenia rozwinięć oraz generowania danych wykorzystywanych później w systemach CAM.

W praktyce przygotowano między innymi:

• modele 3D części i złożeń,
• elementy wykonane z blach,
• rozwinięcia oraz kontrolę parametrów gięcia,
• rysunki wykonawcze,
• dokumentację montażową,
• pliki DXF i DWG,
• dane przeznaczone do dalszego przygotowania produkcji CAM,
• kompletną dokumentację technologiczną.

Dzięki temu projekt rozwijał się równolegle z procesem przygotowania produkcji, zamiast kończyć się jedynie na etapie koncepcji konstrukcyjnej.

Jeden model – jedno źródło informacji

Jedną z największych zalet pracy w środowisku SOLIDWORKS jest wykorzystanie jednego modelu 3D jako centralnego źródła danych dla wszystkich etapów projektu.

W przypadku MEPS ten sam model wspierał projektowanie, analizy, tworzenie dokumentacji technicznej, przygotowanie zestawień materiałowych oraz generowanie danych produkcyjnych.

Takie podejście ograniczyło liczbę błędów wynikających z ręcznego przekazywania informacji pomiędzy kolejnymi działami.

Na bieżąco kontrolowano między innymi:

• zgodność części w złożeniach,
• występowanie kolizji,
• kompletność dokumentacji,
• listy materiałowe,
• unifikację komponentów,
• wpływ zmian konstrukcyjnych na dokumentację,
• gotowość danych dla technologów.

Przy systemach modułowych ma to szczególne znaczenie, ponieważ nawet niewielka zmiana jednego elementu może wpływać na sposób montażu, geometrię pozostałych części oraz przebieg procesu produkcyjnego.

Dokumentacja jako etap przygotowania wdrożenia

Przejście od modelu cyfrowego do produkcji wymaga przygotowania kompletnego zestawu dokumentów technicznych. Obejmuje on rysunki wykonawcze, zestawienia materiałowe, rozwinięcia blach, pliki do cięcia oraz instrukcje montażowe.

Choć ten etap często pozostaje mniej widoczny, w praktyce decyduje o możliwości seryjnego wdrożenia produktu. Nawet najbardziej innowacyjna konstrukcja nie spełni swojej roli, jeśli nie będzie można jej produkować w sposób stabilny i powtarzalny.

W przypadku MEPS uporządkowana dokumentacja przygotowana w SOLIDWORKS stworzyła solidne podstawy do dalszego rozwoju systemu oraz jego adaptacji do różnych zastosowań.

Badania poligonowe jako końcowa weryfikacja

Po zakończeniu prac projektowych i wykonaniu prototypu przyszedł czas na badania w rzeczywistych warunkach. To właśnie testy poligonowe pozwalają zweryfikować zachowanie konstrukcji podczas oddziaływania rzeczywistej fali podmuchowej.

Cyfrowy model nie kończył więc procesu projektowego, lecz przygotowywał grunt pod jego najważniejszy etap. Dzięki wcześniejszym analizom udało się ograniczyć liczbę niewłaściwych rozwiązań i skierować badania na konstrukcję odpowiednio dopracowaną pod względem technicznym.

Połączenie środowiska CAD z testami poligonowymi pozwala skuteczniej rozwijać systemy przeznaczone do zastosowań związanych z bezpieczeństwem.

Znaczenie narzędzi cyfrowych w projektach strategicznych

Projekt MEPS pokazuje, że współczesne systemy CAD 3D pełnią znacznie większą rolę niż tylko narzędzie do modelowania. W praktyce integrują cały proces rozwoju produktu – od pierwszej koncepcji aż po przygotowanie produkcji.

Takie podejście skraca czas wdrożenia, ogranicza liczbę błędów, usprawnia współpracę pomiędzy zespołami oraz ułatwia przygotowanie konstrukcji do badań i produkcji seryjnej.

W projektach dotyczących ochrony infrastruktury krytycznej, systemów bezpieczeństwa czy rozwiązań dual-use szczególnego znaczenia nabiera pełna kontrola nad każdym etapem prac. O sukcesie decyduje nie tylko sam pomysł, ale również możliwość jego powtarzalnego wykonania, udokumentowania i skutecznego wdrożenia.

W przypadku MEPS środowisko SOLIDWORKS połączyło wszystkie najważniejsze etapy rozwoju produktu:

projektowanie 3D → analizy konstrukcyjne → dokumentacja → przygotowanie produkcji → dane CAM → prototypowanie → badania rzeczywiste.

Cyfrowy prototyp jako początek procesu

Nowoczesne bezpieczeństwo zaczyna się znacznie wcześniej niż podczas badań poligonowych. Jego fundament powstaje już na etapie definiowania założeń projektowych, modelowania 3D, analizowania wariantów konstrukcyjnych, przygotowania technologii wykonania oraz opracowania kompletnej dokumentacji.

Historia MEPS pokazuje, że odpowiednio przygotowany cyfrowy prototyp pozwala uporządkować cały proces rozwoju produktu i skutecznie przejść od koncepcji do rozwiązania gotowego do produkcji oraz badań.

Współczesna inżynieria nie ogranicza się już wyłącznie do zaprojektowania pojedynczego elementu. Jej celem jest stworzenie spójnego procesu obejmującego projektowanie, walidację, produkcję oraz praktyczne potwierdzenie skuteczności. W przypadku MEPS właśnie takie podejście umożliwiło przekształcenie cyfrowego modelu opracowanego w SOLIDWORKS w rozwiązanie, które może realnie zwiększać bezpieczeństwo ludzi, budynków oraz infrastruktury krytycznej.

Materiał powstał we współpracy z BARWA SYSTEM w ramach inicjatywy „Eksperci przemysłu”, której celem jest dzielenie się wiedzą i doświadczeniem w zakresie nowoczesnych technologii wspierających inżynierię i przemysł. Autor – Patrycjusz Szwarc | BARWA SYSTEM