การปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงด้วยวิศวกรรมพอยต์คลาวด์
Aerodynamic Trailer Systems ใช้โซลูชันซอฟต์แวร์ PolyWorks® เพื่อช่วยแปลงข้อมูลรูปทรงที่มีความซับซ้อนให้เป็นข้อมูลดิจิทัล รวมทั้งวิเคราะห์ CFD และทำการทดสอบอุโมงค์ลมกับโบตเทลแบบเป่าลมสำหรับรถบรรทุก
Aerodynamic Trailer Systems Ltd. (ATS) จากเมืองออเบิร์น รัฐโอไฮโอ ได้พัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ที่ติดตั้งกับประตูท้ายรถพ่วงเพื่อการพาณิชย์ เพื่อให้รูปทรงส่วนท้ายของรถพ่วงมีความลู่ลมมากขึ้น วัตถุประสงค์คือการเป็น "เทคโนโลยีรักษ์โลก" ที่ลดการปล่อยมลพิษโดยการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของรถบรรทุกที่วิ่งบนท้องถนน ผลิตภัณฑ์โบตเทลนี้คืออุปกรณ์ด้านอากาศพลศาสตร์ที่ช่วยลดแรงลากที่เกิดจากอากาศที่ไหลในลักษณะปั่นป่วนไม่มีแบบแผนบริเวณส่วนท้ายของรถพ่วงเพื่อการพาณิชย์ โดยอุปกรณ์นี้จะเปลี่ยนพื้นผิวราบของประตูท้ายให้เป็นรูปทรงโค้งอย่างมีประสิทธิภาพ
ความท้าทาย
โบตเทลที่พัฒนาโดย Aerodynamic Trailer Systems คือโบตเทลเป่าลมที่ผลิตจากวัสดุพอลิเมอร์แบบยืดหยุ่นสูงสำหรับงานหนัก ซึ่งจะพองลมและปล่อยลมโดยอัตโนมัติโดยใช้ระบบเป่าลมและวาล์วที่ตั้งค่าไว้ล่วงหน้าตามความเร็วบนถนนหลวง ตำแหน่งการปล่อยลมเอาชนะความท้าทายด้านการออกแบบได้ โดยการทำให้ประตูท้ายสามารถเปิดออกได้จนสุดเพื่อบรรทุกสินค้า
"โบตเทลพองลมเป็นรูปทรงโค้งที่มีเอกลักษณ์ ซึ่งเป็นสิ่งที่กำหนดได้ยากมาก ๆ ในภาพร่างทางวิศวกรรมหรือการวัด ทำให้สร้างแบบจำลองได้ยาก" Jim Domo ประธานเจ้าหน้าที่บริหารของ Aerodynamic Trailer Systems กล่าว "เราต้องการวัดลักษณะทางอากาศพลศาสตร์ของอุปกรณ์ แต่เพราะรถพ่วงบรรทุกมีขนาดใหญ่เกินกว่าที่จะพาเข้าอุโมงค์ลม เราจึงต้องสร้างแบบจำลองย่อขนาด ซึ่งจำลองรูปทรงกายภาพของจริงขึ้นมา ในขณะเดียวกัน เราก็ต้องการโบตเทลที่เป็นข้อมูลดิจิทัลด้วย เพื่อนำไปวิเคราะห์พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD)"
โซลูชัน
Aerodynamic Trailer Systems ติดต่อ 3D Scan IT, Inc. เพื่อหารือเทคนิคการรวบรวมข้อมูลทางเลือกแทนที่วิธีเดิม ซึ่ง 3D Scan IT คือบริษัทด้านการวัดและผู้ติดตั้งประจำอเมริกาเหนือของ PolyWorks® ที่มีสำนักงานใหญ่อยู่ที่เมืองรอยัลโอ๊ก รัฐมิชิแกน โดยนักเทคนิคของ 3D Scan IT ได้แนะนำเครื่องสแกนความหนาแน่นสูงแบบไม่สัมผัสมาใช้เป็นแนวทางในการเก็บข้อมูล และนำเครื่องสแกน Imetric IScan White Light มายังบริษัท
"ขั้นแรก เราใช้ระบบการรังวัดด้วยภาพ (Photogrammetry) เพื่อกำหนดจุดการนำทางบนพื้นผิวของโบตเทล จากนั้นจึงทำการสแกนโดยใช้ระบบการสแกนด้วยแสงสีขาวของ Imetric การตั้งค่าและการรังวัดด้วยภาพใช้เวลาประมาณสองชั่วโมง ซึ่งรวมการปรับเทียบเครื่องสแกน การกำหนดเป้าหมายชิ้นส่วน และการรังวัดด้วยภาพ ส่วนกระบวนการสแกนใช้เวลาประมาณสามชั่วโมงครับ" Bob Squier ประธานของ 3D Scan IT อธิบาย
การจัดการข้อมูลพอยต์คลาวด์ให้ผลลัพธ์อย่างรวดเร็ว
ข้อมูลได้มาโดยใช้ชุดซอฟต์แวร์ PolyWorks® จาก InnovMetric แล้วจึงลงทะเบียนข้อมูลการสแกนทั้งหมด 62 ครั้งเข้าสู่ระบบพิกัดแบบรังวัดด้วยภาพ ส่วนการวางแนว Best-fit ที่มีการควบคุมค่าความคลาดเคลื่อนยินยอมของการสแกนนั้นดำเนินการในโมดูล PolyWorks IMAlign™ จากนั้นการสแกนที่วางแนวแล้วได้รับการประมวลผลโดยใช้โมดูล PolyWorks IMMerge™ เพื่อสร้างตาข่ายโพลิกอนที่ลบข้อมูลสแกนที่ซ้อนทับกันทั้งหมดออก รวมทั้งลบพื้นผิวผ้าและลดขนาดไฟล์ไปพร้อมกันด้วย
แบบจำลองโพลิกอนถูกนำเข้าสู่โมดูล PolyWorks IMEdit™ เพื่อลบเป้าหมายการรังวัดด้วยภาพ จากนั้นจึงสร้างแบบจำลองโพลิกอนแบบกันน้ำขึ้นมาโดยใช้ฟังก์ชัน IMEdit ในขั้นตอนการเติมรูตามส่วนโค้ง
การสแกนโบตเทล
การทดสอบอุโมงค์ลม
ATS ต้องการทดสอบประสิทธิภาพของโบตเทลในอุโมงค์ลม “เป้าหมายคือการสร้างไฟล์ที่สามารถใช้ในกระบวนการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วเพื่อสร้างแบบจำลองขนาด 1/8 ส่วนของอุปกรณ์โบตเทลที่สามารถนำไปทดสอบประสิทธิภาพในอุโมงค์ลมได้ครับ” Patrick Ryan ประธานของ ATS ระบุ
ผลิตภัณฑ์ต้นแบบที่สร้างจากแบบจำลอง STL ของ PolyWorks
แบบจำลองโพลิกอนถูกส่งไปยัง Auto Research Center ในเมืองอินเดียแนโพลิส รัฐอินดีแอนา เพื่อทำการจำลอง ศูนย์ทดสอบในอุโมงค์ลมแห่งนี้ออกแบบมาเพื่อทดสอบรถแข่งเป็นหลัก โดยมีลักษณะการออกแบบถนนเป็นทางลูกกลิ้งและไอพ่นแบบเปิด ซึ่งเลียนแบบสภาพบนถนนหลวงได้อย่างแม่นยำ และเพื่อสร้างแบบจำลองขนาดย่อของโบตเทล ผู้เชี่ยวชาญที่ Auto Research Center ได้นำเครื่องสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว Stratasys FDM 8000 และแบบจำลองโพลิกอนกันน้ำที่สร้างโดย 3D Scan IT, Inc. มาสร้างชิ้นส่วนเป็นชั้นบางเฉียบจากพลาสติก ABS ที่เหนียวทนทาน
"เราวางแผนที่จะนำข้อมูลที่ทดสอบในอุโมงค์ลมมาปรับเปลี่ยนการออกแบบอุปกรณ์ในขั้นสุดท้ายก่อนที่จะเริ่มการผลิต ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญอย่างมากสำหรับโปรแกรมของเราที่แบบจำลองต้องแม่นยำที่สุดเท่าที่เป็นไปได้" นาย Ryan กล่าว
กระบวนการสร้าง NURBS
การวิเคราะห์ CFD
นอกจากการทดสอบอุโมงค์ลมแล้ว ATS ยังต้องการวิเคราะห์ CFD ด้วย และเพื่อจะทำการวิเคราะห์นี้ 3D Scan IT จึงได้ทำแบบจำลองพื้นผิว (แบบจำลอง NURBS) โดยใช้โมดูล PolyWorks IMEdit™ ขึ้นมา
ขั้นแรก ทีมงานใช้ฟังก์ชันการแยกและแก้ไขส่วนโค้งของ IMEdit ในการสร้างเครือข่ายเส้นโค้ง ขั้นตอนการฟิตพื้นผิว NURBS อัตโนมัติสร้างพื้นผิวทันทีที่เส้นโค้งสำเร็จ มีการนำโมดูล PolyWorks IMInspect™ นำมาใช้เพื่อวางแนวแบบจำลองเข้ากับระบบพิกัดโดยรวมของประตูท้ายรถพ่วง เนื่องจากโบตเทลต้องพอดีกับบริเวณประตูท้ายโดยไม่ขัดขวางบานพับ
แบบจำลอง NURBS ที่ปรับเสร็จแล้วถูกส่งไปให้ผู้เชี่ยวชาญจาก NASA วิเคราะห์ CFD ซึ่งซอฟต์แวร์นี้จะให้ภาพรวมโดยสรุปเกี่ยวกับประสิทธิภาพด้านอากาศพลศาสตร์ของโบตเทลพองลมภายใต้สภาวะต่าง ๆ
นอกจากนี้ ยังมีการส่งออกแบบจำลอง NURBS ไปยังชุดซอฟต์แวร์ SolidWorks® ของ ATS ซึ่งจะนำไปใช้ในการผลิตและการปรับปรุงในอนาคตอีกด้วย
คุณประโยชน์
จากคำอธิบายของนาย Domo และนาย Ryan แบบจำลองขนาด 1/8 ส่วนของโบตเทลที่สร้างโดยการสแกนเลเซอร์และกระบวนการจัดการข้อมูลพอยต์คลาวด์นับเป็นแบบจำลองที่มีขนาดเที่ยงตรงแม่นยำเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ขนาดจริง เรียกได้ว่าเป็นแบบจำลองที่เหมือนกับของจริง "เรามั่นใจว่า เมื่อเราทดสอบอุโมงค์ลม เราจะได้รับผลลัพธ์ที่เป็นประโยชน์ ซึ่งสามารถนำไปปรับใช้กับอุปกรณ์ขนาดจริงได้โดยตรงครับ" นาย Ryan กล่าว
ลดการใช้เชื้อเพลิงสูงสุดถึง 5%
ผลการทดสอบบ่งบอกว่าโบตเทลช่วยลดการใช้เชื้อเพลิงได้สูงสุด 5% "นั่นหมายถึงการปล่อยไอเสียที่น้อยลงและลดค่าเชื้อเพลิงด้วยการปรับปรุงแรงลากทางอากาศพลศาสตร์บนรถพ่วง ซึ่งลดภาระน้ำหนักที่รถพ่วงต้องลาก จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้เป็นอย่างดีครับ" นาย Domo อธิบาย "นอกจากนี้ เราเชื่อว่าถ้าดัดแปลงรูปทรงเล็กน้อยของอุปกรณ์ ก็จะปรับปรุงโปรไฟล์ได้ดียิ่งขึ้นไปอีก" เขาเสริมว่า การใช้เทคโนโลยีการสแกนและการจัดการข้อมูลพอยต์คลาวด์ช่วยร่นเวลาในการสร้างแบบจำลองได้อย่างมาก "เราได้รับแบบจำลองที่ถูกต้องในเวลาไม่กี่วัน" เขากล่าว
Bob Squier แห่ง 3D Scan IT, Inc. กล่าวว่า การทำงานครั้งนี้มีความแตกต่างตรงที่กระบวนการออกแบบและการผลิตทั้งหมดอาศัยการสแกนและการปรับข้อมูลพอยต์คลาวด์ พร้อมกับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว "แนวทางแบบเดิมในการออกแบบและพัฒนาผลิตภัณฑ์ไม่สามารถบรรลุผลลัพธ์ที่บริษัทต้องการได้
