כיצד תהפוך את מלאכת פיתוח מוצרים ותכנונם להליך פשוט, מהיר ויעיל בעלויות

חברות רבות ברחבי העולם וכמובן גם בישראל עוסקות במלאכה המעניינת אך גם המאתגרת של פיתוח מוצרים אשר יש בהם אלמנטים טכנולוגיים. חלקן שייכות לצוות המו”פ של חברות אשר עוסקות גם בייצור בפועל של המוצרים, בעוד שחלקן נותנות את שירותי הפיתוח והתכנון וכל הנושא של תכן הנדסי לחברות יצרניות שונות ומגוונות.

כאשר מתכננים מוצר טכנולוגי כלשהו, לא משנה באיזה מדובר, יש להתחשב בתהליך בכל האילוצים הפיזיקליים שעשויים להשפיע עליו ולשנותו, בין אם באופן ויזואלי ובין אם לאו. לדוגמא אם מעוניינים לפתח מערכת בלימה חדשה לרכב, יש לבחון משתנים רבים כגון המיקום האידיאלי של המערכת ברכב, מה קורה במהירויות שונות, בתנאי מזג אוויר שונים, מהו חוזקה של המערכת בבחינת תאונות דרכים, ועוד ועוד.

בעבר הדרך לבדוק את שלל התופעות הפיזיקליות שעשויות להשפיע על המוצר הנבחן הייתה להתכנס שעות ארוכות על פני ימים ושבועות, לפתח אבי טיפוס רבים, ועליהם לבחון כל אילוץ פיזיקלי בפועל, בשטח. תוצאה שאינה משביעת רצון הייתה מביאה את המפתחים לחזור אל שולחן התכנון, אל השרטוטים והחישובים, ואל פיתוח אב טיפוס משופר, או שלא.

תהליך זה גוזל כמויות אדירות של זמן, כסף, כוח אדם ושעות מעבדה. בעידן המודרני אין שום סיבה לעשות זאת, כשיש לכל המפתחים והמתכננים של מוצרים בעלי אופי טכנולוגי את הכלי האידיאלי – תוכנת ®COMSOL Multiphysics. זוהי אחת מתוכנות הסימולציות הפיזיקליות המתקדמות והמובילות בעולם, אשר מתפקדת כמעבדה וירטואלית משוכללת בעלת תאימות פיזיקלית מלאה לניסוי שטח.

תוכנת ®COMSOL פועלת בשיטת האלמנטים הסופיים, ועובדת בצורה מאוד פשוטה וידידותית למשתמש: מייבאים שרטוט של מודל מוצר אותו מעוניינים לפתח ישירות מתוכנות שרטוט מובילות וידועות. כעת המודל מוצג בדף העבודה של התוכנה מחולק לאלמנטים סופיים, עבור כל אחד מהם ניתן לבצע צימוד של מספר תופעות פיזיקליות ואילוצים בו זמנית. זו בעצם הייחודיות הגדולה של תוכנת ®COMSOL Multiphysics על פני המתחרים.

את תוצאות הניסויים והבדיקות מקבלים על גבי התוכנה בדרך פשוטה של אנליזה נומרית, וניתן לבחון בצורה וירטואלית קלה וזולה כיצד משתנה המודל, ולבצע את ההתאמות הנדרשות. רשימת התופעות הפיזיקליות שקיימות בתוכנה ארוכה מאוד, מוצגת בצורה של מודולים, וכוללת את כל התופעות הידועות והשימושיות: שדות חשמליים, מגנטיים ואלקטרומגנטיים, תדרי רדיו, גלים אופטיים, MEMS, פלסמה, מוליכים למחצה, מעבר חום, גיאומכניקה, אקוסטיקה ועוד. סימולציות נומריות מתקדמות זו הדרך הטובה ביותר לבצע פיתוח מוצרים חדשים.

את התוכנה משווקת בישראל באופן בלעדי חברת נומריקל בע”מ, אשר מציעה שירותי ייעוץ מקצועיים, פתרונות מדעיים לכלל השוק הישראלי, ומפעילה סדנאות היכרות וסדנאות מקצועיות בחינם בסביבת העבודה של קומסול מולטיפיזיקס.

גישת המולטיפיזקליות משנה את עולם פיתוח המוצרים מהקצה אל הקצה

לתכנן מוצר ולפתח אב טיפוס שלו אלו מלאכות הרבה יותר סבוכות ממה שנדמה לאדם הפשוט. בטבע פועלות תופעות פיזיקליות רבות ומגוונות מאוד, אשר חלקן בוודאי משפיעות על כל מוצר שמתוכנן, כגון acoustics, heat transfer, fluid dynamics וכך הלאה. תפקידם של המפתחים לקחת בחשבון את כל התופעות הפיזיקליות הרלוונטיות, לא להחסיר אף לא אחת, ולבחון בצורה מדעית מדויקת מהי בדיוק ההשפעה שיש לכל תופעה על המוצר.

סטייה של מילימטר אחד עלולה להחזיר את המתכננים אל שולחנות השרטוט והתכנון, וזו עשויה להיות מכה למשאבי הזמן והכסף של הארגון. בימינו אין מקום לטעויות, ולכן הדרך הנכונה, החכמה וללא ספק האפקטיבית ביותר היא להשתמש בתוכנת אנליזה נומרית מתקדמת לבניית סימולציות תואמות מציאות.

קומסול מולטיפיזיקס היא אחת התוכנות המובילות כיום בעולם בתחום הזה, והיא משמשת למעשה כמעבדה וירטואלית עם גישה מולטיפיזיקלית רחבת היקף ומדויקת להפליא. התוכנה אשר פועלת בשיטת האלמנטים הסופיים, מאפשרת ייבוא שרטוטים מתוכנות רבות, ובחינת כמות בלתי מוגבלת של תופעות פיזיקליות על השרטוט שמתפקד כמודל מהימן. המשתמש יכול להפליג בדמיון ולשחק עם המודל כאוות נפשו, לפהעיל סימולציות בלתי מוגבלות ולבדוק מהי ההשפעה של כל תופעה על המודל, ובמקומות ספציפיים במודל.

תוכנת קומסול מולטיפיזיקס כוללת אינספור סוגים של פיזיקות, משוואות מתמטיות והגדרות. בין היתר ניתן למנות את התופעות של קורוזיה, אקוסטיקה, plasma, מעבר חום, radio frequency ועוד. התוכנה מחולקת למודולים אשר כל אחד שייך לתחום פיזיקלי, ענף או תופעה, וראוי לציין גם את המודולים CFD, MEMS, LiveLink™ for MATLAB® וכן הלאה.

גישת המולטיפיזיקליות מאפשרת למעשה למתכננים לבחון כל רעיון ואופציה תוך שניות על גבי התוכנה, ללא העבודה הקשה של פיתוח אב טיפוס ובדיקתו בשטח. אין צורך בכך, קומסול מולטיפיזיקס עושה את העבודה בצורה וירטואלית מושלמת שתואמת במדויק למה שמתבצע בשטח.

רעיון ועד לשיווק: סימולציה מצמצמת את אי הוודאות בחדשנות מוצר

בתעשיית האלקטרוניקה של ימינו, חדשנות היא דבר הכרחי לטובת השגת צמיחה, כאשר זמן קצר בין שלב הרעיון על המוצר ועד להגעה לשלב שיווק המוצר בשוק – זהו המפתח להשגת ערך מקסימאלי. הטיעון כי הישגים עצומים אפשריים ע”י שיפור תהליכי קבלת ההחלטות בשלב מוקדם של המו”פ, ללא ספק נשמע ע”י רבים.
אך הניסיון מלמד כי דווקא איכות הרעיון, ובאופן מכריע, איכות ההוכחות התומכות באותו רעיון, זה הדבר שיכול לעשות את ההבדל הגדול. אפילו התהליכים הטובים ביותר לא מסוגלים לייצר תוצאות החלטיות כאשר עוסקים בטכנולוגיות עם פוטנציאל להיות פורצות דרך, אשר יש להן הוכחות זעומות בלבד. דרך מהירה וזולה לצמצום אי הוודאות היא הכרחית.

מולטידיסיפלינריות כדרך חיים ארגונית

מעבדות שארפ באירופה, באוקספורד שבאנגליה, הן חלק מרשת גלובאלית של אתרי מו”פ של חברת שארפ, האחראים על פיתוח טכנולוגיות חדשות בתאגיד. תפקידם הוא לא רק לתמוך בשיפור מתמיד בפורטפוליו המוצרים הנוכחי של שארפ, אלא גם להבטיח את ההצלחה העתידית של שארפ בטווח הארוך דרך חדשנות מרחיקת לכת לטובת יצירת קו מוצרים חדש לחלוטין.
שינוי משמעותי שנעשה במעבדה בעשור האחרון הינו מעבר לצורת עבודה יותר מולטידיסיפלינארית. השתנה הכיוון להתמקדות במערכות או במוצרים כמכלול, כגון מערכות הבריאות ומערכות האנרגיה. הטבע המולטידיסיפלינארי של העבודה מביא עימו מורכבות מוגברת, כאשר החוקרים חייבים להבין כיצד כל החלקים מתאימים יחדיו, ואת היחסים המורכבים הקיימים בגבול בין שתי מערכות פיזיקליות.
למזלם, בעוד שמורכבות הבעיות עימן הם מתמודדים במעבדה עולה, התקדמויות במידול הממוחשב מספקות עזרה רבה בצורת כלים עוצמתיים של סימולציות אלמנטים סופיים, כמו תוכנת ®COMSOL Multiphysics. עבורם, היתרון העיקרי ב- COMSOL הוא שהיא
מאפשרת ביצועים ניסויים וירטואליים אשר עוקפים את המגבלות המכאניות של תופעות פיזיקליות כאלו ואחרות, דבר שהיה יותר מדי קשה, מצריך זמן רב ועלויות גבוהות מאוד, לנסות ולעשות בעולם האמיתי.

שימוש בכלי יעיל כתגובה לעולם דינאמי

דוגמא אחת בה ®COMSOL היוותה כלי חיוני הינה בפרויקט הפיתוח של מתקן מעבדה-על-שבב עבור אפליקציות לאבחון רפואי. הפרויקט ממנף את המומחיות של שארפ בייצור LCD, והוא מבוסס על טכנולוגיה המוכרת בשם מיקרופלואידיקה דיגיטלית, המאפשרת בקרה מדויקת ומניפולציה של רסיסי נוזל בסדר גודל של סאב-מילימטר, על החלק העליון של מערך חיישנים אלקטרוניים.

אתגר גדול בפיתוח המתקן הינו בתכנון שערי הכניסה של הנוזל כדי לאפשר לנוזלים ביולוגיים ולראגנטי ניסוי לזרום לתוך המערך תחת בקרה חשמלית. בצורה קריטית, היכולת המולטיפיזיקלית של ®COMSOL איפשרה להם למדל אינטראקציות בין ממשק מוצק-זורם, התפלגות השדה החשמלי, וזרימת הנוזל באופן סימולטני. התוצאות היו התכנון הראשוני של מבנה כניסת הנוזל, אשר סיפק נקודת פתיחה מדויקת יותר לעבודה הניסויית, בהשוואה לחישובים ידניים פשוטים.
ההפחתה שנבעה מכך במספר איטרציות התכנון הפיזיקלי סייעה להם לצמצם את זמני ועלויות המו”פ של אבי-טיפוס, ותעזור להביא את המתקן לשוק מהר יותר מאשר מה שהיה קורה בכל דרך אחרת.
ככל שהאלקטרוניקה ממשיכה להתפשט במהירות לעוד ועוד היבטים של החיים המודרניים, הגבולות בין מה שהיה פעם דיסיפלינות מדעיות והנדסיות מובחנות, יהיו מעורפלים אף יותר. בארגוני מחקר כמו שארפ, בהם מדענים ומהנדסים מתמודדים עם בעיות שהופכות מורכבות יותר, וזמן הפיתוח הופך חיוני עד מאוד, ®COMSOL Multiphysics נמצאת בדיוק במקום להפוך לכלי חיוני ובלתי נפרד.

ישראל של העשורים האחרונים חווה תופעה מדהימה שרבים כבר שמו לב אליה אך לא ממש יודעים לתת לה את ההסבר המדויק והראוי. קוראים לה “מדינת הסטארטאפ” והיא מכוונת לעובדה כי בישראל קיימת כמות עצומה של חברות הזנק קטנות, ובאופן יחסי לכמות האוכלוסיה נחשבת למדינה הפורה ביותר בעולם מבחינת כמות הסטארטאפים שפועלים בשטחה.
כולם עובדים ימים כלילות במטרה לפתח את המוצר הבא, את זה שיביא בשורה חדשה לשוק ומשהו חדש ואף חדשני שלא היה קיים קודם. רבים ברחבי העולם מתחילים להפנים את המחשבה כי הכסף הגדול לא מגיע משכלול של מוצרים קיימים, טכנולוגיות שכבר בשימוש ושינויים קטנים בצרכים שכבר ממומשים, אלא מייצור מוצר חדש לחלוטין שיביא עימו ויעורר צרכים חדשים, ובמילים אחרות – עדיף להשקיע בדור הבא של הדברים.

ואיך יוצרים את הדבר הגדול הבא? איך מגיעים למצב שמצליחים להביא את הבשורה, להמציא משהו חדש ומדהים שעוד לא חשבו עליו? הדרך להצלחה עוברת דרך ניסוי וטעייה אגרסיביים. הרי ברור לכל שהמצאת משהו חדש גם אם יש את כל הכלים, הידע והניסיון, לא מגיעה במכה אחת בקלות. הדבר דורש השקעה, עבודה מרובה ולקיחת משתנים רבים בחשבון.

נחישות עם הכלים הנכונים

עולמנו אינו ברור בעליל והדבר ששולט בו זה אי הודאות, הקיצוני והבלתי סביר. כאשר מבינים זאת וחושבים מחוץ לקופסא, מכשירים את הקרקע למציאת והמצאת המוצר החדש עליו שוקדים ועמלים. אך כמובן שהיום אין מבצעים עשרות ומאות פעמים את הפעולה של ניסוי וטעייה במציאות, מבזבזים כמויות אדירות של משאבי זמן וכסף עד שמגיעים להמצאה הגאונית, כמו שעשה תומאס אדיסון עשרת אלפים פעמים עד שהמציא את נורת הליבון החדשנית לזמנה לפני יותר ממאה שנה.

היום מבצעים סימולציה מדויקת ואמינה בעזרת תוכנה אפקטיבית המתפקדת כמעבדת שטח ניסויית וירטואלית, ותוכנת ®COMSOL Multiphysics מושלמת לתפקיד. התוכנה מספקת כלים לבניית מודלים פיזיקליים של כל סוגי המוצרים העולים בדמיון, מאפשרת לבחון בו זמנית תופעות פיזיקליות שעשויות להשפיע על המודל, ולבדוק את ההשפעה ברמה הכי גבוהה של תאימות למציאות.
בדרך זו כל האפשרויות פרוסות בפני המתכננים והמפתחים, הם יכולים להפליג בדמיון ובמחשבות בלי לדאוג למגבלות של כסף, זמן, חומרים או כוח עבודה. זו הדרך האידיאלית להגיע למקסימום, להביא את הבשורה ולעלות אל-על במעלה הפיתוח עד להגעה למודל המוצר המושלם אותו רוצים לייצר, בהתחשב בצימוד התופעות הפיזיקליות שמשפיעות עליו.
זכרו – ערך המודלים שבניתם נמוך משמעותית מערך המודלים שעדיין לא גיליתם! רק עם תוכנת סימולציה מולטיפיזיקלית חזקה כמו ®COMSOL Multiphysics ניתן לגלות את המודל עם הערך הגבוה ביותר.

תוכנת ®COMSOL Multiphysics אותה משווקת בלעדית בישראל חברת נומריקל בע”מ, הינה תוכנת סימולציות נומריות מובילה המשמשת לתכנון ועיצוב מוצרים ומתפקדת כמעבדה ניסויית וירטואלית עם תוצאות תואמות מציאות. אל התוכנה ניתן לייבא תרשימים מתוכנות CAD רבות ותוכנות שרטוט כגון SolidWorks® , ולבנות מודלים מגוונים עליהם מבוצעים צימודים מולטיפיזיקליים ובחינת השפעות בדרך של אנליזה נומרית

כולנו מכירים את תומאס אדיסון, הממציא האמריקאי הדגול שחי במחצית השניה של המאה ה- 19 ובשליש הראשון של המאה ה- 20. אדיסון נחשב באותו זמן לממציא הגדול ביותר בעולם והביא לקהל הרחב מספר רב מאוד של המצאות, פטנטים ושכלולים, המוכרים שבהם נורת הליבון החשמלית, הטלגרף ועוד המצאות רבות, חלקן שכלולים של המצאות קיימות, ושיא ברישום פטנטים של מעל לאלף הרשומים על שמו.

אחד המשפטים המוכרים ביותר שיוחסו לאדיסון בזמנו הינו “לא נכשלתי, רק מצאתי עשרת אלפים דרכים שאינן עובדות”. לדבר הזה אנו קוראים היום בשם “ניסוי וטעייה”, ובתקופה בה אדיסון חי המשפט הזה התקבל בהבנה. אך היום המושג של ניסוי וטעייה אינו דומה כלל וכלל למה שהיה נכון ללפני מאה שנים.

כיום על מנת לתכנן ולפתח מוצרים למי יש זמן, כסף וכוח אדם בשביל לייצר עשרות, מאות ואלפי אבי טיפוס עד שמיוצר הדגם המושלם? הטכנולוגיה באה לעזרתם של המתכננים היום, אשר עושים שימוש בתוכנות מחשב יעודיות שתפקידן לבנות סימולציות וירטואליות של המודלים הרצויים לכל מתכנן, עליהן ניתן לבדוק את כל ההשפעות והאילוצים הרלוונטיים, לפני שמייצרים את המוצר. אלו יכולים להיות טמפרטורה, תנאים סביבתיים שונים ומגוונים, וכמובן כל התופעות הפיזיקליות הקיימות שפועלות ומשפיעות על המוצר.

הפעולה הזאת שניתן גם לכנותה כ- “ניבוי וחיזוי התנהגות מוצר” היא קריטית לתהליך הפיתוח, אך כאן יש לשים סייג חשוב. אם משתמשים בתוכנה שתוצאותיה אינם תואמי מציאות, למעשה מפספסים את המטרה העיקרית. תוכנת ®COMSOL Multiphysics הוכחה כבר פעמים רבות כמתפקדת בצורה יעילה מאוד כמעבדת שטח ניסויית עם תוצאות תואמות אחד לאחד את המציאות, גם כאשר משתמשים בצימוד של מספר תופעות פיזיקליות המשפיעות באופן סימולטני על המודל הנבדק בתוכנה.

יוצא למעשה כי המגבלה היחידה בתהליך התכנון היא הדמיון של המתכנן. אין בעיה של זמן כי הכל מתבצע בלחיצת כפתור. אין גם בעיה של מקום, חומרי גלם, זמן מעבדות וכוח אדם ועוד משאבים נוספים. הכל מבוצע בצורה וירטואלית על גבי ממשק משתמש ידידותי ונוח.

אין ספק שהמושג “ניסוי וטעייה” מקבל כאן משמעות חדשה לחלוטין, פשוטה הרבה יותר, נטולת מגבלות פיזיות, ברורה ובהירה הרבה יותר אשר מבטיחה תכנון מוצלח של המוצר אותו רוצים לפתח. זו גם הזדמנות נהדרת להגיע לקצה, לבחון את גבול היכולות ולהביא בשורות חדשות לגמרי לשוק, לאו דווקא שכלולים של מוצרים וטכנולוגיות קיימים.

תוכנת ®COMSOL Multiphysics אותה משווקת בלעדית בישראל חברת נומריקל בע”מ, הינה תוכנת סימולציות נומריות מובילה המשמשת לתכנון ועיצוב מוצרים ומתפקדת כמעבדה ניסויית וירטואלית עם תוצאות תואמות מציאות. אל התוכנה ניתן לייבא תרשימים מתוכנות CAD רבות ותוכנות שרטוט כגון SolidWorks® , ולבנות מודלים מגוונים עליהם מבוצעים צימודים מולטיפיזיקליים ובחינת השפעות בדרך של אנליזה נומרית.