CAE Mit Simulation dem Ideal ganz nahe kommen

Autor / Redakteur: Stephen Ferguson / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Mehr als 25 Flaschen pro Sekunde können in großen Flaschenfabriken vom Band laufen – gut, wenn dabei dank multidisziplinärer Simulation nichts schief geht.

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Das Umformen eines geschmolzenen Glasbrockens in eine feste – rein technisch gesehen nach wie vor flüssige – Glasflasche ist alles andere als trivial.
Das Umformen eines geschmolzenen Glasbrockens in eine feste – rein technisch gesehen nach wie vor flüssige – Glasflasche ist alles andere als trivial.
(Bild: Bottero/Luca Privitera)

Aus der Warte der multidisziplinären Simulation betrachtet, ist das Umformen eines geschmolzenen Glasbrockens in eine feste – rein technisch gesehen nach wie vor flüssige – Glasflasche eine der komplexesten Aufgaben. Die Herstellung eines Glasbehälters umfasst alle Arten von Wärmeübertragung sowie die Struktur- und Strömungsmechanik eines Materials, das seine Viskosität während der Verarbeitung um sieben Größenordnungen ändert.

Schneller zur besseren Flasche

Die italienische Firma Bottero Spa hat sich auf Anlagen für die Produktion qualitativ hochwertiger Glasprodukte spezialisiert; die Geschäftseinheit „Hohlglas“ entwickelt und fertigt Maschinen für die Flaschen- und Behälterproduktion. Das Ziel von Bottero ist es, seinen Kunden die Entwicklung neuartiger, sehr leichter Glasprodukte zu ermöglichen, die gleichzeitig wesentlich stabiler und damit haltbarer als bisherige Produkte sind. Gleichzeitig soll die Produktion weniger Rohmaterial und Energie kosten, sowohl beim Schmelzen des Glases als auch beim Transport des fertigen Behälters. Das ermöglicht ein qualitativ besseres Produkt mit geringeren Gesamtkosten.

Die Herausforderung: Die Fertigung leichterer, stabilerer Flaschen

Auch wenn die meisten glauben, dass Glas ein Feststoff ist, handelt es sich in der Realität um eine unterkühlte Flüssigkeit, deren Viskosität so hoch ist, dass die Moleküle sich nicht frei bewegen und zu Kristallen formen können. Die Steuerung des Prozesses, in dem das Glas auf seinen (fast) festen Zustand heruntergekühlt wird, ist entscheidend für die Festigkeit des entstehenden Glasbehälters.

Leichtere Flaschen senken Kosten

Einfach gesprochen wird eine Flasche gefertigt, indem man aus einer bestimmten Menge geschmolzenen Glases – die genau für eine Flasche reicht – zunächst ein Rohling gegossen wird, die man Vorformling nennt. Dieser Vorformling wird dann langsam gekühlt und gleichzeitig in die endgültige Form gebracht. Dies geschieht durch Aufblasen mit Druckluft sowie eine Reihe weiterer Prozesse.

“Unser Ziel ist es, leichtere Flaschen zu fertigen, die weniger Rohmaterial und weniger Energie zum Schmelzen verbrauchen, was wiederum geringere Fertigungskosten bedeutet. Allerdings ist Glas ein empfindliches Material, so dass wir darauf achten müssen, dass die Flaschen möglichst stabil sind“, sagt Ferrari. „Nicht zu zerbrechen ist die wichtigste Eigenschaft einer Flasche.“

Overengineering sorgte für Robustheit

Früher wurde die Robustheit der Glasbehälter durch „Overengineering“ sichergestellt, indem man die Wandstärke erhöhte. Doch dies führte zu schwereren Gefäßen, die weniger kundenfreundlich und teurer zu produzieren waren. In den letzten 20 Jahren reduzierte sich das Gewicht einer typischen Glasflasche dank der Fortschritte in der Produktionstechnik und dem kombinierten Einfluss von Kundenvorlieben und ökonomischen Anforderungen um mehr als 40 Prozent. Und das ohne Stabilitätsverlust oder größere Zerbrechlichkeit. Wie wir später sehen werden, sind moderne, leichtere Flaschen oft sogar stabiler als ihre schwereren Vorgänger.

Innere Spannungen senken Stabilität

„Wenn man eine strukturell stabile Flasche herstellen möchte, sind zwei Stufen des Prozesses entscheidend: Im ersten Schritt wird geschmolzenes Glas in die vorläufige Flaschenform gegossen. Danach wird die Flasche in einer anderen Form in ihre endgültige Form gebracht“, sagt Marcello Ostorero, Entwicklungs- und Konstruktionsleiter, der die Engineering-Simulation bei Bottero eingeführt hat. „Diese endgültige Form genau zu treffen ist extrem wichtig, um die strukturelle Stabilität der Flasche sicherzustellen. Wird die Form nicht genau getroffen, kann die Flasche schon bei normaler Nutzung zerbrechen.“

Im Verlauf des Fertigungsprozesses wird das Glas von über 1.000 °C auf Umgebungstemperatur gekühlt, wodurch sich die Viskosität um sieben Größenordnungen von 100P auf 1e9P erhöht. Wird die Flasche zu schnell oder ungleichmäßig gekühlt, entstehen innere Spannungen in den Wänden des Gefäßes, die seine Stabilität verringern.

Wissen aus Erfahrung

Das größte Problem ist, dass sich die Vorgänge rund um das geschmolzene Glas im Innern der Fertigungsmaschine abspielen und nicht beobachtet werden können. Bisher war der übliche Weg, diesen unglaublich komplexen Prozess zu beurteilen, die Untersuchung des fertigen Produkts und der Verteilung des Glases. Dazu bedurfte es großer Erfahrung, um sich vorzustellen, was in der Form falschgelaufen sein könnte.

“Die Stabilität des Glases hängt sehr Stark davon ab, wie das Glas während der Produktion gekühlt wird“, sagt Ferrari. „Auch, wenn wir die Temperatur der Form in der Glasfabrik messen können, haben wir ohne Simulation wenig oder kein Wissen, wie die Temperatur des Glases selbst ist. Der typische Ansatz in der Industrie ist Trial-and-Error. Dafür den Fertigungsprozess monatelang stillzulegen, ist zeitraubend und sehr teuer. Und dabei bekommt man trotzdem keine echten Einblicke in die Prozessabläufe.“

Simulation erhöht Know-how

Eine große Flaschenfabrik kann mehr als zwei Millionen Flaschen pro Tag oder 25 Flaschen pro Sekunde fertigen. Die Kosten für diese Trial-and-Error-Versuche oder ungelöste Probleme in der Fertigung verursachen hohe Kosten. Aus diesem Grund entschloss sich Bottero, Engineeringsimulation zu nutzen, um detaillierte Einblicke in den Fertigungsprozess zu erhalten. Mit diesen Simulationen lässt sich zum einen der Prozess und zum anderen die Qualität der gefertigten Gefäße optimieren.

Die Lösung: Multidisziplinäre Simulation mit Star-CCM+

“Um ein gutes Glasgefäß zu fertigen, muss man die Physik des Glases verstehen“, erläutert Ostorero die wichtigste Erkenntnis, auf der die Simulationsphilosophie von Bottero basiert. „Statt nur über die Form nachzudenken, kümmern wir uns jetzt auf das Glas selbst. Der große Vorteil der Simulation ist, dass man die realen Vorgänge in der Form zu verstehen lernt. Diese sind in physikalischen Experimenten nicht sichtbar, da die Form geschlossen und aus Gusseisen hergestellt ist.

Prozess ist empfindlich gegenüber vielen Veränderungen

Der Glasformprozess ist gegenüber Veränderungen in den zeitlichen Abläufen in der Maschine, in der Glaszusammensetzung und in den Umweltbedingungen extrem empfindlich. Ferrari erläutert: „Da es praktisch unmöglich ist, die Vorgänge in der Form während der verschiedenen Phasen des Formprozesses physikalisch sichtbar zu machen, ist die numerische Simulation das einzige verfügbare Werkzeug, das uns hilft, die Physik des Prozesses zu verstehen.“

„Wir haben hier eine sehr komplexe Physik“, fügt Ostorero an. „Wenn wir alleine an die Maschine denken, lassen sich Struktur- und Strömungsaspekte getrennt betrachten. Wenn es um das Produkt geht, ist das nicht möglich. Sie müssen gemeinsam betrachtet werden, weil sie sehr stark voneinander abhängen. Wir fertigen Glasherstellungsmaschinen. Die Qualität des Gefäßes wird durch die Abkühlung des Glases bestimmt, wobei sich die strukturellen Eigenschaften Stark ändern. Das Kennen der tatsächlichen Temperaturen des Glases ist der wichtigste Aspekt für die Festigkeit und Qualität des Behälters. Multidisziplinäre Simulation mit Star-CCM+ ist der einzige Weg, mit dem wir dieses Wissen erhalten können.“

Schnelle Optimierung mit Simulation

Ostorero weiter: “Die Optimierung eines Gefäßes mit Trial-and-Error kann Wochen verlorener Produktionszeit kosten. Mit der Simulation erreichen wir dasselbe in einem Tag.“

Allerdings ist das Lösen der technischen Probleme nicht die einzige Herausforderung, der sich Ostorero und seine Kollegen gegenübersehen. Die Glasindustrie ist extrem konservativ und vertraut oft auf jahrzehntelange Erfahrung, die über Jahrhunderte weitergegeben wurde. Dieses erfahrungsgetriebene Know-how ist zwar als Startpunkt für das Entwickeln neuer Produkte geeignet, nicht aber als Basis für die intelligente Designexploration, die die Quelle echter Innovationen bildet.

„Viele Partner aus der Glasindustrie sagen uns: „Oh, es ist unmöglich, den strukturellen Widerstand des Glases zu simulieren. Oh, der Formprozess des Glases kann nicht simuliert werden. Ihr seid doch verrückt“, erinnert sich Ostorero. “Vielleicht waren wir zu Beginn verrückt. Aber inzwischen erhalten wir zuverlässig gute Ergebnisse und die Simulation ermöglicht es uns, wichtige neue Märkte zu erschließen, in denen wir bisher keinen Wettbewerb fürchten müssen.”

Das Ergebnis: Stabilere und leichtere Flaschen

“Viele Menschen machen sich keine Gedanken, dass Flaschen für sprudelnde Getränke bis zu 13 bar aushalten können müssen”, sagt Ferrari. „Gleichzeitig versuchen wir, das Gewicht des Gefäßes zu reduzieren, Geld zu sparen und die strukturellen Eigenschaften des Behälters zu verbessern. Das geht nur, wenn wir die Verteilung des Glases so kontrollieren können, dass die Flasche soweit nur möglich dem Ideal entspricht.“

Über die Grenzen der Testanlagen hinaus

“Kürzlich halfen wir einem Kunden bei der Optimierung einer Flasche für kohlensäurehaltige Getränke” erinnert sich Ostorero. „Als er die Flasche testete, konnte er sie nicht zur Explosion bringen. Das ist ein unglaublicher Fortschritt – die Simulation hat die Stabilität der Flasche über die Grenzen der Fähigkeiten der Testanlagen hinausgetrieben. Das wäre ohne Simulation unmöglich gewesen.“

Für den bleibenden Eindruck

Eine ins Auge springende Flasche, das sich von der Menge abhebt, kann ein Gespräch in Gang bringen oder einfach schön anzusehen sein. Bottero hat dies verstanden und erkannte die Wichtigkeit kreativen Flaschendesigns für den Konsumenten. Durch die Nutzung von Simulation im Fertigungsprozess erfüllt Bottero die Anforderungen der Konsumenten, indem es Flaschen fertigt, die qualitativ hochwertig und leicht sind und einen bleibenden Eindruck hinterlassen. (mz)

* Stephen Ferguson, Marketing Director, Siemens PLM Software

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