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Simulation Per App schnell zum optimierten Flaschendesign

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Mit einem digitalen Flaschen-Designer, der als automatisierte Web-Applikation weltweit nutzbar ist, hat es die Krones AG geschafft, Form und Wanddicke von PET-Flaschen so zu optimieren, dass sie stabiler und länger haltbar sind. Gleichzeitig werden wertvolle Ressourcen gespart.

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Mit Simulation entstehen stabile und lange haltbare Flaschen mit wenig Kunststoffmaterial.
Mit Simulation entstehen stabile und lange haltbare Flaschen mit wenig Kunststoffmaterial.
(Bild: Krones)

Gemäß dem Krones-Slogan „We do more.“ geben sich die Verantwortlichen bei Krones mit Erreichtem nicht zufrieden. Gemeinsam mit Cadfem wurde im letzten Jahr eine Automatisierungslösung entwickelt, mit der komplexe FEM-Berechnungen einem großen Anwenderkreis weltweit zugänglich sind.

Unser Ziel war es, die Blasversuche durch den Einsatz eines digitalen Flaschen-Designers erheblich zu reduzieren. Wenn ein Teil der Iterationsschleifen im Labor überflüssig wird, sparen wir nicht nur Geld, sondern auch Zeit, die wir für zusätzliche Aufträge nutzen können. Denn anhand der Simulationsergebnisse können schon grundlegende Optimierungen beim Behälterdesign erfolgen, bevor überhaupt eine erste Blasform gefertigt wird.

Ulrich Lappe, Leiter PET Pack Design and Application bei Krones

Simulation in der Entwicklung

Simulation ist bei Krones schon seit Jahrzehnten fester Bestandteil der Produktentwicklung, sowohl bei der Neu­entwicklung als auch bei der Weiterentwicklung und Optimierung von bestehenden Produkten. „Jedoch sind die Anforderungen stetig gestiegen, so dass wir heute auf dem Weg von physischen zu digitalen Bemusterungen sind“, erklärt Thomas Albrecht, der bei Krones die Abteilung CRD Analytics and Simulations leitet. „Wenn wir das Verhalten der Flasche mit Simulationen voraussagen können, sind wir in der Lage, sie nachhaltiger, schneller und effizienter zu produzieren, abzufüllen und zu transportieren.“

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Was eine Flasche können muss

Dazu muss der gesamte Lebenszyklus einer Flasche betrachtet werden. Angefangen beim Streckblasprozess muss der Behälter anschließend mehrere Maschinenkomponenten durchlaufen. Beim Befüllen und Etikettieren werden die Flaschen mit hohen Drücken beaufschlagt. Aber auch bei der Lagerung und beim Transport von leeren und gefüllten Flaschen sind sie Belastungen ausgesetzt, die bei der Auslegung berücksichtigt werden müssen. Letztendlich ist die Haptik und Optik der Flasche für den Endkunden ein ebenso wichtiges Kriterium für die Flaschenauslegung.

Varianten simulativ vergleichen

„Eine PET-Flasche verhält sich anders als eine Glasflasche, eben nicht wie ein Starrkörper“, betont Maximilian Braun, der das Automatisierungsprojekt des Simulationsprozesses betreut. „Eine 0,5l-Einweg-PET-Flasche wiegt wesentlich weniger als eine Glasflasche gleichen Volumens. Trotzdem müssen alle Anforderungen an die Stabilität oder von der kompletten Verarbeitungslinie erfüllt werden. Deshalb nutzen wir die Simulation auch, um Flaschenvarianten miteinander zu vergleichen. So können wir sicher sein, dass wir unsere Designteams und unsere Kunden bestmöglich beraten. Sie erhalten nicht nur einen gutaussehenden Behälter, sondern auch ein funktional einwandfreies Produkt.“

Standardisierung und Automatisierung

Um den Aufwand für die Simulationen weiter zu reduzieren und diese insgesamt einfacher handhabbar zu machen, hat Krones ein Projekt zur Standardisierung und Automatisierung der Prozesse ausgeschrieben. „Von den drei Anbietern, die sich an der Ausschreibung beteiligten, hat sich Cadfem besonders hervorgetan“, berichtet Thomas Albrecht „Aufgrund der langjährigen Zusammenarbeit und der geleisteten Voruntersuchungen waren wir zuversichtlich, zusammen mit Cadfem eine maßgeschneiderte Lösung zu erhalten.“

Geordneter Informationsfluss

Das Gemeinschaftsprojekt mit Cadfem – der FEM-Bottle-Wizard – umfasste einen Systemwechsel zu Ansys Workbench, um mit ACT (Application Customization Toolkit) eine vollautomatische FE-Prozesskette mit Preprocessing, Berechnung und Postprocessing zu gestalten. Die Standardisierung und Automatisierung der Simulation schaffte einen geordneten Informationsfluss inklusive einer Verknüpfung mit dem SAP-System. „Über das CAD-Modell legen wir fest, welche Flasche simuliert werden soll“, erklärt Maximilian Braun. „Ebenso werden Materialdaten und die Wanddickenverteilung definiert. Dann sind noch die zu untersuchenden Lastfälle anzugeben sowie eine Kommissions- oder Auftragsnummer im Anforderungsformular, um den Automatismus zu starten.“

Bisher sind sechs Lastfälle implementiert: Topload-empty und Topload-filled als Stapellastfälle, Sideload-filled, hydrostatische Druck-, Überdruck- und die Vakuumsimulation. Diese simulieren das Verhalten der PET-Flaschen auf Transportbändern, in Verarbeitungsmaschinen sowie die Haptik für den Endverbraucher.

Schnell zu mehr Berechnungen

Mit dem Wizard sind die Anforderungen in 5 statt früher 40 Minuten festgelegt. Auch der Aufbau eines Simulationsprojektes ist in 10 Minuten erledigt. Die einfache Bedienung beruht darauf, dass der Nutzer anhand des Strukturbaums durch den Prozess geführt wird. Die Schnelligkeit ergibt sich einerseits durch den hohen Grad der Automatisierung und andererseits durch die Berechnungen im Cluster. Außerdem sind die Ergebnisse in Form eines automatisch erstellten Berichtes schnell verfügbar. Werden alle Berechnungen benötigt, lassen sie sich heute innerhalb von 24 Stunden durchführen, was früher mehrere Tage gedauert hat.

Mehr Berechnungen, mehr Nutzen

Mit der Bereitstellung des Wizards ist die Anzahl der durchgeführten Flaschensimulationen erheblich gestiegen, weil fundierte Ergebnisse schnell verfügbar sind. In vielen Fällen passiert das innerhalb von wenigen Stunden und nicht erst am nächsten oder übernächsten Tag. Hierzu erklärt Thomas Albrecht: „So konnten wir im Jahr 2019 rund 150 Projekte mit jeweils mehreren Lastfällen und Simulationsläufen durchführen. Das waren über 700 Berechnungen, eine Anzahl, die für uns früher unvorstellbar war. Aber nicht die Anzahl zählt, sondern die Vorteile, die sich daraus ergeben. Dazu gehören eine Verbesserung unserer Beratungskompetenz, die einfache Umsetzung der Designanforderungen unserer Kunden, eine Beschleunigung von Entscheidungsprozessen sowie eine höhere Kundenbindung.“

Simulation erhöht Produktwissen

Der Bottle-Wizard kann konzernweit genutzt werden, indem die Berechnungen von Mitarbeitern in den Niederlassungen oder Tochtergesellschaften angestoßen werden. Bisher erfolgten Nutzungen in Deutschland, den USA, in China, Thailand und auch in Dubai. „Mit der neuen Wizard-Lösung konnten wir den Anwenderkreis für Simulationen auf die Behälterdesigner weltweit ausdehnen“, berichtet Ulrich Lappe. „Mittlerweile sind das sehr viele geworden. Speziell wenn sie vor einem Problem stehen, können sie ähnliche Varianten direkt ausprobieren, um es so zu lösen. Ebenso lassen sich spät auftretende beziehungsweise erkannte Fehler schneller beheben. Außerdem konnten wir feststellen, dass Kunden anhand von Simulationsergebnissen einfacher verstehen, warum Änderungen notwendig sind. Eine aufwändige Bemusterung als Beweis ist meist nicht mehr erforderlich.“

Mein Zukunftstraum für die Simulation wäre ein virtueller Laborbericht. Dieser würde möglich werden, wenn alle Testprozeduren, die im Labor durchgeführt werden, perspektivisch auch als Simulation durchgeführt werden könnten. Dafür brauchen wir noch genauere Modelle und müssen weitere Berechnungen in den digitalen Flaschen-Designer integrieren.

Maximilian Braun, verantwortlich für das Automatisierungsprojekt des Simulationsprozesses

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