13.06.2022 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Digitale Transformation Maschinenbau: Was Simulation alles kann

Digitale Transformation MaschinenbauQuelle: ATNA

Auch für Maschinenbauer ändern sich die Märkte heute zusehends schneller. Daher setzen sie verstärkt auf die Digitalisierung. Wie diese den Entwicklungsprozess beschleunigen kann, zeigt die Anwendung von Simulation bei einem Start-up, das eine hydraulische Brikettpresse neu entwickelt.

Digitale Transformation Maschinenbau: In der Konstruktion von Sondermaschinen ist es entscheidend, auf neue Kundenanforderungen mit individuellen Sonderlösungen flexibel und vor allem schnell zu reagieren. Dabei stellen aktuelle Anforderungen der Industrie oft selbst die Konstruktionserfahrung traditioneller Maschinenbauunternehmen auf die Probe, so dass die Branche, allen voran die Start-ups, in ihrer Produktentwicklung verstärkt auf Digitalisierung setzt. Denn die simulationsgetriebene Entwicklung bietet nicht nur drastische Einsparungen im Entwicklungsprozess, sondern auch die Möglichkeit, mehr Varianten zu testen – und dient so oftmals als Katalysator für innovative Lösungen.

Von der Vision zum Unternehmen: Digitale Transformation Maschinenbau:

Die aus einem Forschungsprojekt der Technischen Universität Bergakademie Freiberg hervorgegangene ATNA Industrial Solutions GmbH hat die Vorteile der Simulation schnell erkannt. Im Rahmen dieses Projekts entwickelten die beteiligten Ingenieure eine neue hydraulische Brikettpresse und bauten ihren ersten Prototypen, um eine völlig neue, noch effizientere Maschinen-Generation in die Tat umzusetzen. Heute entwickelt und produziert das Unternehmen hydraulische Pressen aller Größen für den weltweiten Markt.

Nachhaltig brikettiert

Das Brikettieren bezeichnet ein Verfahren, mit dessen Hilfe unterschiedliche Roh-, Rest-, und Abfallstoffe, von Eisenstaub über Aluminiumspan bis Altholz, verdichtet und zu Briketts gepresst werden. Bedingt durch Nachhaltigkeitsbestrebungen und einem anhaltenden Kostendruck hat der Bedarf an der Brikettierung von Reststoffen wie Metall- und Holzspänen oder Klärschlamm in jüngster Zeit enorm zugenommen.

Je nach Einsatzgebiet ermöglicht es die Brikettierung dank nachhaltiger und regenerativer Biomassebriketts die vorgegebenen CO2-Emissionsziele zu erreichen, Lager- und Transportkosten zu senken oder überhaupt eine stoffliche Weiterverarbeitung der Reststoffe. Alles im Sinne einer möglichst vollumfänglichen Kreislaufwirtschaft. Dafür bedarf es neuer, leistungsstarker und anwendungsoptimierter Pressen, die sich im Betrieb durch hohe Energieeffizienz, Materialdurchsatz und Qualität des Endproduktes auszeichnen.

Digitale Transformation Maschinenbau
Die Betrachtung der kompletten Maschine inklusive der Wechselwirkung aller kraftführenden Baugruppen liefert realitätsnahe Ergebnisse. Bild: Altair

Qualität bei hohem Durchsatz

Bei den bisher vorhandenen Brikettpressen unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Maschinentypen: Die traditionellen Walzenpressen und die hydraulischen Pressen. Die Walzenpressen können hohe Durchsätze bewältigen, stoßen allerdings je nach zu verarbeitendem Material in punkto Qualität oft an ihre Grenzen. Außerdem unterliegen die Walzen häufig einem hohen Verschleiß. Bisher verfügbare hydraulische Pressen hingegen zeichnen sich durch eine hohe Qualität des Endproduktes aus, erreichen dabei aber einen geringeren Durchsatz bei oft hohem Energieverbrauch.

Genau diese Schwachstellen wollten die Ingenieure mit ihrer Neuentwicklung beheben. Ihre verschleiß- und wartungsärmere Hydraulikpresse sollte der Startschuss für eine neue Brikettpressen-Generation sein, die sehr hohe Durchsätze bewältigen kann und gleichzeitig eine hohe Brikettqualität sowie einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht.

Diese neue Generation verarbeitet das Ausgangsmaterial in einem mehrstufigen Prozess (Vorverdichten, Vorpressen, Hauptpressen und Auspressen), was den Durchsatz im Vergleich zu traditionell einstufigen Pressen erhöht und gleichzeitig den Energieverbrauch deutlich reduziert. Darüber hinaus kommt für große Durchsätze von bis zu 16.000 kg Biomasse pro Stunde ein neuartiges, beidseitiges Pressverfahren zum Einsatz, welches einen vollautomatischen 24/7-Betrieb ermöglicht. Zur Auslegung der einzelnen Maschinenteile bedienten sich die Ingenieure der Simulation.

Schnelle Ergebnisse für große Baugruppen

Für die Überprüfung von einzelnen Bauteilen und Unterbaugruppen nutzte das Start-up zu Beginn die verfügbaren CAD-eingebetteten Finite-Elemente-Werkzeuge. Schon bald stellte sich heraus, dass dies nicht nur sehr zeitaufwändig war, sondern auch nicht zielführend: Es ließ sich keine vollständige Analyse der Gesamtmaschine realisieren, da die Simulation sich auf die absolut notwendigen Berechnungen einzelner Komponenten beschränkte.

Bei der Suche nach einem geeigneten Simulationswerkzeug stießen die Ingenieure auf die Strukturanalysesoftware Altair Simsolid, die sie im Rahmen des Altair-Start-up-Programms ausgiebig testen konnten. Dabei waren sie besonders beeindruckt von der Geschwindigkeit und dem hohen Maß an Genauigkeit der Strukturanalysesoftware, die es ermöglichte, ganze Maschinen schnell und effizient zu simulieren und ihre Konstruktion so abzusichern.

Mit Altair Simsolid konnten die Ingenieure vollständige, komplexe Baugruppen mit mehr als 2.800 Teilen untersuchen und dabei die genauen Kräfte und die daraus resultierenden Verformungen und Spannungen des gesamten Systems ermitteln. Sie gewannen tiefe Einblicke in das strukturelle Verhalten der Maschine und konnten etwaige Auswirkungen von Konstruktionsänderungen schnell einschätzen. Ein großer Vorteil war es dabei, dass sie die Simulationen mit Simsolid konstruktionsbegleitend durchführen und so ungünstige Betriebsbedingungen, Schwachstellen und Kon-struktionsfehler frühzeitig aufdecken konnten. Anstatt wie mit traditionellen FEM-Tools mehrere Tage für Berechnungen von minimalen Modelländerungen zu benötigen, erhielt das Team durch Simsolid bereits nach 30 Sekunden erste Ergebnisse und belastbare Aussagen zum Maschinenverhalten.

„Altair Simsolid ermöglicht es uns, unsere hochkomplexen Maschinen innerhalb kürzester Zeit zu simulieren“, sagte Entwicklungsingenieur Hagen Möller. „Die Geschwindigkeit von Simsolid hilft uns, sehr schnell und extrem früh im Designprozess Erkenntnisse über das Verhalten der gesamten Maschine unter Belastungen zu erhalten, und das konstruktionsbegleitend. Das erhöht die Sicherheit bei Konstruktionsentscheidungen, was für uns als junges Unternehmen mit begrenzten Ressourcen von enormer Bedeutung ist.“

Digitale Transformation Maschinenbau
Simulation aller kraftführenden Elemente. Bild: ATNA/Altair

Tempomacher digitale Transformation Maschinenbau

Dank der kurzen Modellierungszeit und der hohen Rechengeschwindigkeit von Simsolid konnte die ATNA Industrial Solutions GmbH große und komplexe Maschinenstrukturen und Unterbaugruppen innerhalb von Minuten modellieren und simulieren. Auf diese Weise gelang es den Ingenieuren, eine Vielzahl an Varianten in dem vorgegebenen Zeitrahmen vollständig zu bewerten, ihre Konstruktion zu optimieren und abzusichern und so zum finalen Design zu gelangen.

Mittlerweile kommt Simsolid bei dem Start-up auch zur Individualisierung von Pressen zum Einsatz, die auf besondere Kundenanforderungen zugeschnitten sind, wie spezielle Betriebsbedingungen einschließlich hoher Kräfte bis zu 5600 Kilonewton.

Die Zukunft im Blick

Die Digitalisierung im Maschinenbau wird sich für viele Unternehmen als echter Innovationskatalysator erweisen, von der simulationsgetriebenen Entwicklung, der virtuellen Inbetriebnahme dank Systemsimulation bis hin zur Vorhersage und Reduzierung von Wartungsintervallen. Dabei werden auch Technologien wie die künstliche Intelligenz und Machine Learning in Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen. Start-ups haben dabei den Vorteil, dass sie dank Altairs flexiblem Lizenzierungssystem Zugriff auf jedes Altair Produkt haben und so ihre Herausforderungen mit der für sie passenden Lösung adressieren können.

Der Autor Christoph Donker ist Marketing Manager bei Altair Engineering.

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