Viel schneller validieren

Technik

Simulation – Beim Design neuer Flaschen und Behälter dauerte der Prozess für die Produktentwicklung bei Krones bisher einige Wochen. Mit NX CAE und NX Nastran von Siemens PLM sinkt die Zeit für die Simulation der Stapellast um 75 Prozent.

17. August 2016

Abfüll-Verpackungsanlagen gehören zu den komplexesten Vertretern des Maschinenbaus. Dabei fällt immer wieder ein Name: Krones. Das Unternehmen aus Neutraubling fertigt seit 1951 Maschinen und Anlagen für den gesamten Abfüllprozess und designt auch die dazugehörigen Flaschen, Dosen und Formbehälter.

Wenn bei Krones zum Beispiel eine neue PET-Flasche entstehen soll, basiert dies auf einer einheitlichen Marketing-, Design- und Technikvision. Der Kunde ist von Anfang an eingebunden, alle Parameter und Anforderungen werden gemeinsam erarbeitet, wie etwa die Ästhetik des Produkts, entstehende Kosten oder Einzelheiten in den Produktionsprozessen. Ein wichtiger Punkt hierbei ist eine ausreichende Stapellast, denn in Paletten sind gerade die Flaschen in den unteren Lagen hohem Druck ausgesetzt.

Um in allen Aspekten auf Nummer sicher zu gehen und um die Zeit vom Entwurf bis zum validierten Design von derzeit rund drei Wochen deutlich zu verkürzen, setzt Krones immer stärker auf Simulation, wenn es darum geht, die Eigenschaften eines neuen Flaschendesigns zu validieren. Der Maschinenbauer hat bei der PET-Flaschen-Entwicklung in den letzten 20 Jahren eine Vielzahl von Simulationswerkzeugen eingesetzt. Trotzdem waren die Verantwortlichen der Meinung, dass der Simulationsprozess für die Ermittlung der Stapellast verbessert werden sollte, da mit den vorhandenen Berechnungsprogrammen bei jedem Designdurchlauf allein vier bis acht Stunden für den Aufbau des Analysemodells und weitere acht bis 24 Stunden für die Simulation selbst benötigt wurden.

Eine der Herausforderungen bei der Modellerstellung für die Simulation war die Schwierigkeit, die Geometriedaten mit dem FEM-Präprozessor zu übernehmen und korrekt zu bearbeiten. Dabei mussten die Berechnungsingenieure immer wieder zum CAD-Team zurückgehen, um eine verwendbare Geometrie für die FEM-Berechnung zu erhalten. Dieses verwendete schon seit Langem NXTM-Software von Siemens für seine Zwecke. Aufgrund guter Erfahrungen entschlossen sich die Verantwortlichen, statt des vorhandenen FEM-Präprozessors die CAE-Funktionen von NX zu testen.

Nahtlose Übertragung

Es zeigte sich, dass beim Übergang von NX CAD zum FEM-Präprozessor keine Probleme mehr auftraten, weil das Programm die Daten nahtlos in die NX-CAE-Umgebung überträgt. Dabei bleibt das NX-CAE-Berechnungsmodell auch mit den Basis-Designdaten assoziiert. So kann das Berechnungsmodell leicht aktualisiert werden, um alle Änderungen am Design widerzuspiegeln.

Eine der kritischen Herausforderungen bei der Erstellung eines Simulationsmodells für PET-Flaschen ist die exakte Erfassung der Wandstärke. Mit dem vorherigen CAE-Tool mussten die Entwickler häufig die Wandstärke durch manuelle Sektionierung der Geometrie und des Netzes definieren. Das war eine mühsame und zeitaufwendige Aufgabe, da die Wandstärke innerhalb einer PET-Flasche variiert.

Mit NX CAE hat Krones den Prozess automatisiert und die Modellierungszeit durch Nutzung des Feld-Modellierungskonzepts der Software gesenkt. Zudem verkürzte sich der Simulationsprozess für die Modellierung von bis zu acht auf eine Stunde.

Doch auch die Simulation der Stapellast sollte beschleunigt werden. Die vorhandene Lösung nutzte einen expliziten transienten Solver, wobei die Größe des Zeitintervalls von der Länge des kleinsten Elements abhängig ist und ein sehr kleines Element das stabile Zeitintervall für das gesamte Modell drastisch verkürzt. Darum wollten die Entwickler lieber einen impliziten Solver einsetzen. Sie wurden im Siemens-Portfolio fündig und zwar in Form des impliziten NX Nastran Solvers. »Dieser Solver mit seiner Low-Speed-Dynamics-Funktion ist hervorragend für die Art der Stapellastanalyse der Flaschen geeignet, wie wir sie bei Krones durchführen«, sagt Thomas Albrecht, Simulation Expert bei Krones. Mit NX Nastran ließ sich die Simulationszeit auf zwei und vier Stunden reduzieren. Das war viermal schneller als vorher, und das bei gleichbleibender Qualität der Ergebnisse.

Keine Wartezeiten mehr

Aufgrund der derzeit noch sehr komplexen Thematik können nur wenige Experten bei Krones diese Simulationen berechnen. Das verlangsamt den Validierungsprozess, da die Anzahl neuer Projekte und Entwickler die Kapazität der Berechnungsgruppe übersteigt. Die Entwickler müssen darum lange auf deren Feedback warten.

Mit der Verfügbarkeit der NX-Umgebung entdeckt Krones zusätzliche Möglichkeiten, die Eigenschaften neuer Flaschendesigns schneller zu validieren. Die Vision ist, dass das CAE-Berechnungsteam mit NX Open, der CAD- und CAE-Programmierschnittstelle innerhalb der NX-Umgebung, automatische Assistenten für die Spitzenlastsimulation erstellt. Denn der Prozess für die Simulation der Stapellast ist für jedes Design im Wesentlichen identisch.

Daher automatisieren Simulationsentwickler den Prozess und verpacken ihn in eine assistentenähnliche Schnittstelle für eine erste Stapellastsimulation. So können sie schnell feststellen, ob das Design funktionieren wird oder nicht und selbstständig eine Basisberechnung durchführen.

Arno Haner, Leiter Entwicklung PET-Verpackungen bei Krones: »NX ist die bevorzugte und wahrscheinlich einzige am Markt verfügbare Umgebung, die Simulationsdaten von der Expertenanalyse bis zur Entwickler-Community skaliert.« Krones hat mittlerweile die Erstentwicklung des Assistenten für die Spitzenlastsimulation abgeschlossen und beginnt jetzt mit der Pilotierung in einer kleinen Gruppe von Entwicklern. Erste Ergebnisse sehen vielversprechend aus, und Krones erwartet den Breiteneinsatz in der Entwickler-Community in einem Jahr. »Unser ultimatives Ziel ist es, einen drei bis vier Wochen dauernden Prozess auf nur drei oder vier Tage zu verkürzen«, sagt Haner. »Dass die Entwickler bei der Entwicklung in NX Simulationen nutzen können, wird uns dabei helfen, dieses Ziel zu erreichen.«

Auf einen Blick

• Verkürzung der Entwicklungs- und Validierungszeiten für mehr Wettbewerbsvorteile.

• Erstellung genauer Simulationsmodelle.

• Besseres Verständnis der Produkteigenschaften.

• Einheitlicher Einsatz von NX CAE und NX Nastran zur Stapellast-Simulation.

• Nutzung integrierter CAD- und CAE-Prozesse.

• Reduzierung der Zeiten um 75 Prozent.

• Vereinfachter Prozess für die Erstellung von Simulationsmodellen.

• Lösen der FE-Modelle bis zu viermal schneller.

Erschienen in Ausgabe: 06/2016