Simulation Gamechanger für den Maschinenbau

Quelle: Altair

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Maschinenbauunternehmen setzen verstärkt auf Digitalisierung, um die komplexen Herausforderungen der heutigen Zeit zu lösen. Ein Paradebeispiel liefert das Start-up Atna Industrial Solutions GmbH: Das Team setzte auf Digitalisierung und Simulation, um eine neue hydraulische Brikettpresse auf den Markt zu bringen.

Ein Paradebeispiel für die gelungene Beschleunigung des Entwicklungsprozesses durch Digitalisierung und Simulation liefert das junge Start-up Atna mit einer neuen hydraulischen Brikettpresse.
Ein Paradebeispiel für die gelungene Beschleunigung des Entwicklungsprozesses durch Digitalisierung und Simulation liefert das junge Start-up Atna mit einer neuen hydraulischen Brikettpresse.
(Bild: ATNA, Altair)

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.

Die simulationsgetriebene Entwicklung dient oftmals als Katalysator für innovative Lösungen.

Atna: von der Vision zum Unternehmen

Die aus einem Forschungsprojekt der Technischen Universität Bergakademie Freiberg hervorgegangene Atna Industrial Solutions GmbH hat die Vorteile der Simulation schnell erkannt. Im Rahmen eines Projektes entwickelten die beteiligten Ingenieure eine neue hydraulische Brikettpresse und bauten ihren ersten Prototyp: Getreu ihrem Leitgedanken „das muss noch besser gehen“ wollten sie ihre Vision einer völlig neuen, noch effizienteren Maschinengeneration in die Tat umzusetzen. Mit der Gründung des Start-ups wurde diese Vision Realität: Heute entwickelt und produziert Atna hydraulische Pressen aller Größen für den weltweiten Markt.

Nachhaltig brikettiert dank kombinierter Vorzüge

Das Brikettieren bezeichnet ein Verfahren, mit dessen Hilfe unterschiedliche Rohstoffe, 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 und Lager- und Transportkosten zu senken.
  • Zudem macht Brikettierung prinzipiell die stoffliche Weiterverarbeitung von Reststoffen möglich – alles im Sinne einer möglichst vollumfänglichen Kreislaufwirtschaft.

Dafür bedarf es neuer, leistungsstarker und anwendungsoptimierter Pressen, die sich im Betrieb durch ein Höchstmaß an Energieeffizienz, Materialdurchsatz und Qualität des Endproduktes auszeichnen.

Das Bild zeigt die Brikettpresse Greenline S50 von Atna.
Das Bild zeigt die Brikettpresse Greenline S50 von Atna.
(Bild: ATNA)

Bei den bisher vorhandenen Brikettpressen unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Maschinentypen: Die traditionellen Walzenpressen und hydraulische 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 Atna-Ingenieure mit ihrer Neuentwicklung beheben.

  • Ihre neue 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.
  • Die neuen Pressen verarbeiten 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.

Auch große Baugruppen schnell analysieren

Für die Überprüfung von einzelnen Bauteilen und Unterbaugruppen nutzte Atna zu Beginn die verfügbaren CAD-eingebetteten FE-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.

Das Bild zeigt die Simulation aller kraftführenden Elemente mit Altair Simsolid.
Das Bild zeigt die Simulation aller kraftführenden Elemente mit Altair Simsolid.
(Bild: ATNA, Altair)

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 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.

Die Betrachtung der kompletten Maschine inklusive der Wechselwirkungen aller kraftführenden Baugruppen liefert realisitische Ergebnisse.
Die Betrachtung der kompletten Maschine inklusive der Wechselwirkungen aller kraftführenden Baugruppen liefert realisitische Ergebnisse.
(Bild: Altair)

Ein großer Vorteil war es dabei, dass sie die Simulationen mit Simsolid konstruktionsbegleitend durchführen und so ungünstige Betriebsbedingungen, Schwachstellen und Konstruktionsfehler 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.

Simsolid auf dem Konstruktionsleiter-Forum 2022

Konstruktions- und Entwicklungsleiter müssen mit interdisziplinären Teams neue Ideen strukturiert und domänenübergreifend entwickeln können und dabei gleichzeitig Kosten, Nachhaltigkeit sowie die Time-to-Market im Blick behalten. Eine Aufgabe, die an Komplexität kaum zu überbieten ist.

Das Konstruktionsleiter-Forum, das am 21. September 2022 in Würzburg stattfindet, will Konstruktions- und Entwicklungsleiter sensibilisieren für die Herausforderungen der Produktentwicklung des 21. Jahrhunderts sowie Lösungen aufzeigen. Dazu gehören praxisorientierte Tools und Methoden, um innovative Ideen strukturiert zu entwickeln und den Produktentstehungsprozess so schlank und effizient wie möglich zu gestalten.

Auch die Simulationslösung Simsolid ist auf dem Konstruktionsleiter-Forum vertreten: Endego ist ein führender europäischer Anbieter von Ingenieur- und IT-Dienstleistungen und Distributor von Altair-Lösungen.

Weitere Infos zum Konstruktionsleiter-Forum

Tempomacher Simsolid

Dank der kurzen Modellierungszeit und der hohen Rechengeschwindigkeit von Simsolid konnte Atna 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 innovative Konstruktion zu optimieren und abzusichern und so zum besten Design zu gelangen. Mittlerweile kommt Simsolid bei Atna auch zur Individualisierung von Pressen zum Einsatz, die auf besondere Kundenanforderungen zugeschnitten sind, wie z. B. spezielle Betriebsbedingungen einschließlich hoher Kräfte bis zu 5600 Kilonewton.

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Mit Simsolid untersuchten die Ingenieure komplexe Baugruppen mit mehr als 2.800 Teilen und ermittelten dabei die genauen Kräfte und die daraus resultierenden Verformungen und Spannungen des gesamten Systems.
Mit Simsolid untersuchten die Ingenieure komplexe Baugruppen mit mehr als 2.800 Teilen und ermittelten dabei die genauen Kräfte und die daraus resultierenden Verformungen und Spannungen des gesamten Systems.
(Bild: ATNA, Altair)

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 wie Atna haben dabei den Vorteil, dass sie dank Altairs flexiblem Lizenzierungssystem Zugriff auf jedes Altair-Produkt haben und so ihre größten Herausforderungen mit der für sie passenden Lösung adressieren können.

Konstruktionsleiterforum

Produktentwicklung neu denken

Der Schlüssel für den Erfolg eines Unternehmens liegt in Konstruktion und Entwicklung. Hier entstehen innovative Produkte, die die Wettbewerbsfähigkeit sichern. Doch kennen Sie die Herausforderungen der Produktentwicklung im 21. Jahrhundert?

Das Konstruktionsleiterforum will Konstruktions- und Entwicklungsleiter für Hürden sensibilisieren, sowie Tools und Methoden aufzeigen, um innovative Ideen strukturiert zu entwickeln und den Produktentstehungsprozess so schlank und effizient wie möglich zu gestalten.

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