Cómo la simulación de partículas cambiará de manera sostenible la ingeniería de procesos

Con miras a los temas de protección climática y ambiental, o en general, conservación de recursos, los clientes preguntan cada vez más si el ciclo de vida de los productos entregados es sostenible. Desde la crisis del COVID-19, también las cadenas de suministro están en el centro de la discusión crítica. Todo esto son razones por las que las empresas en el futuro deben pensar en todo el ciclo de vida de sus productos. Las empresas no solo deben tener en cuenta aspectos económicos, sino también priorizar requisitos ecológicos y sociales. El uso de procedimientos avanzados de simulación puede contribuir a una fabricación más sostenible, y también es tema en la edición especial de POWTECH de este año, del 30 de septiembre al 1 de octubre de 2020. Con un concepto adaptado debido a los efectos globales del COVID-19, POWTECH como edición especial este año se centra en la transferencia de conocimientos, entre otros, sobre el tema de la simulación.

En muchas industrias, hoy en día, la simulación se utiliza como una herramienta estándar en el desarrollo y optimización de productos. Con el método de elementos finitos (FEM), se verifica rutinariamente la mecánica estructural de las piezas. La simulación proporciona conocimientos importantes en el proceso de desarrollo y, en muchos casos, ha reducido significativamente el tiempo de desarrollo de nuevos productos.

Muy diferente es la situación en la técnica de procesos. Aquí, hasta ahora, la optimización de máquinas de flujo mediante la mecánica de fluidos computacional (CFD) ha sido solo una solución rutinaria. Para la simulación de flujos de partículas y procesos mecánicos, hoy en día existen herramientas de simulación muy modernas, como el método de elementos discretos (DEM). El Dr. Jorge Carregal Ferreira, jefe del área Rocky DEM en la oficina de CADFEM GmbH en Grafing, uno de los expositores de POWTECH, explica en detalle: «En la ingeniería de procesos mecánicos, la simulación física se utiliza hasta ahora poco o nada. Por lo general, se confía en la experiencia o en ensayos de laboratorio. Sin embargo, al escalar desde el banco de pruebas de laboratorio a la gran planta destinada a la fabricación y al transferir de una planta de producción conocida a una nueva, a menudo se enfrentan límites. Aquí, la simulación puede ayudar a entender las influencias principales y a tomar decisiones correctas respecto a los parámetros del proceso. Esto conduce a ahorros de costos significativos, ya que se reduce el riesgo de reajustes en la planta de producción. Además, se pueden realizar estudios paramétricos, análisis de sensibilidad y optimizaciones para encontrar los parámetros adecuados del proceso.»

Millones de partículas simuladas individualmente

Por lo tanto, una fabricación sostenible requiere una buena comprensión de los efectos físicos de los procesos individuales, las llamadas «Operaciones Unitarias», cuya suma representa el proceso completo. Aquí también, la simulación física puede conducir a conocimientos esenciales y a una mejora del proceso de fabricación. La ingeniería de procesos mecánicos está muy influenciada por los flujos de partículas y materiales. Se trituran, transportan, clasifican, mezclan, separan y tratan materiales y graneles. Se transportan, clasifican, tratan y procesan componentes enteros. «Con el método de elementos discretos (DEM), se pueden simular, entender y optimizar estos procesos», explica el Dr. Ferreira. «Aquí, se consideran los movimientos y contactos de todas las partículas. Para un número muy alto de partículas, a menudo más de un millón, se requiere hardware potente y adecuado. Con el uso de la tecnología GPU (GPU = Unidad de Procesamiento Gráfico), hoy en día se puede simular con DEM un número mucho mayor de partículas y la forma real de las partículas.»

Simulación de partículas optimiza plantas - Desde la cantera hasta la producción de tabletas

El control de calidad en procesos de mezcla se realiza mediante la tolva de mezcla y el rendimiento de producción. La medición de la mezcla en la práctica es muy difícil, ya que se debe detener la planta y el acceso solo permite una muestra de medición limitada. «Aquí, la simulación DEM ayuda a hacer transparente el proceso, ya que con la evaluación estadística adecuada podemos determinar en cualquier momento y en cualquier lugar la mezcla cuantitativa. Así, se pueden determinar los efectos de los parámetros de influencia y las variables de entrada, para luego poder recomendar los parámetros operativos óptimos.»

En la industria farmacéutica, el recubrimiento de tabletas es un proceso importante en la producción de tabletas. Aunque el principio activo costoso está contenido en la tableta, por razones de aceptación del cliente, las superficies coloreadas deben ser creadas con mucha precisión y sin el menor daño. Estos procesos de recubrimiento son muy críticos, ya que incluso una pequeña cantidad de tabletas con bordes rotos se desechan como desecho, lo que implica costos elevados. Con la ayuda de la simulación DEM, se puede ajustar el escalado y los parámetros del proceso para minimizar el desperdicio.

«Se espera que en los próximos tres a cinco años, la simulación DEM se convierta en una herramienta estándar en la ingeniería de procesos mecánicos. Esto es comparable a la situación en la ingeniería de maquinaria, donde en los últimos 15 años, el método de elementos finitos se convirtió en una herramienta estándar que se utiliza rutinariamente. Y, al igual que en la ingeniería de maquinaria, la simulación cambiará significativamente la ingeniería de procesos», resume el Dr. Ferreira.

Edición especial POWTECH 2020: Networking seguro

También en la edición especial de POWTECH 2020, los últimos avances en simulación juegan un papel importante, tanto en los foros especializados como en los expositores. La edición de este año, debido a los efectos globales de la pandemia de COVID-19, se centra especialmente en la transferencia de conocimientos. El corazón de la edición especial de POWTECH son los foros especializados, que se realizarán en dos pabellones de la feria, teniendo en cuenta todas las medidas de seguridad. La exposición acompañante ofrece a todos los expositores la oportunidad de presentar sus innovaciones de manera eficiente y atractiva. Los conceptos de stands predefinidos y amplias áreas de reunión garantizan el cumplimiento de todas las normas de higiene y seguridad. Parte del programa técnico estará disponible en línea para los participantes después del evento.