Comment la simulation de particules va transformer durablement la génie des procédés

En ce qui concerne les thèmes du climat et de la protection de l'environnement, ou plus généralement la préservation des ressources, les clients demandent de plus en plus si le cycle de vie des produits livrés est durable. Depuis la crise du COVID-19, les chaînes d'approvisionnement sont également au centre des discussions critiques. Toutes ces raisons expliquent pourquoi les entreprises devront à l'avenir réfléchir à l'ensemble du cycle de vie de leurs produits. Les entreprises doivent non seulement prendre en compte les aspects économiques, mais aussi mettre en avant les exigences écologiques et sociales. L'utilisation de méthodes de simulation avancées peut contribuer à une fabrication plus durable – et c'est aussi un sujet lors de l'édition spéciale POWTECH de cette année, du 30 septembre au 1er octobre 2020. Avec un concept adapté en raison des impacts mondiaux du COVID-19, la POWTECH, en tant qu'édition spéciale, se concentre cette année sur le transfert de connaissances – notamment sur le thème de la simulation.

Dans de nombreux secteurs industriels, la simulation est aujourd'hui un outil standard dans le développement et l'optimisation des produits. Avec la méthode des éléments finis (MEF), la mécanique des structures des composants est vérifiée de manière routinière. La simulation fournit des informations importantes dans le processus de développement et a souvent considérablement réduit le temps de développement de nouveaux produits.

Bien différent en ce qui concerne la technique des procédés. Jusqu'à présent, la mécanique des fluides numérique (CFD) n'a été utilisée de manière routinière que pour l'optimisation des machines à flux. Aujourd'hui, pour la simulation des flux de particules et des processus mécaniques, il existe des outils de simulation très modernes, comme la méthode des éléments discrets (DEM). Dr. Jorge Carregal Ferreira, responsable du département Rocky DEM chez CADFEM GmbH, bureau de Grafing, un exposant de POWTECH, explique en détail : « En technique des procédés mécaniques, la simulation physique est encore peu ou pas du tout utilisée. En général, on se fie à l'expérience ou aux essais en laboratoire. Lors du passage du laboratoire à la grande installation de production, ou lors du transfert d'une installation connue à une nouvelle, on rencontre souvent des limites. La simulation permet de comprendre les influences essentielles et de prendre les bonnes décisions concernant les paramètres du processus. Cela conduit à des économies de coûts significatives, car le risque de réajustement de l'installation de production est réduit. De plus, des études paramétriques, des analyses de sensibilité et des optimisations peuvent être effectuées pour déterminer les bons paramètres de procédé. »

Des millions de particules simulées individuellement

Une fabrication durable nécessite donc une bonne compréhension des effets physiques des processus individuels, appelés « opérations unitaires », dont la somme constitue le processus global. Là aussi, la simulation physique peut conduire à des connaissances essentielles et à une amélioration du processus de fabrication. La technique des procédés mécaniques est fortement influencée par les flux de particules et de matériaux. Les matériaux et les matières en vrac sont broyés, transportés, classés, mélangés, séparés et traités. Des pièces entières sont transportées, triées, traitées et transformées. « Avec la méthode des éléments discrets (DEM), on peut simuler, comprendre et optimiser ces processus », explique Dr. Ferreira. « Elle prend en compte les mouvements et les contacts de toutes les particules. Avec un très grand nombre de particules, souvent plus d’un million, cela nécessite un matériel performant adapté. En utilisant la technologie GPU (GPU = unité de traitement graphique), il est aujourd’hui possible, avec DEM, de simuler un nombre beaucoup plus élevé de particules et la forme réelle des particules. »

Simulation de particules optimise les installations – De la carrière à la production de comprimés

Le contrôle de la qualité lors des processus de mélange se fait via le mélangeur et le débit. La mesure du mélangeur est très difficile en pratique, car il faut arrêter l’installation et l’accès ne permet qu’un échantillonnage limité. « La simulation DEM aide à rendre le processus transparent, car nous pouvons déterminer la qualité du mélange quantitatif à tout moment et en tout lieu grâce à une analyse statistique appropriée. Cela permet d’évaluer l’effet des paramètres d’influence et des variables d’entrée, afin de pouvoir recommander les paramètres de fonctionnement optimaux. »

Dans l'industrie pharmaceutique, le revêtement des comprimés est une étape importante de la production. Bien que le principe actif coûteux soit contenu dans le comprimé, il est nécessaire, pour des raisons d'acceptation par les clients, de créer des surfaces colorées très précises et sans la moindre dégradation. Ces processus de revêtement sont donc très critiques, car même une petite quantité de comprimés avec des bords cassés est éliminée comme déchet, ce qui entraîne des coûts élevés. Grâce à la simulation DEM, il est possible d’ajuster le passage à l’échelle et les paramètres du procédé pour minimiser les rebuts.

« On peut supposer qu’au cours des trois à cinq prochaines années, la simulation DEM deviendra un outil standard en technique des procédés mécaniques. C’est comparable à la situation dans la construction mécanique, où, au cours des 15 dernières années, la méthode des éléments finis est devenue un outil standard, utilisé de manière routinière. Et comme dans la construction mécanique, la simulation va transformer de manière significative la technique des procédés », résume Dr. Ferreira.

POWTECH 2020 Édition Spéciale : Réseautage sécurisé

Lors de l’édition spéciale POWTECH 2020, les dernières avancées en matière de simulation jouent également un rôle – dans les forums spécialisés comme chez les exposants. Cette année, en raison des impacts mondiaux de la pandémie de COVID-19, l’accent est particulièrement mis sur la transmission des connaissances. Le cœur de l’édition spéciale POWTECH sont les forums spécialisés, qui seront organisés dans deux halls d’exposition en tenant compte de toutes les mesures de sécurité. L’exposition accompagnante offre à tous les exposants la possibilité de présenter leurs innovations de manière efficace et attrayante. Des concepts de stands préétablis et des espaces de réunion spacieux garantissent le respect de toutes les règles d’hygiène et de sécurité. Certaines parties du programme seront disponibles en ligne pour les participants après l’événement.