Hogyan fogja a részecskeszimuláció fenntartható módon megváltoztatni a technológiai folyamatokat

Figyelembe véve a klíma- és környezetvédelem témáit, vagy általában az erőforrások takarékos felhasználását, az ügyfelek egyre inkább érdeklődnek, hogy a szállított termékek életciklusa fenntartható-e. A koronavírus-járvány óta a beszállítói láncok is a kritikus viták középpontjába kerültek. Mindez arra ösztönzi a vállalatokat, hogy a jövőben foglalkozzanak termékeik teljes életciklusával. A vállalatoknak nemcsak gazdasági szempontokat kell figyelembe venniük, hanem ökológiai és társadalmi követelményeket is előtérbe kell helyezniük. A fejlett szimulációs módszerek alkalmazása hozzájárulhat a fenntarthatóbb gyártáshoz – és ez a téma szerepel az idei POWTECH Különkiadásán is, 2020. szeptember 30. és október 1. között. A globális COVID-19 hatásokhoz igazított koncepcióval a POWTECH idén a tudásmegosztásra helyezi a hangsúlyt – többek között a szimuláció témakörében.

Számos iparágban ma már a szimuláció alapértelmezett eszközként használatos a termékfejlesztésben és optimalizálásban. A Finite Element Method (FEM) segítségével rendszeresen ellenőrzik az alkatrészek szerkezeti mechanikáját. A szimuláció fontos felismeréseket nyújt a fejlesztési folyamat során, és sok esetben jelentősen csökkenti az új termékek fejlesztési idejét.

Egészen más a helyzet a folyamattechnológiában. Itt eddig csak a numerikus áramlásmechanika (Computational Fluid Dynamics, CFD) alkalmazásával végeztek rutin szimulációkat a hajtóművek optimalizálására. A részecskék áramlásának és mechanikus folyamatainak szimulálására ma már a Discrete Element Method (DEM) modern, megfelelő eszközei állnak rendelkezésre. Dr. Jorge Carregal Ferreira, a CADFEM GmbH Grafing-i irodájában működő Rocky DEM részleg vezetője, aki a POWTECH kiállítója, részletesen így nyilatkozott: „A mechanikai folyamattechnikában eddig csak kevéssé vagy egyáltalán nem alkalmazták a fizikai szimulációt. Általában a tapasztalatokra vagy laboratóriumi próbákra hagyatkoznak. A laboratóriumi tesztekből való nagyüzemi méretekre való átálláskor és egy ismert gyártási berendezésről egy újra való átálláskor azonban rendszeresen szembesülnek korlátokkal. Itt a szimuláció segíthet megérteni a főbb befolyásoló tényezőket és meghozni a helyes döntéseket a folyamatparaméterekkel kapcsolatban. Ez jelentős költségmegtakarításhoz vezet, mivel csökken a gyártási berendezés utólagos beállításának kockázata. Emellett paramétertanulmányokat, érzékenységi elemzéseket és optimalizálásokat lehet végezni, hogy megtalálják a legjobb folyamatparamétereket.”

Milliónyi részecske egyedileg szimulálva

Ezért a fenntartható gyártáshoz alapos ismeretekre van szükség az egyes folyamatok fizikai hatásairól, az úgynevezett „egységműveletekről”, amelyek összessége adja a teljes folyamatot. Itt is a fizikai szimuláció vezethet lényeges felismerésekhez és a gyártási folyamat fejlesztéséhez. A mechanikai folyamattechnika erősen befolyásolt a részecske- és anyagáramlások által. Az anyagot és a silózott anyagot aprítják, szállítják, osztályozzák, keverik, szétválasztják és kezelik. Egész alkatrészeket szállítanak, válogatnak, kezelnek és tovább dolgoznak. „A Discrete Element Method (DEM) segítségével ezeket a folyamatokat szimulálni, megérteni és optimalizálni lehet,” mondta Dr. Ferreira. „Ez magában foglalja minden részecske mozgásának és érintkezésének figyelembevételét. Nagyon nagy részecskemennyiség esetén, gyakran több millió részecskéről van szó, ehhez megfelelő, erőteljes hardver szükséges. A GPU-technológia (GPU = Graphics Processing Unit) alkalmazásával ma már a DEM segítségével sokkal nagyobb részecskemennyiséget és a részecskék valódi formáját lehet szimulálni.”

Részecskeszimuláció optimalizálja az üzemeket – A kőbányától a tablettagyártásig

A keverési folyamatok minőségellenőrzése a keverő és a termelési kapacitás mérésével történik. A keverő mérésének gyakorlati kivitelezése rendkívül nehéz, mivel az üzemet le kell állítani, és a hozzáférés csak korlátozott mintavételt tesz lehetővé. „Itt a DEM-szimuláció segít átláthatóvá tenni a folyamatot, mivel a megfelelő statisztikai értékeléssel bármikor és bármilyen helyen meghatározhatjuk a kvantitatív keveréket. Ezáltal meg lehet határozni a befolyásoló tényezők és bemeneti paraméterek hatását, és ajánlásokat lehet tenni a legoptimálisabb működési paraméterekre.”

A gyógyszeriparban a tabletták bevonása fontos része a gyártási folyamatnak. Bár a tablettában található drága hatóanyag, a színeltávolítás nélküli felületeket rendkívül precízen és a legkisebb sérülés nélkül kell elkészíteni az ügyfél-elvárások miatt. Ezek a bevonási folyamatok rendkívül kritikusak, mert már kis mennyiségű törött élű tabletta esetén is selejtre kerül, ami magas költségekkel jár. A DEM-szimuláció segítségével a skálázás és a folyamatparaméterek úgy állíthatók be, hogy minimalizálják a selejtet.”

„Becslések szerint a következő három-öt évben a DEM-szimuláció a mechanikai folyamattechnika alapértelmezett eszközévé válik. Ez összehasonlítható a gépészmérnöki területen tapasztalt helyzettel, ahol az elmúlt 15 évben a Finite Element Method (FEM) vált az alapértelmezett, rendszeresen alkalmazott eszközzé. És ahogyan a gépészmérnöki szektorban, úgy a szimuláció jelentősen meg fogja változtatni a folyamattechnikát is,” összegzi Dr. Ferreira.

POWTECH 2020 Különkiadás: Biztonságos hálózatépítés

A POWTECH 2020 Különkiadásán is szerepet kapnak a legújabb fejlesztések a szimuláció területén – mind a szakmai fórumokon, mind a kiállítók körében. Az idei kiadás különösen a tudásátadásra helyezi a hangsúlyt a globális koronavírus-járvány hatásai miatt. A POWTECH Különkiadásának központi eleme a szakmai fórumok, amelyek a biztonsági előírások figyelembevételével két kiállítási csarnokban kerülnek megrendezésre. A kísérő szakkiállítás lehetőséget ad minden kiállítónak, hogy innovációikat hatékonyan és vonzó módon mutassák be. Az előre meghatározott standépítési koncepciók és a nagyméretű találkozóterek biztosítják minden higiéniai és biztonsági előírás betartását. A szakmai program egyes részei a rendezvény után online elérhetővé válnak a résztvevők számára.