Come la simulazione delle particelle cambierà in modo sostenibile la tecnologia dei processi

Con uno sguardo ai temi della tutela del clima e dell'ambiente, o più in generale alla conservazione delle risorse, i clienti chiedono sempre più spesso se il ciclo di vita dei prodotti forniti sia sostenibile. Dalla crisi del COVID-19 sono inoltre al centro dell'attenzione anche le catene di approvvigionamento. Tutti motivi per cui le aziende in futuro dovranno riflettere sull'intero ciclo di vita dei propri prodotti. Le aziende devono considerare non solo aspetti economici, ma anche requisiti ecologici e sociali. L'impiego di avanzati metodi di simulazione può contribuire a una produzione più sostenibile – e questo è anche il tema dell'edizione speciale di quest'anno di POWTECH, dal 30 settembre all'1 ottobre 2020. Con un concetto adattato agli effetti globali del COVID-19, POWTECH come Edizione Speciale di quest'anno si concentra sul trasferimento di conoscenze – tra cui sul tema della simulazione.

In molti settori industriali oggi la simulazione è impiegata come strumento standard nello sviluppo e nell'ottimizzazione dei prodotti. Con il metodo degli Elementi Finiti (FEM) si verifica routinariamente la meccanica strutturale dei componenti. La simulazione fornisce importanti approfondimenti nel processo di sviluppo e, in molti casi, ha ridotto significativamente i tempi di sviluppo di nuovi prodotti.

Ben diverso è il caso della tecnologia dei processi. Qui finora la ottimizzazione delle macchine di flusso è stata affidata principalmente alla Fluidodinamica Computazionale (CFD). Per la simulazione di flussi di particelle e processi meccanici esistono oggi strumenti di simulazione molto moderni, come il metodo degli Elementi Discreti (DEM). Il Dr. Jorge Carregal Ferreira, responsabile del settore Rocky DEM presso la filiale di CADFEM GmbH a Grafing, uno degli espositori di POWTECH, spiega nel dettaglio: «Nella tecnologia dei processi meccanici, finora si utilizza poco o nulla la simulazione fisica. Di solito si fa affidamento sull’esperienza o su prove di laboratorio. Tuttavia, nel passaggio dal banco di prova di laboratorio alla grande installazione destinata alla produzione e nel trasferimento da un impianto di produzione noto a uno nuovo si incontrano regolarmente limiti. Qui la simulazione può aiutare a comprendere le influenze principali e a prendere decisioni corrette riguardo ai parametri di processo. Ciò porta a significativi risparmi sui costi, riducendo il rischio di aggiustamenti successivi dell’impianto di produzione. Inoltre, si possono eseguire studi sui parametri, analisi di sensibilità e ottimizzazioni per individuare i parametri di processo corretti.»

Milioni di particelle simulate singolarmente

Una produzione sostenibile richiede quindi una buona comprensione degli effetti fisici dei singoli processi, chiamati «Unit Operations», la cui somma rappresenta il processo complessivo. Anche qui la simulazione fisica può portare a importanti scoperte e a un miglioramento del processo di produzione. La tecnologia dei processi meccanici è fortemente influenzata dai flussi di particelle e di materiali. Materiali e materie prime vengono frantumati, trasportati, classificati, mescolati, separati e trattati. Interi componenti vengono trasportati, ordinati, trattati e ulteriormente lavorati. «Con il metodo degli Elementi Discreti (DEM) si possono simulare, comprendere e ottimizzare questi processi», spiega il Dr. Ferreira. «Qui si considerano i movimenti e i contatti di tutte le particelle. Con un numero molto elevato di particelle, spesso oltre un milione, è necessario un hardware potente e adeguato. Con l’uso della tecnologia GPU (GPU = Graphics Processing Unit) oggi si può simulare con DEM un numero di particelle molto maggiore e la forma reale delle particelle.»

Simulazione di particelle ottimizza gli impianti – Dalla cava alla produzione di compresse

Il controllo qualità nei processi di miscelazione avviene tramite il tamburo di miscelazione e la capacità di produzione. La misurazione del tamburo di miscelazione è molto difficile nella pratica, poiché bisogna fermare l’impianto e l’accesso consente solo un campione di misura limitato. «Qui la simulazione DEM aiuta a rendere il processo trasparente, perché con la corretta analisi statistica si può determinare in ogni momento e in qualsiasi punto la qualità quantitativa della miscelazione. In questo modo si possono valutare gli effetti dei parametri di influenza e delle grandezze di ingresso, e formulare raccomandazioni sui parametri ottimali di funzionamento.»

Nell’industria farmaceutica, il rivestimento delle compresse è un processo importante nella produzione di compresse. Sebbene il principio attivo costi molto, per motivi di accettazione da parte del cliente le superfici colorate devono essere realizzate con grande precisione e senza il minimo danno. Questi processi di rivestimento sono molto critici, perché anche una piccola rottura del bordo delle compresse comporta lo scarto, con costi elevati. Con la simulazione DEM è possibile impostare scale-up e parametri di processo in modo da minimizzare gli scarti.

«Si prevede che nei prossimi tre-cinque anni la simulazione DEM diventerà uno strumento standard nella tecnologia dei processi meccanici. È paragonabile alla situazione nel settore della meccanica, dove negli ultimi 15 anni il metodo degli Elementi Finiti è diventato uno strumento di uso routinario. E, come nella meccanica, anche nella tecnologia dei processi la simulazione cambierà significativamente le procedure», riassume il Dr. Ferreira.

Edizione speciale POWTECH 2020: Networking sicuro

Anche alla POWTECH 2020 Special Edition le ultime novità nel campo della simulazione giocano un ruolo importante – nei forum specializzati come tra gli espositori. L’edizione di quest’anno, a causa degli effetti globali della pandemia di COVID-19, si concentra in modo particolare sulla trasmissione di conoscenze. Il cuore della POWTECH Special Edition sono i forum specializzati, realizzati in due padiglioni fieristici nel rispetto di tutte le norme di sicurezza. La mostra convegnistica offre a tutti gli espositori l’opportunità di presentare le proprie innovazioni in modo efficiente e attraente. Progetti di stand predefiniti e ampi spazi per incontri garantiscono il rispetto di tutte le norme igienico-sanitarie. Alcune parti del programma saranno disponibili online anche dopo l’evento per i partecipanti.