Mit wenigen Gramm Millionen sparen

Exklusiv in KEM Autor: Michael Brückmann, Director Field Marketing Eurocentral bei Dassault Systèmes, F-Vélizy-Villacoublay

Um den o.g. Anforderungen gerecht zu werden, setzt Amcor PLM-Anwendungen ein. Das Ergebnis kann sich sehen lassen: 50 % kürzere Zykluszeiten in der Konstruktion, bessere Kommunikation zwischen Konstrukteuren und Technikern, weniger physische Prototypen, leichtere Behälter in besserer Qualität bei weniger Materialverbrauch und kürzere Markteinführungszeit.

Angesichts hoher Stückzahlen ist bei der Herstellung von PET-Behältern die verwendete Materialmenge von großer Bedeutung. „Wenn zu wenig Material eingesetzt wird, leidet die Qualität der Behälter. Setzen wir zu viel Material ein, bekommen wir ein Kostenproblem“, so Suresh Krishnan, Group Manager bei Amcor Advanced Engineering Services. Um die richtige Balance hinzubekommen, setzt Amcor die PLM-Anwendungen Catia, Enovia und Simulia von Dassault Systèmes ein. Im Geschäftsjahr 2010 konnte Amcor damit den Kunststoffverbrauch insgesamt um 60 000 Tonnen senken. Die kumulierten Einsparungen von 2006 bis 2010 betragen nahezu 160 000 Tonnen – das entspricht einer Ladung von über 1600 Eisenbahnwaggons.

„Ein PET-Behälter ist im Grunde ein einfaches Produkt. Aus Sicht der Konstruktion liegen ihm allerdings anspruchsvolle Aufgabenstellungen zugrunde“, so Krishnan. Die beliebte, blasgeformte 2-Liter-Flasche für kohlensäurehaltige Erfrischungsgetränke muss beispielsweise individuell nach den jeweiligen Markenvorgaben entworfen werden, ohne dass sie in der Prozesskette aus Abfüllung, Kohlensäurebefüllung, Verschließen, Etikettieren, Verpacken und Versenden ihre Form verliert. Heißbefüllte Behälter sind noch schwieriger zu entwerfen, da sie zusätzlich noch den Temperatur- und Druckschwankungen standhalten müssen. Um einen derartigen Hochleistungsbehälter kostengünstig und mit minimalem Materialeinsatz produzieren zu können, setzt Amcor auf Computermodellierung. Damit ist es möglich, das Verhalten einer Flasche noch vor deren Herstellung zu simulieren oder virtuell zu testen. Amcor setzt dabei Abaqus Unified Finite Element Analysis (FEA) von Simulia ein. Damit können Simulationsdaten für Konstruktionsänderungen, Materialstärkenparameter und Fertigungsprozessoptimierung so genutzt werden, dass sich die leichtest mögliche Konstruktion mit dem geringst möglichen Materialeinsatz unter Einhaltung der geltenden Vorschriften realisieren lässt.

Ausgehend von einem Konzept, das Amcor mit seinem Kunden vereinbart hat, erstellen die Konstrukteure ein virtuelles 3D-Modell in Catia. Hierbei nutzen sie angepasste Skripte und Vorlagen aus Catia, um Parameter zu bestimmen, die für die abschließende Konstruktion einer Flasche von großer Bedeutung sind, wie Fläche, Volumen und Gewicht. „Dank Catia sparen wir eine Menge Zeit“, so Krishnan. „Anstatt eine Konstruktion von Grund auf neu zu erstellen, können wir eine vorhandene Konstruktion heranziehen und diese in kurzer Zeit modifizieren. Wenn aufgrund der Analyse in Abaqus konstruktive Änderungen notwendig sind, wird das Modell in Catia entsprechend angepasst.“ Laut Krishnan ist Amcor dank Catia in der Lage, den Zeitaufwand für die mechanische Konstruktion der meisten Projekte von ehemals mehr als zwei Wochen auf lediglich zwei Tage zu senken. Mit Power Copy und den Know-how-Vorlagen aus Catia lassen sich definitionsbasierte Kataloge erstellen. Amcor verbessert damit die Durchlaufzeiten und erfasst Best Practices, die die Konstrukteure dann als Ausgangspunkt für neue Projekte nutzen, anstatt von Grund auf neu beginnen zu müssen. Sobald das Team eine Konstruktion fertiggestellt hat, wird in Abaqus Unified FEA eine Simulation anhand physischer Daten durchgeführt. Ein typisches Abaqus-Modell für eine Kopflastanalyse, beispielsweise für die Flaschenkapselung oder das Stapeln, umfasst etwa 150 000 Schalenelemente und etwa 350 000 Freiheitsgrade. Eine noch komplexere Eulersche-Lagrangesche Fallprüfanalyse, bei der die Fluid-Struktur-Wechselwirkung zwischen Behälter, Inhalt und Boden gleichzeitig erfolgt, kann sogar 800 000 Freiheitsgrade aufweisen.

Im Unterschied zur früher verwendeten FEA-Software kann Amcor jetzt sämtliche Anforderungen an die Konstruktion untersuchen. „Abaqus ist für uns ganz klar die bessere Wahl. Uns steht damit ein Spektrum an Simulationsmöglichkeiten zur Verfügung, das deutlich mehr Leistungsanforderungen an PET-Behälter abdeckt“, so Krishnan. Nach Vorlage der FEA-Ergebnisse hat das Team von Krishnan eine klare Faktenlage für die Umsetzungsgespräche mit den Industriedesignern von Amcor. Anhand mehrerer Interaktionen zwischen Catia und Abaqus erarbeiten beide Teams gemeinsam die beste Lösung in Bezug auf Design, Leistungsverhalten und Funktionalität eines bestimmten Behälters. „Aufs Jahr gerechnet wollten wir die Zahl der konstruktiven Überarbeitungen um 20 Prozent senken“, meint Krishnan. „Dieses Ziel haben wir bereits deutlich übertroffen.“

Diese zahlreichen Faktoren und Variablen summieren sich zu einem großen Simulationsdatenvolumen. Amcor verwaltet die von der Abteilung Advanced Engineering Services erzeugten Daten mit Enovia. „Jeder, der bei uns Informationen zu einem bestimmten Projekt sucht – sei es ein Konstrukteur oder ein Fertigungstechniker – kann die aktuellen Daten in standardisierter Fassung aus Enovia abrufen. Das ist ein großer Vorteil“, so Krishnan. „Enovia speichert die Historie jeder Iteration automatisch und ermöglicht damit unseren Projektteams eine denkbar einfache Bezugnahme, Nachverfolgung und Kommunikation.“

Die wachsende PLM-Kompetenz von Amcor ist treibende Kraft hinter der Leichtbauinitiative des Unternehmens. Dank der erweiterten Simulationsmöglichkeiten mit Abaqus konnte Amcor beispielsweise einen ehemals 81 g schweren Behälter auf nur 59 g verschlanken: eine Materialersparnis von nahezu 27 %. „Mit der Simulation sind wir in der Lage, viel mehr Optionen als üblich durchzuspielen und mehrere Konstruktionen miteinander zu vergleichen. Die Ergebnisse verwalten wir mit Enovia – somit stehen sie allen Beteiligten jederzeit zur Verfügung“, erläutert Krishnan.

Amcor überprüft die virtuellen Tests zwar weiterhin durch physische Tests, aber dank der ständig wachsenden Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Computerergebnisse konnte das Unternehmen die Zahl der physischen Prototypen erheblich reduzieren.

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