Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, setzt die Rigid Plastics Division von Amcor, Melbourne/Australien, dem weltgrößten Hersteller von PET-Behältern, PLM-Lösungen von Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, ein; einschließlich Catia, Enovia und Simulia. Diese dienen der Integration unterschiedlicher Fachbereiche in die übergeordneten Entwicklungs- und Produktionsprozesse. Hiervon betroffen sind neben der virtuellen 3D-Konstruktion auch die Finite-Elemente-Analyse (FEA).

Einfaches, kompliziertes Produkt

„Ein PET-Behälter ist im Grunde ein einfaches Produkt“, erklärt Suresh
Krishnan, Group Manager bei Amcor Advanced Engineering Services. Und ergänzt: „Aus Sicht der Konstruktion liegen ihm allerdings anspruchsvolle Aufgabenstellungen zugrunde.“ Die beliebte, blasgeformte 2-Liter-Flasche für kohlensäurehaltige Erfrischungsgetränke muss beispielsweise individuell nach den jeweiligen Marken-Vorgaben 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 Temperatur- und Druckschwankungen standhalten müssen.
Um einen derartigen Hochleistungsbehälter kostengünstig bei geringem Materialverbrauch produzieren zu können, setzt der Hersteller von Behaältnissen auf Computermodellierung. Damit ist es möglich, das Verhalten einer Flasche noch vor deren Herstellung bereits im Computer zu simulieren oder virtuell zu testen.
Herzstück des Konstruktionsprozesses ist Abaqus Unified Finite Element Analysis (FEA) von Simulia. Die Software ermöglicht es den Entwicklern, Simulationsdaten für Konstruktionsänderungen, Materialstärkenparameter und Fertigungsprozessoptimierung so zu nutzen, dass sich eine möglichst leichte Konstruktion mit geringem Materialeinsatz zur Zufriedenheit der Kunden und unter Einhaltung der geltenden Vorschriften realisieren lässt.

Wenige Gramm sparen Millionen

Die Werke des Unternehmens produzieren Verpackungen für viele führende Marken: Von Erfrischungsgetränken und Salatsaucen bis hin zu Körperpflege- und medizinischen Produkten. Bei diesen Massen-Produkten wirkt sich eine Materialeinsparung von wenigen Gramm aufgrund der großen Stückzahlen erheblich auf die Nachhaltigkeit aus. Krishnan erläutert: „Wenn zu wenig Material eingesetzt wird, leidet die Qualität der Behälter. Wenn zu viel Material eingesetzt wird, bekommen wir ein Kostenproblem. Leichtbau hat für unsere Wettbewerbsfähigkeit in diesen wirtschaftlich schwierigen Zeiten eine strategische Bedeutung. Dem Computer-Aided Engineering (CAE) innerhalb unserer Product-Lifecycle-Management-Umgebung (PLM) kommt hierbei eine zentrale Rolle zu.“ Im Geschäftsjahr 2010 konnte der Produzent seinen Kunststoffverbrauch bereits um insgesamt 60.000 t senken. Die kumulierten Einsparungen von 2006 bis 2010 betragen nahezu 160.000 t – das entspricht einer Ladung von über 1.600 Eisenbahnwaggons.

Anforderungen visualisieren

Ausgehend von einem Konzept, das die Industrial Design Group des Unternehmens mit dem Kunden vereinbart hat, erstellen die Konstrukteure ein virtuelles 3D-Modell in Catia. Hierbei nutzen sie angepasste Skripte und Vorlagen, um Parameter zu bestimmen, die für die abschließende Konstruktion einer Flasche von Bedeutung sind: Fläche, Volumen und Gewicht.
Laut Krishnan ist der Zeitaufwand für die mechanische Konstruktion der meisten Projekte von ehemals mehr als zwei Wochen auf lediglich zwei Tage gesunken: „Anstatt eine Konstruktion von Grund auf neu zu beginnen, können wir eine vorhandene Konstruktion heranziehen und diese in kurzer Zeit modifizieren. Wenn aufgrund der Analyse konstruktive Änderungen notwendig sind, wird das Modell entsprechend angepasst.“ Mit Power Copy und Know-how-Vorlagen lassen sich definitionsbasierte Kataloge erstellen, womit sich die Durchlaufzeiten verbessern. Mit dem erfassen von Best-practices, die die Konstrukteure dann als Ausgangspunkt für neue Projekte nutzen, anstatt von Grund auf neu beginnen zu müssen, stellt das Unternehmen sicher, dass Entwicklungen aus vorherigen Projekten in neue Konstruktionen einfließen und diese von Anfang an den internen Normen entsprechen.
Sobald das Team eine Konstruktion fertiggestellt hat, greifen die Techniker die Geometrie der virtuellen Flasche in Form eines Netzes ab. Anschließend erfolgt eine Simulation anhand physischer Daten. Im Unterschied zur bisher verwendeten FEA-Software können die Ingenieure jetzt sämtliche Anforderungen an die Konstruktion untersuchen. „Uns steht damit ein Spektrum an Simulationsmöglichkeiten zur Verfügung, das deutlich mehr Leistungsanforderungen an PET-Behälter abdeckt“, so Krishnan.

Eingehende Untersuchungen durch Simulation

Die Konstruktion und Produktion von Behältern ist ein multidisziplinärer Prozess, beginnend mit Kopflast- und Unterdrucksimulationen. Darauf folgen Simulationen für Falltests, Blasformen, Zuführen, Einbeulverhalten und Stapelvermögen. „Für uns ist es wichtig, mehrere Lastzustände gleichzeitig simulieren zu können“, so Krishnan. „Wir müssen eine Reihe von Parametern simultan berücksichtigen, beispielsweise Fluid-Struktur-Wechselwirkung, Temperatur, Druck und Materialdehnung.“
Nach Vorlage der FEA-Ergebnisse hat sein Team eine klare Faktenlage für die Umsetzungsgespräche mit den Industriedesignern. Anhand mehrerer Interaktionen zwischen CAD- und FEA-Analyse-Software erarbeiten die Mitarbeiter die beste Lösung in Bezug auf Aussehen, Leistungsverhalten und Funktionalität eines bestimmten Behälters. „Auf das Jahr gerechnet wollten wir die Zahl der konstruktiven Überarbeitungen um 20 Prozent senken“, meint Krishnan. „Dieses Ziel haben wir bereits deutlich übertroffen.“
Auch die Fertigung profitiert von den virtuellen Tests. „Wenn wir durch Simulation einen optimalen Kopflastwert erzielen, können wir diese Daten verwenden, um den Verfahrenstechnikern im Werk die konkreten Abschnittsgewichte zu nennen. So können die Behälter mit dem gewünschten Leistungsverhalten produziert werden“, erläutert Krishnan.

Komplexe Anforderungen

Wenn ausgeprägt nicht-lineare PET-Behälter mit einer heißen Flüssigkeit befüllt werden, schrumpfen sie, da sie sich an ihre ursprüngliche Form (den Vorformling) „erinnern“. Zudem kollabieren sie unter dem Unterdruck, der typischerweise beim Abkühlen der heißen Flüssigkeit entsteht. Heißbefüllte PET-Flaschen müssen daher Unterdruckausgleichsflächen aufweisen (Vakuumpanels), damit die Flasche nicht kollabiert.
„Diese physischen Eigenschaften können wir jetzt mit FEA-Analyse problemlos modellieren. Hierzu setzen wir ein angepasstes Skript für hydrostatische Fluid-Elemente ein, mit dem wir das Verhalten genau simulieren“, so Krishnan.
Zu berücksichtigen sind zudem die verschiedenen Inhalte der jeweiligen Behälter in den Simulationen. Dies betrifft Anpassungen an die Dichte und Viskosität von Flüssigkeiten (vom reinen Wasser bis hin zu zähen Farben) ebenso wie die Innendruckschwankungen, die für kohlensäurehaltige Erfrischungsgetränke typisch sind.

Erleichterte Datenverwaltung

Diese zahlreichen Faktoren und Variablen summieren sich zu einem großen Simulationsdaten-Volumen, das die Software Enovia Smarteam verwaltet. Sie erleichtert das Organisieren und Auffinden sämtlicher Daten und dient gleichzeitig zur Verwaltung aller Prozesse, die die Synchronisierung der Daten ermöglichen.
„Jeder, der bei uns Informationen zu einem bestimmten Projekt sucht – sei es ein Konstrukteur oder ein Fertigungstechniker – kann die aktuellen Daten in standardisierter Fassung abrufen. Das ist ein großer Vorteil“, so Krishnan. „Das System speichert die Historie jeder Iteration automatisch und ermöglicht damit unseren Projektteams eine denkbar einfache Bezugnahme, Nachverfolgung und Kommunikation.“
Geeignet ist das Programm auch für die Verwaltung von Workflows und Prozessen. „Vom Ursprung her sind wir ein kleines Unternehmen, das durch Akquisitionen gewachsen ist“, erläutert Krishnan. „Im Zuge dieser Akquisitionen mussten wir Prozesse und Aufgabenabläufe definieren, um die Konsistenz unserer Verfahren sicherzustellen. Die eingerichteten Workflows ermöglichen es uns, unsere Projekte nachzuverfolgen und zu verwalten sowie unsere Prozesse wiederholbar zu machen.“
Erscheint ein neuer Arbeitsauftrag, können die Konstrukteure und die Gruppenleiter der jeweiligen Fachbereiche sehen, wann er erteilt wurde. Sie können zudem den Workflow einsetzen, Genehmigungspunkte und Prüfer festlegen und bestimmen, dass bestimmte Unterlagen eingereicht und dem Workflow beizulegen sind, beispielsweise Zeichnungen oder Berichte zur Qualitätssicherung. Die Automatisierung und Nachverfolgung von Workflows macht die laufenden Arbeiten transparent. Diese Übersicht ist zudem die Grundlage für die Zeitplanung in Bezug auf Konstruktion, Pilotanlage und Qualitätssicherung.
„Designer und Manager sehen auf Anhieb, welche und wie viele Arbeitsaufträge sich in den jeweiligen Phasen befinden, wer für die weitere Bearbeitung zuständig ist und wie stark die Pilotanlage ausgelastet ist. Damit sind wir in der Lage, die Termine für die Fertigstellung neuer Projekte abzuschätzen“, so Krishnan. „Dank der Überwachungs- und Reporting-Werkzeuge sehen wir, wie viel Zeit die Konstrukteure für bestimmte Arbeitsaufträge aufwenden; wir sehen, wie viel Arbeit in einer bestimmten Zeit geleistet worden ist, und wir können einschätzen, welches Arbeitsvolumen an einem Tag zu bewältigen ist. Wir nutzen jetzt unsere Workflows als Projektmanagementwerkzeuge, um die Effizienz der Prozesse zu verbessern und Aufschluss über Engpässe zu erhalten.“

Simulationsgestützter Leichtbau

ie wachsende PLM-Kompetenz des Unternehmens ist treibende Kraft hinter der Leichtbauinitiative. Aufgrund der erweiterten Simulationsmöglichkeiten konnte die Firma beispielsweise einen ehemals 81 g schweren Behälter auf nur 59 g verschlanken, eine Materialersparnis von nahezu 27 Prozent. „Mit der Simulation sind wir in der Lage, viel mehr als üblich durchzuspielen und mehrere Konstruktionen miteinander zu vergleichen. Die Ergebnisse verwalten wir zentral über das System – somit stehen sie allen Beteiligten jederzeit zur Verfügung“, erläutert Krish-nan.
Zwar ersetzen die Möglichkeiten zur Simulation zurzeit noch nicht komplett die physischen Tests, doch durch die ständig wachsenden Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Computerergebnisse konnte das Unternehmen die Zahl der physischen Prototypen erheblich reduzieren. „Wir vertrauen den Simulationsdaten, da wir bislang eine enge Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen der Simulation und denen aus unseren physischen Prüfungen feststellen konnten“, so Krishnan. „Wir haben unsere Konstruktionszykluszeit von einem bis eineinhalb Jahren auf neun Monate verkürzt. Entsprechend hohe Einsparungen konnten wir bei unseren Produkt-Entwicklungskosten erzielen.“
Wegen der großen Zahl der Projekte beabsichtigt die Geschäftsführung mittlerweile die Einführung von Stage-gate-Kontrollen. Dies soll sicherstellen, dass die Projekte mit den größten Erfolgschancen mit Nachdruck verfolgt werden, während die weniger aussichtsreichen Projekte eine niedrigere Priorität erhalten. Um dieses und andere Ziele erfüllen zu können, erwägt das Unternehmen den Einsatz eines unternehmensweiten PLM-Systems.
Laut Krishnan konnte die Software-Umstellung den Zeitaufwand zwar um über 50 Prozent senken, doch damit will sich das Unternehmen nicht zufrieden geben. „Unsere Kunden erwarten weitere Verbesserungen. Daher werden wir unsere Prozesskette weiter optimieren. Das gilt sowohl in Richtung Fertigung und Logistik als auch in Richtung Collaborative Engineering und Projektmanagement.“

 

KOSTENEFFIZIENZ

Weniger ist mehr

Amcor Rigid Plastics konnte mithilfe der PLM-Lösungen nachhaltige Änderungen realisieren:
Flaschenkonstruktionen, bei denen der Materialeinsatz um volle 27 Prozent gesenkt wird.
 Die Fähigkeit, mehrere Lastbedingungen gleichzeitig genau zu simulieren, wodurch sich die Zahl der nötigen physischen Prototypen verringerte.
Eine Reduzierung der Konstruktionszykluszeiten um 50 Prozent.
Eine bessere Kommunikation zur effizienteren Problemlösung.
Eine Reduzierung der Konstruktionsänderungen um über 20 Prozent.

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Lisa Roner