Newsletter / TS Raport 
Zamów

Systematyczne podejście popłaca 

18 stycznia 2018

Brita - Producent najwyższej jakości produktów do uzdatniania wody pitnej wspomagając swój rozwój wykorzystuje program symulacyjny Varimos stworzony przez firmę Simcom.

Woda jest źródłem życia. Przez dziesięciolecia firma Brita GmbH z siedzibą w Taunusstein w Niemczech wyspecjalizowała się oczyszczaniu tego delikatnego zasobu poprzez eliminację zanieczyszczeń, związków zapachowych oraz niewielkich cząstek, obniżając zawartość węglanów odpowiedzialnych za twardość wody. Firma produkuje systemy filtracji na rynek odbiorcy indywidualnego jak również dla profesjonalnych użytkowników w celu uzyskania świeżej wody o dobrym smaku.

Seria filtrów ciśnieniowych Purity C stworzona jest do zmiękczania wody w przypadku dużych zużyć. (© Brita)

Istnieją duże wyzwania, które należy pokonać podczas masowej produkcji filtrów. Seria filtrów ciśnieniowych Purity C, stworzona do usuwania węglanów z wody wykorzystywanej przez dostawców i przetwórców artykułów spożywczych np.: w piekarniach, dużych kuchniach oraz automatach handlowych, musi spełnić surowe wymogi w kilku obszarach, co przekłada się na wymogi stawiane filtrom. Należą do nich dobór odpowiedniego materiału, który musi spełniać normy stawiane produktom przeznaczonym do kontaktu z jedzeniem, odpowiedni sposób przetwarzania tego tworzywa oraz wytrzymałość detalu na zgniatanie, w celu zapewnienia bezpiecznego użytkowania filtra.

Zaawansowane mozliwości inżynierii

Seria produktów Purity C od kilku lat osiąga sukces rynkowy. Głównym celem podczas ich rozwoju było dostosowanie się do wysokich wymagań rynkowych i prawnych. Aby sprawdzić i zatwierdzić proces produkcyjny, konieczne było uwzględnienie wymogów bezpieczeństwa, kryteriów ekonomicznych i ekologicznych. Brita określiła cele projektu:

  • spełnienie wymogów prawnych i bezpieczeństwa produktu
  • zoptymalizowanie zużycie materiału
  • skrócenie czasu cyklu
  • obniżenie wskaźników braków
  • poprawa jakości
  • skrócenie czasów przestojów

Prace inżynieryjne zostały przeprowadzone na najlepiej sprzedającym się produkcie Brita, który jest wytwarzany z polipropylenu (PP-GF20) wzmacnianego 20% włókna węglowego. Szczególną uwagę zwrócono na projekt wyprasek.

Holistyczne podejście projektowe

Tradycyjne podejście do projektowania części formowanych wtryskowo polega na niskich wstępnych nakładach kapitałowych. Często oznacza to, że firmy muszą zainwestować dużo pieniędzy i czasu w okresie późniejszym, korygując błędy projektowe pojawiające się podczas prób. Jednakże, firmy Brita oraz Simcon postawiły na inne podejście. Wykorzystując oprogramowanie do symulacji na całej linii procesowej, tworząc wirtualny projektu detalu, formy oraz procesu.

Jochen Zöller, Kierownik Działu Produkcji Filtrów Ciśnieniowych, był przekonany, że w celu uzyskania najlepszych rezultatów, należy stworzyć zespół ekspertów reprezentujących wszystkie strony uczestniczące w procesie wytwarzania, zarówno zewnętrznych poddostawców i pracowników firmy.

I tak - Dr. Michael Gierth, Dyrektor Techniczny firmy Simcon kunststoff technische Software GmbH, odpowiedzialny był za kierowanie projektem. Dostawca oprogramowania z Würselen w Niemczech, wziął odpowiedzialność za symulację oraz zatwierdzanie procesu. Zadanie analizy strukturalnej powierzone zostało firmie Part Engineering GmbH z Bergisch Gladbach w Niemczech.

Wspomagana komputerowo optymalizacja procesu

„Najpierw poświęciliśmy dużą ilość czasu analizując bieżące procedury” – mówi Jochen Zöller. Analiza określiła potencjał optymalizacji połączenia dwóch części, z których składa się wkład filtra. Ten słaby punkt został skorygowany poprzez optymalizację grubości ścianki w rejonie przewężki w celu uzyskania zbalansowanego wypełniania gniazda formującego oraz poprawę projektu systemu chłodzenia w formie wtryskowej, uzyskując pożądane ograniczenie odkształceń.

Z tego powodu, zespół projektowy skupił się na optymalizacji geometrii oraz sterowaniu temperaturą, tak aby proces był na tyle stabilny, by mógł sprostać warunkom produkcyjnym. Zastosowano wyłącznie system chłodzenia konformalnego, który zapewni pożądaną jakość wypraski.

 
Użyto oprogramowania Varimos do pierwszej optymalizacji grubości ścianki części w rejonie przewężki, w celu uzyskania zrównoważonego wypełnienia i zamierzonego wpłynięcia na orientację włókien wypełniacza. Następnym etapem była wzajemna wymiana pomiędzy symulacją procesową oraz symulacją strukturalną. Stworzono wirtualny scenariusz awaryjny z pomocą obu systemów oprogramowania, które zostały ze sobą sparowane.

Pozwoliło to na wyciągnięcie kluczowych wniosków z punktu widzenia mechaniki procesowej i strukturalnej odnośnie grubości ścianki, która jest konieczna do zapewnienia odpowiedniej odporności na ciśnienie. Nakreślono ograniczenia projektowe w celu określenia możliwych poziomów swobody dla dostawcy.

Proces zgrzewania wymaga, aby wypraska utrzymała okrągłość. W przypadku braku zbalansowanego wypełnienia, niewłaściwa orientacja włókna prowadzi do owalizacji detalu ( po lewej). Dzięki optymalizacji (po prawej) skorygowano ten problem. (źródło: Simcon).

Wszyscy partnerzy przy stole

Wyniki analizy zostały skierowane do drugiego etapu - projektowania formy. „Podczas kolejnych rozmów, przy stole zasiedli również projektanci formy oraz technolodzy wtrysku” – mówi Dr. Michael Gierth. „Ważne było, aby komunikacja przebiegała bez przeszkód oraz aby wykorzystywać wiedzę i doświadczenie wszystkich uczestników.”

Jednym z głównych kryteriów była efektywność produkcji wtryskowej. Proponowana modyfikacja narzędzia miała zapewniać większą trwałość formy dzięki zastąpieniu elementów formujących z brązu (rodzaj: Ampcoloy) na bardziej wytrzymałe stale. Pomimo tego, że zastosowano stale o wysokiej przewodności cieplnej, narzucone wymogi termostatowania narzędzia wymogły konieczność
udoskonalenia koncepcji układu chłodzenia.

Wszelkie modyfikacje zostały zatwierdzone poprzez przeprowadzenie symulacji optymalizacji systemu chłodzenia elementów formujących, która została potwierdzona ponownie poprzez kolejne symulacje. Dzięki symulacjom możliwe było przejście do trzeciego etapu.

W miarę postępu projektu, zawsze przeprowadzano równoległe symulacje w celu odzwierciedlenia jego stanu bieżącego. „Pewność, że symulacje są aktualne, jest niezbędna przy prowadzeniu projektu i zatwierdzaniu podjętych decyzji” – wyjaśnia kierownik projektu Dr. Michael Gierth.

Bliska współpraca z wykonującą formę narzędziownią pozwoliła na poprawne wdrożenie tych wyników. W tym celu, parametry procesowe do produkcji masowej były monitorowane poprzez zainstalowanie w każdym z gniazd formujących czujników ciśnienia i temperatury (producent: firma Priamus). Zostały stworzone dwie formy, każda z dwoma gniazdami formującymi oraz konformalnym
systemem chłodzenia w celu wyprodukowania dwóch zoptymalizowanych wyprasek.

Praktyczne wdrożenie przed testem ciśnieniowym

Wykorzystanie sensorów i analiza pozwoliły na zatwierdzenie zrównoważonego wypełnienia formy z podobnymi krzywymi ciśnieniowymi. Co więcej, próby zostały przeprowadzone z pomocą wyznaczników oraz analizy strukturalnej Varimos. Ujawniło to obszar dla dalszych eksperymentów geometrycznych (DoE). Te wchodziły w zakres kompetencji zamówionego przetwórcy tworzyw sztucznych i zostały przeprowadzone pod nadzorem Dr. Michaela Giertha z użyciem przenośnego Varimos Real System.                                                                                  

W ciągu 10 prób, każde ustawienie maszyny zostało zapisane wraz z wyprodukowanymi wypraskami oraz zapisanymi krzywymi przebiegów zarejestrowanych przez sensory. Co więcej, rozkład temperatury rozformowania został zapisany z użyciem kamery termowizyjnej.

 

Optymalizacja grubości ścianki w rejonie przewężki pozwala na selektywne wpływanie na front przepływu oraz zapewnia zrównoważone wypełnienie

(źródło: Simcon)

Dane te posłużyły, jako dane wejściowe do obliczenia optymalnych ustawień wtryskarki przy produkcji masowej. Minimalny czas cyklu oraz pożądany poziom stabilności procesowej zostały dokładnie ustawione.

Pierwotna (po lewej) oraz zoptymalizowana (po prawej) geometria wypraski: W zoptymalizowanej geometrii części, miejscowe pogrubienia ścianki widoczne w rejonie wlewowym pokrywy ułatwiają przepływ. (źródło: Simcon)

W następnej kolejności pracownicy firmy Brita przeprowadzili testy ciśnieniowe. Okazało się,że przeprowadzona symulacja pozwoliła na bardzo dokładne określenie, kiedy nastąpi awaria. „Byłem bardzo zaskoczony, kiedy okazało się, że przewidywania mogą być aż tak dokładne” mówi Jochen Zöller. Na podstawie wyników oraz testów końcowych, zespół zatwierdził formy i następnie dał zielone światło dla produkcji masowej.

Wzorzec dla dalszych projektów rozwojowych

Proces produkcyjny dla serii filtrów Purity C był stabilny od momentu uruchomienia produkcji. Wdrożenie wyników projektowych pozwoliło na osiągnięcie celu określonego przez Britę na początku projektu.

Firma pozyskała cenną wiedzę, która zarządzana jest na miejscu przez odpowiedni system dokumentacyjny. Co więcej, Brita była w stanie stworzyć standardowy proces dla projektów rozwojowych z udziałem partnerów zewnętrznych, który jest obecnie wykorzystywany w Taunusstein jako „wzorzec” dla przyszłych projektów. Pozwoliło to firmie Brita na stałe skrócenie czasu rozwoju produktu
poprzez ograniczenie ilości korekt.

Zastosowanie systematycznego podejścia na etapie rozwojowym wpłynęło pozytywnie na:

  • jednostkowy koszt produkcji
  • skrócenie okresów przestojowych
  • ogromne ograniczenie wskaźnika braków
  • ograniczenie negatywnego wpływu na środowisko poprzez zaoszczędzenie zasobów węgla

„Jest to inwestycja, która zwróciła się nam kilkukrotnie” – podkreśla Jochen Zöller.

Autor: Volker Gogoll

Tłumaczenie: Grzegorz Chojecki

Artykuł ukazał się w Kunststoffe International 9/2017                                                                                                                                                   

 

 

 

Na górę