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Design Thinking, Lieferkette

Numerisches Design von Transportverpackungen. Anwendung und Perspektiven

10 Januar 2023

Moderne Computersimulationen ermöglichen eine genaue digitale Darstellung von Objekten und den Auswirkungen, denen sie ausgesetzt sein können. Diese Methode eignet sich hervorragend bei der Entwicklung von Produkten, die aufgrund ihres Verwendungszwecks eine hohe Festigkeit aufweisen müssen. Bei Knauf Industries wird sie täglich bei der Konstruktion und Entwicklung und Entwicklung von hochmodernen EPP– und EPS–geschäumten Transportverpackungen eingesetzt.

Warum lohnt es sich, computergestütztes Design zu verwenden?

Bei der Computersimulation werden Objekte und ganze Systeme kopiert und ihr Verhalten unter verschiedenen Bedingungen untersucht. Bei der Simulation unterschiedlichster Belastungen, denen das Produkt ausgesetzt sein kann, lassen sich Schwachstellen sehr einfach beseitigen und Korrekturen vornehmen. Alles spielt sich in einem virtuellen Raum ab, was in Bezug auf das Design bedeutet, dass keine Rohstoffe verschwendet werden und Zeit gespart wird, da Änderungen mit einem einzigen Klick vorgenommen werden können. Am digitalen 3D–Modell können selbst sehr gründliche Modifikationen mehrmals vorgenommen werden, und der endgültige Prototyp ist fast serienreif. Vor allem aber ermöglicht die numerische Simulation die Umsetzung auch sehr kühner Innovationen und die exakte Personalisierung von Behältern und Verpackungen nach Maß ohne zusätzliche Kosten.

CAD-Systeme – wie kann man sie effektiv nutzen?

CAD steht für Computer Aided Design, also computergestütztes Design. Mit diesem Namen wird nicht nur die Software Autodesk AutoCad bezeichnet, sondern auch eine ganze Reihe verschiedener CAD–, CAE– (Computer Aided Engineering) und CAM– (Computer Aided Manufacturing) Werkzeuge, die von Ingenieuren beispielsweise bei der Berechnung der Festigkeitsparameter einer Struktur und anschließend bei der Fertigung im Rahmen des Design for Manufacturing (DFM) eingesetzt werden. In der Vergangenheit existierten sie als getrennte Programme, aber heute verschwimmen die Grenzen zwischen ihnen, da die CAD–Systeme durch CAM– und CAE–Module ergänzt werden. So entsteht eine einheitliche Designplattform, dennoch findet jedes dieser Module seine spezifische Anwendung in einer bestimmten Branche.

CAE-Werkzeuge im Automobilsektor haben es ermöglicht, die Produktentwicklung erheblich zu beschleunigen, die Kosten zu senken und gleichzeitig die Sicherheit, den Komfort und die Haltbarkeit zu verbessern v sowohl bei den Fahrzeugkomponenten als auch bei den Fahrzeugen selbst. Gleiches gilt für Transportverpackungen. Eine entscheidende Rolle spielt dabei die Zuverlässigkeit der Darstellung der Belastungen und Beanspruchungen, denen die einzelnen Teile in verschiedenen Situationen bei Verladung, Transport und Lagerung ausgesetzt sein können.

2D– und 3D–CAD–Systeme für die Konstruktion von Kunststoff–Mehrwegverpackungen

Es gibt zwei Arten von CAD–Konstruktionssystemen: 2D und 3D. Erstere fungieren als virtuelles Zeichenbrett und werden daher häufig verwendet, zum Beispiel bei der Erstellung von Konzeptskizzen. Wesentlich fortschrittlicher sind 3D–Programme, in denen komplexe Körper im Raum modelliert werden können, und sie werden häufiger beim Design von EPP– oder EPS–Verpackungen verwendet. Noch mehr Möglichkeiten bietet eine Software vom Typ CAE, mit der nicht nur Festigkeitsberechnungen für verschiedene Arten von Objekten durchgeführt werden können, sondern auch deren Verhalten unter bestimmten Belastungen, Vibrationen oder Temperaturen überprüft werden kann. Bei Knauf Industries führen wir Tests an unseren Produkten unter realen Bedingungen durch, um die erhaltenen Ergebnisse mit der Computersimulation korrelieren zu können und deren hohe Glaubwürdigkeit sicherzustellen. Darüber hinaus ermöglicht es unsere spezielle Software, die genaue Form der zu transportierenden Teile zu reproduzieren und direkt auf die Verpackungsform zu übertragen. Selbst wenn der Kunde kein 3D–Modell eines bestimmten Teils hat, können wir es erstellen, indem wir ein vorhandenes Produkt mithilfe von 3D–Scanning und Reverse–-Engineering–Technologie abbilden.

Wie kann der Entwurfsprozess mit CAE-Software beschleunigt werden?

Modellierung und Computersimulationen.
Modellierung und Computersimulationen.

Sie heute verwendeten computergestützten Design-Programme haben bereits ein so hohes Maß an Vorhersagefähigkeit erreicht, dass der Verifizierungsprozess von Projekten weitgehend virtuell ist. Die Analyse mit Hilfe von CAE-Software macht nicht nur weitere Prototypen überflüssig, sondern ermöglicht es auch, Schwachstellen im Design im Voraus zu erkennen und zu korrigieren. Derzeit verfügen wir über hochspezialisierte Werkzeuge, mit denen wir unsere EPP- und EPS-Verpackungen verschiedenen statischen und dynamisch-mechanischen Tests sowie Wärmeübertragungssimulationen unterziehen können. In der Praxis würde dies physikalische Messungen erfordern, die keine so hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit bieten. Die bei IDlab entwickelten Tools ermöglichen es, die Leistungsparameter der von uns hergestellten Verpackungen aus verschiedenen Materialien wie EPP, EPS oder Thermoplasten eindeutig zu bestimmen. Die Zuverlässigkeit der Darstellung von realen Situationen ist in diesem Fall entscheidend, da die beim Transport verwendeten Verpackungen teilweise extremen Belastungen ausgesetzt sind.

Beispiele für 3D-Modellierung und Computersimulationen von Verpackungen von Knauf Industries

Einer der Tests, die wir durchführen, ist eine Computersimulation des Falls eines Metallteils aus einer bestimmten Höhe auf die Verpackung. Auf diese Weise lassen sich die strukturelle Festigkeit, der Grad der Verformung und das Absorptionsvermögen des Materials genau bestimmen und damit überprüfen, wie wirksam es den Inhalt vor Schäden schützt. Solche dynamischen Simulationen können auch andere Szenarien antizipieren, wie den Fall einer leeren Verpackung, Verpackungen mit bestimmten Inhalten und vieles mehr.

Beim statischen Test hingegen wird z. B. geprüft, inwieweit sich eine Verpackung verformt, wenn eine andere Verpackung mit Inhalt darauf gestellt wird. Der Vektor der auf das Produkt wirkenden Kräfte ist in diesem Fall von oben nach unten gerichtet, aber auch die auf den darüber gestapelten Behälter wirkenden Kräfte können untersucht werden. Durch die Visualisierung von Verformungen kann nach einem Austausch mit dem Kunden der akzeptable Verformungsgrad bestimmt und ggf. Änderungen vorgenommen werden z. B. die Erhöhung der Dichte des verwendeten Materials, die Wandstärke oder sogar der Austausch des Materials. Auch die thermische Simulation von Verpackungen ist eine äußerst nützliche Prüfmethode. Die Bestimmung der Temperaturausbreitung ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere in der FMCG- oder Medizinbranche. Ein solcher Test kann zum Beispiel die Simulation eines Eiswürfels in einer Verpackung beinhalten.

Computergestütztes Verpackungsdesign – Zusammenarbeit mit Knauf Automotive

Das Spektrum der in den Labors von Knauf Industries durchgeführten Tests ist viel breiter und kann auch andere Analysebereiche, Teile aus anderen Materialien oder sogar fertige Baugruppen umfassen. Aktuell können wir beispielsweise die Festigkeit eines mit Aluminium- oder Stahleinlagen verstärkten Rücksitzes, das Verhalten einer Pkw-Fußstütze oder sogar des gesamten Sitzes bei einem Aufprall testen. Die numerische Simulation ist derzeit ein intensiv entwickelter Bereich bei Knauf Industries, denn sie ist der optimale Ausgangspunkt, um unser Portfolio systematisch zu verbessern und neue Anwendungen für unsere Materialien und Technologien in den Bereichen Sicherheit, Energieeffizienz und Design zu finden. Sie ermöglichen auch eine akribische Machbarkeits- und Kostenanalyse. Gerne beraten wir Sie diesbezüglich individuell, wir laden Sie herzlich zur Zusammenarbeit ein!

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