С точки зрения междисциплинарного моделирования, одна из наиболее сложных задач состоит в том, чтобы превратить купюру из расплавленного стекла в твердую, технически все еще жидкую, стеклянную бутылку. Изготовление стеклянной тары охватывает все виды теплопередачи, а также структурную и гидравлическую механику материала, который меняет свою вязкость на семь порядков при обработке.
Быстрее в лучшую бутылку
Итальянская компания Bottero Spa специализируется на системах для производства высококачественных изделий из стекла; бизнес-единица Hollow Glass разрабатывает и производит машины для производства бутылок и тары. Цель Bottero - предоставить своим клиентам возможность разрабатывать новые, очень легкие изделия из стекла, которые в то же время намного более стабильны и, следовательно, более долговечны, чем предыдущие изделия. В то же время производство должно стоить меньше сырья и энергии, как при плавлении стекла, так и при транспортировке готовой тары. Это позволяет повысить качество продукции при более низких общих затратах.
Задача: производство более легких и стабильных бутылок
Хотя большинство полагает, что стекло - это твердое вещество, на самом деле это переохлажденная жидкость, вязкость которой настолько высока, что молекулы не могут свободно двигаться и образовывать кристаллы. Управление процессом, в котором стекло охлаждается до его (почти) твердого состояния, имеет решающее значение для прочности получаемого стеклянного контейнера.
Более легкие бутылки уменьшают затраты
Проще говоря, бутылку изготавливают, сначала наливая заготовку, которая называется преформой, из определенного количества расплавленного стекла, которого достаточно для одной бутылки. Затем эта заготовка медленно охлаждается и в то же время приводится в окончательную форму. Это делается путем накачивания сжатым воздухом и ряда других процессов.
«Наша цель - сделать более легкие бутылки, которые используют меньше сырья и меньше энергии для плавления, что, в свою очередь, означает снижение производственных затрат. Однако стекло является чувствительным материалом, поэтому мы должны убедиться, что бутылки максимально стабильны », - говорит Ferrari. «Самое важное свойство бутылки - не разбивать».
Гипер-инжиниринг обеспечил надежность
В прошлом прочность стеклянных контейнеров обеспечивалась путем «сверхпрочной» за счет увеличения толщины стенок. Но это привело к тому, что более тяжелые суда стали менее удобными для клиентов и более дорогими в производстве. За последние 20 лет вес типичной стеклянной бутылки уменьшился более чем на 40 процентов благодаря прогрессу в технологии производства и совместному влиянию предпочтений клиентов и экономических требований. И это без потери стабильности или большей хрупкости. Как мы увидим позже, современные, более легкие бутылки часто даже более устойчивы, чем их более тяжелые предшественники.
Внутренние напряжения снижают стабильность
«Если вы хотите изготовить конструкционно устойчивую бутылку, решающее значение имеют две стадии процесса: на первом этапе расплавленное стекло разливается в предварительную форму бутылки. Затем бутылка приводится в окончательную форму в другой форме », - говорит Марчелло Остореро, руководитель отдела разработки и дизайна, который представил инженерное моделирование в Bottero. «Точное попадание в эту окончательную форму чрезвычайно важно для обеспечения структурной стабильности бутылки. Если форма не будет точно нанесена, бутылка может разбиться при нормальном использовании ».
В процессе производства стекло охлаждается от температуры более 1000 ° C до температуры окружающей среды, что увеличивает вязкость на семь порядков от 100 до 1e9P. Если бутылка охлаждается слишком быстро или неравномерно, в стенках сосуда возникают внутренние напряжения, которые снижают его устойчивость.
Знание из опыта
Самая большая проблема заключается в том, что процессы вокруг расплавленного стекла происходят внутри производственной машины и не могут наблюдаться. До сих пор обычным способом оценки этого невероятно сложного процесса было изучение готового продукта и распределения стекла. Потребовалось много опыта, чтобы представить, что могло пойти не так в форме.
«Стабильность стекла во многом зависит от того, как стекло охлаждается во время производства», - говорит Ferrari. «Даже если мы сможем измерить температуру пресс-формы на стекольном заводе, без моделирования мы практически не знаем, какова температура самого стекла. Типичный подход в отрасли - это метод проб и ошибок. Вывод из эксплуатации производственного процесса на месяцы отнимает много времени и стоит очень дорого. И все же вы до сих пор не получили никакого реального понимания процессов.
Моделирование увеличивает ноу-хау
Крупный завод по производству бутылок может производить более двух миллионов бутылок в день или 25 бутылок в секунду. Затраты на эти попытки проб и ошибок или нерешенные проблемы в производстве вызывают высокие затраты. По этой причине Боттеро решил использовать инженерное моделирование, чтобы получить подробное представление о процессе производства. Благодаря этим симуляциям, с одной стороны, процесс, а с другой стороны, качество изготовленных сосудов может быть оптимизировано.
Содержание статьи:
- Страница 1: Будьте очень близки к идеалу с помощью симуляции
- Страница 2: Решение: междисциплинарное моделирование с Star-CCM +
- Страница 3: Результат: более стабильные и легкие бутылки
Следующая страница