Keyboard ALT + g to toggle grid overlay
Nieuwe productontwikkelingstechnologieën bereiden een 100 jaar oud bedrijf voor op de toekomst van fabricage
Claudius Peters, een 113 jaar oude fabrikant van apparatuur voor het verwerken van massagoed, ondergaat een transformatie om een digitaal bedrijf voor de 21e eeuw te worden. Generatief ontwerpen betekent een doorbraak voor het bedrijf, omdat het een radicale nieuwe manier biedt voor het benaderen van productontwikkeling en optimalisering. Door deze technologie, die meestal wordt geassocieerd met 3D-printen, toe te passen op traditionele productiemethodes, maakt het bedrijf meer kostenbesparende producten voor een prijsgevoelige industriële markt. Generatief ontwerpen in zware industrie zorgt voor lagere materiaal- en energiekosten en kortere doorlooptijden, zodat Claudius Peters concurrerender kan zijn in tijden van verandering.
Een klassiek bedrijf ziet verandering als een kans
De Duitse fabrikant Claudius Peters illustreert de term 'zware industrie': het bedrijf maakt grote industriële apparatuur en verwerkingsfabrieken voor de cement-, staal-, gips- en aluminiumindustrie. "Wij zijn gespecialiseerd in het verwerken van massagoed", zegt Thomas Nagel, bedrijfsleider bij Claudius Peters (CP). Naast het hoofdkantoor in de buurt van Hamburg, Duitsland, heeft het bedrijf 12 regionale kantoren in Amerika, Europa en Azië.
CP is opgericht in 1906 en maakt al meer dan 100 jaar zeer grote, kapitaalintensieve industriële producten, waaronder transportbanden, silo's en breekmolens. In plaats van zich vast te houden aan deze respectabele historie, helpt Nagel, als hoofd digitalisering, het bedrijf een reputatie op te bouwen als wereldleider op het gebied van digitale innovatie. In 2014 startte Claudius Peters een innovatieve reis om de bedrijfsresultaten met betrekking tot kosten, kwaliteit, leversnelheid en klanttevredenheid te verbeteren. Het bedrijf realiseerde zich echter dat er meer nodig is dan software om concurrerend te blijven in de 21e eeuw. In 2018 begon CP met de verdere transformatie tot een agile bedrijf, waarvoor nieuwe digitale vaardigheden nodig zouden zijn en een cultuur die was gefocust op ontwerpdenken, experimenteren en iteratie.
De innovatiereis begint
De samenwerking met technologiepartners zoals Autodesk is bepalend geweest voor de innovatiereis van Claudius Peters. CP heeft nieuwe tools toegepast, waaronder BIM 360 (Engels), om processen in verkoop, engineering, ontwerp, fabricage en samenstelling met elkaar te verbinden. Het bedrijf heeft ook nieuwe manieren gevonden om fabricageprocessen te stroomlijnen door gebruik van Inventor en analyse volgens de finite element method (FEM, eindige-elementenmethode). Om zijn machines te installeren gebruikte CP Recap om 3D-scans te gebruiken voor het vastleggen van de realiteit en Navisworks voor het vastleggen van gegevens op klantenlocaties, om vervolgens de bestanden snel door te sturen naar engineering- en ontwerpteams in Duitsland. "Hierdoor kunnen we ons werk sneller en kwalitatief beter doen, tegen lagere kosten, wat leidt tot een grotere klanttevredenheid", zegt Nagel,
"Maar daar houdt onze innovatie niet op", voegt hij toe. Geïnspireerd door een demonstratie van generatief ontwerpen in Fusion 360, heeft Nagel een workshop van vier uur georganiseerd voor het CP-team om kennis op te doen over deze opkomende technologie.
De software generatief ontwerpen (Engels) van Autodesk combineert ontwerpdoelen en beperkingen en verkent de mogelijke combinaties van een ontwerpoplossing, waarbij de software snel talrijke opties genereert waaruit gekozen kan worden. Nadat het team heeft geëxperimenteerd met een paar generieke onderdelen, heeft het besloten om generatief ontwerpen te gebruiken voor het optimaliseren van een onderdeel van een van de kernproducten van CP voor de cementindustrie: een klinkerkoelinstallatie.
Wat is een klinkerkoelinstallatie?
De cementindustrie is vanaf de begintijd een steunpilaar voor Claudius Peters geweest. Cementfabrikanten vermengen gebroken steen en verhitten die in een oven tot 1.450 °C, smelten die samen tot brokken ter grootte van een knikker, 'klinker' genoemd. De gloeiendhete klinker wordt in een klinkerkoelinstallatie gelost, een enorme machine van 50 × 25 meter. De klinker wordt door lucht gekoeld tot ongeveer 100 °C terwijl die door de koelinstallatie wordt verplaatst. Volgens wordt de klinker vermalen en met andere ingrediënten vermengd om cement te maken.
CP begon in het begin van de jaren vijftig met het leveren van klinkerkoelinstallaties aan de industrie en heeft meer dan 700 koelinstallaties geproduceerd in de daaropvolgende 60 jaar. Klinkerproductie verbruikt echter veel energie, waardoor de cementindustrie een van de grootste CO2-uitstoters ter wereld is.
In het begin van de jaren nul begon CP met het ontwikkelen van een klinkerkoelinstallatie van de volgende generatie, ontworpen om energie te besparen: de ETA-koelinstallatie, genoemd naar het Griekse symbool 'η' ('eta'), dat als symbool dient voor energiebesparing. "Een van de grote voordelen van onze ETA-koelinstallatie is de uitstekende thermische efficiëntie", zegt Nagel. "Deze energiebesparingen kunnen helpen bij het terugdringen van de negatieve impact van cementproductie op het milieu." Tegenwoordig vervangt CP hoofdzakelijk de aanwezige klinkerkoelinstallaties met ETA-koelinstallaties om de efficiëntie in cementfabrieken te verhogen.
Generatief ontwerpen levert verrassende resultaten
CP besloot om gebruik te maken van generatief ontwerpen om een onderdeel voor de ETA-koelinstallatie te optimaliseren: een onderdeel van zwaar metaal dat onlangs opnieuw is ontworpen om overschot te verwijderen, waarbij gebruik is gemaakt van traditionele ontwerpmethodes. Elke koelinstallatie heeft 50 tot 60 van deze onderdelen, die met bouten aan elkaar zijn vastgemaakt op een reeks lopende banden die de samengesmolten klinker door de ETA-koelinstallatie verplaatsen. "Dit gegoten deel is steeds opnieuw geoptimaliseerd", zegt Maximilian Lerch, technisch ontwerper bij CP. "Het doel was om het gewicht te verminderen en ook de hiermee samenhangende kosten van het metaal. Zelfs een beetje optimalisering van het gewicht zou al een groot effect hebben.
"Het was echt geweldig om alle ingenieurs gezamenlijk rond het computerscherm te zien, terwijl ze keken hoe generatief ontwerpen een geoptimaliseerd, sterk onderdeel maakte uit bijna niets, alleen de restricties", vervolgt Lerch. "Alle iteraties die nodig zijn om tot de beste oplossing te komen, worden door de software gedaan."
Na die eerste vier uur durende sessie met generatief ontwerpen, had het team het eerste resultaat: "We noemden dit het alien-onderdeel ", zegt Nagel. "Het resultaat verbaasde ons, hoe kon dit zo afwijken van ons geoptimaliseerde onderdeel? En 30% tot 40% lichter zijn?"
-
In het cementproductieproces, wordt de gloeiendhete klinker verplaatst van de oven naar de ETA-koelinstallatie, die maximaal 13.000 metrische tonnen klinkers per dag kan verwerken.
-
De klinker wordt op lopende banden door de ETA-koelinstallatie vervoert, waarbij de samengesmolten steen door lucht wordt afgekoeld tot ongeveer 100 °C.
-
Elke ETA-koelinstallatie heeft ongeveer 60 transportonderdelen die op lopende banden zijn geplaatst om de hete klinker door de koelinstallatie te verplaatsen.
-
Het oorspronkelijke transportonderdeel (links) is in 2016 opnieuw ontworpen en is in 14 klinkerkoelinstallaties geïnstalleerd en getest.
-
Het nieuwe ontwerp van het onderdeel (rechts), gebaseerd op een generatief ontwerp, is meer dan 50% lichter dan het origineel, dit levert een significante besparing op wat betreft materiaalkosten en energie.
-
Weergaven tonen de evolutie van het onderdeel van de klinkerkoelinstallatie van het oorspronkelijke zware geometrische ontwerp (bovenste rij, uiterst links) tot generatief ontworpen en nagebouwde iteraties.
Afbeeldingen ter beschikking gesteld door Claudius Peters
Een generatief ontworpen onderdeel toepassen voor traditionele fabricage
De sceptische ingenieurs van Claudius Peters voerden berekeningen en een FEM-analyse uit op het 'alien-onderdeel' en waren verbaasd te ontdekken dat het doeltreffender was dan hun op traditionele wijze geoptimaliseerde versie van het onderdeel. Het team begon het ontwerp te analyseren om uitzoeken hoe ze het konden fabriceren. "Generatief ontwerpen maakt doorgaans gebruik van 3D-printen of andere toegevoegde fabricagemethodes om het product te maken", zegt Nagel. "Onze branche gebruikt geen 3D-geprinte onderdelen, dat is te duur." Door echter ideeën van generatief ontwerpen en traditionele optimalisering te gebruiken, "kostte het ons slechts een week om het onderdeel na te bouwen, zodat we dit kunnen maken met gebruik van traditionele fabricagemethodes."
Samen met de gieterij van Claudius Peters testte het team verschillende fabricageoplossingen met Inventor en FEM-analyse. "We besloten om van een gegoten onderdeel over te stappen naar een oplossing met laser gesneden platen en lassen", zegt Nagel. "We hebben het onderdeel nog 25% lichter, sneller te fabriceren en kostenefficiënter gemaakt." Het team blijft ontwerpopties bestuderen voor het transportonderdeel en vindt aanvullende mogelijkheden voor verbetering en zelfs meer kostenbesparingen. "Het zou al zeer binnenkort in productie moeten gaan", gaat Nagel verder. "Ik verwacht dat het onderdeel binnen een jaar ergens in de wereld in werking zal zijn."
De vruchten plukken van generatief ontwerpen
Het generatief ontworpen onderdeel van CP kan het bedrijf uiteindelijk een behoorlijk bedrag aan geld besparen op elke klinkerkoelinstallatie die het installeert. Nu het transportonderdeel ongeveer 20 kg lichter is, zal het bedrijf ongeveer € 100 per onderdeel besparen, vermenigvuldigd met 60 of meer onderdelen in elke koelinstallatie. Bovendien leidt minder gewicht tot lagere vrachtkosten. "Vanaf het eerste prototype dat we hebben ontwikkeld, geloven we dat generatief ontwerpen ons helpt om tot een betere kostprijs voor onze producten te komen en concurrerender te zijn", zegt Nagel.
Generatief ontwikkelen levert ook een grotere duurzaamheid op. "We kunnen van een zwaarder onderdeel dat in een gieterij in India of Turkije is gegoten, overstappen op een lichter onderdeel: een gelast ontwerp dat we zelfs hier in onze werkplaats kunnen maken", zegt Nagel. "We besparen op materiaal, energie, vervoerstijd en andere negatieve effecten op het milieu."
Claudius Peters staat nu op het punt waarop generatief ontwikkelen een standaardproces wordt voor het optimaliseren van bestaande onderdelen of het ontwerpen van nieuwe. "In de toekomst zullen we uitzoeken welke onderdelen we nog meer kunnen optimaliseren en waarvoor we minder materiaal hoeven te gebruiken", zegt Nagel. "Per onderdeel zullen we bekijken of generatief ontwikkelen dezelfde positieve voordelen oplevert."
Gerelateerde producten
De zoekresultaten kunnen op dit moment niet worden weergegeven. Probeer het later opnieuw.