SCHOTT solutions Nr. 2/2014 > Forschung & Entwicklung

Laborversuche im Schmelztiegel
Einen wichtigen Beitrag für die Entwicklung der Simulationsmodelle leisten reale Laborversuche im Schmelztiegel. Die dadurch ermittelten Parameter und Werte werden in der Simulation auf die reale Wannendimension übertragen. Foto: SCHOTT/A. Sell

Abbilder der Wirklichkeit


Modellierung und Simulation ermöglichen es SCHOTT, Prozesse und Produkte immer gezielter weiterzuentwickeln – mit Experimenten am Computer.


Thilo Horvatitsch

Mache deine Modelle so einfach wie möglich, aber nicht einfacher!” Auf Grundlage dieses Mottos von Albert Einstein könnte auch die modellierte Glasschmelzwanne zur Berechnung der Blasendichte entstanden sein. Die 3D-Darstellung auf dem Bildschirm zeigt ein buntes Farbspektrum in der Wanne. Rötliche Farben bedeuten: Hier sind noch viele Blasen in der Glasschmelze. Je blauer die Areale, desto weniger Blasen sind enthalten. Ganz einfach, oder? SCHOTT Entwickler und Simulationsexperte Dr. Christoph Berndhäuser schmunzelt: „In diesem selbst entwickelten Glasqualitätsmodell und seinen Möglichkeiten stecken gut 20 Jahre Kompetenzaufbau.”
Wanne mit Blasendichtemodell

Wanne mit Blasendichtemodell


Heute nutzt der Technologiekonzern SCHOTT die mathematische Simulation und Modellbildung bei der Optimierung und Entwicklung nahezu aller technologischen Prozesse und Produkte – in den Geschäftseinheiten wie auch in der Forschung. Mit gutem Grund: Die Simulation erspart oft das aufwendige Ausprobieren und erlaubt Experimente an einem Modell, um Erkenntnisse über ein reales System zu gewinnen oder Vorhersagen zu treffen. Nicht nur das: Neueste Rechenverfahren in Kombination mit ständig wachsenden Computerleistungen ermöglichen die Durchführung umfangreicher Parameterstudien, die mit herkömmlichen Versuchen kaum effizient zu gewinnen wären. Dies verschafft Technologieunternehmen im Rennen um steigende Qualitätsansprüche und immer kürzere Innovationszyklen einen entscheidenden Vorsprung. SCHOTT setzt darum Simulation und Modellierung entlang der gesamten Prozesskette der Glasproduktion ein: vom Schmelzen, Läutern und Heißformen über Kühlung, Keramisierung und 3D-Formung bis zur Produktqualifizierung. Durch die Weiterentwicklung und Automatisierung von Datenanalyse-Instrumenten werden außerdem wichtige Zusammenhänge aus den realen Produktionsdaten ermittelt. Auch für die Simulation von morgen nimmt das Unternehmen spannende Themen ins Visier – etwa die Materialmodellierung von Gläsern, Glaskeramiken und Kunststoffen (siehe Detail „Multiskalen-Modellierung”).
Laborergebnis Glasprobe
Glasklar: In der Glasprobe rechts sind deutlich weniger Blasen als links. Solche Laborergebnisse bilden letztlich eine Grundlage für Simulationsprogramme und Qualitätsmodelle. Foto: SCHOTT/A. Sell
Ein wichtiges Schlüsselthema für die nächsten Jahre ist die kontinuierliche Verbesserung fortgeschrittener Glasqualitätsmodelle durch Kompetenzausbau in der Läuterchemie von Schmelzwannen und der Thermodynamik von Gläsern. „Unsere Kunden erwarten eine stimmige Qualitätsbewertung für unsere Produktionsprozesse und Produkte. Für Materialien wie unsere Gläser oder Glaskeramiken heißt das zum Beispiel: Bestimmung der Anzahl, Größe und Zusammensetzung darin noch enthaltener Blasen pro Kilogramm”, erläutert Dr. Berndhäuser – und deutet auf sein buntes Qualitätsmodell auf dem Bildschirm. Für die Qualitätsprognose an realen Wannen werden die in der Wanne herrschenden Temperaturverteilungen und Strömungsformen mit speziellen CFD (Computational Fluid Dynamics)-Programmen berechnet und anschließend auf Basis der selbst entwickelten Qualitätsmodelle etwa hinsichtlich der Blasenzahl bewertet. Einen wesentlichen Beitrag für die Entwicklung der Modelle leisten reale Laborversuche im Schmelztiegel: Sie zeigen für jeden untersuchten Glastyp die Blasen(größen)verteilung in Abhängigkeit vom jeweils eingesetzten Läutermittel und dessen Konzentration sowie der Temperatur und Haltezeit. Diese Parameter und Werte fließen in das Qualitätsmodell ein und werden in der Simulation auf die reale Wannendimension übertragen.

Um nun das Verhalten von Blasen in der Wanne zu beschreiben, kommen sogenannte Tracer zum Einsatz. 100.000 dieser simulierten Marker durchlaufen auf verschiedenen Pfaden die modellierten unterschiedlichen Strömungen und Temperaturzonen – je nach Anlagen-Design und -Setup. Eine Statistik dazu gibt dann Auskunft über die Blasengrößen, -verteilung und -last im und am Ende des Schmelz- bzw. Läuterprozesses. „Die nächste Simulationsstufe wird auch die Rückwirkung der Blasen auf den Läuterprozess einbeziehen. Denn je nach Blasenlast verändern sich auch die physikalischen und chemischen Bedingungen im Prozess”, so Dr. Berndhäuser.

Solche Fragen und Erkenntnisse sind zugleich Ausgangspunkt für optimierte Konzepte der Schmelzwannen-Konstruktion und -Einstellung – insbesondere zur Umstellung auf eine umweltverträglichere Läuterchemie ohne Schwermetalle. Die SCHOTT Forschung führt dazu ein umfassendes Entwicklungsprojekt durch. Dabei ist eines schon sicher: Der Fortschritt der Simulation wird es nicht leichter machen, Einsteins Motto der Einfachheit umzusetzen. <
SCHOTT Website
Process Simulation and Optimization
(nur in EN)