Nachhaltige Produktentwicklung: Wie es dank Simulation gelingt

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Für eine effiziente Produktentwicklung ist Simulation ein zentraler Baustein. Doch dass Simulation noch mehr kann, zeigt folgendes Praxisbeispiel aus Österreich: Die Alpla Group, Spezialist für Verpackungs­lösungen und Recycling, setzt Simulation ein, um nachhaltige Produkte zu entwickeln – und treibt dafür die Demokratisierung dieser Technologie im Unternehmen voran.

Nachhaltige Produktentwicklung in der Praxis: Die international agierende Alpla Group entwickelt und produziert Kunststoffverpackungen für unterschiedliche Marktsegmente von Lebensmittel- über Kosmetik- bis hin zu Medizinprodukten. Seit 2011 setzt das Unternehmen bei der Entwicklung von Kunststoffflaschen und dem dafür notwendigen Formenbau auch Simulationslösungen von Altair ein.

Nachhaltigkeitsziele im Kunststoffbereich

Seit über 25 Jahren verfolgt Alpla konsequent hoch gesteckte Nachhaltigkeitsziele, darunter die Steigerung der Recyclingfähigkeit der Produkte sowie die nachhaltige Produktentwicklung von einer immer höheren Anzahl an grünen Innovationen. Bis 2025 hat sich Alpla unter anderem diese Ziele gesetzt:

• 100 Prozent Recyclingfähigkeit aller Verpackungslösungen

• 25 Prozent Post-Consumer-Rezyklat-Anteil am gesamten Materialeinsatz

• Einführung von mindestens drei innovativen Verpackungslösungen pro Jahr

Zum Erreichen dieser Ziele setzt das Unternehmen virtuelle Produktentwicklungslösungen als Innovations-Katalysator ein. Neben virtuellen Produktentwicklungstools wie Virtual und Augmented Reality oder Rapid Prototyping ist die Simulation ein zentraler Baustein, um Nachhaltigkeitsziele schneller, erfolgreicher und effizienter umzusetzen.

Nachhaltige Produktentwicklung: Produktinnovation durch Simulation

Um neue Produkte zu entwickeln oder bestehende Produkte im Hinblick auf ihre Nachhaltigkeit in der Entwicklung, der Fertigung, beim Transport und in der Anwendung zu verbessern, kommen bei Alpla auch Simulationslösungen der Altair Hyperworks Suite zum Einsatz.

Zur Optimierung der Prozessparameter und der Materialverteilung entwickelt die Abteilung Modelling & Simulation (M&S) die zugrundeliegenden Methoden für die virtuelle Abbildung des Verpackungsherstellungsprozesses. Mittels der Prozesssimulation lassen sich Verpackungseigenschaften vorhersagen sowie Designänderungen auf ihre Herstellbarkeit und ihren Einfluss auf Eigenschaften wie Befüllung, Druckbeständigkeit und Sicherheit bewerten. Durch das Hintereinanderschalten von Prozesssimulation und der Simulation des Endproduktes lässt sich dann ermitteln, welchen Einfluss eine geometrische Designänderung hat.

Um die Effizienz in der Produktentwicklung weiter zu steigern, hat die M&S-Abteilung damit begonnen, die bestehenden Simulationsprozesse bei Alpla zu automatisieren. Ausgehend von der Frage, wie eine Simulationsaufgabe prinzipiell zu lösen ist, wurden Standardaufgaben identifiziert und entsprechend automatisiert. Da in bestimmten Phasen immer noch manuelle Eingaben erforderlich waren, bestand der nächste Schritt darin, die Kette einzelner Aufgaben einer Simulation zu automatisieren, so dass der gesamte Lösungsprozess für ein Standardproblem nur minimale bis gar keine manuellen Eingriffe erforderlich macht.

Simple One: Eine simulations­getriebene Innovation

Nachfüllsysteme, die den Produktlebenszyklus von hochwertigen Kosmetik-Primärverpackungen verlängern, sind an sich schon eine nachhaltige Lösung – insbesondere aber dann, wenn sie gezielt nachhaltig entwickelt und gefertigt werden. Mit der Verpackungslösung „Simple One“ hat Alpla eine ressourcenschonende und besonders leichte Nachfüllverpackung entwickelt, die einen geringen Materialeinsatz erfordert, einen hohen Recyclinganteil aufweist und sich durch ein besonderes Design auch optisch deutlich von den üblichen Nachfüllbeuteln abhebt.

Dabei war die Formfindung der neuen Flasche eine besondere Herausforderung. Ziel war eine initiale Form, die nach dem Prozess einwandfrei funktioniert, das heißt nach dem Befüllen und Verschweißen eine definierte Form annimmt und eine hohe Stabilität aufweist. Mit dem traditionellen Versuchsansatz hätte Alpla diese Aufgabe wahrscheinlich nur schwer lösen können, denn die Erstellung immer neuer, physischer Prototypen wäre zu kostspielig gewesen und hätte im vorgegebenen Zeitraum aller Voraussicht nach nicht zum Ziel geführt. Um die Design- und Fertigungsprozesse mit der Produktfunktionalität in Einklang zu bringen, setzte Alpla daher auf einen simulationsgetriebenen Entwicklungsprozess.

Mithilfe der Simulation konnte Alpla schnell und effizient eine optimale Lösung unter Berücksichtigung der Design- und Fertigungsanforderungen finden. Das Ergebnis ist eine ultraleichte, zu 100 Prozent aus recyceltem Kunststoff (rHDPE) hergestellte Flasche, die selbst zu 100 Prozent recycelbar ist. Das innovative Nachfüllsystem aus stabilem Kunststoff ist eine Lösung mit hohem ästhetischem Anspruch, bietet eine Alternative zu den oftmals unhandlichen Nachfüllbeuteln und hat bereits mehrere Designpreise gewonnen.

Nachhaltige Produktentwicklung: Roadmap Simulation

Am Beispiel „Simple One“ zeigt sich, welches Potenzial sich in der Produktentwicklung offenbart, wenn die Simulation fachabteilungsübergreifend in großem Umfang eingesetzt werden kann. Um dieses Potenzial bei Alpla vollständig auszuschöpfen, soll die Simulation sukzessive einer breiteren Anwendergruppe im Unternehmen zugänglich gemacht werden. Das gelingt mit einem maßgeschneiderten Simulationsangebot durch die Simulations-Methodenentwicklung in der M&S Abteilung. Für die Simulationsingenieure ist die Offenheit und die hohe Anpassungs- und Automatisierungsfähigkeit der Altair Lösungen ausschlaggebend. So können sie Prozesse präzise abbilden und unterschiedliches Know-how zusammenführen. „Hyperworks ermöglicht es uns, unser Fachwissen einzubringen und umzusetzen. Dadurch, dass wir die Software auf unsere Bedürfnisse anpassen können, sind wir in der Lage, schnell und effektiv zu arbeiten“, sagt Oswald Valtiner, Leiter Modellierung & Simulation bei Alpla.

Die Wechselwirkungen in der Produktentwicklung (Gestaltung, Dimensionierung und Fertigungsprozess) sind sehr umfangreich und erfordern viel Know-how. Um eine vollständige Demokratisierung der Simulation zu erreichen und die Automatisierung stufenweise weiterzuentwickeln, werden die Ergebnisse aus den derzeit erprobten Simulationsanwendungen für Industriedesigner genutzt. Langfristiges Ziel ist es, die Nutzung der Simulation für alle Entwicklungsprojekte und die nachhaltige Produktentwicklung unternehmensweit noch effizienter zu gestalten und die Simulationstechnologie so einem breiteren Anwenderkreis zugänglich zu machen.

Der Autor Mirko Bromberger ist Director DACH/BeNeLux Marketing bei Altair.

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