Arbeiten unter Druck: Simulationstechnik ermöglicht Entwicklung moderner Anlagen

Holz als nachwachsender Naturstoff ist für viele Branchen ein wichtiger Rohstoff: Holzfasern stellen die Basis für verschiedene Produkte dar, von der MDF-Platte über Formteile für die Automobilindustrie bis zu Wärmedämmmaterial. Um diese Fasern zu erhalten, werden in sogenannten Druckrefinern bei hohen Temperaturen Hackschnitzel unter Dampfdruck zermahlen. Die hohen Kräfte stellen die Anlagenkonstrukteure vor eine große Herausforderung, denn das Gerät muss präzise arbeiten und dabei robust genug sein, um sich nicht zu verformen oder gar zu platzen. Reale Tests von Neuentwicklungen sind aufgrund der Größe der Anlagen nicht möglich. Bei der Pallmann Maschinenfabrik GmbH & Co. KG in Zweibrücken, einem Hersteller von Zerkleinerungsmaschinen und -anlagen, kamen deshalb bei der Entwicklung ihres bislang größten Refiners moderne Computersimulationen zum Einsatz. Die Modellrechnungen, die das Heidenheimer Ingenieurbüro Merkle & Partner erstellte, verbesserten nicht nur die Festigkeit der Hülle, sondern optimierten gleichzeitig die Strömung in der Maschine. So klein das Endprodukt des Druckrefiners PR72 von Pallmann auch ist, die Maschine selbst ist ein wahrer Koloss, über 1,8m hoch, rund 50t schwer, mit einer elektrischen Antriebsleistung von 14MW. Den Kern bildet neben dem Antrieb das Mahlscheibengehäuse, in dem auf einem beweglichen Rotor und einem fixierten Stator die profilierten Mahlscheiben ruhen. Holzhackschnitzel, die ins Zentrum der Anlage zugeführt werden, wandern durch die Fliehkraft nach außen und werden zwischen den Scheiben zerrieben. \’\’Der Mahlspalt muss dafür im Hundertstel-Millimeter-Bereich genau eingestellt sein\’\‘, erklärt Franz Josef Wilbois, Bereichsleiter für Holzverarbeitungstechnologie bei Pallmann. Ein innerer Dampfdruck von 8 bis 10bar mit einer Temperatur von ca. 190°C helfen der Mechanik dabei, die Fasern mit geringer Energie und der gewünschten Geometrie aus ihrer Matrix zu lösen, bevor sie in einen Trockner geleitet werden. Simulation statt riskanter Tests Problematisch an der Entwicklung des Refiners war vor allem das Mahlscheibengehäuse. Die Hülle muss auf 13bar ausgelegt sein; um die Sicherheit zu garantieren, sind sogar 16bar Prüfdruck vorgeschrieben. Das wäre genug, um die Wände zu sprengen, sollten sie zu dünn gestaltet sein. Mit 10t Gewicht ist das Gehäuse zu groß und zu teuer, um es in Realtests mit Prototypen zu testen und sich so an die optimale Konstruktion heranzutasten. \’\’Modellversuche etwa im Flachbettwasserkanal wären nur schwer übertragbar gewesen und herkömmliche Berechnungen hätten nicht die nötige Genauigkeit erbracht\’\‘, sagt Wilbois. Die Konstrukteure hätten nur auf Erfahrungswerte von kleineren Anlagen zurückgreifen und die Maschine entsprechend robuster gestalten können. Ohne genaues Wissen, wie die Formstabilität und das Deformationsverhalten der Bauteile unter Druck aussehen, wäre der Betrieb der Anlage nur unter hohen Sicherheitsauflagen oder in Verbindung mit inakzeptablen Risiken möglich gewesen. Pallmann wollte deshalb nicht nur auf klassische Berechnungsverfahren vertrauen und griff stattdessen zu moderner Computersimulationstechnik. \’\’Wenn so ein Gehäuse platzt, sollte man nicht in der Nähe stehen\’\‘, erklärt Sascha Hesse vom Ingenieurbüro Merkle & Partner, das die komplexen Berechnungen übernahm. \’\’Immerhin schießt dann knapp 200°C heiße, mit Holzpartikeln durchsetzte Luft aus der Maschine.\’\‘ Um das zu verhindern, erstellten die Ingenieure virtuelle Modelle der Maschine, an denen verschiedene Last- und Drucksituationen durchgespielt werden konnten. Grundlage dafür ist die Finite-Elemente-Methode (FEM), bei der Körper in eine endliche Anzahl von Berechnungsknoten zerlegt werden. Je enger das Knotennetz, umso realistischer ist die Nachbildung. Für ein möglichst natürliches Verhalten des Entwurfs sorgen zusätzliche Informationen, wie etwa Materialkenndaten, Druck- oder Temperaturverhalten. Das fertige Modell spiegelt so die wahrscheinlichste Reaktion des realen Vorbilds unter definierbaren und variablen Bedingungen wider. Bei der FEM-Simulation des Refiners ging es in erster Linie darum, das stark druckbelastete Gehäuse so zu optimieren, dass es bei minimalem Materialeinsatz dennoch eine ausreichende Steifigkeit und Betriebssicherheit mitbrachte. \’\’Zum einen sollte ermittelt werden, ob die Hülle und die Verschraubungen dem hohen Innendruck, der Hitze und dem Drehmoment des Rotors standhalten und dicht bleiben\’\‘, erklärt Hesse, der für die Strukturanalyse der Komponenten verantwortlich war. \’\’Zum anderen musste geprüft werden, ob der Segmenthalter, der die Mahlscheibe trägt, und der Rotor die auf sie wirkende Belastung verkraften, ohne sich zu verformen.\’\‘ Letzteres hätte nicht nur die Funktionalität des Refiners beeinträchtigen können, sondern auch seine Stabilität. Immer wieder musste das Computermodell deshalb im Rechner unterschiedliche Szenarien durchlaufen. Die Parameter der Prüfung, etwa Hüllenstärke, steigender Druck oder eine höhere Geschwindigkeit der Mahlscheibe, konnten dafür unkompliziert geändert werden. Dadurch näherten sich die Ingenieure an die genauen Werte an, nach denen das Gehäuse dimensioniert werden musste, um den auftretenden Belastungen standzuhalten. Dem Materialfluss auf der Spur