Technomathematischer Entwicklungsdienstleister entwickelt für Kunden das Simulationsmodell des jeweiligen Projektes auch als sogenannte Comsol-App.

Keramische Bauteile sind bei vielen Anwendungen vergleichbaren Komponenten aus Metall oder anderen Werkstoffen überlegen. Insbesondere Wabenkeramiken finden einen breiten Einsatz, z. B. als Filtermaterialien, Katalysatorträger, Wärmetauscher, Wärmespeichermedien oder Strömungsgleichrichter, um nur einige Anwendungsbeispiele zu nennen. Die Herstellung von keramischen Wabenstrukturen erfolgt meist im Strangpressverfahren, bei dem die Keramikmasse durch ein entsprechend gestaltetes Mundstück gepresst und anschließend ausgehärtet wird. Dabei müssen das Fließverhalten und die Prozessparameter genau auf die Geometrie des Stranges bzw. des Mundstückes der Strangpressanlage abgestimmt sein, um ein optimales Ergebnis zu erhalten. Aus diesem Grund sind Keramik-Werkstoffspezialisten und die für das Mundstück zuständigen Konstrukteure im Entwicklungsprozess gleichermaßen gefordert. Experimentelle Messungen an Versuchsanlagen, z. B. zur Identifikation der Strömungsverhältnisse im Presskopf der Anlage, sind oft schwierig oder auch gar nicht durchführbar. Daher nutzen Hersteller zunehmend Simulationsmethoden, um ihre Anlagen auszulegen. Unternehmen der Keramikindus­trie, die nicht über das nötige eigene Simulations-Know-how verfügen, greifen häufig auf externe Spezialisten zu. Diese werden damit beauftragt, das jeweilige Problem numerisch nachzubilden und so gezielt Lösungswege für die Kunden zu erstellen.

Hilfestellung für die Simulation
Die Experten des technomathematischen Entwicklungsdienstleister Sico-solutions beschäftigen sich mit komplexen Fragestellungen und beantworten diese mit Methoden der Simulationstechnologie. Das Portfolio des Unternehmens umfasst dabei Dienstleistungen für die Bereiche Simulation (z. B. Strömungsmechanik, Strukturmechanik, Thermodynamik, Elektromagnetismus und weitere), Rheologie mit Labor und die Entwicklung kundenspezifischer Spezialanwendungen. Für die Simulation setzt Sico-solutions aus einem Pool von Simulationswerkzeugen vorrangig die Simulationsumgebung Comsol Multiphysics ein. Comsol ist deswegen eine der bevorzugten Lösungen des Teams, weil physikalisch/chemische Vorgänge miteinander gekoppelt werden können und die Möglichkeit besteht, eigene Simulationsroutinen in die Modelle einzubinden. Sico-solutions ist darüber hinaus zertifizierter Comsol Consultingpartner.
Ein Tätigkeitsschwerpunkt des Sico-solutions Teams liegt auf der Simulation der bereits genannten Strangextrusionsprozesse. Dabei wird das nicht-lineare Fließverhalten keramischer Massen und von Metallpulver in Mundstücken simuliert. Die Simulation ist der entscheidende Faktor bei der Verbesserung des Prozesses, denn damit können alle relevanten physikalischen Größen und Phänomene im Mundstück abgebildet werden. Unter anderem können tote Stellen oder Druckminima und -maxima in der Mundstückzuführung identifiziert und der Gesamtprozess zielgerichtet verbessert werden. Für eine erfolgreiche Simulation des Umformverhaltens und insbesondere des Wandgleitens werden verschiedene Materialparameter benötigt. Sico-­solutions bietet neben der Simulation an, diese für keramische Massen zu bestimmen. Im experimentellen Versuchsaufbau (s. Abb. 2) werden alle relevanten charakteristischen Materialparameter, die das Fließen keramischer Massen beschreiben, bestimmt. Mit den vier Parametern Fließgrenze, Bingham-Viskosität, Wandgleitgrenze und k-Faktor wird das viskoplastische Materialverhalten eindeutig beschrieben und kann somit präzise simuliert werden.

Problemidentifizierung kommt vor der Lösung
Für die optimale Auslegung des Strangextrusionsprozesses gibt es in der Regel zwei grundsätzliche Stellschrauben: die Materialparameter und die Gestaltung des Mundstückes der Anlage. In einem aktuellen Fall kam ein Kunde auf Sico-solutions zu und bat die Experten darum, eine Machbarkeitsstudie durchzuführen. Der Kunde hatte eine keramische Pressmasse entwickelt und wollte diese mit einem bestehenden Mundstück verarbeiten. Zur Beantwortung der Frage, ob dies möglich ist, wurde bei Sico-solutions im Versuch gezeigt, dass die Masse nicht auf dem bestehenden Mundstück extrudiert werden konnte. Der Versuch wurde anschließend mit den Messparametern in der Simulation nachgebildet. So konnte festgestellt werden, dass das Problem eher bei der Masse bzw. an den Materialparametern lag. Der Kunde stand nun vor der Entscheidung, entweder die in einem langjährigen Verfahren entwickelte Masse oder aber das Mundstück zu verändern, so dass die Kombination ein optimales Ergebnis produziert. Da die Masse die gewünschten Eigenschaften für das Endprodukt aufwies, entschied sich der Kunde für eine Änderung des Mundstückes. Daraufhin optimierten die Experten von Sico-solutions entsprechend das Mundstückdesign. Das neue Design wurde vom Kunden übernommen und ist heute produktiv im Einsatz.
Zusätzlich zu einem optimalen Endprodukt durch ideal ausgelegte Keramik-Umformprozesse liefert die Simulation dem Kunden ein besseres Verständnis für die inneren Vorgänge des Prozesses. Beispielhaft ist in Abb. 1 die Verformung eines Strainers dargestellt. Durch diese Simulation können Effekte aufgezeigt werden, die mit konventionellen Messmethoden nur sehr schwer oder gar nicht erfasst werden können. Mit diesem Wissen können bspw. kritische Bereiche erkannt und aus ihnen gelernt werden. Dies hilft nicht nur bei der zielgerichteten Verbesserung zeitkritischer Entwicklungen, es spart darüber hinaus Kosten beim Prototypenbau, da Designänderungen virtuell getestet und auf ihre Auswirkungen hin überprüft werden können, ohne dass dafür jedes Mal ein neuer kostspieliger Prototyp erstellt werden muss. Erst wenn der Idealzu­stand erreicht ist, wird der Prototyp gebaut und im Versuch ein letztes Mal überprüft. Zu Zeiten, in denen die Simulation noch nicht für die Auslegung eines Keramik-Strangpressprozesses genutzt wurde, mussten, bis die Qualität des Endproduktes zufriedenstellend war, zwischen fünf und acht Prototypen gebaut werden. Da der Prototyp eines Mundstückes, abhängig von Größe und Ausführung, zwischen 5.000 und 30.000 €, in Sonderfällen sogar bis zu 100.000 € kosten kann, ist die simulationsbasierte Herangehensweise sehr vorteilhaft und hilft dabei, die Entwicklungskosten und -zeiten nicht selten um die Hälfte oder mehr zu reduzieren. Der nicht messbare Nutzen der Simulation ist darüber hinaus das Prozessverständnis, das der Kunde quasi gratis mitgeliefert bekommt.
Da die Kunden der Keramikbranche in der Regel über ein sehr gutes Werkstoffwissen aber nicht immer über das erforderliche Simulations-Know-how verfügen, bietet Sico-­solutions an, das Simulationsmodell des jeweiligen Projektes auch als sogenannte Comsol-App auszuliefern. Mit dieser App kann dann der Kunde, auch ohne Simulations-Know-how, bspw. Werkstoffparameter ändern und sich sofort die Auswirkungen der Parameteränderung auf seinen Prozess ansehen. Die einfach zu bedienende Benutzeroberfläche ist in Abb. 3 zu sehen. So kann sich der Kunde auf sein Fachgebiet konzentrieren und muss sich nicht mit mathematischen Grundlagen, Lösereinstellungen, Gittergenerierung oder anderen simulationsspezifischen Fragen befassen. Das detaillierte Simulationsmodell wird dabei auf einem leistungsfähigen Server berechnet und die Ergebnisse in der App angezeigt.

Wissen als Entwicklungskatalysator
Frei nach Benjamin Franklins bekanntem Zitat „Eine Investition in Wissen bringt noch immer die besten Zinsen“ liefert Sico-solutions seinen Kunden mit den angebotenen Simulations- und Versuchsdienstleistungen ein besseres Verständnis für die physikalischen Phänomene im Prozessablauf. Am Ende eines Projektes werden natürlich konkrete Lösungen für ein Problem geliefert, das durch das Projekt erlangte Wissen wirkt sich aber auch auf zukünftige Projekte aus. Die neuen Einsichten und Erkenntnisse über die Prozesse dienen so oftmals als Entwicklungskatalysator und ermöglichen es, mehr Kreativität in die Produktentwicklung einzubringen.
Mit der virtuellen Produktentwicklung lassen sich Ideen schnell und einfach überprüfen und führen, neben einem zielgerichteten Prototypenbau, zu einer höheren Produktqualität. Neben der Keramikindustrie ist Sico-solutions auch in der Automobilindustrie, dem Maschinenbau, in der Medizintechnik und im biotechnischen Anlagenbau tätig. Außerdem kommen Forschungsinstitute, wie z.  B. Fraunhofer Institute, bei hochkomplexen Fragestellungen auf das Unternehmen zu.
Die Simulation wird in den kommenden Jahren deutlich an Bedeutung gewinnen. Insbesondere der Mittelstand hat erkannt, dass es sich lohnt, in Auftragsforschung zu investieren und Know-how im eigenen Hause aufzubauen. Für Unternehmen ohne eigene Berechnungsabteilung bietet es sich an, von den Möglichkeiten der Comsol-Apps Gebrauch zu machen, da so auch Nichtspezialisten die Simulation gewinnbringend für ihre Zwecke einsetzen können.