ティッセンクルップ・ラッセルシュタイン、有限要素法の適用によりブリキ包装の効率的な開発を強化

食品包装用缶は210年以上にわたって使用されているが、缶メーカーやスチール包装業界はいまだに、食品缶やその他のブリキ包装を細部に至るまで最適化している。 包装用鋼の革新的なグレードが基礎となり、工程と形状の調整が、個々の部品のさらなる開発の初期ガイドラインとなる。 しかし、出力材料のわずかな変化が加工性に大きく影響する。 新しい包装用鋼材が、厚みの減少など物理的条件が変化した場合にどのような挙動を示すかは予測できないため、機械や工具を新しい材料特性に適合させる必要がある。 そこで、包装業界の新しいアプローチ、有限要素法（FEM）が登場する。

ドイツで唯一のブリキメーカーであるティッセンクルップ・ラッセルシュタイン社は、革新的な包装用鋼板の使用、包装形状の変更、板厚の減少をテストするために、かつてのようにコストのかかる「試行錯誤」の方法を用いることはもはやない。 この目的のために、ドイツの製造会社は、顧客の効率化を支援するチームを編成した。 これにより、最適化が迅速かつ容易になる。 「有限要素シミュレーションにより、形状や加工の最適化をバーチャルで行うことができます。当社の包装用鋼材の詳細な記述は、材料だけでなく、顧客との合意により、缶、蓋、部品についても、製品最適化の基礎となります。最適化は時間と資源を節約する方法で実施できます」と、ティッセンクルップ・ラッセルシュタインGmbHの応用技術責任者、マヌエル・ケール博士は述べています。

鋼鉄を細部まで描写する

正確で広範な材料特性の記述を伴う、いわゆる包装用スチール材料図の正確で現実的なシミュレーション。 有限要素法を使えば、例えば、食品缶やエアゾール缶のメーカーは、薄肉化や革新的な包装用鋼材を加工する前でも、あるプロジェクトが実際に実現可能かどうかを知ることができる。

「ラッセルシュタインでは近年、高強度包装用鋼の開発を優先しています。この前提の下で開発されたrasselstein® Solidflex鋼種は、例えば、”イージー・オープン “クロージャーやエアゾール缶部品の大幅な薄肉化を可能にします。このシステムは現在、特に3ピース缶やDWI缶用に最適化された他のグレードにも引き継がれています。特にこの製品グループについては、新しい鋼材とそれに最適化されたリブ形状が、新しい厚み削減を考慮してどのように機能するかをテストしています」とケールは言う。 しかし、有限要素法は、エアゾール缶の構成部品、ツイストオフ・キャップ、クラウン・キャップなど、あらゆる種類の缶全般およびその構成部品に適用することができる。

FEMに基づくシステムと、新しい包装用鋼板へのその進歩的な応用は、この方法で達成される厚みを減らすことによって資源を節約するだけでなく、輸送中のCO2排出量も削減する。 「さらに、EMFは製品のプロジェクト化を可能にし、パッケージング分野のイノベーションを促進する。メーカーは、より野心的なプロジェクトに果敢に挑戦し、より創造的なソリューションを考え出すことができます」とケールは言う。

ティッセンクルップ・ラッセルシュタインは現在、利用可能な材料図表のデータベースを拡張し、有限要素法によるシミュレーションを世界中の顧客にサービスとして提供しています。 特に、複雑な計算をする能力のない中堅企業は恩恵を受けるだろう。 「このようにして、中小企業は多額のコストをかけることなく、設計や最適化をテストすることができます。また、大企業には、FEM専門家による製品・プロセス・シミュレーションのサービスを提供しながら、独自の計算用に検証済みの材料チャートを提供しています。計画や製品開発段階での時間短縮につながります」とケールは説明する。

有限要素法はこの分野の持続可能性に貢献するだろう

これまでFEMは主に自動車分野で使われてきましたが、包装分野では新しいものです」とイオアナ・ヴァイナンドは言う。 開発エンジニアは、ティッセンクルップ・ラッセルシュタインにおける有限要素法の導入と、顧客および社内プロジェクトにおけるシミュレーションの応用を担当します。 ラッセルシュタインのFEMチームは現在、博士課程の学生によってサポートされており、エアランゲン大学との協力のもと、パッケージング鋼の特性評価を基礎的かつ科学的に進めている。

FEMは、ティッセンクルップ・ラッセルシュタイン社がプロセスの効率性と敏捷性を高めるための包括的なデジタル化戦略の中心的存在です。 「私たちは、EMFFが鉄鋼・包装セクターにおける持続可能性の向上に貢献することを確信しています。

近い将来、私たちは有限要素法なしではこの分野を考えられなくなるだろう。 この革新的な技術のさらなる発展の最前線に立ちたいからです」とケールは強調する。