Weniger Iterationen für die Entwicklung eines neuen Wasserstoffventils

OMB Saleri S.p.A. (OMB) begann 1980 mit der Entwicklung von kleinen Metallteilen und Ventilen für Gas- und Wasseranwendungen in Wohngebäuden. Die Erfahrungen in den Bereichen Gassicherheit und Hochdruckanwendungen haben es dem Unternehmen ermöglicht, sein Produktionsspektrum auf weitere Marktsegmente wie Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrtmodule oder Verteidigungsprojekte auszuweiten. Im Bereich Gassicherheit arbeitet OMB an Behältern für die Gasspeicherung und den Materialumschlag.

Seit mehr als 30 Jahren, zunächst mit komprimiertem Erdgas (CNG) und dann mit Wasserstoff (H2)-Komponenten, hat sich OMB als einer der modernsten und innovativsten Erstausrüster der Welt etabliert.

Mit seinen vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen gewinnt H2 weltweit schnell an Bedeutung. Bei der Anwendung stößt es kein Kohlendioxid (CO2) aus. Daher verursacht Wasserstoff nur eine geringe Luftverschmutzung. Dies stellt eine Lösung zur Dekarbonisierung industrieller Prozesse und Wirtschaftssektoren dar, in denen die Reduzierung der CO2-Emissionen sowohl dringend als auch schwierig durchzusetzen ist. H2 gehört zu den wichtigsten Prioritäten für die Energiewende in Europa.

In diesem Zusammenhang hat sich der Markt für Kraftfahrzeug-Brennstoffzellen durch die Verwendung von H2 gegenüber herkömmlichen Kraftstoffen wie Öl und Gas stark ausgeweitet. Unternehmen wie OMB haben neue Technologien entwickelt, um diesen Bedarf zu decken und zuverlässige Komponenten bereitzustellen.

OMB verfügt über eine komplette Produktpalette, die den H2-Flussweg von der Tankstelle zu den Hochdrucktanks, zum Druckregler und schließlich zur Brennstoffzelle abdecken kann. Seine Ventile kommen häufig in leichten Nutzfahrzeugen und Lkw zum Einsatz. Das Ziel von OMB ist es, in der H2-Speicherung zuverlässige Ventile anzubieten, die über 700 bar standhalten.

Das OMB-Niederdruck-Team wird von Fatima Patricia Amores, Projektmanagerin und Werkstoffingenieurin, geleitet. Marco Bosio, Produktingenieur bei OMB, hat an der Entwicklung von Ventilen gearbeitet, die auf der Wasserstoff- und Niederdruckseite einer Brennstoffzelle eingesetzt werden. Das Know-how des Unternehmens über die Anodenseite der Brennstoffzelle ermöglicht es ihm, seinen Kunden auch beim Aufbau der Kathodenseite zu helfen. Daher kann es auch Ventile für die Kathodenseite eines Brennstoffzellen-Stack-Packs bereitstellen.

OMB ist bereit, sich den herausfordernden Projekten zu stellen und ist es gewohnt, Ventile von Grund auf neu zu entwickeln. Bei den meisten Produkten des Unternehmens handelt es sich um innovative Lösungen, die eine Lücke auf dem Automobilmarkt schließen. Daher benötigte OMB eine zuverlässige Software, um herauszufinden, wie eine Konstruktionsänderung die Funktionalität eines Ventils verbessern und sicherstellen kann, dass die Konstruktion die Erwartungen ihrer Kunden erfüllt.

Die Simulation muss Herausforderungen wie das dynamische Ansprechverhalten eines Proportionalventils, die Kalibrierung der Durchflussrate in einem Anodenablassventil und die Vorhersage des Verhaltens des Ventils am Tank unter den schlechtesten Toleranzbedingungen berücksichtigen.

OMB nutzte die Software Simcenter™ Amesim™ für seine erste Simulation. Simcenter Amesim ist Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform mit Software, Hardware und Services. OMB konzentrierte sich auf das Druckregelventil und simulierte die mechanische Verformung des Dichtpolsters, die Durchflussmenge und die Magnetkraft. Die Simulation wurde im stationären Zustand durchgeführt, um besser zu verstehen, wie sich die jeweilige Konstruktion auf das Ventil auswirken würde. Auf der Grundlage dieser ersten Studie erstellte OMB ein Simcenter-Amesim-Modell, um das Ventil zu simulieren und die Zeit zu ermitteln, die für die Bewältigung einer Druckänderung erforderlich ist.

Das Unternehmen untersuchte, wie sich eine andere Spulenregelungsstrategie auf die Druckregelung auswirken würde und wie gut der Ausgangsdruck geregelt werden kann.

Es wurde ein Testplan diskutiert und vereinbart, um eine Korrelation zwischen den von Simcenter Amesim vorhergesagten und den vom Ventil kommenden Ergebnissen herzustellen. „Zum jetzigen Zeitpunkt wurde die Konstruktion validiert und die Ventile befinden sich in der Produktion“, sagt Bosio.

Bei der Konstruktion einer Komponente eines komplexen Systems kann man sich nicht immer auf Tests und 3D-Simulationen verlassen. Daher ist eine Systemsimulation für diejenigen unerlässlich, die die dynamische Entwicklung eines Systems schnell durchführen müssen.

In diesem Fall trug der Einsatz von Simcenter Amesim dazu bei, die Konstruktionsiterationen zu reduzieren und zeitaufwendige Tests zu vermeiden.

„Wir können sagen, dass wir mit Simcenter Amesim die Zeit einer Iteration in der Prototypenphase einsparen. Das bedeutet, dass wir bei einem Projekt im Durchschnitt sechs Wochen einsparen können“, sagt Bosio.

„Wenn jetzt ein neues Produkt entwickelt wird, prognostizieren wir zumindest eine Simulation, um die Gültigkeit der neuen Konstruktion zu überprüfen. Für die Ventile in Sicherheitsanwendungen simulieren wir in der Regel auch einige Ausfallmodi.“ Laut Bosio waren insbesondere drei Elemente für den Erfolg von OMB mit dem Simulationstool ausschlaggebend.

Erstens ist Simcenter Amesim eine Software, die in großen Unternehmen zum Einsatz kommt. Darüber hinaus ist die grafische Benutzeroberfläche (UI) intuitiv und enthält detaillierte Beschreibungen der Elemente.

Amores erklärt: „Es handelt sich um eine in Großunternehmen weit verbreitete Software, sodass es möglich ist, effektiv zusammenzuarbeiten, Netzwerke zu erstellen und Ihr Modul in ein größeres System zu integrieren. Darüber hinaus bietet es über eine intuitive Grafik und eine schnelle Lernkurve.“ Renato Santulli, Technical Director bei OMB, fügt hinzu: „Jedes simulierte Element wird von einer ausführlichen Erklärung begleitet, mit klaren Bezügen zu Theorie und wissenschaftlicher Literatur. Darüber hinaus sind die Gleichungen, die jedem Element zugrunde liegen, klar in der Programmiersprache C angelegt, um alle zufrieden zu stellen, die genauer verstehen möchten, was sie simulieren.“

Ohne Simulation bräuchte OMB störende oder zeitaufwendige Testabläufe. Im Falle eines Scheiterns müsste die Konstruktion überprüft werden, was sich auf die Meilensteine des Projekts auswirken würde. Bosio erklärt: „Simcenter Amesim hilft uns wirklich dabei, in kürzester Zeit neue Produkte zu entwickeln. Vor der Simulation hätten wir mehrere Jahre gebraucht, um ein Ventil fertigzustellen.“

Das Unternehmen erhielt zudem Unterstützung durch einen wertvollen Partner, BSim, der es in der effizienten Nutzung von Simcenter Amesim schulte und half, neue Bibliotheken zu untersuchen, um die am besten geeignete Lösung für ihre spezifische Verwendung zu finden.

„Es handelt sich um eine zuverlässige Software, die mit einem hervorragenden Support-Team kontinuierlich weiterentwickelt wird. Schnelle und präzise Antworten bei der Entwicklung eines neuen Produkts zu erhalten, ist extrem wichtig, weshalb OMB die Zusammenarbeit zwischen Siemens und BSim schätzt.“ Bosio zieht ein Fazit.

OMB und BSim untersuchen nun, wie der Anoden-Wasserabscheider simuliert werden kann, bei dem ein Gemisch aus Wasser (H2O), H2 und Stickstoff (N2) ein Volumen annimmt, kondensiert und dann wieder zirkuliert. In diesem Fall erwarten beide Unternehmen, dass Simcenter Amesim ein guter Partner für die Zusammenarbeit bei H2 ist.

Heutzutage belohnt die Wirtschaft innovative Produkte mit hohem technologischem Nutzen. Daher ist OMB bereit, mit Unternehmen aus der ganzen Welt zusammenzuarbeiten, um eine starke Wertschöpfungskette für den H2-Markt zu schaffen und Qualitätsstandards für die Automobilindustrie zu erreichen.

Die Simulationen ermöglichen es, Produkte zu konstruieren, die den Kundenwünschen entsprechen und näher an den Markterwartungen liegen. Darüber hinaus wirkt sich der prädiktive Charakter der Simulationen auf die Konzeption des Entwicklungsprozesses aus: Verschiedene Konstruktionen können verglichen werden, ohne lange Tests abzuwarten, und das Know-how des Unternehmens kann so erweitert werden.

Das Motto von OMB – An der Spitze der Innovation – ist eine gute Möglichkeit, die Einstellung des Unternehmens zu demonstrieren, technologische Innovationen proaktiv zu begrüßen. OMB positioniert sich als Ideenbeschleuniger: Die Erfahrung älterer Mitarbeiter vermischt sich mit den Innovationen, die junge Ingenieure mitbringen. So wird das durch jahrelange Berufserfahrung gewonnene Wissen von denjenigen optimiert, die sich ingenieurwissenschaftlichen Herausforderungen mit einer neuen Perspektive stellen.

In Zukunft möchte das Unternehmen auf die intrinsischen technologischen Inhalte seiner „Millennial“-Ingenieure setzen. Ziel ist es, die Produkte kontinuierlich zu verbessern, um sie immer innovativer zu machen.