IMAGEN DE LA REALIDAD

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1 SCHOTT SOLUTIONS 2/14 INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO PESQUISA & DESENVOLVIMENTO HORNO CON MODELO DE DENSIDAD DE BURBUJAS TANQUE COM UM MODELO DE DENSIDADE DE BOLHA En este horno de fusión de vidrio modelizado, que se utiliza para calcular la densidad de burbujas, se han invertido más de 20 años de know how. En la representación tridimensional por ordenador, los colores rojizos identifican zonas de la masa fundida de vidrio con un gran número de burbujas y los azules, zonas con pocas burbujas. schott utiliza este tipo de simulaciones a lo largo de la cadena de proceso completa de la producción de vidrio. Mais de 20 anos de know-how têm sido investidos neste tanque de fusão modelada de vidro, que é usado para calcular a densidade das bolhas. Na representação 3D em computador, cores avermelhadas mostram áreas em que o vidro fundido tem muitas bolhas. Áreas azuis, por outro lado, contêm muito menos bolhas. A schott usa essa simulação ao longo de toda a cadeia do processo de produção. Arrastre de burbujas Entrada de bolhas Densidad de burbujas (burbujas/kg) Densidade da bolha (bolha/kg) baja baixo baja baixo Efecto de la pared de rebose Efeito da parede de descarga Relación de mezcla (kg/kg) Lote (kg/kg) alta alto alta alto Fuente Fonte : schott/ Designagentur Wagner IMAGEN DE LA REALIDAD IMAGENS DA REALIDADE schott utiliza la modelización y la simulación para perfeccionar de forma orientada sus procesos y productos mediante la experimentación en el ordenador A schott usa modelagem e simulação para continuar a desenvolver seus processos e produtos de forma estratégica com experimentos no computador. THILO HORVATITSCH A lbert Einstein dijo una vez: Todo debe hacerse lo más sencillo posible, pero no más! El modelo de un horno de fusión de vidrio para calcular la densidad de burbujas, podría estar basado en este lema. La imagen 3D de la pantalla muestra el variado espectro cromático del interior del horno. Los colores rojizos significan que sigue habiendo muchas burbujas en la masa fundida de vidrio. F azer as coisas o mais simples possível, mas sem simplificar! O modelo do tanque de fusão do vidro para calcular a densidade das bolhas poderia bem ser baseado nesta máxima de Albert Ein stein. A imagem 3D na tela mostra um espectro brilhante de cores dentro do tanque. Cores avermelhadas indicam que ainda há um monte de bolhas no vidro fundido. Áreas azuladas 30

2 Cuanto más azulada una zona, menos burbujas contiene. El Dr. Christoph Berndhäuser, experto en simulación en schott, comenta: Este modelo desarrollado para evaluar la calidad del vidrio y sus posibilidades, acumula más de 20 años de know how. Hoy en día schott, realiza simulaciones matemáticas y crea modelos para optimizar y desarrollar casi todos sus procesos y productos tecnológicos tanto en las Unidades de Negocio como en Investigación. Hay una buena razón para ello: la simulación le ahorra a la empresa costosas pruebas y permite realizar los experimentos sobre un modelo, para obtener datos sobre un sistema real o realizar pronósticos. Pero eso no es todo. Los más recientes métodos de cálculo, con la creciente potencia de los ordenadores, permiten realizar estudios de los parámetros, que apenas hubieran resultado eficientes, con ensayos convencionales. Esto proporciona a las empresas tecnológicas una ventaja decisiva en la carrera por satisfacer las mayores exigencias de calidad y seguir el compás de los ciclos de innovación cada vez más cortos. De ahí que schott confíe en la simulación y la modelización a lo largo de la cadena de proceso de producción de vidrio, desde la fusión, el afino y la conformación en caliente, pasando por la ceramización y la conformación 3D, hasta la certificación del producto. Gracias al perfeccionamiento y la automatización de los instrumentos de análisis de datos, se identifican además interrelaciones importantes a partir de los datos de producción reales. Los experimentos de laboratorio reales con el crisol, hacen una aportación importante al desarrollo de los modelos de simulación. Los parámetros y valores obtenidos en los mismos se traducen luego a las dimensiones reales del horno de fusión. Experimentos reais de laboratório com cadinho de fusão dão uma importante contrubuição para o desenvolvimento de modelos de simulação. Os parâmetros e valores obtidos são, então, transferidos para as dimensões reais do tanque de fusão. denotam que há poucas bolhas. Bem simples, certo? O desenvolvedor e especialista em simulação da schott, Dr. Christoph Berndhäuser, esboça um sorriso e lembra que criamos este modelo e estas capacidades internamente para avaliar a qualidade do vidro; realmente, são fruto da expertise desenvolvida ao longo de 20 anos. Hoje, a schott realiza simulações matemáticas e constrói modelos que otimizam e desenvolvem quase todos os seus processos tecnológicos e produtos tanto em suas Unidades de Negócios quanto em pesquisa. E por uma boa razão: muitas vezes, a simulação poupa recursos dispendiosos com testes de desempenho, e permite que estes sejam realizados em um modelo para obter insights sobre um sistema específico ou projetar cenários. E não é só isso: os mais recentes procedimentos computadorizados, combinados com seus recursos avançados, permitem amplas variações de parâmetros, o que dificilmente poderia ser realizado com eficácia em testes convencionais. Isso dá às companhias de tecnologia uma vantagem decisiva na corrida para atender as demandas cada vez maiores por qualidade e manter-se nos ciclos de inovação cada vez mais curtos. É por isso que a schott conta com simulação e modelagem em toda sua cadeia de processo na produção do vidro; desde a fusão, afinagem e moldagem a quente, até o recozimento, a ceramização, a modelagem 3D, e inclusive a certificação do produto. Importantes inter-relações também são identificadas usando os atuais dados de produção, graças ao aprofundamento e à automação dos instrumentos de análise de dados. E a companhia já está com os olhos voltados para temas interessantes para simulações futuras incluindo modelagem de materiais com vidros, vitrocerâmicos e plástico Foto : schott/ A. Sell 31

3 SCHOTT SOLUTIONS 2/14 INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO PESQUISA & DESENVOLVIMENTO La empresa tiene en el visor simulaciones futuras, que incluyen la modelización de vidrios, vitrocerámicas y plásticos (ver la pág. 32). Clave en los próximos años será mejorar continuadamente los modelos avanzados para evaluar la calidad del vidrio, mediante la ampliación del know how en los campos de la química de afino para hornos de fusión y de la termodinámica del vidrio. Nuestros clientes esperan de nosotros una evaluación coherente de la calidad de nuestros procesos de producción y productos, lo que incluye (veja à p. 32). Um tema central nos próximos anos será a melhoria contínua de modelos avançados para avaliar a qualidade do vidro, aumentando ainda mais o know-how nas áreas de refinação química para a fusão de tanques e a termodinâmica do vidro. Nossos clientes esperam que façamos avaliações precisas da qualidade dos nossos processos de produção e produtos. Para materiais como vidros e vitrocerâmicos, isso significa o número, tamanho e composição das bolhas por quilo que ainda houver, explica o Modelización multiescala: Mirando al corazón del vidrio Modelação multiescala: ver o coração do vidro Cómo se pueden mejorar determinadas propiedades mecánicas o químicas del vidrio? Aquí se trata de mirar dentro del corazón del vidrio, igual que hiciera una vez el fundador de la empresa, Otto Schott. La modelización multiescala ofrece planteamientos prometedores para conseguirlo. El punto de partida es que los numerosos procesos en los que toman forma o manifi estan las propiedades del material, se desarrollan a escalas de espacio y tiempo amplias. Valores como temperatura o esfuerzos se pueden modelizar en el rango de los m. a mm. de la macroescala. Sin embargo, la modelización microestructural, atómica o basada en electrones, se extiende hasta por debajo del nivel nanométrico. Estos cálculos siguen topando todavía con sus límites. El objetivo de la investigación es descender gradualmente por los diferentes niveles, con el fi n de enlazarlos fi nalmente en un modelo multiescala consistente, que permita describir y predecir las características del material. schott está en vías de alcanzar este objetivo, trabajando en modelos topológicos, que enlazan diferentes estructuras del vidrio, ya sea en forma de cadena, plano o espaciales, con propiedades específi cas. < Como certas propriedades mecânicas ou químicas do vidro podem ser melhoradas seletivamente? O objetivo é olhar cada vez mais profundamente dentro do coração do vidro, exatamente como o fundador da companhia, Otto Schott, disse certa vez. A modelação multiescala oferece abordagens promissoras para atingir esta meta. O ponto de partida é perceber que muitos dos processos diferentes, durante os quais as propriedades do material tomam formas diferentes, acontecem em grandes escalas espaciais e temporais. Valores como temperatura ou tensões podem ser modelados do metro ao milímetro em macroescala. Porém, a modelagem microestrutural, atomística ou mesmo baseada no elétron estende-se por todo o caminho, até abaixo do nível nanométrico. Esses cálculos ainda não chegaram ao limite. É objetivo da pesquisa aprofundar gradualmente os vários níveis, no sentido de amarrá-los em um modelo multiescala consistente e, assim, podermos descrever e prever as características do material de forma mais abrangente. A schott já está no caminho de atingir esta meta. Trabalhamos com modelos topo lógicos que ligam as diferentes estruturas do vidro e suas propriedades específi cas. < Modelo multiescala de materiales técnicos Modelagem multiescala de materiais técnicos Campo técnico / Disciplina Física Física Química Química Ciencia de materiales Ciência de Materiais Ingeniería Engenharia Escala de longitud / Escala comprimento Nivel electrónico nível eletrônico Nivel atómico nível atômico Nivel microestructural nível microestrutural Nivel macrométrico macroescala nm µm mm m Fuente Fonte : schott/ Transquer 32

4 Claro como el vidrio: la muestra de vidrio de la derecha contiene un número de burbujas considerablemente menor que la de la izquierda. Este tipo de resultados de laboratorio constituyen en última instancia la base para los programas de simulación y los modelos de calidad. Cristal claro: a amostra de vidro à direita contém consideravelmente menos bolhas que a outra, à esquerda. Estes tipos de resultados laboratoriais são a base para programas de simulação e modelos da qualidade. Fotos : schott/ A. Sell determinar el número de burbujas por kg que siguen conteniendo nuestros vidrios y vitrocerámicas, su tamaño y composición, explica el Dr. Berndhäuser. Para pronosticar la calidad en los hornos de fusión reales, se calculan las distribuciones de temperatura y los patrones de fluencia en su interior, con ayuda de programas dfc (Dinámica de Fluencia Computacional), para luego evaluarlos p. ej. en cuanto al número de burbujas, tomando como referencia los modelos de calidad propios. Las pruebas de laboratorio reales con el crisol contribuyen al desarrollo de estos modelos. Muestran la distribución (tamaños) de burbujas en función del agente de afino utilizado y su concentración, de la temperatura y del tiempo de retención para cada tipo de vidrio estudiado. Estos parámetros y valores revierten en el modelo de calidad y son traducidos al tamaño real del horno en la simulación. Actualmente se utilizan los trazadores para describir cómo se comportan las burbujas en un horno de estos marcadores simulados, recorren los diferentes patrones de fluencia y zonas de temperatura, que dependen del diseño y la configuración del horno. A continuación, una estadística informa del tamaño y la distribución de las burbujas en los procesos de fusión y afino. El siguiente nivel de simulación incluirá también el efecto retroactivo de las burbujas sobre el proceso de afino, porque las condiciones físico-químicas cambian a lo largo del proceso en función de la carga de burbujas, explica el Dr. Berndhäuser. Este tipo de preguntas y observaciones marcan también el punto de partida de los planteamientos optimizados para la construcción y configuración de hornos de fusión, especialmente el cambio a productos químicos de afino libres de metales pesados, más respetuosos con el medio ambiente. El Dpto. de Investigación de schott está estudiando a fondo este tema. Una cosa ya es segura: los avances en las simulaciones no harán más fácil cumplir el lema de la simplicidad de Einstein. < christoph.berndhaeuser@schott.com Dr. Bernd häuser, mostrando seu colorido modelo da qualidade na tela. Para projetar a qualidade em tanques reais, as distribuições de temperatura e o fluxo interno são calculados com o uso de programas especiais de cfd (Computational Fluid Dynamics) e, então, o número de bolhas é avaliado com base em modelos da qualidade desenvolvidos internamente pela companhia. Ensaios laboratoriais dentro de um cadinho de fusão dão importantes contribuições para o desenvolvimento desses modelos. Eles mostram que a distribuição do tamanho das bolhas depende do agente de refino utilizado, sua concentração, temperatura e o tempo de espera para cada vidro analisado. Estes parâmetros e valores permeiam o modelo da qualidade e são transferidos para o tamanho real do tanque de simulação. Os chamados marcadores são usados para descrever como as bolhas se comportam dentro do tanque dessas marcas de simulação passam através de vários padrões de fluxo modelado e zonas de temperatura nos diferentes caminhos, dependendo do design e da configuração do forno. As estatísticas fornecem informações sobre o tamanho e a distribuição das bolhas durante e ao final do processo de fusão e refinação. O próximo nível de simulação também incluirá a reação das bolhas ao processo de refinação, uma vez que as condições físicas e químicas mudam durante o processo, a depender da carga de bolha, explica o Dr. Berndhäuser. Estes tipos de questões e insights também marcam o ponto de partida para abordagens otimizadas na construção e configuração dos tanques de fusão, especialmente na transição para químicas de refino mais amigáveis ao meio ambiente, que não contenham metais pesados. Atualmente, a área de pesquisas da schott está conduzindo um projeto de aprofundamento neste quesito. Porém, uma coisa já está clara: os avanços no campo da simulação definitivamente não tornarão mais fácil pôr em prática a máxima de Einsteins sobre simplicidade. < christoph.berndhaeuser@schott.com 33

5 SCHOTT SOLUTIONS 2/14 ENTREVISTA ENTREVISTA La simulación será pronto el estándar Simulação por computador logo será padrão El profesor Walter Kob, Premio Otto Schott a la Investigación 2007 y especialista en la simulación por ordenador aplicada a la ciencia de materiales, habla sobre la situación actual y las perspectivas de futuro. O Prof. Dr. Walter Kob, vencedor do Prêmio de Pesquisa Otto Schott 2007 e especialista em simulação por computador para uso em ciências de materiais, fala sobre a situação atual e as perspectivas futuras. solutions: Profesor Kob, dónde se está utilizando hoy en día con éxito la simulación por ordenador? Kob: Principalmente en las industrias química y farmacéutica, que empezaron a utilizarla hace más de 20 años. Allí se utilizó primero a nivel atómico, para investigar las propiedades de las moléculas. También se aplica desde hace tiempo para mejorar metales y materiales poliméricos. Pero en los últimos diez años se está imponiendo también en la industria del vidrio. solutions: En qué medida ha progresado la simulación del vidrio en comparación con la de otros materiales? Kob: Está ganando terreno rápidamente. Sin embargo, los metales tienen una estructura cristalina ordenada, por lo que resulta relativamente sencillo simularlos. Además, las preguntas que se plantean en torno a los polímeros son a menudo más sencillas, porque conocemos su estructura local. Con un material amorfo como el vidrio puede resultar relativamente difícil predecir la estructura y sus cambios, por ejemplo al intercambiar tan solo uno de los elementos de la composición. Por esta razón, la simulación atómica resulta más difícil en este caso, pero también especialmente valiosa. solutions: Cuándo será posible utilizar la modelización para diseñar a medida los materiales y sus propiedades? Kob: Esto se está haciendo ya en los sectores farmacéutico y químico, para optimizar productos. Estoy convencido de que pronto las ideas ya no se probarán primero con ensayos de laboratorio, sino mediante una simulación por ordenador. El material no se obtendrá en el laboratorio hasta haber visto resultados óptimos. Esto ya se está haciendo y se convertirá en una práctica estándar en la industria del vidrio en un plazo de cinco a diez años, al menos en las grandes empresas como schott, que disponen de recursos suficientes para investigar. < Foto : schott/ A. Sell Walter Kob, Profesor de Física en la Universidad de Montpellier (Francia), habló en noviembre pasado ante más de 50 participantes en el panel internacional de expertos de schott sobre Simulación por ordenador de estructuras y propiedades de materiales. Prof. Dr. Walter Kob, Professor de Física na Universidade Montpellier, França, falou para 50 participantes do painel de especialistas da schott sobre Simulação por Computador de Propriedades e Estruturas de Materiais, em novembro. solutions: Prof. Kob, onde as simulações por computador são usadas com sucesso atualmente? Kob: Principalmente nas indústrias química e farmacêutica, que começaram a usar este recurso há 20 anos. Primeiro, as simulações foram usadas nestas áreas no nível atômico, para aprender mais sobre as propriedades das moléculas. Também têm sido aplicadas para melhorar metais e materiais polimétricos já há algum tempo. Mas, nos últimos 10 anos, a indústria do vidro tem melhorado o uso dessa abordagem. solutions: Quão avançada a simulação do vidro está em comparação a outros materiais? Kob: Ganha terreno rapidamente! Os metais têm uma estrutura cristalina ordenada e podem ser simulados com relativa facilidade. E as questões que se colocam sobre plásticos são normalmente simples, porque sua estrutura é mais conhecida. Entretanto, com materiais amorfos como o vidro, a estrutura e suas mudanças podem ser relativamente imprevisíveis considerando-se que até mesmo um único elemento da fórmula pode ser trocado. Por isso, simulações atomísticas são mais difíceis neste caso, mas particularmente valiosas também. solutions: Quando será possível usar a modelagem para materiais projetados e suas propriedades em fase de projeto? Kob: Isso já está em curso para otimizar produtos nas indústrias farmacêutica e química. Também estou convencido que, em um futuro próximo, uma ideia será testada antes em simulação por computador, ao invés de laboratórios. Um material não será produzido em laboratório até que tenhamos visto resultados promissores. Isso já está acontecendo e tornar-se-á prática padrão na indústria de vidro dentro de cinco a dez anos ao menos, nas grandes empresas que têm suficientes recursos de pesquisa, como a schott. < 34