Comsol modelleert de magnetische wereld van Goudsmit

Alles draait om magneten bij Goudsmit. Al bijna zestig jaar ontwikkelt en produceert het familiebedrijf uit Waalre allerhande oplossingen op basis van magnetisme. De activiteiten concentreren zich op recycling, separatie en handling.

Bij recycling gaat het om het terugwinnen van materialen in een productstroom, bijvoorbeeld huisvuil. In ons afval zit twee tot drie procent metaal. Systemen van Goudsmit halen dat eruit. ‘Bij afvalverwerking bijvoorbeeld blijven er na de verbranding vooral metaal en stenen over’, vertelt Cas van de Paal, productontwikkelaar bij Goudsmit Magnetic Systems. ‘Die metalen zijn geld waard, dus die wil je graag scheiden.’

Ferromagnetische metalen zoals ijzer, nikkel en kobalt zijn relatief eenvoudig met een magneetveld uit de stroom te halen. Koper en aluminium zijn echter niet ferromagnetisch, maar daar heeft Goudsmit een oplossing voor. Van de Paal: ‘Zoals alle metalen geleiden ze wel elektriciteit. We hebben een complete productlijn non-ferro-separators die bestaan uit een lopende band die over een trommel draait. Daarin zit een snel draaiende magneetrol die zorgt voor een wisselend magnetisch veld. Zo wekken we wervelstroompjes in de metaaldeeltjes op die op hun beurt een magneetveld hebben dat afstotend is van de magneten die het veld genereren. De metaaldeeltjes worden weggeslingerd van de trommel, terwijl het niet-geleidende materiaal – de stenen – recht naar beneden vallen.’

Separatie is een andere tak van sport. Daar gaat het om het verwijderen van ongewenste metaaldeeltjes uit productstromen. Bedrijven in bijvoorbeeld de voedingsindustrie en de farmaceutische sector willen koste wat kost voorkomen dat er kleine metaaldeeltjes in hun eindproducten blijven zitten. Goudsmit levert onder meer magneetfilters aan melkfabrikanten. Zo’n filter is een serie staafmagneten in een behuizing die in de productstroom worden gestoken.

‘Die metaalverontreiniging kan aan de voorkant ontstaan, bijvoorbeeld omdat er een schroevendraaier in een lading koffiebonen zit’, vertelt Van de Paal, ‘maar het kan ook uit het proces zelf komen. Denk aan suiker. Dat is een abrasief materiaal. Dus als je dat met tonnen door een machine laat lopen, slijten er metaaldeeltjes af. Zeker als het om grotere delen gaat, loop je het gevaar dat je een hele batch moet terugroepen. Met onze magneetfilters vang je alles af.’

BMW

Goudsmits derde divisie is gespecialiseerd in materiaalhandling. De magneetgrippers uit Waalre kunnen staalplaten en geperforeerde producten optillen. Ook aluminium en rvs producten tot zo’n vier millimeter dik zijn geen probleem. Daardoor zijn de grippers universeel inzetbaar in geautomatiseerde processen bij bijvoorbeeld lasersnijmachines, gerobotiseerde afkantpersen en pak-en-plaatssystemen in autofabrieken en de plaatverwerkende industrie. Zo gebruikt BMW magneetgrippers van Goudsmit om autodaken te verplaatsen.

De magneetgrippers worden pneumatisch aangestuurd. Ze bestaan uit een cilinder met een magneet als ‘zuiger’. Als je lucht in de bovenste kamer pompt, gaat de magneet naar beneden en staat de gripper aan. Door lucht in de onderste kamer te persen, schuift de magneet omhoog. Bovenin is de hechtkracht een fractie van de kracht onderin.

De magnetische grijpers van Goudsmit worden veel ingezet om metaalplaten van een stapel te pakken. Dan loop je het risico dat je er per ongeluk twee tegelijk optilt. Niet alleen omdat metaalplaten door conserveringsolie sowieso de neiging hebben om aan elkaar te plakken, maar ook omdat het magneetveld wellicht te diep is. Goudsmit zou Goudsmit niet zijn als het daarvoor geen magnetische oplossing had bedacht. Het scheidt de platen door een magneetveld op de stapel te zetten. Alle platen worden gemagnetiseerd waarbij noord boven noord en zuid boven zuid zit. Ze stoten elkaar dus af en komen los van elkaar.

Multifysisch

In magnetisme zitten veel verliezen en niet-lineariteiten. Van de Paal: ‘Als de magneet in direct contact is met het object, is de hechtkracht hoog. Bij een gripper heb je altijd toch een minimale luchtspleet. Lucht is een uitstekende magnetische isolator. Staal geleidt magneetvelden vijftienhonderd keer beter.’

Goudsmit levert magneetgrippers met twee, vier of acht polen. Hoe verder de polen van elkaar liggen, hoe dieper het veld is. En hoe dichter bij elkaar, hoe sterker. ‘Daarmee kun je spelen bij verschillende plaatdiktes’, legt Van de Paal uit. ‘Als het veld echter te sterk wordt, raakt zo’n plaat op een gegeven moment verzadigd. Dat wil zeggen dat het niet veel zin meer heeft om een groter veld aan te brengen. De hechtkracht wordt er nauwelijks groter van. Die verzadiging is een niet-lineair effect.’

Extreme overgangen in materiaaleigenschappen en niet-lineariteiten maken het erg moeilijk om magnetische systemen precies door te rekenen. ‘En dat terwijl klanten en collega’s wel steeds nauwkeuriger antwoorden verwachten’, aldus Van de Paal, die zich volledig richt op modellering en doorrekening van Goudsmits designs. ‘Daarvoor gebruikten we simulatiepakketten die speciaal zijn ontwikkeld voor het doorrekenen van alleen magnetische velden.’

Zo’n tweeënhalf jaar geleden stapten Van de Paal en zijn collega’s over op Comsol Multiphysics. ‘Daarmee kun je rekenen aan multifysische systemen. Dat was allang een wens’, zegt Van de Paal. ‘De magneet is immers altijd onderdeel van een groter geheel. Denk aan de magneetfilter voor separatie. Daarbij wil je tegelijk rekenen aan de magneetvelden en de stromingen. Tijdens de ontwerpfase willen we graag weten hoeveel staaldeeltjes we uit zo’n stroom trekken. In Comsol Multiphysics kunnen we al die fysica integreren. Comsol is mijns inziens de speler die daarmee het verst is. De Comsol-software heeft ons veel nieuwe inzichten opgeleverd, waarmee we verbeteringen in diverse ontwerpen hebben kunnen aanbrengen.’

Blijven nadenken

‘Als je een systeem wilt doorrekenen, begin je met de geometrie. Daarna ken je de materiaaleigenschappen toe, voeg je de fysische regels en randvoorwaarden toe, en daarna ga je meshen’, verklaart Van de Paal de werkwijze. ‘Afhankelijk van de grootte van de mesh en het aantal lineariteiten heb je korte of lange rekendichtheid. Hiermee hangt meestal ook lage of hoge nauwkeurigheid van de berekening samen.’

Zoals altijd met een nieuw pakket was het voor Goudsmit even wennen om met Comsol aan de slag te gaan. ‘Voor wat betreft de magnetische simulaties staat het allemaal op de rit’, vertelt Van de Paal. ‘Voor de modellering van warmte, stromingen of mechanische vraagstukken roep ik nog weleens de hulp in van de helpdesk. Dan sparren we over het probleem.’

Engineers moeten altijd zelf blijven nadenken en een tool niet blindelings vertrouwen, waarschuwt Van de Paal. ‘Je kunt wel van alles in die computer stoppen, maar je moet wel weten wat je doet, jezelf kunnen controleren en kunnen bepalen hoe waardevol een uitkomst is. De theoretische basis moet goed zijn. Maak waar mogelijk eerst een handberekening. Daarna kun je Comsol gebruiken om te tunen.’

Van de Paal verwacht de komende jaren nog meer verbeteringen te kunnen doorvoeren als gevolg van de invoering van Comsol. ‘Het is een kwestie van tijd. Ik wil bijvoorbeeld graag rekenen aan warmte-effecten in combinatie met magnetisme. Ook is het voor ons en onze klanten zeer waardevolle informatie als we de trajecten in de non-ferromagnetische afvalscheider kunnen modelleren. Ik ben er nog niet aan toegekomen.’

Wat Van de Paal daarbij kan helpen, is dat Comsol goed is ingevoerd in de universitaire wereld. ‘Dat vind ik een groot voordeel. Online staan veel voorbeelden van onderzoeken die met Comsol zijn uitgevoerd. Daar komt bij dat Comsol in tegenstelling tot veel andere pakketten redelijk open is. Je kunt je eigen wiskundige vergelijkingen invoegen en laten oplossen. Dat is soms wel heel handig.’