La simulación CAE impulsa el diseño de maquinaria para el packaging

Entre las principales ventajas destacan la reducción de costes, la aceleración del tiempo de comercialización (time to market) y el impulso a la innovación del producto.

El diseño de maquinaria para la industria del packaging plantea numerosos retos que pueden abordarse mediante la simulación por ordenador. La incorporación temprana de la simulación al desarrollo de la máquina permite orientar las decisiones de diseño, con los consiguientes beneficios técnicos y económicos:

1. a) Reducción de costes. Gracias a la simulación, los diseñadores pueden descartar las soluciones menos prometedoras y centrar sus esfuerzos en las alternativas más viables, reduciendo así el tiempo necesario para el ajuste y la validación de los prototipos.
2. b) Reducción del time to market. Se necesitan menos iteraciones entre el diseño y la experimentación para optimizar y validar el producto, lo que permite acortar el tiempo de desarrollo.
3. c) Innovación del producto. Al poder evaluar el comportamiento de diferentes soluciones de diseño en un entorno digital, las empresas pueden ofrecer al mercado productos de calidad y mantener elevados márgenes de beneficio.

Existen diversas tecnologías de simulación aplicables a los distintos retos de los sectores del packaging y el embotellado, que permiten crear un gemelo digital del producto y del proceso. Veamos en qué consisten.

El análisis por elementos finitos (FEM)

Permite predecir el comportamiento estructural, especialmente en lo relativo a la rigidez, la resistencia, la vida útil de los componentes mecánicos y las vibraciones de la máquina.

Como ejemplo, podemos citar el modelado estructural de un envase sometido a ensayos de homologación. Mediante el modelo de elementos finitos es posible reproducir digitalmente los ensayos de compresión y determinar la distribución óptima de los espesores para maximizar la resistencia y minimizar los costes, eliminando la necesidad de realizar modificaciones posteriores en el prototipo y los moldes.

La dinámica de fluidos computacional (CFD)

Permite calcular las magnitudes relacionadas con el movimiento de los fluidos y la transferencia de calor entre fluidos y sólidos. Ayuda al diseñador a determinar temperaturas, caudales, presiones y concentraciones de sustancias durante un proceso.

Por ejemplo, un modelo CFD permite simular el funcionamiento de la boquilla de una máquina llenadora y evaluar el procesamiento de fluidos con propiedades reológicas muy diferentes, como líquidos y cremas. Esto no solo permite al diseñador comprobar el funcionamiento de la máquina durante la fase de diseño, sino que también ayuda al departamento comercial a preparar adecuadamente una propuesta para el cliente y desarrollar una solución personalizada.

El análisis cinemático y dinámico multicuerpo

Permite estudiar las leyes de movimiento de un mecanismo y simular una máquina completa en sus condiciones reales de funcionamiento.

Por ejemplo, el modelo multicuerpo de una máquina permite analizar un sistema de movimiento, lo que ayuda al diseñador a determinar las cargas reales de funcionamiento para dimensionar adecuadamente los componentes mecánicos y los sistemas de accionamiento (motores, actuadores, etc.).

El análisis DEM

La simulación por elementos discretos (DEM) permite estudiar el movimiento de pequeños cuerpos que interactúan mediante contactos e impactos, tanto entre sí como con el volumen que los contiene. Esta herramienta permite simular procesos en los que el producto no puede considerarse un fluido, sino que conserva una determinada granulometría o tamaño de partícula. Algunos ejemplos son el transporte de frutas o de granos de café a través de una tolva.

Por si fuera poco, estas disciplinas suelen estar interconectadas y requieren un enfoque multifísico. Por ejemplo, en una máquina automática de alta velocidad pueden generarse fuerzas de inercia y cargas dinámicas en las articulaciones, que deben tenerse en cuenta para verificar la resistencia y la vida útil de los componentes en movimiento.

Además, estas cargas dinámicas pueden provocar fenómenos vibratorios en la máquina que afecten negativamente a la calidad del proceso. Por ello, es necesario abordar el diseño de la máquina desde una perspectiva holística, que permita comprender todas las facetas del fenómeno, y utilizar una herramienta de simulación adecuada para crear un modelo capaz de representar todos los aspectos físicos relevantes.

Los principales obstáculos que históricamente han frenado la adopción de la simulación en las pymes han sido la complejidad de esta tecnología y el coste de las soluciones. Aunque esto podía ser cierto hace algunos años, hoy en día podemos considerar ambos obstáculos auténticos “falsos mitos”. Ya no es cierto que el software de simulación sea demasiado complicado para los diseñadores. Los desarrolladores han realizado un gran esfuerzo para que estas herramientas sean cada vez más intuitivas y fáciles de utilizar, incluso para quienes tienen poca experiencia en simulación CAE. Asimismo, el coste del software se ha convertido en un concepto relativo.

En los últimos años, los principales fabricantes de software han desarrollado diversos modelos de licenciamiento que combinan flexibilidad y costes reducidos. Las suscripciones, el SaaS (Software as a Service) y los modelos de pago por uso (pay-per-use) han hecho que esta tecnología sea realmente accesible también para las pymes. Sin duda, la mejor manera de evaluar los beneficios reales que la simulación puede aportar a una empresa es definir un proyecto piloto. Una prueba de concepto (Proof of Concept, PoC) permite establecer las métricas necesarias en términos de productividad y ahorro, a partir de las cuales estimar el ROI adaptado a la realidad de cada empresa.

Por tanto, es fundamental que la empresa base su elección no solo en la marca del software de análisis, sino también en la identificación del socio tecnológico (partner) capaz de ayudarla a implementar con éxito la tecnología de simulación.

Desde 2002, SmartCAE pone la simulación por ordenador al alcance de las empresas mediante una combinación de software CAE profesional, formación y servicios de consultoría prestados por personal cualificado.

A lo largo de casi veinte años de actividad, SmartCAE ha ayudado a decenas de empresas a implementar con éxito el análisis por elementos finitos en sus flujos de trabajo de diseño, ofreciendo formación, asesoramiento metodológico y asistencia técnica.

Mediante el uso adecuado de los programas de análisis, los usuarios pueden reproducir virtualmente los ensayos experimentales de homologación del producto, anticiparse a posibles problemas e impulsar la innovación.

SmartCAE es partner de Siemens Digital Industries Software para las siguientes soluciones de simulación estructural por ordenador:

• Simcenter 3D

Es un entorno CAE moderno y multidisciplinar dirigido a analistas, equipos de trabajo y diseñadores expertos que desean evaluar rápidamente las prestaciones de un producto. A diferencia de las herramientas CAE tradicionales, que abordan cada disciplina en entornos separados, Simcenter 3D integra el modelado multidisciplinar en un único entorno: desde el tratamiento de la geometría hasta la ejecución de la simulación, pasando por la visualización de los resultados y la gestión de los datos.

• Simcenter STAR-CCM+

Es una herramienta de simulación multifísica centrada en la dinámica de fluidos computacional (CFD) y el método de los elementos discretos (DEM). Integra de forma única una amplia variedad de dominios físicos y herramientas para explorar el espacio de diseño en una sola interfaz. Todo ello, combinado con herramientas de automatización del flujo de trabajo y un cálculo paralelo eficiente, permite a los ingenieros analizar y explorar problemas reales, impulsando la innovación y la selección de las mejores soluciones de diseño desde las primeras fases del proceso de desarrollo.

• Simcenter FLOEFD

Es un software de simulación CFD que permite calcular los flujos y la transferencia de calor directamente en el entorno de modelado CAD. Simcenter FloEFD incorpora una tecnología única que permite automatizar y simplificar el proceso de análisis CFD.

Gracias a su integración con el CAD, los diseñadores pueden mantener los resultados de la simulación actualizados a medida que evoluciona el diseño, logrando un aumento de la productividad de más de 40 veces en comparación con otras soluciones CFD.

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