• Vidresim, un estudi numèric del comportament del vidre
Dimecres, 26 Febrer, 2020
IQS Tech Transfer

Dr. Matthew R. Hyre, Dr. Andrés Garcia, Dr. Adrià Biosca, Dr. Salvador Borrós i Dr. Vicenç Pedret

 

Un punt crític en la fabricació d’envasos de vidre és el disseny del motlle preparador, especialment en el desenvolupament de nous flascons, ja que defineix la distribució d’espessors de vidre en les ampolles a fabricar. Tot i això, el disseny d’aquestes cavitats encara es basa en el coneixement empíric i la metodologia tradicional d’assaig i error. Per aquestes raons, poden ser necessàries diverses proves de fabricació, les quals impliquen temps no productius i allarguen el temps de desenvolupament fins aconseguir el producte desitjat.

L’empresa Ramon Clemente, fabricant de flascons de vidre de perfumeria des de fa 85 anys, ha volgut incorporar una eina de simulació per tal de predir el repartiment de vidre dels flascons durant el procés productiu. Aquesta iniciativa va donar lloc al projecte Vidresim, realitzat en col·laboració amb els grups de recerca Grup d’Enginyeria de Productes Industrials (GEPI) i el Grup d’Enginyeria de Materials (GEMAT) d’IQS School of Engineering, dins del programa de suport a la recerca FEDER. D’aquesta manera, l’empresa compleix amb el seu objectiu d’implementar un model de descripció numèrica del comportament termomecànic del vidre, que escurci el buit actual entre l’experiència dels vidriers i el coneixement científic de les simulacions numèriques.

Dins d’aquest conveni de col·laboració, el Dr. Adrià Biosca va defensar la seva tesi doctoral sobre l’estudi numèric i experimental del vidre en el procés de fabricació bufat-bufat, per tal de predir la distribució d’espessors en la posterior producció dels flascons. La tesi ha estat dirigida conjuntament per els professors d’IQS Dr. Andrés García, del grup de recerca GEPI, i Dr. Salvador Borrós, del grup de recerca GEMAT. A més, la recerca del Dr. Biosca ha comptat amb l'assessorament del Dr. Matthew R. Hyre, professor associat de la University of NorthWestern (Illinois), expert en models computacionals, simulació i models matemàtics.
 

Models numèrics desenvolupats a IQS

A la tesi del Dr. Biosca es van realitzar en primer lloc anàlisis tèrmiques i acabats del vidre, sota les condicions reals de fabricació. Amb les operacions de conformat i les propietats del vidre, es va definir el marc teòric per modelar el procés de bufat-bufat, amb el programa de simulació ANSYS Polyflow.

Posteriorment, es varen implementar dos models numèrics. Primer, mitjançant un cas simplificat, com és l'estudi de la caiguda d'una gota de vidre fos sobre una placa de fosa gris, es va obtenir la descripció del flux de vidre al llarg del temps i es va validar la caracterització de la viscositat del vidre de Ramon Clemente, així com el flux no isotèrmic i newtonià previst per les simulacions.

Un cop validada l'aproximació numèrica i la metodologia experimental mitjançant un cas simplificat, es va desenvolupar posteriorment un model numèric molt més ambiciós per definir el flux del vidre a altes temperatures en el procés de bufat-bufat. Aquest segon model va permetre definir  el comportament termo-mecànic del vidre durant les etapes d'expansió dins dels motllos sota condicions industrials i arribar a predir el repartiment d’espessors de vidre en els envasos fabricats.

Els resultats obtinguts permeten tenir una millor comprensió del comportament termo-mecànic del vidre dins de les cavitats dels motlles. A més, les simulacions han aconseguit predir correctament la distribució d’espessors al final del procés, en funció del disseny de les cavitats dels motlles i de les condicions del procés de fabricació, tant en el model axisimètric com tridimensional, sent les resultats obtinguts robustos i coherents amb els flascons fabricats.
 

La visió de Ramón Clemente

Per a l’empresa, la validació del model tridimensional permet obrir la porta a la predicció numèrica de tot tipus de flascons de vidre, tant de geometries complexes com d’ampolles asimètriques. A més, redueix el nombre de probes pilots i les costoses proves de fabricació prèvies al llançament dels productes.

Amb aquest projecte, hem volgut anar un pas més enllà i convertir el coneixement empíric i tradicional del disseny de flascons de vidre en un més científic i tecnològic. I ho hem volgut fer de la mà d’IQS, per el seu gran coneixement i la seva disponibilitat a obrir-se  a nous projectes de transferència tecnològica” , són paraules del Dr.Vicenç Pedret, CEO de Ramón Clemente.
 

Aquesta recerca ha comptat amb el finançament del Fons Europeu de Desenvolupament Regional FEDER, pel programa de suport a la recerca i desenvolupament NUCLIS 2016.