• Vidresim, un estudio numérico del comportamiento del vidrio
Miércoles, 26 Febrero, 2020
IQS Tech Transfer

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

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

 

Un punto crítico en la fabricación de envases de vidrio es el diseño del molde preparador, especialmente en el desarrollo de nuevos frascos, ya que define la distribución de espesores de vidrio en las botellas a fabricar. Sin embargo, el diseño de estas cavidades aún se basa en el conocimiento empírico y la metodología tradicional de ensayo y error. Por estas razones, pueden ser necesarias diversas pruebas de fabricación, las cuales implican tiempos no productivos y prolongan el tiempo de desarrollo hasta conseguir el producto deseado.

La empresa Ramon Clemente, fabricante de frascos de vidrio de perfumería desde hace 85 años, ha querido incorporar una herramienta de simulación para predecir el reparto de vidrio de los frascos durante el proceso productivo. Esta iniciativa dio lugar al proyecto Vidresim, realizado en colaboración con los grupos de investigación Grupo de Ingeniería de Productos Industriales (GEPI) y el Grupo de Ingeniería de Materiales (GEMAT) de IQS School of Engineering, dentro del programa de soporte a la investigación FEDER. De este modo, la empresa cumple su objetivo de implementar un modelo de descripción numérica del comportamiento termomecánico del vidrio, que acorte el vacío actual entre la experiencia de los vidrieros y el conocimiento científico de las simulaciones numéricas.

Dentro de este convenio de colaboración, el Dr. Adrià Biosca defendió su tesis doctoral sobre el estudio numérico y experimental del vidrio en el proceso de fabricación de soplado-soplado, para predecir la distribución de espesores en la posterior producción de los frascos. La tesis ha estado codirigida por los profesores de IQS Dr. Andrés García, del grupo de investigación GEPI, y Dr. Salvador Borrós, del grupo GEMAT. Además, la investigación del Dr. Biosca ha contado con la asesoría del Dr. Matthew R. Hyre, profesor asociado de la University of NorthWestern (Illinois), experto en modelos computacionales, simulación y modelos matemáticos.
 

Modelos numéricos desarrollados en IQS

En la tesis del Dr. Biosca se realizaron en primer lugar análisis térmicos y acabados del vidrio, bajo las condiciones reales de fabricación. Con las operaciones de conformado y las propiedades del vidrio, se definió el marco teórico para modelar el proceso de soplado-soplado, con el programa, de simulación ANSYS Polyflow.

Posteriormente, se implementaron dos modelos numéricos. Primero, mediante un caso simplificado, como es el estudio de la caída de una gota de vidrio fundido sobre una placa de fundición gris, se obtuvo el flujo de vidrio a lo largo del tiempo y se validó la caracterización de la viscosidad del vidrio de Ramón Clemente, así como el flujo no isotérmico y newtoniano previsto para las simulaciones.

Una vez validada la aproximación numérica y la metodología experimental mediante un caso simplificado, se desarrolló posteriormente un modelo numérico mucho más ambicioso, que definiera el flujo del vidrio a altas temperaturas en el proceso de soplado-soplado. Este segundo modelo permitió definir el comportamiento termo-mecánico del vidrio durante las etapas de expansión en los moldes bajo condiciones industriales y poder llegar a predecir el reparto de los espesores de vidrio en los envases fabricados.

Los resultados obtenidos permiten una mejor comprensión del comportamiento termo-mecánico del vidrio en las cavidades de los moldes. Además, las simulaciones han conseguido predecir correctamente la distribución de espesores al final del proceso, en función del diseño de las cavidades de los moldes y de las condiciones del proceso de fabricación, tanto en el modelo axisimétrico como en el tridimensional, siendo los resultados obtenidos robustos y coherentes con los frascos fabricados.
 

La visión de Ramón Clemente

Para la empresa, la validación del modelo tridimensional permite abrir la puerta a la predicción numérica de todo tipo de frascos de vidrio, tanto de geometrías complejas como de botellas asimétricas. Además, reduce el número de pruebas piloto y las costosas pruebas de fabricación previas al lanzamiento de los productos.

Con este proyecto, hemos querido ir un paso más allá y convertir el conocimiento empírico y tradicional del diseño de frascos de vidrio en uno más científico y tecnológico. Y lo hemos querido hacer de la mano de IQS, por su gran conocimiento y su gran disponibilidad a abrirse a nuevos proyectos de transferencia tecnológica”,  son palabras del Dr.Vicenç Pedret, CEO de Ramón Clemente.

 

Esta investigación ha contado con la financiación del Fondo Europeo de Desarrollo Regional FEDER, para el programa de soporte a la investigación y desarrollo NUCLIS 2016