Métodos de simulación: una oportunidad de cambiar el panorama económico del sector

Conferencia presentada en la feria NPE 2003, en Chicago
El desarrollo de un nuevo sistema de empaque en PET puede ser una propuesta costosa, altamente riesgosa y desafiante desde el punto de vista tecnológico. Cuando se considera el amplio rango de aplicación que cubre este tipo de productos, el panorama de retos es enorme. La expansión de las aplicaciones de este material, por ejemplo, en empaques de boca ancha llenados en caliente para productos alimenticios, en empaques para productos de limpieza y en formas innovadoras para empaque presurizado, ofrece desafíos técnicos que afectarán el desarrollo de cualquier organización.

Ya no es necesario basarse en métodos de desarrollo puramente empíricos de ensayo y error: el prototipaje virtual y el análisis predictivo están cambiando el proceso de diseño de nuevos empaques de poliéster. Muchos de los desafíos en estabilidad, procesamiento y diseño térmico pueden ser abordados a través de métodos analíticos y computacionales de simulación actualmente disponibles. Con estas tecnologías se logra reducir sustancialmente el riesgo técnico, el costo y el consumo de tiempo que se genera con un proceso iterativo de ensayo y error. El resultado de su aplicación será típicamente la reducción de 50% en tiempo y costo de desarrollo, comparando con los medios tradicionales. Este artículo describe varias aplicaciones de simulación computacional de desempeño y de métodos de optimización:

• Optimización del desempeño estructural de una botella de Pepsi Cola de 32 Oz. All Sport.
• Simulación del moldeo por soplado de una botella de 20 Oz. para agua en PET.
• Simulación para predicción del sello de un cierre y del torque de remoción de un empaque de PET de boca ancha llenado en caliente

Desarrollo estructural de la botella All Sport de 32 Onzas
Una restricción común en el desarrollo de una nueva botella de PET es el deseo de utilizar una preforma existente. Éste era uno de los principales requerimientos económicos que estableció Pepsi durante el desarrollo del envase All Sport de 32 Oz. Enfrentados al reto de producir rápidamente una nueva botella para este mercado de alto crecimiento, Pepsi decidió desarrollar el producto utilizando métodos de análisis estructural predictivo y limitando la producción de prototipos funcionales completos. El desarrollo se basó en prototipaje virtual y evaluación de desempeño a través de simulación computacional.

Una vez establecidos los requerimientos estéticos del diseño, el esfuerzo de desarrollo se enfocó en identificar los detalles estructurales primarios requeridos para desarrollar una botella que cumpliera con el peso en gramos fijado, empleando una preforma existente y satisfaciendo los criterios de carga límite y baja distorsión durante la presurización. Durante un período de varios meses se desarrollaron y evaluaron 22 prototipos virtuales.

Durante el curso de este desarrollo, se moldearon por soplado varios prototipos de funcionalidad limitada, para revisiones intermedias del mercado y para validación del modelo de simulación. La  figura 1 ilustra la validación de la simulación estructural computacional a través de una comparación entre las deformaciones predichas en la botella y los resultados reales obtenidos.

Este método de modelaje fue usado para desarrollar todos los detalles estructurales que existen en la botella. Los aspectos estructurales fueron diseñados dentro de la geometría para mejorar la resistencia a carga límite durante los procesos de llenado y distribución.

Basándose en los resultados de la simulación, el herramental de producción fue encargado antes de la producción de muestras prototipo; una vez se tuvo una muestra se realizó una comparación entre la respuesta de carga límite del diseño final que fue desarrollado y optimizado usando prototipaje virtual, y las muestras de producción que estaban siendo manufacturadas. Los resultados de esta comparación se presentan en la figura 2.

Adicionalmente a la simulación de carga límite el mismo método estructural puede ser empleado para predecir la resistencia al impacto de un contenedor y el comportamiento que sigue cuando es estrujado y manipulado; puede servir también para evaluar la respuesta estructural y del material a presurización, y el conformado del material debido a vacío interno.

Simulación de moldeo por soplado
Como una tecnología paralela al análisis estructural, la simulación del moldeo por soplado ofrece la oportunidad de acelerar dramáticamente el desarrollo y optimización de la geometría de la preforma y el proceso de moldeo. Adicionalmente, cuando se usa en conjunto con otras tecnologías de prototipaje virtual, la simulación del moldeo por soplado facilita una aproximación integrada al desarrollo de botellas.

Una evolución reciente es la simulación del proceso de moldeo por soplado-estirado. Mucho del trabajo técnico clave relacionado con el inflamiento de la preforma había sido completado hace algunos años; sin embargo, hasta hace muy poco la capacidad predictiva de esta tecnología de soplado-estirado estaba limitada. Los recientes avances se han derivado de nuevas introspecciones y mejoramientos de los algoritmos requeridos para modelar el complejo comportamiento de materiales de poliéster en este tipo de proceso. La figura 3 ilustra las formas intermedias de la preforma mientras está siendo deformada y soplada hasta su forma final.

En la figura 4 se muestra una comparación entre la distribución del espesor de pared en una botella real y la distribución predicha por el modelo computacional. La variación del espesor entre la botella manufacturada y el modelo es algo más grande que lo que se ve típicamente; pero es común que se llegue a inexactitudes de 0.1 mm en este estado de desarrollo.

Simulación de sello de cierre y torque de remoción de contenedores llenados en caliente
En las botellas de PET llenadas en caliente es necesario manejar la estabilidad del sello durante la vida del producto y ofrecer un torque de apertura suficientemente bajo para que los clientes puedan remover confortablemente la tapa. Esta preocupación cobra particular importancia en la medida en que los diámetros del cuello final siguen creciendo, como en el caso de contenedores llenados en caliente de boca ancha para sopas listas para servir, salsas y otros productos. Los diámetros mayores impactan la estabilidad geométrica del terminado del cuello después del llenado y también el torque de apertura que debe ser aplicado por el consumidor.

Ambos, el sello y el torque de remoción para empaques roscados, están relacionados con la región de contacto entre la botella y el sello; esta zona es tan pequeña y remota que no es posible anticipar empíricamente el desempeño del diseño cuando se hace contacto. Otra complicación al problema del desempeño en el sellado y torque de remoción es el efecto combinado de variación dimensional, carga transiente térmica asociada con esterilización y llenado en caliente, fricción y características de relajación del material. Usando procesos tradicionales el diseñador debe basarse en su experiencia y juicio para desarrollar el sistema de sello; y dada la complejidad del problema, esto frecuentemente conlleva a inversión significativa en pruebas de prototipos de ensayo y error.

Los métodos de simulación computacionales pueden ser usados para predecir la capacidad del sello y el torque de remoción en empaques convencionales y de boca ancha llenados en caliente. Los modelos de simulación pueden ser desarrollados para tener en cuenta la mayoría de los factores críticos que influyen en la efectividad del sellado y el torque de remoción. Algunos de estos factores son:

• Calentamiento de la tapa como resultado de la esterilización antes de la aplicació
• Calentamiento de la botella y del cuello como resultado del llenado en caliente
• Variabilidad del torque de aplicación por el equipo de instalación de tapas
• Variabilidad dimensional de la botella y cierre debido a variaciones en dimensiones del molde
• Variabilidad en fricción (superficies secas o húmedas)
• Fluencia lenta del material -creep- para contenedores presurizados, y relajación para contenedores no presurizados.

La figura 5a ilustra un modelo de simulación computarizada de un envase de PET de boca ancha que fue llenado en caliente con producto a 180ºF. El empaque es un elastómero termoplástico y la tapa es de PP. Antes del cerrado, el sello es esterilizado a 90ºF. Cuando alcanza esta temperatura, el cierre se aplica con 24 lb-pulg de torque. El empaque lleno y cerrado es entonces transportado a un túnel de enfriamiento a 48ºF durante 45 minutos; por último es empacado en cajas corrugadas y almacenado.

Los métodos de simulación pueden ser empleados para predecir la evolución de la presión del sello de contacto y el torque de remoción, contemplando combinaciones de eventos térmicos y estructurales a través de su historia. El ejemplo usado en esta demostración está enfocado en el período a través del túnel de enfriamiento.

Las  Figuras 5b y 5c ilustran el gradiente de temperatura en el borde de la botella, empaque y tapa durante tiempos específicos después del llenado. Las características de este perfil de sellado cambiarán cuando el empaque envejezca y experimente diferentes condiciones de almacenamiento.

El gráfico en la figura 6 ilustra las predicciones de presión de sellado y torque de remoción como función del tiempo después del llenado; este comportamiento depende de los materiales particulares usados en el diseño del sistema de sellado. En este ejemplo se empleó un período de simulación de 3 horas; los cambios más significativos se observaron durante la primera hora y media. Sin embargo, este método puede ser empleado para simular muchos meses después del llenado, no sólo el período de tiempo relativamente corto descrito en este ejemplo.

La oportunidad del desarrollo integrado
Los métodos de simulación predictiva y las herramientas de software han avanzado haciendo posible predecir muchos atributos críticos para el desempeño de empaques de poliéster. La integración de estas tecnologías: simulación de moldeo por soplado, análisis estructural y de desempeño de material, y optimización del sello de cierre y del torque de remoción, y la entrada de dos métodos emergentes para predicción de ESCR y vida de anaquel ofrecen la oportunidad de cambiar el panorama económico y técnico del desarrollo de empaques. Algunos de los beneficios claves de esta aproximación son:

• Reducir dramáticamente las iteraciones en la producción de herramientas
• Entender y documentar las concesiones que se tienen que hacer entre los aspectos económicos y el desempeño técnico
• Reducir los tiempos de desarrollo
• Investigar conceptos innovadores e ideas en un tiempo corto y por un costo mucho menor al de métodos alternativos 
• Entender físicamente qué implicaciones hay, e ingeniar ideas aparentemente imposibles para aplicaciones exitosas.