Vetro a prova di… bollicine

01/10/2013

Verallia, il comparto imballaggi di Saint-Gobain, voleva creare un progetto ecologico di bottiglia in vetro, riducendo il consumo di materie prime ed energia senza compromettere la resistenza alla rottura. Con Abaqus FEA abbinato a flussi di lavoro automatizzati con Isight, gli ingegneri sono riusciti a ottimizzare la geometria ottenendo una bottiglia più leggera per bevande gassate con la stessa resistenza di una bottiglia più pesante. Eseguendo l’analisi a elementi finiti con una procedura di ottimizzazione ciclica, automatizzata e iterativa, il team di ingegneri di ricerca e sviluppo ha simulato molteplici scenari di carico su bottiglie con forme diverse, risparmiando molto tempo per l’analisi e riducendo l’impronta di carbonio dei contenitori in vetro.

Quando gli fu chiesto di scoprire perché le bottiglie di vino frizzante scoppiassero nelle cantine dell’abbazia nel nord della Francia trecento anni fa, Dom Pérignon, il monaco benedettino francese, produttore di vini e sinonimo di champagne raffinato, decise di analizzare le bollicine. L’indagine rivelò che il vino continuava a fermentare dopo l’imbottigliamento, producendo ulteriore anidride carbonica e quindi aumentando la pressione interna. Procedendo per tentativi, Pérignon riuscì a controllare il processo di fermentazione, riducendo i cedimenti delle bottiglie e la perdita del loro prezioso contenuto. Oggi, gli ingegneri che lavorano per Verallia nel Centro Ricerche di Saint-Gobain, vicino a Parigi, adottano un approccio differente per evitare danni: analizzano le bottiglie, non le bollicine. L’attività è gestita da Xavier Brajer, ingegnere meccanico responsabile del gruppo di 15 persone che si occupa di meccanica dei materiali nel reparto R&S dell’azienda. Le analisi del gruppo ruotano attorno a iniziative specifiche del governo, dell’industria del vino e delle bevande, e della stessa Saint-Gobain, finalizzate a ridurre la quantità di materie prime utilizzate nella produzione di bottiglie. “Per ridurre il nostro impatto ambientale, puntiamo a minimizzare il consumo di materiali ed energia,” afferma Brajer, “assicurandoci al tempo stesso che le bottiglie abbiano proprietà meccaniche tali da garantirne la massima durata.” Le bottiglie di vetro vengono prodotte con quattro sostanze facilmente accessibili: silice o sabbia, ceneri di soda, pietra calcarea e rottame di vetro (vetro riciclato). Vengono aggiunti anche coloranti, con tinte selezionate a seconda del tipo di bevande e delle indicazioni del cliente. Una bottiglia di vino vuota da 750 millilitri pesa circa 500 grammi (alcune scendono fino a 300 grammi), pari al 30-40 percento del peso complessivo della bottiglia piena. Una bottiglia di champagne, invece, pesa circa il doppio. Per le bevande frizzanti servono contenitori più pesanti con pareti più spesse a causa della pressione prodotta dall’anidride carbonica, che può arrivare a oltre 6 bar, circa il triplo di un normale pneumatico per auto. Lo champagne produce la pressione gassosa più alta fra tutte le bevande, ma qualsiasi bibita gassata (come sidro, soda e altri vini frizzanti) sottopone il vetro a sollecitazioni che devono essere valutate con estrema cura quando si progettano bottiglie più leggere.

Ottimizzare forma e resistenza delle bottiglie con la simulazione

Nonostante esistano contenitori per bevande di qualsiasi forma, dimensione e colore, il profilo di una bottiglia di champagne resta inconfondibile. Anche il peso della bottiglia contribuisce alla qualità percepita dal consumatore. Inoltre, le forme delle bottiglie vengono spesso associate a bevande o marchi specifici. Pertanto, cambiare la forma di una bottiglia per ridurre il peso o il consumo di materiali può essere molto delicato. Con queste premesse, quando Brajer e il suo team di R&S devono apportare modifiche, valutano aspetti estetici soggettivi, ma si affidano a strumenti di ingegneria assolutamente oggettivi. “Partiamo da un modello CAD della forma della bottiglia, disegnato dall’ufficio di progettazione di Verallia in accordo con il cliente,” racconta Brajer. “Poi proviamo ad alleggerire la bottiglia, utilizzando l’analisi a elementi finiti (FEA) di Abaqus per simulare le sollecitazioni, abbinato al software Isight per ottimizzare la geometria in modo tale che il contenitore possa resistere alla pressione senza cedere.” Saint-Gobain utilizza Abaqus da circa 15 anni e ha cominciato a usare Isight per i flussi di simulazione automatizzati e integrati circa due anni fa. “Questi due software interagiscono facilmente e ci consentono di effettuare una serie di calcoli, risparmiando tempo e guidandoci verso la geometria ottimale della bottiglia,” aggiunge Brajer. In un’analisi recente, il team di ricerca di Saint-Gobain ha testato una versione leggera di una bottiglia per sidro. Come lo champagne, questa bevanda alcolica frizzante genera un carico di pressione interna che può facilmente rompere la bottiglia nel suo punto debole, il fondo. Per ridurre la quantità di materiale impiegato, Brajer e il suo team si sono concentrati sull’analisi ingegneristica, cercando di mantenere la resistenza meccanica e la solidità della bottiglia (vedi riquadro). Il team ha cominciato ad analizzare la pressione partendo da un modello della bottiglia in Abaqus. È stato utilizzato un modello 2D con le caratteristiche del vetro per sfruttare la geometria assisimmetrica della bottiglia e risparmiare i tempi di calcolo (vedi Figura 1). Quindi è stata generata la mesh del modello e sono state applicate le condizioni al contorno e i carichi. Per ottimizzare i parametri geometrici (in questo caso nove, a volte di più) che descrivono il fondo della bottiglia (forma interna ed esterna, curvatura e diversi raggi), Abaqus è stato abbinato ad Isight. Il team ha potuto così automatizzare il flusso di simulazione e apportare modifiche sistematiche ai parametri, calcolare le sollecitazioni per ogni profilo e, infine, determinare lo stress minimo e la forma ottimale della bottiglia (vedi Figura 2). “Nel caso della bottiglia di sidro, siamo riusciti a ridurre il peso del 17 percento circa,” dice Brajer. “In passato avremmo potuto impiegare una settimana per effettuare le 100 simulazioni necessarie per questa ottimizzazione. Ora, con il processo iterativo, basta un’ora circa.”

Fabbricare e infrangere bottiglie

Il metodo principale per produrre bottiglie a collo stretto, come quelle per champagne, sidro e vino, è un processo di soffiaggio doppio, diverso dal metodo di stampaggio e soffiaggio utilizzato per i contenitori a bocca larga. Con questa tecnica, il vetro fuso a 1500º C che arriva direttamente dal forno viene dapprima raffreddato a 1100º C in una formatrice e poi tagliato in “gocce” (piccole forme delle dimensioni di una bottiglia). Soffiando aria compressa si apre una cavità nel materiale rovente semi-liquido, creando una forma intermedia nella formatrice. Un secondo getto d’aria conferisce alla bottiglia la forma definitiva all’interno dello stampo. Successivamente viene utilizzato un processo di ricottura per aumentare la resistenza del vetro. Purtroppo è impossibile fabbricare vetro privo di piccolissimi difetti, anche se abbiamo avuto più di cinquemila anni di tempo per affinare il processo. I difetti, come piccoli graffi o crepe nella superficie, dovuti al contatto con oggetti e a molti altri fattori, possono indebolire il materiale. “Se esistesse un vetro privo di difetti,” dice Brajer, “le bottiglie sarebbero 100 volte più resistenti.” Poiché il comportamento dei difetti può essere previsto su basi probabilistiche, Brajer e il suo team utilizzano Abaqus FEA e Isight per calcolare il rapporto fra sollecitazioni e cedimenti, puntando inoltre a ridurre al minimo l’utilizzo di materie prime nei loro contenitori ecologici. “Il nostro obiettivo è realizzare la bottiglia più leggera in grado di sopportare un livello di sollecitazioni massimo statisticamente accettabile,” dichiara Brajer. Con l’aiuto dei team tecnici di Verallia, la simulazione è stata completata e verificata con collaudi fisici. “In futuro potrebbero cambiare le nostre procedure di collaudo,” aggiunge, “perché quando disporremo di calcoli che confermano la validità dei test, gli ingegneri progettisti potranno fare pieno affidamento sul processo di ottimizzazione virtuale.”

Peso ridotto con la simulazione

La pressione di carico interna è una delle cause più comuni di cedimento dei contenitori di bevande gassate… ma non è l’unica. Lungo il percorso dallo stampo di soffiaggio, passando per la linea di imbottigliamento, fino allo scaffale del negozio, tutte le bottiglie, indipendentemente dalla bevanda, vengono riempite, tappate, accatastate e trasportate. Sono quindi soggette alle più svariate condizioni di carico, dallo stress termico (per i liquidi caldi) agli urti, dallo schiacciamento alla compressione. La vita di una bottiglia di vetro è molto precaria. Brajer e il suo team vogliono cambiare questa condizione. Dopo aver concentrato i primi studi di ottimizzazione sull’analisi della pressione, ora il team intende applicare lo stesso metodo (e gli stessi strumenti software) per analizzare altre modalità di cedimento della bottiglia. Nei progetti futuri, la riduzione del consumo di materie prime resterà un obiettivo primario dell’attività di R&D in Verallia. Questa strategia di progettazione è fondamentale nell’ottica della riduzione di emissioni di CO2 nei processi produttivi. “Il nostro obiettivo è consumare meno energia per ogni bottiglia prodotta,” dice Brajer. “Se riduciamo il consumo di materie prime, consumiamo meno energia per la loro lavorazione e per fondere e formare il vetro. La quantità di CO2 generata dal processo, a sua volta, è direttamente collegata al consumo di energia e materie prime.” Considerando il consumo mondiale di bevande e alimenti in bottiglia, vale la pena affrontare il problema dell’impronta di carbonio della produzione di bottiglie. Verallia, Packaging Sector di Saint-Gobain, è il secondo produttore mondiale di bottiglie e vasi di vetro, con una produzione annua di circa 25 miliardi di contenitori. È facile immaginare i benefici ambientali che potrebbero derivare da una strategia di progettazione mirata all’ottimizzazione dei pesi… oltre al fatto che Dom Pérignon sarebbe stato fiero di queste bottiglie. Brindiamo insieme!

 

Didascalie (PDF inglese)

FIGURE

Figura 1. Simulazione della pressione interna di scoppio
Questa simulazione della pressione interna di scoppio di una bottiglia di sidro, effettuata con Abaqus FEA, mostra (dall’alto, da sinistra verso destra): generazione della geometria del modello assisimmetrico; applicazione del carico di pressione dell’anidride carbonica e delle condizioni al contorno; meshatura del modello; analisi dei risultati. Nella vista dettagliata del profilo del fondo della bottiglia, il carico della pressione interna è stato ridotto da max. 30 MPa (dettaglio in basso a sinistra) nella bottiglia originale a max. 25 MPa nella versione modificata/ottimizzata (in basso a destra).

Figura 2. Questo flusso di Isight, con loop integrato di Abaqus FEA, ha consentito al team di progettazione di Verallia di ottimizzare sistematicamente la forma della bottiglia, apportando lievi modifiche ai parametri geometrici a ogni iterazione. Il processo automatizzato ha abbattuto i tempi di analisi da una settimana a un’ora.