Simulación de envases de plástico en AMCOR, un caso de estudio

simulación de envases de plastico en AMCOR usando SIMULIA

Es algo que muchos de nosotros damos por sentado: se gira la tapa de una botella de plástico, se consume el té helado o la bebida gaseosa dentro de ella y nunca se le da una segunda mirada al envase, excepto cuando se deja caer en el bote de basura de reciclaje. Si la botella está mal diseñada, puede que te quejes de su fragilidad y de cómo se derrumba si se aprieta con demasiada fuerza, pero mientras el contenido no se derrame sobre ti por todas partes, ¿a quién le importa?


Hansong Huang si lo hace. Como director de ingeniería avanzada de Amcor Rigid Plastics, él y su equipo pasan sus días diseñando envases de plástico ligeros y resistentes, pero que cumplen con los requisitos adicionales del cliente de ser estéticamente agradables y rentables en su manufactura.

No es un trabajo fácil. Con la creciente preocupación global por sustentabilidad y el medio ambiente, sin importar la necesidad de satisfacer las demandas de un mercado cada vez más competitivo, Huang enfrenta una tremenda presión para diseñar envases resistentes que usen menos materia prima, y que se hagan en el menor tiempo y al menor costo posible.

Sin el software Abaqus de análisis unificado por elemento finito (FEA) de SIMULIA, de Dassault Systèmes para simulación realista, alcanzar esos objetivos sería muy difícil. "Podemos tener el más alto rendimiento, calidad y rapida comercialización en la industria", comenta. "Desde el diseño del producto hasta el final de su ciclo de vida, Abaqus nos ayuda a conseguirlo".

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Arte y ciencia en AMCOR
Amcor Limited cuenta con más de 35,000 empleados y 200 plantas en todo el mundo. Esta empresa de 150 años de antigüedad diseña y fabrica una amplia variedad de empaques para la industria de alimentos y bebidas, el cuidado de la salud, el hogar, productos personales y más. La taza de café que usted tomó esta mañana puede muy bien provenir de un recipiente Amcor, al igual que el yogur que tomó para el almuerzo, la cena de televisión que comerá esta noche y el medicamento para la presión arterial que tomará antes de acostarse. Amcor está en todas partes.

La división Amcor Rigid Plastics es responsable de muchos de estos envases. Con sede en Ann Arbor, Michigan, sus 65 plantas y 6,600 empleados dan servicio a todo el mundo, con  clientes como Pepsi Cola y Coca Cola, Kraft Foods y Jim Beam, hasta Bausch & Lomb, produce más de 20,000 millones de envases, preformas y tapas al año.

Para diseñar estos productos de la forma más rápida y eficaz posible, Huang y los demás miembros del departamento de Investigación y Desarrollo del  “Manchester R&D”, utilizan técnicas avanzadas de ingeniería digital que incluyen Abaqus, CATIA y otras aplicaciones de software de Dassault Systèmes. Esto les permite pasar del concepto a la producción en tan sólo unos meses.

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Menos, es más
Considere esto: reducir un gramo o incluso medio gramo de material de cada uno de los miles de millones de envases que Amcor y sus clientes producen anualmente, supone un gran ahorro en todos los aspectos. Debido a que se necesita menos material PET (Tereftalato de Polietileno) y otros termoplásticos utilizados, se reduce el consumo de los combustibles fósiles utilizados para su fabricación. Esto se traduce en menos energía utilizada durante el procesamiento de las materias primas, menos energía necesaria para fabricar los productos finales y menos trabajo de reciclado y de eliminación.

Amcor entiende todo esto. Desde 2006, las iniciativas de aligeramiento de la compañía han reducido su consumo de resina PET en más de 100,000,000 libras anuales. Durante la última década, esto ha ayudado a reducir el peso de los envases de bebidas calientes en un 35-50%. La compañía también se ha comprometido recientemente a desarrollar todos sus envases reciclables o reusables para el año 2025 y a utilizar significativamente una mayor cantidad de materiales reciclados. "Nuestros productos protegen los alimentos, la leche de fórmula, los jugos, etc. que consumen recursos y energía para su producción", comenta Huang. "Al diseñar envases de alta calidad que reducen los derrames y los desechos, probablemente contribuimos más a la sustentabilidad de lo que muchos creen".


Establecer un alto nivel
Antes de invertir en software de simulación y diseño de Dassault Systèmes, el proceso de diseño de Amcor era similar al de la mayoría de la industria. Los ingenieros desarrollaban algunos diseños para la aprobación del cliente, luego se fabricaban los moldes prototipo, se inyectaban los envases prototipo y se probaban en el laboratorio. Uno o dos diseños entrarían entonces en producción piloto y serían probados en las líneas de llenado y cadenas de suministro de los clientes. Todos esos costos y tiempo se acumulaban. Los ingenieros tenían que ser conservadores y eran reacios a hacer aligeramientos. La simulación con Abaqus cambió todo eso.

Hoy en día, los diseñadores de Amcor pueden generar rápida y fácilmente tantas iteraciones de diseño virtual como deseen y validar el desempeño antes de que se corte cualquier metal. Utilizando Abaqus a lo largo de todo el proceso, se puede verificar la integridad estructural de cada uno de ellos, identificando puntos potenciales de fallo y evaluando su uso en el mundo real. Con la confianza en el proceso virtual, el moldeo interno rápido y la producción piloto, el proceso se convierten más en pruebas para los clientes que en la iteración del diseño.

"Nuestra capacidad de simulación de ingeniería es una de las cosas que hacen que Amcor sea única en la industria", menciona Huang. "Somos capaces de producir algunos de los envases más ligeros porque utilizamos las mejores herramientas de ingeniería para prever con precisión los problemas potenciales y optimizar nuestros productos. Nuestra rapidez y capacidad de respuesta a las necesidades de los clientes nos diferencia de la competencia".


Esforzándose
Tome una botella de Vitaminwater u otra bebida deportiva destacada y dele la vuelta; ¿puedes ver el patrón floral en la base? Eso se llama PowerStrap, y es el diseño patentado de Amcor. Hace que la botella sea más resistente, pero utiliza menos plástico que los diseños de la competencia o los ya tradicionales. Lo mismo pasa con el área acanalada dos tercios hacia arriba y la sección reforzada en la parte superior. Todas estas mejoras se realizaron mediante simulación y análisis de elementos finitos utilizando Abaqus.

Hay mucho más en la historia del aligeramiento que solo quitar material. Debido a que las bebidas deportivas y energéticas, el té embotellado y el agua saborizada tienen niveles de pH más bajos que sus contrapartes carbonatadas, son más propensas a la contaminación y deben ser "llenadas en caliente" para matar a los microorganismos. Como el líquido se enfría a una temperatura de llenado de unos 85°C, el vacío generado podría colapsar la botella. En lugar de aumentar el peso, Amcor ahora diseña envases para que sean flexibles en ciertas áreas, como en la base o en las nervaduras para compensar ese vacío y al mismo tiempo, mantener la rigidez general.

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"El desarrollo de estructuras de pared delgada que sea flexible y resistente es bastante difícil por sí sola, pero cuando se añade bajar el peso, se convierte en un ejercicio altamente técnico de optimización", señala Huang. "Por ejemplo, obtuvimos una reducción de peso del 30% para un envase de bebidas deportivas lleno de agua caliente después de más de 60 iteraciones. No podríamos haberlo hecho sin la simulación".



Reducir el tiempo y costo para el éxito comercial
La capacidad de simular diseños de productos también es buena para el negocio. Los ingenieros utilizan regularmente animaciones y gráficos para mostrar a los clientes envases virtuales y ayudarles a comprender la complejidad de su diseño y manufactura. Huang menciona: "Tener una visualización 3D hace más fácil convencer a los clientes de que AL eliminar el último gramo de material que quieren podría ser una mala idea".

Una vez que se determina el diseño ideal para una serie de requisitos dados, Abaqus facilita compartir el diseño con el cliente y solicita la aprobación mientras se encuentra en la etapa de concepto, mucho antes de prototipos. El resultado es un menor riesgo en las fases posteriores.

Dado que las preocupaciones sobre la inversión en moldes y pruebas de prototipos se reducen con Abaqus, los ingenieros de Amcor pueden ahora pensar en nuevas ideas y probarlas. Lograr un diseño óptimo ya no es un lujo, sino algo necesario, cada vez más esperado. Los diseñadores e ingenieros industriales pueden darse el lujo de iterar diseños diariamente para conseguir los más ligeros.


Abaqus también ayuda a que el equipo de investigación y desarrollo de Amcor sea más productivo. Contar con reportes de desempeño bien documentados generados en Abaqus, significa no tener que empezar un proyecto desde cero. Cada nuevo diseño de producto aprovecha lo que antes se trabajó.

Sobrepasando los límites e impular la innovación
Con dos hijos pequeños, es comprensible que Huang se preocupe por preservar el medio ambiente para las generaciones futuras. Esa es una de las razones por las que continuará presionando por productos más ligeros y fuertes que usen menos material. En el caso del concepto de diseño básico PowerStrap, que permite ahorrar entre un 20 y un 30% de peso en los productos de llenado en caliente, el desarrollo se basó en gran medida en un proceso de simulación de concepto de producto utilizando Abaqus, así como en el software de optimización Isight de SIMULIA para el DOE virtual. Según Huang, "La simulación fue un componente crítico en este desarrollo, desde bocetos en papel hasta millones de botellas. Como resultado, fuimos capaces de llevar el concepto a la producción en menos de tres años, en comparación con los seis u ocho años anteriores. Nuestros nuevos conceptos están madurando aún más rápido".


El reciclaje y la reusó están en el centro de la estrategia de Amcor. "En la exploración de nuevos materiales de polímeros hechos con recursos renovables, sus propiedades están conectadas a la simulación para predecir el desempeño y la posición de los costos en un contexto realista". menciona Huang. "Como uno de los muchos ejemplos, en el combate de la huella ambiental a través de los envases carbonizados reutilizables, se aprovechó la simulación para reducir el nivel de esfuerzos e incrementar el ciclo de reutilización".


"Obviamente, necesitaríamos mucho apoyo de la sociedad para cumplir con nuestro compromiso", dice. "Lanzamos productos con metas de 100% reciclable y reutilizables en nuestra mente, pero quedan muchos retos a los que enfrentarnos con nuestros clientes y proveedores en las áreas de vida de producto y reutilización. La simulación es una herramienta muy valiosa para esto."


Mientras tanto, Huang continuará esforzándose por conseguir el perfecto envase. " Algunas veces peleamos por fracciones de gramo hoy en día", comenta. "Dicho esto, estamos muy orgullosos de la cantidad de plástico que hemos eliminado del medio ambiente. Es un una de las mayores contribuciones al embalaje responsable que hemos hecho a lo largo de los años. Nuestro objetivo es realizar un trabajo de principio a fin del diseño virtual de un producto, su desarrollo y el proceso de su manufactura, para aportar el máximo valor a nuestros clientes. Abaqus seguirá siendo una parte clave de las futuras historias de éxito".

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