Supercoches y gelato: una combinación inusual

 

Esta historia es la sorprendente unión de las dos cosas de origen italiano que mejor simbolizan el ocio y el lujo: los supercoches y el gelato. Se trata de la historia de cómo una pequeña empresa italiana, conocida por su experiencia en motores de combustión interna (CI) para supercoches, ayudó a un productor de gelatos a hacerlos mejores (aunque "gelato" es "helado" en italiano, hay una diferencia. Eat This Not That puede contarte más).

 

El software de simulación Simcenter STAR-CCM+ muestra el comportamiento térmico de los componentes del motor. Cortesía de R&D CFD. 

Hecho en Módena


Nuestra historia comienza en Módena, la "Ciudad de los Motores". Esta encantadora ciudad italiana es también la capital no oficial de los supercoches, puesto que Ferrari, Lamborghini, Maserati, Pagani y Bugatti consideran a Módena su hogar.

En Módena, Giuseppe Calise, licenciado por la Universidad de Módena, creó en 2012 la empresa R&D CFD con su profesor, el Dr. Stefano Fontanesi. La empresa nació del grupo de investigación sobre motores de combustión interna (ICE) de la universidad, y trabajan en el diseño de motores para la mayoría de las automotrices de supercoches de Módena. El CFD en el nombre es un reconocimiento a su experiencia en simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD).

La petición de un productor de gelato

El funcionamiento de un motor de combustión interna es increíblemente complejo, ya que cuenta con la combustión de aire y combustible a temperaturas de 2,500 °C, pistones en movimiento, cientos de químicos y miles de reacciones, algunas de las cuales se producen en una milmillonésima de segundo, y todo esto se encuentra en el interior de un cilindro pequeño y oscuro, dentro de un supercoche rápido. Ante este escenario, surgen las siguientes cuestiones: ¿Cómo se analiza tal complejidad?, ¿cómo se encuentra el mejor diseño de motor?

Utilizando el software de simulación CFD, empresas como R&D CFD construyen un gemelo digital de un motor. Cada proceso dentro y fuera del motor es modelado, analizado y visualizado digitalmente (Figura 1). Si se añade la optimización del diseño, R&D CFD puede evaluar cientos de diseños de motores digitalmente antes de fabricarlos.

En 2019, su experiencia en simulación e ingeniería CFD llamó la atención de un cliente inusual: un prominente productor italiano de gelato.

Gelato colorido


El mercado mundial del helado tiene un valor de 80,000 millones de dólares y aumenta cada año. Casi el 80 por ciento de los helados que se venden se fabrican a máquina, ya sea para llevárselo a casa dentro de un envase o consumirlo al momento. En definitiva, se trata de un mercado de consumo masivo.

El productor que colaboró con R&D CFD es famoso por su gelato colorido. Un gelato colorido tiene una especie de salsa mezclada, como chocolate, fresa, caramelo, fruta o mantequilla de cacahuate (Figura 2).

Figura 2: Una buena variegación (izquierda) y una mala variegación (derecha). ¿Cuál es más atractiva? ¿Cuál compraría usted?


En busca del gelato con mejor aspecto


El helado era antes un postre reservado para los reyes. Ahora, gracias al capitalismo y a la producción en masa, todos podemos disfrutar de uno de los mayores manjares de la vida. Este productor de gelatos se especializa en gelatos en recipientes para llevar a casa. Sus años de experiencia en la producción en masa hacen que el sabor de su gelato sea de primera clase: cremoso, rico y denso.

Sin embargo, el gelato tiene que ser atractivo. El comer un helado es una experiencia emocional y sensorial. En un mercado competitivo, su aspecto y textura marcan toda la diferencia. La lista de requisitos del fabricante para conseguir un gelato colorido con buen aspecto era larga, puesto que tenía que ser suave, liso, sedoso, elástico y de color natural. Un aspecto artesanal significa más ventas y más clientes satisfechos.

"El cliente quería que le ayudáramos a predecir el aspecto que tendrá el helado colorido al final de su proceso de fabricación. La gente que compra este helado busca una cierta sensación como si fuese realizado artesanalmente. Pero ¿cómo haces que parezca hecho a mano si lo haces en una máquina?", explica Giuseppe.

 

Un diseño más sencillo y una mejor espiral


El secreto de la espiral está en el variegador. Esta máquina mezcla el helado y la salsa, que son introducidos a través de diferentes tubos. Su variegador actual era una máquina estática sin partes móviles y con un diseño sumamente complejo. El helado y la salsa entraban en contacto con tornillos, deflectores y paredes por lo que era difícil controlar el patrón de la salsa o la mezcla. La máquina estaba expuesta al aire, algo que no es conveniente para un buen gelato. Además, el número de piezas dificultaba la limpieza a fondo del variegador.

El productor de helados encontró un diseño más sencillo (Figura 3). Se trataba de dos cilindros concéntricos: uno para el helado y otro para la salsa, y una boquilla que conectaba ambos. De esta forma, la mezcla se realiza directamente en el variegador; no hay tornillos, ni deflectores, ni interacción con las paredes, solo una mezcla simple y directa, fácil de limpiar, mejor controlada y una espiral de salsa más estética. En teoría, el nuevo diseño era perfecto.

 

Figura 3: Nuevo variegador de helados
 

Mejorando el nuevo variegador con la simulación CFD


Ahora bien, necesitaban también predecir el aspecto que tendría el helado tras su confección y antes de depositarlo en contenedores.

Aquí es donde la experiencia en simulación y optimización de diseños de R&D CFD resultó útil. La empresa contaba con Simcenter STAR-CCM+ (software de dinámica de fluidos computacional multifísico) y Simcenter HEEDS (software de optimización del diseño), ambas herramientas del portafolio Simcenter de Siemens. Por años, utilizaron Simcenter STAR-CCM+ en los motores de los supercoches para entender el flujo y el comportamiento térmico de los motores. Simcenter HEEDS les ayudó a analizar el rendimiento de cientos de diseños de motores y escenarios. Así que decidieron aplicar esta tecnología de simulación de motores de supercoches a la confección de gelato.

 

"Decidimos utilizar nuestras herramientas de simulación de motores para mejorar el diseño del variegador. Con la simulación digital, pudimos reducir la fabricación de prototipos y ahorrar tiempo y costos en el proceso de diseño. También nos ayuda a analizar cientos de diseños", dijo Giuseppe.

 

Dos mil diseños, un espiral de salsa perfecto


"Simular helados y salsas no es tan sencillo como simular el aire y el agua", explica Alfonsina Esposito, ingeniera de CFD en R&D CFD. "Son materiales pegajosos, viscosos y elásticos. Entender la reología y el comportamiento térmico nos tomó algún tiempo".

Sin embargo, con el software de dinámica de fluidos computacional podían modelar esta física tan desafiante. Los ingenieros idearon las propiedades físicas a partir de la experiencia. El software modeló con precisión el helado, la salsa y la interfaz entre ambos, utilizando un modelo multifase y reológico de volumen de fluido (VOF).

Alfonsina modeló dos mil escenarios de diseño diferentes, cambiando la geometría de la boquilla y las leyes físicas de funcionamiento para inyectar la salsa (Figura 4). El software encontró automáticamente el diseño que producía el mejor patrón de salsa y espiral, todo ello realizado digitalmente en una semana. Mucho mejor que tener que fabricar y probar miles de variegadores diferentes.

 

Figura 4: Diferentes diseños de boquillas para encontrar el diseño que da el mejor patrón de salsa y espiral 

El diseño de 80 boquillas da lugar a la mejor variegación


Para la producción en masa, el variegador necesitaba múltiples boquillas para un funcionamiento más rápido. Todas estas boquillas deben recibir la misma cantidad de salsa desde la cámara de alimentación. De este modo, el helado de cada envase tiene el mismo aspecto y textura.

Alfonsina dejó que el software Simcenter HEEDS analizara automáticamente diferentes geometrías de la cámara de alimentación y la distribución de salsa resultante. Tras analizar 80 diseños, se encontró el mejor diseño de cámara de alimentación. Ahora todas las boquillas pueden recibir la misma cantidad de salsa en la producción en masa.

En ese sentido, el diseño optimizado proporciona la misma espiral estética a la salsa que sale de cada boquilla en comparación con los patrones irregulares del diseño inicial (Figura 5).

 

Figura 5: (Arriba) Diseño de referencia que muestra una variegación pobre y un patrón de salsa irregular de cuatro boquillas. (Abajo) Diseño optimizado de la cámara de alimentación que ofrece un patrón de espiral similar y un mejor variegado de todas las boquillas

De ICE a gelato


El diseño mejorado del variegador de R&D CFD se utiliza ahora en todas las plantas de fabricación de sus clientes. Tal y como se preveía con la simulación, el variegador es de primera clase. La sensación de elaboración artesanal del gelato es palpable. Esto no sólo entusiasmó a los consumidores, sino también al equipo de marketing. Las imágenes del gelato cremoso, rico y suave aumentaron las ventas.

El equipo de R&D CFD también pudo experimentar algo único, comer algo que ellos mismos ayudaron a diseñar.

"He probado el gelato y estoy muy satisfecha con el trabajo realizado. Se ve y está delicioso", dijo Alfonsina.

"Vivimos y respiramos motores de combustión interna. Nunca pensamos que íbamos a trabajar para hacer un mejor gelato", añadió Giuseppe. "Hemos llevado el CFD del ICE a los gelatos".

Para ver el proyecto de los gelatos en vídeo

 

 


Por: Prashanth S. Shankara de Siemens Software