L'industria degli imballaggi è sottoposta a crescenti pressioni per diventare più sostenibile e ridurre le emissioni di gas serra. Con una stima del 25% dei rifiuti di plastica globali provenienti da materiali di imballaggio, l'industria sta lavorando duramente per creare materiali alternativi biodegradabili e riciclabili. Allo stesso tempo, le aziende devono ridurre la quantità di energia utilizzata e le emissioni. Gli ultimi dati mostrano che la produzione globale di imballaggi emette oltre 1,3 miliardi di tonnellate di CO2 all'anno, pari al 2,6% delle emissioni globali totali.
Sfide ingegneristiche nel Packaging
In risposta alla domanda di soluzioni di imballaggio sostenibili, alcune aziende si stanno ora rivolgendo a materiali rinnovabili come carta e cartone, nonché materiali biodegradabili o compostabili come plastica di origine vegetale e film a base di amido.
A parte le innovazioni dei materiali, i design dei contenitori stanno passando dai tradizionali contenitori rigidi in PET a buste più flessibili. È stato dimostrato che ciò riduce l'uso di materiale e il consumo di energia durante la produzione del materiale di imballaggio.
Sempre più spesso, gli ingegneri affrontano sfide dovute alle nuove proprietà dei materiali e del design dei contenitori e necessitano di ulteriori strumenti di ricerca e sviluppo per garantire che il prodotto sia ben sigillato, mantenga i requisiti di sicurezza e sia conforme al trasporto.
Vantaggi della digitalizzazione della prototipazione nella simulazione CAE
La digitalizzazione del flusso di lavoro di ingegneria ha il potenziale di sbloccare una serie di vantaggi, tra cui la riduzione di costi e tempi, una migliore qualità del prodotto e una maggiore soddisfazione del cliente. La simulazione meshless è un esempio di uno strumento di simulazione più efficiente e facile da usare, rispetto a quelli tradizionali basati su griglia, consentendo un'analisi più rapida e una migliore integrazione di ricerca e sviluppo.
La fluidodinamica meshless e le simulazioni multibody di corpi flessibili possono essere accoppiate per analizzare con precisione i processi di riempimento e svuotamento degli imballaggi delle buste flessibili. Il Gruppo Coesia e l'Università di Trento hanno recentemente presentato l'applicazione della simulazione fluidodinamica accoppiata ad una multibody con corpi flessibili in un innovativo esempio di prototipazione digitale [1].
Nel loro esempio il modello numerico:
- Valuta in che modo le proprietà del materiale della busta, come lo spessore e la rigidità della busta, possono influire sul riempimento della busta (dal foglio piatto alla busta formata);
- Modella il fluido non newtoniano del detergente considerando la deformazione della busta e il cambiamento di forma dovuto all'interazione del fluido, durante le fasi di riempimento e spostamento;
- Massimizza la velocità di lavoro della macchina evitando eccessivi sgocciolamenti del fluido e garantendo una corretta chiusura della busta;
- Valutare l'influenza della forma e della rigidità della tasca sulle forze applicate e sulle deformazioni.
Secondo un rapporto McKinsey [2], la digitalizzazione dell'industria degli imballaggi potrebbe portare a una riduzione dei costi del 20-30%, una riduzione dei tempi del 15-20% e un miglioramento della qualità del prodotto del 10-20%.
Utilizzando la simulazione CAE e la digitalizzazione, le aziende possono ridurre fino al 20% i costi associati a prototipazione, test e sviluppo del prodotto, riducendo anche il time-to-market fino al 30%. Inoltre, l'uso di strumenti CAE può ridurre il costo di produzione dei prodotti di imballaggio fino al 10%, rispettando allo stesso tempo gli obiettivi ESG e di sostenibilità.
Riferimenti
[1]
Flexible stand-up pouch filling process analysis by Coupling Particle-Based CFD and Multi-Flexible Body Dynamics Simulation, Matteo Berlato, Proceedings International CAE Conference, 2021.
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