¬аше окно в мир —јѕ–
 
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

24 июн€ 2015

COMSOL и SolidWorks обеспечивают правильный хруст вафель Nestlé

јлександра ‘оли

јлександра ‘оли

ќт редакции isicad.ru: јлександра ‘оли (Alexandra Joy Foley) Ч составитель технических маркетинговых материалов и руководитель группы в компании COMSOL, Inc. ќна окончила университет Massachusetts, Amherst.

ќригинал статьи ЂThe Sweet Side of Simulation Behind the Scene at Nestléї опубликован в ежегодном корпоративном журнале компании COMSOL, посв€щенном мультифизическому моделированию, а еЄ перевод (под заголовком Ђ—ладка€ сторона моделировани€ Ч за кулисами Nestléї) готовитс€ к публикации в русско€зычной версии того же журнала. ¬ыражаем благодарность руководител€м московского офиса за готовность познакомить с этой статьЄй аудиторию портала isicad.ru.

»сследовани€, разработки и технологии, которые необходимы дл€ изготовлени€ одного идеального шоколадного батончика Nestlé, просто завораживают и не сильно отличаютс€ от волшебного мира шоколадной фабрики ¬илли ¬онка. ’от€ у нас и нет представителей племени ”мпа-Ћумпа, чтобы следить за производством батончиков, мы много обдумываем и немало моделируем, чтобы довести процесс до совершенства.

ѕомимо всего прочего, специалисты ÷ентра производственных технологий (÷ѕ“) Nestlé, расположенного в …орке (¬еликобритани€), изучают и дорабатывают три разных устройства: формующую машину дл€ производства шоколадных батончиков, пластину дл€ выпекани€ вафель и экструдер дл€ одновременного приготовлени€ и сортировки начинки из хлопьев. ¬ ÷ѕ“, где занимаютс€ исследовани€ми и разработками в области производства кондитерских изделий Nestlé, инженеры оптимизируют и совершенствуют процесс с помощью мультифизического моделировани€.

»сследовани€ и разработки в производстве шоколада

Ўоколадные батончики, такие как Kit KatЃ, AeroЃ, Crunch, и плитки молочного шоколада производ€тс€ с использованием формующей машины, заполн€ющей форму жидким шоколадом. Ўоколад поступает на формующую машину по верхней штанге и подаетс€ в форму через сопла (см. рисунок 1).

COMSOL Nestle

COMSOL Nestle

–исунок 1. ¬верху: √еометри€ формующей машины в программе SOLIDWORKSЃ. ¬низу: ћодель, созданна€ в COMSOL MultiphysicsЃ, показывающа€ интенсивность потока шоколада в соплах формующей машины и каналах

ЂЌам нужно гарантировать одинаковое количество шоколада в каждом батончике, а дл€ этого расход и давление шоколада в каждом сопле должны быть одинаковыми, Ч говорит ”иль€м ѕиклз, инженер-технолог Nestlé. Ч ќдинаковый вес батончика необходим не только дл€ рентабельности и стандартизации. ћы также стремимс€ гарантировать точность информации о пищевой ценности на обертке. Ёто позвол€ет нам поставл€ть продукцию с указанием точного количества калорий дл€ сбалансированного питани€ наших покупателейї. „тобы добитьс€ упом€нутой стандартизации, расход и давление на всех соплах должны быть одинаковыми и абсолютно точными, с минимальными отклонени€ми.

ƒл€ этого в Nestlé используют набор различных средств моделировани€. ‘ормующа€ машина, показанна€ на рисунке 1, сначала была разработана в программе SOLIDWORKSЃ , после чего ее геометрические параметры были импортированы в среду моделировани€ COMSOL MultiphysicsЃ дл€ анализа. ћоделирование использовалось дл€ оптимизации потока текучей среды, проверки механических напр€жений и анализа тепловых свойств при определенной геометрии.

Ђ” каждого производител€ есть собственный особый рецепт, дающий шоколад с уникальными характеристиками, Ч говорит ѕиклз. Ч ћы смогли полностью смоделировать неньютоновскую динамику фирменного шоколада Nestlé, провед€ моделирование, при котором в программу импортировалась зависимость между скоростью сдвига и напр€жением сдвига дл€ текучей среды, полученна€ экспериментально. “аким образом, мы были уверены в том, что моделируем жидкий шоколад с такими же свойствами, что и реальный продуктї.

»спользу€ моделирование, группа вы€вила зоны высокого и низкого расхода и определила разницу в расходе на каждой игле формующей машины. ƒл€ анализа состо€ний в определенных зонах машины с выбранными геометрическими параметрами, в каналах потока и на кончиках сопел использовались многочисленные датчики.

Ђќптимизиру€ конструкцию формующей машины, мы смогли добитьс€ того, что расход на каждом сопле совпадал до дес€той доли процентаї, Ч говорит ѕиклз. –езультаты этого моделировани€ показаны на рисунке 2.

COMSOL Nestle

–исунок 2. ƒатчики на кончиках каждого сопла и в каналах показывают, что расход и давление шоколада в формующей машине и соплах не выход€т за пределы заданных значений. Ћинии показывают направление потока шоколада.

ћоделирование сохран€ет хруст вафель

„ем бы был Kit KatЃ без знаменитого хруста вафель? ѕри выпечке вафель от неравномерного нагрева концентраци€ влаги внутри вафли может оказатьс€ разной, от чего вафл€ перестает быть хруст€щей или даже может непроизвольно ломатьс€.

ƒл€ выпечки вафель на предпри€ти€х Nestlé используютс€ две пластины, между которыми сдавливаетс€ тесто (см. рисунок 3).

COMSOL Nestle

–исунок 3. ƒве пластины (a) используютс€ дл€ выпекани€ вафель Kit KatЃ. ¬ерхн€€ и нижн€€ пластины сдавливают тесто (b), а плам€ под ними пропекает вафлю (с).

ѕри выпекании пластины проход€т примерно над 40 горелками.

Ђћы используем моделирование дл€ оптимизации конструкции пластин дл€ выпекани€, анализиру€ движени€ гор€чего воздуха под пластинами и вокруг них, чтобы обеспечить равномерность температурного профил€ на всей поверхности пластин, Ч описывает процесс ѕиклз. ¬ данном исследовании наша цель Ч подобрать нужную мощность и ориентацию горелки, обеспечива€ идеальное качество вафли и в то же врем€ сокраща€ объем используемого топливаї. Ёто соответствует политике компании Nestlé, котора€ посто€нно стремитс€ повысить эффективность всех своих производственных процессов.

ѕлам€ горелок под пластинами дл€ выпечки моделировалось как струи гор€чего воздуха при конвекционном нагреве. Ќа рисунке 4 показан профиль пламени под пластиной дл€ выпечки и поток воздуха вокруг нее.

COMSOL Nestle

–исунок 4. ѕоток воздуха вокруг пластин дл€ выпечки

Ђћы смогли подтвердить точность нашей модели на пластинах дл€ выпечки, используемых в экспериментах, и обнаружили, что результаты моделировани€ хорошо согласуютс€ с реальностьюї, Ч говорит ѕиклз. ћоделирование также показало, как из- за повышенной теплопередачи на болтах, скрепл€ющих пластины дл€ выпечки, возникают более нагретые участки (см. рисунок 5).
COMSOL Nestle

–исунок 5. —лева: –аспределение температуры в опорной раме пластин дл€ выпечки. —права: “емпературный профиль поверхности верхней пластины дл€ выпечки, на которой видны более нагретые участки в местах расположени€ болтов (белые кружки).

ЂЌа следующем этапе нужно будет оптимизировать эту конструкцию, чтобы нагрев распредел€лс€ максимально равномерно по поверхности верхней пластины, а температурные пики были сведены к минимумуї, Ч говорит ѕиклз. ¬ыпечка с экструдированием “акие батончики как CheeriosЃ, TrixЃ, NesquikЃ и многие другие производ€тс€ на предпри€ти€х Nestlé с помощью экструдеров. Ђѕринцип действи€ высокотемпературного экструдера, используемого Nestlé дл€ приготовлени€ определенных видов батончиков, заключаетс€ в продавливании теста через головку. ќт возникающих при этом давлени€ и трени€ тесто запекаетс€ за счет в€зкостного нагрева, Ч говорит ѕиклз, име€ в виду экструдер, показанный на рисунке 6. Ч Ёкструдеры примен€ютс€ очень часто, поскольку это компактный и рентабельный метод производстваї.
COMSOL Nestle

–исунок 6. √еометри€ экструдера

—ейчас ѕиклз зан€т разработкой корпуса дл€ вискозиметра, который можно будет помещать внутрь экструдера дл€ измерени€ в€зкости теста, поступающего в головку. Ёто обеспечит стабильность характеристик теста, вследствие чего оно будет запекатьс€ предсказуемым образом. Ђƒл€ нашей конструкции требуетс€, чтобы корпус вискозиметра выдерживал высокое давление, возникающее внутри устройстваї, Ч говорит ѕиклз.

¬ оригинальном варианте экструдера давление было слишком высоким, и корпус вискозиметра его не выдерживал. Ђћы изменили конструкцию корпуса, и это помогло снизить давление. «атем мы смогли добитьс€ того, чтобы конструкци€ головки не приводила к превышению предельного напр€жени€ сдвига, и вискозиметр можно было без опаски устанавливать внутрьї, Ч говорит ѕиклз.  роме того, моделирование использовалось дл€ проверки стабильности подачи экструдера, потому что при колебани€х подачи батончики имели бы неодинаковую форму и размеры (см. рисунок 7).

COMSOL Nestle

–исунок 7.  орпус вискозиметра и результаты моделировани€ головки. —лева:  онтур напр€жени€ по ћизесу —права: √рафик сечений (Slice plot) дл€ общей подачи.

ћультифизическое моделирование Ч залог качества и безопасности продукции

ћоделирование в Nestlé €вл€етс€ важной частью процесса разработки, начина€ от производства шоколада до вафель, хлопьев и всего остального. ЂЌаши покупатели потребл€ют продукцию Nestlé, поэтому мы должны гарантировать, что наши разработки не подведут в реальных услови€х, Ч отмечает ѕиклз в заключение. ћы уверены в результатах моделировани€ и не сомневаемс€, что они обеспечат высочайшее качество и безопасность разработок. ј это, в свою очередь, позволит нам посто€нно производить еще более вкусную и полезную продукциюї.


Aero и KIT KAT €вл€ютс€ зарегистрированными товарными знаками компании Societe des Produits Nestle S.A. Corporation Switzerland в —Ўј и других странах
Cheerios, Nesquik и Trix €вл€ютс€ зарегистрированными товарными знаками компании General Mills IP Holdings II, LLC в —Ўј и других странах


„итайте также:


¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

-->

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: „то можно назвать Ђчудо-оружиемї отрасли —јѕ–?
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

ѕервый день Autodesk University 2019 — ѕавел Ѕиленко (19 но€бр€ 2019)
isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2019 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.