הצד המתוק של הסימולציה – מאחורי הקלעים של Nestle
חוקרים במרכז לטכנולוגיית המוצר ביורק, אנגליה, משתמשים בסימולציה בכדי להביא את ייצור השוקולד של Nestle לכדי שלמות.
ב- Nestle, המחקר, התכנון והייצור שמושקעים ביצירת חטיף שוקולד אחד מושלם, הוא תהליך מהפנט, לא לגמרי שונה מהעולם המופלא של מפעל השוקולד של ווילי וונקה. אומנם אי אפשר לראות בני אומפה-לומפה שעוסקים בייצור הממתק, אך מחשבה רבה וגם שימוש בסימולציה מושקעים בכדי להפוך את התהליך למושלם.
מהנדסים במרכז לטכנולוגיית המוצר של Nestle ביורק, אנגליה (PTC YORK), עובדים, בין שאר הדברים, על המחקר והפיתוח של שלושה מוצרים שונים: מכונה לייצור חטיפי שוקולד, פלטה לאפיית ופל, ומשטח מיוחד שתפקידו גם לבשל וגם לברור דגנים בעת ובעונה אחת. ב- PTC YORK, מרכז המחקר והפיתוח של מוצרי המתיקה ב- Nestle, מהנדסים מסתמכים על סימולציה מולטיפיזיקלית במטרה לבצע אופטימיזציה ולייעל את תהליך הייצור.
חטיפי שוקולד כמו קיט-קט, Aero, Crunch, וחטיפי שוקולד חלב מוצקים, מיוצרים ע”י שימוש בדפוזיטור שוקולד הממלא תבנית בשוקולד מותך. שוקולד חודר לדפוזיטור דרך זרוע בחלק העליון ויוצא לתוך תבנית דרך כל אחד מקצות הזרבובית (איור 1). “המשמעות של הבטחת כמות שוקולד זהה בכל חטיף היא שקצב הזרימה והלחץ של השוקולד היוצא מכל זרבובית חייבים להיות אותו הדבר”, אומר וויליאם פיקלס, מהנדס תהליכים ב- Nestle. “לא זו בלבד שאנחנו מוכרחים להקפיד שכל חטיף שוקולד הוא באותו משקל בשל שיקולי יעילות כלכלית וסטנדרטיזציה, אנחנו גם מחוייבים להבטחה כי המידע הקאלורי הרשום על האריזה הוא מדויק. זה מאפשר לנו לספק מוצרים עם ערכי תזונה מדויקים התואמים את הדיאטות המאוזנות של צרכנינו”.
במטרה להשיג את הסטנדרטיזציה הזו, האחידות בזרימה ובלחץ בין כל קצה של זרבובית חייבים להיות מדויקים עד בתוך שוליים צרים. בכדי להשיג את העקביות הזו, Nestle משלבת שימוש בכלים של מידול וסימולציה. דפוזיטור השוקולד שרואים באיור 1 נבנה בתוכנת SOLIDWORKS והגיאומטריה יובאה לתוכנת הסימולציות של ®COMSOL Multiphysics לצורך אנליזה. סימולציה שימשה כדי לבצע אופטימיזציה של זרימת הנוזל, בחינת לחצים מכניים, וניתוח המאפיינים התרמיים של גיאומטריה ספציפית.
“לכל יצרן שוקולד יש את המתכון המיוחד שלו המייצר שוקולד עם מאפיינים ייחודיים”, אומר פיקלס. “יכולנו למדל בצורה מלאה את ההתנהגות הלא ניוטונית של השוקולד של Nestle, ע”י הכנת סימולציה בה עקומה ניסויית המקשרת את קצב ההטייה ללחץ ההטייה של הנוזל יובאה לתוך התוכנה. בדרך זו היינו בטוחים שאנחנו ממדלים את השוקולד עם אותם מאפייני נוזל כמו המוצר האמיתי”.
ע”י שימוש בסימולציה, הצוות זיהה אזורים של קצבי זרימה גבוהים ונמוכים וקבע את הבדלי הזרימה בין כל אחת מזרבוביות הדפוזיטור. בדיקות נומריות בערוצי הזרימה ובקצות הזרבוביות שימשו לניתוח התנאים במקומות ספציפיים בגיאומטריה. “ע”י ביצוע אופטימיזציה לצורת הדפוזיטור, הצלחנו להשיג קצב זרימה בכל אחת מהזרבוביות שהוא קונסיסטנטי ברמה של עשירית האחוז מהערך הרצוי”. התוצאות הללו של הסימולציה מוצגות באיור 2.
מה היה חטיף הקיט-קט אלמלא הרעש המפורסם של הוופל האפוי בתוכו? כאשר אופים וופל, חימום בלתי מאוזן עלול לגרום לריכוזי לחות שונים בתוך הוופל, מה שיהרוס את המרקם הקראנצ’י, או אפילו יגרום לחטיף להישבר מעצמו. הליך אפיית הוופל ב- Nestle עושה שימוש בשתי פלטות לאפייה אשר דוחסות את הבלילה שביניהן (איור 3). בזמן האפייה, הפלטות עוברות מעל שורה של כ-40 להבות. “אנחנו משתמשים בסימולציה כדי למטב את מבנה פלטות האפייה ע”י הסתכלות על זרימת האוויר החם מתחת ובסביבת הפלטות בכדי להבטיח שיש לנו טמפ’ שווה על פני משטחי הפלטות” מתאר פיקלס. “מטרתנו במחקר זה היא לתקן את מיקומיו וכוחו של המבער בכדי ליצור את הוופל הטוב ביותר, ובו זמנית להפחית את כמות הדלק שאנחנו משתמשים”. הדבר עולה בקנה אחד עם מדיניות חברת Nestle של חיפוש מתמיד אחר שיפור היעילות בכל תהליכי הייצור של החברה.
ב- Nestle, סימולציה לוקחת נתח גדול בתהליך התכנון, מייצור שוקולד ווופלים ודגנים וכל מה שבאמצע. “כיוון שמוצרי Nestle הולכים להיצרך ע”י הצרכנים שלנו, אנחנו חייבים להיות מסוגלים להבטיח שהתכנונים שלנו תופסים בעולם האמיתי. יש לנו ביטחון בתוצאות שהושגו בסימולציות, ואנחנו יודעים שניתן לבטוח בהם שיסייעו לנו לייצר את העיצובים הטובים והבטוחים ביותר. זה בתמורה מאפשר לנו לספק באופן קבוע מוצרים טעימים ובריאים יותר”.
הסיפור נלקח ממגזין 2015 ®COMSOL