Los elementos finitos, la papiroflexia y el brick de leche

12-12-2018 | Publicado por Principia

En nuestra niñez, hacíamos pajaritas de papel en ratos de ocio (sí, no había móviles). La verdad, al principio no éramos muy buenos, pero con paciencia perfeccionamos la técnica hasta automatizar bastante todos los pliegues, consiguiendo un resultado final muy satisfactorio… a costa de haber gastado infinitas resmas de papel en torpes prototipos.

A otro nivel, cuando abrimos un brick de leche no nos damos cuenta de la maravilla que tenemos entre las manos, más cercana a la papiroflexia que a un proceso industrial.

Efectivamente, el proceso de plegado del material para darle la reconocible forma del brick es ciertamente complejo, como lo son las propias características del material. Éste ha de ser flexible para plegarse, pero a la vez ha de mantener la suficiente rigidez para no deformarse luego fácilmente; además, cualquier fabricante querrá minimizar la cantidad de material sin afectar a las características del brick.

Cuando el material que se pliega es un material compuesto, es habitual disponer varias capas de fibras, resultando un material anisótropo en el que el comportamiento de cada capa depende tanto de su composición como de la orientación de las fibras respecto de la dirección de plegado en la máquina.

Y el propio proceso en sí mismo tampoco es sencillo, ya que comprende dos etapas consecutivas, una primera de marcado de los pliegues (que supone otra debilidad adicional en la estructura del material), y una segunda de plegado en forma de tubo y posterior doblado por las líneas marcadas para obtener la forma definitiva del contenedor.

En el proceso de diseño de un nuevo envase no cabe la posibilidad de aplicar la misma técnica que en nuestros torpes escarceos con las pajaritas y hacer miles de intentos hasta obtener un resultado aceptable. En su lugar, la mejor opción es recurrir a la simulación numérica mediante el análisis de elementos finitos (FEA), combinado con la dinámica de fluidos computacional (CFD) cuando el llenado de los bricks se realiza durante el proceso de plegado.

En el marco de la ingeniería asistida por ordenador (CAE), programas como Abaqus son especialmente útiles para modelar y evaluar el marcado óptimo de las líneas de pliegue y para simular la flexión y las tensiones y deformaciones que experimenta el material durante el proceso final de doblado y sellado. Y pueden evaluarse todos los parámetros relevantes para asegurar un rendimiento óptimo, iterando tantas veces como sea necesario a un coste mínimo y, por supuesto, en mucho menos tiempo que en el prototipado tradicional.

De esta manera puede obtenerse rápidamente un diseño preliminar que se valida virtualmente frente a las condiciones del proceso, eligiendo aquél o aquellos que resulten más prometedores. Y, ahora sí, desarrollaremos un prototipo que someteremos al proceso real de plegado en la máquina, sin gastar más material, tiempo y dinero que el estrictamente necesario.