Il tema di oggi è un tema molto particolare che è quello della simulazione nel settore delle macchine per il settore alimentare, ma per certi versi tema applicabile anche al settore dell’industria farmaceutica.
 
Tipicamente quando si studia un processo, si studia lo sviluppo di un nuovo prodotto come ad esempio una crema, per calibrare la ricetta viene prima preparata in laboratorio, facendo una serie di tentativi direttamente con gli ingredienti, finché non si raggiunge una configurazione ottimale del prodotto. Il problema nasce quando poi vado ad industrializzare quel prodotto. Il problema è quello dello Scale-Up, verso appunto la scala industriale dove non ho più a che fare con un miscelatore di piccola taglia, ma ho a che fare con un miscelatore dove entrano quintali o tonnellate di materiale che devono essere mescolate con la stessa qualità che otterrei in scala di laboratorio.
 
Andare per tentativi su scala industriale comporta dei grossi costi da un punto di vista di gestione perché vuol dire bloccare il macchinario per fare le prove, vuol dire utilizzare molta materia prima, molte sostanze che non necessariamente verranno poi riutilizzate e confezionate in un prodotto finito quindi vuol dire avere anche molto spreco. Per evitare i tentativi su scala industriale è di aiuto la simulazione al calcolatore.
 
Con uno strumento come Star-CCM+ è possibile realizzare il digital twin, il gemello digitale, del processo in questo caso non tanto del prodotto con il quale andare a verificare che la formulazione del prodotto.
 
Per quale motivo la simulazione fluidodinamica è necessaria per l’industria alimentare?

• Determinare le prestazioni idrodinamiche e la dinamica delle particelle all’interno del sistema, questo mi può permettere ad esempio di studiare una miscelazione tra vari sistemi che possono essere monofase o multifase.
• Il comportamento reologico complesso. Ci sono tante sostanze, fluidi, che hanno caratteristiche di tipo non newtoniano, quindi che non hanno il comportamento viscoso tipico dell’acqua e che addirittura in alcuni casi possono avere un comportamento di tipo visco-elastico quindi sono una via di mezzo tra un liquido e un solido.
• La gestione del calore, raffreddamento e congelamento rappresentano la fonte principale del consumo energetico all’interno dell’azienda, per cui riuscire a ottimizzare lo scambio termico vuol dire per risparmiare denaro e quindi aumentare la marginalità sul prodotto a parità di produzione.

Simcenter Star-CCM+ è un prodotto che possiede tante funzioni tante caratteristiche che lo rendono particolarmente adatto a gestire questa classe di problemi. Il software mi da la possibilità di poter sviluppare il processo interfacciandomi direttamente con i modellatori CAD esistenti in azienda. In alcuni casi è possibile addirittura avere una connettività bidirezionale direttamente con il CAD attraverso il quale io posso pilotare la simulazione di Star-CCM+ e le modifiche alla geometria da dentro il CAD o viceversa eseguire uno studio di ottimizzazione dentro Star-CCM+ e poi passare al modellatore 3D le informazioni geometriche su quello che è stato il disegno ottimizzato.
 
Dentro Star-CCM+ il processo di modellazione fluidodinamica può essere completamente automatizzabile, il software dà la possibilità di usare un raffinamento automatico della griglia per andare a raffinare le celle dove ritiene sia necessario. la mesh può essere creata utilizzando delle celle di tipo poliedrico o utilizzando delle celle di tipo cartesiano trimmato che comunque sono celle con geometria arbitraria che permettono di risolvere in automatico la costruzione del modello CFD su praticamente qualsiasi geometria.
 
Da un punto di vista di simulazione multifisica Star-CCM+ offre per la simulazione del processo, la possibilità di modellare sistemi multifase. Sistemi multifase dove ho fase liquida, fase gassosa e fase solida.
 
Per quanto riguarda la velocità di simulazione Star-CCM+ è un software molto scalabile, può funzionare sia su workstation Windows o Linux, come pure può funzionare su sistemi HPC con una scalabilità estrema delle prestazioni per cui potete vedere come passando da 4000 core a circa 18000 core le prestazioni siano di fatto proporzionali con il numero di processori.
 
Un altro aspetto importante di queste simulazioni è riuscire a tirare fuori le informazioni che servono e dentro Star-CCM+ ci sono tutti gli strumenti di analisi dei dati che permettono di comprendere correlazioni e interdipendenze tra le varie variabili geometriche e di processo all’interno del sistema. Sulla base di queste informazioni poi il progettista o il tecnologo che si occupa del processo è in grado di massimizzare la resa del processo in base a quelli che sono gli obiettivi che si è dato.
Altra cosa importante, all’interno di Star-CCM+ è possibile costruire dei workflow automatizzati che permettono, con delle maschere guida e pochi clic, di creare da zero un nuovo modello.
 
All’interno di Star-CCM+ è integrata la tecnologia di ottimizzazione HEEDS anch’essa di Siemens che è un sistema di ottimizzazione multi-obiettivo. Creando il modello parametrico con il setup delle simulazioni, che è automatizzato attraverso un workflow, l’ottimizzatore modifica la geometria del modello o i parametri di processo, come potrebbero essere la velocità di rotazione della girante ad esempio, studiando in maniera intelligente le varianti, andando ad individuare quelle più promettenti e perfezionandole di volta in volta. Dopodiché ho tutti gli strumenti per interpretare questi risultati e poter scegliere all’interno del mio ciclo di ottimizzazione quello che è il disegno più funzionale per gli obiettivi che mi sono dato.

Con gli elementi discreti le particelle possono essere soltanto sferiche?
La risposta è no, in realtà le particelle possono avere una forma arbitraria tant’è che se torniamo sull’esempio della macchina per il coating, qui si può vedere che le particelle hanno una forma di praticamente una capsula cilindrica. Ecco le particelle possono avere o una forma geometrica imposta oppure posso definire un grappolo di particelle sferiche che sono tutte coese tra loro attraverso delle forze di interazione in questo caso riesco a simulare anche la frantumazione della particella perché posso, se le forze che gravano sulla particella sono superiori alle forze di coesione si possono spezzare le particelle.
 
Con quali modellatori CAD è compatibile Star-CCM+?
Allora Star-CCM+, come dicevo, può lavorare con qualsiasi modellatore importando una geometria neutra in formato Step o Parasolid o addirittura nel caso in cui le geometrie non siano particolarmente complesse, all’interno di Star-CCM+ c’è un modellatore CAD che mi permette di fare le operazioni geometriche che è di fatto parametrico, per cui una volta infilato diciamo nel workflow posso rendere parametrici i modelli. Ci sono poi degli add-on che permettono un’integrazione bidirezionale tra CAD e Star-CCM+. Quindi mi posso modificare il modello Star da dentro il CAD, oppure da dentro Star posso modificare, passare i parametri indietro al CAD e questi sono disponibili, vado a memoria, per NX, Catia V5, Creo e Inventor, ora poi devo controllare se poi magari ce ne sono anche su altri CAD, però a memoria ricordo queste quattro piattaforme.