模拟的甜蜜一面:雀巢的幕后花絮

英国约克产品技术中心的研究人员使用模拟技术来完善雀巢的巧克力生产。


E雀巢的工程师é’位于英国约克(PTC York)的产品技术中心致力于研究和开发三种不同的产品:用于制作直板的巧克力储藏器;威化饼烤盘;和一台挤出机,用于同时烹饪和分选谷物。在PTC York,这是Nestl研究与开发的所在地é’作为糖果产品,工程师依靠多物理场仿真来优化和简化生产过程。

 

巧克力R&D

糖果棒(例如Kit Kat,Aero,Crunch和固体牛奶巧克力棒)是使用巧克力沉积器生产的,该巧克力沉积器将熔融巧克力填充到模具中。巧克力通过顶部的臂进入沉积器,并通过每个喷嘴头进入模具(见图1)。

SOLIDWORKS几何

 

雀巢COMSOL 多物理场 图1.顶部:存款人的SOLIDWORKS软件几何形状。下图:COMSOL 多物理场模拟显示沉积器中巧克力流动的量’喷嘴和流道。图片由Nestl提供é.

“确保每根巧克力棒中的巧克力含量一致,则意味着从每个喷嘴流出的巧克力的流量和压力必须相同,”雀巢公司的工艺工程师William Pickles说é. “我们不仅需要确保每个巧克力棒的重量相同,以实现成本效益和标准化,而且我们还致力于保证包装上的卡路里信息也正确。这使我们能够提供具有准确营养成分的产品,从而满足客户需求' balanced diets.”

为了实现这一标准化,每个喷嘴尖端之间的流量和压力均匀性必须精确到狭窄的范围内。为了达到这种一致性,雀巢é使用建模和仿真工具的组合。

首先使用SOLIDWORKS软件设计图1所示的巧克力沉积器,然后将几何图形导入COMSOL 多物理场仿真软件进行分析。仿真用于执行流体流量优化,测试机械应力并分析特定几何形状的热性能。

“每个巧克力制造商都有自己的特殊配方,可以生产出具有独特特征的巧克力,” says Pickles. “我们能够完全模拟Nestl的非牛顿行为é’通过建立一个模拟程序来签名巧克力,其中将剪切速率与流体的剪切应力相关的实验曲线导入到软件中。这样,我们可以确定建模的巧克力具有与真实产品相同的流体特性。”

通过模拟,团队确定了高流速和低流速区域,并确定了每个沉积针之间的流量差异。流动通道中和喷嘴尖端的数字探针用于分析几何体某些位置的条件。

“通过优化沉积器设计,我们能够实现流经每个喷嘴的流速,该流速在所需值的百分之一以内,”泡菜说。该仿真的结果如图2所示。

 

 雀巢 图2.位于每个喷嘴尖端和流动通道中的探针表明,沉积器和喷嘴内的巧克力流速和压力在规格范围内变化。流线显示巧克力流动的方向。

 

模拟可节省紧缩

如果没有众所周知的内部烤成的威化饼,Kit Kat将会是什么?烘烤晶片时,加热不均匀会导致晶片内的水分含量不同,从而破坏其松脆的质感甚至自发地折断。

雀巢的晶圆烘烤工艺é使用两个烤盘将它们之间的面糊压缩(见图3)。在烘烤期间,将板通过一系列约40个火焰。

通过查看板下方和周围的热空气流,使用仿真来优化烤板设计,以确保整个板的温度分布均匀'表面。目标是校正燃烧器的功率和方向,以提供最佳的晶片,同时减少所用的燃料量。这适合雀巢é’不断寻求在其所有制造过程中提高效率的政策。

 雀巢

 

雀巢Kit Kat 图3.两个晶片烘烤板用来烘烤Kit Kat晶片。顶板和底板压缩面糊,而底板下方的火焰则烘烤晶片。图片由Nestl提供é.

烤盘下面的火焰被模拟为热空气射流,通过对流加热。图4显示了烤盘下方的火焰和烤盘周围的气流。

 

 雀巢 图4.烤盘周围的气流。

他们能够针对实验中使用的烤盘验证模型,并发现仿真结果非常吻合。结果还表明,由于通过将烤盘固定在一起的螺栓的热传导增加,如何出现较热的斑点(见图5)。

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雀巢温度分布分析 图5.上图:烤盘中的温度分布’支撑架。底部:顶部烤盘表面的温度曲线,在螺栓位置(白色圆圈)可以看到较暖的斑点。

下一步将是优化此设计,以使热量尽可能均匀地分布在板的顶部,并使温度峰值最小化。

 

挤压时烹饪

雀巢(Chesterios),Trix,Nesquik等谷物在雀巢生产é using an extruder. “雀巢使用的高温挤出机é通过迫使面团通过模具使某些类型的谷物起作用。在此过程中产生的压力和摩擦会导致面团通过粘性加热进行烹饪,”Pickles说,是指图6中所示的挤出机。“挤出机之所以常见是因为它们是一种紧凑,经济高效的产品生产方式。”

 

 雀巢 图6.挤出机的几何形状。

Pickles正在为粘度计设计外壳,该粘度计可以放置在挤出机内以测量进入模具的生面团的粘度。这将确保面团的质量稳定,以便以可预见的方式烹饪。

“对于我们的设计,我们需要确保粘度计外壳可以承受设备内的高压,” said Pickles.

在最初的挤出机设计中,压力太高,粘度计外壳无法承受。

他们重新设计了外壳,这有助于减轻压力。然后他们可以确保模具设计没有’t不能超过屈服应力,因此粘度计可以安全地容纳在其中。另外,通过仿真来检查挤出机的排量是否一致,因为设备的排量变化会导致所生产的谷物具有不均匀的形状和尺寸(见图7)。

 雀巢

 

 雀巢 图7.粘度计外壳和模具仿真结果。上图:von Mises压力轮廓图。底部:总位移的切片图。

 

通过多物理场仿真获得更好,更安全的产品

在雀巢é从生产巧克力到威化饼干到谷物,以及介于两者之间的所有内容,仿真是设计过程的重要组成部分。

“Since Nestlé产品将被我们的客户所消费,我们需要确保我们的设计能够在现实世界中立于不败之地,” says Pickles. “我们对从仿真中获得的结果充满信心,并且我们知道可以相信它们可以帮助我们生产出最好,最安全的设计。反过来,这使我们能够始终如一地交付更美味,更健康的产品。”

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