Por Prashanth S. Shankara, Siemens Software
Esta história fala sobre o casamento surpreendente de duas coisas italianas que melhor simbolizam o luxo e o prazer com algo simples – supercarros e sorvete tipo gelato.
Esta é a história de como uma pequena empresa italiana, conhecida por seus motores de combustão interna (MCI) para supercarros, ajudou um fabricante de sorvete a melhorar seus produtos.
(Embora gelato signifique sorvete em italiano, há uma diferença entre eles – veja mais detalhes em Eat This Not That )
Produzido em Modena – Essa história começa em Modena , a “Cidade dos Motores”. Esta encantadora cidade italiana também é a capital mundial não oficial dos supercarros. Ferrari, Lamborghini, Maserati, Pagani e Bugatti têm instalações em Modena.
Além disso, em Modena, Giuseppe Calise, formado pela Universidade de Modena e morador de Reggio Emilia, fundou a empresa R&D CFD em 2012 com seu professor, o Dr. Stefano Fontanesi, resultado do grupo de pesquisa sobre motores de combustão interna (MCI) da universidade.
Desta forma, eles projetam motores para a maioria dos fabricantes de supercarros de Modena. O CFD no nome da empresa é uma homenagem às simulações de dinâmica dos fluidos computacional (CFD, na abreviação em inglês).
Um fabricante de sorvete entra em contato – A operação de um MIC é incrivelmente complexa, com combustão de ar e combustível, temperaturas de 4500°F (2500°C), pistões em movimento, centenas de substâncias químicas e milhares de reações, algumas das quais ocorrem em um bilionésimo de segundo.
Tudo isso dentro de um pequeno cilindro escuro em um supercarro veloz. Como você analisa essa complexidade? Como você chega ao melhor projeto de motor?
Com um software de simulação de CFD, empresas como a R&D CFD constroem um gêmeo digital de um motor.
Cada processo dentro e fora do motor é modelado, analisado e visualizado digitalmente (Figura 1). Com a otimização do projeto, a R&D CFD pode avaliar centenas de projetos de motores digitalmente antes de começar a construi-los.
Em 2019, seu conhecimento de simulação de CFD e engenharia chamou a atenção de um cliente improvável: um importante fabricante de gelato.
Gelato variegado – O mercado global de sorvetes movimenta 80 bilhões de dólares e aumenta a cada ano. Quase 80% do sorvete vendido é feito na máquina para consumo imediato ou pode ser levado em um recipiente para consumir em casa. Este mercado é enorme.
O fabricante que trabalhou com a R&D CFD é famoso por seu gelato variegado, que é o sorvete com uma faixa de textura diferente no meio, como chocolate, morango, caramelo, frutas ou manteiga de amendoim (Figura 2).
(Esquerda: Photo 25733655 © stockcreations, Dreamstime .com; Direita: Photo 128837829 © Igor Zakharevich, Dreamstime .com)
Em busca do gelato mais atraente – O sorvete já foi uma sobremesa reservada aos reis. Mas, graças ao capitalismo e à produção em massa, todos nós podemos desfrutar dessa gostosura que se tornou muito popular.
Este fabricante de gelato é especializado em gelato embalado para consumir em casa. Com anos de experiência na produção em massa, o sabor de seu gelato é de classe mundial – cremoso, rico e denso.
Mas o gelato precisa ser atraente. Tomar sorvete é uma experiência emocional e evocativa. Em um mercado competitivo, a aparência do gelato faz toda a diferença.
A lista de requisitos do fabricante para um gelato variegado de boa aparência era longa – macio, cremoso, sedoso, fluido e de cor natural. Um visual artesanal significa mais vendas e clientes mais satisfeitos.
“O cliente queria nossa ajuda para prever como ficaria o sorvete variegado no fim do processo de fabricação. As pessoas que compram este sorvete procuram uma sensação de produto caseiro. Mas como fazer um produto parecer artesanal se foi feito em uma máquina?” explicou Giuseppe.
Um projeto mais simples com aplicação melhor do molho – O segredo do giro para formar o gelato está no variegador. Esta máquina mistura o gelato e o molho, que são inseridos por diferentes canos.
O variegador usado até então era uma máquina estática, sem peças móveis.
O projeto era complexo, pois o sorvete e o molho entravam em contato com parafusos, defletores e paredes. Era complicado controlar o padrão ou a mistura do molho.
Além disso, o produto ficava exposto ao ar, o que não pode ocorrer para obter um bom gelato. O número de peças dificultava a limpeza completa do variegador.
Diante disso, o fabricante de sorvete encontrou um projeto mais simples (Figura 3), com apenas dois cilindros concêntricos: um para o sorvete e um para o molho, e um bico que conecta os dois. Eles se misturam diretamente no variegador.
Sem parafusos, sem defletores e sem interação com as paredes, promovendo uma mistura simples e direta.
Além disso, é fácil de limpar, fornece uma mistura mais fácil de controlar e giros do molho mais bonitos no sorvete. Em teoria, o novo projeto era perfeito.
Melhorias no novo variegador com simulação de CFD – Mas eles precisavam prever como ficaria o sorvete após a fabricação, antes de ser armazenado nos recipientes.
É aqui que entra a experiência com simulação e otimização de projeto da R&D CFD. Eles tinham o Simcenter STAR-CCM+, um software de multifísica de CFD, e o Simcenter HEEDS, um software de otimização de projeto, que fazem parte do portfólio Simcenter da Siemens.
Por anos, eles usaram o Simcenter STAR-CCM+ em motores de supercarros para entender o fluxo e o comportamento térmico dos motores.
O Simcenter HEEDS ajudou a analisar o desempenho de centenas de projetos de motores e cenários de uso. Eles decidiram aplicar esta tecnologia de simulação de motor de supercarro na fabricação de gelato.
“Decidimos usar nossas ferramentas de simulação de motor para melhorar o projeto do variegador. Com a simulação digital, podemos reduzir a produção de protótipos e diminuir o tempo e o custo do processo de projeto. Esta técnica também nos ajuda a analisar centenas de projetos”, disse Giuseppe.
2 mil projetos e a aplicação perfeita do molho – “Simular sorvete e molho não é tão simples quanto simular ar e água”, explicou Alfonsina Esposito, engenheira de CFD da R&D CFD. “São fluidos grudentos, viscosos e elásticos. Demorou um pouco para compreender a reologia e o comportamento térmico deles.”
Mas com a CFD, eles puderam modelar essa física desafiadora. Os engenheiros decifraram as propriedades físicas com base na experiência. O software modelou o sorvete, o molho e a interface entre os dois com precisão, usando um modelo multifásico e reológico de volume de fluido (VOF).
Alfonsina modelou 2 mil cenários de projetos diferentes, mudando a geometria do bico e as leis da física operacional para injetar o molho (Figura 4).
O software encontrou automaticamente o projeto que produziu o melhor padrão e aplicação de molho, tudo feito digitalmente em uma semana – muito melhor do que construir e testar 2 mil variegadores diferentes.
80 projetos de bicos resultaram em melhor aplicação do molho – Para a produção em massa, o variegador precisava de vários bicos para acelerar a operação.
Todos esses bicos precisam receber a mesma quantidade de molho da câmara de molho. Dessa forma, todos os sorvetes têm a mesma aparência na caixa. E assim, o cliente fica feliz a cada compra.
Alfonsina deixou o software Simcenter HEEDS analizar automaticamente as diferentes geometrias da câmara de molho e a distribuição de molho resultante. Depois de analisar 80 projetos, foi encontrado o melhor projeto para a câmara de molho. Agora, todos os bicos podem receber a mesma quantidade de molho na produção em massa.
Você pode ver como o projeto otimizado fornece o mesmo giro lindo ao molho de cada bico em comparação com os padrões irregulares do projeto anterior (Figura 5).
Do MCI para o sorvete – O novo projeto otimizado do variegador feito pela R&D CFD é usado em todas as fábricas do cliente.
Conforme previsto com a simulação, a variegação é excelente, garantindo uma sensação artesanal do gelato.
Isso animou não somente os consumidores, como também a equipe de marketing. As imagens do gelato cremoso, rico e macio aumentaram as vendas.
A equipe da R&D CFD também experimentou algo único – consumir algo que ajudaram a projetar.
“Eu experimentei o sorvete e estou muito grata pelo trabalho realizado. Parece delicioso. Tem um sabor delicioso”, disse Alfonsina.
“Vivemos e respiramos motores de combustão interna. Nunca pensamos que o nosso trabalho faria um gelato melhor”, acrescentou Giuseppe. “Pegamos o CFD do MCI e usamos no sorvete.”
Para assistir ao vídeo do projeto do sorvete, visite este vídeo.
Diferentes projetos de bicos para encontrar o projeto que oferece o melhor padrão e aplicação de molho. 
Antigo e novo variegador de sorvete 
Sorvete variegado de forma adequada (esquerda) e inadequada (direita) – qual é o mais atraente? Qual você compraria? 
O software de simulação Simcenter STAR-CCM+ mostra o comportamento térmico dos componentes de um motor – cortesia R&D CFD. 
Desenho superior: Desenho do projeto anterior mostrando variegação inadequada e padrão de molho irregular dos quatro bicos. Desenho inferior: Projeto otimizado da câmara de molho, fornecendo um padrão de giro semelhante e melhor variegação de todos os bicos.
