Numerical and Experimental Study of Glass in the Blow and Blow Forming Process for the Prediction of Thickness Distributions in Glass Perfume Containers

Abstract

El disseny del motlle preparador és un punt crític en el desenvolupament de nous flascons ja que defineix la distribució d’espessors de vidre en les ampolles fabricades. Tot i això, el disseny d’aquestes cavitats encara es basa en el coneixement empíric i la metodologia d’assaig i error. Per aquestes raons, diverses proves de fabricació poden ser necessàries, les quals impliquen temps no productius i allarguen el temps de desenvolupament. Ramon Clemente és un fabricant de flascons de vidre que vol escurçar el buit actual entre l’experiència dels vidriers i el coneixement científic de les simulacions numèriques. L’objectiu és implementar un model que descrigui numèricament el comportament termomecànic del vidre en el procés de fabricació per bufat-bufat per predir la distribució d’espessors en els flascons. Així doncs, aquesta tesi es centra en un estudi numèric i experimental de la producció d’ampolles de vidre. Emprant una càmera termogràfica es van realitzar anàlisis tèrmiques sota condicions reals de fabricació. Aquestes inclogueren mesures experimentals de la gota de vidre, parison i flascons acabats en tot el procés productiu. A més, les operacions de conformat i les propietats del vidre definiren un marc teòric per modelar numèricament el procés de bufat-bufat amb ANSYS Polyflow. Posteriorment, es varen implementar dos models numèrics. Primer, un assaig de caiguda de la gota proporcionà una descripció del flux de vidre al llarg del temps per validar la caracterització de la viscositat i el flux no isotèrmic i newtonià previst per les simulacions. Desprès, un model numèric del procés de bufat-bufat per predir el repartiment d’espessors de vidre en els envasos fabricats. Els resultats numèrics es van correlacionar amb temperatures experimentals del vidre i amb els gruixos dels flascons tallats. Els resultats obtinguts permeten tenir una millor comprensió del comportament termomecànic del vidre dins de les cavitats dels motlles. A més, les simulacions predigueren correctament la distribució d’espessors al final del procés, en funció del disseny del motlle preparador i de les condicions de fabricació, tant en el model axisimètric com tridimensional. La validació del model numèric en tres dimensions és molt important per a Ramon Clemente, ja que obre la porta a predir numèricament els gruixos de flascons amb geometries complexes en lloc de limitar-se a ampolles axisimètriques. Per tant, permetent desenvolupar nous flascons de vidre pel sector de la perfumeria de forma més ràpida i de millor qualitat.

El diseño del molde preparador es un punto crítico en el desarrollo de nuevos frascos ya que define la distribución de espesores de vidrio en las botellas fabricadas. Todo y eso, el diseño de estas cavidades aún se basa en el conocimiento empírico y la metodología de ensayo y error. Por estas razones, pueden ser necesarias varias pruebas de fabricación, las cuales implican tiempo no productivo y alargan el tiempo de desarrollo. Ramon Clemente es un fabricante de frascos de vidrio que quiere reducir el vacio actual entre la experiencia de los vidrieros y el conocimiento científico de las simulaciones numéricas. El objetivo es implementar un modelo que describa numéricamente el comportamiento termo-mecánico del vidrio en el proceso de fabricación por soplado-soplado para predecir la distribución de grosores en los frascos. Así pues, esta tesis se centra en un estudio numérico y experimental de la producción de botellas de vidrio. Usando una cámara termográfica se realizaron análisis térmicos bajo condiciones reales de fabricación. Éstas incluyeron medidas experimentales de la gota de vidrio, parison y frascos acabados durante el proceso productivo. Además, las operaciones de conformado y las propiedades del vidrio definieron un marco teórico para modelar numéricamente el proceso de soplado-soplado con ANSYS Polyflow. Posteriormente, se implementaron dos modelos numéricos. Primero, un ensayo de caída de la gota proporcionó una descripción del flujo de vidrio a lo largo del tiempo para validar la caracterización de la viscosidad y el flujo no isotérmico y newtoniano previsto por las simulaciones. Después, un modelo numérico del proceso de soplado-soplado para predecir el reparto de espesores de vidrio en los envases fabricados. Los resultados numéricos se correlacionaron con temperaturas experimentales del vidrio y con los grosores de los frascos cortados. Los resultados obtenidos permiten tener una mejor comprensión del comportamiento termo-mecánico del vidrio dentro de las cavidades de los moldes. Además, las simulaciones predijeron correctamente la distribución de espesores al final del proceso, en función del diseño del molde preparador y de las condiciones de fabricación, tanto en el modelo axisimétrico cómo tridimensional. La validación del modelo numérico en tres dimensiones es muy importante para Ramon Clemente, ya que abre las puertas a predecir numéricamente los grosores de los frascos con geometrías complejas en lugar de limitarse a botellas axisimétricas. Por lo tanto, permitiendo desarrollar nuevos frascos de vidrio para el sector de la perfumería de forma más rápida y de mejor calidad.

The design of the blank mold cavity is a critical step in the development of new perfume containers as it defines the glass thickness distribution of the manufactured bottles. Despite that, mold cavity design is still based on empirical knowledge and trial and error. Hence, several manufacturing tests may be required, which increase time to market and involve significant downtimes. Ramon Clemente is a glass manufacturing company that wants to bridge the gap between industrial experience in glassmaking and scientific and engineering knowledge present in numerical simulations. The goal is to implement a numerical model to describe the thermo-mechanical behavior of glass during the blow and blow forming process and predict the glass thickness distribution of the manufactured bottles. Therefore, this thesis focuses on a numerical and experimental study of the production of glass perfume containers. Then, thermal analyses were performed using an infrared thermal camera under industrial manufacturing conditions. These included experimental measurements of the glass gob, parison and final container throughout the forming process. In addition, forming operations and glass properties defined a framework to numerically model the blow and blow forming process using ANSYS Polyflow. Subsequently, two numerical models were implemented. First, a gob drop test to provide a description of the glass flow over time to validate the characterized viscosity and the Newtonian non-isothermal flow predicted by the simulations. Later, a numerical model of the blow and blow forming process to predict the glass thickness distribution of the manufactured containers. Numerical results were correlated with experimental glass temperatures and thickness distributions of sectioned containers. Results lead to gain a better understanding of the thermo-mechanical behavior of glass inside the mold cavities. Moreover, simulations successfully predicted the thickness distribution after the container forming process, showing the influence of the blank mold cavity and process conditions in both axisymmetric and three-dimensional models. Validation of the 3D model has strong implications for Ramon Clemente, as it paves the way for numerically predicting the glass thicknesses of complex perfume containers instead of being limited to axisymmetric bottles. Therefore, allowing to develop new glass containers faster and of better quality.