How indesit is decreasing packaging costs

1. 10 - Newsletter EnginSoft Year 9 n°1
CAE analysis are normally recognized as part of the product
development process in mostly high tech industry sectors like
aerospace and automotive. But these are not the only sectors!
As you can see from this case history describing how packaging
optimization could also be influent in product awareness and
return of investment.
The main objective of the project, that is the cost reduction of
the packaging, stimulated performance improvement in terms
of protection against impact and various probabilistic injuries.
Virtual testing was confirmed by lab experiments in full.
Further side effect on manufacturing was a 13% reduction on
materials employed.
Le analisi CAE sono
entrate, nella mag-
gior parte dei set-
tori industriali, par-
te integrante nel flusso di sviluppo prodotto. Questo lavo-
ro costituisce una novità in quanto l’attenzione è rivolta
non al prodotto ma all’ottimizzazione dell’imballo dello
stesso.
L’obiettivo dell’attività è stato ottimizzare l’imballo di un
frigorifero al fine di ridurne i costi di sviluppo e di produ-
zione, mantenendo al contempo inalterata o addirittura
migliorandone la capacità di protezione durante le severe
prove di validazione alle quali il prodotto imballato viene
sottoposto (standard interno INDESIT).
I risultati sperimentali hanno validato in pieno i calcoli
FEM: il design degli imballi è stato deliberato senza alcu-
na modifica ed il costo di produzione di questi ultimi è
stato ridotto, rispetto al design precedente l’ottimizzazio-
ne CAE, del 13%.
Attività di validazione
sperimentale
Approccio tradizionale
I prodotti di libera installa-
zione di Indesit Company
sono imballati con l’utilizzo
di angolari, traverse e basi
imballo in polistirolo espan-
so, coperchi di cartone, in-
volucro esterno in materiale
termoretraibile e regge pla-
stiche per strizione e movi-
mentazione. Tutti i frigorife-
ri, per ottenere l’autoriz-
zazione ad essere prodot-
ti, devono superare, in fa-
se di progettazione e pre-
serie, dei severi test di la-
boratorio (in due diverse
strutture indipendenti)
per riprodurre le peggiori
condizioni di trasporto
possibili. Tra queste prove
annoveriamo lunghe per-
manenze su piani vibranti,
drop test da varie altezze
su tutti i lati e su tutti gli
spigoli, scivolamento su
piani inclinati con impatto
finale su traversa. Il fine
ultimo è di garantire al
cliente l’arrivo a casa del
prodotto integro anche in
caso di movimentazione per nulla scrupolosa.
Attività di analisi virtuale
Approccio Innovativo
Questo lavoro è stato svolto su un modello di frigorifero
combinato della maggiore altezza e peso prodotto, rappre-
sentativo per l’intera gamma, vista la massa dell’allesti-
mento considerato.
Nel dettaglio, sono state svolte le seguenti attività:
1. Modellazione in ambiente CAE dell’intero frigorifero
inclusa schiuma poliuretanica interna con funzioni iso-
Indesit Company
Ottimizzazione dell’imballo
di un frigorifero
Fig. 1 - Urto posteriore su traversa: confronto danno condensatore sperimentale e calcolato (imballo originale)
Rear impact: comparison between real case (experimental) and calculated (original packaging) on the
condenser/radiator.

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lanti e strutturali con particolare attenzione alle zone
‘sensibili’.
2. Modellazione FEM dell’imballo completo (polistirolo
espanso, cartone, regge plastiche, involucro plastico
termoretraibile, nastratura porte).
3. Simulazione virtuale dell’intera procedura di prova
imballo secondo le norme Indesit.
4. Valutazione funzionale delle parti dell’imballo secondo
indicatori rappresentativi della capacità di queste ulti-
me di assorbire l’energia d’urto in ogni singola prova.
5. Ottimizzazione dell’imballo e sviluppo di un modello
CAE del frigorifero facendo uso delle tecniche di sub-
cycling e sub-structuring in zone critiche del frigorife-
ro (individuate nella fase 3).
6. Definizione finale del design dell’imballo.
7. Verifica della configurazione finale con simulazione
dell’intera sequenza di prove dell’imballo.
Vantaggi dell’approccio virtuale
La natura stessa delle prove, sequenziali e continue, ren-
de impossibile individuare la causa dei danneggiamenti in
quanto il prodotto viene disimballato solo al termine del-
l’intera sequenza di test. Lo scopo dell’analisi FEM svolta
è stato, in prima istanza, comprendere le dinamiche di
danno: individuate queste ultime, è stato possibile modi-
ficare iterativamente l’imballo migliorandone la funziona-
lità e, nel contempo, riducendone il costo.
La simulazione FEM ha permesso quindi di:
• progettare gli imballi secondo l’approccio CAE-driven
grazie alla comprensione delle dinamiche di danno;
• verificare virtualmente un gran numero di imballi fino
alla configurazione finale eliminando le prove speri-
mentali intermedie e riducendo quindi i tempi di svi-
luppo ed i costi di testing;
• eliminare il rischio di modifica degli stampi delle par-
ti dell’imballo;
• comprendere il fenomeno di impatto e valutare in
modo oggettivo l’efficacia delle singole parti, questo
ha permesso di ottimizzare e/o eliminare parti dell’im-
ballo con un risparmio molto elevato.
Metodologia Innovativa di sviluppo imballi
Dati di partenza
Il modello CAD fornito da Indesit è composto dell’intero
prodotto, compresa la schiuma poliuretanica interna,
componentistica termodinamica, quali compressore, con-
densatore ed intero insieme imballo. Per semplificare il
modello, non sono stati considerati nell’assieme gli acces-
sori interni i quali non interagiscono direttamente con
l’imballo esterno ma la cui integrità è in ogni caso verifi-
cata in fase di release finale sperimentale. Il peso degli
stessi è stato distribuito sull’intero prodotto per effettua-
re l’analisi considerando il corretto contenuto energetico
in termini di energia cinetica. Indesit ha inoltre fornito
schede tecniche dei materiali utilizzati ove disponibili; i
restanti dati sono stati estratti da database proprietari di
EnginSoft dove sono disponibili caratterizzazioni molto
avanzate per un elevato numero di materiali. In ogni ca-
so, è sempre stata verificata la corrispondenza delle cur-
ve sperimentali in possesso di Indesit con le curve di out-
Fig. 2 - Caratterizzazione guarnizione porta: schiacciamento per il solo
effetto del magnete
Door seal simulation: crushing based from magnet influence
Fig. 3 - Modello di dettaglio della zona critica della base frigorifero (Subcycling): Comportamento durante l’urto su spigolo posteriore
The close-up of the refrigerator critical area (Subcycling): Behavior the impact of the rear edge

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put ottenute riproducendo ogni singola prova sperimenta-
le di caratterizzazione del materiale in ambiente CAE.
Indesit ha fornito le specifiche dell’intera procedura di
analisi e documentazione completa riguardo tutti gli ac-
corgimenti di realizzazione dei prodotti in plant, nonché
il know-how dei punti di attenzione aggiuntivi che l’R&D
utilizza nel design.
Indesit ha inoltre collaborato all’individuazione di tutti i
componenti che più compartecipano all’esito della prova
imballo pur non essendone parte diretta, come le guarni-
zioni porta, le cerniere porta e le nastrature adesive di si-
curezza.
Il modello FEM
Considerata la complessità del prodotto in esame e l’as-
senza di background metodologico, alcuni aspetti di mo-
dellazione numerica hanno richiesto parecchi run di model
validation per la verifica degli stessi. Spesso non si è trat-
tato di un’attività di fine tuning di parametri numerici, ma
le scelte iniziali sono state completamente stravolte in
quanto non soddisfacenti in termini di capacità di coglie-
re in modo dettagliato il fenomeno fisico.
In particolare, si sono implementati artifici numerici al fi-
ne di rappresentare opportunamente i seguenti aspetti pe-
culiari:
• meati di schiuma fra sequenze di parti molto prossime
fra loro;
• condizioni di interfaccia e di adesione fra schiuma e
parti di struttura;
• transizione fra porzioni modellate tramite elementi
shell e altre modellate per mezzo di solidi (brick o
tetra);
• modellazione di collegamenti avvitati;
• rappresentazione di dettaglio del comportamento della
guarnizione porta.
Quest’ultimo aspetto, fondamentale per la stima del dan-
no in termini di deformazione permanente delle cerniere
porta in caso di nastratura poco accorta della stessa, ha
richiesto un’attività di caratterizzazione su un sottomo-
dello di guarnizione molto dettagliato. In tale modello è
stato possibile introdurre tutti gli aspetti matematici ne-
cessari a cogliere la complessità del fenomeno di schiac-
ciamento in condizioni di “misuse” (severo ‘tamponamen-
to’ della guarnizione). Il comportamento strutturale di ta-
le sottomodello di dettaglio è stato poi introdotto nel mo-
dello completo del frigorifero tramite una sequenza equi-
spaziata di elementi 1D, con opportuna caratterizzazione
non lineare, incollati numericamente alla porta da un lato
e alla struttura del frigorifero dall’altro.
Tale modello tiene conto di fenomeni di scivolamento a
taglio della guarnizione in funzione dello schiacciamento
in direzione normale.
Model Upgrade
Il primo ciclo di analisi sul modello completo ha validato
le scelte di modellazione confermando a pieno i risultati
dei passati test sperimentali svolti in fase di lancio pro-
dotto. Esistono però, nella struttura, zone critiche nelle
quali si è deciso di dettagliare ulteriormente il modello al
fine di cogliere eventuali meccanismi di frattura legati a
dettagli geometrici che nel modello FEM non erano pre-
senti in quanto la taglia della mesh utilizzata (legata al
time step) non permetteva di cogliere. Questo ulteriore af-
finamento aumenta la predittività del modello portandola
a livelli estremamente elevati; tale attività si rende neces-
saria per poter ridurre al minimo il ‘margine di sicurezza’
nella successiva attività di ottimizzazione del packaging.
Si sono implementate due linee di miglioramento:
a. subcycling e submodelling (cerniere porta e porzioni di
basamento);
b. design chain (traversa compressore).
Fig. 4 - Confronto fra base imballo originale ed ottimizzata
Comparison between original (left) and optimized packaging base support component

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a. La base del frigorifero, in materiale plastico, è stata ini-
zialmente modellata tramite elementi shell. In alcuni urti
(spigolo posteriore in primis), alcune parti nervate risul-
tano molto sollecitate e si osserva un’elevata deformazio-
ne plastica in corrispondenza dell’attacco di alcune nerva-
ture. Volendo cogliere il reale comportamento strutturale
nel campo plastico, del danno e della rottura, deve essere
innanzitutto riprodotta localmente la reale geometria del
pezzo e si deve quindi tener conto dell’angolo di sformo e
del raggio di raccordo fra parete e nervatura in prossimità
della radice della stessa.
Ciò richiede una taglia di mesh anche al di sotto di 0,5
mm. Si sono quindi utilizzate tecniche di subcycling, sub-
modelling e shell to solid coupling per non causare un dra-
stico ed insostenibile aumento del CPU time che una ridu-
zione del time step globale determinerebbe. Gli interventi
hanno portato ad un +40 % di CPU time, valore colmabi-
le aumentando il numero di cores sui quali l’analisi viene
effettuata.
b. Risultano particolarmente sollecitate le alette ripiegate
della traversa compressore alle quali quest’ultimo viene
fissato tramite una torsione delle stesse di 90 gradi. Tali
alette sono quindi ricavate per piegatura di 90 gradi in fa-
se di tranciatura della traversa (parte in lamiera stampa-
ta) e poi, durante l’assemblaggio del frigorifero, torte di
90 gradi, con un paio di pinze, per bloccare il traversino
di sostegno del gruppo compressore. Localmente le alette
vengono quindi fortemente deformate plasticamente e il
considerarle ‘vergini’ ad inizio simulazione costituisce una
grossolana semplificazione.
Su un modello ridotto si è quindi simulata sia la piegatu-
ra dell’aletta (formatura traversa compressore) sia la tor-
sione di 90 gradi della stessa all’interno del traversino del
compressore (montaggio gruppo compressore). I risultati
ottenuti in termini di deformazione plastica e di assotti-
gliamenti sono stati importati nel modello completo del
frigorifero inizializzando lo stato del materiale tramite al-
goritmi di mapping (necessari a trasferire i risultati fra
mesh diverse).
Matrice di incidenza e ottimizzazione dell’imballo
Il modello affinato ha svolto tutti i test previsti dalla nor-
ma Indesit e ha permesso di compilare una matrice di cor-
relazione tesa ad individuare oggettivamente, per ogni
prova, le parti di imballo maggiormente coinvolte.
Ciò permette una drastica riduzione dei tempi di sviluppo
imballo in quanto, a fronte di una modifica di un certo
componente dello stesso, non vengono ripetute tutte le
prove ma solo quelle che la matrice mostra essere signifi-
cative per la parte modificata.
Si è proceduto quindi ad individuare le zone a bassa e al-
ta sollecitazione dell’imballo procedendo, di conseguenza,
ad un re-design per uniformare lo stato di stress ad un li-
vello più uniforme con, quindi, un fattore di sicurezza
omogeneo sui vari componenti. Non solo alcune parti so-
no state riviste ma alcune di esse sono state radicalmen-
te rimosse. L’ottimizzazione è avvenuta in più loop andan-
do ogni volta a verificare a calcolo le modifiche introdot-
te senza alcun test fisico. L’esperienza trasversale dei tec-
nici Indesit sul prodotto, sul processo e sull’assemblaggio
ha permesso di discriminare fra interventi strutturalmente
possibili ma poco remunerativi ed altri apparentemente
meno invasivi ma invece molto più interessanti dal punto
di vista economico.
L’analisi con tecniche di subcycling ha permesso di ridurre
notevolmente i tempi computazionali, pur utilizzando un
modello estremamente dettagliato e rappresentativo.
3.5 Validazione sperimentale finale dell’imballo
ottimizzato
La successiva realizzazione delle attrezzature per il nuovo
imballo e la verifica sperimentale dei nuovi componenti
realizzati ha riscontrato fedelmente i risultati ottenuti
dando evidenza della bontà delle scelte numeriche di mo-
dellazione ma anche dell’intera metodologia sviluppata.
L’imballo è stato deliberato senza che nessuna ulteriore
modifica si rendesse necessaria.
Conclusioni
L’ottimizzazione della geometria dell’imballo ha permesso
di ottenere vantaggi sia nelle fasi di ingegnerizzazione
dello stesso, sia in termini di abbattimento dei costi di
produzione del design definitivo.
In breve le ricadute:
• abbattimento drastico dei tempi e dei costi di
sviluppo;
• possibilità di testare virtualmente, in tempi
estremamente ridotti e senza la necessità di costruire
alcun prototipo fisico, un elevato numero di revisioni
progettuali rispetto a quanto sarebbe stato possibile
con metodi sperimentali e prototipali tradizionali;
• incremento notevole dello know-how aziendale che
permetterà di migliorare e rendere efficiente a priori la
progettazione dei prodotti delle gamme in prossima
uscita;
• risparmio del 13% su ogni singolo imballo prodotto!
Va evidenziato come la modellazione virtuale non abbia
sostituito l’esperienza progettuale precedente di Indesit,
ma, anzi, sia stata ad essa funzionale e complementare.
Solo una stretta collaborazione che permetta di attingere
da diversi bacini di esperienza/competenza rende il pro-
cesso estremamente virtuoso e non solo un, seppur inte-
ressante, esercizio matematico.
Per ulteriori informazioni:
Alfonso Ortalda, EnginSoft
info@enginsoft.it