Kit Kat®, Nesquik®, Crunch®… comment la simulation met-elle la main à la pâte ?

Chez Nestlé, recherche, conception et fabrication d’une barre chocolatée impliquent des processus très élaborés, qui ne sont pas si différents de ceux de la chocolaterie spectaculaire de Willy Wonka. Bien qu’il n’y ait peut-être pas d’Umpa-Lumpas qui supervisent la production de confiseries, une réflexion approfondie et un zeste de simulation sont de mise pour perfectionner le processus.

Les ingénieurs du Centre de Technologie Produit à York, au Royaume-Uni (PTC York), travaillent entre autres sur la recherche et le développement de trois produits différents : un dispositif pour déposer le chocolat sur les barres chocolatées, une plaque de cuisson pour gaufrette et une extrudeuse, utilisée pour cuire et trier les céréales en même temps. Chez PTC York, siège de la R&D des produits de confiserie, les ingénieurs s’appuient sur la simulation multiphysique pour optimiser et simplifier le processus de production.

La R&D au service du chocolat

Les barres chocolatées, telles que les Kit Kat®, Aero®, Crunch, et les barres de chocolat au lait sont produites en utilisant un dispositif spécial qui remplit un moule avec du chocolat fondu. Le chocolat entre dans le dispositif par le haut via une conduite et ressort dans un moule via des buses.

« Afin que la quantité de chocolat dans chaque barre soit la même, il faut que les débits et les pressions de chocolat en sortie de toutes les buses soient également identiques », explique William Pickles, ingénieur procédé chez Nestlé. « Non seulement nous devons faire en sorte que chaque barre de chocolat ait le même poids pour optimiser les coûts et assurer la standardisation, mais aussi garantir que la valeur énergétique en calories indiquée sur l’emballage soit exacte. Cela nous permet de fournir des produits avec une teneur nutritionnelle précise qui puisse être intégrée dans l’équilibre alimentaire de nos clients. » Pour atteindre ce niveau de standardisation, les débits et les pressions des différentes buses sont à ajuster dans une plage étroite.

L’entreprise utilise une combinaison d’outils de modélisation et de simulation. La géométrie du dispositif de dépôt de chocolat a d’abord été conçue avec le logiciel SolidWorks® et a ensuite été importée dans COMSOL Multiphysics® pour étude. La simulation a été utilisée pour optimiser l’écoulement des fluides, tester les contraintes mécaniques et analyser les propriétés thermiques d’un design particulier.

« Chaque fabricant de chocolat possède sa recette spéciale pour produire du chocolat avec des caractéristiques uniques, » explique Pickles. « Nous avons entièrement modélisé le comportement non-newtonien de la signature du chocolat, en important dans le logiciel les données reliant le taux de cisaillement et la contrainte de cisaillement du fluide. Nous étions ainsi certains de modéliser un chocolat ayant les mêmes propriétés en écoulement que le produit réel. »

Grâce à la simulation, l’équipe a identifié les zones de débits élevés et faibles et a déterminé les différences de débit entre chacune des buses. Des sondes numériques ont été placées dans les canaux et aux extrémités des buses pour analyser les contraintes à certains endroits de la géométrie.

« En optimisant le design du dispositif de dépôt, nous avons réussi à atteindre un débit dans la section de chacune des buses très proche de la valeur souhaitée, soit un écart d’au maximum un dixième de pour cent, » précise Pickles.

Voici les résultats de cette simulation :

Le croustillant sauvé par la simulation

Que serait un Kit KAT® sans le croustillant bien connu de la gaufrette à l’intérieur? Lors de la cuisson d’une gaufrette, un chauffage inégal entraine des concentrations d’humidité différentes à l’intérieur de la gaufrette, gâchant ainsi sa texture croustillante ou causant même une cassure spontanée.

Dans le processus de cuisson de la gaufrette, deux plaques de cuisson sont utilisées pour comprimer la pâte (voir figure ci-dessous). Pendant la cuisson, les plaques sont passées au-dessus d’une série d’environ 40 flammes.

« Nous utilisons la simulation pour optimiser le design de la plaque de cuisson, en regardant le flux d’air chaud en dessous et autour des plaques pour vérifier que le profil de température est homogène entre les surfaces des plaques », explique Pickles. « L’objectif de cette étude est de corriger la puissance du brûleur et son orientation afin d’obtenir la meilleure gaufrette, tout en réduisant la quantité de carburant utilisée. »

Les flammes sous les plaques de cuisson ont été modélisées sous la forme de jets d’air chaud, où le chauffage opère par convection.

A observer ci-dessous : le profil de la flamme sous la plaque de cuisson et le flux d’air autour de la plaque.

« Nous avons validé notre modèle en comparant les résultats de simulation aux données expérimentales issues des dispositifs de plaques de cuisson, et nous avons constaté que les écarts étaient très faibles », dit Pickles. Les résultats montrent également comment des zones plus chaudes apparaissent en raison de l’augmentation de la conduction de chaleur à travers les boulons de fixation des plaques de cuisson :

« La prochaine étape sera d’optimiser ce design pour répartir la chaleur le plus uniformément possible sur le haut de la plaque et minimiser les pics de température », conclut Pickles.

Cuire en Extrudant

Les céréales telles que les Cheerios®, Trix®, Nesquik® et beaucoup d’autres sont fabriquées par extrusion. « L’extrudeuse à haute température utilisée pour fabriquer certains types de céréales fonctionne en injectant la pâte à travers un moule. La pression et le frottement résultant font cuire la pâte par chauffage visqueux », explique Pickles, faisant référence à l’extrudeuse illustrée ci-dessous. « Les extrudeuses sont courantes parce que c’est un outil de production compacte et rentable ».

Pickles travaille sur la conception d’un boîtier pour viscosimètre, qui sera placé à l’intérieur de l’extrudeuse pour mesurer la viscosité de la pâte entrant dans le moule. Cela permettra de garantir une qualité constante pour la pâte et de faire en sorte qu’elle cuise de manière prévisible. « Pour ce design, nous devions nous assurer que l’enveloppe du viscosimètre pourrait résister à la haute pression régnant dans le dispositif, » souligne Pickles.

Dans le design initial de l’extrudeuse, le boîtier du viscosimètre ne pouvait pas supporter cette pression très élevée.

« Nous avons tout d’abord repensé la forme du boîtier, ce qui a contribué à réduire la pression. Ensuite, nous avons fait évoluer le design de l’injecteur afin d’éviter tout dépassement des seuils de contrainte, pour que le viscosimètre puisse être installé en toute sécurité », explique Pickles. De plus, la simulation a été utilisée pour vérifier que le déplacement de l’extrudeuse dans l’écoulement était limité, car des variations trop grandes entraîneraient une production de céréales de forme et de taille irrégulières (voir figure ci-dessous). Voici le boitier du viscosimètre et les résultats de simulation de l’injecteur :

« Chez Nestlé, la simulation est une part importante du processus de conception, de la production de chocolat aux gaufrettes, en passant par les céréales et tout le reste. Les produits étant destinés à la consommation, nous devons particulièrement veiller à la fiabilité de nos designs », conclut Pickles.

Par Alexandra Foley