La realizzazione di borse di spesa-siano esse di carta, plastica o tessuto non tessuto-comporta una serie di passaggi: taglio, sigillatura, piegatura e rifinitura. Questi passaggi convertono le materie prime a rotazione continua in un sacchetto finito per l'uso al dettaglio o in fabbrica. Aggiungere handle e installare patch è il compito meccanico più difficile in questi passaggi. Il produttore di borse deve spostare una rete di diversi materiali contemporaneamente, applicare colla o termosaldature con grande precisione e mantenere una velocità superiore a 150 borse al minuto. Per capire come queste macchine gestiscono automaticamente l’inserimento e le patch, dobbiamo esaminare le parti meccaniche, i sistemi di sensori e le configurazioni di controllo che funzionano insieme.
La linea di base: formazione del corpo della borsa
Le borse devono essere realizzate prima di aggiungere maniglie o toppe. In un produttore di sacchetti di plastica standard, la pellicola cade da un grande rotolo, si piega a forma di tubo e si sigilla sul fondo. La lama di taglio taglia il tubo in tasche separate ad una lunghezza adeguata. Ciascun sacchetto avanza quindi sul nastro trasportatore o sul sistema a catena, pronto per la fase successiva.
L'allineamento della borsa quando raggiunge la maniglia o la stazione di riparazione è fondamentale per tutti i lavori successivi. Se il sacchetto cade di 2 mm o 3 mm, la manipolazione o l'applicazione delle toppe continueranno ad andare male, creando un sacchetto difettoso. L'allineamento viene ottenuto tramite guide meccaniche, fotorecettori che leggono l'impronta sulla pellicola e sistemi di trasmissione servo-azionati per regolare la posizione del sacchetto mentre si muove. queste esigenze di precisione sono coperte dalla norma ISO 21848 che fissa i limiti dimensionali per le macchine per l'imballaggio flessibile.
Inserimento della maniglia: preparazione e alimentazione del materiale
L'inserimento automatico della maniglia inizia con una fornitura separata di materiali: un rotolo di materiale piatto-come nastro di carta, nastro di plastica o strisce di pellicola tagliate-diventa la maniglia della borsa. Il materiale della maniglia deve essere tagliato a una certa lunghezza e, se è necessaria una maniglia ad anello, piegala e posizionala nel punto giusto nella borsa prima di collegarla.
In un produttore di borse per borse circolari, la striscia della maniglia viene prima tagliata ad una lunghezza adatta alle linguette di attacco dell'anello della maniglia. Il nastro viene quindi piegato a forma di U o D utilizzando un tavolo pieghevole meccanico con piastra di guida e binario di guida. La forma delle pieghe deve essere sempre la stessa. La variazione della piega modifica la lunghezza del manico rendendolo irregolare. I sistemi di piegatura servo-controllati hanno sostituito le piegatrici meccaniche-azionate da camme nelle macchine più recenti. Questo perché il servosistema consente di modificare elettronicamente i formati di piegatura senza la necessità di sostituire parti.
Rinforzo tramite toppa-posizionando un piccolo rettangolo di materiale sul punto di attacco della maniglia per distribuire il carico ed evitare che la maniglia strappi la membrana della borsa-scioglie una rete separata di materiali di toppa e li taglia in singole toppe. Le toppe vengono solitamente tagliate utilizzando una fustella rotativa e per tagliare la toppa viene utilizzata un'incudine. Ciò consente di produrre patch della stessa dimensione alla stessa velocità. Il cerotto viene quindi spostato nel sacchetto utilizzando una ventosa a vuoto o un dispositivo meccanico. Questi posizionano la toppa esattamente sopra il punto di attacco della maniglia.
La Society of Manufacturing Engineers ha scritto un articolo sui sistemi di alimentazione dei materiali servo-nei processi meccanici. Dimostrano che quando si utilizzano servoalimentatori per il controllo della tensione in tempo reale-della rete di materiale, è possibile ottenere una precisione di allineamento di ± 0,5 millimetri a una velocità di 200 giri al minuto. Questo livello di precisione è fondamentale per il posizionamento della patch. La toppa deve coprire completamente la zona di attacco della maniglia per fornire un buon rinforzo.
L'operazione di incollaggio: adesivo, saldatura a caldo o saldatura ad ultrasuoni
Una volta posizionate la maniglia e la toppa sulla borsa, è necessario fissarle. Nella macchina per la produzione di borse, esistono tre tipi di metodi di incollaggio comunemente usati. In base al materiale di imballaggio, alla forza di adesione richiesta, alla velocità di produzione e ad altri fattori da selezionare.
L'applicazione dell'hot melt è il metodo più flessibile. È adatto per incollare maniglie e toppe su carta, tessuto non tessuto- e alcuni sacchetti di plastica. Il serbatoio della colla riscaldato pompa l'adesivo fuso attraverso un ugello programmabile. Questo ugello applica un disegno di colla sulla borsa o sull'etichetta della maniglia. Il disegno dell'ugello-solitamente rettangolare, doppio-a filo o punteggiato-è controllato da un'elettrovalvola, che si apre e si chiude mentre la macchina circola. La temperatura e la quantità di colla devono essere adeguate. Troppa poca colla, troppo debole, può rompersi sotto il peso. Troppa colla può causare estrusioni che macchiano le macchine e le superfici dei sacchetti di stoffa.
Quando la borsa e la maniglia sono dello stesso tipo di film termoplastico, utilizzare una chiusura termica. Riscaldare il sigillo e premere la maniglia sulla borsa. Questo scioglie il punto di contatto in plastica e forma una saldatura. Le impostazioni di sigillatura-temperatura, pressione e tempo-devono essere impostate per film specifici. ASTM F88 fornisce un metodo di prova standard per misurare la resistenza della tenuta dei materiali flessibili. I produttori di macchine utilizzano questi test per verificare le impostazioni delle guarnizioni nel controller della macchina.
La saldatura ad ultrasuoni è un metodo di confezionamento relativamente nuovo, particolarmente adatto per sacchetti in tessuto non tessuto. Gli altoparlanti a ultrasuoni vibrano da 20 a 40 kHz. Ciò crea calore da attrito nel punto di contatto tra l'etichetta del manico e la borsa. Il riscaldamento locale può essere saldato senza calore o colla aggiuntivi. La saldatura ad ultrasuoni presenta i vantaggi di pulizia, insapore e assenza di danni termici ai materiali circostanti. Questo è importante per l'uso dei sacchetti per alimenti-. Il NIST ha pubblicato un lavoro sull'impostazione dei parametri di saldatura a ultrasuoni per materiali non tessuti termoplastici. Hanno scoperto che la resistenza della saldatura era strettamente correlata all’ampiezza della vibrazione e alla pressione di serraggio. Le impostazioni migliori possono variare ampiamente a seconda del tipo di polimero.
Sincronizzazione: l'architettura di controllo
La sfida principale con l'inserimento automatico della maniglia e l'elaborazione delle patch è la tempistica. Borse, materiali per maniglie, materiali per toppe e meccanismo di fissaggio devono trovarsi tutti nella stessa posizione allo stesso tempo, muovendosi ad alta velocità ciclo dopo ciclo, senza spazio per errori di temporizzazione. Questa tempistica viene eseguita tramite l'impostazione del controllo a più livelli.
Nella parte superiore, un controller logico programmabile (PLC) o un controller di movimento funge da orologio principale della macchina. Il controller segnala la posizione principale-di solito da un codificatore o da una bobina elettronica virtuale sull'albero della trasmissione principale-per determinare l'angolo del circuito della macchina. Ogni servomotore della macchina segue questa posizione principale e calcola il proprio movimento in base alla posizione principale. Quando la posizione dell'host indica che la borsa ha raggiunto la posizione della maniglia, la maniglia che entra nel servo accelera per produrre la maniglia, il cerotto taglia e trasferisce il servo per produrre il cerotto e il sistema di incollaggio si apre-tutto in millisecondi.
La IEEE Industrial Electronics Society ha scritto un articolo sull'evoluzione della tecnologia dell'albero elettronico nelle macchine di conversione. Sottolineano che i moderni servosistemi distribuiti possono controllare il tempo di un oggetto entro ±0,1 gradi di rotazione dell'albero principale. È lo stesso di un tempo inferiore al-millisecondo alle normali velocità della macchina. Questo livello di precisione è ciò che rende possibile l'inserimento di una maniglia completamente automatica ad un'elevata velocità di produzione. I vecchi sistemi meccanici che utilizzavano camme, ingranaggi e cinghie di distribuzione potevano farlo solo con molte parti meccaniche e poco spazio per le modifiche.
Feedback del sensore e garanzia di qualità
Il tempo da solo non è sufficiente. Le macchine devono inoltre verificare che ogni passaggio sia corretto e rifiutarsi di processare o rattoppare sacchetti che non lo sono. Ogni stazione dispone di una serie di sensori per il feedback-in tempo reale.
Quando i sensori fotoelettrici entrano nel tavolo pieghevole, controlla se il materiale della maniglia è presente e nel posto giusto. Se il sensore mostra che la maniglia è mancante o non allineata, il controller può attivare un malfunzionamento e arrestare la macchina prima che si formi un sacco difettoso. I sistemi visivi-piccole fotocamere con software di analisi delle immagini-vengono sempre più utilizzati per controllare il posizionamento dei cerotti e il modello di colla della forma. Il sistema visivo scatta una foto di ogni bagaglio mentre attraversa il punto di controllo e la confronta con un'immagine di riferimento. Le borse che variano troppo vengono contrassegnate per la successiva rimozione dello shunt.
Il quadro HACCP della FDA, sebbene originariamente progettato per la sicurezza alimentare, è stato utilizzato dai produttori di macchinari come modello per bloccare i difetti. Inserendo le fasi di inserimento e pubblicazione delle maniglie come punti di controllo chiave e aggiungendo il rilevamento automatico ad ogni fase, i produttori possono dimostrare che i loro produttori di sacchetti forniscono un risultato stabile e senza errori che può essere ricondotto alle impostazioni di processo impostate
Variazioni nella gestione delle patch: patch di rinforzo e patch di finestre
La lavorazione delle toppe in un produttore di borse avviene in due modi diversi, utilizzando le stesse parti meccaniche ma in modi diversi. Come accennato in precedenza, le toppe di rinforzo si trovano nel punto di attacco della maniglia per disperdere il carico. Toppe per finestre-un rettangolo di pellicola trasparente posizionato sopra un foro nella borsa per creare una finestra trasparente-richiede impostazioni di posizionamento diverse ma utilizza gli stessi sistemi di alimentazione, taglio e incollaggio delle patch.
Essere in grado di gestire entrambi i tipi di patch sulla stessa macchina è una caratteristica di progettazione del produttore di sacchetti portatile flessibile. Il rotolo di materiale per toppe può essere cambiato da materiale di rinforzo opaco a pellicola per finestre trasparente. Gli stampi da taglio sono inoltre intercambiabili per realizzare toppe di diverse dimensioni. I controlli vengono aggiornati per corrispondere alle dimensioni della nuova patch e alle impostazioni di collegamento. Questa flessibilità consente a una macchina di produrre una varietà di stili di borse senza grandi modifiche meccaniche:-una borsa a forma di anello-con toppe di rinforzo, una borsa-fustellata con toppe per finestra o una borsa-solo toppa senza.
Lo studio del Packaging Machinery Institute della Michigan State University ha esaminato la rapidità con cui gli imballatori multifunzione passano da un lavoro all'altro. Hanno scoperto che le macchine dotate di sistemi di gestione delle patch programmabili e servoassistiti riducevano i tempi di commutazione dal 60 al 75%% rispetto ai sistemi regolati meccanicamente. Questa riduzione dei tempi di cambio produzione migliora direttamente l'utilizzo della macchina e riduce gli sprechi durante il passaggio da un ciclo di produzione all'altro.
Velocità, manutenzione e limiti dell'automazione
La velocità massima di un portaborse con inserimento automatico della maniglia non è stabilita da nessun componente. È determinato dal tempo totale consentito da tutte le fasi del ciclo. A 150 sacchetti al minuto, la macchina completa un ciclo completo ogni 400 millisecondi. Durante questo periodo, il sacchetto deve essere a posto, la maniglia deve essere tagliata e piegata, la toppa deve essere tagliata e spostata, la colla deve essere applicata, il sistema di incollaggio deve essere premuto e allentato e il sacchetto finito deve essere inviato all'area di raccolta. Ogni passaggio utilizza parte di un budget di 400-millisecondi. Il resto del tempo-il tempo tra la fine di un passaggio e l'inizio di quello successivo funge da cuscinetto temporale per assorbire piccoli cambiamenti.
All'aumentare della velocità, il cuscino di fasatura diventa sempre più piccolo. A 200 sacchi al minuto il tempo ciclo scende a 300 millisecondi. La guarnizione potrebbe non essere sufficiente a gestire i normali cambiamenti nell'alimentazione del materiale, nell'asciugatura della colla o nella risposta del sensore. Le macchine sono più sensibili alla qualità dei materiali, alla temperatura ambiente e all'usura della macchina. Le esigenze di manutenzione sono più frequenti e i difetti casuali sono più probabili.
Gli standard OMAC per le macchine da imballaggio, creati nell'ambito dell'IEEE, forniscono un sistema per il controllo dello stato della macchina e la ricerca dei guasti. Ciò aiuta gli operatori a identificare e risolvere rapidamente i problemi di temporizzazione. Le macchine che seguono gli standard OMAC visualizzano dati diagnostici dettagliati -, comprese le misurazioni temporali in ciascun sito e i registri che cambiano nel tempo. Ciò consente la manutenzione anticipata e la messa a punto del processo.
Conclusione
Il produttore di borse tote adotta un sistema di taglio e piegatura di precisione per l'alimentazione del materiale servoassistita-, unità di incollaggio programmabili programmabili, temporizzazione a strati, controllo della temporizzazione, qualità del sensore, controlli di qualità per l'inserimento automatico della maniglia e l'elaborazione delle patch. La macchina sposta diverse reti di materiali-sacchetti, maniglie, toppe e colla-in un ciclo stretto e temporizzato ripetuto centinaia di volte al minuto. Il passaggio dai sistemi di azionamento a camme meccanici alle configurazioni programmabili e servocontrollate ha trasformato queste macchine da strumenti monouso-a piattaforme di produzione flessibili in grado di gestire più stili di sacchetti con tempi di cambio ridotti. Il passo successivo non è meccanico. Riguarda l'intelligenza del software, che migliora i tempi, prevede quando dovrebbe essere eseguita la manutenzione e si adatta quando si verificano cambiamenti importanti. Con i progressi nei sistemi di controllo e nella tecnologia dei sensori, il prossimo passo sarà quello di andare avanti.
Riferimenti
- Organizzazione internazionale per la standardizzazione.ISO 21848 - Imballaggio - Borsa per imballaggio flessibile-Macchine per la produzione - Tolleranze dimensionali. Ginevra: ISO, 2019.
- Società degli ingegneri di produzione. "Sistemi di alimentazione del materiale servo-azionati nei macchinari di trasformazione: precisione di registrazione e controllo della tensione."Rivista di ingegneria della produzione, vol. 166, no. 4, 2021.
- ASTM Internazionale.Metodo di prova standard ASTM F88 - per la resistenza della tenuta dei materiali barriera flessibili. Conshohocken occidentale: ASTM, 2021.
- Istituto nazionale di standard e tecnologia. "Ottimizzazione dei parametri di saldatura a ultrasuoni per materiali non tessuti termoplastici nelle applicazioni di imballaggio."Nota tecnica NIST 2195, 2020.
- Società di elettronica industriale IEEE. "Tecnologia elettronica degli alberi in linea nei macchinari di conversione: precisione di sincronizzazione e architetture servo distribuite."Transazioni IEEE sull'elettronica industriale, vol. 68, no. 7, 2021.
- Istituto di ricerca sulle macchine per l'imballaggio, Università statale del Michigan. "Efficienza di conversione nelle macchine-per la produzione di borse-multifunzione: sistemi servoassistiti e sistemi meccanici."Giornale della tecnologia e della scienza dell'imballaggio, vol. 34, no. 2, 2022.
- Gruppo di Lavoro Packaging OMAC, Istituto Ingegneri Elettrici ed Elettronici.Linee Guida OMAC Macchine per l'Imballaggio: Gestione dello Stato e Diagnostica. Piscataway: IEEE, 2020.
