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Repousser les limites des machines d'emballage à flux horizontal haute vitesse

01 Oct 2021
Experts Kollmorgen

cross sealing machine

C'est peut-être parce que vous utilisez une configuration classique à moteur unique et réducteur sur votre machine d'emballage à flux horizontal que vous ne disposez pas de la souplesse et des performances nécessaires pour suivre la demande. Alors que la demande de produits emballés continue de s'envoler (soit une opportunité de croissance d'une valeur de 58 milliards de dollars selon l'estimation de NielsenIQ) et que les consommateurs prennent l'habitude d'acheter en ligne, nombre de fabricants doivent faire face aux marges historiquement réduites et à la moindre rentabilité du cybercommerce par rapport au commerce traditionnel. Pourtant, pour améliorer leurs marges (et leurs bénéfices), les fabricants se tournent vers des assortiments spécifiques aux circuits de distribution, comme des emballages, des lots et des tailles d'emballage différents, pour atténuer les conflit entre circuits et augmenter les marges. 

La machine idéale de l'équipementier dans le secteur de l'emballage

Un leader du marché dans le développement, la production et la commercialisation de presses d'imprimerie pour laizes étroites et moyennes destinées à la production en ligne d'étiquettes, de boîtes pliantes et de produits en carton recherchait une solution pour répondre aux besoins de production de ses utilisateurs finaux. Les machines actuelles de l'équipementier présentaient des limites matérielles en termes d'efficacité, de flexibilité et de rendement, et il explorait les possibilités d'améliorer ses propres processus.  

Les machines d'emballage à flux continu actuelles de l'équipementier utilisent une combinaison de chaleur, de temps et de pression pour réaliser un scellement avec un jeu de barres chauffantes de sertissage, dans le domaine généralement des emballages de snacking, de biscuits et de confiserie. Les barres tournent en contra-rotation à 360 degrés et se rencontrent au centre pour faire fondre une couche de plastique qui colle ensemble les deux couches de film. Ce processus à haute répétabilité exige que la machine réalise chaque fois les mêmes scellements et coupes rapides, des centaines de fois par minute.

Pourtant, pour étendre son offre, l'équipementier avait établi une liste de souhaits qui, à condition qu'ils soient réalisés, lui permettraient d'atteindre ses objectifs de performances : 

  • Une tolérance inférieure à 15 minutes d'angle entre les deux barres chauffantes. Toute valeur supérieure pouvait entraîner un mauvais scellement ou des pannes du système. 
  • Des accélérations et des décélérations rapides qui permettraient à la machine de passer rapidement à des longueurs d'emballage différentes. 
  • Une distance de 80 mm (60 mm de préférence) et de 150 mm entre les deux joints d'arbre transversaux pour garantir la compatibilité avec différentes tailles d'emballages.
  • Une dérive maximale de l'axe supérieur de 8 mm pour éviter les dommages en cas de collision entre un produit et le cylindre.
  • Un système d'entraînement sans entretien ou presque. 

Évaluation des limites actuelles de la machine

Une équipe Kollmorgen dirigée par Fabio Silvestrini, gestionnaire de la technologie chez Kollmorgen Italie, a commencé par effectuer un examen approfondi de la machine actuelle de l'équipementier. « Lorsqu'on nous a confié la mission d'essayer d'améliorer les performances et l'efficacité de la machine, le problème nous a sauté aux yeux », explique-t-il. « C'est le gaspillage d'énergie et la mauvaise commande qui découlent de l'utilisation d'un moteur unique associé à une transmission mécanique ».

Dans un système à réducteur traditionnel, un moteur entraîne le réducteur, qui à son tour déplace des poulies ou des pignons reliés à des arbres de cardan moteurs raccordés à des barres chauffantes qui scellent l'emballage. Cette approche présente plusieurs limites et difficultés :

  • Les éléments de sertissage ne peuvent pas se déplacer indépendamment les uns des autres et doivent être étalonnés pour obtenir un bon alignement tandis que l'absence d'asservissement permet à un axe d'avoir 15 minutes d'angle de désalignement.
  • Le grand nombre de pièces en mouvement signifie qu'il y a beaucoup de pièces à entretenir, réparer et remplacer, ce qui immobilise la machine pendant quelques jours. De plus, les pièces sont bruyantes et ont constamment besoin d'être huilées, ce qui est salissant et problématique dans le secteur de l'emballage alimentaire. Quant au réducteur et aux poulies, ils peuvent prendre du jeu, ce qui peut endommager la machine.
  • La transmission mécanique déplace une masse globale plus importante dans le système, ce qui limite l'accélération et la décélération et réduit la quantité de produit pouvant circuler.

Création d'une machine de validation de principe

Les discussions entre Kollmorgen et l'équipementier à propos de l'efficacité de la production ont abouti à la question suivante : et si l'on remplaçait le moteur unique de la machine d'emballage à flux continu par deux moteurs à entraînement direct reliés à chaque cylindre? Le remplacement du réducteur existant par deux moteurs rotatifs à entraînement direct (DDR en anglais) permettrait d'améliorer considérablement les performances en donnant la possibilité de contrôler séparément chacune des barres chauffantes, ce qui aurait pour effet d'accélérer la production grâce à un scellement plus précis.

Kollmorgen Cartridge DDR®

« Nous savions que nous voulions une solution qui puisse être facilement intégrée dans la chaîne de fabrication existante d'un équipementier », indique M. Silvestrini. « Nous avons commencé par créer un module fermé facilement intégrable. » À la différence d'un servomoteur qui entraîne le réducteur, le moteur DDR est directement couplé à la charge, ce qui élimine le besoin d'un réducteur, de pignons et de poulies. Par exemple, un réducteur typique pourrait avoir un jeu de 1 minute d'angle. La répétabilité du moteur DDR Kollmorgen est supérieure à 1 seconde d'angle. Ce qui correspond à une commande de maintien 60 fois supérieure à celle d'un réducteur conventionnel.

L'équipe a également décidé d'utiliser l'AKD PDMM de Kollmorgen, qui combine un servovariateur et un moteur, pour contrôler le mouvement du moteur. Cette solution a permis de faire en sorte que chaque barre chauffante puisse se déplacer à sa propre vitesse et, grâce à la boucle d'asservissement intégrée, s'adapter automatiquement pour compenser une dérive ou un mouvement pendant la production.

Validation de principe

Après avoir créé la machine de validation de principe, Kollmorgen l'a soumise à plusieurs tests de performance. L'utilisation des deux moteurs DDR couplés au contrôleur a permis de renforcer la précision du système : le désalignement entre les deux barres chauffantes est plus précis, la longueur de coupe ou d'alimentation peut être maintenue plus précisément et le contrôle de position angulaire est plus exact. Cette précision a amené plusieurs gains de performance :

  • Par rapport à un servomoteur classique, les moteurs DDR sont 10 fois plus précis en réduisant la limite actuelle de 32 à 3,2 minutes d'angle, ce qui allonge la durée de vie des barres chauffantes. 
  • La vitesse globale de la machine a été multipliée par 1,6 en raison de cycles marche/arrêt plus rapides, passant de 640 ppm à 1 030 ppm pour des emballages de 115 mm de long. 
  • La productivité a augmenté de 50 %, passant de 400 ppm à 595 ppm pour des emballages de 200 mm, et jusqu'à 270 mm de long lorsque les limites physiques des mécanismes de scellement empêchaient d'obtenir des gains supplémentaires. 

La machine pouvait produire des paquets 2,3 fois plus petits à la même vitesse, passant de 115 mm à 50 mm de longueur d'emballage à 640 ppm.

La machine de validation de principe à double entraînement a apporté des avantages non seulement en termes de performances, mais aussi de conception, beaucoup plus simple. L'absence d'engrenages s'est traduit par une diminution du besoin d'entretien global et du bruit (20 dB de moins qu'une transmission mécanique), et l'élimination du risque de contamination à l'huile du produit. Elle a aussi amélioré la bande passante de la machine, avec moins de temps d'immobilisation, moins de pièces à remplacer et moins de variantes. 

Préparation à la production et innovation future

« La machine de validation de principe a montré à l'équipementier comment une solution de commande de mouvement perfectionnée pouvait améliorer l'efficacité, le rendement et la productivité pour l'utilisateur final », explique M. Silvestrini. « Cela semblait impossible, mais Kollmorgen a été capable, à partir des concepts initiaux et de la liste de souhaits, de réaliser un produit de validation de principe viable susceptible d'être adopté par d'autres équipementiers du secteur de l'emballage. »

La conception de type module fermé ne nécessite que peu de réglage et d'étalonnage, ce qui permet d'intégrer le produit dans un système d'emballage et de passer presque immédiatement à la production. Et puisque la machine contient moins de composants, elle peut être produite plus rapidement pour une plus grande flexibilité de production de l'équipementier.

La commande de mouvement avancée offerte par le produit de validation de principe permet aux équipementiers d'imaginer de nouvelles possibilités pour leurs machines d'emballage à flux continu. Alors que la demande en biens de consommation continue d'augmenter et que les fabricants cherchent à améliorer leurs marges partout où cela est possible, les meilleures performances de la machine d'emballage à flux continu à double entraînement permettent aux équipementiers de proposer à l'utilisateur final une solution pour à la fois répondre à la demande et préserver sa marge. 

À propos de l'auteur

Kollmorgen Experts

Ce blog est le fruit d'une collaboration entre une équipe d'experts en mouvement et en automatisation de Kollmorgen, comprenant des ingénieurs, du personnel du service clientèle et des experts de la conception. Quelle que soit l'avancée de votre projet, nous sommes là pour vous aider.

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