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Oltre i limiti delle macchine confezionatrici orizzontali ad alta velocità

01 Ott 2021
Esperti di Kollmorgen

cross sealing machine

L'utilizzo di una configurazione tradizionale con un unico motore e un cambio sulla vostra macchina confezionatrice orizzontale potrebbe essere il motivo per cui non viene raggiunto il livello di flessibilità e prestazioni necessario per stare al passo con la domanda. La richiesta di beni confezionati aumenta costantemente con un'opportunità di crescita stimata a 58 miliardi di dollari da NielsenIQ, i clienti scelgono sempre più spesso l'acquisto online. Molti produttori sono in difficoltà a causa dei margini storicamente ridotti e della minore redditività dell'e-commerce rispetto alla vendita tradizionale. Per migliorare i margini e i profitti, i produttori stanno creando gamme specifiche per ogni canale, con quantità, dimensioni e tipologie di confezionamento diverse, così da ridurre i conflitti e aumentare i margini. 

Un OEM nel settore dell'imballaggio sogna la macchina ideale

Un leader di mercato nello sviluppo, nella produzione e nella commercializzazione di presse da stampa a tela stretta e media per la produzione in linea di etichette, cartoni e prodotti in cartone, era alla ricerca di un modo per tenere il passo con le esigenze produttive dei suoi utenti finali. Le macchine dell'OEM erano soggette a limiti fisici a livello di efficienza, flessibilità e rendimento e l'OEM desiderava scoprire come migliorare i propri processi.  

Le macchine confezionatrici dell'OEM impiegano una combinazione di calore, tempo e pressione per sigillare, con una serie di barre di saldatura a caldo, le confezioni di snack, biscotti e prodotti dolciari. Le barre ruotano in senso inverso di 360° e si uniscono al centro per fondere uno strato di plastica che unisce le due parti di film. Si tratta di un processo facilmente ripetibile, nel quale la macchina esegue gli stessi tagli e saldature centinaia di volte al minuto.

Tuttavia, per ampliare l'offerta l'OEM aveva a disposizione una serie di richieste che, se messe in pratiche, avrebbero contribuito al raggiungimento degli obiettivi di performance: 

  • Una tolleranza inferiore a 15 minuti angolari tra due barre di saldatura. Qualsiasi valore superiore potrebbe causare errori di saldatura o guasti all'impianto.
  • Accelerazione e decelerazione rapide per permettere alla macchina di cambiare velocemente tra lunghezze di confezionamento diverse. 
  • Una distanza di 80 mm (60 mm come preferenza) e 150 mm tra i due alberi di saldatura trasversale per adattarsi a confezioni di dimensioni diverse.
  • Spostamento dell'asse superiore max 8 mm per evitare danni in caso di urto tra prodotto e cilindro.
  • Manutenzione del sistema di azionamento ridotta o non necessaria. 

Valutazione degli attuali limiti della macchina

Un team Kollmorgen guidato da Fabio Silvestrini, Technology Manager di Kollmorgen Italia, ha iniziato esaminando l'attuale macchina dell'OEM. “Quando ci è stato affidato il compito di cercare di potenziare le prestazioni e l'efficienza, ci siamo trovati di fronte ad un problema lampante” ha spiegato. “Lo spreco di energia e il controllo insufficiente di un singolo motore con un sistema di trasmissione meccanica”.

In un sistema di azionamento tradizionale, un motore aziona un cambio che muove pulegge o ingranaggi montati su alberi cardanici di trasmissione, i quali sono collegati alle barre di saldatura utilizzate per sigillare le confezioni. Questo approccio è caratterizzato da svariati limiti e problemi:

  • Le crimpatrici non si muovono in modo indipendente e devono essere calibrate in un allineamento preciso senza controllo di retroazione che permette a un asse di arrivare a 15 minuti angolari di disallineamento.
  • Le parti in movimento supplementari devono essere manutenute, riparate e sostituite, con conseguenti fermi macchina per alcuni giorni. Inoltre, queste componenti sono rumorosi e devono essere lubrificati con regolarità, il che rappresenta un problema negli impianti di confezionamento di prodotti alimentari. Il cambio e le pulegge possono subire backlash che danneggiano la macchina.
  • La trasmissione meccanica sposta una massa maggiore all'interno del sistema, limita l'accelerazione e la decelerazione e riduce la quantità di prodotti che possono essere lavorati.

Definizione di una Proof of Concept

La conversazione con gli OEM circa l'efficienza della produzione ha fatto sorgere una domanda: cosa succederebbe se si sostituisse il motore singolo di una macchina confezionatrice con due motori a presa diretta collegati a ciascun cilindro? La sostituzione del cambio attuale con due motori rotativi a presa diretta (DDR) migliorerebbe nettamente le prestazioni grazie al comando indipendente di ciascuna barra che permetterebbe di saldare la confezione in modo più accurato e preciso, velocizzando il processo.

Kollmorgen Cartridge DDR®

“Volevamo qualcosa che potesse essere integrato facilmente in una linea produttiva OEM esistente”, aggiunge Silvestrini. “Abbiamo iniziato con la creazione di un modulo chiuso facile da integrare”. A differenza del servomotore che aziona il cambio, il motore DDR è accoppiato direttamente al carico, eliminando la necessità di cambio, ingranaggi e pulegge. Ad esempio, un cambio tradizionale potrebbe avere un backlash di 1 minuto d'arco. Il motore DDR di Kollmorgen offre una ripetibilità migliore di 1 secondo d'arco. Si tratta quindi di un controllo 60 volte migliore rispetto a un cambio convenzionale.

Il team ha deciso inoltre di utilizzare l'AKD PMMM di Kollmorgen, una combinazione di servoazionamento e motore, per controllare il movimento del motore. Questo sistema permetteva a ciascuna barra di saldatura di muoversi a una velocità diversa e con un circuito di retroazione integrato, adattandosi automaticamente al movimenti e agli spostamenti durante la produzione.

La prova del concetto

Dopo la creazione di una macchina proof-of-concept, Kollmorgen l'ha sottoposta a vari test prestazionali. L'uso di due motori DDR accoppiati con il controller ha aggiunto maggiore precisione all'impianto: il disallineamento tra due barre di saldatura è più preciso, così come la lunghezza di taglio e alimentazione e il controllo della posizione angolare è più accurato. Questo livello di precisione permette prestazioni migliori:

  • rispetto a un servomotore tradizionale, i motori DDR sono 10 volte più precisi, riducono il limite di corrente di 32 minuti d'arco a 3,2 minuti d'arco e aumentano la durata dei saldatori. 
  • La velocità totale della macchina viene migliorata di 1,6 volte, grazie ai cicli di avvio e arresto più rapidi, da 640 ppm a 1030 ppm per lunghezze delle confezioni di 115 mm. 
  • La produttività è stata aumentata del 50%, da 400 ppm a 595 ppm per lunghezze delle confezioni di 200 mm che arrivano a 270 mm quando le limitazioni fisiche dei meccanismi di saldatura non permettevano ulteriori estensioni. 

La macchina potrebbe lavorare confezioni 2,4 volte più piccole alla stessa velocità, passando da una lunghezza della confezione di 115 mm a 50 mm a 640 ppm.

La macchina proof-of-concept a doppio azionamento presenta vantaggi dal punto di vista delle prestazioni e offre anche un design molto più semplice. L'assenza di ingranaggi permette di ridurre gli interventi di manutenzione, la rumorosità (20 dB in meno rispetto alla trasmissione meccanica) e di eliminare il rischio di contaminazione da olio nei prodotti. Viene inoltre migliorata la larghezza di banda della macchina, con meno fermi macchina, meno componenti da sostituire e meno varianti nella costruzione. 

Pronti per la produzione e la futura innovazione

“La macchina proof-of-concept ha dimostrato agli OEM in che misura i controlli di movimento avanzati possano migliorare l'efficienza, il ritmo produttivo e i prodotti al minuto per gli utenti finali”, dice Silvestrini. “Non sembrava possibile, ma Kollmorgen è stata in grado di procedere dai concetti iniziali e dalla lista dei desideri, fino a una proof-of-concept realizzabile adatta all'uso da parte di altri OEM del settore del confezionamento”.

Il design a modulo chiuso non necessita di molte regolazioni e calibrazioni e può essere integrato nell'impianto di confezionamento, avviando la produzione in modo quasi immediato. Il numero inferiore di materiali all'interno della macchina permettono un ingresso più rapido sul mercato e consente una maggiore flessibilità di produzione agli OEM.

Il controllo di movimento avanzato garantito dal design proof-of-concept consente agli OEM di immaginare nuove possibilità con le loro macchine confezionatrici. Con il costante aumento della domanda di beni di consumo e poiché i produttori cercano di migliorare i margini laddove possibile, le migliori prestazioni della macchina confezionatrice con doppio azionamento permettono agli OEM di fornire una soluzione agli utenti finali per soddisfare la domanda senza ridurre i margini. 

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Questo blog è il risultato della collaborazione di un team di esperti di motion & automation in Kollmorgen, tra cui ingegneri, addetti al servizio clienti ed esperti di progettazione. In qualsiasi fase del vostro progetto vi troviate, noi siamo qui per aiutarvi.

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