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Expandindo os limites de máquinas empacotadoras com fluxo horizontal de alta velocidade

cross sealing machine

Usar uma configuração convencional de estilo do redutor e do motor único na máquina empacotadora de fluxo pode ser o motivo pelo qual você não está obtendo a flexibilidade e o desempenho necessários para acompanhar a demanda. Conforme a demanda por itens embalados continua a crescer (uma oportunidade de crescimento de US$ 58 bilhões, de acordo com a NielsenIQ) e os consumidores mudam para hábitos de compra on-line, muitos fabricantes estão com dificuldades com as margens historicamente pequenas e a menor lucratividade do comércio eletrônico em comparação às suas contrapartes físicas. Porém, para aumentar as margens (e os lucros), os fabricantes estão buscando sortimentos específicos do canal, como diferentes tamanhos de pacote, fardos e embalagens, para reduzir o conflito do canal e aumentar as margens. 

A máquina ideal dos sonhos do OEM de embalagens

Um líder de mercado em desenvolvimento, produção e marketing de prensas de malha média e estreita para a produção em linha de rótulos, caixas dobráveis e produtos de papelão estava buscando um meio de acompanhar as necessidades de produção dos usuários finais. As máquinas atuais do OEM estavam sofrendo limitações físicas relacionadas à eficiência, à flexibilidade e à taxa de transferência e queria explorar opções para melhorar os próprios processos.  

As máquinas empacotadoras de fluxo atuais do OEM usam uma combinação de calor, tempo e pressão para criar um selo com um conjunto de barras de aquecimento de selo de crimpagem, tipicamente para salgadinhos, biscoitos e doces. As barras fazem uma contrarrotação de 360 graus e se encontram no meio para fundir uma camada de plástico que une as duas camadas de filme. É um processo altamente repetível que exige que a máquina faça os mesmos selos e cortes rápidos a cada vez, centenas de vezes por minuto.

Porém, para ir além da oferta atual, o OEM tinha uma lista de desejos que, se realizados, o ajudaria a atingir suas metas de desempenho: 

  • tolerância de menos de 15 minutos angulares entre as duas barras do aquecedor. Qualquer valor acima desse levaria a uma selagem incorreta ou falhas do sistema. 
  • Aceleração e desaceleração rápidas que permitiriam à máquina rapidamente mudar para comprimentos de empacotamento diferentes. 
  • Uma distância de 80 mm (preferencialmente, 60 mm) e 150 mm entre os dois eixos de selo cruzado para acomodar empacotamentos de tamanhos diferentes.
  • Desvio do eixo superior de no máximo 8 mm para evitar danos em caso de colisão do produto e do cilindro.
  • Pouca ou nenhuma manutenção do sistema de drive. 

Avaliação das limitações da máquina atual

Uma equipe da Kollmorgen liderada por Fabio Silvestrini, Gerente de Tecnologia na Kollmorgen Itália, começou com uma análise aprofundada da máquina atual do OEM. "Quando fomos encarregados do desafio de tentar aumentar o desempenho e a eficiência, encontramos um problema evidente", explicou ele. "O desperdício de energia e o controle ruim de um único motor com um sistema de transmissão mecânico."

Em um sistema redutor tradicional, um motor aciona o redutor, que move polias ou engrenagens conectadas a eixos cardânicos do acionador que se conectam às barras de aquecimento usadas para selar a embalagem. Essa abordagem tem várias limitações e desafios:

  • os crimpadores não conseguem se mover de modo independente e precisam ser calibrados para alinhamento rígido, sendo que a ausência de controle de feedback permite que um eixo fique 15 minutos angulares fora do alinhamento.
  • Ter mais peças móveis significa ter mais peças para manter, fixar e substituir, deixando a máquina fora de operação por alguns dias. As peças também são ruidosas e exigem lubrificação constante, o que gera sujeira e é problemático para áreas de empacotamento de alimentos. O redutor e as polias podem ter folgas, o que pode danificar a máquina.
  • A transmissão mecânica move mais massa geral no sistema, limitando a aceleração e a desaceleração e reduzindo a quantidade de produto que pode ser passado.

Criação da prova de conceito

A conversa da Kollmorgen com o OEM sobre a eficiência de produção levou a uma pergunta: e se o motor único em uma máquina empacotadora fosse substituído por dois motores Direct-Drive conectados a cada cilindro? Substituir o redutor atual por dois motores DDR (Direct-Drive rotacionais) melhoraria muito o desempenho ao permitir que cada barra de aquecimento fosse controlada de modo independente da outra, possibilitando uma produção mais rápida com uma selagem mais precisa e exata.

Kollmorgen Cartridge DDR®

"Sabíamos que queríamos algo que pudesse ser facilmente integrado a uma linha de produção atual do OEM", afirmou Silvestrini. "Começamos criando um módulo fechado que podia ser facilmente integrado." Diferente de um servomotor que aciona o redutor, o motor DDR é acoplado diretamente à carga, eliminando a necessidade do redutor, das engrenagens e das polias. Por exemplo, um redutor típico poderia ter uma folga de 1 arco-minuto. O motor DDR da Kollmorgen tem uma repetibilidade superior a 1 arco-segundo. Isso representa um controle de retenção 60 vezes melhor que um redutor convencional.

A equipe também decidiu usar o AKD PMMM da Kollmorgen, um servodriver e motor combinados, para controlar o movimento do motor. Isso permitiu a cada barra do aquecedor se movesse à própria velocidade e, com um circuito de feedback integrado, se ajustasse para considerar desvio ou movimento durante a produção.

Prova do conceito

Depois de criar a máquina de prova de conceito, a Kollmorgen a submeteu a vários testes de desempenho. Usar os dois motores DDR acoplados com o controlador aumentou a precisão do sistema: o desalinhamento entre os dois aquecedores é mais preciso, o comprimento de alimentação ou corte pode ser mantido com mais exatidão e o controle de posição angular é mais exato. Essa precisão levou a vários ganhos de desempenho:

  • em comparação a um servomotor típico, os motores DDR são dez vezes mais precisos, reduzindo o limite atual de 32 arco-minutos para 3,2 arco-minutos, aumentando a vida útil dos aquecedores. 
  • A velocidade geral da máquina aumentou 1,6 vez devido aos ciclos de início e parada mais rápidos, passando de 640 ppm para 1.030 ppm para comprimentos de pacote de 115 mm. 
  • A produtividade aumentou em 50%, passando de 400 ppm para 595 ppm para comprimentos de pacote de 200 mm, estendendo-se para comprimentos de pacote de 270 mm quando as limitações físicas dos mecanismos de selagem impediam ganhos adicionais. 

A máquina podia produzir pacotes 2,3 vezes menores à mesma velocidade, passando de comprimentos de pacote de 115 mm para 50 mm a 640 ppm.

A máquina de prova de conceito de drive duplo não apenas levou a vantagens de desempenho, como também a um design muito mais simples. A ausência de engrenagens resultou em menos manutenção geral, menos ruído (redução de 20 dB em comparação à transmissão mecânica) e impossibilidade de contaminação por óleo no produto. Isso aprimorou a frequência de acomodação da máquina com menos tempo de inatividade, menos peças a serem trocadas e menos variantes de construção. 

Pronto para a inovação de produção e futura

"A máquina de prova de conceito demonstrou ao OEM como controles de motion avançados podem melhorar a eficiência, a taxa de transferência e o número de produtos por minuto para os usuários finais", afirmou Silvestrini. "Era algo que não parecia possível, mas a Kollmorgen conseguiu realizar dos conceitos e lista de desejos iniciais até uma prova de conceito funcional que pôde ser adotada para uso por outros OEMs de empacotamento."

O design de módulo fechado não exige muito ajuste e calibração, permitindo que ele seja integrado a um sistema de empacotamento e colocado em produção de modo quase imediato. Com menos materiais entrando na máquina, eles podem ser produzidos para o mercado mais rapidamente para aumentar a flexibilidade de produção do OEM.

O controle de motion avançado oferecido pelo design de prova de conceito pode permitir aos OEMs reimaginar o que é possível com suas máquinas empacotadoras de fluxo. Conforme a demanda por bens de consumo continua a aumentar e os fabricantes buscam melhorar as margens sempre que possível, e desempenho aprimorado da máquina empacotadora de fluxo de drive duplo pode permitir aos OEMs oferecer aos usuários finais uma solução para atender a demanda e, ao mesmo tempo, manter a margem. 

Sobre o Autor

Especialistas Kollmorgen

Kollmorgen Experts

Esse blog foi um esforço colaborativo do time de motion e dos experts em automação na Kollmorgen, incluindo especialistas da engenharia, atendimento ao cliente e de desenvolvimento de projetos. Sempre que você começar um projeto, estamos aqui para ajudá-lo.

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