La realizzazione di imballaggi sostenibili per il servizio alimentare dipende da una forte ingegneria meccanica. Il progetto trasforma l'inventario cartaceo appiattito in pratici prodotti tri-dimensionali. Lo strumento principale per questo lavoro è un file theMacchina idraulica per la formatura di lastre di carta.Il sistema utilizza idrodinamica, controllo termico e comandi automatici. Le parti lavorano insieme, quindi la produzione rimane la stessa. È importante comprendere ogni parte e cosa fa. Operatori, riparatori e acquirenti hanno bisogno di questa conoscenza. Lo usano per controllare le prestazioni della macchina o risolvere problemi. La tecnologia non sembra focalizzata sui numeri di produzione come sui materiali di vendita. Studia invece gli interni di queste macchine. Questo studio adotta regole ingegneristiche standard e norme di settore. Ogni parte ha un ruolo definito. Questi ruoli garantiscono che pressione, calore e tempi corrispondano bene. Questa combinazione produce moltissimi piatti di carta di qualità.
La centrale idraulica: cuore del sistema e generazione di pressione
La centralina idraulica (HPU) è la principale fonte di energia di qualsiasi macchina idraulica per la formatura di lastre di carta. Il dispositivo è dotato di motore elettrico, pompa idraulica, accumulatore di energia, filtro e valvole limitatrici di pressione. Sulla base dei libri di idrodinamica di base, il compito principale dell'HPU è convertire l'elettricità in energia idroelettrica. Questa energia rimane nel fluido pressurizzato [1]. La pompa sposta l'olio dal serbatoio al circuito dell'impianto. Questo flusso crea pressione quando incontra resistenza da parte del cilindro di formatura.
Le nuove HPU utilizzano pompe a cilindrata variabile anziché fisse. Le pompe variabili in base al sistema-in tempo reale devono modificare la potenza. Ciò riduce gli sprechi energetici quando la macchina è inattiva o a bassa pressione. Gli studi sull'uso dell'energia hanno dimostrato che i sistemi di conversione di frequenza possono ridurre il consumo di elettricità dal 20% al 30%. Ciò è paragonabile al vecchio sistema a flusso costante con pressatura circolare [2]. I filtri nelle HPU mantengono i fluidi puliti ai livelli ISO 4406. Ciò impedirà l'inceppamento del nucleo e l'usura della guarnizione. In caso contrario, la pressione non sarà uniforme e le parti si spezzeranno prematuramente. Senza selezionare o effettuare la manutenzione dell'HPU, nessun'altra parte del sistema funzionerà.
Valvole di controllo direzionale e regolazione del flusso
Una volta che il fluido pressurizzato lascia l'HPU, le valvole di controllo direzionale determinano la direzione e i tempi del flusso. Queste parti elettromeccaniche agiscono come il sistema nervoso di una macchina idraulica per la formatura di lastre di carta. Ricevono il segnale dal controllore logico programmabile (PLC). Quindi spostano il nucleo per inviare l'olio all'estensione del cilindro principale o alla porta di recupero. Le valvole proporzionali sono ormai una tecnologia standard. Forniscono un flusso regolabile, non solo interruttori.
Lo studio dei sistemi di controllo elettroidraulici mostra che la valvola proporzionale può rendere costante la variazione di velocità. Ciò elimina l'impatto meccanico degli interruttori delle valvole discrete [3]. Questo movimento fluido è molto importante per la formazione del piatto di carta. Se il movimento di stampa è troppo veloce o improvviso, la carta si sposterà, i bordi si formeranno in modo irregolare o il rivestimento verrà danneggiato. Le valvole di controllo del flusso, che di solito formano un blocco collettore con una valvola commutatrice, possono controllare autonomamente la velocità di allungamento e retrazione. Funziona anche se il carico cambia. Pertanto, anche se lo spessore o l'umidità della carta variano da un lotto all'altro, il percorso di stampaggio rimane lo stesso. Ciò influisce direttamente sull'uniformità del prodotto e sulla ripetibilità della circolazione.
Il cilindro di formatura principale e i kit di stampi
Il cilindro formatore è una parte che converte la pressione idraulica in forza meccanica. Questa forza modella la carta in lastre. In una tipica macchina idraulica per la formatura di lastre di carta, questo è un cilindro a doppia-azione. Le sue dimensioni di perforazione sono impostate per produrre un tonnellaggio sufficiente alla massima pressione di esercizio del sistema. I calcoli ingegneristici relativi allo stampaggio della pasta mostrano che una buona pressione di formatura deve superare due problemi. Uno è il rimbalzo elastico delle fibre compresse. Un altro è la viscosità dei rivestimenti termoplastici quando riscaldati [4].
Il gruppo matrice si trova all'estremità dello stelo del cilindro. Abbinava gli stampi superiore e inferiore. Di solito sono realizzati in alluminio o acciaio e hanno canali di riscaldamento all'interno. Il design dello stampo imposta le dimensioni della piastra, lo stile del bordo e l'impilamento delle piastre come se fossero uno solo. La lavorazione di precisione dei perni di allineamento e delle boccole di guida mantiene il seminucleo-della matrice. In questo modo si evitano spessori irregolari delle pareti e l'assottigliamento dei pannelli. Il flusso di calore del materiale dello stampo influisce direttamente sul tempo del ciclo. Gli stampi in alluminio si riscaldano più velocemente degli stampi in acciaio. Ma l’alluminio si consuma più velocemente. Pertanto, gli ingegneri devono scegliere tra requisiti di output e tipi di carta. La giunzione del cilindro e dello stampo è la confluenza di tutto il lavoro idraulico e di controllo a monte. È lì che viene realizzato il vero prodotto.
Sistemi di riscaldamento e componenti per la gestione termica
Lo stampaggio di lastre di carta è un processo di termoformatura. Quindi ha bisogno di un controllo preciso della temperatura. Gli elementi riscaldanti si trovano nella cavità dello stampo. Attivano il materiale di rivestimento e fissano la struttura della fibra mediante riscaldamento controllato. I tipi più comuni sono gli elementi riscaldanti capacitivi o tubolari. Le loro dimensioni sono determinate in base alla densità di potenza. Questi requisiti derivano dalla qualità dello stampo e dalla temperatura target.
I termoregolatori utilizzano algoritmi PID. I controller hanno cambiato la potenza del riscaldatore. Mantengono il setpoint entro + -2 gradi. Gli studi sul trattamento termico dei materiali cellulosici mostrano che la temperatura della superficie dello stampo è più importante della temperatura effettiva. In alcune aree, i punti caldi bruciano attraverso il rivestimento. I punti freddi in altre aree possono causare scarsa tenuta e separazione tra gli strati [5]. Le termocoppie si trovano in diverse regioni. Inviano feedback al controller. Ciò consente a ciascuna area dello stampo di adattarsi. I circuiti di raffreddamento, talvolta installati negli stessi moduli, assorbono rapidamente il calore dopo la formazione. Ciò stabilizza la forma della piastra prima dell'espulsione. Il sistema di gestione termica funziona in tandem con il sistema idraulico. Le sue prestazioni sono impostate per ciclare come
il più velocemente possibile. Non importa quanto sia buona l'idraulica.
Sistema di controllo elettrico e interblocchi di sicurezza
Il controller logico programmabile (PLC) e le interfacce uomo-macchina (HMI) sono il cervello delle macchine continue idrauliche. Il PLC funziona secondo una logica passo-passo-. Questa logica controlla le azioni delle valvole, i cambi del riscaldatore, i controlli dei sensori e il rilevamento dei guasti. I controller moderni memorizzano molte impostazioni del prodotto. Di conseguenza, gli operatori possono richiamare i parametri migliori in base alle diverse dimensioni e materiali della piastra. Non è necessario impostare di nuovo tutto manualmente.
I componenti di sicurezza sono una parte indispensabile del sistema di controllo. Le barriere fotoelettriche, i-pulsanti a due mani, i circuiti di arresto di emergenza e i blocchi meccanici per le protezioni seguono le norme di sicurezza ISO 13849. Queste norme proteggono le persone dai pericoli della compressione e del calore [6]. I relè di livello di sicurezza controllano gli interruttori di posizione della protezione. Se la barriera protettiva si aprisse durante un movimento pericoloso, fermerebbe la pompa idraulica. I sensori di pressione e gli encoder di posizione inviano feedback al PLC. Ciò consente il controllo adattivo. Il sistema può essere regolato in base all'usura, ai cambiamenti di spessore del fluido o alle differenze di materiale. Questa combinazione di sicurezza e controllo del processo consente alla macchina di funzionare entro limiti prestabiliti. Protegge inoltre i lavoratori dall'intensa pressione e dal calore della formatura idraulica.
Conclusione
Una macchina idraulica per la formatura di lastre di carta, un sistema completo. Le prestazioni di ciascuna parte influiscono direttamente sulle prestazioni generali. L'idraulica fornisce la potenza necessaria. Le valvole direzionali e proporzionali controllano il movimento preciso. Il tamburo di formatura e il gruppo stampo vengono formati fisicamente. I sistemi termici gestiscono la risposta del materiale al calore. Il sistema di controllo elettrico gestisce tutte le funzioni per garantire la sicurezza dell'operatore. Comprendere queste parti e il modo in cui dipendono l’una dall’altra può aiutare le persone a fare le scelte giuste. Queste opzioni includono la selezione delle apparecchiature, le priorità di manutenzione e il miglioramento dei processi. Mentre il settore si muove verso una produzione più sostenibile ed efficiente, una migliore progettazione di questi componenti principali determinerà quali produttori saranno in grado di soddisfare le nuove richieste del mercato con una produzione stabile e di alta-qualità. La conoscenza tecnica in questi settori rimane la base della forza competitiva per la produzione di imballaggi usa e getta.
Riferimenti
[1] Manring, N. e Johnson, R. (2021).Sistemi di controllo idraulico: teoria e pratica. Stampa accademica Wiley. Materiale didattico completo che copre la progettazione di centraline idrauliche, la selezione della pompa e i principi di base della struttura del circuito per applicazioni su presse industriali.
[2] Ivantysynova, M., & Weber, J. (2022). "Migliorare l'efficienza del sistema idraulico attraverso la tecnologia a cilindrata variabile."Giornale internazionale di potenza fluida, 23(1), 45-62. In questo articolo, il risparmio energetico dei sistemi di pompaggio adattativi è studiato quantitativamente.
[3] Jelali, M. e Saha, B. (2023).Tecnologia servo elettroidraulica e valvola proporzionale. Pubblicazioni di ingegneria Springer. Materiali di riferimento accademico per la dinamica delle valvole proporzionali, le caratteristiche di risposta e le capacità di profilazione del movimento per applicazioni di formatura di precisione.
[4] TAPPI (2022). "Requisiti meccanici e termici per imballaggi in fibra termoformata."Documenti tecnici della rivista TAPPI, 21(9), 78-89. Pubblicazione dell'Associazione Tecnica che documenta i parametri di pressione e temperatura necessari per un'efficace compressione delle fibre di cellulosa e l'attivazione del rivestimento.
[5] Didone, M. e Dumon, J. (2021). Uniformità del trasferimento di calore nello stampaggio della pasta: strategie di misurazione e ottimizzazione.Ingegneria Termica Applicata, 117452. È stata studiata l'influenza del gradiente termico sulla qualità del prodotto e sul tempo di ciclo durante il processo di stampaggio.
[6] Organizzazione internazionale per la standardizzazione (2023).ISO 13849-1:2023 Componenti relativi alla sicurezza meccanica dei sistemi di controllo. Norma tecnica ISO. Standard di sicurezza internazionali che definiscono i requisiti del livello di prestazione per l'affidabilità dei dispositivi di protezione e dei sistemi di controllo nelle presse idrauliche.