La precisión de llenado es uno de los muchos fundamentos de la automatización maestra para líneas de envasado y producción. La forma en que se controla el líquido, el polvo o los gránulos es fundamental para el nivel operativo, la eficacia de la producción y la rentabilidad de una instalación de producción. La omisión de especificaciones relativas a los parámetros de llenado conduce a ciclos de material que disipan los residuos de producto o dejan al fabricante expuesto a demandas judiciales. La elección de la máquina de llenado adecuada, la supervisión de las condiciones ambientales y la aplicación de un mantenimiento preventivo deben estar en consonancia para garantizar que el material dispensado cumple las especificaciones previstas y minimiza la pérdida de producto.

¿Qué es la precisión de llenado y por qué es importante?

La precisión de llenado es una medida de la proximidad entre el peso real dispensado o el volumen de llenado del producto en un envase y el peso objetivo especificado en la etiqueta del producto. En los envases industriales, esta medida se especifica de dos maneras. En medida absoluta-variable, se establece un peso objetivo de 500 gramos con una precisión de ±2g. En porcentaje relativo, se establece un volumen objetivo de 1.000 mililitros con una precisión de ±0,5%.

Los sistemas de producción mecánicos de alta velocidad hacen que los sistemas de error cero no sean posibles; las pequeñas variaciones son inevitables. El objetivo de la ingeniería es gestionar las variaciones mecánicas y de material que con toda seguridad se producirán durante el proceso de llenado, y gestionar la variación de dispensación resultante dentro de una ventana de cumplimiento y tolerancia muy pequeña para garantizar una alta calidad del producto. Ciertas medidas de gestión de riesgos y comprobaciones de control de calidad son necesarias tanto desde el punto de vista operativo como fiscal, así como desde el punto de vista del cumplimiento, para mantener la reputación de la marca y la satisfacción del cliente.

El coste oculto del sorteo de productos

Cuando un fabricante de detergente líquido vende su producto, se trata de un sobrellenado a sus máquinas de llenado de líquidos que están configuradas para dispensar una pequeña cantidad más de lo que indica la etiqueta. Este sobrellenado es una estrategia legalmente defendible para garantizar que ni una sola botella quede por debajo del peso legalmente declarado. Sin embargo, este volumen añadido se entrega al cliente gratuitamente, lo que se traduce en una pérdida operativa e infla los costes globales de producción.

El líquido se sobrellena en cada botella para evitar sanciones por llenado insuficiente, lo que supone un elevado coste para las líneas de producción de alta velocidad operativa que intentan garantizar la cantidad correcta de producto. Para una línea de detergente líquido en una planta de procesamiento químico, imaginemos un caso de sobrellenado de cada botella en exactamente 3 gramos debido a un mal rendimiento de la máquina.

Como se ha demostrado, una inexactitud menor no representa simplemente un fallo técnico, sino que se traduce directamente en $360.000 en beneficios netos perdidos cada año.

Riesgos de incumplimiento y de infrautilización

Operar en el otro extremo del espectro de varianza, el infrautilizado, conlleva importantes retos legales y de cumplimiento de la normativa. Todas las autoridades reguladoras del mundo han implantado normas estrictas en materia de pesos y medidas para evitar que los consumidores sean engañados con envases falsos. En EE.UU., estas normas han sido establecidas por el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) en el Manual 133. En la Unión Europea, es el NIST el que establece las normas. En la Unión Europea, es la Directiva sobre instrumentos de medida (MID) la que sirve de cuerpo legal.

Las directrices se basan en la variación máxima permitida (VMA). La MAV describe la cantidad de peso legalmente permitido que puede ser inferior al declarado en la etiqueta antes de convertirse en no conforme. Si las pruebas de lote revelan envases inferiores a la MAV, o el peso medio del lote probado es inferior al peso declarado, se produce una pérdida de conformidad, y la orden es inmediata. La pérdida de conformidad llama la atención de las autoridades, ya que va acompañada de importantes multas, retiradas obligatorias de productos y la incautación de las líneas de producción, lo que afecta gravemente al proceso de producción. Los productos infrallenados también circulan entre el público, lo que provoca quejas y comentarios negativos de los clientes que erosionan el mercado y la confianza en la marca. Alcanzar altos niveles de precisión es esencial para mantener la integridad del producto.

Factores clave que influyen en la precisión del llenado

El equipo no es lo único que puede ser la causa de una dispensación incoherente y de niveles de llenado inadecuados. Hay muchos factores externos y ambientales que pueden estar en juego, y solucionarlos es clave para optimizar el ajuste de la producción y garantizar la consistencia del producto.

Características del producto (viscosidad, densidad, formación de espuma)

El comportamiento de flujo de los materiales envasados se ve influido por características del material de envasado como la viscosidad y la densidad y el potencial de formación de espuma. La viscosidad es el grado en que un líquido se resiste al flujo, y responde a los cambios de temperatura. Por ejemplo, una planta de fabricación puede estar más fría en el turno de mañana, lo que hace que el líquido sea más espeso. A medida que avanza el día, el aumento de la temperatura ambiente hará que el líquido sea más fino, lo que modificará el caudal. En el caso de la tecnología volumétrica, el líquido llenará un determinado volumen, pero el peso cambiará al variar la densidad.

Los productos que contienen sólidos o partículas plantean problemas mecánicos específicos. Por ejemplo, el zumo de fruta o la salsa de pulpa y semillas requerirán un diseño de construcción de la vía de líquido. Las válvulas estándar se obstruirán o se atascarán con partículas y, como resultado, la válvula nunca se cerrará completamente, lo que provocará que la máquina dispense líquido en cantidades variables, dando lugar a llenados inconsistentes.

Los productos espumados aumentan drásticamente de volumen y presentan problemas de dispensación únicos. Por ejemplo, los líquidos muy aireados como el champú, el jabón y el detergente líquido industrial crearán volúmenes espumosos en el contenedor de líquido. Estas espumas crean niveles falsos en el contenedor de líquido, haciendo que los sensores de nivel detengan el proceso de dispensación antes de que se alcance el peso correcto, o harán que el líquido desborde los bordes del contenedor.

Condiciones ambientales (temperatura, humedad)

La construcción y la distribución del edificio influyen en la configuración de los distintos sistemas automatizados y en su capacidad para trabajar conjuntamente en distintas condiciones ambientales. La mayoría de las máquinas de llenado son neumáticas, lo que significa que dependen del suministro central de aire comprimido de la fábrica. La precisión de las válvulas dosificadoras de la máquina de llenado depende de que la presión del aire sea constante y se mantenga a un nivel determinado. Cuando otras máquinas grandes de la fábrica están en funcionamiento, pueden provocar un cambio temporal en el suministro de aire comprimido, lo que puede causar retrasos en el cierre de las válvulas neumáticas de llenado y, posteriormente, imprecisiones inmediatas en el peso de los productos que se están llenando, contribuyendo a los problemas del equipo.

Cuanto mayor sea la humedad en un espacio, más favorecerá el entorno la destrucción de los productos secos que se utilicen. En este caso, los productos en polvo son especialmente vulnerables al entorno. En condiciones de humedad elevada, los polvos pueden pegarse debido a la humedad, lo que puede cambiar la densidad aparente del polvo y afectar al flujo del material. A su vez, esto altera la relación entre peso y volumen. En este caso, los mecanismos de tornillo utilizados para dispensar los polvos secos se verán afectados negativamente, porque se dispensará una masa fundida de polvo en una cantidad diferente a la cantidad de polvo suelto que contiene la máquina.

Desgaste de la máquina

El desgaste de los equipos es un proceso lento, y a menudo imperceptible, que va provocando una lenta introducción de imprecisiones desconocidas y errores comunes. Para mantener los sistemas cerrados presurizados de los equipos automatizados, cada uno tendrá componentes diseñados para ser consumibles, que a menudo requieren piezas de repuesto. Entre ellos pueden figurar raíles guía, juntas tóricas, juntas de goma y juntas específicas.

Los ciclos mecánicos repetidos hacen que los materiales blandos se desgasten y deformen gradualmente. Una junta tórica que sólo esté ligeramente desgastada no provocará un fallo catastrófico, pero desarrollará una holgura lo suficientemente pequeña como para permitir que el aire sea aspirado en el canal de fluido o reducir la presión de vacío lo suficiente como para permitir que el fluido pase en los intervalos. Esta situación provocará una disminución de la potencia de aspiración, lo que hará que el cilindro de la bomba no aspire el volumen previsto durante el ciclo de dispensación, afectando drásticamente a la precisión del llenado.

Cómo calcular la precisión de llenado y el ROI

El paso de la observación mecánica al control estadístico de procesos dentro de un sistema de control moderno es el principal impulsor de datos para la justificación de nueva maquinaria y un control de calidad exhaustivo.

Comprender la distribución del peso del relleno

Los ingenieros de fabricación adoptan una distribución normal (curva de campana) para evaluar el rendimiento de un sistema de fabricación. La forma de la distribución es todo lo que se necesita para definir el sistema.

Una distribución amplia y plana es señal de imprecisión en la máquina. Los pesos dispensados están muy dispersos. Tendremos que desplazar la media de toda esta curva ancha hacia la derecha, lo que dará lugar a un reparto masivo de producto.

Las curvas de distribución, altas y estrechas, demuestran que los equipos de medición utilizados son muy precisos y proporcionan información en tiempo real sobre el rendimiento de la máquina. Los pesos de los envases están muy agrupados. Con una variación tan pequeña, la instalación puede acercar toda la curva al peso declarado en la etiqueta y despreocuparse de las multas por falta de llenado, eliminando el exceso de residuos.

Para encontrar la curva operativa actual (sin tener que meterse en complicados programas informáticos), realice lo siguiente en la planta de producción:

• Paso 1: Tomar 50 envases consecutivos llenos y precintados de la línea de producción activa.
• Paso 2: Utilice una báscula industrial con un alto nivel de calibración para pesar cada unidad, reste la tara del recipiente vacío y la tapa.
• Paso 3: Determine el envase más pesado y el más ligero de los 50 envases muestreados. La diferencia entre estos dos números es el valor de su verdadera dispersión de precisión.

Cuando una instalación adquiere equipos más precisos con gran exactitud de llenado, les permite obtener una curva de distribución estrecha. Esto significa que pueden fijar el peso medio objetivo en un valor inferior y seguir conservando la materia prima.

Coste total de propiedad (TCO) frente a precisión

Al evaluar la maquinaria, el coste total de propiedad debe compararse con el valor de la precisión. Con el material que se procesa, existe un punto de equilibrio que puede considerarse óptimo para él.

Si una empresa envasa productos como agua potable purificada, el valor de la materia prima es insignificante. Un error de 1% es aceptable, por lo que utilizar una máquina de llenado volumétrico de alta velocidad y bajo coste sería una elección racional. El coste de cambiar a un sistema gravimétrico superaría con creces el valor del agua ahorrada.

Por otro lado, cuando una instalación procesa materias primas de alto valor, como suero cosmético, agroquímico o farmacéutico, el coste de la materia prima es la principal preocupación. En este caso, se justifica adquirir un sistema gravimétrico que cuesta 3 veces más que un sistema volumétrico. El elevado coste del sistema volumétrico se justifica porque el valor de los materiales ahorrados amortiza rápidamente la inversión, lo que a veces se traduce en un retorno completo de la inversión en pocos meses, evitando retrasos innecesarios en la producción.

Comparación de tecnologías de llenado: ¿Cuál es la más precisa?

Lograr una tecnología de dosificación ideal implica la combinación adecuada de los principios de ingeniería de la máquina, las características físicas del producto y los objetivos económicos de la empresa.

Sistemas de llenado volumétricos frente a gravimétricos

Llenado volumétrico funcionan capturando un volumen específico de líquido en un recipiente, ya que mide el volumen de líquido en mililitros u onzas líquidas. Cada contenedor se sella para atrapar el líquido y empujarlo al contenedor. Uno de los principales pros es que tienen velocidades de funcionamiento más rápidas y costes más bajos, lo que reduce el tiempo total de llenado. Uno de los principales contras es que no responden a los cambios de densidad. Si se producen cambios en la temperatura de los envases, la densidad del producto cambiará y la máquina dispensará el mismo volumen, pero el peso será incorrecto en el envase.

Sistemas de llenado gravimétrico, también conocido como rellenos de peso netofuncionan con masa absoluta. Dispensan productos a células de carga que son sensibles y miden el peso en gramos o kilogramos. También miden el peso en tiempo real. Una vez que el flujo de material alcanza el peso designado, el sistema lo corta. El principal inconveniente es que el proceso lleva tiempo. También significa que el flujo de material se cortará y dará lugar a velocidades de funcionamiento más lentas. Además, estos sistemas de llenado tienen un precio más elevado que los demás.

Rendimiento de las bombas de pistón, de tornillo sinfín y peristálticas

El suministro de productos de distintas viscosidades y materiales requiere diferentes sistemas de bombeo. Utilizar un diseño de bomba incorrecto provocará un llenado incorrecto y costosos tiempos de inactividad.

La matriz siguiente clasifica las tres principales tecnologías de bombeo, cada uno de sus principios mecánicos y los materiales para los que están diseñadas.

Solución de problemas comunes de precisión de llenado

Cuando los parámetros de precisión se salen de los límites establecidos, ha llegado el momento de solucionar los problemas de forma sistemática. Adivinar sólo aumentará el tiempo de inactividad. Los operarios y los ingenieros de mantenimiento deben determinar lógicamente si la causa es mecánica, ambiental o está relacionada con el flujo de material.

La siguiente información sobre los problemas y errores más comunes en la cumplimentación de discrepancias y cómo resolverlos rápidamente le será de ayuda.

Buenas prácticas para mantener una precisión constante

Mantener la precisión con la ayuda de las técnicas más avanzadas a lo largo de los años es producto de la disciplina, los manuales operativos y un sistema de mantenimiento.

• Calibración periódica: La calibración de los sensores de la máquina debe realizarse diariamente. De lo contrario, la calibración y los resultados serán deficientes. Todas las instalaciones deben disponer de un conjunto de pesas obligatorias y trazables para ayudar en la calibración a cero y span completo de las células de carga y los sistemas. Cada turno y antes de los cambios de producto, los medidores deben ser puestos a cero y calibrados en span.
• Prevención Mantenimiento: Si se deja que un componente funcione hasta que falle, el coste para la producción será de pérdidas inaceptables. Esto significa que debe haber un equilibrio entre los registros de mantenimiento y el estado cíclico de la máquina. En cualquier ciclo de mantenimiento que incluya inspecciones periódicas, deben sustituirse las juntas tóricas, las juntas y los retenes en buen estado visual, y deben verificarse las conexiones eléctricas. Antes de que se produzca una fuga visible, una junta desgastada crea pequeños huecos que destruyen la precisión del vacío, la presión y el volumen.
• Formación de operadores: Durante el desmontaje y la limpieza, el potencial de error humano aumenta significativamente. Los operarios deben recibir formación sobre los criterios mecánicos específicos que intervienen en el reensamblaje. Un par de apriete incorrecto de las carcasas de las bombas, conexiones sueltas o el montaje de los componentes en la secuencia incorrecta provocan fricciones internas problemáticas o entrehierros. Para que el reensamblaje preserve la precisión de base de la máquina, debe haber un cumplimiento extremo de los procedimientos operativos estándar.

Conclusiones: Proteger sus beneficios con precisión

La forma más sencilla y fácil de gestionar para que las fábricas dejen de perder dinero es mejorar la precisión del llenado. La brecha de ingeniería entre una curva de distribución amplia y otra controlada y estrecha es una cuestión de dólares y céntimos. La aplicación de la tecnología de dosificación precisa repercute directamente en la rentabilidad de una línea de envasado, ya se trate de controlar las pérdidas en el reparto de productos o las multas por incumplimiento de normativas. La optimización de la tecnología de dosificación en función del valor del líquido o polvo sensible utilizado, como ocurre con los sinfines avanzados, permite a las instalaciones transformar su operación de envasado de un lugar de desperdicio de material a una operación altamente optimizada y eficiente.

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