Pour le consommateur ordinaire, une boîte de conserve n'est qu'un récipient destiné à la conservation des aliments. C'est un produit qu'il jette sans réfléchir, contribuant souvent aux déchets solides municipaux. Mais pour les ingénieurs en emballage, les directeurs d'usine et les responsables des achats, la réponse à la question "de quoi sont faites les boîtes de conserve" n'est pas une question futile. Il s'agit d'une spécification très importante qui détermine toute l'architecture d'une chaîne de production.

Les propriétés mécaniques d'une boîte, sa réponse aux contraintes thermiques et sa compatibilité avec les équipements de remplissage et de fermeture dépendent toutes de la composition du matériau de la boîte. Une ligne de production calibrée pour accepter de l'acier étamé deviendra incontrôlable si elle est remplacée par des boîtes en aluminium sans aucune modification. De même, le passage des joints soudés aux corps sans soudure nécessite une refonte radicale des procédures de manutention et de stérilisation en aval.

Ce guide va au-delà des définitions superficielles. Nous allons étudier la métallurgie de la mise en conserve moderne, mais plus précisément, nous allons étudier comment ces boîtes métalliques répondent aux contraintes physiques de l'emballage industriel.

La réalité moderne : De quoi les boîtes de conserve sont-elles vraiment faites ?

L'appellation erronée de boîte de conserve est une erreur historique qui existe depuis le début du XIXe siècle. Lorsque vous examinez une boîte de conserve dans le monde moderne, vous découvrez qu'elle contient très peu d'étain. Dans la plupart des cas, le poids de l'étain représente moins de 1 % du poids total du récipient. Il ne s'agit que d'une couche d'étain très fine destinée à empêcher la rouille.

Dans l'industrie moderne de l'emballage, nous classons les conteneurs métalliques en trois catégories de matériaux. La première étape dans le choix de la bonne machine pour votre ligne est de comprendre la différence entre ces trois matériaux.

• TPS (acier étamé)

Il s'agit du critère conventionnel des aliments transformés. Elle est constituée d'une feuille d'acier, recouverte des deux côtés d'une fine couche d'étain. L'acier offre une résistance à la traction et une intégrité structurelle pour soutenir la forme de la boîte. L'étain offre une résistance à la corrosion et, surtout, un pouvoir lubrifiant.

En termes de fabrication, le TPS reste le produit phare en raison de sa soudabilité et de son aptitude au soudage. La couche d'étain permet un soudage par résistance électrique à grande vitesse, ce qui permet de fabriquer des boîtes en trois parties en peu de temps.

• TFS (acier sans étain) / ECCS (acier revêtu de chrome électrolytique)

Le TFS a été créé comme un substitut économique au fer-blanc. Le substrat d'acier est recouvert d'une couche microscopique de chrome et d'oxyde de chrome à la place de l'étain.

Bien que le TFS ait une bonne adhérence à la peinture et une bonne résistance à la corrosion, il n'est pas aussi lubrifiant que l'étain. En outre, le gestionnaire de l'équipement, TFS, ne peut pas être soudé de manière conventionnelle. La couche de chrome sert d'isolant. Par conséquent, lorsque votre ligne de production utilise des boîtes en TFS, le processus de fabrication des boîtes doit être basé sur le collage (avec des adhésifs en nylon) ou sur des technologies spéciales de soudage au laser. Vous ne pouvez pas remplacer le TPS par le TFS sans vérifier la compatibilité de votre équipement de sertissage latéral.

• Alliages d'aluminium

L'aluminium n'est pas couramment utilisé dans les aliments transformés qui doivent être cuits à haute température, mais c'est la norme dans l'industrie des boîtes de boisson. Ces canettes ne sont pas en aluminium pur - extrait du minerai de bauxite - mais en alliage, généralement de la série 3000 (manganèse) pour le corps et de la série 5000 (magnésium) pour le couvercle. Ces éléments d'alliage rendent le métal plus dur et plus résistant, et il peut être étiré en formes métalliques très fines sans se déchirer.

Pour le gestionnaire de l'installation, la distinction entre les matériaux est binaire : Acier (magnétique) et Aluminium (non magnétique). Il s'agit d'une caractéristique physique de base qui détermine la conception de tous les convoyeurs, laveurs et ascenseurs de votre établissement.

Conception structurelle : construction en 3 parties ou en 2 parties

La conception structurelle du conteneur est le résultat direct du choix du matériau. L'industrie divise les structures des conteneurs en deux catégories principales : 3 pièces et 2 pièces. Il ne s'agit pas d'une simple différence esthétique, mais d'une différence qui détermine les limites mécaniques de l'emballage.

Boîtes en acier en 3 parties : Joints soudés pour la chaleur élevée

Le cheval de bataille de l'industrie des conserves est la boîte de conserve 3 pièces. Comme son nom l'indique, elle se compose de trois parties distinctes : un corps rectangulaire, une extrémité supérieure (couvercle) et une extrémité inférieure.

Le processus de fabrication consiste à rouler l'ébauche d'acier plat en un cylindre. Les bords sont ensuite collés. Cette opération était traditionnellement réalisée à l'aide de soudure au plomb, mais cette méthode a été progressivement abandonnée en raison des réglementations en matière de santé. Dans les lignes modernes, le soudage par résistance électrique est utilisé pour former un joint latéral qui est, en fait, plus résistant que le reste du métal.

La rigidité est le principal avantage de la structure en acier en trois parties. La combinaison du substrat en acier, du joint soudé et des bourrelets de renforcement (stries) roulés dans le corps de la boîte forme une structure capable de résister à des différences de pression extrêmes.

Les procédés d'autoclave (stérilisation) ne peuvent pas faire de compromis sur cette rigidité. Une boîte de thon ou de soupe scellée est placée dans une chambre d'autoclave où elle est exposée à des températures supérieures à 121 °C (250 °F). La boîte est stérilisée puis refroidie rapidement. Ce processus de refroidissement laisse un vide dans la boîte. Un récipient flexible s'effondrerait sous l'effet de cette pression négative. La boîte en acier en trois parties ne perd pas sa forme et conserve son étanchéité. Ainsi, lorsque votre produit doit être scellé sous vide ou stérilisé à des températures élevées, la structure en acier en trois parties est probablement la seule option qui s'offre à vous.

Canettes en aluminium 2 pièces : Corps sans soudure pour la carbonatation

Le marché des boissons peut être dominé par les canettes en aluminium en deux parties. Elles sont constituées d'une seule pièce de métal, qui forme le corps et le fond, et d'un couvercle qui est ajouté par la suite.

Ce bâtiment est construit selon un procédé connu sous le nom de dessin et repassage des murs (DWI). Une coupelle est perforée à l'aide d'une bobine de métal, puis étirée et repassée pour former un cylindre haut et fin. Il n'y a pas de joint latéral ni de joint inférieur, ce qui minimise les risques de fuite.

Bien que la structure en deux parties soit élégante, ses propriétés mécaniques sont totalement différentes de celles de la boîte en trois parties. Les parois des boîtes en aluminium sont extrêmement fines - elles sont généralement inférieures à 0,1 mm.

Ce bâtiment est une structure à pression interne. Sous l'effet de la pression du gaz, les parois minces deviennent rigides et résistantes (comme un pneu gonflé) lorsqu'elles sont remplies de boissons gazeuses. C'est la configuration par défaut des sodas et des bières. La faiblesse est cependant apparente : la canette est structurellement faible sans pression interne. Même les canettes vides sont susceptibles d'être endommagées. Elle n'est pas en mesure de résister à la pression négative de l'emballage sous vide ou du refroidissement par autoclave et s'effondre. Si vous utilisez des canettes en aluminium 2 pièces pour servir des boissons non gazeuses (comme du thé ou du jus), vous aurez besoin de systèmes de support auxiliaires pour garantir l'intégrité structurelle de votre ligne de production.

Revêtements internes : Revêtements polymères et sécurité alimentaire

Nous avons parlé du substrat métallique ; cependant, dans 90 % des cas, le produit alimentaire n'entre pas réellement en contact avec le métal. Lorsque l'acier est en contact avec des aliments acides, il se corrode. Lorsqu'il entre en contact avec l'aluminium, il peut modifier le profil de saveur.

Pour remédier à ce problème, les boîtes de conserve contemporaines sont basées sur des finitions organiques internes. Il s'agit de revêtements polymères pulvérisés dans le corps de la boîte et séchés au cours du processus de fabrication.

Au cours des décennies, le revêtement époxy-phénolique était la norme dans l'industrie en raison de sa durabilité et de sa résistance chimique. Néanmoins, la pression réglementaire et la demande des consommateurs entraînent une énorme transition vers le revêtement BPA-Non-Intent (BPANI), qui évite le BPA (bisphénol A), y compris les revêtements à base de polyester ou d'acrylique.

La ligne d'emballage a été mise à l'épreuve physiquement par ce changement chimique. Les revêtements BPANI sont généralement moins adhésifs ou plus fragiles que leurs prédécesseurs époxy. Ils ont tendance à se microfissurer lorsqu'ils sont exposés à des contraintes mécaniques.

C'est pourquoi la précision de vos buses de remplissage est très importante. La buse de remplissage est insérée dans la boîte pour pulvériser le produit dans une ligne à grande vitesse. Lorsque la buse érafle la paroi de la boîte en raison des vibrations de la machine, elle endommage le revêtement interne. Une rayure invisible à l'œil nu expose le métal nu du produit. Cela provoque de la rouille, un gonflement ou une détérioration après des semaines de stockage. Ainsi, la conversion aux boîtes sans BPA peut nécessiter un recalibrage du centrage et de la stabilité de la tête de remplissage afin d'obtenir une opération sans contact.

Résistance mécanique : Pourquoi l'acier domine la conservation des aliments

La solidité est un terme imprécis lorsqu'il s'agit de choisir les matériaux d'emballage. Rigidité et résistance au vide sont les deux termes auxquels nous nous référons dans le contexte de la mise en conserve.

Pourquoi l'acier est-il le matériau le plus courant dans les aliments conservés tels que les légumes, les viandes et les aliments prêts à consommer ? Ce n'est pas seulement une question de coutume, c'est aussi une question de physique.

Pour maintenir les aliments à faible teneur en acide, il est nécessaire d'éliminer l'oxygène afin d'éviter l'oxydation et le développement de bactéries aérobies. Pour ce faire, il faut Scellage sous vide. Au cours de ce processus, l'air est retiré de l'espace de tête de la boîte juste avant que le couvercle ne soit scellé. Par ailleurs, lors des processus de remplissage à chaud, le produit est rempli à chaud et, lorsqu'il refroidit, le gaz de l'espace de tête se contracte, laissant un vide.

Ce vide exerce une forte force vers l'intérieur sur les parois de la boîte. L'atmosphère s'efforce constamment d'écraser le récipient.

Le module d'Young (rigidité) de l'acier est élevé. Il est capable de résister à cette force d'écrasement vers l'intérieur sans déformation. Cela permet aux fabricants d'effectuer des cycles de vide vigoureux pour obtenir une durée de conservation maximale. Si un fabricant essayait d'utiliser le même procédé avec une boîte en aluminium ordinaire, le récipient s'effondrerait et détruirait l'esthétique, voire le joint d'étanchéité.

En outre, la dynamique de la pression est violente au cours du processus d'autoclave. La boîte est chauffée, ce qui entraîne une expansion interne, puis refroidie, ce qui entraîne une contraction rapide. La rigidité de l'acier sert d'amortisseur à ces variations de pression. Le transformateur peut ainsi se concentrer sur les paramètres de sécurité alimentaire (durée et température) sans se soucier en permanence de la défaillance des récipients. Pour les produits de grande valeur tels que les préparations pour nourrissons ou les viandes de haute qualité, l'acier est le seul matériau qui offre la marge de sécurité requise.

Malléabilité : comment l'aluminium permet de fabriquer des boissons légères

Si l'acier est si solide, pourquoi toute l'industrie des boissons est-elle passée à l'aluminium ? La réponse réside dans la malléabilité et la logistique.

L'aluminium est beaucoup plus souple et ductile que l'acier. Cette plasticité lui permet de s'insérer dans des parois très fines sans se briser. Une canette de boisson contemporaine en aluminium est une merveille d'ingénierie légère - elle est fabriquée avec le moins de matériau possible pour contenir le liquide. Cela se traduit par des économies considérables en termes de frais d'expédition et d'utilisation de matières premières.

Néanmoins, cette flexibilité pose un problème dans la chaîne de production. Une canette d'aluminium est si tendre qu'elle peut être écrasée par une simple pression de la main, ce qui risque de transformer un produit de valeur en ferraille. Cependant, ces canettes sont emballées dans des palettes qui doivent supporter des milliers de livres de poids lorsqu'elles sont empilées et transportées.

Comment résoudre ce paradoxe ? En utilisant Dosage de l'azote liquide.

Comme le matériau n'est pas assez rigide pour supporter le poids par lui-même (en particulier pour les boissons non gazeuses), la ligne d'emballage doit assurer artificiellement l'intégrité structurelle. Une très fine goutte d'azote liquide est ajoutée à la boisson juste avant qu'elle ne soit scellée. L'azote s'évapore immédiatement et son volume est multiplié par 700.

Cette croissance soumet la canette à des contraintes internes. Elle transforme la coque d'aluminium souple et flexible en un cylindre dur et pressurisé. Cette pression interne permet de surmonter le manque de résistance du matériau.

Pour l'acheteur d'équipement, il s'agit d'une ligne directrice très simple : Lorsque vous utilisez des bidons d'eau, de jus ou de café en aluminium, un doseur d'azote n'est pas un accessoire ; c'est un élément essentiel de votre système d'intégrité structurelle. Sans lui, vos canettes soi-disant malléables tomberont sous leur propre poids de distribution.

Résistance à la corrosion : Le rôle des couches d'étain et de chrome

Nous devons faire le tour de l'étain dans la boîte de conserve. Pourquoi alors continuer à utiliser l'étain ou le chromage alors que nous disposons d'un revêtement interne en polymère ?

La solution est la redondance et la protection électrochimique.

Les revêtements internes peuvent être défectueux. Ils peuvent contenir des trous microscopiques ou être endommagés au cours du processus de soudure. Sans barrière métallique, la nature acide des aliments (comme le concentré de tomates ou le jus d'ananas) attaquerait instantanément la base en acier. La rouille (oxyde de fer) se formerait et contaminerait les aliments, ce qui pourrait entraîner le gonflement et l'éclatement de la boîte.

L'étain agit comme une barrière. Dans certaines conditions acides, l'étain est sacrifié à l'acier. En d'autres termes, il se corrode progressivement pour défendre l'acier qui se trouve en dessous. Le chrome (dans le TFS) offre une barrière d'oxyde passive qui est chimiquement inerte.

Ces couches protectrices sont très fines. En fait, elles sont parfois de l'ordre du micron. Les équipements de remplissage et de scellage sont donc très sollicités.

Si un buse de remplissage Si le produit s'égoutte sur la collerette (le rebord) de la boîte, il peut emprisonner des aliments dans le joint. Lorsque le mandrin de sertissage (l'outil qui maintient le couvercle) est trop agressif, il peut fissurer le revêtement du bord de la boîte. Lorsque ce placage est violé, la "résistance à la corrosion" est perdue.

Ceci est particulièrement important dans les lignes d'emballage à haute teneur en acide. L'équipement utilisé doit être très délicat avec les boîtes. Les pièces de contact doivent être en matériau non abrasif ou en acier inoxydable trempé avec des finitions polies pour éviter les micro-abrasions sur le revêtement protecteur de la boîte. Une machine qui fonctionne mal n'entraînera peut-être pas de défaillance immédiate, mais elle se traduira par une augmentation du nombre de fuites et de détériorations plusieurs semaines après que le produit a quitté l'usine.

Conclusion : Adapter la production aux spécifications des matériaux

La question de savoir de quoi sont faites les boîtes de conserve est en fait une question de physique. Qu'il s'agisse de la dureté de l'acier TPS, de la fragilité de l'aluminium ou des besoins particuliers de collage des TFS, chaque matériau impose un certain nombre de règles à votre chaîne de production. Le non-respect de ces règles entraîne la destruction des boîtes, l'endommagement des joints et le gaspillage du produit.

Pour réussir dans le domaine de l'emballage, il faut aligner les capacités de votre équipement sur les spécifications de vos matériaux. C'est là que les Levapack se distingue. Avec plus de 18 ans d'expérience en ingénierie et une présence dans plus de 100 pays, nous ne nous contentons pas de vendre des machines ; nous fournissons des solutions sur mesure pour une manipulation précise des matériaux. Que vous ayez besoin d'une sertisseuse sous vide pour les boîtes en acier rigides, d'une ligne de dosage d'azote pour l'aluminium léger ou d'une remplisseuse de haute précision pour les poudres et les granulés sensibles, notre installation de 4 000 m² et notre équipe d'assemblage experte vous fournissent un équipement qui respecte la métallurgie de votre emballage. Nous veillons à ce que votre ligne fonctionne avec la précision exigée par vos matériaux.