L'accuratezza del riempimento è uno dei tanti fondamenti dell'automazione master per le linee di confezionamento e produzione. Il modo in cui vengono controllati liquidi, polveri o granuli è fondamentale per il livello operativo, l'efficienza produttiva e la redditività di un impianto di produzione. La mancanza di specifiche relative ai parametri di riempimento porta a cicli di materiale che disperdono gli scarti di prodotto o lasciano il produttore esposto a cause legali. La scelta della giusta macchina di riempimento, il monitoraggio delle condizioni ambientali e l'implementazione della manutenzione preventiva devono essere allineati per garantire che il materiale erogato corrisponda alle specifiche previste e riduca al minimo la perdita di prodotto.

Che cos'è la precisione di riempimento e perché è importante?

L'accuratezza di riempimento è la misura di quanto il peso effettivo erogato o il volume di riempimento del prodotto in un contenitore sia vicino al peso target specificato sull'etichetta del prodotto. Nell'imballaggio industriale, questa misura è specificata in due modi. In misura assoluta, viene indicato un peso target di 500 grammi con una precisione di ±2g. In percentuale relativa, un volume target di 1000 millilitri viene emesso con una precisione di ±0,5%.

I sistemi di produzione meccanici ad alta velocità non consentono di ottenere sistemi a zero errori; piccole variazioni sono inevitabili. L'ingegneria mira a gestire le variazioni meccaniche e di materiale che sicuramente si verificheranno durante il processo di riempimento e a gestire le variazioni di erogazione che ne derivano entro una finestra di conformità e tolleranza molto ridotta per garantire un'elevata qualità del prodotto. Alcune misure di gestione del rischio e controlli di qualità sono necessari sia dal punto di vista operativo e fiscale, sia da quello della conformità, per mantenere la reputazione del marchio e la soddisfazione dei clienti.

Il costo nascosto del giveaway dei prodotti

Quando un produttore di detersivi liquidi vende il proprio prodotto, lo fa con un sovrappieno alle proprie macchine riempitrici di liquidi, che sono impostate per erogare una piccola quantità in più rispetto a quanto dichiarato sull'etichetta. Questo sovrappieno è una strategia legalmente difendibile per garantire che nessun flacone scenda al di sotto del peso legalmente dichiarato. Tuttavia, questo volume aggiunto viene dato al cliente gratuitamente, il che si traduce in una perdita operativa e gonfia i costi di produzione complessivi.

Il liquido viene riempito in eccesso per ogni flacone per evitare penalizzazioni in caso di sotto-riempimento, che comportano costi elevati per le linee di produzione ad alta velocità operativa che cercano di garantire la corretta quantità di prodotto. Per una linea di detersivi liquidi in un impianto di trasformazione chimica, immaginiamo che ogni flacone venga riempito in eccesso di 3 grammi esatti a causa delle scarse prestazioni della macchina.

Come dimostrato, una piccola imprecisione non rappresenta semplicemente un difetto tecnico, ma si traduce direttamente in $360.000 di mancato profitto netto ogni anno.

Rischi di conformità e di sotto-riempimento

Operare all'altro estremo dello spettro della varianza, il sotto-riempimento, comporta notevoli sfide legali e di conformità. Tutte le autorità di regolamentazione del mondo hanno implementato rigorosi standard normativi in materia di pesi e misure per evitare che i consumatori siano ingannati da confezioni false. Negli Stati Uniti, queste norme sono state stabilite dal National Institute of Standards and Technology (NIST) nel Manuale 133. Nell'Unione Europea, invece, le norme sono state stabilite dal National Institute of Standards and Technology (NIST). Nell'Unione Europea è la Direttiva sugli Strumenti di Misura (MID) a fungere da corpo normativo.

Le linee guida qui riportate si basano sulla variazione massima consentita (MAV). La MAV descrive la quantità di peso legalmente consentita che può essere inferiore a quella dichiarata in etichetta prima di diventare non conforme. Se i test sui lotti rivelano la presenza di contenitori inferiori al MAV, o se il peso medio del lotto testato è inferiore al peso dichiarato, si verifica una perdita di conformità e il mandato è immediato. La perdita di conformità richiama l'attenzione delle autorità, in quanto è accompagnata da multe significative, richiami obbligatori dei prodotti e sequestro delle linee di produzione, con gravi ripercussioni sul processo produttivo. I prodotti non riempiti circolano anche tra il pubblico, con conseguenti reclami dei clienti e feedback negativi che erodono il mercato e la fiducia nel marchio. Il raggiungimento di elevati livelli di accuratezza è essenziale per mantenere l'integrità del prodotto.

Fattori chiave che influenzano la precisione di riempimento

L'apparecchiatura non è l'unica causa di un'erogazione incoerente e di livelli di riempimento inadeguati. Ci sono molti fattori esterni e ambientali che possono essere in gioco e la loro risoluzione è fondamentale per ottimizzare l'impostazione della produzione e garantire la coerenza del prodotto.

Caratteristiche del prodotto (viscosità, densità, schiumosità)

Il comportamento di scorrimento dei materiali confezionati è influenzato dalle caratteristiche del materiale, come la viscosità e la densità, e dal potenziale di formazione di schiuma. La viscosità è la misura in cui un liquido resiste al flusso ed è sensibile alle variazioni di temperatura. Ad esempio, un impianto di produzione può essere più freddo durante il turno di mattina, il che fa sì che il liquido sia più denso. Con l'avanzare della giornata, l'aumento della temperatura ambiente renderà il liquido più sottile, modificando la portata. Nel caso della tecnologia volumetrica, il liquido riempirà un certo volume, ma il peso cambierà in base alla densità.

I prodotti che contengono solidi o particolati introducono problemi meccanici unici. Ad esempio, i succhi di frutta o le salse a base di polpa e semi richiedono una progettazione del percorso del liquido. Le valvole standard si intasano o si legano con il particolato e di conseguenza la valvola non si chiude mai completamente, facendo sì che la macchina eroghi il liquido in quantità variabile, con conseguenti riempimenti incoerenti.

I prodotti schiumati aumentano drasticamente di volume e presentano problemi di dosaggio unici. Ad esempio, i liquidi altamente aerati come shampoo, sapone e detergenti liquidi industriali creano volumi di schiuma nel contenitore del liquido. Queste schiume creano falsi livelli nel contenitore del liquido, inducendo i sensori di livello a interrompere il processo di erogazione prima di aver raggiunto il peso corretto, oppure fanno sì che il liquido trabocchi dai bordi del contenitore.

Condizioni ambientali (temperatura, umidità)

La costruzione e la disposizione dell'edificio influiscono sulla configurazione dei diversi sistemi automatizzati e sulla loro capacità di funzionare insieme in varie condizioni ambientali. La maggior parte delle riempitrici utilizza la pneumatica, il che significa che dipende dall'alimentazione centrale di aria compressa dello stabilimento. La precisione delle valvole di erogazione delle riempitrici dipende dalla pressione dell'aria, che deve essere costante e a un livello specifico. Quando altre macchine di grandi dimensioni nello stabilimento sono in funzione, possono causare uno spostamento temporaneo dell'alimentazione di aria compressa, che può provocare ritardi nella chiusura delle valvole di riempimento pneumatico e, di conseguenza, imprecisioni immediate nel peso dei prodotti riempiti, contribuendo a creare problemi alle apparecchiature.

Maggiore è l'umidità in uno spazio, più l'ambiente favorisce la distruzione dei prodotti secchi utilizzati. In questo caso, i prodotti in polvere sono particolarmente vulnerabili all'ambiente. In condizioni di umidità elevata, le polveri possono incollarsi a causa dell'umidità, che può modificare la densità della polvere e influire sul flusso del materiale. A sua volta, questo altera il rapporto tra peso e volume. In questo caso, i meccanismi a vite utilizzati per erogare le polveri secche ne risentiranno negativamente, perché la massa di polvere fusa verrà erogata in quantità diversa rispetto alla quantità di polvere sciolta contenuta nella macchina.

Usura della macchina

L'usura delle apparecchiature è un processo lento e spesso impercettibile, che causa una lenta introduzione di imprecisioni sconosciute ed errori comuni. Per mantenere i sistemi chiusi pressurizzati delle apparecchiature automatizzate, ognuno di essi avrà componenti progettati per essere consumabili, che spesso richiedono parti di ricambio. Si tratta di guide, O-ring, guarnizioni in gomma e guarnizioni specifiche.

I ripetuti cicli meccanici causano la graduale usura e deformazione dei materiali morbidi. Un O-ring solo leggermente usurato non provocherà un guasto catastrofico, ma svilupperà una fessura sufficientemente piccola da consentire all'aria di essere risucchiata nel canale del fluido o di ridurre la pressione del vuoto in misura sufficiente a consentire il passaggio del fluido negli intervalli. Questa situazione comporta una riduzione della potenza di risucchio, con la conseguenza che il cilindro della pompa non preleva il volume previsto durante il ciclo di erogazione, compromettendo drasticamente la precisione di riempimento.

Come calcolare l'accuratezza di riempimento e il ROI

Il passaggio dall'osservazione meccanica al controllo statistico dei processi all'interno di un moderno sistema di controllo è il principale fattore che spinge a giustificare l'acquisto di nuovi macchinari e il controllo completo della qualità.

Capire la distribuzione del peso di riempimento

Gli ingegneri di produzione adottano una distribuzione normale (curva a campana) per valutare le prestazioni di un sistema di produzione. La forma della distribuzione è tutto ciò che serve per definire il sistema.

Una distribuzione ampia e piatta è segno di imprecisione della macchina. I pesi erogati sono sparsi dappertutto. Dovremo spostare la media di questa curva ampia verso destra, il che si tradurrà in una massiccia perdita di prodotto.

Le curve di distribuzione alte e strette dimostrano che l'apparecchiatura di misura utilizzata è molto precisa e fornisce informazioni in tempo reale sulle prestazioni della macchina. I pesi sui contenitori sono strettamente raggruppati. Con una variazione così ridotta, l'impianto può avvicinare l'intera curva al peso dichiarato sull'etichetta e non preoccuparsi delle multe da sotto-riempimento, eliminando gli sprechi in eccesso.

Per trovare l'attuale curva operativa (senza dover ricorrere a software complicati), eseguire le seguenti operazioni in fabbrica:

• Fase 1: Prelevare 50 contenitori consecutivi riempiti e sigillati dalla linea di produzione attiva.
• Fase 2: utilizzare una bilancia industriale con un elevato livello di calibrazione per pesare ogni unità, sottraendo la tara del contenitore vuoto e del coperchio.
• Fase 3: Determinare il contenitore più pesante e quello più leggero dei 50 contenitori campionati. La differenza tra questi due numeri è il valore del vero spread di precisione.

L'acquisto di apparecchiature più precise, con un'elevata accuratezza di riempimento, consente di ottenere una curva di distribuzione stretta. Ciò significa che può impostare il peso medio target su un valore più basso, conservando comunque la materia prima.

Costo totale di proprietà (TCO) vs. precisione

Quando si valutano i macchinari, il TCO deve essere confrontato con il valore della precisione. In base al materiale da lavorare, esiste un punto di equilibrio che può essere considerato ottimale.

Se un'azienda confeziona prodotti come l'acqua potabile purificata, il valore della materia prima è trascurabile. Un errore di 1% è accettabile e quindi l'utilizzo di una riempitrice volumetrica ad alta velocità e a basso costo sarebbe una scelta razionale. Il costo dell'aggiornamento a un sistema gravimetrico supererebbe di gran lunga il valore dell'acqua risparmiata.

D'altra parte, quando un impianto lavora materie prime di alto valore, come il siero cosmetico, l'agrochimica o la farmaceutica, il costo della materia prima è la preoccupazione principale. In questo caso, diventa giustificabile acquistare un sistema gravimetrico che costa 3 volte di più di un sistema volumetrico. Il costo elevato del sistema volumetrico diventa giustificabile perché il valore dei materiali risparmiati ripaga rapidamente l'investimento, a volte con un ROI completo in pochi mesi, evitando inutili ritardi di produzione.

Tecnologie di riempimento a confronto: Qual è la più accurata?

Il raggiungimento di una tecnologia di dosaggio ideale implica la giusta combinazione dei principi ingegneristici della macchina, delle caratteristiche fisiche del prodotto e degli obiettivi economici dell'azienda.

Sistemi di riempimento volumetrici e gravimetrici

Riempimento volumetrico I sistemi di misurazione del volume di un liquido specifico in un contenitore misurano il volume del liquido in millilitri o once fluide. Ogni contenitore viene sigillato per intrappolare il liquido e spingerlo nel contenitore. Uno dei principali vantaggi è che hanno una maggiore velocità di funzionamento e costi più bassi, riducendo il tempo di riempimento complessivo. Uno dei principali svantaggi è che non rispondono alle variazioni di densità. Se si verificano cambiamenti nella temperatura dei contenitori, la densità del prodotto cambia e la macchina eroga lo stesso volume, ma il peso nel contenitore non è corretto.

Sistemi di riempimento gravimetrico, conosciuto anche come peso netto dei riempitivioperano sulla massa assoluta. Distribuiscono i prodotti alle celle di carico, che sono sensibili e misurano il peso in grammi o chilogrammi. Misurano anche il peso in tempo reale. Quando il flusso di materiale raggiunge il peso stabilito, il sistema lo interrompe. Lo svantaggio principale è che il processo richiede tempo. Inoltre, l'interruzione del flusso di materiale comporta una minore velocità di funzionamento. Questi sistemi di riempimento hanno anche un prezzo più elevato rispetto agli altri sistemi.

Prestazioni delle pompe a pistone, a coclea e peristaltiche

La fornitura di prodotti di viscosità e materiali diversi richiede sistemi di pompaggio diversi. L'utilizzo di una pompa di concezione errata comporta un riempimento non corretto e costosi tempi di inattività.

La matrice che segue classifica le tre principali tecnologie di pompaggio, i loro principi meccanici e i materiali per i quali sono state progettate.

Risoluzione dei problemi di precisione di riempimento più comuni

Quando i parametri di precisione escono dai limiti stabiliti, è il momento di procedere alla risoluzione sistematica dei problemi. Le congetture non fanno che aumentare i tempi di fermo. Gli operatori e i tecnici della manutenzione devono determinare logicamente se la causa è meccanica, ambientale o legata al flusso di materiale.

Le seguenti informazioni sui problemi e gli errori più comuni nella compilazione delle discrepanze e su come risolverli rapidamente vi aiuteranno.

Migliori pratiche per mantenere una precisione costante

La precisione in piedi con l'aiuto di tecniche all'avanguardia nel corso degli anni è un prodotto della disciplina, dei manuali operativi e di un sistema di manutenzione.

• Calibrazione regolare: La calibrazione dei sensori della macchina deve essere effettuata quotidianamente. In caso contrario, la calibrazione e i risultati risulteranno sporchi. Ogni struttura deve disporre di una serie di pesi obbligatori e tracciabili per assistere nella calibrazione dello zero e dell'intero intervallo delle celle di carico e dei sistemi. Ad ogni turno e prima del cambio di prodotto, i misuratori devono essere azzerati e calibrati.
• Prevenzione Manutenzione: Se un componente viene lasciato funzionare fino a quando non si guasta, il costo per la produzione sarà una perdita inaccettabile. Ciò significa che è necessario trovare un equilibrio tra i registri di manutenzione e lo stato ciclico della macchina. In qualsiasi ciclo di manutenzione che preveda ispezioni regolari, è necessario sostituire gli O-ring, le guarnizioni e le tenute visivamente buone e verificare i collegamenti elettrici. Prima che si verifichi una perdita visibile, una guarnizione usurata crea piccoli spazi vuoti che distruggono la precisione di vuoto, pressione e volume.
• Formazione degli operatori: Durante lo smontaggio e la pulizia, il potenziale di errore umano aumenta notevolmente. Gli operatori devono essere addestrati ai criteri meccanici specifici del riassemblaggio. L'errato serraggio degli alloggiamenti delle pompe, i collegamenti allentati o l'assemblaggio dei componenti nella sequenza sbagliata possono causare problemi di attrito interno o vuoti d'aria. Affinché il riassemblaggio preservi la precisione di base della macchina, è necessario che le procedure operative standard siano estremamente rispettate.

Conclusione: Proteggere il profitto con precisione

Il modo più semplice e diretto con cui gli impianti di produzione possono smettere di perdere denaro è quello di migliorare l'accuratezza del riempimento. Il divario tecnico tra una curva di distribuzione ampia e una curva di distribuzione stretta e controllata è una questione di dollari e centesimi. L'implementazione di una tecnologia di dosaggio precisa ha un impatto diretto sulla redditività di una linea di confezionamento, sia che si tratti di controllare le perdite di prodotto in uscita o le multe di conformità. L'ottimizzazione della tecnologia di dosaggio in base al valore del liquido o della polvere sensibile utilizzata, come nel caso delle coclee avanzate, consente alle strutture di trasformare le operazioni di confezionamento da un luogo di spreco di materiale a un'operazione altamente ottimizzata ed efficiente.

Pronti a eliminare il Giveaway? Collaborate con Levapack

Il raggiungimento e il mantenimento di una precisione a livello di micron richiede un'ingegneria specializzata. Levapack fornisce linee di confezionamento complete e automatizzate, progettate appositamente per le piccole e medie imprese (PMI) di tutto il mondo. Con 18 anni di esperienza ingegneristica dedicata e installazioni in oltre 100 Paesi, produciamo sistemi ad alte prestazioni progettati per eliminare gli sprechi di materiale e ottimizzare la stabilità della produzione.

Per le strutture che trattano polveri di alto valore, forniamo sistemi avanzati di servo-guida. Coclee di riempimento integrati con sistemi specializzati di vuoto e lavaggio con azoto mantenendo i livelli di ossigeno residuo al di sotto di 3%. Per le operazioni di lavorazione di materiali viscosi, paste e alimenti umidi per animali domestici, forniamo prodotti per impieghi gravosi. Riempitrici a pistone e rotanti costruiti per garantire un'esatta consistenza volumetrica e una perfetta integrazione con i processi di sterilizzazione a storta.

Levapack progetta soluzioni personalizzate in base alle caratteristiche specifiche dei materiali e ai vincoli dell'impianto. Consultate i nostri specialisti di ingegneria e configurate un sistema di imballaggio di precisione progettato per proteggere i margini di produzione e garantire una rigorosa conformità della produzione.