Per il consumatore comune, la lattina è solo un contenitore per la conservazione degli alimenti. È un bene di cui si disfa senza pensare, spesso contribuendo ai rifiuti solidi urbani. Ma per gli ingegneri dell'imballaggio, i direttori di stabilimento e i responsabili degli acquisti, la risposta alla domanda "di cosa sono fatte le lattine" non è una domanda banale. È una specifica molto importante che determina l'intera architettura di una linea di produzione.

Le proprietà meccaniche di una lattina, la sua risposta alle sollecitazioni termiche e la sua compatibilità con le apparecchiature di riempimento e sigillatura dipendono dalla composizione del materiale della lattina. Una linea di produzione calibrata per accettare acciaio stagnato andrà fuori controllo quando passerà alle lattine di alluminio senza alcuna modifica. Allo stesso modo, il passaggio dalle saldature ai corpi senza saldatura richiede una riprogettazione radicale delle procedure di manipolazione e sterilizzazione a valle.

Questa guida va oltre le definizioni superficiali. Studieremo la metallurgia dell'inscatolamento moderno, ma soprattutto studieremo come questi barattoli di metallo rispondono alle sollecitazioni fisiche dell'imballaggio industriale.

Realtà moderna: Di cosa sono fatte le lattine?

Il termine improprio di lattina è un termine storico che esiste dall'inizio del XIX secolo. Se si esamina una lattina nel mondo moderno, si scopre che ha pochissimo stagno. Nella maggior parte dei casi, il peso dello stagno è inferiore all'1% del peso totale del contenitore. Si tratta solo di un rivestimento o strato micro-sottile di stagno che impedisce la formazione di ruggine.

Nel moderno settore dell'imballaggio, i contenitori metallici vengono classificati in tre substrati di materiale. Il primo passo per scegliere il macchinario giusto per la vostra linea è capire la differenza tra questi tre materiali.

• TPS (acciaio stagnato)

È il criterio convenzionale di lavorazione degli alimenti. È costituito da una lastra di acciaio, placcata su entrambi i lati con un sottile strato di stagno. L'acciaio conferisce resistenza alla trazione e integrità strutturale per sostenere la forma della lattina. Lo stagno offre resistenza alla corrosione e, soprattutto, lubrificazione.

In termini di produzione, il TPS è ancora il leader grazie alle sue caratteristiche di saldabilità e saldabilità. Lo strato di stagno consente la saldatura a resistenza elettrica ad alta velocità, che permette di produrre lattine in 3 pezzi in breve tempo.

• TFS (acciaio senza stagno) / ECCS (acciaio rivestito di cromo elettrolitico)

Il TFS è stato creato come sostituto economico della banda stagnata. Il substrato di acciaio è ricoperto da uno strato microscopico di cromo e ossido di cromo al posto dello stagno.

Sebbene il TFS abbia un'ottima adesione alla vernice e resistenza alla corrosione, non è lubrificante come lo stagno. Inoltre, il responsabile dell'attrezzatura, il TFS, non può essere saldato o saldabile in modo convenzionale. Lo strato di cromo funge da isolante. Pertanto, quando la vostra linea di produzione utilizza lattine in TFS, il processo di produzione delle lattine deve basarsi sull'incollaggio (con adesivi in nylon) o su speciali tecnologie di saldatura laser. Non è possibile sostituire il TPS con il TFS senza verificare la compatibilità delle attrezzature per l'aggraffatura laterale.

• Leghe di alluminio

L'alluminio non è comunemente utilizzato nei cibi lavorati che devono essere cotti ad alta temperatura, ma è lo standard del settore per le lattine di bevande. Queste lattine non sono di alluminio puro, estratto dalla bauxite, ma di leghe, solitamente della serie 3000 (manganese) nel corpo e della serie 5000 (magnesio) nel coperchio. Questi elementi di lega rendono il metallo più duro e resistente e possono essere trafilati in forme metalliche molto sottili senza strappi.

Per il facility manager, la distinzione del materiale è binaria: Acciaio (magnetico) e Alluminio (non magnetico). Si tratta di una caratteristica fisica di base che determina la progettazione di tutti i trasportatori, le lavatrici e gli ascensori della struttura.

Progettazione strutturale: costruzione a 3 pezzi contro 2 pezzi

Il design strutturale del contenitore è il risultato diretto della scelta del materiale. L'industria distingue le strutture in due categorie principali: 3 pezzi e 2 pezzi. Non si tratta di una semplice differenza estetica, ma di una differenza che determina i limiti meccanici della confezione.

Lattine in acciaio a 3 pezzi: Cuciture saldate per il calore elevato

Il cavallo di battaglia dell'industria delle conserve è la lattina in 3 pezzi. Come suggerisce il nome, è composta da tre parti distinte: un corpo rettangolare vuoto, un'estremità superiore (coperchio) e un'estremità inferiore.

Il processo di produzione consiste nel laminare il grezzo di acciaio piatto in un cilindro. I bordi vengono poi incollati. Tradizionalmente si usava la saldatura al piombo, che però è stata progressivamente abbandonata a causa delle norme sanitarie. Nelle linee moderne, la saldatura a resistenza elettrica viene applicata per formare una giuntura laterale che, di fatto, è più resistente del resto del metallo.

La rigidità è il principale vantaggio della struttura in acciaio a 3 pezzi. La combinazione del substrato d'acciaio, delle cuciture saldate e dei cordoli di rinforzo (creste) laminati nel corpo della lattina forma una struttura in grado di resistere a differenze di pressione estreme.

I processi di ritorsione (sterilizzazione) non possono scendere a compromessi su questa rigidità. Una scatoletta di tonno o di zuppa sigillata viene posta in una camera di ritorsione dove è esposta a temperature superiori a 121 °C (250 °F). La lattina viene sterilizzata e poi raffreddata rapidamente. Questo processo di raffreddamento lascia un vuoto nella lattina. Un contenitore flessibile collasserebbe a causa di questa pressione negativa. La lattina in acciaio in 3 pezzi non perde la sua forma e conserva la chiusura ermetica. Pertanto, quando il vostro prodotto deve essere sigillato sottovuoto o sterilizzato ad alte temperature, la struttura in acciaio in 3 pezzi è probabilmente l'unica opzione disponibile.

Lattine in alluminio a 2 pezzi: Corpo senza saldature per la carbonatazione

Il mercato delle bevande può essere dominato dalle lattine in alluminio a 2 pezzi. È costituita da una tazza di metallo, che costituisce il corpo e il fondo, e successivamente viene aggiunto un coperchio.

Questo edificio è costruito attraverso un processo noto come Drawing and Wall Ironing (DWI). Una tazza viene perforata con una bobina di metallo e poi stirata e stirata fino a formare un cilindro alto e sottile. Non ci sono cuciture laterali né inferiori, il che significa che le possibilità di perdite sono ridotte al minimo.

Sebbene la struttura a 2 pezzi sia graziosa, le sue proprietà meccaniche sono totalmente diverse da quelle della lattina a 3 pezzi. Le pareti delle lattine in alluminio sono estremamente sottili, di solito inferiori a 0,1 mm.

Questo edificio è una struttura a pressione interna. La pressione del gas fa sì che le pareti sottili diventino rigide e dure (come un pneumatico gonfiato) quando vengono riempite di bevande gassate. È la configurazione predefinita di bibite e birre. Il punto debole è però evidente: la lattina è strutturalmente debole senza pressione interna. Anche le lattine vuote sono soggette a danni. Non è in grado di resistere alla pressione negativa del confezionamento sottovuoto o del raffreddamento a storta e crolla. Se intendete utilizzare lattine in alluminio a 2 pezzi per servire bevande non gassate (come tè o succhi di frutta), avrete bisogno di sistemi di supporto ausiliari per garantire l'integrità strutturale della vostra linea di produzione.

Rivestimenti interni: Rivestimenti polimerici e sicurezza alimentare

Abbiamo parlato del substrato metallico; tuttavia, nel 90% degli utilizzi, il prodotto alimentare non entra effettivamente in contatto con il metallo. Quando l'acciaio viene a contatto con alimenti acidi, si corrode. Quando entra in contatto con l'alluminio, può cambiare il profilo del sapore.

Per ovviare a questo problema, le lattine moderne si basano su finiture organiche interne. Si tratta di rivestimenti polimerici che vengono spruzzati nel corpo della lattina ed essiccati durante il processo di produzione.

Nel corso dei decenni, il rivestimento epossifenolico è stato lo standard del settore per la sua durata e resistenza chimica. Tuttavia, la pressione normativa e la domanda dei consumatori stanno creando un'enorme transizione verso i rivestimenti BPA-Non-Intent (BPANI), che evitano il BPA (Bisfenolo A), compresi i rivestimenti a base di poliestere o acrilico.

La linea di confezionamento è stata messa a dura prova da questo cambiamento chimico. I rivestimenti BPANI sono solitamente meno adesivi o più fragili rispetto ai loro predecessori epossidici. Tendono a microfessurarsi quando sono esposti a sollecitazioni meccaniche.

Per questo la precisione degli ugelli di riempimento è molto importante. L'ugello di riempimento viene inserito nella lattina per spruzzare il prodotto in una linea ad alta velocità. Quando l'ugello raschia il lato della lattina a causa delle vibrazioni della macchina, danneggia il rivestimento interno. Un graffio non visibile a occhio nudo espone il metallo nudo del prodotto. Questo provoca ruggine, rigonfiamento o deterioramento nel corso di settimane di conservazione. Pertanto, la conversione alle lattine senza BPA può richiedere una ricalibrazione del centraggio e della stabilità della testa di riempimento per ottenere un funzionamento senza contatto.

Resistenza meccanica: Perché l'acciaio domina la conservazione degli alimenti

La resistenza è un termine impreciso quando si tratta di scegliere i materiali di confezionamento. Rigidità e resistenza al vuoto sono i due termini a cui ci riferiamo nel contesto dell'inscatolamento.

Perché l'acciaio è il materiale più comune negli alimenti conservati come verdure, carni e cibi pronti? Non si tratta di semplice consuetudine, ma di fisica.

Per mantenere il cibo a bassa acidità, è necessario eliminare l'ossigeno per evitare l'ossidazione e la crescita batterica aerobica. Questo obiettivo viene raggiunto attraverso Sigillatura a vuoto. Durante questo processo, l'aria viene rimossa dallo spazio di testa della lattina appena prima che il coperchio venga sigillato. In alternativa, durante i processi di riempimento a caldo, il prodotto viene riempito a caldo e, raffreddandosi, il gas dello spazio di testa si contrae, lasciando un vuoto.

Il vuoto provoca una forte forza verso l'interno delle pareti della lattina. L'atmosfera compie uno sforzo costante per schiacciare il contenitore.

Il modulo di Youngs (rigidità) dell'acciaio è elevato. È in grado di sopportare questa forza di schiacciamento verso l'interno senza deformarsi. Ciò consente ai produttori di effettuare vigorosi cicli di vuoto per ottenere la massima durata di conservazione. Se un produttore tentasse di utilizzare lo stesso processo con una normale lattina di alluminio, il contenitore collasserebbe (cederebbe) e distruggerebbe l'estetica e forse anche la guarnizione.

Inoltre, la dinamica della pressione è violenta durante il processo Retort. La lattina viene riscaldata, con conseguente espansione interna, e poi raffreddata, con conseguente rapida contrazione. La rigidità dell'acciaio funge da ammortizzatore per queste variazioni di pressione. Ciò consente al trasformatore di concentrarsi sui parametri di sicurezza alimentare (tempo e temperatura) senza preoccuparsi continuamente della rottura dei contenitori. Nei prodotti di alto valore, come il latte artificiale o le carni di alta qualità, l'unico materiale che offre il margine di sicurezza richiesto è l'acciaio.

Malleabilità: come l'alluminio permette di produrre bevande leggere

Se l'acciaio è così resistente, perché l'intera industria delle bevande è passata all'alluminio? La risposta sta nella malleabilità e nella logistica.

L'alluminio è molto più morbido e duttile dell'acciaio. Questa plasticità gli consente di essere inserito in pareti molto sottili senza rompersi. Una lattina di alluminio contemporanea è una meraviglia di ingegneria leggera: è fatta del minor materiale possibile per contenere il liquido. Questo si traduce in un enorme risparmio sulle spese di spedizione e sull'uso delle materie prime.

Tuttavia, questa flessibilità pone un problema nella linea di produzione. Una lattina di alluminio è così tenera che può essere schiacciata da una moderata pressione della mano, trasformando potenzialmente un prodotto prezioso in rottami metallici. Tuttavia, queste lattine sono imballate in pallet che devono sopportare migliaia di chili di peso quando vengono impilati e trasportati.

Come risolvere questo paradosso? Utilizzando Dosaggio dell'azoto liquido.

Poiché il materiale non è abbastanza rigido da reggere il peso da solo (in particolare per le bevande non gassate), la linea di confezionamento deve garantire l'integrità strutturale artificialmente. Una goccia finissima di azoto liquido viene aggiunta alla bevanda appena prima di essere sigillata. L'azoto evapora immediatamente, aumentando il volume di 700 volte.

Questa crescita affatica la lattina internamente. Trasforma il guscio di alluminio flessibile e malleabile in un cilindro duro e pressurizzato. La pressione interna supera la carenza di resistenza del materiale.

Per l'acquirente dell'apparecchiatura, si tratta di una linea guida molto semplice: Quando si utilizzano lattine di alluminio per acqua, succo di frutta o caffè, il dosatore di azoto non è un accessorio, ma una parte essenziale del sistema di integrità strutturale. Le vostre cosiddette lattine malleabili cadranno sotto il loro stesso peso di distribuzione senza di esso.

Resistenza alla corrosione: Il ruolo degli strati di stagno e cromo

Dobbiamo andare a cercare lo stagno nella lattina. Perché allora continuiamo a usare lo stagno o la cromatura quando abbiamo un rivestimento interno in polimeri?

La soluzione è la ridondanza e la protezione elettrochimica.

I rivestimenti interni possono cedere. Possono contenere microscopici fori di spillo o essere danneggiati durante il processo di aggraffatura. Senza una barriera metallica, la natura acida degli alimenti (come il concentrato di pomodoro o il succo d'ananas) attaccherebbe immediatamente la base d'acciaio. Si formerebbe la ruggine (ossido di ferro) che contaminerebbe il cibo e potrebbe portare al rigonfiamento e allo scoppio della lattina.

Lo stagno funge da barriera. In determinate condizioni acide, lo stagno è sacrificale per l'acciaio. In altre parole, si corrode gradualmente per difendere l'acciaio sottostante. Il cromo (in TFS) offre una barriera di ossido passiva e chimicamente inerte.

Questi strati protettivi sono molto sottili. In effetti, a volte si tratta di micron. Ciò comporta una forte sollecitazione delle apparecchiature di riempimento e sigillatura.

Se un ugello di riempimento Se il prodotto gocciola sulla flangia (il labbro) della lattina, può intrappolare il cibo nella guarnizione. Quando il mandrino per l'aggraffatura (l'attrezzo che tiene il coperchio) è troppo aggressivo, può rompere la placcatura sul bordo della lattina. Quando questa placcatura viene violata, la "resistenza alla corrosione" viene meno.

Questo aspetto è particolarmente importante nelle linee di confezionamento ad alta acidità. L'attrezzatura impiegata deve essere molto delicata con le lattine. Le parti a contatto devono essere in materiale non abrasivo o in acciaio inox temprato con finiture lucide per evitare micro-abrasioni sulla placcatura protettiva della lattina. Un macchinario che funziona male può non provocare un guasto immediato, ma si tradurrà in un aumento del numero di perdite e di deterioramenti settimane dopo che il prodotto ha lasciato la fabbrica.

Conclusione: Adattare la produzione alle specifiche dei materiali

La domanda su come sono fatte le lattine è in effetti una questione di fisica. Può trattarsi della durezza dell'acciaio TPS, della fragilità dell'alluminio o delle speciali esigenze di incollaggio del TFS, ma ogni materiale impone un certo numero di regole alla vostra linea di produzione. La mancata osservanza di queste linee guida comporta la distruzione delle lattine, il danneggiamento delle guarnizioni e lo spreco di prodotto.

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