Wybór przemysłowej maszyny pakującej polega na dopasowaniu parametrów technicznych maszyny do rodzaju produktu i jego właściwości fizycznych, co gwarantuje, że wybrany sprzęt spełni konkretne potrzeby. W przypadku produktów o wysokiej lepkości, gęstych past oraz produktów zawierających cząstki stałe standardowe systemy grawitacyjne lub przelewowe nie sprawdzą się. Powodują one nierównomierne objętości napełniania, zacięcia mechaniczne i znaczne straty produktu. Właśnie w takich sytuacjach technologia tłoka napełniającego staje się ustaloną normą techniczną.

Niniejszy przewodnik jest przeznaczony dla osób w Państwa zakładzie zajmujących się oceną sprzętu służącego do rozwiązywania problemów związanych z materiałami o wysokiej lepkości, a także dla pracowników działu inżynieryjnego, którzy borykają się z problemami związanymi z utratą materiału i zmiennością poziomu napełnienia. Stanowi on przegląd zasad projektowania, kompatybilności produktów i komponentów, systemu napędowego oraz wymagań sanitarnych dotyczących współczesnych linii produkcyjnych. Zrozumienie tych podstawowych zagadnień pozwoli Państwa pracownikom działu zaopatrzenia i inżynierii projektować systemy pakowania charakteryzujące się minimalnymi przestojami i stratami produktu, przy jednoczesnym zachowaniu precyzyjnej kontroli objętościowej, która sprawdzi się w dłuższej perspektywie.

Czym jest napełnianie tłokowe i jakie ma zastosowania przemysłowe?

Napełnianie tłokowe stanowi przykład technologii pomiaru objętościowego o wyporności dodatniej (VMT). Technologie napełniania opierają się na mechanice cylindra tłokowego i tłoka. Gdy tłok cofa się, powstaje podciśnienie, w wyniku czego do cylindra zasysana jest określona ilość produktu, a konkretnie produktu płynnego, z dużego zbiornika zasilającego. Gdy tłok osiąga pozycję tylną, następuje przełączenie zaworu. Następnie tłok cofa się. Gdy lody zostaną napełnione, tłok przesuwa się z powrotem do przodu, a płyn jest dozowany przez dyszę napełniającą do oczekujących pojemników umieszczonych na taśmach przenośnikowych poniżej.

Ponieważ objętość produktu mieści się w cylindrze, znana jest objętość tego cylindra. Z drugiej strony długość przesunięcia tłoka odpowiada odległości, po której tłok się zatrzyma. Dlatego też, niezależnie od rodzaju cieczy znajdującej się w cylindrze, zawsze dozowana będzie stała, dokładna ilość produktu, co gwarantuje precyzyjne napełnianie objętościowe.

Technologia ta została zaprojektowana z myślą o branżach, w których stosuje się materiały o dużej grubości, gęstości lub grudkowatej konsystencji. Standardowe napełniarki grawitacyjne lub przelewowe okazują się w takich sytuacjach nieskuteczne, co sprawia, że wyporność tłokowa pozostaje jedyną niezawodną metodą obsługi materiałów o trudnej reologii. Aby lepiej opisać optymalne zastosowania tej technologii, w poniższej tabeli przedstawiono główne zastosowania przemysłowe oraz kategorie produktów, do których się ona odnosi, z uwzględnieniem różnych typów i dowolnych kształtów pojemników:

Inżynierom i kierownikom zakładów, którzy chcą zapoznać się ze szczegółowymi elementami mechanicznymi, takimi jak konstrukcja leja zasypowego, materiały, z których wykonane są cylindry, oraz materiały ramy, zaleca się zapoznanie się z podstawową dokumentacją techniczną napełniarek tłokowych przed ustaleniem specyfikacji sprzętu. Najlepszą ogólną efektywność sprzętu (OEE) dla linii pakującej osiąga się dzięki odpowiedniej konstrukcji elementów składowych linii.

Zgodność materiałów: lepkość, cząstki stałe i zawory

Proces konfiguracji tłokowej maszyny napełniającej obejmuje wewnętrzny układ zaworów, dostosowaną ścieżkę przepływu oraz właściwości reologiczne produktu. Lepkość cieczy oraz obecność ewentualnych cząstek stałych determinują przebieg ścieżki przepływu z maszyny napełniającej, niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z cieczami lepkimi, czy rzadkimi. Jeśli zawór zostanie zaprojektowany nieprawidłowo, produkt może ulec zgnieceniu, ścieżki przepływu mogą się zatkać lub maszyna napełniająca może ulec katastrofalnemu uszkodzeniu.

Przetwarzanie zaworów obrotowych a zaworów zwrotnych

Zawór stanowi element łączący zbiornik, cylinder i dyszę. Wyróżnia się dwa główne rodzaje takich zaworów: zawór zwrotny i zawór obrotowy.

Zawór zwrotny działa w oparciu o proste różnice ciśnień. Zazwyczaj posiada mechanizm kulowy lub sprężynowy, który porusza się wewnątrz precyzyjnie obrobionego gniazda. Podczas suwu ssania tłoka podciśnienie otwiera kulę, co oznacza, że powstaje droga przepływu z leja do cylindra, a droga do dyszy zostaje zamknięta. Podczas suwu tłoczenia nadciśnienie przesuwa kulę w dół, zamykając lej i otwierając drogę do dyszy. Mimo że zawory zwrotne są ekonomiczne i wydajne, ich zastosowanie ogranicza się do produktów o rzadkiej konsystencji oraz cieczy o niskiej i średniej lepkości, które nie zawierają cząstek stałych. Ciała stałe powodują nieprawidłowe działanie zaworu pod względem objętościowym i prowadzą do ich zgniatania. Jeśli w cieczy znajdują się miąższ owocowy lub kawałki mięsa, zawór pozostanie otwarty i zgniata te ciała stałe.

Zawory obrotowe, zwane również zaworami grzybkowymi, są przeznaczone do past o wysokiej lepkości oraz produktów lepkich zawierających dużą ilość cząstek stałych. Zamiast wykorzystywać ciśnienie płynu do poruszania kulką, zawory te są sterowane za pomocą zewnętrznego siłownika pneumatycznego lub elektrycznego, który obraca jeden z obrobionych rdzeni. Każdy rdzeń posiada przebiegającą przez niego bez przeszkód rurkę (lub kanał). Po obróceniu do pozycji zasysania rdzeń jest ustawiony tak, aby zapewnić niezakłóconą, prostą drogę od leja zasypowego do cylindra. Po obróceniu do pozycji wyładowczej zapewnia on również niezakłóconą, szeroką drogę do dyszy. Ponieważ kanał jest duży i jest kanałem uruchamianym (aktywnym), może on przenosić gęste żele i pasty oraz duże cząstki stałe (całe truskawki lub duże kawałki wołowiny w karmie dla psów) bez ich rozdrabniania. Zawór obrotowy pozwala zachować produkt w dobrym stanie i zapewnia ciągły cykl produkcyjny bez zatorów.

Kompletna tabela doboru lepkości

Aby ułatwić prawidłowy dobór sprzętu, poniższa tabela przedstawia zależność między właściwościami płynów a wymaganym typem zaworu.

Wybór odpowiedniej konfiguracji w oparciu o tę tabelę pozwala zapobiec najczęstszym przyczynom awarii linii produkcyjnej. Przetwarzanie karmy dla zwierząt domowych zawierającej duże ilości cząstek stałych za pomocą zaworu zwrotnego spowoduje natychmiastowe wstrzymanie produkcji, natomiast przetwarzanie wody za pomocą zaworu obrotowego o dużej wytrzymałości stanowi niepotrzebny wydatek kapitałowy.

Optymalizacja fazy napełniania: eliminowanie typowych wąskich gardeł

Po ustaleniu, czy materiał jest kompatybilny, kolejnym krokiem jest zarządzanie samym procesem dozowania materiału do pojemnika. Jednym z najbardziej oczywistych wyzwań związanych z inżynieryjnym procesem przenoszenia gęstych cieczy jest wpływ przepływu z dyszy układu ciśnieniowego do pustego pojemnika, co powoduje nadmierne pienienie się produktu oraz zjawisko określane jako „ciekły ogon”.

Jak działa cylinder tłokowy

Aby właściwie ocenić trudności związane z napełnianiem, przyjrzymy się konkretnemu przebiegowi mechanicznego przepływu płynu z leja zasilającego do pojemnika. Proces ten rozpoczyna się w centralnym leju zasilającym, w którym powyżej strefy napełniania znajdują się duże ilości produktu; przepływ gęstego produktu w kierunku zaworu odbywa się pod wpływem siły grawitacji.

Aby obliczyć pojemność skokową silnika, mnoży się pole przekroju poprzecznego tłoka przez długość skoku tłoka.

W pierwszej części procesu zawór (który może być zaworem zwrotnym lub obrotowym) tworzy otwarty kanał między górnym lejem zasypowym a pustym cylindrem. Następnie tłok porusza się w płaszczyźnie poziomej, wytwarzając silne podciśnienie (próżnię) wewnątrz cylindra. Próżnia ta zasysa gęsty płyn, pastę lub mieszaninę zawierającą cząstki stałe, wypełniając komorę cylindra do maksimum i osiągając jego maksymalną pojemność. Jeśli podczas cyklu napełniania tłok porusza się zbyt wolno (szczególnie w przypadku wysokiej lepkości), może dojść do kawitacji (powstawania pęcherzyków powietrza), a ich pękanie może skutkować obniżeniem jakości mieszanki i niejednolitymi objętościami napełnienia, co negatywnie wpływa na ogólną kontrolę jakości.

Gdy tłok zostanie całkowicie cofnięty, a cylinder w pełni napełniony, zawór przesuwa się i tworzy uszczelnienie na drodze powrotnej do zasobnika. Następnie otwiera nową drogę prowadzącą do dyszy dozującej.

Podczas wypływu tłok przesuwa się do przodu i wytwarza ekstremalne nadciśnienie w uwięzionej cieczy. Ciecz nie może cofnąć się do leja zasypowego. Zamiast tego jest wypychana z cylindra, gdzie precyzyjne ilości przepływają przez korpus zaworu do dyszy i są dokładnie dozowane do pojemnika oczekującego na taśmie przenośnikowej poniżej. W przypadku produktów o wysokiej lepkości powstaje ekstremalne ciśnienie wewnętrzne, a ciecz jest wyrzucana z dyszy z bardzo dużą prędkością. Przejście z cylindra pod ciśnieniem do otwartego, nieznajdującego się pod ciśnieniem pojemnika stanowi punkt, w którym dynamika płynów staje się nieprzewidywalna i gdzie często traci się kontrolę nad produktem.

Eliminacja pienienia i powstawania osadu

Powstawanie ogonów (lub nitkowania) oraz spienianie to dwa zjawiska występujące podczas przemysłowego napełniania tłokowego z dużą prędkością.

Zjawisko „tailingu” występuje w przypadku bardzo gęstych cieczy, które nie odrywają się równo od dyszy po zatrzymaniu tłoka. Przykładami są gęste sosy, żele lub miód. Cienka nitka produktu pozostaje przyczepiona do dyszy i albo ociera się o krawędź pojemnika, albo spada na taśmę przenośnikową. Powoduje to ocieranie się o powierzchnię uszczelniającą pojemnika i wpływa na kolejny proces zakręcania lub zgrzewania. Powoduje to również wiele problemów sanitarnych na linii produkcyjnej.

Inżynierowie muszą przewidzieć dysze z pewnym zamknięciem wraz z mechanizmem zapobiegającym kapaniu, aby wyeliminować wyciek resztek. Dysza z pewnym zamknięciem posiada wewnętrzny trzpień lub zawór umieszczony na samym końcu dyszy. Gdy tylko tłok zakończy suw wyładowczy, trzpień ten zamyka się i całkowicie odcina przepływ cieczy, zapewniając precyzyjne napełnianie. Żaden produkt nie wypływa. Ponadto zaawansowane systemy posiadają funkcję zwaną “suck-back”. W tym przypadku tłok wykonuje mikroruch wsteczny pod koniec cyklu napełniania. Powoduje to powstanie niewielkiego podciśnienia, w wyniku czego menisk cieczy zostaje wciągnięty z powrotem do wnętrza dyszy, zapewniając czyste odcięcie przepływu i brak kapania. Podczas napełniania pojemników cieczami zawierającymi środki powierzchniowo czynne (środki czyszczące, szampony i niektóre płyny białkowe) uwięzienie powietrza powoduje pienienie. Piana powoduje fałszywe odczyty poziomu napełnienia i marnotrawstwo produktu. Jeśli strumień napełniający jest zbyt szybki, uderza on o dno pojemnika, powodując mieszanie się powietrza i unoszenie się piany, co prowadzi do przelania się zawartości z pojemnika.

Aby rozwiązać problemy związane z pianą, na linii produkcyjnej należy stosować systemy napełniania typu „bottom-up” (zwane również dyszami zanurzeniowymi). Oznacza to, że cała dysza jest przesuwana w pionie tak, aby jej dolna krawędź znajdowała się w odległości kilku milimetrów od dna pojemnika, nawet jeśli jest to pojemnik o dużych rozmiarach. Powietrze znajdujące się nad cieczą jest wypierane przez ciecz z pojemnika. Wysokość, na jaką podnosi się ciecz w pojemniku, jest idealnie dostosowana do prędkości siłownika. Dzięki temu dolna część dyszy jest zawsze zanurzona w cieczy, co zapobiega rozpryskiwaniu, turbulencjom i uwięzieniu powietrza, gwarantując stały czas napełniania produktu.

Systemy napędowe: napełniarki pneumatyczne a napełniarki z napędem serwo

Układ napędowy (mechaniczne źródło napędu) decyduje o tym, jak precyzyjne, szybkie i opłacalne (całkowity koszt posiadania, TCO) są tłokowe maszyny rozlewnicze w długiej perspektywie czasowej. Obecnie maszyny rozlewnicze z napędem tłokowym są napędzane albo tradycyjnymi siłownikami pneumatycznymi, albo nowoczesnymi, w większym stopniu opartymi na napędzie elektrycznym i zaawansowanymi technologicznie układami łączącymi napęd i silnik.

Układ pneumatyczny: ekonomiczny i przeciwwybuchowy

W pneumatycznych układach napędowych tłok jest napędzany sprężonym powietrzem. Do wału tłoka podłączony jest siłownik pneumatyczny, a zawory kierunkowe sterują przepływem powietrza, powodując albo pchanie, albo ciągnięcie tłoka.

Główną zaletą układów pneumatycznych jest ich prostota i niższy koszt. Zawierają mniej ruchomych części, łatwiej je sterować za pomocą układów elektronicznych (co ułatwia inżynierom ich konserwację) i ogólnie są łatwiejsze w utrzymaniu. Ponadto układy pneumatyczne są preferowane w środowiskach niebezpiecznych. Systemy pneumatyczne są najlepszym wyborem dla zakładów pakujących materiały łatwopalne lub zakładów produkujących nutraceutyki, w których wykorzystuje się drobne proszki palne, a istnieje ryzyko wybuchu pyłu. System pneumatyczny można zaprojektować tak, aby był całkowicie przeciwwybuchowy. Ponieważ działają one na zasadzie ciśnienia powietrza, nie ma ryzyka powstania iskier w miejscu pracy systemu pneumatycznego, a ponadto nie stosuje się w nich napędu elektrycznego.

Niektóre ograniczenia systemów pneumatycznych to niedokładność napełniania i długi czas przełączania. Na przykład, aby wyregulować długość skoku tłoków pneumatycznych, operatorzy często muszą korzystać z pokręteł ręcznych i mechanicznych ograniczników. Jeśli zakład musi zmienić objętość napełniania z 500 ml na 1000 ml, operator będzie musiał fizycznie obrócić korbę w celu dokonania regulacji, a następnie przeprowadzić napełniania testowe, zmierzyć wydajność i wyregulować ograniczniki mechaniczne. Zadanie to może spowodować, że maszyna będzie bezczynna przez dłuższy czas. W dużych zakładach produkcyjnych często występują również wahania ciśnienia powietrza, co może prowadzić do niedokładnego napełniania w trakcie długiej zmiany produkcyjnej.

Napęd serwomechaniczny: precyzja i szybka zmiana ustawień

Wysokowydajne linie pakujące zostały zmodernizowane dzięki zastosowaniu układów serwonapędowych, w których inteligentne silniki serwo połączone z precyzyjnymi śrubami kulowymi zastępują cylindry pneumatyczne. W takich układach programowalny sterownik logiczny (PLC) wysyła cyfrowe polecenia do silnika serwo w celu sterowania położeniem tłoka oraz regulacji jego przyspieszenia i opóźnienia.

Układ tłokowy sterowany serwomechanizmem zapewnia niezrównaną precyzję, gwarantując wysoką dokładność nawet w przypadku bardzo złożonych zadań. Został on skonstruowany z wykorzystaniem enkoderów cyfrowych oraz systemów sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej. W rezultacie każdy skok tłoka odbywa się za każdym razem z dokładnością do milimetra. System ten minimalizuje również niewielkie zmiany objętości spowodowane wahaniami ciśnienia powietrza, umożliwiając producentom osiągnięcie dokładności napełniania objętościowego na poziomie zaledwie 0,51 TP3T. Taka precyzja jest niezwykle korzystna dla producentów produktów o wartości dodanej, takich jak suplementy diety, wysokiej jakości karma dla zwierząt domowych oraz pasty przemysłowe, ponieważ minimalizuje straty produktu i zapewnia zwrot z inwestycji.

Wśród wielu zalet zastosowania technologii serwo najważniejszą jest znaczne skrócenie czasu przezbrojenia. Nie ma już potrzeby korzystania z mechanicznych pokręteł do regulacji. Wszystkie parametry procesu są teraz zarządzane za pomocą cyfrowego ekranu dotykowego interfejsu człowiek-maszyna (HMI). W przypadku automatycznych napełniarek tłokowych i innych maszyn automatycznych inżynierowie mogą konfigurować i zapisywać wiele “receptur” dla różnych produktów i różnych rozmiarów pojemników w zależności od konkretnego rodzaju zawartości. Na przykład przejście z produkcji słoików z pastą o pojemności 200 g na słoiki o pojemności 500 g jest tak proste, jak naciśnięcie przycisku. Silnik serwo dostosuje wartość skoku do wartości powiązanej z wybraną recepturą. Zasadniczo zamienia to trzydziestominutową regulację mechaniczną (ręczną) w dziesięciosekundową zmianę cyfrową, co skutkuje ogromną poprawą wskaźnika ogólnej efektywności sprzętu (OEE) dla całego zakładu.

Maksymalizacja higieny: CIP/SIP i czyszczenie bez użycia narzędzi

W przypadku urządzeń do napełniania tłokowego parametry mechaniczne maszyny napełniającej mają drugorzędne znaczenie w stosunku do jej konstrukcji sanitarnej, która jest kwestią nadrzędną. Maszyna dozująca lepkie ciecze i żywność w postaci cząstek stałych bogatą w białko jest narażona na zanieczyszczenie bakteryjne. Jeśli resztki produktu zostaną uwięzione w cylindrach, zaworach lub dyszach, a maszyna zostanie zatrzymana na czas produkcji, resztki te ulegną zepsuciu i zanieczyszczą kolejną partię. Oznacza to, że konstrukcja techniczna musi spełniać wymóg minimalizacji przestojów związanych z czyszczeniem oraz maksymalizacji higieny.

Standardowa konstrukcja maszyn wymaga od operatora użycia klucza i/lub śrubokręta do demontażu układu przepływu płynu w celu jego wyczyszczenia. Może to spowodować uszkodzenie elementów, utratę drobnych części oraz uniemożliwić wykorzystanie czasu pracy na czyszczenie, co z kolei pochłania wiele godzin czasu produkcyjnego. Z tego powodu wysokiej klasy przemysłowe napełniarki tłokowe charakteryzują się konstrukcją umożliwiającą demontaż bez użycia narzędzi. Wszystkie elementy układu przepływu płynu (lejek, zawory obrotowe lub zwrotne, cylindry, końcówki dozujące oraz dysze) są połączone za pomocą sanitarnych złączy typu Tri-Clamp. Operator może zdemontować układ przepływu płynu w ciągu kilku minut. W przypadku elementów mających kontakt z produktem grubość stali nierdzewnej klasy spożywczej 304 lub 316L musi wynosić od 1,5 mm do 2 mm, a połączenia spawane muszą być wykończone ultra gładkim polerowaniem, aby zapobiec tworzeniu się mikroskopijnych szczelin i stref spowolnienia przepływu, a tym samym rozwojowi bakterii.

W dużych zakładach, gdzie rozmontowanie maszyn nie jest możliwe, konieczne jest projektowanie maszyn wyposażonych w systemy czyszczenia na miejscu (CIP) i sterylizacji na miejscu (SIP). Wysokiej jakości napełniarka tłokowa przystosowana do CIP jest przeznaczona do współpracy z zautomatyzowanym systemem czyszczenia zakładu. Maszynę można skonfigurować tak, aby wykonywała różne cykle bez konieczności ręcznego demontażu części. Obejmuje to cykle czyszczenia stężonymi środkami alkalicznymi, cykle płukania kwasem oraz cykle płukania oczyszczoną wodą przepływającą przez lejek, cylindry i zawory. Podczas tego cyklu każdy tłok jest wielokrotnie uruchamiany. Płyn czyszczący ma za zadanie usunąć zabrudzenia i zanieczyszczenia z wewnętrznych powierzchni przy użyciu wysokiego ciśnienia. Ten zautomatyzowany system minimalizuje nakład pracy ręcznej i przestoje maszyn, spełniając jednocześnie rygorystyczne przepisy sanitarne.

Nawiąż współpracę z ekspertem w dziedzinie napełniania tłokowego

Jednym z największych wyzwań związanych z pakowaniem cieczy lepkich jest utrzymanie długotrwałej dokładności objętościowej bez przyspieszania zużycia mechanicznego. Podczas gdy standardowe urządzenia napełniające szybko ulegają zużyciu lub tracą spójność działania w przypadku przetwarzania materiałów o słabej płynności, złożone produkty, takie jak sosy mięsne, gęsty miód i gęsta śmietana, wymagają precyzyjnie zaprojektowanych systemów wyporowych. Dlatego właśnie firma Levapack, wiodący producent maszyn pakujących na zamówienie, pełni rolę strategicznego partnera dla zakładów pragnących wyeliminować wąskie gardła produkcyjne i zwiększyć niezawodność działania.

Podczas przetwarzania materiałów o trudnych właściwościach reologicznych w standardowych cylindrach często dochodzi do zużycia uszczelek i nieregularnego dozowania. Nasi inżynierowie specjalizują się w rozwiązania w zakresie napełniania tłokowego zaprojektowane w celu wyeliminowania właśnie tych awarii mechanicznych. Dzięki zastosowaniu cylindry dozujących o niskim zużyciu oraz trwałych, samokompensujących uszczelnień tłokowych systemy te zostały zaprojektowane z myślą o długotrwałej, bezobsługowej pracy. Dzięki zaawansowanym systemom PLC z intuicyjnymi interfejsami dotykowymi operatorzy mogą płynnie regulować objętości napełniania w zakresie od 100 ml do 1000 ml, zapewniając precyzyjne i szybkie dozowanie do puszek aluminiowych, słoików szklanych i gotowych woreczków bez konieczności uciążliwej wymiany części.

Dzięki bogatemu doświadczeniu inżynieryjnemu oraz własnemu centrum badawczo-rozwojowemu nie godzimy się na kompromisy związane z gotowymi rozwiązaniami. Wykwalifikowani inżynierowie ręcznie montują każdy system napełniający, aby zapewnić najwyższą precyzję, dostosowując maszyny do konkretnych wymagań zakładu. Aby zbudować wytrzymałą, zautomatyzowaną linię, która bez trudu dostosowuje się do najtrudniejszych past i cieczy, zachęcamy zespoły produkcyjne do przesyłania próbek złożonych produktów w celu przeprowadzenia kompleksowych testów, co pozwala firmie Levapack zweryfikować niestandardową konstrukcję tłokowej maszyny napełniającej, gwarantującą bezkompromisową dokładność i maksymalną wydajność.