Dla zwykłego konsumenta puszka to po prostu pojemnik służący do przechowywania żywności. Jest to przedmiot codziennego użytku, który wyrzuca się bez zastanowienia, co często przyczynia się do powiększania ilości odpadów komunalnych. Jednak dla inżynierów ds. opakowań, kierowników zakładów i specjalistów ds. zaopatrzenia odpowiedź na pytanie, z czego wykonane są puszki, nie jest tylko ciekawostką. Jest to bardzo ważna specyfikacja, która determinuje całą strukturę linii produkcyjnej.

Właściwości mechaniczne puszki, jej reakcja na obciążenia termiczne oraz kompatybilność z urządzeniami do napełniania i zamykania zależą od składu materiałowego puszki. Linia produkcyjna, która została skalibrowana pod kątem stali ocynkowanej, przestanie działać prawidłowo, jeśli bez żadnych modyfikacji zacznie się na niej produkować puszki aluminiowe. Podobnie przejście z puszek spawanych na bezszwowe wymaga radykalnej zmiany procedur transportu i sterylizacji na dalszych etapach produkcji.

Niniejszy przewodnik wykracza poza powierzchowne definicje. Zajmiemy się metalurgią współczesnego przemysłu konserwowego, a dokładniej – zbadamy, w jaki sposób te metalowe puszki reagują na obciążenia fizyczne związane z pakowaniem przemysłowym.

Współczesna rzeczywistość: z czego tak naprawdę powstają puszki?

Nazwa „puszka cynowa” jest historyczną błędną nazwą, która funkcjonuje od początku XIX wieku. Jeśli przyjrzymy się współczesnej puszce, zauważymy, że zawiera ona bardzo mało cyny. W większości przypadków masa cyny stanowi mniej niż 1 procent całkowitej masy pojemnika. Jest to jedynie mikrocienka powłoka lub warstwa cyny, która zapobiega rdzewieniu.

We współczesnym przemyśle opakowaniowym klasyfikujemy metalowe pojemniki według trzech rodzajów podłoża materiałowego. Pierwszym krokiem w wyborze odpowiednich maszyn do danej linii produkcyjnej jest zrozumienie różnic między tymi trzema rodzajami.

• TPS (stal ocynkowana)

Jest to standardowe kryterium stosowane w przypadku żywności przetworzonej. Puszka wykonana jest z blachy stalowej, pokrytej z obu stron cienką warstwą cyny. Stal zapewnia wytrzymałość na rozciąganie i integralność strukturalną, dzięki czemu puszka zachowuje swój kształt. Cyna zapewnia odporność na korozję, a co najważniejsze – właściwości smarne.

Jeśli chodzi o produkcję, TPS nadal zajmuje wiodącą pozycję ze względu na swoją lutowalność i spawalność. Warstwa cyny umożliwia szybkie zgrzewanie oporowe, co pozwala na produkcję trzyczęściowych puszek w krótkim czasie.

• TFS (stal bezcynowa) / ECCS (stal pokryta chromem elektrolitycznym)

TFS powstał jako ekonomiczna alternatywa dla blachy białej. Podłoże stalowe pokryte jest mikroskopijną warstwą chromu i tlenku chromu zamiast cyny.

Chociaż TFS charakteryzuje się doskonałą przyczepnością farby i odpornością na korozję, nie jest tak śliski jak cyna. Co ważniejsze, materiał ten nie nadaje się do lutowania ani spawania w sposób konwencjonalny. Warstwa chromu pełni rolę izolatora. Dlatego też, jeśli na linii produkcyjnej stosowane są puszki z TFS, proces ich wytwarzania powinien opierać się na łączeniu (za pomocą klejów nylonowych) lub specjalnych technologiach spawania laserowego. Nie można po prostu zastąpić TPS materiałem TFS bez sprawdzenia kompatybilności posiadanych urządzeń do zgrzewania bocznego.

• Stopy aluminium

Aluminium nie jest powszechnie stosowane w przetworzonej żywności, którą trzeba podgrzewać w wysokiej temperaturze, ale stanowi standard w branży puszek do napojów. Puszki te nie są wykonane z czystego aluminium — pozyskiwanego z rudy boksytu — lecz ze stopów, zazwyczaj z serii 3000 (mangan) w korpusie i serii 5000 (magnez) w pokrywie. Te pierwiastki stopowe sprawiają, że metal jest twardszy i wytrzymalszy, a także można go formować w bardzo cienkie elementy bez ryzyka rozdarcia.

Z punktu widzenia kierownika zakładu podział materiałów jest dwuskładnikowy: stal (magnetyczna) i aluminium (niemagnetyczne). Jest to podstawowa właściwość fizyczna, która determinuje konstrukcję wszystkich przenośników, myjek i podnośników w Państwa zakładzie.

Projekt konstrukcyjny: konstrukcja trzyczęściowa a dwuczęściowa

Konstrukcja pojemnika wynika bezpośrednio z doboru materiału. W branży konstrukcje pojemników dzieli się na dwie główne kategorie: trzyczęściowe i dwuczęściowe. Nie jest to jedynie różnica estetyczna, lecz różnica, która określa parametry mechaniczne opakowania.

3-częściowe stalowe pojemniki: spawane szwy zapewniające odporność na wysokie temperatury

Podstawowym elementem przemysłu konserwowego jest puszka trzyczęściowa. Jak sama nazwa wskazuje, składa się ona z trzech odrębnych części: prostokątnego korpusu, górnej części (pokrywki) oraz dolnej części.

Proces produkcji polega na zwinięciu płaskiego półfabrykatu stalowego w cylinder. Następnie krawędzie są ze sobą łączone. Tradycyjnie odbywało się to przy użyciu lutu ołowiowego, ale metoda ta została wycofana z użytku ze względu na przepisy dotyczące ochrony zdrowia. Na nowoczesnych liniach produkcyjnych stosuje się zgrzewanie oporowe w celu utworzenia szwu bocznego, który jest w rzeczywistości mocniejszy niż pozostała część metalu.

Sztywność stanowi główną zaletę trzyczęściowej konstrukcji stalowej. Połączenie stalowego podłoża, spoiny spawalniczej oraz wzmacniających wypukłości (grzbietów) wrolowanych w korpus puszki tworzy konstrukcję, która jest w stanie wytrzymać ekstremalne różnice ciśnień.

W procesach retortowych (sterylizacji) nie można pójść na żadne ustępstwa w kwestii tej sztywności. Zamknięta puszka z tuńczykiem lub zupą umieszczana jest w komorze retortowej, gdzie poddawana jest działaniu temperatur wyższych niż 121 °C (250 °F). Puszka jest sterylizowana, a następnie szybko schładzana. Ten proces schładzania powoduje powstanie próżni w puszce. Elastyczny pojemnik zapadłby się pod wpływem tego podciśnienia. Trzyczęściowa puszka stalowa nie traci swojego kształtu i zachowuje hermetyczne zamknięcie. Dlatego też, gdy produkt wymaga zamknięcia próżniowego lub sterylizacji w wysokich temperaturach, trzyczęściowa konstrukcja stalowa jest prawdopodobnie jedyną dostępną opcją.

2-częściowe puszki aluminiowe: bezszwowe korpusy do gazowania

Rynek napojów mogą zdominować dwuczęściowe aluminiowe puszki do napojów. Składają się one z jednego elementu metalowego, z którego wykonany jest korpus i dno, a następnie dodawana jest pokrywka.

Budynek ten powstał w procesie znanym jako „Drawing and Wall Ironing” (DWI). Z metalowej cewki wycinany jest kubek, który następnie jest rozciągany i wygładzany, aż powstaje wysoki, smukły walec. Nie ma tu ani szwu bocznego, ani szwu dna, co oznacza, że ryzyko wycieku jest zminimalizowane.

Chociaż konstrukcja dwuczęściowa jest elegancka, jej właściwości mechaniczne całkowicie różnią się od właściwości puszki trzyczęściowej. Ścianki aluminiowej puszki są niezwykle cienkie – zazwyczaj mają grubość mniejszą niż 0,1 mm.

Budowa tego opakowania opiera się na zasadzie ciśnienia wewnętrznego. Ciśnienie gazu sprawia, że cienkie ścianki stają się sztywne i wytrzymałe (podobnie jak w przypadku napompowanej opony), gdy są wypełnione napojami gazowanymi. Jest to standardowe rozwiązanie stosowane w przypadku napojów gazowanych i piwa. Słaby punkt jest jednak oczywisty: puszka jest słaba konstrukcyjnie bez ciśnienia wewnętrznego. Nawet puste puszki są podatne na uszkodzenia. Nie są w stanie wytrzymać ujemnego ciśnienia panującego podczas pakowania próżniowego lub chłodzenia w retorcie i ulegają zgnieceniu. Jeśli zamierzasz używać dwuczęściowych puszek aluminiowych do serwowania napojów niegazowanych (takich jak herbata lub sok), będziesz potrzebować dodatkowych systemów podtrzymujących, aby zapewnić integralność strukturalną linii produkcyjnej.

Powłoki wewnętrzne: powłoki polimerowe a bezpieczeństwo żywności

Mówiliśmy już o metalowym podłożu, jednak w 90 procentach przypadków produkt spożywczy w rzeczywistości nie styka się z metalem. Gdy stal styka się z kwaśną żywnością, ulega korozji. Natomiast kontakt z aluminium może wpłynąć na profil smakowy produktu.

Aby rozwiązać ten problem, współczesne puszki są pokrywane wewnętrznymi powłokami organicznymi. Są to powłoki polimerowe, które są natryskiwane na korpus puszki i suszone w trakcie procesu produkcyjnego.

Przez dziesięciolecia powłoki epoksydowo-fenolowe stanowiły standard w branży ze względu na swoją trwałość i odporność chemiczną. Niemniej jednak presja regulacyjna i oczekiwania konsumentów powodują masowe przejście na powłoki wolne od BPA (BPANI), w których nie stosuje się bisfenolu A (BPA), w tym na powłoki na bazie poliestru lub akrylu.

Ta zmiana składu chemicznego stanowi wyzwanie dla linii pakującej pod względem fizycznym. Powłoka BPANI charakteryzuje się zazwyczaj mniejszą przyczepnością lub większą kruchością w porównaniu z poprzednimi powłokami epoksydowymi. Pod wpływem obciążeń mechanicznych powłoki te mają tendencję do powstawania mikropęknięć.

To sprawia, że dokładność działania dysz napełniających ma ogromne znaczenie. Dysza napełniająca jest wkładana do puszki w celu rozpylania produktu na linii produkcyjnej o dużej prędkości. Gdy dysza ociera się o ściankę puszki z powodu drgań maszyny, dochodzi do uszkodzenia wewnętrznej powłoki. Rysa niewidoczna gołym okiem odsłania gołe metalowe powierzchnie produktu. Powoduje to rdzewienie, pęcznienie lub psucie się produktu w trakcie wielotygodniowego przechowywania. W związku z tym przejście na puszki bez BPA może wymagać ponownej kalibracji centrowania i stabilności głowicy napełniającej w celu zapewnienia bezdotykowej pracy.

Wytrzymałość mechaniczna: dlaczego stal dominuje w branży konserwacji żywności

W kontekście doboru materiałów opakowaniowych pojęcie „wytrzymałości” jest nieprecyzyjne. W kontekście konserwowania mamy na myśli przede wszystkim sztywność i odporność na podciśnienie.

Dlaczego stal jest najczęściej stosowanym materiałem w produktach spożywczych poddanych konserwacji, takich jak warzywa, mięso i dania gotowe do spożycia? Nie chodzi tu wyłącznie o tradycję, ale o fizykę.

Aby zachować właściwości żywności o niskiej kwasowości, konieczne jest usunięcie tlenu, co pozwala uniknąć utleniania i rozwoju bakterii tlenowych. Osiąga się to poprzez Pakowanie próżniowe. W trakcie tego procesu powietrze jest usuwane z przestrzeni nad produktem w puszce tuż przed zamknięciem pokrywki. Z kolei w procesach napełniania na gorąco produkt jest napełniany w stanie gorącym, a w miarę jego stygnięcia gaz w przestrzeni nad produktem kurczy się, tworząc próżnię.

Ta próżnia wywiera silną siłę skierowaną do wewnątrz na ścianki puszki. Atmosfera nieustannie próbuje zgnieść pojemnik.

Moduł Younga (sztywność) stali jest wysoki. Jest ona w stanie wytrzymać tę siłę zgniatającą skierowaną do wewnątrz bez odkształcenia. Dzięki temu producenci mogą stosować intensywne cykle próżniowe w celu osiągnięcia maksymalnego okresu przydatności do spożycia. Gdy producent próbował zastosować ten sam proces w przypadku zwykłej puszki aluminiowej, pojemnik ulegał zgnieceniu (zapadaniu się), co psuło jego wygląd, a być może także uszkadzało uszczelnienie.

Ponadto podczas procesu retortowego występują gwałtowne zmiany ciśnienia. Puszka jest podgrzewana, co powoduje jej rozszerzenie się, a następnie schładzana, co prowadzi do gwałtownego skurczu. Sztywność stali pełni rolę amortyzatora tych wahań ciśnienia. Dzięki temu przetwórca może skupić się na parametrach bezpieczeństwa żywności (czasie i temperaturze) bez ciągłego obawiania się o uszkodzenie opakowań. W przypadku produktów o wysokiej wartości, takich jak preparaty dla niemowląt czy wysokiej jakości mięso, jedynym materiałem zapewniającym wymagany margines bezpieczeństwa jest stal.

Plastyczność: w jaki sposób aluminium pozwala na produkcję lekkich opakowań do napojów

Skoro stal jest tak wytrzymała, dlaczego cała branża napojowa przeszła na aluminium? Odpowiedź tkwi w plastyczności i logistyce.

Aluminium jest znacznie bardziej miękkie i plastyczne niż stal. Ta plastyczność pozwala na wyciąganie go w bardzo cienkie ścianki bez pękania. Współczesna aluminiowa puszka na napoje to lekki cud inżynierii – jest wykonana z jak najmniejszej ilości materiału niezbędnego do przechowywania płynu. Przekłada się to na ogromne oszczędności w zakresie kosztów transportu i zużycia surowców.

Niemniej jednak ta elastyczność stanowi problem na linii produkcyjnej. Aluminiowa puszka jest tak delikatna, że można ją zgnieść nawet umiarkowanym uciskiem dłoni, co może spowodować, że cenny produkt zamieni się w złom. Puszki te są jednak pakowane na palety, które po ułożeniu w stosy i podczas transportu muszą wytrzymać ciężar rzędu tysięcy funtów.

Jak rozwiązać ten paradoks? Wykorzystując Dozowanie ciekłego azotu.

Ponieważ materiał nie jest wystarczająco sztywny, by samodzielnie utrzymać ciężar (szczególnie w przypadku napojów niegazowanych), linia pakująca musi sztucznie zapewnić integralność strukturalną opakowania. Tuż przed zamknięciem do napoju dodaje się bardzo niewielką kroplę ciekłego azotu. Azot natychmiast paruje, zwiększając swoją objętość 700-krotnie.

Wzrost ten powoduje naprężenie wewnątrz puszki. Przekształca on giętką, elastyczną aluminiową powłokę w twardy, sprężony cylinder. To ciśnienie wewnętrzne niweluje niedostateczną wytrzymałość materiału.

Dla nabywcy sprzętu oznacza to bardzo prostą zasadę: w przypadku stosowania aluminiowych puszek z wodą, sokiem lub kawą dozownik azotu nie jest jedynie dodatkiem, lecz niezbędnym elementem systemu zapewniającego integralność konstrukcyjną. Bez niego tak zwane puszki z żeliwa ciągliwego ulegną zapadnięciu pod własnym ciężarem rozłożonym na całej powierzchni.

Odporność na korozję: rola warstw cyny i chromu

Musimy przejść do kwestii cyny w puszce. Dlaczego więc nadal stosujemy powłoki cynowe lub chromowe, skoro dysponujemy wewnętrzną powłoką polimerową?

Rozwiązaniem jest redundancja i ochrona elektrochemiczna.

Powłoki wewnętrzne mogą ulec uszkodzeniu. Mogą zawierać mikroskopijne otwory lub ulec uszkodzeniu podczas procesu zgrzewania. Bez metalowej bariery kwaśny charakter żywności (takiej jak koncentrat pomidorowy czy sok ananasowy) natychmiast spowodowałby korozję stalowej podstawy. Powstałaby rdza (tlenek żelaza), która zanieczyściłaby żywność i mogłaby doprowadzić do wybrzuszenia się i pęknięcia puszki.

Cynę pełni rolę bariery. W niektórych środowiskach kwaśnych cyna pełni funkcję ochronną względem stali. Oznacza to, że ulega stopniowej korozji, chroniąc znajdującą się pod nią stal. Chrom (w systemie TFS) tworzy pasywną barierę tlenkową, która jest chemicznie obojętna.

Te warstwy ochronne są bardzo cienkie. W rzeczywistości ich grubość wynosi czasem zaledwie kilka mikronów. Stanowi to duże obciążenie dla urządzeń do napełniania i zgrzewania.

Jeśli a dysza napełniająca Jeśli produkt kapie na kołnierz (krawędź) puszki, może to spowodować zaleganie resztek żywności w uszczelce. Gdy uchwyt do zgrzewania (narzędzie przytrzymujące pokrywkę) działa zbyt agresywnie, może to doprowadzić do pęknięcia powłoki na krawędzi puszki. W przypadku uszkodzenia tej powłoki puszka traci swoją “odporność na korozję”.

Ma to szczególne znaczenie w liniach pakujących produkty o wysokiej kwasowości. Stosowane urządzenia powinny obchodzić się z puszkami bardzo delikatnie. Elementy stykające się z puszkami muszą być wykonane z materiału nieściernego lub z hartowanej stali nierdzewnej o wypolerowanej powierzchni, aby uniknąć mikroszlifów na powłoce ochronnej puszki. Maszyna pracująca w sposób nieprecyzyjny może nie spowodować natychmiastowej awarii, ale doprowadzi do gwałtownego wzrostu liczby wycieków i zepsucia produktu kilka tygodni po opuszczeniu fabryki.

Wniosek: Dostosowanie produkcji do specyfikacji materiałowych

Pytanie o to, z czego wykonane są puszki, jest w istocie pytaniem z zakresu fizyki. Może chodzić o twardość stali TPS, kruchość aluminium lub szczególne wymagania dotyczące łączenia materiału TFS, ale każdy z tych materiałów nakłada na linię produkcyjną pewien zestaw zasad. Nieprzestrzeganie tych wytycznych prowadzi do zniszczenia puszek, uszkodzenia uszczelnień i marnotrawstwa produktu.

Aby odnieść sukces w branży opakowaniowej, należy dostosować możliwości sprzętu do specyfikacji materiałów. Właśnie w tym zakresie Levapack wyróżnia się na tle konkurencji. Dzięki ponad 18-letniemu doświadczeniu inżynieryjnemu i obecności w ponad 100 krajach nie ograniczamy się jedynie do sprzedaży maszyn – dostarczamy dostosowane do indywidualnych potrzeb rozwiązania w zakresie precyzyjnej obsługi materiałów. Niezależnie od tego, czy potrzebujesz zgrzewarki próżniowej do sztywnych puszek stalowych, linii do dozowania azotu do lekkich opakowań aluminiowych, czy też precyzyjnej napełniarki do delikatnych proszków i granulatów, nasz zakład o powierzchni 4 000 m² oraz zespół ekspertów ds. montażu dostarczają urządzenia dostosowane do właściwości metalurgicznych Twoich opakowań. Zapewniamy, że Twoja linia produkcyjna będzie działać z precyzją wymaganą przez Twoje materiały.