A escolha de uma máquina de embalagem industrial consiste em fazer corresponder as especificações da máquina ao tipo de produto e às suas caraterísticas físicas, assegurando que a sua escolha de equipamento satisfaz as suas necessidades específicas. Para produtos altamente viscosos, pastas espessas e produtos com inclusões de partículas sólidas, os sistemas padrão de gravidade ou de transbordo não funcionam. Estes resultam em volumes de enchimento inconsistentes, encravamentos mecânicos e perdas significativas de produto. É aqui que tecnologia de pistão de enchimento passa a ser a norma de engenharia estipulada.

Este guia destina-se àqueles que, nas suas instalações, estão a avaliar o equipamento para gerir os problemas associados a materiais altamente viscosos, bem como àqueles que, no seu gabinete de engenharia, estão a lidar com problemas de perda de material e enchimento variável. Trata-se de uma visão geral dos princípios de conceção, compatibilidade de produtos e componentes, sistema de acionamento e requisitos sanitários para as linhas de produção contemporâneas. A compreensão destes princípios básicos permitirá ao seu pessoal de compras e de engenharia conceber sistemas de embalagem com um tempo de inatividade e perda de produto mínimos, mantendo simultaneamente um controlo volumétrico preciso para resistir ao teste do tempo.

O que é o enchimento de pistão e as suas aplicações industriais?

O enchimento por pistão é um exemplo de tecnologia de medição de volume por deslocamento positivo (VMT). As tecnologias de enchimento baseiam-se na mecânica de um cilindro de pistão e de um pistão. Quando um pistão se move para trás, é criado um vácuo e uma certa quantidade de produto, especificamente um produto líquido, da grande tremonha de líquido de abastecimento é puxada para dentro do cilindro. Quando o pistão se move para a sua posição de retorno, uma válvula é comutada. O pistão move-se então para trás. Quando o gelado está cheio, o pistão volta a mover-se para a frente e o líquido é distribuído através de um bocal de enchimento para os recipientes de espera posicionados nas correias transportadoras abaixo.

Como o volume do produto está num cilindro, o volume do cilindro é conhecido. Por outro lado, o comprimento do pistão que é movido é o comprimento que irá parar o pistão. Portanto, independentemente do líquido no cilindro, será sempre dispensada uma quantidade consistente e exacta de produto, garantindo enchimentos volumétricos precisos.

Esta tecnologia foi concebida para indústrias em que os materiais são espessos, densos ou volumosos. Os enchimentos padrão por gravidade ou transbordo são ineficazes nestas situações, deixando a deslocação do pistão como o único método fiável para lidar com reologias difíceis. Para ajudar a descrever a melhor utilização para esta tecnologia, a tabela abaixo destaca as principais aplicações industriais e as categorias de produtos que gerem, acomodando vários tipos de recipientes e qualquer forma de recipiente:

Para os engenheiros e gestores de instalações que pretendem compreender os elementos mecânicos específicos, tais como os designs das tremonhas, os materiais dos cilindros e os materiais da estrutura, é aconselhável consultar os documentos técnicos fundamentais das enchedoras de pistão antes de determinar as especificações do equipamento. A melhor Eficácia Global do Equipamento (OEE) para uma linha de embalagem é alcançada através de uma construção correta dos componentes da linha.

Compatibilidade de materiais: Viscosidade, Partículas e Válvulas

O processo de configuração de uma máquina de enchimento de pistão envolve o sistema interno de válvulas, o trajeto ajustado das válvulas e as caraterísticas reológicas do produto. A viscosidade do líquido e quaisquer partículas sólidas presentes definem o percurso do fluxo da máquina de enchimento, quer se trate de líquidos viscosos ou de líquidos finos. Se a válvula for projectada incorretamente, o produto pode ser esmagado, as vias de fluxo podem ficar obstruídas ou a máquina de enchimento pode ser catastroficamente danificada.

Válvula rotativa vs. Válvula de retenção Processamento

A válvula é o elemento de ligação entre a tremonha, o cilindro e o bocal. Existem dois tipos principais de válvulas: a válvula de retenção e a válvula rotativa.

Uma válvula de retenção utiliza diferenciais de pressão simples para funcionar. Geralmente tem um mecanismo de esfera ou mola que se move dentro de um assento que foi maquinado com precisão. Durante um curso de sucção de um pistão, uma pressão negativa abre a esfera, o que significa que existe um caminho da tremonha para o cilindro e o caminho para o bocal está fechado. Durante um curso de descarga, a pressão positiva move a esfera para baixo, fechando a tremonha e abrindo o caminho para o bocal. Embora as válvulas de retenção sejam económicas e eficientes, estão limitadas a produtos finos e a líquidos de baixa e média viscosidade que não tenham partículas. A matéria sólida faz com que uma válvula funcione incorretamente em termos volumétricos e esmague os sólidos. Se houver polpa de fruta ou pedaços de carne, a válvula continuará a estar aberta e esmagará os sólidos.

As válvulas rotativas, ou válvulas de obturador, são concebidas para pastas de elevada viscosidade e produtos viscosos com muitas partículas. Em vez de utilizar a pressão do fluido para mover uma esfera, estas válvulas são operadas com um atuador externo pneumático ou elétrico para rodar um dos núcleos maquinados. Cada núcleo tem um tubo (ou canal) desobstruído que passa diretamente através dele. Quando é rodado para a posição de admissão, é alinhado para fornecer uma linha reta desobstruída da tremonha para o cilindro. Quando virado para a posição de descarga, também fornece um caminho largo e desobstruído para o bocal. Como o canal é grande e é um canal actuado (ativo), pode manusear géis e pastas pesados e sólidos grandes (morangos inteiros ou pedaços grandes de carne de cão) sem cisalhamento. A válvula rotativa manterá o produto em boas condições e proporcionará um ciclo de produção contínuo e sem bloqueios.

A melhor tabela de seleção de viscosidade

Para ajudar na especificação exacta do equipamento, a matriz seguinte relaciona as caraterísticas do fluido com o tipo de válvula necessário.

A seleção da configuração correta com base neste gráfico evita as causas mais comuns de falha da linha de produção. O processamento de um alimento para animais de estimação rico em partículas através de uma válvula de retenção interrompe imediatamente a produção, ao passo que o processamento de água através de uma válvula rotativa de alta resistência é uma despesa de capital desnecessária.

Otimização da fase de enchimento: Resolver os estrangulamentos mais comuns

Depois de determinar se o material é compatível, o passo seguinte é gerir a distribuição efectiva do material para o recipiente. Um dos desafios mais evidentes do processo de transferência de engenharia para líquidos espessos é o impacto da transferência do bocal do sistema pressurizado para o recipiente vazio, o que resulta na formação excessiva de espuma do produto e no fenómeno referido como "liquid tailing".

Como funciona o Cilindro de Pistão

Para avaliar corretamente as dificuldades de enchimento, vamos analisar o fluxo mecânico específico do fluido desde a tremonha de abastecimento até ao recipiente. Este processo começa no funil de abastecimento central, que contém grandes quantidades de produto acima da zona de enchimento, contando com a força da gravidade para alimentar o fluxo espesso de produto até à válvula.

Para determinar o deslocamento volumétrico da máquina, multiplica-se a área da secção transversal interna do pistão e o comprimento do curso do pistão e o curso do pistão.

Na primeira parte do processo, a válvula (que pode ser de retenção ou rotativa) cria um canal aberto entre a tremonha superior e o cilindro vazio. O pistão move-se então horizontalmente, criando uma forte pressão negativa (vácuo) no interior do cilindro. Este vácuo puxa então o fluido espesso, a pasta ou a mistura com partículas sólidas, deixando a câmara do cilindro completamente cheia, atingindo a sua capacidade máxima. Durante o ciclo de enchimento, se o pistão se mover muito lentamente (especificamente com alta viscosidade), pode ocorrer cavitação (a formação de uma bolha de ar), onde o colapso da bolha pode resultar na diminuição da qualidade da mistura e volumes de enchimento inconsistentes, prejudicando o seu controlo de qualidade geral.

Depois de o pistão ter sido totalmente recolhido e o cilindro totalmente carregado, a válvula desloca-se e cria uma vedação para o caminho de regresso à tremonha. Em seguida, abre um novo caminho que conduz ao bocal de distribuição.

Durante a descarga, o pistão avança e cria uma pressão positiva extrema no líquido que está preso. O líquido não consegue inverter e regressar à tremonha. Em vez disso, é empurrado para fora do cilindro, produzindo quantidades precisas através do corpo da válvula, para o bocal, e distribuído com precisão para o recipiente que está à espera no tapete transportador abaixo. Para produtos altamente viscosos, é criada uma pressão interna extrema e o líquido é descarregado do bocal a velocidades muito elevadas. A transição do cilindro pressurizado para o recipiente aberto, não pressurizado, é o ponto em que a dinâmica dos fluidos se torna imprevisível e onde o controlo do produto é frequentemente perdido.

Eliminação da formação de espuma e de resíduos

A formação de cauda (ou de cordas) e de espuma são os dois fenómenos que ocorrem durante o enchimento de pistão industrial a alta velocidade.

A formação de cauda ocorre com líquidos muito espessos que não se separam corretamente do bocal quando o pistão pára. Alguns exemplos são molhos espessos, gel ou mel. Um fio fino do produto fica preso ao bico e arrasta-se na borda do recipiente ou cai na correia transportadora. Este fio arrasta-se na superfície de selagem do recipiente e afecta o processo de selagem seguinte. Isto também traz muitos problemas de saneamento para a linha de produção.

Os engenheiros devem especificar bicos de fecho positivo juntamente com um mecanismo anti-gotejamento para se livrarem dos resíduos. Um bico de fecho positivo tem um pino ou válvula interna que se situa na extremidade do bico. Assim que o pistão termina um curso de descarga, esse pino fecha-se e corta completamente o fluxo de líquido, garantindo enchimentos precisos. Nenhum produto sai. Além disso, os sistemas avançados têm uma configuração chamada "suck-back". Aqui, o pistão move-se numa micro inversão no final do ciclo de enchimento. Isto cria uma pequena quantidade de pressão negativa e o menisco do líquido é puxado de volta para o interior do bocal, assegurando uma rutura limpa e sem gotejamento. Quando se enchem recipientes com líquidos que contêm tensioactivos (produtos de limpeza, champôs e alguns líquidos proteicos), a retenção de ar provoca a formação de espuma. A espuma cria níveis de enchimento falsos e desperdiça produto. Se o fluxo de enchimento for demasiado rápido, o fluxo atinge o fundo do recipiente, provocando a agitação do ar e a formação de espuma, o que faz transbordar o recipiente.

Para resolver os problemas da espuma, a linha de produção precisa de utilizar sistemas de enchimento de baixo para cima (também designados por bicos de mergulho). Isto significa que todo o bocal é movido verticalmente, de modo a que o fundo do bocal fique a alguns milímetros do fundo do recipiente, mesmo que seja um recipiente grande. O ar acima do líquido é deslocado pelo líquido do recipiente. A altura a que o líquido no recipiente sobe está perfeitamente alinhada com a velocidade do atuador. Assim, a parte inferior do bico está sempre submersa no líquido, evitando salpicos, turbulência e retenção de ar, garantindo um tempo de enchimento consistente do produto.

Sistemas de acionamento: Enchedoras Pneumáticas vs. Servo-Acionadas

O sistema de acionamento (fonte de energia mecânica) determina a precisão, rapidez e viabilidade económica (custos totais de propriedade, TCO) das máquinas de enchimento de pistão, durante longos períodos de tempo. Atualmente, as máquinas de enchimento com acionamento por pistão são acionadas por cilindros pneumáticos tradicionais ou por sistemas combinados de acionador/motor de nova geração, mais eléctricos e de tecnologia avançada.

Pneumático: Económica e à prova de explosão

Nos sistemas de acionamento pneumático, o pistão é acionado por ar comprimido. Um cilindro de ar é ligado ao eixo do pistão e as válvulas de controlo direcional controlam o fluxo de ar para empurrar ou puxar o pistão.

A principal vantagem dos sistemas pneumáticos é o facto de serem simples e terem um custo mais baixo. Há menos peças móveis, são mais fáceis de controlar com a eletrónica (o que facilita a manutenção para os engenheiros) e são mais fáceis de manter em geral. Além disso, os sistemas pneumáticos são preferidos em ambientes perigosos. Os sistemas pneumáticos são a melhor escolha para instalações de embalagem com materiais inflamáveis ou instalações nutracêuticas que operam com pós finos combustíveis, onde existe o risco de explosões de pó. É possível que um sistema pneumático seja projetado para ser completamente à prova de explosão. Uma vez que funcionam com pressão de ar, não há risco de faíscas no local onde o sistema pneumático é operado e não é utilizado qualquer acionamento elétrico.

Algumas limitações dos sistemas pneumáticos são o enchimento impreciso e os tempos de mudança lentos. Para ajustar o comprimento do curso dos pistões pneumáticos, por exemplo, os operadores são muitas vezes obrigados a utilizar volantes e blocos de paragem mecânicos. Se a fábrica precisar de alterar o volume de enchimento de 500 ml para 1000 ml, um operador terá de rodar fisicamente uma manivela para fazer o ajuste, depois efetuar enchimentos de teste e medir a saída, e ajustar os batentes mecânicos. Esta tarefa pode manter uma máquina inativa durante um período de tempo considerável. As flutuações da pressão do ar também são comuns em grandes ambientes fabris, o que pode levar a um enchimento impreciso durante um longo turno de produção.

Servo-acionado: Precisão e troca rápida

As linhas de embalagem de alto desempenho modernizaram-se com sistemas servo-acionados, onde servo-motores inteligentes ligados a fusos de esferas de precisão substituem os cilindros pneumáticos. Nestes sistemas, um controlador lógico programável (PLC) envia comandos digitais ao servomotor para controlar a posição do pistão e para gerir a aceleração e desaceleração do pistão.

Um sistema de pistão servo-acionado atinge uma precisão inigualável, proporcionando uma elevada exatidão a tarefas altamente complexas. É construído utilizando codificadores digitais e sistemas de feedback em circuito fechado. Como resultado, cada curso do pistão avança e recua exatamente o mesmo milímetro de cada vez. Este sistema também atenua as pequenas alterações de volume causadas pelas variações de pressão do ar, permitindo aos fabricantes atingir níveis de precisão de enchimento volumétrico tão baixos como 0,5%. Esta precisão é extremamente benéfica para os fabricantes de produtos de valor acrescentado, como suplementos nutricionais, alimentos premium para animais de estimação e pastas industriais, uma vez que minimiza a perda de produto e assegura o retorno do investimento.

Entre as muitas vantagens da utilização da tecnologia servo, a mais valiosa é a redução significativa do tempo de mudança. Já não são necessários volantes mecânicos para efetuar ajustes. Todos os parâmetros do processo são agora geridos através de um ecrã tátil digital da Interface Homem-Máquina (HMI). No caso das enchedoras automáticas de pistão e de outras máquinas automáticas, os engenheiros podem configurar e armazenar várias "receitas" para diferentes produtos e diferentes tamanhos de recipientes, consoante o tipo de conteúdo específico. Por exemplo, mudar a produção de um frasco de 200g de pasta para um frasco de 500g é tão fácil como premir um botão. O servo motor ajustará o seu valor de curso ao valor associado à receita selecionada. Essencialmente, isto transforma um ajuste mecânico (manual) de trinta minutos numa alteração digital de dez segundos, resultando em enormes melhorias na Eficácia Global do Equipamento (OEE) para toda a instalação.

Maximizar a higiene: CIP/SIP e limpeza sem ferramentas

No equipamento de enchimento por pistão, o desempenho mecânico da máquina de enchimento é secundário em relação à conceção sanitária da máquina de enchimento, pelo que esta é a principal. Uma máquina que distribui líquidos viscosos e alimentos com partículas ricas em proteínas está sujeita a contaminação bacteriana. Se os resíduos do produto ficarem presos nos cilindros, válvulas ou bicos e a máquina for parada para produção, esse resíduo estragar-se-á e contaminará o lote seguinte. Isto significa que o projeto de engenharia deve satisfazer o requisito de minimizar o tempo de paragem para limpeza e maximizar a higiene.

A conceção normal das máquinas exige que o operador utilize uma chave inglesa e/ou uma chave de fendas para desmontar a via do fluido para a poder limpar. Isto pode danificar os componentes, causar a perda de pequenos componentes e tornar o tempo de funcionamento inutilizável para a limpeza, além de ocupar horas do tempo de produção. Por este motivo, os enchedores de pistão industriais de qualidade superior oferecem um design de desmontagem sem ferramentas. Todas as peças do percurso do fluido (a tremonha, as válvulas rotativas ou de retenção, os cilindros, as tampas de distribuição e os bicos) são fixadas através de acessórios sanitários de tripla fixação. Um operador pode desmontar a via de fluido em minutos. Para as peças de contacto, a espessura do aço inoxidável 304 ou 316L de qualidade alimentar deve ser entre 1,5 mm e 2 mm, e com juntas de soldadura polidas ultra-suaves para evitar a formação de juntas microscópicas e zonas lentas e, consequentemente, o crescimento bacteriano.

Nas grandes operações em que não é possível desmontar as máquinas, é necessário conceber máquinas que integrem sistemas de limpeza no local (CIP) e esterilização no local (SIP). Uma enchedora de pistão de qualidade preparada para CIP destina-se a interagir com o sistema de limpeza automatizado de uma instalação. A máquina pode ser configurada para executar vários ciclos sem remoção manual de peças. Isto inclui ciclos de limpeza alcalina concentrada, ciclos de lavagem ácida e ciclos de água de enxaguamento purificada através da tremonha, cilindros e válvulas. Durante este ciclo, cada pistão é submetido a ciclos repetidos. O fluido de limpeza destina-se a remover a sujidade e os detritos das superfícies internas utilizando alta pressão. Este sistema automatizado minimiza o trabalho manual e o tempo de paragem da máquina, ao mesmo tempo que cumpre as rigorosas normas sanitárias.

Parceria com um especialista em enchimento de pistão

Um dos desafios mais significativos no embalamento de líquidos viscosos é manter a precisão volumétrica a longo prazo sem acelerar o desgaste mecânico. Enquanto o equipamento de enchimento standard se degrada rapidamente ou perde consistência quando forçado a processar materiais pouco fluidos, produtos complexos como molhos de carne, mel espesso e cremes pesados requerem sistemas de deslocação concebidos com precisão. É por isso que a Levapack, um fabricante líder de maquinaria de embalagem personalizada, serve como parceiro estratégico para instalações que procuram eliminar estrangulamentos na produção e aumentar a fiabilidade operacional.

Ao processar reologias exigentes, os cilindros padrão sofrem frequentemente de degradação da vedação e dosagem irregular. Os nossos engenheiros especializados soluções de enchimento com pistão concebidos para eliminar exatamente estas falhas mecânicas. Utilizando cilindros doseadores de baixo desgaste e vedantes de pistão auto-compensadores de longa duração, estes sistemas foram concebidos para um funcionamento duradouro e sem manutenção. Comandados por sistemas PLC avançados com interfaces de ecrã tátil intuitivos, os operadores podem ajustar facilmente os volumes de enchimento de 100 ml a 1000 ml, garantindo uma dosagem precisa e de alta velocidade em latas de alumínio, frascos de vidro e bolsas pré-fabricadas sem a necessidade de substituições complicadas de peças.

Com o apoio de uma vasta experiência em engenharia e de um centro de investigação e desenvolvimento dedicado, recusamo-nos a confiar em compromissos prontos a utilizar. Engenheiros especializados montam manualmente cada sistema de enchimento para garantir a máxima precisão, adaptando a maquinaria às exigências exactas das instalações. Para construir uma linha resistente e automatizada que se adapte sem esforço às pastas e líquidos mais difíceis, as equipas de produção são encorajadas a submeter amostras de produtos complexos para testes exaustivos, permitindo à Levapack validar uma arquitetura de máquina de enchimento de pistão personalizada que garanta uma precisão inflexível e a máxima eficiência.