A precisão de enchimento é um dos muitos fundamentos da automação principal para linhas de embalagem e produção. A forma como o líquido, o pó ou os grânulos são controlados é fundamental para o nível operacional, a eficiência da produção e a rentabilidade de uma instalação de produção. A falta de especificações relativas aos parâmetros de enchimento conduz a ciclos de material que dissipam o desperdício de produto ou deixam o fabricante exposto a acções judiciais. A escolha da máquina de enchimento correta, a monitorização das condições ambientais e a implementação da manutenção preventiva devem estar alinhadas para garantir que o material dispensado corresponde às especificações pretendidas e minimiza a perda de produto.

O que é a exatidão de enchimento e porque é que é importante?

A exatidão do enchimento é uma medida da proximidade entre o peso real dispensado ou o volume de enchimento do produto num recipiente e o peso alvo especificado no rótulo do produto. Na embalagem industrial, esta medida é especificada de duas formas. Na medida absoluta variada, um peso alvo de 500 gramas é emitido com uma precisão de ±2g. Em percentagem relativa, um volume alvo de 1000 mililitros é emitido com uma precisão de ±0,5%.

Os sistemas de produção mecânica de alta velocidade significam que não são possíveis sistemas de erro zero; são inevitáveis pequenas variações. A engenharia tem como objetivo gerir as variações mecânicas e de material que certamente ocorrerão durante o processo de enchimento e gerir a variação de dispensa resultante dentro de uma janela de conformidade e tolerância muito pequena para garantir uma elevada qualidade do produto. Certas medidas de gestão de risco e verificações de controlo de qualidade são necessárias tanto do ponto de vista operacional como fiscal, bem como em termos de conformidade, para manter a reputação da marca e a satisfação do cliente.

O custo oculto da oferta de produtos

Quando um fabricante de detergente líquido vende o seu produto, este é enchido em excesso nas suas máquinas de enchimento de líquidos, que estão programadas para dispensar uma pequena quantidade a mais do que a indicada no rótulo. Este enchimento excessivo é uma estratégia legalmente defensável para garantir que nem uma única garrafa fica abaixo do peso legalmente declarado. No entanto, este volume adicional é dado ao cliente gratuitamente, o que se traduz numa perda operacional e inflaciona os custos globais de produção.

O líquido é enchido em excesso em cada garrafa para evitar penalizações por enchimento a menos, o que resulta num custo elevado para as linhas de produção de alta velocidade operacional que tentam garantir a quantidade correta de produto. Para uma linha de detergente líquido numa fábrica de processamento químico, imaginemos um caso de enchimento excessivo de cada garrafa em exatamente 3 gramas devido a um mau desempenho da máquina.

Como demonstrado, uma pequena imprecisão não representa apenas uma falha técnica; traduz-se diretamente em $360.000 em lucros líquidos perdidos todos os anos.

Riscos de conformidade e enchimento insuficiente

Operar no outro extremo do espetro de variação, o enchimento insuficiente, acarreta desafios legais e de conformidade significativos. Todas as autoridades reguladoras em todo o mundo implementaram normas reguladoras rigorosas relativamente a pesos e medidas para evitar que os consumidores sejam enganados por embalagens falsas. Nos EUA, estes regulamentos foram estabelecidos pelo National Institute of Standards and Technology (NIST) no Handbook 133. Na União Europeia, é a diretiva relativa aos instrumentos de medição (MID) que serve de base à legislação.

As diretrizes aqui apresentadas baseiam-se na Variação Máxima Permitida (MAV). O MAV descreve a quantidade de peso legalmente permitida que pode ser inferior ao peso declarado no rótulo antes de se tornar não conforme. Se o teste do lote revelar contentores com peso inferior ao MAV, ou se o peso médio do lote testado for inferior ao peso declarado, existe uma perda de conformidade e o mandado é imediato. A perda de conformidade chama a atenção das autoridades, pois é acompanhada de coimas significativas, recolhas obrigatórias de produtos e apreensão de linhas de produção, afectando gravemente o processo produtivo. Os produtos com enchimento insuficiente também circulam junto do público, resultando em queixas e comentários negativos dos clientes que desgastam o mercado e a confiança na marca. Atingir níveis elevados de exatidão é essencial para manter a integridade do produto.

Factores-chave que afectam a sua precisão de enchimento

O equipamento não é a única coisa que pode ser a causa de uma distribuição inconsistente e de níveis de enchimento incorrectos. Existem muitos factores externos e ambientais que podem estar em jogo, e a resolução de problemas é fundamental para otimizar a configuração da produção e garantir a consistência do produto.

Caraterísticas do produto (viscosidade, densidade, formação de espuma)

O comportamento do fluxo de materiais embalados é influenciado pelas caraterísticas do material de embalagem, como a viscosidade e a densidade e o potencial de formação de espuma. A viscosidade é a medida em que um líquido resiste ao fluxo e reage às mudanças de temperatura. Por exemplo, uma fábrica pode estar mais fria no turno da manhã, fazendo com que o líquido seja mais espesso. À medida que o dia avança, o aumento da temperatura ambiente resultará num líquido mais fino, alterando o caudal. No caso da tecnologia volumétrica, o líquido encherá um determinado volume, mas o peso alterar-se-á à medida que a densidade muda.

Os produtos que contêm sólidos ou partículas apresentam problemas mecânicos únicos. Por exemplo, o sumo de fruta ou o molho de polpa e sementes requerem uma conceção de construção do percurso do líquido. As válvulas standard podem entupir-se ou prender-se com partículas e, como resultado, a válvula nunca fechará completamente, fazendo com que a máquina distribua líquido em quantidades variáveis, levando a enchimentos inconsistentes.

Os produtos com espuma aumentam drasticamente de volume e apresentam problemas únicos de distribuição. Por exemplo, líquidos altamente aerados como champô, sabão e detergente líquido industrial criarão volumes de espuma no recipiente de líquido. Estas espumas criam níveis falsos no recipiente de líquido, fazendo com que os sensores de nível interrompam o processo de distribuição antes de ser atingido o peso correto, ou fazem com que o líquido transborde os bordos do recipiente.

Condições ambientais (temperatura, humidade)

A construção e a disposição do edifício afectam a forma como os diferentes sistemas automatizados podem ser configurados e a forma como são capazes de trabalhar em conjunto sob várias condições ambientais. A maioria das máquinas de enchimento utiliza sistemas pneumáticos, o que significa que dependem do fornecimento central de ar comprimido da fábrica. A precisão das válvulas de distribuição da máquina de enchimento depende do facto de a pressão do ar ser constante e estar a um nível específico. Quando outras máquinas de grande dimensão na fábrica estão em funcionamento, podem causar uma mudança temporária no fornecimento de ar comprimido, o que pode provocar atrasos no fecho das válvulas de enchimento pneumáticas e, subsequentemente, causar imprecisões imediatas no peso dos produtos que estão a ser enchidos, contribuindo para problemas no equipamento.

Quanto maior for a humidade num espaço, mais o ambiente promoverá a destruição dos produtos secos que estão a ser utilizados. Neste caso, os produtos em pó são especialmente vulneráveis ao ambiente. Em condições de humidade elevada, os pós podem aderir uns aos outros devido à humidade, o que pode alterar a densidade aparente do pó e afetar o fluxo do material. Por sua vez, isto altera a relação entre peso e volume. Neste caso, os mecanismos de parafuso utilizados para distribuir os pós secos serão afectados negativamente, porque uma massa de pó fundido será distribuída numa quantidade diferente da quantidade de pó solto que está contida na máquina.

Desgaste da máquina

O desgaste do equipamento é um processo lento, e muitas vezes impercetível, que está a causar uma introdução lenta de imprecisões desconhecidas e erros comuns. Para manter os sistemas fechados pressurizados dos equipamentos automatizados, cada um deles terá componentes que são concebidos para serem consumíveis, necessitando frequentemente de peças de substituição. Estes podem incluir calhas de guia, O-rings, vedantes de borracha e juntas específicas.

A repetição de ciclos mecânicos fará com que os materiais macios se desgastem e deformem gradualmente. Um O-ring que esteja apenas ligeiramente desgastado não resultará numa falha catastrófica, mas desenvolverá uma folga suficientemente pequena para permitir que o ar seja aspirado para o canal do fluido ou reduzir a pressão de vácuo o suficiente para permitir a passagem do fluido nos intervalos. Esta situação resultará numa diminuição do poder de sucção, o que fará com que o cilindro da bomba não retire o volume previsto durante o ciclo de distribuição, afectando drasticamente a precisão do enchimento.

Como calcular a exatidão do preenchimento e o ROI

A passagem da observação mecânica para o controlo estatístico do processo no âmbito de um sistema de controlo moderno é o principal motor de dados para a justificação de novas máquinas e de um controlo de qualidade abrangente.

Compreender a distribuição do peso de enchimento

Os engenheiros de produção adoptam uma distribuição normal (curva em forma de sino) para avaliar o desempenho de um sistema de produção. A forma da distribuição é tudo o que é necessário para definir o sistema.

Uma distribuição alargada e plana é um sinal de imprecisão da máquina. Os pesos que foram distribuídos estão espalhados por todo o lado. Teremos de deslocar a média de toda esta curva larga para a direita, o que resultará numa enorme entrega de produtos.

As curvas de distribuição que são altas e estreitas mostram que o equipamento de medição utilizado é altamente preciso, fornecendo informações em tempo real sobre o desempenho da máquina. Os pesos dos contentores estão muito próximos uns dos outros. Com uma variação tão pequena, a instalação pode mover toda a curva para mais perto do peso declarado no rótulo e não se preocupar com multas por enchimento insuficiente, eliminando o excesso de desperdício.

Para encontrar a curva operacional atual (sem ter de entrar em software complicado), faça o seguinte no chão de fábrica:

• Etapa 1: Retirar 50 recipientes consecutivos cheios e selados da linha de produção ativa.
• Passo 2: Utilizar uma balança industrial com um elevado nível de calibração para pesar cada unidade, subtrair a tara do recipiente vazio e da tampa.
• Passo 3: Determinar o contentor mais pesado e o mais leve dos 50 contentores amostrados. A diferença entre estes dois números é o valor do seu verdadeiro diferencial de precisão.

Quando uma instalação adquire equipamento mais preciso com elevada precisão de enchimento, permite-lhe obter uma curva de distribuição estreita. Isto significa que podem definir o peso alvo médio para um valor mais baixo e ainda reter a matéria-prima.

Custo Total de Propriedade (TCO) vs. Precisão

Quando se avalia uma máquina, o TCO deve ser comparado com o valor da precisão. Com o material a ser processado, há um ponto de equilíbrio que pode ser considerado ótimo para ele.

Se uma empresa estiver a embalar produtos como água potável purificada, o valor da matéria-prima é insignificante. Um erro de 1% é aceitável, pelo que a utilização de uma máquina de enchimento volumétrico de alta velocidade e baixo custo seria uma escolha racional. O custo de atualização para um sistema gravimétrico excederia em muito o valor da água poupada.

Por outro lado, quando uma instalação está a processar matérias-primas de alto valor, como soro cosmético, agroquímico ou farmacêutico, o custo da matéria-prima é a principal preocupação. Neste caso, justifica-se a aquisição de um sistema gravimétrico que custa 3 vezes mais do que um sistema volumétrico. O alto custo do sistema volumétrico torna-se justificável porque o valor dos materiais poupados compensa rapidamente o investimento, resultando por vezes num ROI completo em poucos meses, evitando atrasos desnecessários na produção.

Comparação de tecnologias de enchimento: Qual é a mais exacta?

A obtenção de uma tecnologia de dosagem ideal envolve a combinação correta dos princípios de engenharia da máquina, das caraterísticas físicas do produto e dos objectivos económicos da empresa.

Sistemas de enchimento volumétrico vs. gravimétrico

Enchimento volumétrico funcionam capturando um volume específico de líquido num recipiente, uma vez que medem o volume de líquido em mililitros ou onças fluidas. Cada recipiente é selado de forma a reter o líquido e empurrá-lo para dentro do recipiente. Uma das principais vantagens é o facto de terem velocidades de funcionamento mais rápidas e custos mais baixos, reduzindo o tempo total de enchimento. Um dos principais contras é o facto de não responderem a alterações de densidade. Se ocorrerem alterações na temperatura dos recipientes, a densidade do produto alterar-se-á e a máquina dispensará o mesmo volume, mas o peso estará incorreto no recipiente.

Sistemas de enchimento gravimétrico, também conhecido como enchimentos de peso líquidoAs máquinas de pesagem de massa absoluta funcionam com base na massa absoluta. Dispensam produtos às células de carga, que são sensíveis e medem o peso em gramas ou quilogramas. Também medem o peso em tempo real. Quando o fluxo de material atinge o peso designado, o sistema corta-o. O principal inconveniente é o facto de o processo ser moroso. Isto também significa que o fluxo de material será cortado e resultará em velocidades de funcionamento mais lentas. Estes sistemas de enchimento têm também um preço mais elevado do que os outros sistemas.

Desempenho de bombas de pistão, de broca e peristálticas

O fornecimento de diferentes viscosidades de produtos e materiais requer diferentes sistemas de bombagem. A utilização de um modelo de bomba incorreto conduzirá a um enchimento incorreto e a tempos de paragem dispendiosos.

A matriz abaixo categoriza as três principais tecnologias de bombas, cada um dos seus princípios mecânicos e os materiais que foram concebidos para bombear.

Resolução de problemas comuns de precisão de enchimento

Quando os parâmetros de precisão ultrapassam os limites estabelecidos, é altura de proceder à resolução sistemática de problemas. Adivinhar apenas aumentará o tempo de inatividade. Os operadores e engenheiros de manutenção devem determinar logicamente se a causa é mecânica, ambiental ou relacionada com o fluxo de material.

As informações seguintes sobre os problemas mais comuns e os erros mais frequentes no preenchimento de discrepâncias e a forma de os resolver rapidamente ajudá-lo-ão.

Melhores práticas para manter uma precisão consistente

A precisão permanente com a ajuda de técnicas de ponta ao longo dos anos é um produto da disciplina, dos manuais operacionais e de um sistema de manutenção.

• Calibração regular: A calibração dos sensores da máquina deve ser efectuada diariamente. Se tal não for feito, a calibração e os resultados não serão corretos. Todas as instalações têm de dispor de um conjunto de pesos obrigatórios e rastreáveis para ajudar na calibração do zero e da amplitude total das células e sistemas de carga. Todos os turnos e antes das mudanças de produto, os manómetros têm de ser colocados em zero e calibrados.
• Preventivo Manutenção: Se um componente for deixado a funcionar até falhar, o custo para a produção será de perdas inaceitáveis. Isto significa que deve haver um equilíbrio entre os registos de manutenção e o estado cíclico da máquina. Em qualquer ciclo de manutenção que envolva inspecções regulares, os O-rings, as juntas e os vedantes em bom estado visual devem ser substituídos e as ligações eléctricas devem ser verificadas. Antes de surgir uma fuga visível, um vedante desgastado cria pequenas folgas que destroem a precisão do vácuo, da pressão e do volume.
• Formação de operadores: Durante a desmontagem e a limpeza, o potencial de erro humano aumenta significativamente. Os operadores têm de receber formação sobre os critérios mecânicos específicos envolvidos na remontagem. O aperto incorreto dos corpos das bombas, as ligações soltas ou a montagem de componentes na sequência errada conduzem a fricção interna problemática ou a folgas de ar. Para que a remontagem preserve a precisão de base da máquina, é necessário respeitar ao máximo os procedimentos de funcionamento normalizados.

Conclusão: Proteger o seu lucro com precisão

A forma mais direta e fácil de gerir para as instalações de fabrico deixarem de perder dinheiro é melhorar a precisão do enchimento. A diferença de engenharia entre uma curva de distribuição larga e controlada e estreita é uma questão de dólares e cêntimos. A implementação de uma tecnologia de dosagem precisa tem um impacto direto na rentabilidade de uma linha de embalagem, quer se trate de controlar as perdas de produtos ou as multas de conformidade. A otimização da tecnologia de dosagem em função do valor do líquido ou do pó sensível utilizado, tal como acontece com os sem-fins avançados, permite que as instalações transformem a sua operação de embalagem de um local de desperdício de material para uma operação altamente optimizada e eficiente.

Pronto para eliminar a desistência? Parceria com a Levapack

Atingir e manter a precisão ao nível do mícron requer uma engenharia especializada. Levapack fornece linhas de embalagem completas e automatizadas, concebidas especificamente para as Pequenas e Médias Empresas (PME) de todo o mundo. Com 18 anos de experiência em engenharia dedicada e instalações em mais de 100 países, fabricamos sistemas de alto desempenho concebidos para eliminar o desperdício de material e otimizar a estabilidade da produção.

Para as instalações que lidam com pós de elevado valor, fornecemos sistemas avançados de servo-acionamento Enchedoras de rosca sem fim integrada com sistemas especializados de vácuo e descarga de azoto mantendo os níveis de oxigénio residual abaixo de 3%. Para operações de processamento de materiais viscosos, pastas e alimentos húmidos para animais de estimação, fornecemos Enchedoras de pistão e rotativas construído para uma consistência volumétrica exacta e uma integração perfeita com os processos de esterilização por retorta.

A Levapack concebe soluções personalizadas adaptadas às caraterísticas específicas dos materiais e às restrições das instalações. Consulte os nossos especialistas em engenharia e configure um sistema de embalagem de precisão concebido para proteger as margens de produção e garantir a conformidade rigorosa dos resultados.