Новости при оборудването за производство на пластмасови опаковки

ТенденцииСпециален брой: Пакетиране и складова техника • 05.07.2021

  • Индустрията за опаковане на хранителни стоки заема близо една пета от нетните приходи от пластмасовата промишленост

  • Разработват се софтуерни продукти, които опростяват програмирането на операциите на оборудването

  • Иновациите в автоматизацията за производство на опаковки обхващат множество аспекти - от интуитивното управление до роботизираните системи

 

 

Полимерните материали се използват в редица големи промишлени сектори като химическата индустрия, производството на опаковки, автомобилостроенето и др.

Безбройните приложения на този вид материал се дължат на няколко ключови негови характеристики като лекота и улеснена обработка в сравнение с металите и керамиката. Друга уникална особеност на полимерите е лесното смесване и свързване с други елементи (растителни или синтетични влакна, метали, керамика), за да се получи композитен или хибриден материал, като по този начин се разширява спектърът на приложения. В сегмента на опаковките тази практика е особено често срещана, тъй като чрез прилагането й се моделират и подсилват физикохимичните и механични свойства на материала, за да се произведе изцяло нов продукт с необходимите характеристики за производството на конкретен тип опаковъчно изделие.

В промишлеността тези материали се използват като решение, съчетаващо добрите механични свойства с лекота и устойчивост на корозия. Въпреки противоречията около тези материали, повечето от тях се получават чрез процеси, при които се използват като суровина петрол и газ, т.е. невъзобновяеми източници. Следователно се полагат много усилия за получаване на устойчиви полимери.

 

Видове пластмаси, използвани в опаковъчната индустрия

Въпреки че асортиментът от опаковки включва много видове промишлени пластмаси, индустрията за опаковане на хранителни стоки, например в САЩ, заема почти една пета от нетните приходи от пластмасовата промишленост, където се влагат основно полиетилен терефталат (PET), полиетилен с висока плътност (HDPE), поливинилхлорид (PVC), полиетилен с ниска плътност (LDPE), полипропилен (PP) и полистирол (PS) като основни компоненти на обикновените пластмасови опаковки за храни. През 1988 г. пластмасовата индустрия започва да прилага използването на кодиране за идентифициране на полимерните смоли за всеки вид пластмаса, за да насочи потребителите кои видове пластмаси могат да се рециклират и кои не, както и да даде информация за различните свойства според състава на пластмасата.

Всяка пластмасова опаковка се използва по определен начин в зависимост от своите свойства. PET пластмасите демонстрират много добри характеристики по отношение на сила на опън и граница на провлачване, както и прозрачност след обработка, но се топят много лесно, което ги прави идеално средство за съхранение на студени продукти, като същевременно не се осъществява химическо взаимодействие с продукта.

HDPE се използва за непрозрачни контейнери или бутилки, където също е необходим издръжлив и здрав материал, но не е необходима прозрачност. PVC най-често се използва за прозрачни пластмасови опаковки поради ниските разходи и разтегливост, както и това, че подлежи на лесна обработка чрез екструдиране до оформяне на листове. LDPE се използва за торби за съхранение, тъй като е евтин материал и има голям капацитет на разтегливост, както и отлични бариерни свойства. PP се използва в твърди контейнери като бебешки бутилки, чаши и купички поради своите високи якостни свойства, въпреки че е малко по-скъп материал в сравнение с другите пластмаси. PS намира приложение в контейнери от стиропор, както и за производство на тарелки, които изискват твърда форма или устойчивост на топлина.

Въпреки че тези материали осигуряват защита и съхраняват продуктите, често липсват както механични, така и бариерни свойства и осигуряват минимална опора за предотвратяване на щети.

За удовлетворяване на нуждите на кръговото производство много изследователи вече осъществяват успешни разработки на обещаващи производствени технологии, с които в бъдеще да може да се произвеждат полимери от възобновяеми източници. Това са така наречените “устойчиви полимери”. Полихидроксиалканоатите (PHA) и полилактидът (PLA) са някои примери за биополимери, като последните имат добри механични свойства и ниска цена. Въпреки негативите, полимерите и техните композитни и хибридни производни допринасят много за поддържането на качеството на човешкия живот. В опаковъчния сектор използването на полимери е от основно значение за гарантиране на качеството на продуктите и процесите. Поради тези причини иновациите в технологиите и оборудването за производство на пластмасови опаковъчни изделия е постоянна област на интерес за производители и развойни екипи.

 

Съвременни технологии и оборудване

Първичната пластмасова опаковка, която е в пряк контакт с продукта, най-често представлява полимерен филм с дебелина между 10 mm и 250 mm и зависи от фактори като трайност, непропускливост и устойчивост на химикали. Целулозните материали имат основна функция да структурират опаковката, като й придават различни форми, които улесняват боравенето, подреждането и транспортирането, като същевременно теглото на опаковката се запазва малко. Повърхността е подходяща за различни видове и качество на печат. Комбинацията на целулоза с конвенционални или биополимери (произведени от възобновяеми източници) води до подобрени повърхностни покрития и функционални свойства. Това допринася за осигуряване на характеристиките на пропускливост на водни пари, мазнини и газове, освен че подобрява уплътняването на опаковката, когато се изисква херметичност.

Ламинирането е сложен процес на свързване на няколко слоя от едни и същи или различни материали. Съвременните ламинатори изпълняват множество стъпки за производството на крайния опаковъчен материал. Процесът на ламиниране може да се извършва при няколко конфигурации според вида на оборудването – ролка върху ролка, отрез върху отрез и отрез върху сглобен пластмасов или метален носител (3D). В ламинатора фолиата се свързват посредством специални лепила, предназначени за производството на гъвкави опаковки, за да се образува нов композитен материал – при скорост на машината от 300 или повече метра в минута. Изборът на правилното лепило е от решаващо значение за производството на безопасни ламинати и за постигане на желаните качества на една опаковка – устойчивост при пълнене, бариерни свойства и механична якост.

Има четири основни метода за ламиниране – чрез лепила на водна основа или друг разтворител, който изисква изпаряване на ламинирания носител, за да се свържат основите; чрез термопластично покритие, което изисква топлина и натиск за ламиниране; чрез екструдиране, при което слой разтопена пластмаса се нанася върху движещ се целулозен лист или филм; и чрез горещо разтапяне, което се различава от екструдирането по това, че се извършва при по-ниска температура с восъци и вещества с по-ниска температура на топене.

Когато методът за ламиниране включва нанасяне на лепила, при свързването на материалите трябва да се използва достатъчно количество такива. Материалите трябва да са съвместими, тъй като доброто взаимодействие е особено важно за полимерите, които имат ниско повърхностно напрежение и отблъскват лепилото. Този проблем се преодолява, като се извърши повърхностна обработка с цел увеличаване на повърхностното напрежение. Популярна технология е прилагане на електрически разряди, модифициращи еднакво полимерната повърхност. Разрядът генерира реактивни окислители като озон, кислородни радикали или кислородни атоми, отговарящи за овлажняването на повърхността, като по този начин се улеснява адхезията.

При процеса на екструдиране полимерният материал под формата на гранули, ленти, прах и други се подава към екструдера през бункер. Изходният материал бива предварително смесван с добавки, които подобряват специфични характеристики на полимера. След това материалът се транспортира по шнеков механизъм и с прилагане на налягане се прекарва през формоващата матрица, превръщайки се в непрекъснат полимерен продукт. За нуждите на опаковъчната индустрия екструдерите най-често се използват за производство на фолиа и за ламиниране на многослойни композитни материали, в състава на които участват и полимерни слоеве. Нагревателните елементи над корпуса разтапят полимера. Температурата на материала се контролира от термодвойки. Изходният продукт, напускащ матрицата, се охлажда чрез обдухване с въздух или с водна баня.

Екструдирането на полимери (за разлика от екструдирането на метали) е непрекъснат процес, който продължава, докато се подава суровина. Екструдирането се използва главно за термопласти, но еластомерите и термореактивните полимери също могат да бъдат екструдирани. В този случай омрежването се формира по време на нагряване и топене на материала в екструдера. Екструдираните термопластични продукти могат да бъдат допълнително оформени чрез методите на термоформоването.

Производството на пластмасово фолио за продукти като чанти за пазаруване и покрития се постига с машини за екструдиране с раздуване на фолиото. Процесът е идентичен с конвенционалното екструдиране на полимери, описано по-горе, до етапа на преминаване през матрицата. За раздуването се използват три основни типа матрици – пръстеновидна (или кръстосана глава), тип “паяк” и спирална.

Пръстеновидните матрици имат най-опростена конструкция и при тях полимерната стопилка се насочва по напречното сечение на матрицата, преди да излезе от нея.

Често се получава неравномерен поток. Матриците тип “паяк” са снабдени с един центриран дорник, прикрепен към външния пръстен на матрицата. Потокът при този тип матрица е по-равномерен в сравнение с пръстеновидните матрици, но в структурата на полимера се получават линии, които отслабват филма. Спиралните матрици имат най-сложна конструкция, но затова пък решават проблемите, налични при предходните два типа.

Преди да напусне матрицата, стопилката се охлажда до определена температура, за да се постигне пластифициране на материала в тръбовидна форма. Следващата стъпка е разширяване на диаметъра на тръбната заготовка чрез прилагане на въздух под налягане, изтегляне и навиване на ролки, като същевременно полимерът се разтяга по дължина и по напречна посока. По този начин филмът се изтънява и молекулните вериги на полимера се изравняват.

Термоформоването е производствен процес, при който пластмасовият листов материал или филм (при по-малки сечения) се нагрява до температура, при която става податлив на пластично формоване. След това материалът се разпъва във или върху матрица, излишните краища се изрязват и се охлажда, за да се втвърди в завършената си форма.

Има две основни категории продукти на термоформоването – изделия с дебелина по-малка от 1,5 mm, при които изходният полимер най-често се подава от ролка или екструдер. Изделията, произведени чрез тънкомерно валцовано или екструдирано термоформоване са предимно твърди или полутвърди опаковки за еднократна употреба, използвани в хранително-вкусовата индустрия, както и опаковки за медицински изделия и др. При листове с дебелина над 3 mm доскоро подаването на изходния материал се извършваше ръчно, но съвременното оборудване предлага автоматизирани системи за подаване на вече нарязана до крайни размери заготовка.

 

Иновации в оборудването за полимерни опаковки

Производителите на опаковки за бързообортни стоки търсят термоформовъчни машини, които да се отличават с експлоатационна издръжливост и дълготрайност, да са съвместими и да позволяват синхронизация с голям набор от допълнителни устройства и аксесоари, да позволяват неограничени възможности за персонализация и да реализират бърза възвръщаемост на инвестициите. През последните години оборудването за термоформоване се е развило значително в посока подобряване именно на тези съществени за клиентите характеристики. Съвременните машини са снабдени с модулна конструкция, като така машината удовлетворява широк набор от производствени нужди, приспособява се за работа с всякакъв тип матрици и вариращи скорости на производство. По този начин модерните термоформоващи машини се превръщат в многофункционално високопроизводително оборудване. Съвременните системи за безопасност са свързани с HMI интерфейса, благодарение на което всеки потенциален риск или опасност бива открит своевременно и работата на машината бива преустановена безопасно, след което се активира услуга за дистанционна поддръжка, което съкращава времето за реакция. Моделите по-висок клас предлагат и технологични допълнения, които в още по-голяма степен улесняват и ускоряват производствените процеси, в това число автоматизирани интегрирани системи за изрязване на формованото изделие и други.

Иновациите в автоматизацията за производство на опаковки обхващат голям кръг от аспекти – от интуитивното управление до роботизираните системи за производство, конвейерни и други решения за транспортиране, автоматично регулиране на параметрите на опаковките, системи за машинно зрение, сервосистеми и други.
Новите сервозадвижвания например се фокусират върху осигуряване на удобство на работа, точност на позициониране, широк регулируем скоростен обхват и прецизна динамична характеристика.

Набляга се на plug-and-play съвместимостта. Опростеното свързване с двигатели от различни модели и интуитивният интерфейс улесняват интеграцията и настройката на устройството. Хибриден конектор с оптимален дизайн позволява безпроблемно свързване с двигател с единичен кабел. Многоядрени контролери позволяват управление на сервозадвижванията чрез единична интегрална схема, бързо адаптират промените в натоварването спрямо променящите се скорост и позиция. За подобряване на мерките за безопасност се предлагат системи за мониторинг на движението (Safe Motion Monitor – SMM).

С прилагането на Ethernet базирани вентилни острови се осъществява максимална ефективност на контрола на пневматичните операции на високоскоростно производствено оборудване, като конвейерни линии например. Системните сензори, свързани към захранването, използват индустриален интерфейс IO-Link за комуникация, така че да се осигури непрекъснатост на измерванията и предаване на поток от диагностична и статистическа информация. За да се определи дали произвежданите пластмасови изделия отговарят на зададените изисквания, на изхода на линията може да бъдат инсталирани устройства за визуална проверка като баркод четец или система за машинно зрение.

Предизвикателствата за производителите на пластмасови опаковки включват недостиг на работна ръка, ограничено пространство при увеличаване на производствения капацитет и необходимост от подобряване на ефективността. Последните изследвания сочат, че 15% от всички приложения на колаборативни роботи през 2020 г. са свързани с инжекционно формоване, като автоматизиране на задачи, например поставяне на материалите в матрици и движещи се части при процесите, последващи формоването.

Тези задачи изискват голяма повторяемост, сложни движения и спазване на точни ъгли, което прави използването на шестоосни роботи изключително подходящ метод.

Възможността коботите да работят съвместно с персонала и да бъдат инсталирани върху или до шприц машината, без да е необходима реорганизация, може да спести ценно пространство. Модерните шприц машини вече се предлагат с интегриран специализиран интерфейс за инжекционно формоване, чрез който се свързват с широк набор колаборативни роботи. Интерфейсът осигурява на производителите възможност да настроят, програмират и контролират целия цикъл чрез функция за обучение на кобота. Заедно с адаптивното позициониране и допълнителните степени на свобода, в сравнение с традиционните декартови роботи, пред едно производство се разкриват изключително широки възможности за подобряване на ефективността.

Друга тенденция в развитието на автоматизацията за опаковъчната индустрия е разработката на софтуерни продукти, които да опростяват програмирането на операциите. Водещи производители постигат това чрез използване на програмируеми логически контролери (PLC).

По този начин отпада необходимостта операторите да овладяват специфични индустриални езици за програмиране на роботите, а директно въвеждат операцията в стандартен програмируем логически контролер. Софтуерът може да управлява няколко робота и позициониращи устройства едновременно. Контролерът на робота използва кинематични алгоритми за управление на движението. Това решение също така елиминира излишните електрически интерфейси и консолидира хардуера, като по този начин оптимизира заеманата площ и опростява функциите за безопасност.

 

ЕКСКЛУЗИВНО
Top