Verifica del processo di termosaldatura di fustelle in alluminio e polietilene impiegate per la produzione di brick per la conservazione dei cibi

[agiova]

Azienda: P&M s.n.c.
Autori: Maggiorana Paolo, Giovannozzi Alessandro, Belpane Andrea
Prodotti NI Impiegati: NI CDAQ 9188, NI 9375, NI 9211, NI 9203, NI 9265
Industria: Industrial Machinery

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La sfida:

Realizzare un banco prova per la verifica del processo di microsaldatura di fustelle d’alluminio e polietilene impiegate per il confezionamento asettico di prodotti alimentari liquidi in contenitori di cartoncino poliaccoppiato. Nello specifico, la particolare sfida risiede nel testarne, in particolari condizioni di pressione e temperatura, la relativa resistenza meccanica e la capacità di mantenimento delle proprietà organolettiche dei cibi contenuti al proprio interno.

La soluzione:
Progettare e realizzare una macchina in grado di sollecitare i campioni di materiale in esame riproducendo determinate condizioni di pressione e temperatura all’interno di una camera di prova, e, contemporaneamente, monitorare in tempo reale i parametri ambientali correnti ed il comportamento della fustella in prossimità delle microsaldature al fine di valutarne la resistenza meccanica, l’effettivo passaggio di luce attraverso essa (fenomeno che causa l’alterazione delle proprietà organolettiche del contenuto), ed in caso di rottura, localizzare il punto di partenza della lacerazione e le linee di propagazione della frattura. Tutto ciò è stato reso possibile grazie alla flessibilità della piattaforma NI CompactDAQ impiegata ed alla versatilità del software sviluppato in ambiente LabVIEW.

Autore:
- Maggiorana Paolo
- Giovannozzi Alessandro
- Belpane Andrea

Introduzione
P&M s.n.c. si pone come obiettivo fondamentale quello di supportare le imprese offrendo soluzioni innovative alle principali problematiche tecniche che interessano in special modo il campo del testing e dell’automazione industriale. Il caso specifico è il risultato della collaborazione con un’azienda leader nel campo del packaging. Tale collaborazione è nata con lo scopo di testare l’efficacia della linea di microsaldatura delle fustelle in alluminio e polietilene utilizzate per il confezionamento asettico dei prodotti alimentari all’interno di involucri in cartoncino poliaccoppiato.

Nella fabbricazione di brick ed altre tipologie di contenitori per la conservazione ed il trasporto dei cibi, al fine di permettere al consumatore l’estrazione del contenuto conforme alle norme igieniche cogenti ed alle aspettative del consumatore, è necessario inserire in un punto della superficie una zona dedicata, che faciliti il prelievo del prodotto. Questa funzionalità si ottiene mediante la preforatura dello strato di cartoncino dell’involucro. In corrispondenza di questa zona, poi, gli strati di alluminio e polietilene vengono assicurati alla struttura portante del brick tramite termosaldatura.

È immediato intuire che, per sua natura, la zona in questione rappresenti l’elemento critico dell’intero contenitore, assieme alle saldature perimetrali del brick. Pertanto, esso dovrà essere in grado di garantire una perfetta tenuta, dal momento del confezionamento fino al consumo del prodotto. Per questo motivo quindi è nata la necessità di valutarne la resistenza meccanica, sottoponendo per un dato intervallo di tempo un campione di tale materiale a determinati test in pressione e temperatura controllate.

Inoltre, per valutare l’efficacia del processo produttivo di microsaldatura delle fustelle è fondamentale testare anche le capacità delle stesse di mantenere intatte le proprietà organolettiche dei cibi contenuti, impedendo la penetrazione della luce al proprio interno. Per questo aspetto è stato implementato un altro tipo di verifica, da eseguire sempre sotto il controllo di particolari combinazioni di temperatura e pressione nella camera di prova attraverso l’analisi visiva del comportamento della fustella in prossimità della microsaldatura stessa. L’evento da tenere sotto controllo è la lacerazione e la propagazione della frattura del solo strato di alluminio che la compone, data la trasparenza dello strato in polietilene, la cui integrità preserva il contenuto dal contatto con la luce.

Per ottenere ciò, è stata ideata una macchina dotata di un sistema pneumatico in grado di ricreare all’interno di una camera di prova particolari condizioni di pressione e temperatura. Il sistema prevede una camera di precondizionamento, all’interno della quale l’aria viene portata alle condizioni di pressione e temperatura desiderate: la pressione viene regolata pilotando in maniera combinata tramite segnali digitali due elettrovalvole, una a valle ed una a monte della precamera, mentre la temperatura viene controllata mediante una resistenza a cartuccia posta al suo interno. Raggiunte le condizioni di preriscaldamento e precompressione desiderate, viene attivata una terza elettrovalvola che permette all’aria di raggiungere la valvola regolatrice di pressione, la quale, ricevendo via software un segnale di tipo analogico, la porta alle condizioni di pressione richieste dal test. L’aria può a questo punto raggiungere la “test zone”. Il sistema pneumatico prevede inoltre due valvole di sicurezza in prossimità delle due camere, allo scopo di garantire una fuoriuscita di aria in caso di raggiungimento di livelli di pressione troppo elevati al loro interno.

 La camera di test suddetta è quindi dotata di un foro, su cui viene appoggiato un campione del materiale preforato e microsaldato da testare. Al di sopra della camera in pressione, un secondo ramo del sistema pneumatico muove un pistone che, premendo dall’alto la striscia di materiale in esame sulla superficie superiore della camera, garantisce la perfetta aderenza della stessa alla superficie di battuta. La rottura della fustella viene accertata rilevando anomale variazioni dei parametri ambientali all’interno della camera di prova. La lacerazione del solo strato in alluminio viene verificata invece monitorando il passaggio di luce da una parte all’altra della fustella mediante una telecamera digitale industriale, posizionata all’interno della camera di prova. La luce che viene rilevata dalla camera e che attraversa quindi la lacerazione dell’alluminio, proviene da led installati alla base del pistone che preme sulla striscia di materiale. La combinazione dell’andamento dei parametri ambientali in camera di prova e della dinamica del comportamento della fustella data dalle immagini campionate dalla telecamera, permette di localizzare il punto di rottura della stessa.

La particolare sfida è stata affrontata sfruttando le elevate performance e le capacità di eseguire operazioni simultanee della piattaforma NI CompactDAQ, al fine di consentire il pilotaggio del sistema di attuazione del pistone pneumatico, il controllo dei parametri di pressione e temperatura all’interno delle camere di prova e di precondizionamento, oltre al monitoraggio ed il post-processing delle immagini digitali riprese dalla telecamera industriale, sincronizzando i dati analogici con le acquisizioni d’immagini.

Strumentazione
Il sistema National Instruments inserito all’interno della macchina in questione è costituito dallo Chassis NI CDAQ 9188 ad 8 slot per l’acquisizione dei segnali ed il controllo delle attuazioni, con i seguenti moduli:

• Modulo NI 9375, avente 32 canali digitali impiegati per il controllo delle elettrovalvole dell’impianto pneumatico, il controllo delle resistenze a cartuccia installate all’interno del tank di preriscaldamento e della camera di prova, oltre ai led impiegati per illuminare la test zone.
• Modulo NI 9211, per la lettura tramite termocoppie della temperatura all’interno del tank di preriscaldo e della camera di prova
• Modulo NI 9203, per l’acquisizione dei segnali analogici provenienti dai sensori di pressione all’interno del tank di preriscaldo e della camera di prova
• Modulo NI 9265 di output analogico, per la regolazione della pressione all’interno della camera di prova.

Il sistema così composto, a seguito del settaggio da parte dell’utente dei parametri di test quali la durata della prova, i valori nominali di pressione e temperatura ed i relativi intervalli di accettabilità, permette di eseguire le prove di tenuta, controllando costantemente le condizioni interne al tank di preriscaldamento ed alla camera di prova, monitorando altresì il comportamento del materiale in esame.

La singola prova verrà successivamente salvata dal software, insieme al relativo file di report.

Altra funzionalità del software è la possibilità di caricare i dati dallo storico delle prove portate a termine e quindi eseguire un post-processing, analizzando i video della “test zone” ed i grafici degli andamenti dei parametri di pressione e temperatura.

Il software
Lo sviluppo del software ci ha posto di fronte alla sfida di far coesistere tre aspetti:

- Complessità d’acquisizione ed elaborazione delle immagini dovuta alla loro elevata risoluzione

- Monitoraggio in tempo reale della prova ed editing dei parametri termodinamici

- Rapidità di esecuzione tra prove successive e capacità di acquisire e gestire una grande mole di dati

Ciò ha portato a sviluppare il programma secondo due filoni: uno improntato alla ricerca e sviluppo ed un altro pensato per un’analisi in serie. Il primo offre la possibilità di agire sui parametri ad ogni prova, visualizzare in tempo reale l’editor video ed utilizzare i tools di post processing. Il secondo filone invece è stato pensato in un’ottica industriale, nella quale numerosi campioni dovranno essere sottoposti alla stessa tipologia di prova in rapida successione, puntando quindi all’ottimizzazione delle performance, garantendo l’esecuzione di numerosi test senza soffrire l’aumento della mole dati.

La flessibilità della strumentazione NI ha consentito di sviluppare un software estremamente versatile e performante permettendo di ottenere un preciso sincronismo tra l’acquisizione della telecamera e le misure di pressione e temperatura, con l’obiettivo di fornire dati accurati sulle condizioni termodinamiche al momento della rottura della fustella. L’acquisizione dei filmati è stata implementata utilizzando delle librerie sviluppate ad hoc da National Instruments con le quali è stata gestita l’acquisizione di video ad altissima risoluzione e frequenza di 1000 fps. L’architettura software, strutturata su cicli paralleli, ha permesso di coordinare in modo efficace un ingente flusso dati ed elaborarlo in tempo reale al fine di determinare con precisione micrometrica il punto di rottura della fustella. Agendo sui timing dei diversi cicli funzionali e sfruttando differenti sistemi di queue e notifier, si è ottimizzato il software garantendone il funzionamento anche su un pc di fascia media, consentendo di ridurre i costi ed aumentare la versatilità del banco prova.

Risultati
Oggigiorno il mercato dell’automazione mette a disposizione numerosissime tecnologie, che variano da prodotti estremamente precisi destinati alla ricerca e sviluppo, a strumenti robusti ed affidabili pensati per le linee di produzione. Con l’ottica di sviluppare un banco di laboratorio destinato alla ricerca ma che, allo stesso tempo, garantista tutta l’affidabilità e la robustezza di un elemento industriale, si è deciso di utilizzare una CDAQ 9188. Quest’ultima fa coesistere l’affidabilità e la precisione delle misure con un hardware in grado di operare in ambienti ostili come quelli industriali, sottoposti a polvere, vibrazioni e temperature non controllate. In aggiunta, il comparto software ha consentito di sviluppare un programma robusto ed estremamente versatile mettendo a disposizione un linguaggio di programmazione profondo e strutturato ma allo stesso tempo fruibile. Inoltre, la disponibilità di numerosi slot all’interno dello chassis CDAQ lascia spazio di manovra per implementazioni e sviluppi futuri del macchinario.

Informazioni sull'autore

Paolo Maggiorana, Alessandro Giovannozzi, Andrea Belpane

P&M s.n.c.

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