Una caixa de cartró amb finestres es basa en una característica aparentment senzilla. Tant si es tracta d'un assortiment de xocolata de primera qualitat, un conjunt de targetes de felicitació o accessoris d'electrònica de consum. Compta amb un panell de film transparent disposat amb precisió sobre una obertura de cartró troquelada. Quan la pel·lícula està alineada correctament, el consumidor no pot veure la finestra. Com a resultat, els productes a l'interior semblen surar darrere d'una barrera transparent semblant a un vidre. Quan la desviació de calibratge arriba fins i tot a 2 mm, els resultats són immediatament visibles. Hi ha una petita tira d'adhesiu exposat. O parcialment enfosquit. O hi ha una vora de pel·lícula fina que sobresurt més enllà del plec del cartró. En l'embalatge premium, aquest defecte fa que tot el estoig no es pugui vendre.
AMàquina de pegat de finestres de caixa de cartróés un dispositiu que aconsegueix aquest calibratge a una velocitat de producció de 60 a 250 cartrons per minut. La precisió requerida és generalment de ±0,5 mil·límetres o més, entre la vora de la pel·lícula i la vora de l'obertura de la finestra. Aquesta precisió es manté mitjançant una combinació de registre mecànic, sincronització servoaccionada, calibratge visual i control del procés d'enllaç.
El repte de l'alineació: per què la precisió és difícil a la velocitat
El pegat de la finestra implica dos fluxos de material separats. Han de convergir amb una precisió inferior a un mil·límetre. El primer és el cartró en si. Es tracta d'un cartró pla i troquelat amb una o més obertures de finestres. El segon corrent és la membrana transparent. Normalment es tracta de polipropilè (PP), polietilè tereftalat (PET) o poliestirè biorientat (BOPS). És com un volum continu que s'ha de reduir de mida i col·locar a l'aire lliure.
La dificultat és que tots dos materials són flexibles. Tenen una dimensió variable. Es mouen a gran velocitat. El cartró pot moure's durant l'alimentació a causa de la fricció. Es desplacen amb electricitat estàtica. La pel·lícula s'estén sota una malla de tensió. Es redueix després de tallar. Els canvis de viscositat de l'adhesiu varien amb la temperatura ambient. Qualsevol d'aquestes variables, si no es marca, pot sortir malament. Aquesta dislocació s'acumula al llarg del procés de producció.
Un estudi publicat a la revista Precision Engineering va analitzar els pressupostos d'error per als sistemes de registre de materials flexibles d'alta velocitat. També va trobar que la variació de mida deguda només a la temperatura pot explicar la deriva posicional de 0,15 a 0,30 mil·límetres durant la producció de quatre hores. Aquest valor consumeix una part important de la finestra de tolerància total de ± 0,5 mm abans de considerar qualsevol error mecànic o dinàmic (Elsevier, 2021).
Sistema de registre 1: Alimentació i posicionament de cartró
Alimentadors d'indexació servomotor
El primer punt de control d'alineació és el posicionament del cartró. Una màquina de pegat de finestres de caixa de cartró utilitza un alimentador servomotor per enviar cartró pla des de la pila de revistes a la cadena de transport de la màquina. L'alimentador va treure cada espai en blanc de la pila. Posa-lo en una butxaca finament elaborada a la cadena de transport. Es tracta d'un transportador de cadena amb una orella o ventoses subjectades en una caixa de cartró contra una unitat de superfície de referència.
La geometria de la butxaca defineix la referència de posició principal de la caixa. Les guies de vora a tres costats de la butxaca van identificar la font de la ubicació de xy. un registre lateral amb molla o pneumàtic empeny el cartró cap a la vora de referència. Això compensa les petites variacions de mida entre les àrees en blanc. La precisió de posicionament del cartró a l'estació de pegat depèn de la precisió del processament de la bossa. Normalment es manté a ±0,05 mm. Depèn de la rigidesa de la cadena de transport. Depèn de la consistència de la força del registre lateral.
TAPPI T410 proporciona una mesura estàndard de les característiques de la mida del cartró per a l'aplicació en cartrons plegables. El pes bàsic del cartró per a cartró amb finestra sol ser de 250 a 400 g/m2. L'estabilitat dimensional ha d'estar dins del ±0,3% sota la humitat de producció normal. Així, això garanteix que la posició d'obertura de la finestra no es desviï en relació a la vora del cartró durant l'alimentació (TAPPI, 2022).
Sensors de preregistre
Passa per un sensor de preregistre abans que el cartró arribi a l'estació de pegat. Aquest és un típic sensor fotovoltaic o de fibra òptica que detecta buits a les caixes de cartró principals. El sensor proporciona una referència de temps per al controlador de la màquina. El controlador s'utilitza per sincronitzar el cicle de vida de l'adhesiu i el tall de la pel·lícula quan el cartró arriba a la posició del pegat. La resolució i el temps de resposta del sensor afecten directament la precisió del temps. Els sensors amb una velocitat de cadena de 60 metres per minut i un temps de reacció de 0,1 mil·lisegons tenen una incertesa posicional de només 0,1 mil·límetres.
Sistema de registre 2: Alimentació, tall i col·locació de pel·lícules
Control de la tensió web
La pel·lícula s'alimenta a l'estació de tall per un camí de banda controlat per tensió. La tensió de la xarxa s'ha de mantenir en petita mesura. Això sol ser 5-15N per a aplicacions de pel·lícules de finestres. Perquè la variació de tensió fa que la membrana s'estiri. Relaxa la pel·lícula. Això altera la mida del tall. El rodet ballarí proporciona retroalimentació de tensió de bucle tancat al fre afluixat. La tensió s'ajusta dinàmicament amb el canvi de diàmetre del rotlle.
ASTM D882 proporciona un mètode de prova per a les propietats de tracció de pel·lícules primes. També proporciona les dades de caracterització del material necessàries per determinar els paràmetres de tensió de la banda adequats. Per a la pel·lícula de finestres de PP amb un gruix de 25 a 40 micres, el mòdul elàstic és d'aproximadament 1.000 a 1.500 MPa. Així, una càrrega de tensió de 10 N produeix un allargament elàstic d'aproximadament un 0,07% en una xarxa de 100 mm d'ample. Es tracta d'un canvi de mida de 0,07 mm per 100 mm de longitud de pel·lícula (ASTM International, 2021).
Troquelat circular de premsa rodona
Talleu la pel·lícula a la mida de finestra desitjada amb una matriu rotativa. Es tracta d'una eina cilíndrica amb un contorn precís de la fulla mecanitzat en la forma de la finestra. La matriu gira en sincronia amb la cadena transportadora. Talla la pel·lícula exactament en el moment en què cal col·locar-la a la finestra d'una caixa de cartró en moviment.
La precisió del troquelat rotatiu depèn de tres factors. El primer és la precisió de mecanitzat de la fulla de matriu. Mantingueu ± 0,02 mm en eines premium. El segon és la sincronització de la velocitat de la matriu amb la velocitat de la cadena. Aquesta rotació està controlada pel controlador de moviment de la màquina a ± 0,1 graus. El tercer és la bretxa de tall entre la fulla de la matriu i el corró d'enclusa. Normalment és un tall net de 0,01 a 0,03 mm sense distorsió de la pel·lícula.
Transferència i col·locació de pel·lícules
Després del tall, la pel·lícula s'ha de transferir des de l'estació de tall a la superfície del cartró. Assegureu-vos que estigui a la finestra. Aquest canvi s'aconsegueix mitjançant un dels dos mecanismes.
Transferència al buit: la pel·lícula tallada és atreta pel capçal de transferència per un buit. El cap es mou de la posició de tall a la posició de cartró. La força de tancament al buit ha de ser suficient per mantenir la membrana en posició durant la transferència. I no distorsiona la forma de la pel·lícula. Per tant, això requereix una pressió de buit de calibratge. Requereix orificis d'aspiració de la mida adequada.
Laminació directa: laminació directa de la superfície d'un cartró. I s'ha aplicat l'adhesiu. Això elimina el pas de transferència. Elimina els errors posicionals associats. Tanmateix, requereix que la matriu de tall es col·loqui directament a sobre de l'obertura de la finestra de cartró durant el tall. Per tant, això requereix una sincronització més estreta entre la fàbrica d'emmotllament i la cadena de transport.
Sistema de registre 3: Aplicació d'adhesius
Aplicació de cola de patrons
Les xapes de finestres d'una caixa de cartró apliquen adhesiu a la superfície circumferencial de la caixa de cartró, que s'obre al voltant de la finestra, abans que s'enganxi la pel·lícula. El mode d'enllaç s'ha de posicionar amb precisió en relació a l'obertura. Si l'adhesiu va massa cap a dins, l'adhesiu es pot veure a través de la pel·lícula. Si està massa lluny, les vores de la pel·lícula no estan completament unides. Això crea un avantatge d'elevació que captura la maquinària d'envasat aigües avall.
Els adhesius s'utilitzen generalment a través de capçals ranurats, un corró de gravat o una pistola de cola termofusible programable. Els mètodes d'encunyació i gravat proporcionen un control continu del volum de les perles col·loïdals. Però les pistoles de fusió en calent permeten patrons programables. Aquests inclouen punts, línies o comptes intermitents. Aquests patrons minimitzen la necessitat d'adhesius. També redueixen el risc que els adhesius expulsin les vores de la pel·lícula.
La norma ISO 13849 es refereix a la seguretat funcional dels sistemes de control de màquines. També inclou enclavaments i equips de protecció per protegir els operadors dels components en moviment de l'estació de dispensació d'adhesius. Les màquines dissenyades per al funcionament continu han d'incorporar el control del nivell de seguretat de la temperatura, pressió i velocitat de l'adhesiu. Això evita desviacions del procés que podrien afectar la qualitat de l'alineació (ISO, 2023).
Reologia adhesiva i estabilitat d'alineació
Les propietats reològiques de l'adhesiu afecten les permutacions de maneres subtils però importants. Si la viscositat de l'adhesiu és massa baixa, la pel·lícula lliscarà sobre la capa adhesiva abans que l'adhesiu es solidifiqui. També s'introdueix el moment entre la deriva de posició i la formació d'enllaços. Si la viscositat de l'adhesiu és massa alta, és possible que la superfície de la pel·lícula no estigui completament humida. Això es tradueix en fallades locals d'enllaç, fent que les vores de la pel·lícula pugin amb el temps.
Un estudi al Journal of Adhesion Science and Technology va trobar que els adhesius de fusió en calent amb una viscositat de 2.000 a 5.000 mPa/s a temperatures de funcionament proporcionen una humectació òptima i una estabilitat de posicionament per a aplicacions de pel·lícules de finestres. S'uneixen al desenvolupament en 0,5 a 1,5 segons de contacte. Per tant, això és suficient per localitzar la membrana abans que es produeixi cap pertorbació mecànica (Springer, 2020).
Sistema de registre 4: verificació de l'alineació basada en la visió
Inspecció de càmera en línia
Els sistemes moderns de la màquina de pegat de finestres de caixa de cartró afegeixen una inspecció de visió en línia a l'extrem de sortida de l'estació de pegat. Una o més càmeres de velocitat capturen imatges a mesura que cada cartró surt de l'àrea de pegat. L'algoritme d'algoritmes de processament d'imatges s'utilitza per mesurar el desplaçament entre la vora de la pel·lícula i la vora de la finestra.
Els sistemes visuals solen mesurar l'alineació de quatre a vuit punts al voltant de la finestra. La posició real de la vora de la pel·lícula es compara amb la vora nominal de la finestra. Si el desplaçament de qualsevol punt de mesura supera una tolerància predefinida, el cartró es marca com a ferralla. Aquesta tolerància és generalment de ±0,5 mm. Els cartrons es traslladen a la cinta transportadora de residus.
L'IEEE Industrial Electronics Society va publicar un estudi sobre el control de qualitat basat en visuals en operacions d'envasament d'alta velocitat. Els resultats experimentals mostren que el sistema de càmeres de resolució de 5 megapíxels amb velocitats de captura de 60 fps pot aconseguir una repetibilitat de mesura de ± 0,03 mm en condicions d'il·luminació controlada. Aquest nivell de precisió admet els requisits de tolerància d'aplicacions de cartró de finestres de luxe (IEEE, 2022).
Bucles de retroalimentació i correcció adaptativa
A més de les comprovacions senzilles de passa-falla, els sistemes de visió avançats retornen les dades d'alineació al controlador de la màquina. Si es detecta un desplaçament del sistema, el controlador ajusta automàticament el temps de tall de la pel·lícula o la posició del capçal de transmissió per compensar. Per exemple, la pel·lícula sempre es col·loca 0,2 mm a la dreta del centre de la finestra. Per tant, l'alineació torna a ser nominal sense intervenció de l'operador.
Aquesta tècnica de calibratge de bucle tancat permet que una màquina de pegat de finestres de caixa de cartró mantingui la precisió d'alineació durant les sèries de producció prolongades sense recalibrar ajustat per l'operador. Compensació en temps real de la deriva de la temperatura, la variació de la tensió de la banda i el desgast de l'eina.
Estàndards de qualitat i marcs de tolerància
El Comitè Europeu d'Estandardització s'ocupa de la qualitat dels envasos plegables mitjançant la norma EN 15593 (higiene) i les especificacions tècniques relacionades. No obstant això, la tolerància específica de mida dels cartró amb les finestres obertes sol determinar-se per les especificacions del client. I no estan definits per estàndards universals. Tanmateix, el marc de gestió de la qualitat ISO 9001 requereix que els fabricants estableixin uns índexs de capacitat de procés (Cpk) per als paràmetres de mida clau. Això inclou l'alineació de la pel·lícula de les finestres. També requereix que aquests indicadors siguin supervisats i documentats com a part d'un sistema de gestió de la qualitat (ISO, 2015).
En general, s'accepta que el nivell mínim acceptable de dimensions de la massa crítica en aplicacions d'embalatge és un valor cpk d'1,33 o superior. Això equival a que menys de 63 parts per milió siguin defectuoses. Per a desviacions d'alineació de finestres de + -0.5 mm, això significa que la desviació de calibratge total de la màquina s'ha de controlar fins a una desviació estàndard d'aproximadament 0,125 mm o menys. Aquesta suma combina errors de posicionament de cartró, error de tall de pel·lícula, error de transferència de pel·lícula i errors d'enllaç.
Conclusió
L'alineació precisa entre la pel·lícula i les obertures de les finestres de cartró és el resultat de l'operació coordinada de múltiples sistemes de precisió. Alimentació de cartró servomotor per establir un punt de referència d'ubicació. Control de tensió del cilindre per mantenir l'estabilitat de la mida de la pel·lícula. El troquelat circular de premsa circular pot produir pel·lícules de precisió de ± 0,02 mm. La reologia adhesiva garanteix que la pel·lícula es bloqueja en posició en qüestió de segons després de col·locar-la. La detecció de visió en línia modificada de bucle tancat captura la deriva. Compensa la deriva abans de produir una sortida defectuosa.
Referències
Elsevier. (2021).Anàlisi del pressupost d'errors en sistemes flexibles de registre de materials d'alta velocitat. Enginyeria de precisió, 68, 61–73.
TAPPI (Associació Tècnica de la Indústria de la Celulosa i Paperera). (2022).TAPPI T410: Gramàtica i propietats dimensionals del cartró per a aplicacions de cartró plegable. Peachtree Corners, GA: TAPPI.
ASTM Internacional. (2021).ASTM D882: Mètode de prova estàndard per a les propietats de tracció de la pel·lícula de plàstic prima. West Conshohocken, PA: ASTM.
ISO (Organització Internacional per a la Normalització). (2023).ISO 13849: Seguretat de la maquinària - Parts dels sistemes de control relacionades amb la seguretat. Ginebra: ISO.
Springer. (2020).Optimització reològica d'adhesius termofusibles per a la laminació de film de finestres en cartró plegable. Journal of Adhesion Science and Technology, 34(14), 1567–1582.
IEEE. (2022).Control de qualitat basat en la visió en envasos d'alta velocitat: resolució de càmera i anàlisi de repetibilitat de mesura. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 69(7), 7124–7133.
ISO (Organització Internacional per a la Normalització). (2015).ISO 9001: Sistemes de gestió de la qualitat - Requisits. Ginebra: ISO.