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Soluciones flexibles

24 sep 2018

El sellado de empaques flexibles por ultrasonido, una forma limpia de sellar

Introducción

El sellado por ultrasonido es un método repetible y rápido para sellar los materiales para empaques flexibles. Este tipo de sellado genera un enlace molecular de alta fuerza convirtiendo el voltaje eléctrico en vibraciones mecánicas las cuales se inducen dentro del material por una herramienta de soldadura llamada sonotrode (Fig.1). El material de empaque literalmente se suelda con el calor generado por la frecuencia ultrasónica de 20 a 35 kHz.

Figura 1

© Hermann Ultrasonic, Sonotronic.de

Figura 1. Sonotrode

La soldadura por ultrasonido fue desarrollada en los 1960’s para soldar partes plásticas del moldeo por inyección. En los 1980’s la tecnología evolucionó hacia el mercado de los empaques, impulsado por el concepto de su habilidad de lograr sellados herméticos y de selle bajo contaminación de producto y rápidos ciclos de trabajo.Las aplicaciones para el sellado por ultrasonido son tan variadas como la industria del empaque en sí misma: bolsas autoparables (stand up pouches), bolsas planas, blister, pods y cartón recubierto.

Criterios técnicos

Capa fría del sustrato

A diferencia del sellado por calor convencional, donde las barras o mordazas calientes de sellado transfieren el calor de afuera hacia adentro del material, la tecnología ultrasónica genera la temperatura requerida para el proceso de sellado desde la parte interna hacia fuera (Fig. 2). La capa del sustrato externo (portador) no presenta un incremento importante de temperatura cuando la energía vibratoria  ya no está presente, lo cual significa que el calor de la fricción se ha disipado hacia el exterior más rápidamente.

Los problemas de resistencia de sellado en caliente (hot tack) después del proceso de sellado, que se experimentan con el proceso tradicional de sellado, son virtualmente eliminados. Este punto es muy importante para las máquinas empacadoras verticales (VFFS), ya que las áreas de selle son fuertemente impactadas por este proceso como se puede ver en la (Fig.3) donde el sellado horizontal aún caliente no resiste el peso del producto, el cual trata de abrir este sellado parcialmente debilitándolo o en su defecto abriéndolo totalmente.

Figura 2

© Hermann Ultrasonic

Figura 3

© Exxon Mobil Technical

Tiempo de Ciclos cortos

Los sistemas de ultrasonido se caracterizan por ser eficientes energéticamente, ya que la energía solo se necesita mientras se introducen las vibraciones ultrasónicas. Son posibles los tiempos cortos de ciclo, con tiempos entre 80 y 200 ms(milisegundos); este beneficio se vuelve más obvio cuando se utilizan materiales gruesos de empaque. En contraste a la tecnología tradicional de sellado por calor constante, el sistema por ultrasonido puede ser operado inmediatamente sin esperar subir temperaturas o procesos de arranque que requieren tiempo. Almacenando los parámetros de sellado en la memoria del generador ultrasónico, es posible cambiar automáticamente entre parámetros de ajuste. Los cambios tienen efecto inmediatamente con el inicio de la próxima operación de sellado, lo cual significa que no hay tiempo perdido de producción debido a cambios por material o producto. Los sistemas por ultrasonido ofrecen ajustes inteligentes de los parámetros de sellado, compensando automáticamente los cambios en condiciones ambientales, variaciones en materiales o en el proceso de sellado, lo cual asegura una calidad uniforme de éste.

Sellado a través de contaminación de producto

El sellado por ultrasonido asegura una alta fuerza de sellado, aún cuando el área de selle se contamine con producto. Las vibraciones sacuden la contaminación de producto existente en el área de selle, lo cual disminuye ostensiblemente las fugas en lo empaques; este punto es muy importante ya que durante la paletización un solo empaque con fuga daña todas las demás cajas que esten en el mismo pallet o en los aledaños. Otro punto es que el ultrasonido permite la posibilidad de sellar a través de contaminación de producto en empaques con una reducida espacio de cabeza (head space) lo cual redunda en una reducción de la cantidad de material de empaque utilizado. (Fig.4)

Figura 4

© Espacio de cabeza (Headspace)

El principio del ultrasonido

Lo que sucede paso a paso es lo siguiente:

1. La frecuencia de la vibración es creada por un generador ultrasónico

2. El voltaje de línea al generador es convertido a un mayor voltaje que oscila a una frecuencia ultrasónica y es entonces aplicada a un convertidor ultrasónico

3. Este convertidor, a través del uso de piezo cerámicas que aprovechan un efecto piezoeléctrico reversible, transforma este alto voltaje oscilante en una vibración mecánica longitudinal.

4. La amplitud de la vibración generada por el convertidor puede ser variada utilizando diferentes relaciones de masa para el amplificador y el sonotrode y por lo tanto armonizado a la herramienta particular de sellado.

5. El sonotrode es la herramienta de sellado vibratoria activa que introduce la energía vibratoria, bajo una presión aplicada, directamente dentro de los materiales de empaque. La frecuencia de la vibración es el número de ciclos de vibraciones por segundo y esta entre 20 a 35 kHz( 20 kHz  son 20,000 ciclos de  vibraciones mecánicas por segundo.

6. La amplitud de las vibraciones es la mitad de la amplitud de la oscilación, y para una aplicación típica de una unión está entre 20 y 50 micrones.

7. El yunque, el cual usualmente tiene una superficie contorneada, tiene un área de contacto reducida que ofrece un sellado hermético que no solamente es superior a los métodos tradicionales de sellado sino también más angostos en el ancho. Este yunque sirve como una herramienta pasiva y debe ser desacoplada vibracionalmente para resultados óptimos.

8. La superficie contorneada del yunque define la zona de sellado, y por lo tanto el sitio donde la fusión inducida ultrasónicamente ocurre inicialmente y donde la capa sellante del material de empaque se convierte al estado líquido. Una vez la energía ultrasónica ya no es aplicada, el material en la capa de selle se solidifica.

 

En nuestro próximo blog revisaremos en detalle el cálculo para encontrar la fuerza de una mordaza de sellado manejada neumáticamente y así terminar estos blogs respecto a las diferentes técnicas de sellado.

 

Hasta pronto y sus preguntas siempre serán bienvenidas.

 


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