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Soluciones flexibles

21 mar 2019

La interrelación entre máquina empacadora - material de empaque – producto a empacar (segunda parte)

Introducción

Continuando con los diferentes sistemas de arrastre en las máquinas verticales de cuello formador, veremos el sistema de arrastre por bandas y su diferencia de la de arrastre por mordazas. Haremos énfasis en los dos factores más importantes que afectan el procesamiento en las máquinas VFFS: la tensión del material durante el desembobinado y las fuerzas de arrastre.

Otros tipos de arrastre

En un segundo tipo de máquinas verticales el material de empaque es halado o arrastrado con la ayuda de correas o bandas en vez de las mordazas. Así, las dos máquinas difieren en como las funciones básicas Us4 y Us9 son llevadas a cabo (referirse a la Fig.1 del blog anterior). La Fig. 1, en el actual blog, compara ambos tipos de máquina. Ambas son intermitentes en operación y en cada ciclo el material avanza la longitud de una bolsa.

Todos los estudios previos del desempeño de materiales de empaque en máquinas verticales de cuello formador asumen que los factores más importantes que afectan su procesamiento son: la tensión durante el desembobinado y las fuerzas de arrastre. Estas pueden inducir la formación de pliegues longitudinales, inestabilidad del material y tensión excesiva. Los resultados pueden ser arrugas transversales y/o longitudinales y distorsión en el diseño impreso; con altas fuerzas de arrastre el material puede romperse.

Fig 1. VFFS machines con arrastre por bandas y mordazas. Foto: Fraunhofer Institute.

Fig 1. Presentación esquemática de VFFS machines con arrastre por bandas y mordazas. Foto: Fraunhofer Institute.

Fuerza de arrastre

La medida de esta fuerza de arrastre está basada en el hecho de que la fijación del cuello formador puede ser relacionada como una viga soportada en ambos lados y cargada en la mitad y cuya flexión es directamente proporcional a la fuerza de arrastre suministrada que produce solo pequeñas deformaciones. Esta condición es ciertamente satisfecha en este caso. La flexión de esta parte por lo tanto suministra una medida de la fuerza de arrastre. Esta es comúnmente medida con medidores de deformación que sirven muy bien para este propósito.

La fuerza de arrastre es muy dependiente de la rigidez del material para dejarse deformar (bending stiffness(BS)) y se incrementa marcadamente con este. (Ver Fig 2.)

Estudios extensos de Hohmann y Woyke confirmaron esto. Las películas plásticas monocapa dieron los valores más bajos de fuerza de arrastre (⍙), los valores más altos los dieron papeles recubiertos y papeles laminados con aluminio y polietileno y en la mitad plásticos laminados. Para una operación libre de problemas el estudio mostró que valores de 80 x 10 -3  mNm2/m fue el limite para el “bending stiffness”(rigidez a la flexión). El cuello formador en la máquina era de aluminio- bronce con un ángulo ⍺ de 17 grados (ver Fig 2.)

Fig 2. Relación entre la rigidez a la flexión y la fuerza de arrastre. Foto: Fraunhofer Institute.

Fig 2. Relación entre la rigidez a la flexión y la fuerza de arrastre. Foto: Fraunhofer Institute.

Coeficiente de fricción

Una clara conección entre la fuerza de arrastre y la de fricción en el material de empaque en la máquina, especialmente en el cuello formador, no se pudo establecer. La influencia de la fricción parecía estar enmascarada por la mayor influencia ejercida por la rigidez a la flexión (BS). Sin embargo, la influencia de la fricción fue obvia con el proceso de materiales de empaque con valores cerca al mismo (BS), esto puede ser visto en la Fig.3 que muestra valores de fuerza de arrastre medidos para películas de polietileno de baja densidad con diferentes valores de coeficiente de fricción, con un cuello con un angulo ⍺ de 15 grados; para alcanzar buen funcionamiento en máquina, el valor máximo para el coeficiente de fricción fue de 0.25; de lo contrario se producían descuadres en el selle ventral, sobre estiramiento del material de empaque y abrasión de las tintas en el caso que el material estuviera impreso en la superficie.

Fig 3. Influencia del coeficiente de fricción de LDPE, en la fuerza de arrastre.

Fig 3. Influencia del coeficiente de fricción de LDPE, en la fuerza de arrastre. Foto: Fraunhofer Institute.

 

La rigidez a la flexión (BS) y la fricción son por lo tanto dos propiedades del material de empaque que juegan un papel decisivo en la operacio1n de las máquinas VFFS, siendo la rigidez a la flexión la de mayor influencia. El esfuerzo a la tensión, sin embargo, también juega un papel importante, ya que como se mencionó en el estudio, hubo rupturas del material repetidamente. Tratando de relacionar el esfuerzo a la tensión a la fuerza de arrastre, se podría asumir que el material no se romperá cuando la relación es mayor que 1, los estudios mostraron que valores mínimos deben estar entre 2.5 – 4.0 para que no haya ruptura del material. 

La pregunta a todo lo anterior es la siguiente: ¿si el esfuerzo a la tensión de un material no puede ser incrementado, ni la rigidez a la flexión disminuida, qué cambios pueden ser hechos a la máquina empacadora para reducir la fuerza de arrastre? 

En primer lugar, cuellos más planos, es decir ángulos más grandes de cuello podrían ser una solución. Cuellos más inclinados tienen la ventaja de guiar mejor el material; la experiencia ha mostrado, sin embargo, que materiales más rígidos, en particular papeles recubiertos y laminados con papel, no pueden para nada o solo con dificultad ser procesados en cuellos formadores muy inclinados.

Una segunda posibilidad para reducir la fuerza de arrastre está en la selección del material para el cuello formador. Por ejemplo, en el caso de una película de LDPE, la fuerza de arrastre para un ángulo aproximado de 46 grados, entre un cuello formador de bronce-aluminio y uno de resina moldeada, sería de 145.0 +- 2.2(N/m) vs 79 +- 1.8 (N/m) respectivamente. 

Los problemas que no tienen relación con la fuerza de arrastre son causados por la fricción entre el material de empaque contra el tubo de llenado y puede ocurrir en las máquinas de cualquier tipo de arrastre. El punto crítico está en la parte inferior del tubo de llenado, donde el tubo de material ya formado es empujado más que halado hacia abajo. 

En el próximo blog continuaremos hablando de la aplicación de empaque, pero enfocándonos directamente en el área de sellado y un perfecto entendimiento de las variables involucradas, y así terminar esta correlación entre máquina empacadora – material de empaque – producto a empacar. 

¡Hasta la próxima!


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