La fabrication de sacs fourre-tout-qu'ils soient en papier, en plastique ou en tissu non tissé-implique une série d'étapes : découpe, scellage, pliage et finition. Ces étapes convertissent les matières premières en continu en un sac fini destiné à une utilisation au détail ou en usine. L'ajout de poignées et l'installation de correctifs constituent la tâche mécanique la plus difficile de ces étapes. Le fabricant de sacs fourre-tout doit déplacer une bande de plusieurs matériaux à la fois, appliquer de la colle ou des thermoscellages avec une grande précision et maintenir une vitesse supérieure à 150 sacs par minute. Pour comprendre comment ces machines gèrent automatiquement l'insertion et les correctifs, nous devons examiner les pièces mécaniques, les systèmes de capteurs et les configurations de contrôle qui fonctionnent ensemble.
La ligne de base : la formation du corps du sac
Les sacs doivent être fabriqués avant d’ajouter des poignées ou des patchs. Dans une machine à sacs en plastique standard, le film tombe d'un grand rouleau, se plie en forme de tube et se scelle au fond. La lame coupante coupe le tuyau en poches séparées à une longueur appropriée. Chaque sac avance ensuite sur le tapis roulant ou le système de chaîne, prêt pour l'étape suivante.
L’alignement du sac lorsqu’il atteint la poignée ou la station de réparation est la clé de tous les travaux ultérieurs. Si le sac tombe de 2 ou 3 mm, la manipulation ou le rapiéçage continuera à se dérouler mal, ce qui en fera un mauvais sac. L'alignement est obtenu grâce à des guides mécaniques, des photorécepteurs qui lisent l'empreinte sur le film et des systèmes de transmission servo-pour ajuster la position du sac lors de son déplacement. ces besoins d'exactitude sont couverts par la norme ISO 21848. Elle fixe les limites de taille des machines d'emballage flexible.
Insertion de la poignée : préparation et alimentation du matériau
L'insertion automatique de la poignée commence par un approvisionnement séparé en matériaux : un rouleau de matériau plat-comme du ruban de papier, un ruban en plastique ou des bandes de film découpées-devient la poignée du sac. Le matériau de la poignée doit être coupé à une certaine longueur, et si une poignée en boucle est nécessaire, pliez-la et placez-la au bon endroit dans le sac avant de la connecter.
Dans une machine à fabriquer des sacs pour un sac circulaire, la bande de poignée est d'abord coupée à une longueur adaptée aux languettes de fixation des boucles de poignée. La bande est ensuite pliée en forme de U ou de D à l'aide d'une table pliante mécanique dotée d'une plaque de guidage et d'un rail de guidage. La forme des plis doit être à chaque fois la même. Le changement de pli modifie la longueur du manche, le rendant inégal. Les systèmes de pliage commandés par servo-ont remplacé les plieuses mécaniques à came-dans les machines plus récentes. En effet, le système servo permet de modifier électroniquement les tailles de pliage sans qu'il soit nécessaire de remplacer des pièces.
Renfort de patch-en plaçant un petit rectangle de matériau sur le point de fixation de la poignée pour répartir la charge et empêcher la poignée de déchirer la membrane du sac-dénoue un réseau séparé de matériaux de patch et les coupe en patchs individuels. Les patchs sont généralement découpés à l'aide d'une matrice rotative et une enclume est utilisée pour couper le patch. Cela permet de produire un patch de même taille à la même vitesse. Le patch est ensuite déplacé dans le sac à l'aide de ventouses ou d'un dispositif mécanique. Ceux-ci placent le patch exactement au-dessus du point de fixation de la poignée.
La société des ingénieurs de fabrication a rédigé un article sur les systèmes d'alimentation en matériaux servo-dans les processus mécaniques. Ils montrent qu'en utilisant des servoalimentateurs pour le contrôle de la tension en temps réel du réseau de matériaux, une précision d'alignement de ± 0,5 millimètres peut être obtenue à une vitesse de 200 tours par minute. Ce niveau de précision est essentiel au placement des correctifs. Le patch doit recouvrir complètement la zone de fixation de la poignée pour assurer un bon renforcement.
L’opération de collage : adhésif, thermoscellage ou soudure par ultrasons
Une fois la poignée et le patch présents sur le sac en place, ils doivent être sécurisés. Dans la machine de fabrication de sacs fourre-tout, il existe trois types de méthodes de collage couramment utilisées. Selon le matériau d'emballage, la force de liaison requise, la vitesse de production et d'autres facteurs à sélectionner.
L’application de hotmelt est la méthode la plus flexible. Il convient au collage de poignées et de patchs sur du papier, du tissu non tissé et certains sacs en plastique. Le réservoir de colle chauffé pompe l'adhésif fondu à travers une buse programmable. Cette buse dépose un motif de colle sur le sac ou sur l'étiquette de la poignée. Le motif de la buse-généralement rectangulaire, double-filaire ou en pointillés-est contrôlé par une électrovanne, qui s'ouvre et se ferme lorsque la machine circule. La température et la quantité de colle doivent être appropriées. Trop peu de colle, trop faible, peut se briser sous le poids. Trop de colle peut entraîner des extrusions qui tachent les machines et les surfaces des sacs en tissu.
Lorsque le sac et la poignée sont du même type de films thermoplastiques, utilisez une soudure thermique. Chauffez le joint et appuyez la poignée sur le sac. Cela fait fondre le point de contact en plastique et forme une soudure. Les paramètres de scellage-température, pression et durée-doivent être définis pour des films spécifiques. ASTM F88 fournit une méthode de test standard pour mesurer la résistance du joint des matériaux flexibles. Les fabricants de machines utilisent ces tests pour vérifier les paramètres des joints dans le contrôleur de la machine.
Le soudage par ultrasons est une méthode d’ensachage relativement nouvelle, particulièrement adaptée aux sacs non tissés. Les haut-parleurs à ultrasons vibrent entre 20 et 40 kHz. Cela crée une chaleur de friction au point de contact entre l'étiquette de poignée et le sac. Le chauffage local peut être soudé sans chaleur ni colle supplémentaire. Le soudage par ultrasons présente les avantages de la propreté, de l'insipide et de l'absence de dommages thermiques aux matériaux environnants. Ceci est important pour l'utilisation de sacs de qualité alimentaire-. Le NIST a publié des travaux sur la définition des paramètres de soudage par ultrasons pour les matériaux non tissés thermoplastiques. Ils ont constaté que la résistance des soudures était étroitement liée à l’amplitude des vibrations et à la pression de serrage. Les meilleurs réglages peuvent varier considérablement selon le type de polymère.
Synchronisation : l'architecture de contrôle
Le principal défi de l’insertion automatique des poignées et du traitement des correctifs est le timing. Les sacs, les matériaux de poignée, les matériaux de patch et le mécanisme de liaison doivent tous être dans la même position en même temps, se déplaçant à grande vitesse cycle après cycle, sans laisser de place aux erreurs de timing. Ce timing est effectué via une configuration de contrôle en couches.
Au sommet, un automate programmable (PLC) ou un contrôleur de mouvement fait office d'horloge principale de la machine. Le contrôleur signale l'emplacement principal-généralement à partir d'un encodeur ou d'une bobine électronique virtuelle sur l'arbre de transmission principal-pour déterminer l'angle de la boucle de la machine. Chaque servomoteur de la machine suit cette position principale et calcule son mouvement en fonction de la position principale. Lorsque la position de l'hôte indique que le sac a atteint la position de la poignée, la poignée alimentant le servo accélère pour produire la poignée, le patch coupe et transfère le servo pour produire le patch, et le système de liaison s'ouvre - le tout en millisecondes.
L'IEEE Industrial Electronics Society a rédigé un article sur l'évolution de la technologie des arbres de transmission électroniques dans les machines de conversion. Ils soulignent que les systèmes d'asservissement distribués modernes peuvent contrôler le temps d'un objet avec une rotation de l'arbre principal de ± 0,1 degré. C'est la même chose qu'un timing inférieur à -milliseconde à des vitesses normales de machine. C’est ce niveau de précision qui permet d’insérer une poignée entièrement automatique à une cadence élevée. Les anciens systèmes mécaniques qui utilisaient des cames, des engrenages et des courroies de distribution ne pouvaient le faire qu'avec beaucoup de pièces mécaniques et peu de place pour le changement.
Commentaires des capteurs et assurance qualité
Le temps seul ne suffit pas. Les machines doivent également vérifier que chaque étape est correcte et refuser de traiter ou de rapiécer les sacs qui ne le sont pas. Chaque station dispose d'un ensemble de capteurs pour un feedback en temps réel-.
Lorsque les capteurs photoélectriques pénètrent dans la table pliante, ils vérifient si le matériau de la poignée est là et au bon endroit. Si le capteur indique que les bandes de poignée sont manquantes ou mal alignées, le contrôleur peut déclencher un dysfonctionnement et arrêter la machine avant qu'un mauvais sac ne se forme. Les systèmes visuels -petites caméras avec logiciel d'analyse d'image-sont de plus en plus utilisés pour vérifier l'emplacement des patchs et le motif de colle de forme. Le système visuel prend une photo de chaque sac lors de son passage au point de contrôle et la compare à une image de référence. Les sacs qui varient trop sont marqués pour un retrait ultérieur du shunt.
Le cadre HACCP de la FDA, bien que conçu à l'origine pour la sécurité alimentaire, a été utilisé par les fabricants de machines comme modèle pour remédier aux défauts. En insérant les étapes d'insertion et d'affichage de la poignée comme points de contrôle clés et en ajoutant une détection automatique à chaque étape, les fabricants peuvent démontrer que leurs fabricants de sacs fournissent une production stable et sans faille qui peut être retracée pour définir les paramètres du processus.
Variations de gestion des correctifs : correctifs de renforcement et correctifs de fenêtre
Le traitement des patchs dans un fabricant de sacs fourre-tout fonctionne de deux manières différentes, en utilisant les mêmes pièces mécaniques mais de manières différentes. Comme mentionné précédemment, les patchs de renfort sont situés au point d'attache de la poignée pour disperser la charge. Patchs de fenêtre-un rectangle de film transparent placé sur un trou dans le sac pour créer une fenêtre transparente-nécessite différents paramètres de positionnement mais utilise les mêmes systèmes d'alimentation, de découpe et de collage des patchs.
Être capable de gérer les deux types de patchs sur la même machine est une caractéristique de conception du fabricant de sacs portables flexibles. Le rouleau de matériau de patch peut être changé du stock de renfort opaque au film de fenêtre transparent. Les moules de découpe sont également interchangeables pour réaliser des patchs de différentes tailles. Les contrôles sont mis à jour pour correspondre à la taille du nouveau patch et aux nouveaux paramètres de liaison. Cette flexibilité permet à une machine de produire une variété de styles de sacs sans trop de changements mécaniques -un sac en forme d'anneau-avec des patchs de renfort, un sac-découpé avec des patchs de fenêtre ou un sac avec patch-seulement sans.
L'étude réalisée par le Packaging Machinery Institute de la Michigan State University a examiné la rapidité avec laquelle les emballeurs multifonctions passent d'un emploi à l'autre. Ils ont découvert que les machines équipées de systèmes de gestion des correctifs programmables et pilotés par servo- réduisaient les temps de commutation de 60 à 75 % % par rapport aux systèmes à régulation mécanique. Cette réduction du temps de changement améliore directement l’utilisation de la machine et réduit les déchets lors du passage d’un produit à l’autre.
Vitesse, maintenance et limites de l'automatisation
La vitesse maximale d'un porte-sac avec insertion automatique de la poignée n'est définie par aucun composant. Il est déterminé par le temps total alloué à toutes les étapes du cycle. À 150 sacs par minute, la machine effectue un cycle complet toutes les 400 millisecondes. Pendant ce temps, le sac doit être en place, la poignée doit être coupée et pliée, le patch doit être coupé et déplacé, la colle doit être appliquée, le système de liaison doit être pressé et desserré et le sac fini doit être envoyé à la zone de collecte. Chaque étape utilise une partie d'un budget de 400 - millisecondes. Le reste du temps, -le temps entre la fin d'une étape et le début de la suivante, constitue un coussin de timing pour absorber les petits changements.
À mesure que la vitesse augmente, le coussin de synchronisation devient de plus en plus petit. À 200 sacs par minute, le temps de cycle tombe à 300 millisecondes. Le joint peut ne pas être suffisant pour gérer les changements normaux d'alimentation en matériau, de séchage de la colle ou de réponse du capteur. Les machines sont plus sensibles à la qualité des matériaux, à la température ambiante et à l’usure des machines. Les besoins de maintenance sont plus fréquents et les défauts aléatoires sont plus probables.
Les normes OMAC sur les machines d'emballage, créées sous IEEE, fournissent un système de contrôle de l'état des machines et de recherche de pannes. Cela aide les opérateurs à identifier et à résoudre rapidement les problèmes de synchronisation. Les machines qui respectent les normes OMAC affichent des données de diagnostic détaillées -, y compris des mesures de synchronisation sur chaque site et des journaux qui changent au fil du temps. Cela permet une maintenance précoce et un réglage précis des processus.
Conclusion
Le fabricant de sacs fourre-tout adopte un système de découpe et de pliage de précision d'alimentation en matériaux piloté par servo-servo, des unités de liaison programmables et programmables, des contrôles de qualité du capteur de contrôle de synchronisation en couches réalisent l'insertion automatique des poignées et le traitement des patchs. La machine déplace plusieurs réseaux de matériaux-sacs, guidons, patchs et colle-dans une boucle serrée et chronométrée répétée des centaines de fois par minute. Le passage des systèmes d'entraînement à came mécaniques aux configurations programmables et commandées par servo-a transformé ces machines d'outils à usage unique-en plates-formes de production flexibles capables de gérer plusieurs styles de sacs avec peu de temps de changement. La prochaine étape n’est pas mécanique. Il s'agit d'une question d'intelligence logicielle, qui améliore le temps, prédit quand la maintenance doit être effectuée et s'ajuste lorsque des changements majeurs surviennent. Avec les progrès des systèmes de contrôle et de la technologie des capteurs, la prochaine étape consistera à aller de l’avant.
Références
- Organisation internationale de normalisation.ISO 21848 - Emballage - Sac d'emballage flexible-Machines de fabrication - Tolérances dimensionnelles. Genève : ISO, 2019.
- Société des ingénieurs de fabrication. "Systèmes d'alimentation en matériaux servo- dans les machines de conversion : précision d'enregistrement et contrôle de la tension."Magazine d'ingénierie de fabrication, vol. 166, non. 4, 2021.
- ASTM International.ASTM F88 - Méthode d'essai standard pour la résistance d'étanchéité des matériaux de barrière flexibles. Conshohocken Ouest : ASTM, 2021.
- Institut national des normes et de la technologie. "Optimisation des paramètres de soudage par ultrasons pour les matériaux non tissés thermoplastiques dans les applications d'emballage."Note technique NIST 2195, 2020.
- Société d'électronique industrielle IEEE. "Technologie d'arbre de ligne électronique dans les machines de conversion : précision de synchronisation et architectures d'asservissement distribuées."Transactions IEEE sur l'électronique industrielle, vol. 68, non. 7, 2021.
- Institut de recherche sur les machines d'emballage, Université de l'État du Michigan. "Efficacité de changement dans les-machines de fabrication de sacs multifonctions- : systèmes servo-pilotés ou mécaniques."Journal de la technologie et de la science de l'emballage, vol. 34, n°. 2, 2022.
- Groupe de travail sur l'emballage OMAC, Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens.Directives sur les machines d'emballage OMAC : gestion de l'état et diagnostics. Piscataway : IEEE, 2020.
