هندسة التغليف بالوسائد: تحليل تقني عميق لتقنية التغليف بالتدفق المتدفق
ما وراء التفاف التدفق الأساسي
التعبئة بالوسائد هي طريقة رئيسية للتعبئة والتغليف الأفقي للتعبئة والتغليف (HFFS). إنها العمود الفقري للتغليف الآلي الحديث. تخلق هذه التقنية العبوات محكمة الغلق التي نراها في كل مكان - من ألواح الحلوى والمخبوزات إلى الأجهزة الطبية ومجموعات الأجهزة.
العديد من أدلة تشرح العملية الأساسية. هذا التحليل يتعمق أكثر. سنقوم بتفكيك ماكينة تعبئة الوسائد، أو غلاف التدفق، إلى الأنظمة الهندسية الأساسية. ينصب تركيزنا على “كيف” و“لماذا” وراء تشغيلها الدقيق عالي السرعة والدقة.
يتناول هذا التعمق التقني أربع ركائز أساسية لـ التفاف التدفق التكنولوجيا:
- نظام التغذية ومناولة المنتج.
- تجميع مناولة الفيلم وشدّه وتشكيله.
- وحدات الختم والقطع الطولية والعرضية الطولية والعرضية.
- نظام التحكم الإلكتروني، بما في ذلك أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، والمحركات المؤازرة، و HMIs.
يساعد فهم هذه الأنظمة الفرعية المهندسين والفنيين على تحسين الأداء. يمكنهم استكشاف المزيد من الأخطاء وإصلاحها بفعالية واتخاذ قرارات أفضل بشأن الماكينة الاختيار والتشغيل.
تسلسل HFFS
إن عملية تعبئة الوسائد بأكملها عبارة عن تسلسل متزامن من ثلاثة إجراءات: التشكيل والتعبئة والغلق. تحتاج إلى فهم هذا التدفق الخطي قبل تحليل المكونات الفردية المسؤولة عن كل خطوة.
1. تشكيل الأنبوب
تبدأ العملية بلفة مسطحة من غشاء التغليف. يتم سحب الفيلم من المغزل و موجهة من خلال بكرات التي تحافظ على التوتر.
ثم يدخل بعد ذلك إلى مكوّن حاسم يسمى “صندوق التشكيل” أو “المحراث”. يقوم هذا الموجه المعدني المشكل بطي الشبكة المسطحة من الغشاء حول نفسه. وهذا يخلق أنبوبًا متصلًا مفتوح الأطراف. وتلتقي الحافتان الخارجيتان للفيلم معًا في الأسفل، وتكونان جاهزتان لعملية الختم الأولى.
2. الحشو والختم الطولي
عندما يتشكل أنبوب التغليف، يتم تسليم المنتجات إليه بواسطة ناقل تغذية موقوت بدقة. إن المنتجات متباعدة على مسافات ثابتة الفاصل الزمني، أو درجة الصوت، داخل الأنبوب المتصل.
وفي الوقت نفسه، تمر الحواف المتداخلة للفيلم عبر عجلات أو أحزمة ساخنة. هذه هي وحدة الختم الطولية، التي تنشئ “ختم الزعنفة” الذي يمتد على طول العبوة. يعمل هذا الختم المستمر على تحويل الفيلم المطوي إلى أنبوب حقيقي، ويحيط ب مجموعة المنتجات.
3. الختم والقطع العرضي
تستخدم المرحلة الأخيرة مجموعة الفك الدوارة أو الترددية. ويُعرف ذلك باسم وحدة الختم المستعرضة أو الطرفية. تعمل هذه المجموعة بدقة عالية.
يشبك الفكان على الفيلم في المسافة بين منتجين. وتقوم بثلاثة إجراءات في آن واحد. فهي تغلق الطرف الخلفي من العبوة الأمامية وتغلق الطرف الأمامي من العبوة التالية وتقطع الغشاء بين الغلافين. يفصل هذا الإجراء العبوة “الوسادة” المنفردة النهائية عن الشبكة المستمرة.
تحليل النظام الميكانيكي
غلاف التدفق هو نظام من التجميعات الميكانيكية المترابطة. ولكل منها غرض هندسي محدد. ولا يتحقق الأداء العالي إلا عندما يتم إعداد هذه الأنظمة بشكل صحيح ومتزامن تمامًا.
دقة ناقل التغذية الداخلي
يقوم ناقل التغذية بأكثر من مجرد نقل المنتجات. فوظيفته الأساسية هي التباعد الدقيق والتوقيت الدقيق. فهو يضمن وصول كل منتج إلى أنبوب التشكيل في اللحظة الدقيقة التي يتطلبها تسلسل التعبئة والتغليف.
تستخدم معظم المغذيات “رحلات” أو “عروات”. وهي عبارة عن دافعات متباعدة بشكل منتظم على سلسلة تحافظ على درجة ميل متسقة للمنتج. هذه الدرجة هي معلمة حاسمة للماكينة. فهي تحدد طول الكيس ويجب أن تكون متزامنة تمامًا مع دوران فكي الختم النهائي.
سرعة الناقل ليست مستقلة. فهو موجه إلكترونيًا لسرعة الفيلم ودورة الفك. وهذا يضمن وضع منتج واحد لكل طول كيس من الفيلم الذي يتم تغذيته. ينتج عن أي عدم تطابق في الأكياس الفارغة أو المنتج المسحوق في الأختام النهائية.
تغذية الفيلم وتشكيله
إن رحلة الفيلم من لفة مسطحة إلى أنبوب مُشكّل يحكمها الشد والهندسة. نظام تغذية وتشكيل الفيلم هو أساس العبوة الجيدة.
يحتوي هذا النظام على مجالين رئيسيين. الأول هو فك الفيلم والتحكم في الشد. ويبدأ بحامل لفة الفيلم، أو المغزل، والذي غالبًا ما يتضمن نظام كبح. أثناء سحب الفيلم، يمر الفيلم فوق “ذراع راقص” - بكرة محورية مرجحة. يوفر هذا الذراع تغذية راجعة للمكابح، مما يحافظ على ثبات شد الفيلم. وبدون ذلك، يمكن أن ينزلق الفيلم أثناء التغذية، مما يتسبب في أطوال أكياس غير متناسقة. أو يمكن أن يتمدد، مما يؤدي إلى حدوث أخطاء في التسجيل على الفيلم المطبوع.
المنطقة الثانية هي صندوق التشكيل. تقوم هذه الأداة بتشكيل الفيلم المسطح فيزيائيًا في أنبوب. جدرانه الجانبية والعلوية والسفلية قابلة للتعديل لاستيعاب عرض المنتج وارتفاعاته المختلفة. صندوق التشكيل غير المعدل بشكل جيد هو مصدر شائع للمشاكل. فهو يؤدي إلى وجود زعانف منحرفة أو تجاعيد أو عبوات ضيقة أو فضفاضة للغاية حول المنتج.
فكي الختم والقطع
فكي الختم والقطع هما قلب الماكينة. هذا هو المكان الذي يتم فيه إنشاء الحزمة النهائية وتأمينها. وتعتمد فعاليتها على التوازن الدقيق لدرجة الحرارة والضغط والوقت.
تتكون وحدة الختم الطولي، أو ختم الزعانف، عادةً من زوجين أو ثلاثة أزواج من البكرات المسخنة. تطبق هذه البكرات الحرارة والضغط على حواف الغشاء المتداخلة. والمبدأ الأساسي الذي يحكم هذا الإجراء هو العلاقة بين درجة الحرارة والضغط ووقت السكون (TPD). يجب الاحتفاظ بالفيلم في درجة الحرارة والضغط الصحيحين لفترة كافية حتى تذوب طبقات المادة المانعة للتسرب وتندمج.
تقوم وحدة الختم والقطع المستعرضة بأداء الإجراءين المتمثلين في الختم والفصل الطرفي. وتحتوي أوجه الفك على أنماط مسننة مشكّلة فيها. لا تقوم هذه الأنماط بنقل الحرارة فحسب، بل تعمل أيضًا على تجعيد طبقات الغشاء معًا لإنشاء مانع تسرب قوي، وغالبًا ما يكون قابلًا للتقشير. يتم وضع سكين داخل أحد الفكين. عند إغلاق الفكين وإحكام الإغلاق، يمتد السكين لقطع الغشاء.
الخطأ التشغيلي الشائع هو ضبط درجة حرارة الفك عالية للغاية بالنسبة لسرعة غشاء معينة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى ذوبان الغشاء وتراكمه على الفكين. يتسبب ذلك في التصاق العبوات اللاحقة وتمزقها، مما يؤدي إلى توقف الماكينات والمنتج النفايات.
دماغ الآلة
تحقق ماكينات تعبئة الوسائد الحديثة سرعتها ودقتها ومرونتها الرائعة من خلال نظام تحكم إلكتروني متطور. يقوم هذا “الدماغ” بمزامنة جميع الإجراءات الميكانيكية.
الكمبيوتر المركزي هو PLC (وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة). يقوم باستمرار بتشغيل برنامج يقرأ المدخلات من المستشعرات. وتشمل هذه العيون الضوئية لتسجيل الطباعة وأجهزة التشفير لتحديد الموضع. ويرسل أوامر الإخراج إلى المشغلات مثل السخانات والملفات اللولبية والمحركات. PLC هو صانع القرار النهائي، حيث يقوم بتنفيذ منطق الماكينة.
في قلب التحكم في الحركة توجد محركات مؤازرة. على عكس أنظمة الكامة الميكانيكية القديمة أو أنظمة القابض/المكابح الميكانيكية القديمة، توفر المحركات المؤازرة تحكمًا دقيقًا ومحددًا بالبرمجيات في الموضع والسرعة وعزم الدوران. وهذا يسمح بإجراء تغييرات سريعة وقابلة للتكرار.
أجهزة المؤازرة مسؤولة بشكل مباشر عن الحركات المتزامنة الأكثر أهمية في الماكينة. يتحكم مؤازر على ناقل التغذية في درجة ميل المنتج. يتحكم مؤازر على بكرات محرك الغشاء في طول الكيس بالضبط. وهذا يتيح ميزات مثل “لا منتج، لا كيس” لمنع العبوات الفارغة. يتحكم مؤازر على فكي الختم في سرعة دورانهما وطورهما بالنسبة للمنتج.
يتفاعل المشغل مع هذا النظام من خلال HMI (واجهة الإنسان والآلة)، وهي عادةً لوحة تعمل باللمس. HMI هي لوحة تحكم الماكينة. من هنا، يمكن للمشغل ضبط جميع المعلمات الرئيسية مثل طول الكيس، ودرجات حرارة الختم، والسرعة الإجمالية للماكينة. والأهم من ذلك، يتم استخدام HMI لتخزين “الوصفات” للمنتجات المختلفة. وهذا يسمح بتغيير كامل للماكينة ببضع ضغطات على الأزرار. كما توفر أيضًا معلومات تشخيصية حيوية، وتعرض الإنذارات وتوجه الفنيين إلى مصدر العطل.
البنى المقارنة
الميزة التقنية الأساسية بين أغلفة التدفق هي الميكانيكية تصميم نظام الفك الختم الطرفي. تحدد حركة الفكين سرعة الماكينة وجودة الختم وملاءمتها للمنتجات والأغشية المختلفة. هناك ثلاث بنيات رئيسية.
توفر الفكوك الدوارة أعلى سرعة. تدور الفكوك بحركة دائرية مستمرة، مما يجعلها تلامس الفيلم بشكل عرضي قصير.
تتحرك فكوك الحركة الصندوقية في مسار “صندوقي” مستطيل. تتحرك الفكوك لأسفل لتثبيت الفيلم، وتتحرك أفقيًا مع الفيلم لزيادة وقت الإغلاق، ثم تتراجع لأعلى وتعود إلى موضع البداية.
أنظمة السكون الطويل هي نوع مختلف من الحركة الصندوقية، وهي مصممة لأطول وقت ممكن لإحكام الغلق. تتبع الفكوك المنتج أفقيًا لمسافة طويلة. وهذا يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب موانع تسرب محكمة الإغلاق مضمونة.
الجدول 1: مقارنة فنية بين أنظمة الفك الختم النهائي
الميزة | الفكوك الدوارة | فكي حركة الصندوق | فكي طويل السكون الطويل |
الحركة الميكانيكية | حركة دورانية مستمرة | حركة رأسية وأفقية (تشكل “صندوقاً”) | تتبع المنتج أفقيًا لفترة طويلة |
وقت الختم | التلامس العرضي القصير | ضغط مباشر أطول وأطول | الضغط الأطول والمستمر |
السرعة القصوى | مرتفع جدًا (حتى 1000 جزء في المليون) | متوسطة إلى عالية (حتى 150 جزء في المليون) | متوسط |
جودة الختم | جيد للأفلام القياسية | ممتاز؛ يسمح بتغلغل الحرارة بشكل أكبر للأغشية السميكة | متفوقة؛ مثالية لموانع التسرب المحكم/خطة عمل البحر المتوسط |
التعامل مع المنتج | الأفضل للمنتجات الصغيرة والثابتة وخفيفة الوزن | متعدد الاستخدامات؛ جيد للمنتجات الأطول أو الأثقل أو الحساسة | مثالية للأختام عالية التكامل المطلوبة في الأغذية الطبية أو الطازجة |
التطبيق الأساسي | الحلويات، والبسكويت، وألواح الوجبات الخفيفة | العبوات المتعددة، والمنتجات الطازجة، والمخبوزات الطازجة، والمخبوزات | التعبئة والتغليف في الغلاف الجوي المعدل (MAP)، الأجهزة الطبية |
التفاعل بين الفيلم والآلة
يرتبط أداء آلة التغليف بالتدفق ارتباطًا مباشرًا بخصائص غشاء التغليف المستخدم. الآلة عبارة عن نظام ميكانيكي حراري، والغشاء هو المادة التي تعمل عليها. فهم المواد العلم ضروري للتقنية الإتقان.
يتم إملاء التفاعل من خلال العديد من خصائص الفيلم الرئيسية. تحدد هذه الخصائص إعدادات الماكينة المطلوبة لدرجة الحرارة والضغط والسرعة. قد يفشل الفيلم الذي يعمل بشكل جيد على ماكينة ما في ماكينة أخرى إذا لم يتم ضبط هذه الإعدادات لتتناسب مع الخصائص.
الجدول 2: خصائص الفيلم الرئيسية وتأثيرها التقني
ملكية الفيلم | الوصف | التأثير على عملية تعبئة الوسائد | المواد الشائعة |
طبقة مانع التسرب | الطبقة الداخلية من الفيلم الذي يذوب تحت الحرارة والضغط لتشكيل الختم. | يحدد درجة حرارة الختم المطلوبة ووقت السكون. تتيح درجة حرارة بدء الختم المنخفضة (درجة حرارة بدء الختم) سرعات أعلى. | بولي إيثيلين البولي إيثيلين (مثل سورلين) |
معامل الاحتكاك (CoF) | “انزلاق” سطح الفيلم. | يعتبر معامل معامل CoF المنخفض أمرًا حاسمًا للانتقال السلس فوق صندوق التشكيل وسرير الماكينة. يمكن أن يسبب ارتفاع معامل معامل التركيز العالي السحب وتمدد الغشاء. | تختلف حسب الفيلم؛ وغالباً ما يتم التحكم فيها بإضافات الانزلاق. |
الصلابة/المعامل | صلابة الفيلم. | الأغشية الأكثر صلابة تتبع مسار أفضل من خلال الماكينة ولكن قد يكون من الصعب تشكيلها. قد يكون من الصعب التحكم في الأغشية الرقيقة. | تيبس الأكسجين متصلب؛ أما البولي إيثيلين الفينيل متعدد البروتينات فهو رخو. |
خصائص الحاجز (OTR/MVTR) | معدل انتقال الأكسجين / معدل انتقال بخار الرطوبة. | حاسم لـ مدة صلاحية المنتج ولكنها لا تؤثر بشكل مباشر على إمكانية تشغيل الماكينة. | يوفر طلاء البولي إيثيلين تيرفثالات البولي إيثيلين تيرفثالات البولي إيثيلين تيرفثالات وEVOH وAlOx حواجز عالية. |
يوجد تمييز أساسي بين أغشية الختم الحراري وأغشية الختم البارد. أغشية الختم الحراري هي النوع الأكثر شيوعًا. وهي تتطلب فكوك ساخنة لإذابة طبقة مانعة للتسرب من البوليمر.
وعلى النقيض من ذلك، تستخدم أغشية الختم البارد مادة لاصقة متماسكة حساسة للضغط مطبقة مسبقًا تلتصق بنفسها فقط. يتم تشغيل هذه الرقائق على ماكينات ذات فكوك غير مسخنة تطبق الضغط فقط. وهي ضرورية لـ تغليف المنتجات الحساسة للحرارة مثل الشوكولاتة. فهي لا تُدخل أي حرارة في العملية، مما يسمح بسرعات عالية جدًا دون التعرض لخطر تلف المنتج.
الدليل الفني لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها
يتطلب استكشاف الأعطال وإصلاحها بفعالية اتباع نهج منهجي ومنتظم للأسباب الجذرية. نادرًا ما تكون المشاكل في خط تعبئة الوسائد معزولة. فهي غالبًا ما تكون عرضًا لمشكلة في نظام ميكانيكي أو مادي أو إلكتروني ذي صلة.
يوفر هذا الدليل إطار عمل لتشخيص الأعطال الشائعة. عند حدوث مشكلة، من المهم تحليل الأسباب المحتملة في جميع المجالات الثلاثة. لا تركز على أكثر الأعراض وضوحًا فقط. على سبيل المثال، غالبًا ما يتم إلقاء اللوم على طول الكيس غير المتناسق على الفيلم. ولكن يمكن أن يكون ذلك بنفس السهولة عطلًا في أداة التشفير أو البكرات الميكانيكية البالية.
الجدول 3: أخطاء تعبئة الوسائد الشائعة والأسباب الجذرية الفنية
العَرَض / العطل | السبب الميكانيكي المحتمل | السبب المادي المحتمل | سبب إلكتروني/تحكم محتمل |
الأختام الطرفية الرديئة (تسرب، ضعيف) | عدم كفاية ضغط الفك؛ تآكل مسننات الفك البالية؛ اختلال الفك. أول شيء يجب التحقق منه هو درجة حرارة الختم. | طبقة مانع التسرب غير متوافقة مع درجة الحرارة/السرعة؛ الغشاء سميك للغاية بالنسبة لوقت السكون المتاح. | إعداد درجة الحرارة غير صحيح في HMI؛ معلمة وقت السكون غير صحيحة (في أنظمة الحركة الصندوقية). |
طول الحقيبة غير متناسق | أحزمة/بكرات نقل الأغشية البالية؛ ضغط غير صحيح على عجلات السحب؛ انزلاق ميكانيكي في مجموعة الحركة. | ارتفاع أو عدم اتساق معامل التغطية للفيلم مما يتسبب في انزلاقه أو سحبه فوق كتف التشكيل. | قد يحتاج محرك مؤازر لتغذية الفيلم إلى إعادة ضبط؛ قد يحتاج محرك مؤازر لتغذية الفيلم إلى إعادة ضبط؛ جهاز تشفير متسخ أو معطل، مما يتسبب في قراءات خاطئة لحركة الفيلم. |
تجعد الفيلم عند ختم الزعنفة | عجلات ختم الزعانف غير متناسقة؛ ضغط غير صحيح على العجلات (مرتفع للغاية)؛ صندوق التشكيل ضيق أو عريض للغاية بالنسبة للمنتج. | الفيلم ذو صلابة منخفضة (رخو للغاية) ولا يمكنه دعم نفسه؛ سمك الفيلم غير متناسق (أشرطة قياس). | غالباً ما يتم تشخيص هذه المشكلة بشكل خاطئ على أنها مشكلة إلكترونية. افحص مكابح الفك بحثًا عن حركة “الاهتزاز” التي تخلق ارتفاعات في الشد. |
فيلم لا يتم تتبعه مركزيًا | لفة الفيلم ليست متمركزة على عمود الدوران؛ صندوق التشكيل ليس متمركزًا على الخط المركزي للماكينة؛ سرير/بكرات الماكينة ليست مستوية. | كانت لفة الفيلم نفسها ملفوفة بـ “تلسكوب” أو ذات حواف غير مستوية من عملية الحز. | غير متاح (هذه دائمًا ما تكون مشكلة في الإعداد الميكانيكي أو المواد الخام). |
التوليف من أجل الأداء
ماكينة تعبئة الوسائد هي نظام معقد ومتزامن. لا يتحقق الأداء الأمثل من خلال إتقان مكون واحد. فهو يأتي من فهم الترابط العميق بين الدقة الميكانيكية وعلوم المواد والتحكم الإلكتروني.
إن مفتاح الانتقال من مشغل أساسي إلى مشغل حقيقي هو يكمن الخبير التقني في استيعاب هذه العناصر الأساسية المبادئ. يتعلق الأمر بفهم كيفية ارتباط TPD لفكي الختم بطبقة مانع التسرب للفيلم. إنها معرفة كيفية تأثير CoF للفيلم على أداء الماكينة. وفهم كيف يمكن لصندوق التشكيل غير المحاذي أن يتسبب في سلسلة من الأعطال المتتالية.
بالنظر إلى المستقبل، يستمر تطور تكنولوجيا التغليف بالتدفق. يشير المستقبل إلى تكامل أكبر مع الروبوتات من أجل التحميل الآلي الكامل وتعبئة الصناديق. سنشهد اعتمادًا أوسع لمبادئ الصناعة 4.0. ستوفر أجهزة الاستشعار الذكية بيانات في الوقت الفعلي عن تآكل المكونات وأدائها، مما يتيح الصيانة التنبؤية ويقلل من وقت التوقف عن العمل. ومع ذلك، حتى في هذا المستقبل المتقدم، ستظل المبادئ الهندسية الأساسية التي تم تحليلها هنا هي حجر الأساس لعمليات التعبئة والتغليف الناجحة.
- عالم التعبئة والتغليف - منشور رائد في صناعة التعبئة والتغليف https://www.packworld.com/
- PMMI - رابطة تقنيات التعبئة والتغليف والمعالجة https://www.pmmi.org/
- استراتيجيات التعبئة والتغليف - ابتكار تغليف الأغذية والمشروبات https://www.packagingstrategies.com/
- ملخص التعبئة والتغليف - تكنولوجيا التعبئة والتغليف وأفضل الممارسات https://www.packagingdigest.com/
- جمعية التغليف المرن (FPA) https://www.flexpack.org/
- معهد محترفي التغليف (IoPP) https://www.iopp.org/
- ProMach - حلول التغليف المرن وحلول HFFS للتغليف المرن https://www.promach.com/
- التعبئة والتغليف أوروبا - ابتكار التغليف الأوروبي https://packagingeurope.com/
- ISA - الجمعية الدولية للأتمتة https://www.isa.org/
- تكنولوجيا وعلوم التغليف والتعبئة والتغليف - مجلة وايلي https://onlinelibrary.wiley.com/journal/10991522
