La Guía del Ingeniero para el Envasado por Peso: Un análisis técnico de los sistemas de pesaje modernos
Piense en la precisión oculta que hace que su bolsa de granos de café, su caja de tornillos o su frasco de vitaminas tengan exactamente el peso que indica la etiqueta. No es suerte. Es el resultado de una ingeniería avanzada.
En este artículo se define el “envasado al peso” no como lo que pesa el envase, sino como las tecnologías automatizadas que llenan un envase hasta que alcanza un peso objetivo preciso. Este es esencial para controlar costes, garantizar la calidad y cumplir la normativa.
Nuestro objetivo es ofrecerle análisis técnico completo de los principios modernos del envasado al peso, las máquinas y la integración de sistemas. Le guiaremos a través de los conceptos básicos cada ingeniero de embalajes y director de producción necesita saber.
- Empezaremos con los principios básicos del pesaje digital.
- A continuación, desglosaremos las principales tecnologías, desde las pesadoras lineales hasta los avanzados sistemas multicabezal.
- A continuación exploraremos el software inteligente y los algoritmos que actúan como “cerebro” de estas máquinas.
- Por último, analizaremos cómo estos sistemas funcionan juntos en un completo línea de producción y resolver problemas técnicos comunes.
Principios fundamentales de pesaje
Para dominar el envasado por peso, necesitamos establecer términos comunes y comprender la física que hay detrás de cada máquina de pesaje. Esta base le ayudará a comprender los complejos sistemas de los que hablaremos más adelante. Explica el núcleo de la tecnología de sensores y muestra cómo se mide el rendimiento.
Terminología clave
El peso neto es el peso de sólo el producto. Es la cifra más importante porque es el peso que la ley exige que figure en el envase para los consumidores.
El peso de tara es el peso del propio envase vacío. Puede tratarse de una bolsa, una caja, un tarro o un contenedor. Debe tenerlo en cuenta para determinar el peso real del producto.
El Peso Bruto es el peso total del producto más su embalaje. Es simplemente el Peso Neto más el Peso Tara.
El producto sobrante es el producto que sobra en un envase por encima del peso neto indicado. Una pequeña cantidad es necesaria para evitar un llenado insuficiente. Pero una cantidad excesiva perjudica directamente a los beneficios.
El corazón de la máquina
Casi todas las básculas industriales tienen una célula de carga de galgas extensométricas en su núcleo. Es como una báscula de baño de alta precisión. Cuando se aplica peso, se produce una pequeña deformación en la estructura metálica de la célula de carga.
Esta deformación estira o comprime las galgas extensométricas internas, pequeños conductores eléctricos. Esto modifica su resistencia eléctrica. El cambio es increíblemente pequeño, pero proporcional al peso aplicado.
La electrónica del sistema amplifica esta débil señal eléctrica, filtra el ruido y la convierte en una lectura digital del peso. La rapidez y precisión con que esto ocurre determina el rendimiento general de la máquina.
Para las aplicaciones de mayor precisión, como productos farmacéuticos o ingredientes caros, solemos utilizar células de restauración de fuerza electromagnética (EMFR). En lugar de medir la deformación, una célula EMFR utiliza un electroimán para crear una fuerza contraria que equilibra exactamente la carga.
La corriente eléctrica necesaria para crear esta fuerza de equilibrado es proporcional al peso de forma directa y muy precisa. Esto permite una precisión y velocidad excepcionales, pero cuesta bastante más.
Exactitud, resolución y precisión
En el pesaje, estos términos tienen significados técnicos específicos que a menudo se confunden. Comprenderlos es fundamental para elegir y evaluar los equipos.
La precisión es la aproximación de la medición del peso medio de una máquina al valor absoluto verdadero. Mide la exactitud.
La resolución es el incremento de peso más pequeño que la báscula puede detectar y mostrar. Una báscula de alta resolución puede mostrar más decimales. Pero esto no la hace automáticamente más precisa.
La precisión, también llamada repetibilidad, mide la coherencia. Describe lo cerca que están entre sí varias pesadas del mismo artículo, independientemente de si son exactas o no. Una máquina precisa produce el mismo resultado repetidamente.
Tabla 1: Comparación de las principales tecnologías de sensores de pesaje
Característica | Célula de carga extensométrica | Restauración de la fuerza electromagnética (EMFR) |
Principio | Mide la deformación de un material bajo carga, modificando su resistencia eléctrica. | Utiliza un electroimán para generar una contrafuerza que equilibre la carga; la corriente necesaria es proporcional al peso. |
Precisión | De buena a muy buena (por ejemplo, +/- 0,1% a 0,05% de capacidad). | De excelente a excepcional (por ejemplo, +/- 0,01% a 0,001% de capacidad). |
Velocidad | De moderado a rápido. | Muy rápido. |
Costo | Baja. | Significativamente superior. |
Uso común | Pesaje a granel, pesadoras multicabezal, controladoras de peso, básculas de plataforma. | Controladoras de peso de alta precisión, balanzas de laboratorio, aplicaciones farmacéuticas. |
Durabilidad | Muy robusto y duradero, adecuado para entornos industriales difíciles. | Más sensible a las vibraciones y a los factores ambientales. |
Tecnologías básicas de pesaje
Ahora que hemos cubierto los aspectos básicos, podemos examinar los principales tipos de básculas que se encuentran en las plantas de producción. Cada una está diseñada para un fin específico, equilibrando velocidad, precisión y coste para diferentes productos y aplicaciones.
Básculas lineales
La pesadora lineal es una solución sencilla y fiable para muchas aplicaciones. Su mecanismo es sencillo. El producto fluye desde un tolva en una bandeja de alimentación vibratoria.
Este plato vibra a una frecuencia y amplitud controladas, creando un flujo de producto constante y lineal. El producto se desplaza a lo largo del plato y cae en un cubo de pesaje montado en una célula de carga.
Cuando el peso en la cuchara se aproxima al objetivo, la vibración se ralentiza a un avance por “goteo” para mayor precisión. Una vez que se alcanza el peso objetivo exacto, la vibración se detiene por completo. La compuerta de la cuchara se abre para dispensar el producto en el envase inferior.
Para obtener un mayor rendimiento, estos sistemas pueden utilizar varios carriles: dos, tres o cuatro pesadoras que funcionan en paralelo para alimentar una sola envasadora.
Las pesadoras lineales funcionan mejor con productos de flujo libre, granulares y relativamente uniformes. Son ideales para productos como el arroz, el azúcar, la sal, el café en grano, los cereales y los gránulos de plástico.
Pesadoras multicabezal
La pesadora multicabezal representa el estándar de oro de la industria para lograr tanto una alta velocidad como una precisión excepcional, especialmente con productos de forma irregular.
El funcionamiento comienza con la colocación del producto en un cono de dispersión central vibratorio situado en la parte superior de la máquina. Este cono distribuye uniformemente producto hacia una serie de alimentadores radiales.
Cada plato alimentador suministra producto a su propio cubo de pesaje individual. Una máquina típica puede tener 10, 14, 20 o incluso más de estos “cabezales”, cada uno con su propia célula de carga dedicada.
La principal innovación de la pesadora multicabezal es el uso de las matemáticas combinatorias. El ordenador central de la máquina, o CPU, es el cerebro de la operación.
Cada cubo de pesaje se llena sólo con una fracción del peso objetivo final. La CPU lee instantáneamente el peso de cada cubo y calcula todas las combinaciones posibles para hallar el grupo de cubos que más se aproxime al peso objetivo sin ser insuficiente.
Una vez identificada la combinación óptima, esos cubos específicos se abren simultáneamente. Descargan su contenido como una única porción de gran precisión a través de un embudo en el envase.
Todo este proceso (pesaje, cálculo y descarga) se realiza en una fracción de segundo. En cuanto se vacía un cubo, se rellena inmediatamente y queda disponible para el siguiente ciclo de cálculo. Esto garantiza un funcionamiento continuo a alta velocidad.
La potencia de este principio de combinación permite al sistema lograr una entrega extremadamente baja. Puede seleccionar el peso perfecto entre miles de posibilidades. Algo que un sistema de un solo cubo nunca podría hacer.
Esto hace que las pesadoras multicabezal sean ideales para una amplia gama de productos, especialmente aquellos con formas, tamaños y densidades inconsistentes. Destacan con aperitivos como patatas fritas y pretzels, dulces, frutos secos, verduras congeladas, mezclas para ensaladas e incluso artículos no alimentarios como pequeñas piezas de ferretería.
Controladoras de peso
Una báscula de control desempeña una función diferente pero igual de crítica que el control de calidad de la línea de envasado. Se trata de una báscula en movimiento que pesa 100% de envases acabados después de llenarlos y sellarlos.
Su función no es llenar, sino verificar. Los paquetes pasan de la llenadora o embolsadora a la cinta transportadora de la controladora de peso. Esta cinta transporta cada paquete sobre una sección de célula de carga de alta velocidad y alta precisión que captura su peso bruto sobre la marcha.
El controlador de la máquina compara este peso con un intervalo de tolerancia preestablecido: un peso mínimo y un peso máximo aceptables.
Cualquier paquete que quede fuera de este rango recibe se retira automáticamente de la línea de producción mediante un dispositivo de rechazo integrado. Puede ser un soplo de aire comprimido para paquetes ligeros, un brazo neumático de empuje o un transportador de solapas.
Más allá del simple rechazo, las controladoras de peso avanzadas proporcionan un circuito de retroalimentación vital. Realizan un seguimiento del peso medio de los envases a lo largo del tiempo y envían los datos a la llenadora o pesadora primaria. Si se detecta una tendencia de llenado excesivo o insuficiente, la controladora de peso puede indicar a la llenadora que ajuste automáticamente su peso objetivo. Esto mantiene el proceso centrado y eficiente.
Tabla 2: Matriz de aplicación de la tecnología de pesaje
Tecnología | Velocidad | Precisión | Costo | Principales tipos de productos | Ejemplos de productos |
Báscula lineal | Bajo a medio | Bien | Bajo | Flujo libre, granular, homogéneo | Azúcar, sal, arroz, granos de café, cereales |
Pesadora multicabezal | Alto a muy alto | Excelente | Alta | Formas irregulares, frágiles, componentes mixtos | Patatas fritas, caramelos de goma, frutos secos, mezclas para ensaladas, verduras congeladas |
Controladora de peso | Varía (coincide con la velocidad de la línea) | De muy bueno a excelente | Medio | Todos los productos envasados (para su verificación) | Bolsas selladas, cajas de cartón, botellas, bandejas |
Sinfín de llenado (con retroalimentación de peso) | Medio | Bien | Medio | Polvos, gránulos finos, algunos líquidos | Harina, especias, leche en polvo, proteínas en polvo |
El ‘cerebro’ del sistema’
El hardware mecánico de una pesadora es sólo la mitad de la historia. El verdadero rendimiento -la velocidad, la precisión y la eficiencia económica- viene determinado por el software, los algoritmos y las estrategias de control que conforman el ‘cerebro’ del sistema. Aquí es donde se obtienen los beneficios de los expertos.
Algoritmo de combinación deconstruido
Para apreciar realmente una pesadora multicabezal, debemos examinar más de cerca su algoritmo central. Veamos un modelo simplificado.
- El objetivo es alcanzar un peso neto de 100 g.
- Una pesadora de 10 cabezales dispersa el producto en sus 10 cubos de pesaje individuales. Cada cubo se llena con un peso parcial aleatorio, que puede oscilar entre 30 g y 45 g.
- La CPU lee instantáneamente el peso exacto de los 10 cubos. A continuación, evalúa todas las combinaciones posibles de estos cubos para hallar una suma. Para una máquina de 10 cabezas, hay 1.023 combinaciones posibles (2^10 - 1).
- El único objetivo del ordenador es encontrar la combinación que sume lo más cerca posible de 100 g sin estar por debajo del peso. Podría encontrar que los cubos 2, 5 y 9 contienen 33,5 g, 34,0 g y 33,0 g, respectivamente. Su suma es 100,5 g.
- Si ésta es la mejor opción disponible, la CPU la selecciona. Ordena a esos tres cubos específicos que se abran y descarguen su contenido juntos como una única porción combinada.
- Los cubos vacíos se rellenan inmediatamente, quedando disponibles para el siguiente ciclo de cálculo. Esta secuencia es tan rápida que la máquina puede realizar 60, 120 o incluso más pesadas precisas por minuto.
El imperativo económico
La principal motivación para invertir en tecnología de pesaje de alta precisión es la rentabilidad económica. necesidad de minimizar el producto ‘sorteo.
Incluso una fracción de gramo de regalo por bolsa parece insignificante. Sin embargo, cuando se multiplica por millones de ciclos de producción al año, las pérdidas económicas llegan a ser asombrosas. El pesaje de precisión no es sólo una herramienta de calidad. Es un mecanismo de protección directa de los beneficios.
Hagamos un cálculo real. Para un producto que cuesta $10 por kilogramo, una pérdida de sólo 0,5 gramos por envase en una línea que funciona a 100 envases por minuto durante 16 horas al día puede suponer más de $38.000 en ingresos perdidos por producto al año. Este único parámetro pone de manifiesto la rentabilidad de la inversión en una báscula de precisión.
Calibración en el mundo real
La calibración y la configuración van mucho más allá de la simple introducción de un peso objetivo. Es un proceso minucioso que requiere experiencia práctica, especialmente con productos difíciles.
Una vez tuvimos que configurar una nueva pesadora multicabezal de 14 cabezales para una línea de aperitivos de fruta pegajosos y recubiertos de azúcar. Las pruebas iniciales fueron problemáticas. El producto se apelmazaba en los alimentadores vibratorios, lo que provocaba un flujo irregular. Luego se pegaba a las superficies de los cubos de pesaje, provocando lecturas inexactas y una descarga lenta.
Aumentar simplemente la fuerza de vibración no era una opción. La capa de azúcar se descascarillaría y dañaría el producto. aspecto y calidad del producto.
Para resolverlo, aplicamos una solución en varias partes basada en nuestra experiencia técnica. En primer lugar, cambiamos todas las piezas en contacto con el producto (el cono de dispersión, las bandejas de alimentación y los cubos) por acero inoxidable antiadherente con hoyuelos. La textura con hoyuelos reduce la superficie de contacto, minimizando la pegajosidad.
En segundo lugar, tuvimos que ajustar el software de control del alimentador. En lugar de una vibración larga y suave, programamos una ráfaga de vibración más corta, más aguda y de alta frecuencia. Esto fue suficiente para desprender el producto pegajoso y ponerlo en movimiento sin causarle daños.
Por último, ajustamos la frecuencia de ‘autocero’ del software. Este ajuste indica a la máquina con qué frecuencia debe volver a tarar un cubo vacío. Aumentamos la frecuencia para asegurarnos de que el sistema compensara automáticamente cualquier pequeña acumulación progresiva de residuos de azúcar entre los ciclos de pesaje. De este modo se evitaba la desviación del peso. Esta combinación de ajustes mecánicos, eléctricos y de software fue clave para alcanzar la velocidad y precisión requeridas.
Integración de sistemas
Una envasadora al peso no funciona sola. Es una parte fundamental de una línea de producción más amplia e interconectada. Comprender cómo se comunica y sincroniza con otras el equipamiento es esencial para diseñar y gestionar un proceso eficaz y completo.
El apretón de manos digital
La perfecta integración entre una pesadora y una máquina de envasado, como una embolsadora Vertical Form Fill Seal (VFFS), se basa en un “apretón de manos” digital constante y de alta velocidad.”
Este protocolo de comunicación garantiza que las dos máquinas funcionan en perfecta sincronía. La secuencia de los acontecimientos es precisa y rápida.
- La máquina VFFS forma una bolsa a partir de un rollo de película y señala a la pesadora multicabezal que está “Lista para el producto”. Esto significa que se coloca una bolsa abierta directamente debajo del embudo de descarga de la pesadora.
- La báscula, que ya ha calculado y preparado la combinación de pesos correcta, recibe esta señal y descarga inmediatamente su carga.
- En cuanto se descarga el producto, la báscula envía una señal de “Descarga completa” a la ensacadora.
- Al recibir esta confirmación, la embolsadora sella la parte superior de la bolsa llena, la corta y, simultáneamente, comienza a formar la siguiente bolsa de la cadena. Este ciclo completo puede durar menos de medio segundo en una línea de alta velocidad.
Cerrar el bucle de retroalimentación
El papel del controlador de peso va más allá de la simple control de calidad en procesos sofisticados control. A esto lo llamamos “cerrar el bucle”.”
Como ya se ha comentado, una controladora de peso puede enviar una señal de rechazo para un paquete individual fuera de especificación. Más potente aún, recopila datos estadísticos sobre el peso medio y la desviación estándar de cientos o miles de paquetes.
Si estos datos muestran que el peso medio está empezando a desviarse -por ejemplo, aumentando gradualmente debido a un cambio en la densidad o temperatura del producto- el software de la controladora de peso identifica esta tendencia.
A continuación, envía una señal de ajuste automático a la pesadora multicabezal primaria. Esto le indica que disminuya ligeramente su peso objetivo en una cantidad calculada (por ejemplo, -0,1 g). De este modo, el proceso vuelve al centro del rango de especificación y se evitan de forma proactiva las pérdidas y los rechazos. Se trata de un principio básico del Control Estadístico de Procesos (CEP) en acción.
Tabla 3: Flujo de señales y datos en una línea de pesaje integrada
En | A | Señal / Datos | Propósito |
Embolsadora (VFFS) | Pesadora multicabezal | “Listo para llenar” | Informa al pesador de que hay una bolsa abierta en posición. |
Pesadora multicabezal | Embolsadora (VFFS) | “Vertedero Completo” | Confirma que el producto ha sido descargado, permitiendo que la ensacadora selle. |
Controladora de peso | Sistema de rechazo | “Rechazar” | Acciona un empujador o un chorro de aire para retirar un paquete fuera de especificación. |
Controladora de peso | Pesadora multicabezal | “Datos de tendencia de peso” / “Ajustar objetivo” | Proporciona información para corregir automáticamente el llenado sistemático por exceso o por defecto. |
Todas las máquinas | Sistema de control centralizado (SCADA) | Datos de producción (rendimiento, eficacia, peso medio, rechazos) | Proporciona datos en tiempo real para la supervisión de la eficacia general de los equipos (OEE) y la gestión de la planta. |
Retos técnicos avanzados
Lograr un rendimiento de pesaje constante en el mundo real implica superar numerosas complejidades. Las características del producto y el entorno de producción pueden influir considerablemente en la precisión y la eficacia. Un enfoque experto implica identificar estos retos y diseñar soluciones específicas.
Desafíos en la manipulación de productos
La naturaleza física del producto suele ser el mayor reto. Los productos pegajosos, como los caramelos de goma o la fruta recién cortada, requieren superficies especiales. Las soluciones incluyen revestimientos antiadherentes como el teflón o, de forma más duradera, el uso de acero inoxidable gofrado o con hoyuelos para minimizar la superficie de contacto.
Los productos frágiles, como las patatas fritas o las galletas delicadas, pueden resultar dañados por el proceso. Las soluciones de ingeniería implican el diseño del sistema para minimizar todas las alturas de caída. Utilizamos cubos y embudos acolchados o con contornos especiales. Controlamos con precisión la velocidad de descenso de productos para garantizar un aterrizaje suave.
Los productos polvorientos, como la harina, las especias o los polvos finos, presentan un doble problema: la pérdida de producto y los daños en los equipos. Las soluciones incluyen armarios a prueba de polvo alrededor de la pesadora, sistemas de ventilación de extracción de polvo integrados y la especificación de maquinaria con mayores grados de protección IP. De este modo se protege la sensible electrónica interna y las células de carga de la contaminación.
Retos medioambientales
El propio entorno de la fábrica puede ser un enemigo de la precisión. Las vibraciones externas de la maquinaria cercana, las carretillas elevadoras o incluso la estructura del edificio pueden ser captadas por una célula de carga sensible. Esto se interpreta erróneamente como peso, provocando lecturas inexactas.
Las soluciones incluyen aislar mecánicamente la báscula en un bastidor resistente con amortiguación de vibraciones o en un entresuelo independiente. Los algoritmos avanzados de filtrado de software también son cruciales. Pueden distinguir de forma inteligente entre el “ruido” de la vibración de fondo y la señal real del producto que cae en un cubo.
Las fluctuaciones de temperatura también pueden afectar a la precisión. A medida que cambia la temperatura ambiente, los componentes metálicos de una célula de carga pueden dilatarse o contraerse. Esto altera ligeramente sus propiedades eléctricas. Las células de carga de gama alta solucionan este problema con sensores de compensación de temperatura integrados que corrigen automáticamente la señal de peso. Las rutinas regulares de autocalibración programadas en el software de la máquina también ayudan a reducir este efecto.
Saneamiento y clasificación IP
En las aplicaciones alimentarias, lácteas y farmacéuticas, la higiene no es negociable. Los equipos deben estar diseñados para una limpieza frecuente y agresiva. Aquí es donde las clasificaciones de protección contra el ingreso (IP) se vuelven críticas.
La clasificación IP es un sistema normalizado que clasifica el grado de protección que ofrece una caja eléctrica. IP65, por ejemplo, indica que el dispositivo es estanco al polvo y está protegido contra chorros de agua a baja presión. Es adecuado para muchos entornos de productos secos.
IP67 significa que la máquina es estanca al polvo y puede soportar la inmersión temporal en agua. Esto la hace adecuada para lavados más exhaustivos y no cáusticos.
La clasificación más alta que se suele ver en los embalajes es IP69K. Esto certifica que el equipo está protegido contra la limpieza con vapor a alta presión y alta temperatura. Esto es esencial para industrias como la cárnica, avícola, láctea y de comidas preparadas, donde los protocolos sanitarios son más estrictos.
Más allá de las clasificaciones, el diseño sanitario implica utilizar acero inoxidable de alta calidad (normalmente 304 o 316). Todas las soldaduras deben ser continuas y estar pulidas para eliminar las grietas donde pueden esconderse las bacterias. Todas las piezas de contacto están diseñadas para poder desmontarse rápidamente sin necesidad de herramientas, para que la limpieza sea fácil y exhaustiva.
Conclusión
Hemos pasado de la física básica de una célula de carga a los complejos sistemas interconectados que definen una línea de envasado moderna. Está claro que lograr precisión en el envasado por peso depende de mucho más que una simple báscula.
Requiere una sofisticada combinación de ingeniería mecánica robusta, la máquina adecuada para el producto y algoritmos de software inteligentes que optimicen constantemente la velocidad, la precisión y la eficiencia económica. La integración de estos elementos -el hardware, el software y los datos que generan- es lo que proporciona el verdadero rendimiento.
El futuro del envasado de peso reside en sistemas aún más inteligentes. Avanzamos rápidamente hacia una era en la que la IA y el aprendizaje automático no solo proporcionarán información reactiva, sino que predecirán proactivamente las necesidades de mantenimiento. Autooptimizarán los parámetros de la máquina para nuevos productos basándose en sus propiedades físicas y llevarán la pérdida de producto a un objetivo cercano a cero. Esto representa la próxima evolución en eficiencia de producción y una nueva frontera para la ingeniería de envasado.
- Manual 44 del NIST - Dispositivos de pesaje y medición https://www.nist.gov/pml/owm/nist-handbook-44-current-edition
- Procedimientos de calibración NIST para patrones de masa https://www.nist.gov/programs-projects/calibration-mass-standards
- Recursos sobre procedimientos de calibración NIST https://www.nist.gov/pml/owm/laboratory-metrology/documentary-standards-and-resources/calibration-procedures
- Ingredientes y envases alimentarios de la FDA https://www.fda.gov/food/food-ingredients-packaging
- Normativa de la FDA sobre materiales en contacto con alimentos https://www.fda.gov/food/food-packaging-other-substances-come-contact-food-information-consumers/understanding-how-fda-regulates-substances-come-contact-food
- Guía de etiquetado de alimentos de la FDA https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fda-guidance-documents/guidance-industry-food-labeling-guide
- Normas ISO sobre maquinaria de envasado (ISO/TC 313) https://www.iso.org/committee/6809653.html
- Comité Técnico de Embalaje de ISO (ISO/TC 122) https://www.iso.org/committee/52040.html
- Estrategias de envasado - Guía de materiales en contacto con alimentos de la FDA https://www.packagingstrategies.com/articles/90180-a-beginners-guide-to-fda-food-contact-materials-regulations
- Foro sobre envasado de alimentos - Normativa estadounidense sobre envasado https://foodpackagingforum.org/resources/background-articles/regulation-on-food-packaging/food-packaging-regulation-in-the-us
