Uma caixa de papelão com janelas conta com um recurso aparentemente simples. Seja apresentando uma variedade de chocolates premium, um conjunto de cartões comemorativos ou acessórios eletrônicos de consumo. Possui um painel de filme transparente disposto com precisão em uma abertura de papelão recortada. Quando o filme está alinhado corretamente, o consumidor não consegue ver a janela. Como resultado, os produtos no interior parecem flutuar atrás de uma barreira transparente semelhante a vidro. Quando o desvio de calibração atinge até 2 mm, os resultados são imediatamente visíveis. Há uma pequena tira de adesivo exposta. Ou parcialmente obscurecido. Ou há uma borda de filme fino projetando-se além da dobra da caixa. Em embalagens premium, esse defeito torna toda a caixa invendável.
AMáquina de remendo de janela de caixa de papelãoé um dispositivo que consegue essa calibração em velocidades de produção de 60 a 250 caixas por minuto. A precisão necessária é geralmente de ±0,5 milímetros ou superior, entre a borda do filme e a borda da abertura da janela. Essa precisão é mantida por uma combinação de registro mecânico, sincronização acionada por servo, calibração com base visual e controle do processo de colagem.
O desafio do alinhamento: por que a precisão é difícil em velocidade
O remendo de janelas envolve dois fluxos separados de material. Eles devem convergir com precisão menor que milimétrica. O primeiro é a própria caixa. Esta é uma placa plana de papelão recortada com uma ou mais aberturas de janela. A segunda corrente é a membrana transparente. Geralmente é polipropileno (PP), tereftalato de polietileno (PET) ou poliestireno biorientado (BOPS). É um volume contínuo que deve ser reduzido em tamanho e posicionado ao ar livre.
A dificuldade é que ambos os materiais são flexíveis. Eles são de dimensão variável. Eles estão se movendo em alta velocidade. O papelão pode se deslocar durante a alimentação devido ao atrito. Eles mudam com eletricidade estática. O filme se estica sob uma malha de tensão. Encolhe após o corte. As alterações na viscosidade do adesivo variam com a temperatura ambiente. Qualquer uma dessas variáveis, se não for verificada, pode dar errado. Esse deslocamento se acumula ao longo do processo de produção.
Um estudo publicado na revista Precision Engineering analisou orçamentos de erros para sistemas flexíveis de registro de materiais de alta velocidade. Ele também descobriu que a variação no tamanho devido apenas à temperatura pode explicar o desvio posicional de 0,15 a 0,30 milímetros durante a produção de quatro horas. Este valor consome uma parte significativa da janela de tolerância total de ±0,5 mm antes que quaisquer erros mecânicos ou dinâmicos sejam considerados (Elsevier, 2021).
Sistema de Registro 1: Alimentação e Posicionamento da Caixa
Alimentadores de indexação servo-acionados
O primeiro ponto de verificação do alinhamento é o posicionamento da caixa. Uma máquina para remendar janelas de caixas de papelão usa um alimentador servo acionado para enviar papelão plano da pilha de revistas para a cadeia de transporte da máquina. O alimentador removeu cada peça em branco da pilha. Coloque-o em um bolso bem trabalhado na corrente de transporte. Este é um transportador de corrente com orelha ou ventosas mantidas em uma caixa de papelão contra uma unidade de superfície de referência.
a geometria do bolsão define a referência posicional primária da caixa. Guias de borda em três lados do bolsão identificaram a origem da localização de xy. um registro lateral pneumático ou com mola empurra a caixa em direção à borda de referência. Isto compensa pequenas variações de tamanho entre áreas em branco. A precisão do posicionamento da caixa na estação de remendo depende da precisão do processamento do saco. Isso geralmente é mantido em ±0,05 mm. Depende da rigidez da cadeia de transporte. Depende da consistência da força de registro lateral.
TAPPI T410 fornece uma medição padrão das características do tamanho do papelão para aplicação em caixas dobráveis. O peso básico do papelão para caixas com janelas é geralmente de 250 a 400 g/m2. A estabilidade dimensional deve estar dentro de ±0,3% sob umidade normal de produção. Assim, isso garante que a posição de abertura da janela não se desvie em relação à borda da caixa durante a alimentação (TAPPI, 2022).
Sensores de pré-registro
Ele passa por um sensor de pré-registro antes que a caixa chegue à estação de patch. Este é um sensor fotovoltaico ou de fibra óptica típico que detecta lacunas nas principais caixas de papelão. O sensor fornece referência de tempo para o controlador da máquina. O controlador é usado para sincronizar o corte do filme e o ciclo de vida do adesivo quando a caixa atinge a posição do remendo. A resolução e o tempo de resposta do sensor afetam diretamente a precisão do tempo. Sensores com velocidade de corrente de 60 metros por minuto e tempo de reação de 0,1 milissegundos apresentam incerteza de posicionamento de apenas 0,1 milímetros.
Sistema de Registro 2: Alimentação, Corte e Colocação do Filme
Controle de tensão da web
O filme é alimentado na estação de corte por um caminho de banda com tensão controlada. A tensão da teia deve ser mantida em pequena extensão. Geralmente é 5-15N para aplicações de películas para janelas. Porque a variação na tensão faz com que a membrana se estique. Isso relaxa o filme. Isso altera o tamanho do corte. O rolo dançarino fornece feedback de tensão em circuito fechado para o freio afrouxado. A tensão é ajustada dinamicamente com a mudança do diâmetro do rolo.
ASTM D882 fornece um método de teste para propriedades de tração de filmes finos. Ele também fornece os dados necessários de caracterização do material para determinar os parâmetros apropriados de tensão da alma. Para películas de PP com espessura de 25 a 40 mícrons, o módulo de elasticidade é de aproximadamente 1.000 a 1.500 MPa. Assim, uma carga de tensão de 10 N produz um alongamento elástico de aproximadamente 0,07% em uma alma com 100 mm de largura. Esta é uma mudança de tamanho de 0,07 mm por comprimento de filme de 100 mm (ASTM International, 2021).
Corte e vinco circular de prensa redonda
Corte o filme no tamanho de janela desejado usando uma matriz rotativa. Esta é uma ferramenta cilíndrica com um contorno preciso da lâmina usinada no formato da janela. A matriz gira em sincronia com a corrente transportadora. Ele corta o filme exatamente no momento em que ele precisa ser posicionado na janela de uma caixa de papelão em movimento.
A precisão do corte rotativo depende de três fatores. A primeira é a precisão de usinagem da lâmina da matriz. Mantenha ± 0,02 mm em ferramentas premium. A segunda é a sincronização da velocidade da matriz com a velocidade da corrente. Esta rotação é controlada pelo controlador de movimento da máquina em ± 0,1 graus. O terceiro é a folga de corte entre a lâmina da matriz e o rolo da bigorna. Geralmente é um corte limpo de 0,01 a 0,03 mm sem distorção do filme.
Transferência e colocação de filmes
Após o corte, o filme deve ser transferido da estação de corte para a superfície da caixa. Certifique-se de que esteja na janela. Esta mudança é conseguida através de um de dois mecanismos.
Transferência a vácuo: O filme cortado é atraído para a cabeça de transferência por vácuo. Cabeça movendo-se da posição de corte para a posição de caixa. A força de fixação a vácuo deve ser suficiente para manter a membrana em posição durante a transferência. E não distorce a forma do filme. Portanto, isso requer pressão de vácuo de calibração. Requer orifícios de sucção do tamanho certo.
Laminação direta: laminação direta da superfície de uma caixa. E o adesivo foi aplicado. Isso elimina a etapa de transferência. Elimina os erros de posição associados a ele. Contudo, requer que a matriz de corte seja posicionada directamente acima da abertura da janela da embalagem durante o corte. Portanto, isto requer uma sincronização mais estreita entre a fábrica de moldagem e a cadeia de transporte.
Sistema de Registro 3: Aplicação de Adesivo
Aplicação de cola padrão
Os folheados da janela de uma caixa de papelão aplicam adesivo na superfície circunferencial da caixa, que é aberta ao redor da janela, antes que o filme seja fixado. O modo de colagem deve ser posicionado com precisão em relação à abertura. Se o adesivo for muito para dentro, o adesivo poderá ser visto através do filme. Se estiver muito afastado, as bordas do filme não estarão totalmente coladas. Isto cria uma vantagem de elevação que captura as máquinas de embalagem a jusante.
Os adesivos são geralmente usados através de cabeças de matriz com fenda, um rolo de gravura ou uma pistola de cola quente programável. Os métodos slot-die e gravura fornecem controle de volume contínuo dos grânulos coloidais. Mas as pistolas de hot melt permitem padrões programáveis. Estes incluem pontos, linhas ou contas intermitentes. Esses padrões minimizam a necessidade de adesivos. Eles também reduzem o risco de os adesivos ultrapassarem as bordas do filme.
A ISO 13849 refere-se à segurança funcional de sistemas de controle de máquinas. Também inclui intertravamentos e equipamentos de proteção para proteger os operadores dos componentes móveis da estação de distribuição de adesivo. Máquinas projetadas para operação contínua devem incorporar monitoramento de nível de segurança de temperatura, pressão e velocidade do adesivo. Isto evita desvios de processo que podem afetar a qualidade do alinhamento (ISO, 2023).
Reologia adesiva e estabilidade de alinhamento
As propriedades reológicas do adesivo afetam as permutações de maneiras sutis, mas importantes. Se a viscosidade do adesivo for muito baixa, o filme deslizará sobre a camada adesiva antes que o adesivo solidifique. O momento entre o desvio de posição e a formação da ligação também é introduzido. Se a viscosidade do adesivo for muito alta, a superfície do filme pode não ficar completamente molhada. Isto resulta em falhas de ligação locais, fazendo com que as bordas do filme subam com o tempo.
Um estudo publicado no Journal of Adhesion Science and Technology descobriu que os adesivos hot-melt com viscosidade de 2.000 a 5.000 mPa/s em temperaturas operacionais fornecem umidade ideal e estabilidade de posicionamento para aplicações de películas para janelas. Eles unem o desenvolvimento em 0,5 a 1,5 segundos de contato. Isto é, portanto, suficiente para localizar a membrana antes que ocorra qualquer perturbação mecânica (Springer, 2020).
Sistema de Registro 4: Verificação de Alinhamento Baseado em Visão
Inspeção de câmera em linha
Os modernos sistemas de máquinas de remendar janelas de caixas de papelão adicionam inspeção de visão em linha à extremidade de saída da estação de remendos. Um ou mais radares capturam imagens conforme cada caixa sai da área de remendo. O algoritmo de algoritmos de processamento de imagem é usado para medir o deslocamento entre a borda do filme e a borda da janela.
Os sistemas visuais normalmente medem o alinhamento de quatro a oito pontos ao redor da janela. A posição real da borda do filme é comparada com a borda nominal da janela. Se o deslocamento de qualquer ponto de medição exceder uma tolerância predefinida, a caixa será marcada como sucata. Esta tolerância é geralmente de ±0,5 mm. As caixas são transferidas para o transportador de resíduos.
A IEEE Industrial Electronics Society publicou um estudo sobre controle de qualidade com base visual em operações de embalagem de alta velocidade. Resultados experimentais mostram que o sistema de câmera com resolução de 5 megapixels e taxas de captura de 60 qps pode atingir repetibilidade de medição de ±0,03 mm sob condições de iluminação controladas. Este nível de precisão suporta requisitos de tolerância em aplicações sofisticadas de caixas de janela (IEEE, 2022).
Loops de feedback e correção adaptativa
Além de verificações simples de aprovação/reprovação, sistemas de visão avançados alimentam dados de alinhamento de volta ao controlador da máquina. Se for detectado um deslocamento do sistema, o controlador ajusta automaticamente o tempo de corte do filme ou a posição do cabeçote de transmissão para compensar. Por exemplo, o filme está sempre posicionado 0,2 mm à direita do centro da janela. Portanto, o alinhamento volta ao valor nominal sem intervenção do operador.
Esta técnica de calibração de circuito fechado permite que uma máquina de remendar janelas de caixas de papelão mantenha a precisão do alinhamento durante execuções de produção prolongadas sem recalibração ajustada pelo operador. Compensação em tempo real para desvio de temperatura, variação de tensão da alma e desgaste da ferramenta.
Padrões de qualidade e estruturas de tolerância
O Comité Europeu de Normalização trata da qualidade das embalagens dobráveis através da EN 15593 (higiene) e especificações técnicas relacionadas. No entanto, a tolerância específica de tamanho das caixas com janelas abertas é geralmente determinada pelas especificações do cliente. E não são definidos por padrões universais. No entanto, a estrutura de gestão de qualidade ISO 9001 exige que os fabricantes estabeleçam índices de capacidade de processo (Cpk) para parâmetros-chave de tamanho. Isso inclui o alinhamento do filme das janelas. Também exige que estes indicadores sejam monitorizados e documentados como parte de um sistema de gestão da qualidade (ISO, 2015).
É geralmente aceito que o nível mínimo aceitável de dimensões de massa crítica em aplicações de embalagens é um valor cpk de 1,33 ou superior. Isso equivale a menos de 63 partes por milhão defeituosas. Para desvios de alinhamento de janelas de + -0.5 mm, isso significa que o desvio total de calibração da máquina deve ser controlado para um desvio padrão de aproximadamente 0,125 mm ou menos. Esta soma combina erros de posicionamento da caixa, erro de corte do filme, erro de transferência do filme e erros de colagem.
Conclusão
O alinhamento preciso entre o filme e as aberturas das janelas de papelão é o resultado da operação coordenada de múltiplos sistemas de precisão. Alimentação de caixas acionadas por servo para estabelecer referência de localização. Controle de tensão do cilindro para manter a estabilidade do tamanho do filme. O corte e vinco circular por prensa circular pode produzir filmes precisos de ± 0,02 mm. A reologia adesiva garante que o filme trave na posição segundos após ser colocado. A detecção de visão em linha modificada em circuito fechado captura desvios. Ele compensa o desvio antes de produzir uma saída defeituosa.
Referências
Elsevier. (2021).Análise de erros orçamentários em sistemas flexíveis de registro de materiais de alta velocidade. Engenharia de Precisão, 68, 61–73.
TAPPI (Associação Técnica da Indústria de Celulose e Papel). (2022).TAPPI T410: Gramatura e propriedades dimensionais de papelão para aplicações em caixas dobráveis. Peachtree Corners, GA: TAPPI.
ASTM Internacional. (2021).ASTM D882: Método de teste padrão para propriedades de tração de filme plástico fino. West Conshohocken, PA: ASTM.
ISO (Organização Internacional de Padronização). (2023).ISO 13849: Segurança de máquinas - Peças de sistemas de controle relacionadas à segurança. Genebra: ISO.
Springer. (2020).Otimização reológica de adesivos hot-melt para laminação de películas em caixas dobráveis. Jornal de Ciência e Tecnologia de Adesão, 34(14), 1567–1582.
IEEE. (2022).Controle de qualidade baseado em visão em embalagens de alta velocidade: Resolução de câmera e análise de repetibilidade de medição. Transações IEEE em Eletrônica Industrial, 69(7), 7124–7133.
ISO (Organização Internacional de Padronização). (2015).ISO 9001: Sistemas de gestão da qualidade - Requisitos. Genebra: ISO.