production process report
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LIGHT PET - LIFE11 ENV/IT/000184 LIGHT PET Innovative process and solutions to reduce the weight of PET containers and boost the diffusion of the green purchases PRODUCTION PROCESS REPORT PRODUCTION PROCESS REPORT Executive summary Parte prima di quattro: DESCRIZIONE TECNICA DEL PROCESSO Parte seconda di quattro: DISEGNI TECNICI DEL PROCESSO Parte terza di quattro: FOTOGRAFIE Parte quarta di quattro: IL COLLAUDO PRODUCTION PROCESS REPORT A cura di SIPA S.P.A. EXECUTIVE SUMMARY EXECUTIVE SUMMARY English version This document, called “PRODUCTION PROCESS REPORT” is the deliverable of the Action B.1 of the LIGHT PET Project. The Action B.1 involved design, prototyping and testing of the new preforms moulding machine employing the injection-compression technology and the assembly and synchronization of the complete production line, formed by such machine, the conditioning oven and the bottles blow moulding machine. SIPA performed entirely all these activities. The PRODUCTION PROCESS REPORT consists of four parts. The first part, in the beginning, provides the state of the art of the technology of stretchblow moulding for the production of PET containers, with specific reference to single and two stage processes, highlighting the benefits that the first process achieves compared to the other one. Afterwards the technology of injection-compression that was applied to the process of moulding of PET preforms – for the first time ever in the project LIGHT PET – is illustrated, giving evidence to constructive and operational advantages that it allows to obtain with respect to the traditional technology. Then, the new single stage preforms moulding machine of SIPA using the new technology is described in details, providing explanations of the functioning of the individual parts that make it up and giving references to construction drawings. In particular, every step of the process of injectioncompression, which is the technological core of the project LIGHT PET, is shown here. The second part of the document lists all the construction drawings of the machine that clarify what has been explained in the previous section about the operation. The third part of the document reports the photographic documentation showing the various stages of assembly of the machine and its final appearance. The fourth part of the document is focused on testing and contains the description of the tests performed and of the container, which has been the subject of these tests, and also reports the results obtained. In this part are also illustrated the energy performance of the machine. 2 Versione in Italiano Il presente documento, denominato “PRODUCTION PROCESS REPORT” è il deliverable dell’Azione B.1 del progetto LIGHT PET. L’Azione B.1 ha riguardato la progettazione, la prototipazione e la sperimentazione della nuova macchina di stampaggio delle preforme che utilizza la tecnologia dell’iniettocompressione e l’assemblaggio e la sincronizzazione della linea produttiva completa, formata da tale macchina, dal forno di condizionamento e dalla macchina di soffiaggio delle bottiglie. Tutte queste attività sono state svolte interamente da SIPA. Il PRODUCTION PROCESS REPORT si compone di quattro parti. Nella prima parte viene in primo luogo fornito lo stato dell’arte della tecnologia di stirosoffiaggio per la produzione dei contenitori in PET, con specifico riferimento ai processi monostadio e bistadio, mettendo in luce i vantaggi che il primo processo consente di ottenere rispetto al secondo. Viene quindi illustrata la tecnologia di inietto-compressione che è stata applicata al processo di stampaggio delle preforme in PET – per la prima volta in assoluto nel progetto LIGHT PET – dando evidenza ai vantaggi costruttivi e operativi che essa consente di ottenere rispetto alla tecnologia tradizionale. Viene quindi descritta nel dettaglio la nuova macchina monostadio di SIPA per lo stampaggio di preforme che utilizza la nuova tecnologia, fornendo le spiegazioni del funzionamento delle singole parti che la compongono e dando i riferimenti ai disegni costruttivi. In particolare viene qui illustrata ogni singola fase del processo di inietto-compressione, che rappresenta il cuore tecnologico del progetto LIGHT PET. La seconda parte del documento riporta tutti i disegni costruttivi della macchina che chiarificano quanto spiegato nella parte precedente riguardo il funzionamento. La terza parte del documento riporta la documentazione fotografica che mostra le varie fasi di assemblaggio della macchina e il suo aspetto finale. La quarta parte del documento è relativa al collaudo e riporta la descrizione dei test eseguiti e del contenitore che è stato oggetto di tali test e riporta anche i risultati ottenuti. In questa parte vengono anche illustrate le performance energetiche della macchina. 3 PRODUCTION PROCESS REPORT A cura di SIPA S.P.A. Parte prima di quattro: DESCRIZIONE TECNICA DEL PROCESSO Sommario Stato dell’arte: macchine monostadio e bistadio ............................................................. 2 Da preforma a bottiglia: stampaggio per soffiaggio ......................................................... 3 Vantaggi del processo monostadio ................................................................................. 4 La tecnologia di inietto-compressione ............................................................................. 6 Macchina monostadio con tecnologia di inietto-compressione........................................ 7 La macchina SIPA di stampaggio preforme per LIGHT PET........................................... 8 Stato dell’arte: macchine monostadio e bistadio Allo stato attuale delle conoscenze, la produzione dei contenitori in termoplastica è un processo che a partire dalla materia prima grezza, generalmente Polietilentereftalato o PET, consente di ottenere contenitori finiti di forma, anche particolarmente complessa, adatta alle più varie esigenze del mercato e particolarmente leggeri e resistenti anche se sottoposti a forti pressioni alla temperatura ambiente. Il passaggio dal PET allo stato grezzo in forma di granuli a contenitore in plastica può essere realizzato a scelta sia con un processo monostadio, sia con un processo bistadio. Il processo monostadio è realizzato con un solo impianto in cui il passaggio da PET a preforma, mediante una fase di iniezione in stampi, e il passaggio da preforma a contenitore in plastica, mediante la fase di stiro–soffiaggio, avviene con continuità, senza che la preforma venga completamente lasciata raffreddare fino alla temperatura ambiente, ma conservi parte del calore latente rimanente dalla fase di iniezione, con un certo risparmio energetico, poiché le preforme non necessitano di molto calore per essere riportate alla temperatura alla quale deve essere la plastica per il soffiaggio. Invece, un processo bistadio è realizzato in due impianti separati: un impianto realizza il passaggio da PET a preforma, cioè realizza la fase di iniezione del PET in stampi di iniezione, l'altra macchina realizza il passaggio da preforma a contenitore in plastica in stampi di soffiaggio mediante soffiaggio, oppure mediante stiro-soffiaggio quando si tratta di PET. Il processo bistadio può pure essere realizzato nello stesso impianto, che preveda l’iniezione delle preforme e il soffiaggio delle stesse in bottiglie, ma le due operazioni sono svolte in due tempi distinti, ossia le preforme vengono lasciate raffreddare dopo l’iniezione fino al raggiungimento della temperatura ambiente. Successivamente, quando si procede alla trasformazione delle preforme in contenitori finiti, in particolare bottiglie, è necessario provvedere al riscaldamento delle preforme in forni appropriati fino alla temperatura necessaria per realizzare il processo di soffiaggio, o stiro-soffiaggio, nel caso del PET. Il motivo per il quale parte del mercato dei produttori di contenitori preferisce utilizzare un sistema integrato monostadio è che un impianto di questo genere offre una elevata 2 versatilità, che deriva essenzialmente dal fatto che il processo di produzione avviene in un’unica macchina. Una maggiore versatilità consente di modificare in tempo reale i parametri di produzione adeguandoli rapidamente ed efficacemente alle esigenze della produzione dei contenitori. Inoltre, in un sistema integrato monostadio un errore di fabbricazione delle preforme può essere rilevato immediatamente per correggere eventuali difetti della preforma e del contenitore in plastica finale. Nei sistemi bistadio invece un difetto che si presenta su preforme nel corso dell’iniezione può essere rilevato con un ritardo tale da pregiudicare giorni di produzione. Inoltre, la mancanza di immediata continuità tra i due stadi impedisce la conservazione di tutte le informazioni sul ciclo di vita di una preforma, per cui la fase di stiro-soffiaggio avviene senza conoscere le esatte caratteristiche delle preforme lavorate momento per momento. Da preforma a bottiglia: stampaggio per soffiaggio Dal punto di vista tecnologico il processo di formatura a caldo utilizzato per la produzione di contenitori in termoplastica è lo stampaggio per soffiaggio, tecnica che si presta particolarmente alla realizzazione di corpi cavi. Il soffiaggio presenta il grande vantaggio di consentire la produzione di contenitori con il corpo molto largo rispetto all’imboccatura, come le bottiglie ed i flaconi. Inoltre è preferibile allo stampaggio rotazionale, perché la durata del ciclo produttivo, chiamata tempo-ciclo, è inferiore. Il soffiaggio è un processo di produzione particolarmente veloce ed efficiente, adatto alla produzione di contenitori su larga scala, quali sono le bottiglie in PET per bevande. Tempi-ciclo ridotti fanno sì che il costo degli impianti possa essere distribuito su moltissimi pezzi, la cui produzione è anche dell’ordine di alcune decine di migliaia di pezzi l’ora negli impianti più grandi. L’elemento chiave dal punto di vista economico diventa quindi il costo della materia prima, per es. PET, PE, PPE, PP, e di conseguenza la quantità di materiale utilizzato per produrre un singolo contenitore. 3 Vantaggi del processo monostadio I vantaggi del processo monostadio possono esser riassunti nei seguenti punti: • Versatilità: il processo avviene su un solo impianto; il disegno della preforma e le condizioni di processo possono essere ottimizzate per produrre contenitori finiti con le migliori caratteristiche. • Mantenimento della storia della preforma: le preforme arrivano agli stampi di soffiaggio sempre nelle stesse condizioni. Nel processo bistadio possono trascorrere settimane tra lo stampaggio ed il soffiaggio, durante le quali le condizioni di stoccaggio possono influenzare le caratteristiche delle preforme, che quindi possono fornire prestazioni leggermente diverse da un lotto all’altro. • Possibilità di intervenire rapidamente per risolvere eventuali problemi: si possono correggere immediatamente, e sulla stessa macchina (durante lo stampaggio ad iniezione o il soffiaggio) gli eventuali difetti riscontrati sulle bottiglie; nel processo bistadio il passaggio da un impianto all’altro è più complicato in quanto le modifiche al processo e le messe a punto, in generale, sono effettuate su macchine diverse e talvolta anche distanti fra loro. • Miglior aspetto dei contenitori: le preforme non si toccano tra loro e quindi non c’è il rischio che si graffino, dando poi origine a contenitori con vistose righe. Il processo di soffiaggio non cancella eventuali difetti superficiali della preforma ma li amplifica. • Assenza di umidità: il PET, in particolare, è un materiale igroscopico; una macchina soffiatrice utilizza preforme con contenuto minimo di umidità almeno 100 volte superiore a quello delle preforme prodotte con macchina integrata; infatti la struttura amorfa non orientata assorbe una considerevole quantità d’acqua, le cui particelle, infiltrandosi tra le catene polimeriche, determinano una struttura molecolare più “rilassata” e nella fase di stiro-soffiaggio fungono da lubrificante, causando lo slittamento delle macromolecole, con conseguente diminuzione di efficienza dello stiro-soffiaggio. 4 A questi si aggiunge anche il fatto, e non è un vantaggio trascurabile, che il costo di produzione del contenitore sulla macchina monostadio è inferiore, perché non è necessario lasciare raffreddare le preforme fino a temperatura ambiente, prima di scaricarle, e poi consumare energia per scaldarle di nuovo prima del soffiaggio. Gli impianti monostadio comprendono i passaggi descritti di seguito, per es. per realizzare le bottiglie in PET. • essiccazione dei granuli di PET; • plastificazione; • stampaggio ad iniezione della preforma; • condizionamento della preforma; • stiro-soffiaggio. Uno dei motivi per cui gli impianti monostadio non sono particolarmente diffusi è perché essi risultano lenti globalmente, in quanto il processo di produzione di una preforma è molto più lento del processo di stiro-soffiaggio della stessa per cui questa ultima operazione, che già può raggiungere capacità produttive elevatissime, deve essere rallentata per adeguarla alla capacità produttiva della macchina di iniezione delle preforme. Ciò è dovuto essenzialmente alla tipologia degli organi in movimento e alla tipologia del sistema di iniezione della plastica che richiede potenze molto elevate, soprattutto in relazione al tonnellaggio delle presse asservite alla chiusura degli stampi di iniezione. Per tali problemi di lentezza e a causa delle ingenti forze in gioco risulta difficile se non impossibile realizzare impianti monostadio rotativi. Un altro problema risiede nel fatto che, per soddisfare tanta richiesta di potenza, gli attuatori impiegati in tali macchinari sono generalmente di tipo idraulico con seri problemi di preservazione delle preforme e dei contenitori dalla contaminazione da parte di olii idraulici necessari al funzionamento dei macchinari. Scopo del presente progetto è quello di fornire un impianto di produzione di contenitori di plastica atto a risolvere il suddetto problema di elevata produttività dell’impianto completo e di qualità dei contenitori finiti. 5 La tecnologia di inietto-compressione Un processo detto di inietto-compressione per la produzione di preforme, incluso nell’impianto integrato dell’invenzione, comprende l’iniezione di plastica in uno stampo parzialmente aperto; segue una chiusura dello stampo e la fase di compressione dello stesso fino a ottenere la preforma. Ciò comporta minori potenze ed in particolare minore potenza dell’impianto di iniezione ed un minor tonnellaggio della pressa adibita alla compressione dello stampo. Inoltre, detto processo conferisce un ridotto stress sui materiali, consentendo di produrre contenitori con pareti sottili con elevata qualità superficiale, come nel caso delle applicazioni ottiche, display, vetrature per autoveicoli, componenti elettronici e di illuminazione. I vantaggi di tale processo di inietto-compressione per la produzione di preforme rispetto a processi di iniezione di tipo tradizionale sono: • temperatura della plastica fusa (fuso) inferiore: il trasferimento della plastica dalla macchina di plastificazione allo stampo di inietto-compressione può avvenire ad una temperatura appena superiore a quella di fusione della resina per la brevità dei canali di alimentazione esistenti; • le pressioni di trasferimento della plastica fusa sono molto inferiori (circa 200 bar) a fronte di una portata di materiale molto superiore (30 gr/sec) rispetto ai metodi tradizionali; • la pressione di mantenimento nello stampo durante il ciclo di compattazione della preforma è data dal movimento di inserimento di un punzone in uno stampo, piuttosto che dal sistema di iniezione della plastica fusa, ottenendo di ridurre il tonnellaggio della pressa fino a 2 ton/cavità; ciò comporta che durante il raffreddamento non viene trasferito ulteriore materiale nello stampo e si ha una pressione costante per tutta la durata del raffreddamento assicurando un contatto ottimale con tutte le parti stampanti che ricevono il calore dalla plastica; 6 • il mantenimento del contatto con le parti stampanti migliora lo scambio termico nel processo a inietto-compressione rispetto un processo a iniezione; infatti nel processo a iniezione, quando cessa la fase di mantenimento, si ha un progressivo rilascio della pressione dovuto al ritiro della plastica che si raffredda e di conseguenza una minore pressione di contatto con le cavità stampanti; • si rende possibile produrre manufatti con spessori molto sottili in quanto non c’è più la necessità di trasferire materiale nello stampo durante il raffreddamento della preforma; • si riducono al minimo i fenomeni di cristallizzazione della zona del fondo della preforma per un migliore raffreddamento della zona otturatore/fondo cavità; infatti l’otturatore rimane chiuso più a lungo a parità di tempo-ciclo e ha modo di raffreddare la parte terminale con il contatto con la cavità stampante; ciò comporta un aumento della qualità del contenitore ottenuto ed una sua maggiore capacità di resistere a fenomeni di stress-cracking; inoltre, un ulteriore vantaggio conseguente al migliore raffreddamento dell’otturatore è il miglioramento del fenomeno dei fori nella materozza che si manifestano nei processi di iniezione particolarmente spinti; • la riduzione delle temperature e della richiesta di pressione e di tonnellaggio delle presse ha un impatto favorevole sui consumi energetici e sull’usura dei componenti degli stampi. Macchina monostadio con tecnologia di inietto-compressione L’integrazione di una macchina di inietto-compressione, che realizza tale processo, in un impianto di produzione di contenitori di tipo monostadio e la sostituzione degli attuatori idraulici con attuatori elettrici e/o pneumatici consente di ottenere una riduzione del tempo-ciclo e l’eliminazione del rischio di contaminazione dei contenitori con olii idraulici. Detto processo di inietto-compressione, oltre a consentire di ridurre le forze necessarie allo stampaggio delle preforme, permette di eliminare il controllo in retroazione alle stesse forze impresse alle parti in movimento. Ciò, oltre ad un guadagno in termini di velocità e 7 di sicurezza degli elementi stampanti, rende possibile l’uso di attuatori pneumatici senza controllo in retroazione in sostituzione dei tradizionali sistemi oleodinamici. Il presente progetto realizza un processo di stampaggio della preforma con una piattaforma di tipo rotativo che offre i seguenti ulteriori vantaggi: o produttività elevate; o processo continuo; o uniformità di processo; o modularità; o ridotto tempo-ciclo meccanico di apertura/chiusura stampo di inietto-compressione; o velocità di cambio formato; o possibilità di sincronizzazione con la ruota di soffiaggio. L’assenza di attuatori idraulici e l’impiego di attuatori elettrici e/o pneumatici per lo stampaggio delle preforme, permette una facile integrazione della parte di stampaggio delle preforme con la parte di stiro-soffiaggio dei contenitori e con la parte di riempimento. Ciò consente di compattare enormemente l’impianto, ma soprattutto di garantire e assicurare l’assenza di potenziali contaminanti, quale l’olio idraulico, da tutto l’impianto a vantaggio della massima igienicità. Inoltre, l’integrazione del processo di stampaggio per inietto-compressione delle preforme, del soffiaggio delle stesse e, eventualmente, il riempimento dei contenitori finiti, garantisce il mantenimento della pulizia del contenitore che, appena stampato, è intrinsecamente esente da carica batterica. La macchina SIPA di stampaggio preforme per LIGHT PET La descrizione della macchina realizzata da SIPA nell’azione B.1 del progetto LIGHT PET viene data mediante le seguenti figure riportate nella “Parte seconda”: la Fig. 1 che rappresenta una vista in pianta di assieme di un impianto di produzione di contenitori utilizzando la tecnologia dell’inietto-compressione; la Fig. 2 che rappresenta una sezione longitudinale di un estrusore termostatato; la Fig. 3 che raffigura una rappresentazione in assonometria dell’involucro dell’estrusore di figura 3; 8 la Fig. 4 che rappresenta una sezione assiale di una parte di una prima giostra rotativa dell’impianto; la Fig. 5 che raffigura una vista dall’alto della prima parte della giostra di figura 4; le Figg. 6 - 9 che rappresentano una porzione di una seconda parte di detta prima giostra rotativa; la Fig. 10 che appresenta una vista complessiva di detta prima giostra rotativa; la Fig. 11 che raffigura uno schema di scambio delle preforme da parte di un sistema di trasferimento dell’impianto di figura 1; le Figg. 12a e 12b che rappresentano rispettivamente una vista in pianta ed una relativa sezione di un dispositivo di un’altra porzione dell’impianto di figura 1; le Figg. 13a e 13b che rappresentano rispettivamente un assieme e un dettaglio di detta porzione di impianto secondo le figure 12a e 12b. Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti. La figura 1 rappresenta lo schema di un impianto di tipo rotativo integrato per iniettocompressione e stiro-soffiaggio di contenitori in resina termoplastica in configurazione ad “L”. Tale figura è quella a cui si riferisce la successiva descrizione, anche se la configurazione effettiva dell’impianto realizzato da SIPA è quella illustrata nell’Allegato 1. L’impianto comprende una prima parte di produzione delle preforme comprendente: un estrusore (1) che ha la funzione di plastificare il polimero dallo stato solido granulare a fluido mediante l’energia fornita da riscaldatori e dalla forze di attrito che si generano per l’azione della vite estrudente; almeno una prima giostra rotativa (2) di stampaggio delle preforme che è costituita da un sistema di distribuzione del polimero proveniente dall’estrusore fino a ciascuno stampo posto sul perimetro esterno della giostra, da cinematismi preposti alla movimentazione della giostra e dal sistema di inietto compressione per la realizzazione delle preforme. Inoltre, l’impianto comprende una seconda parte di soffiaggio dei contenitori finali a partire dalle preforme prodotte da detta prima parte; detta seconda parte, definita semplicemente come soffiatrice, comprende almeno una seconda giostra rotativa (7) di stampaggio per soffiaggio che esegue le fasi previste nello stiro-soffiaggio, nel caso del PET per esempio, 9 mediante un’azione combinata di aria compressa immessa all’interno della preforma in più stadi, di un’asta per lo stiro assiale della preforma e di uno stampo entro cui la preforma è soffiata e alle pareti del quale viene fatta aderire dalla pressione interna, che definisce la forma finale del contenitore. Tra detta prima e seconda parte, l’impianto comprende almeno un sistema di trasferimento 5 delle preforme le quali vengono fatte passare, eventualmente, attraverso almeno un sistema di condizionamento termico delle preforme. Un estrusore (1) preferito è di tipo termoregolato, in grado, facendo avanzare il PET, di fonderlo, renderlo omogeneo e di comprimerlo. L’estrusore comprende una vite estrudente (11) in rotazione continua, che non necessita di movimenti assiali aggiuntivi per compensare variazioni di portata tipici invece di una macchina di iniezione tradizionale del tipo estrusore-pompante. Essendo l’impianto di tipo rotatorio, la portata di resina da fornire alla prima giostra rotativa deve essere pressoché costante, per cui l’abbinamento di un estrusore così descritto risulta particolarmente vantaggioso per via della portata costante di plastica che è in grado di generare. A seconda della capacità produttiva di progetto dell'impianto e quindi del numero di cavità stampanti impiegate possono essere installati diversi tipi di viti estrudenti. Le caratteristiche dell’estrusore sono definite in maniera non limitante mediante la seguente tabella, la quale, in relazione al diametro D della vite fornisce un valore preferito di rapporto tra lunghezza L della vite e diametro D, potenza del motore asservito alla vite, portata istantanea dell’estrusore e velocità di rotazione della vite. Prima di essere plastificata, la resina di PET viene opportunamente essiccata per la riduzione dell’umidità del granulo ad un valore ottimale per il processo successivo di plastificazione. Diametro Rapporto L/D Movimentazione Potenza motore (kW) Portata istantanea (kg/h) Velocità di rotazione (rpm) 120 25 Elettrica + riduttore 110 800 75 135 25 Elettrica + riduttore 170 1.000 75 140 25 Elettrica + riduttore 170 1.200 75 10 Tale processo consiste nella trasformazione del polimero da solido a liquido per mezzo di un’azione combinata di tipo meccanico e termico atta a conferire alla resina una uniforme distribuzione delle proprietà fisiche e a scongiurare problemi relativi alla degradazione termica. La plastificazione è uno stadio critico di tutto il processo di produzione in quanto da essa dipendono tutte le attitudini della resina ad essere formata ed a conferire al prodotto finito le volute caratteristiche. La prima giostra rotativa (2) svolge le seguenti funzioni: o disaccoppiamento dell’estrusore dall’asse della ruota tramite un giunto rotante; o distribuzione del flusso di plastica dall’asse della ruota fino ai singoli iniettori/dosatori posti sulla periferia della ruota tramite una serie di canalizzazioni; o calibrazione del volume di plastica da stampare tramite il riempimento volumetrico dell’iniettore/dosatore e trasferimento del volume di plastica dall’iniettore/dosatore all’interno di ciascuna cavità di stampaggio; o stampaggio della preforma tramite inserimento nella cavità di stampaggio di un punzone dello stampo dotato di movimento lungo l’asse della cavità; o rilascio della preforma stampata tramite apertura dello stampo ed espulsione dell’oggetto su un bicchierino di trasferimento a movimento sincronizzato; Di seguito sono evidenziati alcuni dettagli della prima giostra rotativa (2). Essa con particolare riferimento alla figura 10 comprende una prima ruota inferiore (20) o di stampaggio ed una ruota superiore (90) o di compressione. Entrambe le ruote condividendo un medesimo asse di rotazione. Detta ruota inferiore, con particolare riferimento alla figura 4 comprende un corpo centrale (21) fisso, a cui superiormente è collegata, girevolmente una ruota (22). Internamente al corpo centrale fisso è alloggiato un giunto per il trasporto del fuso; detto giunto comprende una prima parte fissa (23a) interna al corpo centrale definente un canale di passaggio della plastica fusa con diametro preferito di 32 mm. La parte rotante (23b) del giunto è definita nella ruota (22) e comprende un sistema di tenuta a labirinto (24) comprendente una cava a spirale a due principi. Tale realizzazione, grazie al moto relativo rotario delle spirali rispetto la parte fissa centrale, crea un effetto di pompaggio che si oppone all’uscita del fuso in pressione. Tra il corpo centrale (21) e la ruota (22) è interposto un cuscinetto 11 reggispinta (25). Il fuso, dalla parte mobile (23b) del giunto raggiunge canalizzazioni laterali (26), con diametro preferito di 10 mm, prima attraverso una cosiddetta prima camera calda (27), con diametro preferito di 13,5 mm, poi attraverso un distributore (28), preferibilmente, a tre vie. Internamente alle canalizzazioni laterali (26) sono posizionate opportune resistenze elettriche (29) atte a mantenere una corretta temperatura di fusione della plastica. Al termine di dette canalizzazioni laterali (26) è presente una seconda camera calda (30) con ulteriori resistori tubolari. Lungo detto giunto all’interno del corpo centrale (21) sono posizionati opportuni mezzi di riscaldamenti (38) e (38’) atti a mantenere ad una predefinita temperatura la plastica fusa durante il passaggio attraverso il giunto. Il fuso viene iniettato all’interno della cavità di stampaggio mediante un iniettore dosatore (34) riscaldato a fascia resistiva e collegato con detta seconda camera calda (30). L’iniettore dosatore (34) è azionato mediante un cilindro pneumatico (33). Una valvola a spola (36) apre/chiude il passaggio del fuso per il riempimento dell’iniettore/dosatore, vedi figura 6. Detta valvola a spola (36) è azionata mediante un cilindro pneumatico (32). Quando detta valvola a spola (36) è aperta, avviene il riempimento della plastica fusa dell’iniettore/dosatore (34); la calibrazione della dose è determinata mediante fine corsa meccanici (37) del sistema iniettore/dosatore impostabili singolarmente e manualmente. Dunque, il movimento coordinato di detta valvola a spola e di detto iniettore/dosatore, nonché la taratura dei fine corsa meccanici, consentono di dosare accuratamente la quantità di plastica necessaria per lo stampaggio di una preforma. In particolare, la valvola a spola apre quando l’iniettore è in posizione avanzata (figura 9). Segue una chiusura dell’otturatore dell’ugello (31) ed un arretramento del pistone dell’iniettore/dosatore sotto l’azione del fronte di plastica fusa in pressione proveniente dalla camera calda. Poi, la valvola a spola chiude e contemporaneamente apre l’otturatore dell’ugello della cavità e inizia il movimento di compressione dell’iniettore/dosatore. Essendo la valvola a spola chiusa durante l’avanzamento del dosatore, il fuso è indotto a passare all’interno della cavità di stampaggio attraverso l‘ugello-otturatore (31). Detto ugello con otturatore (31), con diametro preferito di 4 mm del tipo riscaldato a fascia, è posto superiormente alla camera calda (30) con sviluppo assiale parallelo all’asse di 12 rotazione della giostra. Detta ruota inferiore (20) è collegata con l’estrusore 1 per detta parte fissa (23a) del giunto. Allo scopo di reggere alla spinta dell’estrusore 1 è predisposto un reggispinta (35) collegato alla parte fissa (23a) del giunto e a detto corpo centrale (21). Le resistenze elettriche inserite nelle parti summenzionate sono dimensionate in modo da imporre un gradiente termico al fuso per aumentare la viscosità dello stesso all’interno della tenuta a labirinto (24) fino a renderlo praticamente solido. Vi è anche una combinazione di effetti: un’azione pompante dovuta alla rotazione della già sopracitata spirale che forza il fuso in una direzione (verso l’alto) contraria a quella naturale di uscita (verso il basso) per effetto della pressione interna al condotto di circa 200 bar. Secondo una variante preferita di detta prima parte dell’impianto, l’estrusore funziona da pompa volumetrica che genera la portata di plastica richiesta con una pressione di uscita di circa 200 bar; tale pressione è sufficiente a movimentare la plastica fusa all’interno di tutta la canalizzazione interna del giunto e della camera calda centrale: da detto giunto di diametro 32 mm si passa a (32) canali di diametro 13,5 mm che alimentano, ciascuno, un distributore a tre vie per un totale di 72 tubi (26) di diametro 10 mm. Una temperatura di mantenimento preferita del fuso è di 270 °C e viene garantita mediante dette resistenze tubolari controllate a gruppi di sei. Si preferisce, inoltre, che il giunto sia raffreddato ad acqua per mantenere la temperatura del cuscinetto reggispinta (25) a meno di 80°C. Tutto il sistema di distribuzione preferibilmente è collocato tra due gusci isolanti per limitare le perdite di calore indesiderate e migliorare l’efficienza energetica. Come si può vedere dalla figura 5, le canalizzazioni che portano il fuso dal corpo centrale alla periferia della ruota non sono parallele ai raggi della ruota, ma rispetto ai raggi, le canalizzazioni formano un angolo di circa 20° in senso orario. Questa particolare geometria unita alla presenza di uno snodo sferico all’estremità di ciascuna canalizzazione, consente di compensare la dilatazione termica dei canali (26) con una rotazione relativa tra il mozzo centrale e la periferia della ruota di inietto-compressione (20). Detta prima ruota (20) è disposta orizzontalmente e superiormente ad una sua parte periferica, almeno in corrispondenza di un ugello-otturatore (31), è disposto un dispositivo 13 di stampaggio (9). In una configurazione preferita dell’impianto, il numero di dispositivi di stampaggio è uguale al numero di ugelli-otturatori (31). Allora un insieme di dispositivi di stampaggio (9) definiscono una seconda ruota (90), detta ruota di compressione. Dunque, mediante la ruota di compressione avviene il processo di stampaggio della materia plastica. Detta ruota di compressione (90) è disposta anch’essa orizzontalmente e sovrapposta a detta ruota inferiore (20). Detta ruota di compressione comprende una parte periferica di supporto (91) alla quale è connessa scorrevolmente un’asta mobile (92) con sviluppo parallelo all’asse di rotazione della ruota. L’asta (92) scorre verticalmente rispetto a detta parte di supporto (91). All’asta mobile (92) è collegato, in un estremo rivolto verso detto otturatore (31), un cosiddetto tavolino di estrazione (96) cooperante con un punzone dello stampo (95a). L’otturatore (31) permette l’iniezione del fuso all’interno della cavità (95). Lo stampo (95) comprende una camera di compensazione (94) alimentata ad aria compressa. Il movimento assiale dell’asta (92) è bloccato in alcune circostanze, descritte di seguito in maggior dettaglio, mediante cuneo pneumatico (93), che evita l’arretramento dell’asta stessa e del punzone dello stampo durante il dosaggio di fuso al suo interno. Il processo di stampaggio viene qui descritto e comprende le seguenti fasi: stampaggio, vedi figura 6: una preforma è stampata tramite un movimento assiale dell’asta (92) che comanda il punzone dello stampo (95a) che è telescopico rispetto all’asta (92) grazie alla camera di compensazione (94); l’asta (92) è bloccata dal cuneo pneumatico (93) e aria in alta pressione, preferibilmente tra 3035 bar, è iniettata nella camera di compensazione (94) spingendo il punzone dello stampo verso il basso; il materiale fuso presente all’interno della cavità è così soggetto ad una pressione di mantenimento, che dipende dal rapporto dei volumi tra cilindro di compensazione e punzone dello stampo, e al contemporaneo raffreddamento termico di acqua refrigerata che scorre in appositi circuiti interni al punzone dello stampo e alla cavità di stampaggio (95); il movimento di abbassamento del punzone dello stampo definente una corsa di compressione, occorre a recuperare il ritiro della plastica dovuto al raffreddamento; durante questa fase la valvola a spola (36) all’interno della camera calda (30) è aperta per permettere il riempimento della plastica nell’iniettore/dosatore (34); mentre la 14 calibrazione della dose è determinata dai fine corsa meccanici (37) del sistema iniettore/dosatore (34), che preferibilmente è impostabile separatamente e manualmente rispetto ad altri fine corsa di altri dispositivi di stampaggio (9); apertura stampo, vedi figura 7: una volta terminato il raffreddamento e mantenimento della preforma il cuneo pneumatico (93) arretra, sbloccando l’asta (92), che arretra meccanicamente tramite camma sollevando il punzone ed aprendo lo stampo; la corsa di apertura richiesta è sempre costante e pari a 380 mm ed indipendente dal tipo di preforma stampata; contemporaneamente, l’iniettore/dosatore ha ultimato la sua carica e il materiale al suo interno è mantenuto ad una pressione di circa 30 bar per opera della spinta del cilindro pneumatico (33) che comanda l’iniettore/dosatore (34); estrazione della preforma, vedi figura 8: l’asta (92) si ritrae, sollevando con sé il tavolino di estrazione (96), allora la preforma viene estratta dalla cavità di stampaggio (95) mediante il punzone (95), cooperante con il tavolino di estrazione (96), che comprende guancette (97) di forma opportuna ricalcanti il profilo esterno della preforma nella zona dove viene realizzata la parte filettata del collo. Quindi la preforma si sfila dal punzone dello stampo a seguito di un ulteriore spostamento dell’asta verso l’alto poiché tale movimento non è seguito dal tavolino di estrazione (96) che rimane vincolato dall’appoggio sulla piastra (91). Infine lo stesso movimento di salita dell’asta (92) sincronizza il movimento orizzontale di apertura delle guancette (97) che liberano definitivamente la preforma. Le guancette seguono il profilo imposto da un’opportuna camma in modo da sincronizzare il loro movimento di apertura-rilascio e chiusura-aggancio della preforma, con lo scorrimento dell’asta (92); in particolare, nel momento in cui una preforma viene rilasciata, un relativo bicchiere di trasporto (98) risulta posizionato al di sotto della preforma per intercettarla durante il suo rilascio. Subito dopo, il bicchiere di trasporto (98) si allontana per consentire all’asta (92) di abbassarsi nuovamente per un nuovo ciclo di stampaggio. Una richiusura dello stampo viene inibita da una opportuna camma che agisce sull’asta (92), fintanto che il bicchiere di trasporto (98) si trova in una posizione di interferenza con il movimento del tavolino di estrazione (96); 15 chiusura stampo e riempimento della cavità stampante, vedi figura 9: l’asta (92) viene indotta ad abbassarsi portando in basso il tavolino di estrazione (96) fino ad accoppiarsi con la cavità di stampaggio (95); se non ci sono impedimenti all’accoppiamento, il cuneo pneumatico (93) ha lo spazio necessario per inserirsi e bloccare l’asta (92) imprimendo una forza di 2-3 ton a seconda delle esigenze. La forza di compressione dell’asta (92) può essere regolata ed è volta ad assicurare la chiusura dello stampo con la necessaria forza di spinta; l’otturatore (31) si apre tramite il cilindro pneumatico di comando (32) e contemporaneamente la valvola a spola (36) si chiude per evitare che il fuso ritorni nella camera calda (30); allora, il dosatore (34) attraverso l’otturatore (31) inietta il fuso nella cavità dello stampo (95). Si riprende allora dalla fase di mantenimento con l’ingresso di aria ad alta pressione nella camera di compensazione (94). Il sistema di trasferimento (5) trasferisce le preforme prodotte dalla giostra rotativa (2), alla seconda giostra rotativa (7), ove vengono soffiate per ottenere i contenitori finali. Il sistema di trasferimento comprende una pluralità di ruote a stella equipaggiate alcune con pinze posizionate alla periferia di ciascuna ruota, altre con delle sedi semicircolari. Dette ruote si muovono sincrone tra loro e le giostre assicurando il perfetto trasferimento della preforma nei punti di tangenza. Il sistema di trasferimento (5), secondo una variante preferita, con riferimento alle figure 1, 11-13, comprende cinque ruote a stella, ma un numero differente di ruote, maggiore o minore, può essere utilizzato: una prima ruota a stella (50) di trasferimento delle preforme dalla prima giostra (2) ad una stazione di condizionamento termico: detta prima ruota comprende una pluralità di pinze di presa su bracci mobili, attivate mediante camme/rullini; una pinza di presa comprendendo due semigusci in materiale plastico definenti un cilindro cavo destinato ad accogliere una preforma appena stampata, per tale ragione una pinza siffatta è detta anche pinza a bicchiere. I semigusci delle pinze di presa, nel momento del trasferimento delle preforme nella ruota (50), in un punto di tangenza tra le ruote (50) e (51) sono tenuti aperti per evitare l’interferenza tra i gusci stessi con la preforma durante l’apertura dello stampo e per diminuire il 16 tempo necessario allo scarico della preforma. Nel momento del passaggio di una preforma alla successiva ruota (51), i due gusci si aprono solo dopo che la preforma sia stata presa da una delle pinze posizionate sulla ruota (51); una seconda ruota di condizionamento termico (51) comprendente pinze attive comandate da camme e relativi rullini e sincronizzata con detta prima ruota (50) e da una ruota (80) solidale con la ruota (51) e situata su un piano parallelo e inferiore. Detta ruota (80) comprende lungo una sua zona periferica un insieme di anelli (8) riscaldati per induzione e destinati al condizionamento delle preforme. Ciascuna di dette pinze lavora sulla posizione della preforma corrispondente all’anello strappa sigilli del collo della preforma. Detta seconda ruota (51) comprende mezzi di movimentazione delle pinze secondo un asse verticale, cioè parallelamente all’asse di rotazione della seconda ruota (51) comprendente la ruota (80), per consentire di abbassare le preforme (100) di una quota pari all’altezza delle preforme stesse per l’inserimento delle preforme nella ruota di condizionamento (80). Con riferimento alle frecce di figura 11 una preforma (100) viene afferrata da una pinza della ruota (51) è portata in basso in un anello riscaldante della ruota (80); dopo un certo tempo, la stessa pinza solleva nuovamente la preforma per passarla alla ruota stellata (52). In particolare, dopo che una preforma è stata condizionata, detti mezzi di movimentazione delle pinze sollevano la preforma della stessa quota di abbassamento per sincronizzarsiaccoppiarsi con una successiva ruota di stabilizzazione (52). Preferibilmente, il numero di postazioni di condizionamento delle preforme è uguale al numero di anelli di condizionamento (8) che dipende dal tempo necessario al condizionamento di ciascuna preforma; una terza (52) e una quarta ruota (53) di stabilizzazione termica: dopo detto condizionamento termico ciascuna preforma necessita di stabilizzarsi termicamente trascorrendo un certo tempo in aria libera; si preferisce che due ruote a stella uguali si scambino la preforma sfruttando l’appoggio del collo da una lato e della baga dall’altro. Si preferisce che il numero di posti di stabilizzazione sia pari a metà del numero di posti di condizionamento (per es. a fronte di 60 posti 17 di condizionamento si prevedono 30 di stabilizzazione). Tale rapporto si dimostra ottimale per la maggioranza delle preforme comunemente utilizzate; quinta ruota a stella (54) di inserimento preforme su detta seconda giostra rotativa (7): ha il compito di prelevare le preforme da dette ruote di stabilizzazione per affidarle a detta seconda giostra rotativa (7) per lo stiro-soffiaggio dei contenitori; una sesta ruota (55) occorre a prelevare i contenitori realizzati da detta giostra rotativa (7). È chiaro dai disegni, che le giostre rotative e le ruote di trasferimento sono disposte orizzontalmente, cioè hanno i propri assi di rotazione paralleli tra loro e perpendicolari al suolo su cui poggia l’impianto. Un dispositivo di condizionamento termico (8) imprime ad una preforma un profilo di temperatura ottimale per il successivo processo di soffiatura. Si preferisce che il riscaldamento avvenga mediante radiazione infrarossa di un corpo a forma di anello riscaldato ad alta temperatura, tra 800 e 1.000 °C, per mezzo di passaggio diretto di corrente su una pista resistiva annegata nella ceramica. La forma dell’anello deve essere compatibile con la preforma da riscaldare. Una pluralità di dispositivi di condizionamento termico (8) sono disposti su un anello (80) posto intorno alla periferia di una ruota di condizionamento. Si preferisce che il rapporto tra il numero dei dispositivi di condizionamento (8) e le cavità stampanti di detta prima giostra rotativa (2) sia pari a 1,6. Il numero di posti da rispettare per le ruote di stabilizzazione sono invece pari al numero di dispositivi di riscaldamento (vedi tabella). Con riferimento alle figure 13a e 13b sono mostrate una ruota di condizionamento (51) sostenente l’anello (80) lungo il quale sono disposti la pluralità di dispositivi di condizionamento termico (8). Numero cavità stampanti prima giostra rotativa 2 Numero anelli riscaldamento ruota forno Numero posti di condizionamento totali per ciascuna di dette terza e quarta ruota 144 90 90 96 60 60 72 45 45 18 L’alimentazione elettrica degli induttori viene realizzata tramite un giunto elettrico rotante posto nell’asse di rotazione della ruota; la corrente alla frequenza preferibilmente di 50 Hz viene generata da un generatore elettronico a IGBT installato a bordo della ruota, girando eventualmente in modo solidale ad essa. L’acqua di raffreddamento è prelevata dal giunto rotante idrico centrale. Si preferisce che l’impianto sia racchiuso in una cabina, che ha lo scopo di assicurare il mantenimento di condizioni costanti di temperatura e umidità, filtrare il rumore ed impedire che gli operatori possano toccare le parti in movimento e quindi rischiare di infortunarsi. Un’apertura delle porte provoca l’arresto immediato dell’impianto. Il processo di produzione dei contenitori è completamente automatizzato e il controllo delle varie fasi è affidato ad un computer. Lo schermo del computer ed il pannello dei comandi si trovano all’esterno della cabina. Le fotografie che documentano le varie fasi dell’assemblaggio della macchina sono disponibili nella Parte terza del deliverable. I risultati dei primi test effettuati sulle preforme sono invece disponibili nell’Allegato 2. 19 PRODUCTION PROCESS REPORT A cura di SIPA S.P.A. Parte seconda di quattro: DISEGNI TECNICI DEL PROCESSO Sommario Figura 1 ................................................................................................................................................ 2 Figura 2 ................................................................................................................................................ 3 Figura 3 ................................................................................................................................................ 3 Figura 4 ................................................................................................................................................ 4 Figura 5 ................................................................................................................................................ 5 Figura 6 ................................................................................................................................................ 6 Figura 7 ................................................................................................................................................ 7 Figura 8 ................................................................................................................................................ 8 Figura 9 ................................................................................................................................................ 9 Figura 10 ............................................................................................................................................ 10 Figura 11 ............................................................................................................................................ 11 Figura 12b .......................................................................................................................................... 12 Figura 12a .......................................................................................................................................... 12 Figura 13a .......................................................................................................................................... 13 Figura 13b .......................................................................................................................................... 13 1 7 54 80 51 5 50 53 52 2 1 Figura 1 2 11 Figura 2 Figura 3 3 22 31 29 34 38 27 28 23b 25 24 38’ 30 26 32 33 35 23a Figura 4 20 21 4 22 31 26 30 Figura 5 5 93 91 92 94 96 9 95a 95 31 30 36 34 31 37 Figura 6 6 92 93 91 94 95a 96 9 95 31 30 36 34 31 37 Figura 7 7 98 9 97 95a Figura 8 8 93 91 92 94 96 9 95 31 30 36 34 31 37 Figura 9 9 9 90 20 Figura 10 10 2 Figura 11 11 100 82 81 83 84 86 8 85 Figura 12b Figura 12a 12 8 80 Figura 13a Figura 13b 13 PRODUCTION PROCESS REPORT A cura di SIPA S.P.A. Parte terza di quattro: FOTOGRAFIE Sommario Foto 1, 2 e 3......................................................................................................................... 2 Foto 4, 5 e 6......................................................................................................................... 2 Foto 7 e 8............................................................................................................................. 2 Foto 9 e 10........................................................................................................................... 2 Foto 11 e 12......................................................................................................................... 2 Foto 13 e 14......................................................................................................................... 2 Foto 15................................................................................................................................. 3 Foto 16................................................................................................................................. 4 Foto 17................................................................................................................................. 5 Foto 18................................................................................................................................. 6 Foto 19 e 20......................................................................................................................... 7 Foto 21 e 22......................................................................................................................... 8 Foto 23 e 24......................................................................................................................... 9 1 Foto 1, 2 e 3 OMISSIS (Foto 1, 2 e 3) Foto 4, 5 e 6 OMISSIS (Foto 4, 5 e 6) Foto 7 e 8 OMISSIS (Foto 7 e 8) Foto 9 e 10 OMISSIS (Foto 9 e 10) Foto 11 e 12 OMISSIS (Foto 11 e 12) Foto 13 e 14 OMISSIS (Foto 13 e 14) 2 Foto 15 Foto 15 - Ruota di stampaggio delle preforme completa 3 Foto 16 Foto 16 - Da sinistra a destra: ruota di stampaggio preforme, forno di condizionamento e soffiatrice (in secondo piano) 4 Foto 17 Foto 17 - Da sinistra a destra: soffiatrice e ruota di stampaggio delle preforme (all’interno della cabina) 5 Foto 18 Foto 18 - Linea produttiva completa (rendering) 6 Foto 19 e 20 Foto 19 - Fasi produttive: 1) produzione preforme Foto 20 - Fasi produttive: 2) trasferimento preforme 7 Foto 21 e 22 Foto 21 - Fasi produttive: 3) trasferimento preforme al forno di condizionamento Foto 22 - Fasi produttive: 4) condizionamento 8 Foto 23 e 24 Foto 23 - Fasi produttive: 5) trasferimento dal condizionamento al soffiaggio Foto 24 - Fasi produttive: 6) soffiaggio 9 PRODUCTION PROCESS REPORT A cura di SIPA S.P.A. Parte quarta di quattro: IL COLLAUDO Sommario Allestimento della linea di stampaggio preforme e soffiaggio bottiglie ............................ 2 Test eseguiti .................................................................................................................... 2 Risultati dei test sulle preforme prodotte prima del soffiaggio...................................... 2 Soffiaggio delle bottiglie .................................................................................................. 2 Risultati del soffiaggio .................................................................................................. 3 Analisi dei consumi della macchina ................................................................................. 3 Allestimento della linea di stampaggio preforme e soffiaggio bottiglie La macchina per preforme è stata equipaggiata con 72 stampi per produrre il formato 8,8 grammi per bottiglia per acqua minerale piatta da 0,5 litri. La macchina soffiatrice modello SFR20 collegata in sincronismo con la macchina per la produzione preforme è stata equipaggiata con 20 stampi per realizzare il formato di bottiglia da 0,5 litri PW. Il forno di condizionamento è stato personalizzato con un anello riscaldante idoneo al riscaldamento della preforma in oggetto. Test eseguiti OMISSIS Risultati dei test sulle preforme prodotte prima del soffiaggio OMISSIS Soffiaggio delle bottiglie OMISSIS 2 Risultati del soffiaggio OMISSIS Analisi dei consumi della macchina Le misure eseguite durante la produzione dei contenitori hanno dato i risultati di seguito esplicitati in tabella: Processo XTREME – S Machine Energy use [kWh/Kg] 0.23 Dryer Energy use [kWh/Kg] 0.075 Mold Dehumidifying systems Energy use [kWh/Kg] 0.039 Chiller [kWh/Kg] 0.05 Compressed air [kWh/Kg] 0.09 Oven [kWh/Kg] 0.03 Blowing machine [kWh/Kg] (no compress air) 0.06 Chiller for blower machine [kWh/Kg] 0.07 Compressed air [kWh/Kg] 0.27 Total Energy use [kW/Kg] 0.914 Comparandolo ad un processo bistadio per la produzione dello stesso contenitore il risparmio in termini di energia è del 27%, ossia di 75 kWh. 3