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Applicazione di nuovi materiali e tecnologie alla costruzione di riempitrici bevande

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2° Presentazione del workshop finale del progetto NPFP

Applicazione di nuovi materiali e tecnologie alla costruzione di
riempitrici bevande

Sito web del progetto: www.npfp.it

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Applicazione di nuovi materiali e tecnologie alla costruzione di riempitrici bevande

  1. 1. Applicazione di nuovi materiali e tecnologie alla costruzione di riempitrici per bevande Ing. Filippo Dazzi Sidel SpA
  2. 2. NPFP 2 Collettore rotante utilizzato nelle riempitrici: stampa 3D e componenti ceramici massivi per una migliore pulibilità e intervalli di manutenzione più lunghi
  3. 3. NPFP 3 Obbiettivi CONDIZIONI NECESSARIE • conformità alimentare (poiché il componente si trova lungo il circuito del prodotto) • Specifiche funzionali della macchina • ciclo CIP (contatto con prodotti chimici ad alta T)  Driver1: passare dalla strategia «make to stock» to «make to order»; valutare l'applicazione della tecnologia di stampa 3D per ottenere parti non fabbricabili mediante lavorazione all’utensile - necessario rivedere il design per beneficiare appieno delle potenzialità di A.M.  Driver2: eliminare gli elementi di tenuta per contatto dal collettore rotante; valutare la possibilità di utilizzare materiali ceramici con altissima resistenza all'usura, lavorati per ottenere il grado di precisione richiesto nell'accoppiamento;  Driver3: nel caso in cui Driver 2 non venga raggiunto, aumentare la durata della tenuta ottimizzando sia il materiale delle guarnizioni che il rivestimento / il materiale massivo delle parti del collettore rotante;
  4. 4. NPFP 4 Collettore rotante in rosso = rotante Tenute SPECIFICHE TECNICHE:  Pressioni di esercizio sino a 7bar  AISI 316L  Ingombri esterni non superiori agli attuali  Velocità di rotazione max 25 rpm  Durata tenute di almeno 12000h  Assenza di lubrificazione  Presenza di umidità  Temperatura massima in fase di sanificazione 90°C  Agenti chimicamente aggressivi
  5. 5. NPFP 5 Collettore rotante
  6. 6. NPFP 6 DRIVER 1: STUDIO PER STAMPA 3D DEL COLLETTORE canale in stampa 3D simulante i canali del collettore  Sidel ha individuato un tipo di collettore rotante la cui produzione avrebbe beneficiato della manifattura additiva (AM).  Ad oggi infatti i canali di distribuzione richiedono fori profondi e incrociato a 90 °, il che comporta una difficile realizzazione e pulibilità;
  7. 7. NPFP 7  Un prototipo replicante i canali a 90° è stato realizzato mediante sinterizzazione laser in AISI 316L – EN 1.404  Parametri di rugosità monitorati Ra, Sa, Sz [µm]; CONTROL OF ROUGHNESS REQUIRED FOR HYGIENIC CONSTRAINTS N S E O 1 2 3
  8. 8. NPFP 8 RIDISEGNO DEL COLLETTORE CON UN APPROCCIO DI DESIGN FOR ADDITIVE MANUFACTURING  Ottimizzazione della geometria per beneficiare dell’A.M. rimuovendo forme di difficile pulibilità  Studio della sequenza di consolidamento più efficiente per sopportare la masa delle zone non auto-supportate Soluzione 1 per la supportazione del materiale Soluzione 2 per la supportazione del materiale Geometrie alternative
  9. 9. NPFP 9 OUTPUT E PASSI FUTURI  Necessità di migliorare la finitura superficiale; valutazione di:  Circolazione di fluidi/fanghi abrasivi vs. elettrolucidatura per superfici interne  Abrasione meccanica per superfici esterne  Studi comparativi sulla pulibilità da effettuare:  Superficie risultante dal processo di AM  Dopo i trattamenti interni ed esterni  La finitura della superficie al momento attuale non è conforme al contatto con gli alimenti e non può essere applicata così com'è; anche i costi della tecnologia sono ancora alti;  Ci si attende che lo sviluppo della tecnologia nei prossimi anni consenta raggiungere almeno l'obiettivo della finitura superficiale;
  10. 10. NPFP 10 ACC. TEST BENCH STRUCTURAL PARTS (ROTATING) GREEN PARTS ACC. TEST BENCH GASKETS PARTS (FIXED) RED PARTS ACC. TEST BENCH COATING PARTS WHITE PARTS SILIPPERS DRIVER 2: PROGETTAZIONE DI UN COLLETTORE SENZA TENUTE  Obiettivo: eliminare le guarnizioni striscianti al fine di ridurre sensibilmente le operazioni di manutenzione sul collettore rotante;  Come alternativa «facile», si è considerato l'uso di anelli ceramici integrali anziché rivestimenti superficiali per aumentare almeno la durata operativa delle guarnizioni; CONTATTO SENZA GUARNIZIONI CON ANELLI CERAMICI MONTATI SU ACCIAIO INOSSIDABILE  Sostituire i rivestimenti sulle parti del collettore su cui scorrono le guarnizioni in elastomero;  Realizzare la tenuta minimizzando il gioco tra superfici cilindriche in ceramico; ciò elimina le guarnizioni la cui usura rappresenta il fattore più limitante per la durata del collettore;  Dimostratore su banco prova guarnizioni Sidel (Sidel reliability Lab) - non scala reale del collettore. ACCELERATED TEST BENCH OUTLINE
  11. 11. NPFP 11 Modello EF termo-strutturale Modello CFD Ok for per tutti i casi Co2 -> 43mg/s CIP acqua calda ->18mg/s CONTATTO SENZA GUARNIZIONI CON ANELLI CERAMICI MONTATI SU ACCIAIO INOSSIDABILE: SIMULAZIONE SFORZI E PERDITE  Simulazione termomeccanica per calcolare dilatazione termica e sollecitazioni in condizioni di servizio  Simulazione CFD eseguita per quantificare le perdite che potrebbero essere raggiunte con il sistema  Secondo i risultati CFD la soluzione potrebbe essere applicata su circuito pneumatico e ritorno CIP se le ev. perdite avvengono solo con acqua - non accettabile se si verificano perdite chimiche  Non applicabile nel circuito CO2 (diffusione di CO2 nell'ambiente)  Non applicabile nel circuito del vuoto (rischio di contaminazione da esterno)
  12. 12. NPFP 12  Soluzione – Concetto base  Nuovo design del modulo basato su materie prime ceramiche effettivamente disponibili CONTATTO SENZA GUARNIZIONI CON ANELLI CERAMICI MONTATI SU ACCIAIO INOSSIDABILE
  13. 13. NPFP 13 SVILUPPO DELL’UNIONE ACCIAIO INOX-CERAMICO MEDIANTE SALDOBRASATURA DI PROVINI DI PICCOLE DIMENSIONI Variabili: 1. Tipologia di materiali di interfaccia 2. Spessori dei layers 3. Giochi tra le superfici in giunzione  Si è proceduto a individuare leghe brasanti potenzialmente idonee alla specifica applicazione del collettore sulla base sia delle competenze e know-how pregresso di ECOR sia su una ricerca bibliografica.  Le soluzioni che si testeranno prevedono due tipologie di metallizzazione:  Layer Mo-Mn + nichelatura + lega brasante  Deposizione PVD su allumina di un layer di Ti come elemento di attivazione e interposizione lega brasante
  14. 14. NPFP 14 SVILUPPO DEL CICLO DI SALDOBRASATURA SU PEZZI IN SCALA 1: 1 Realizzazione saldobrasature su provini metallo-ceramici Design superfici saldobrasatura su campioni in scala reale Realizzazione test shock termico su provini saldobrasati metallo-ceramici Analisi dei campioni dopo i test – SEM (in progress)
  15. 15. NPFP 15 SVILUPPO DEL CICLO DI PRODUZIONE IN SCALA 1: 1
  16. 16. NPFP 16 Test block-on-ring attrito e usuraThermazyl rod (acquistato by Sidel) UTILIZZO DI ANELLI IN CERAMICA MASSIVA COME SUPERFICIE DI SCORRIMENTO DI GUARNIZIONI  Passaggio da una superficie di scorrimento rivestita a una superficie di scorrimento per guarnizioni prodotta separatamente e assemblata su una parte rotante;  Validazione eseguita su scala di laboratorio mediante test tribometrici + banco prova accelerato per guarnizioni (laboratorio affidabilità Sidel)  Prova tribologica guarnizione PTFE su rivestimento LC4 vs. Thermazyl  Thermazyl genera un tasso di usura della guarnizione molto inferiore rispetto a LC4  Le coppie resistenti generate sono corrispondentemente molto più basse;
  17. 17. NPFP 17 Tunnel a flusso laminare ridotto per macchine riempitrici: incollaggio e Friction Stir Welding come alternativa alla saldatura TIG per assemblare carpenteria in AISI 304
  18. 18. NPFP 18  Operazioni richieste per l'assemblaggio del tunnel in fase finale  La saldatura blocca qualsiasi altra operazione di montaggio sulla macchina (tubazioni, cavi)  Per gli adesivi sono necessari applicatori manuali o pneumatici e dispositivi di bloccaggio  Per saldare la macchina è necessaria saldatrice, gas inerti e prodotti chimici per il decapaggio  In termini di Lead Time (compreso il tempo di cura dell'adesivo) l'incollaggio è inferiore del 40% rispetto alla saldatura. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% - CASO 1 CASO 2 CASO 1 CASO 2 - CONFIGURAZIONE 1 CONFIGURAZIONE 2 LEADTIME**[%] SALDATURA DISPOSITIVO PNEUMATICO DISPOSITIVO MECCANICO Incollaggio vs. saldatura TIG: benefici 18 𝐿. 𝑇. [𝑔𝑔] = 𝑡 𝐿𝐴𝑉𝑂𝑅𝑂 [ℎ] 𝑛 𝑂𝑃 ∙ ℎ 𝐿𝐴𝑉𝑂𝑅𝐴𝑇𝐼𝑉𝐸[ℎ/𝑔𝑖𝑜𝑟𝑛𝑜] + 𝑡 𝐹𝐼𝑆𝑆𝐴𝐺𝐺𝐼𝑂 [ℎ] 24 L’incollaggio richiede ca. 1/6 del tempo di lavorazione rispetto alla saldatura** SALDATURA TIG ADHESIVE BONDING Pulitura lembi Pulizia superfici Puntatura Deposizione adesivo Saldatura Chiusura giunto Decapaggio Polimerizzazione
  19. 19. NPFP 19 CSD Filler WATER Filler Tunnel a flusso laminare ridotto SPECIFICHE TECNICHE • Pulizia con agenti chimicamente aggressivi • Giunzioni testa-testa o a semplice coprigiunto • Lamiera spessore 1,5-2 mm in AISI 304 • Carichi: solo peso proprio e azioni dinamiche durante il trasporto • Manovrabilità entro le 24 h dall’assemblaggio • Durata: 20 anni • TMAX 40°c (occasionalmente 70°C)
  20. 20. NPFP 20 Selezione adesivo ANALISI DEL MERCATO  Riferimento: adesivi Henkel valutati in precedenza (2K epoxy rigido; silano-modificato flessibile)  Fornitori considerati: 3M, Sika, Dow, Elantas;  Requisiti: • Buona adesione su acciaio inox; • Resistenza all’acqua e resistenza chimica (v. 1.1); • Cura a TAMBIENTE e manovrabilità entro 24h ADESIVI FORNITI o 3M: 7240 (2K epoxy); o Sika: Sikaflex 221 e Sikaflex 252 (1K PU flessibile) + nastro biadesivo per fissaggio temporaneo della giunzione; o Elantas: Elan-tech® AS 50/AW 50 (2K epoxy) o Dow: nessuna risposta
  21. 21. NPFP 21  Target: comportamento delle giunture a contatto con le sostanze chimiche del COP;  Condizioni di test  Sostanze chimiche: soluzione acida - Soluzione alcalina  Tempo di contatto: 1200 h (corrispondente al tempo di contatto totale per la vitadella macchina)  Prelievi intermedi a 600-800-1000 h per monitorare l'evoluzione della resistenza;  Temperatura massima 40 ° C  6 campioni testati per tempo di immersione  Riferimento: resistenza secondo UNI 1465 / ASTM D 1002 residua dopo le fasi di immersione, rispetto alla resistenza di campioni non invecchiati; o Immersione completa: ‒ Meno rappresentativa del reale COP + Più severa per l’incollaggio Test di invecchiamento dell’incollaggio
  22. 22. NPFP 22 Risultati test invecchiamento 1 Non invecchiati Adesivo 2  scartatoAdesivo 1 Adesivo 2 – 1200 h sol. acida Adesivo 2 – 1200 h sol. alcalina  Adesivo 1  4/24 fallimenti spontanei  Adesivo 2  17/24 fallimenti spontanei
  23. 23. NPFP 23 Risultati test invecchiamento 2 Non invecchiato 1200 h sol. alcalina (B) 600 h 800 h 1000 h 1200 h  Adesivo 1 + primer  0/24 fallimenti spontanei
  24. 24. NPFP 24  Vantaggi rispetto alla saldatura ad arco:  Tecnica a bassa T - minore deformazione termica - nessuna zona termicamente alterata  Elevata velocità di avanzamento del mandrino  Passaggi di verifica necessari:  Resistenza meccanica dei giunti FSW  Post-trattamento necessario per il decapaggio delle zone saldate  Resistenza alla corrosione della zona saldata  Studio dell'applicazione della tecnologia all'assemblaggio del tunnel riempitrice  Per attività sperimentali utilizzate giunzioni di testa con lamiere di AISI 304 spessore 2 millimetri Studio applicazione Friction Stir Welding 24
  25. 25. NPFP 25 25 SOL. ACIDA VE9 SOL. ACIDA VT70  Prove di resistenza meccanica eseguite secondo ASTM E8-08  Resistenza alla trazione pari al materiale base: 600 Mpa vs. 500-700 MPa dell’AISI 304  Post trattamento necessario per garantire la rimozione degli ossidi dalla zona saldata:  Il decapaggio chimico non è sufficiente per rimuovere gli ossidi superficiali e le bave residue  La molatura meccanica è necessaria per garantire una rugosità accettabile Studio applicazione Friction Stir Welding
  26. 26. NPFP 26 OUTPUT  Il giunto saldato FSW richiede un post trattamento meccanico;  Il giunto saldato FSW (dopo il trattamento) mostra la stessa resistenza meccanica e chimica del materiale di base  Al momento attuale, il costo della macchina FSW risulta ancora troppo elevato;  Prove di resistenza alla corrosione eseguite su campioni tagliati da lastra saldata FS da 2 mm in AISI 304, seguendo lo stesso protocollo del test COP utilizzato per gli adesivi; Studio applicazione Friction Stir Welding
  27. 27. NPFP 27 Progettazione dimostratore  Riempitrice per acqua piatta di dimensioni ridotte (60 valvole);  Il dimostratore consisterà nella unione completa di due moduli di tunnel  Linee guida seguite:  Massimizzare la superficie di adesione: utilizzando un'adeguata estensione della superficie, le sollecitazioni in tensione e taglio possono essere mantenute <1 MPa  Realizzare giunti per rendere l'adesivo sollecitato in taglio e non in tensione  Mantenimento pendenze delle superfici inferiori del tunnel per drenabilità (design igienico)  Nessuna linea di giunzione adesiva esposta direttamente alla spruzzatura durante COP Buono Debole Buono Debole
  28. 28. NPFP 28 Progettazione dimostratore Linee di saldatura nella unione dei moduli ROTARY FIXED  Superfici di assemblaggio: situazione attuale
  29. 29. NPFP 29 Progettazione dimostratore  Aggiunta di elementi in lamiera per realizzare coprigiunti (in verde: parti aggiunte / modificate)
  30. 30. NPFP 30 Progettazione dimostratore  Aggiunta di elementi in lamiera per realizzare coprigiunti
  31. 31. NPFP 31 Progettazione dimostratore linee di saldatura per l’unione dei settori Vista in sezione: giunto a doppia sovrapposizione Lato interno Lato esterno  Modifica dei settori della centina (parte rotante) per realizzare la sovrapposizione con il settore successivo
  32. 32. NPFP 32 Realizzazione dimostratore  Dimostratore consiste in 2 moduli della parte fissa delle protezioni – settori della parte rotante esclusi durante il test  Colonne utilizzate per supportazione – colonna centrale costituisce parte posteriore del giunto  Assemblaggio eseguito nelle strutture Sidel  Adesivo, primer ed applicatore dal Fornitore
  33. 33. NPFP 33 Zona più critica  Il test di montaggio ha evidenziato che alcuni limiti del processo di giunzione ipotizzato  Corrispondenza dei lembi adiacenti di parti in lamiera sottile difficile da ottenere  Tempo aperto dell’adesivo (30 min) che consente solo correzioni minime di eventuali disallineamenti degli aderendi  Precisione geometrica degli elementi di sovrapposizione in lamiera leggera piegati/saldati  Modifiche di processo ipotizzate  Aggiunta elementi di riferimento integrati sui moduli da unire  Attrezzaggi dedicati per un posizionamento rigido e preciso Realizzazione dimostratore
  34. 34. NPFP 34 Conclusioni  L’adesivo scelto, testato combinato con primer, ha mostrato ottima resistenza e buona durata in ambiente bagnato e a contatto con chimici;  L’assemblaggio del prototipo ha evidenziato alcuni limiti del processo di giunzione ipotizzato, legati principalmente alla geometria e al processo produttivo delle parti da unire;  Le principali migliorie da implementare del processo per superare i suddetti limiti sono:  Aggiunta elementi di riferimento integrati sui moduli da unire  Attrezzaggi dedicati per un posizionamento rigido e preciso
  35. 35. NPFP 35 Partecipanti a questa attività • Alessandro Pirondi, Federica Bondioli Paolo Casoli, Emanuela Cerri • Elena Bassoli • Domenico Stocchi, Ivan Moretti • Roberto Germiniasi, Filippo Dazzi, Marco Martinelli • Roberto Antolotti www.npfp.it

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