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Prof. Ing. Alessandro Pirondi
Centro SITEIA.PARMA - Università di Parma
NPFP 2
Overview progetto
NPFP 3
efficienza energetica
lead time
made-to-order
pulibilità
costo di costruzione
controllo processo
manutenzione
Genes...
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Genesi: sintesi risposta tecnologica
Imbottigliamento
Processo
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Obbiettivi: “dimostratore”
Paradigma 1
• Un collettore rotante utilizzato nelle riempitrici bevande realizzato con ...
NPFP 6
Obbiettivi
Paradigma 2
• scambiatori di calore a superficie raschiata/corrugata per i quali prevede un
incremento d...
NPFP 7
Sviluppo Paradigma 1
NPFP 8
Collettore rotante
SPECIFICHE TECNICHE E VINCOLI:
 Pressioni di esercizio sino a 7bar
 Acciaio utilizzato AISI 31...
NPFP 9
Sidel ha individuato un nuovo disegno per il collettore che beneficerebbe della
costruzione free-form mediante addi...
NPFP 10
Collettore rotante: stampa 3D
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Zona 1 Zona 2 Zona 3 Media Dev. std
14.5 17.3 15.6 15.8 1.41
Rugosità Ra (mm)N...
NPFP 11
ACC. TEST BENCH
STRUCTURAL PARTS
GREEN PARTS
ACC. TEST BENCH GASKETS
PARTS
RED PARTS
ACC. TEST BENCH COATING
PARTS...
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SOLUZIONE A: TENUTA ELASTOMERO/CERAMICO INTEGRALE CON ANELLI
CERAMICI RIPORTATI SU METALLO (ELASTICAMENTE O SALDOB...
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La parte rotante è composta da
un anello in acciaio AISI 316 (1)
e da un anello in ceramico (2),
montati in modo c...
NPFP 14
Soluzione B: proposta modifica banco sperimentale per il collaudo
Virtual evaluation of in-service gap, stresses a...
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SOLUZIONE A-B: REALIZZAZIONE SALDOBRASATURA COLLEGAMENTO ANELLI
CERAMICI - METALLO
• Si è proceduto a trovare legh...
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 Interesse primario: comportamento degli adesivi a contatto con lavaggi COP.
 Immersione di campioni di giunti i...
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Tunnel FLR: friction stir welding (FSW)
FSW eseguita su acciaio AISI 304
SPECIFICHE UTILIZZATE:
Geometria: testa-...
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Cordone di saldaturaMateriale base
Tunnel FLR: friction stir welding (FSW)
Materiale base
NPFP 22
Tunnel FLR: friction stir welding (FSW)
Test corrosione (OK)
NPFP 23
Adesione batterica in condizioni statiche determina la lunghezza di cut-off ~ dimensione
minima dei batteri
Proget...
NPFP 24
20 µm
2.33 J/cm21.14 J/cm20.36 J/cm2
Superfici texturizzate
Realizzazione del pattern mediante laser pulsato ad el...
NPFP 25
Sviluppo Paradigma 2
NPFP 26
Ottimizzazione prestazioni mediante
modellazione CFD e sperimentazione
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NPFP 27
• Considerate le esigenze dell’azienda partner del progetto (MBS s.r.l.) e valutato
l’impatto sul mercato, lo stud...
NPFP 28
Progettazione della campagna sperimentale per l’ottimizzazione
• Sono stati individuati i parametri geometrici da ...
NPFP 29
I più importanti parametri di processo sono:
• forma e dimensione dello stampo alla trafila
• forma e dimensione d...
NPFP 30
Ottimizzazione estrusori per pasta
Simulazione CFD dell’estrusore per la valutazione di differenti configurazioni
...
NPFP 31
EMULSIONE CON
PARTICELLE
GROSSOLANE
EMULSIONE CON
PARTICELLE FINI
Bassa Pressione o
Pressione Atmosferica
Alta Pre...
NPFP 32
Efficienza di omogeneizzazione
La zona caratterizzata da maggiore turbolenza (ossia elevato Tasso di dissipazione
...
NPFP 33
Breakup model- MUSIG
• E’ in fase di studio l’applicazione tramite Ansys-CFX di un modello di rottura per
particel...
NPFP 34
Controllo automazione basato sulle
caratteristiche del prodotto processato
NPFP 35
Grazie per l’attenzione !
www.npfp.it
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“Nuovi paradigmi per la progettazione, costruzione e funzionamento di macchine e impianti per l’industria alimentare” (NPFP): ambiti di lavoro e linee di azione

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Il progetto NPFP si propone di sviluppare e applicare nuovi paradigmi che costituiscano una svolta nella progettazione, costruzione e funzionamento di macchine e impianti per l’industria alimentare:
Paradigma 1 (P1): “Progettazione e produzione mediante nuove tecnologie” basato sull’uso integrato di tecnologie produttive a forma finita, nuovi materiali, tecnologie non convenzionali di giunzione (ad esempio incollaggio, Friction Stir Welding.).
Paradigma 2 (P2): “Controllo del processo dalle proprietà del prodotto trasformato” basato sull’uso integrato di metodi sperimentali e numerici.

Sito web del progetto: www.npfp.it
Presentazioni e video: http://cerr.eu/what-s-going-on/357-materiali-dei-seminari-disponibili-online

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“Nuovi paradigmi per la progettazione, costruzione e funzionamento di macchine e impianti per l’industria alimentare” (NPFP): ambiti di lavoro e linee di azione

  1. 1. Prof. Ing. Alessandro Pirondi Centro SITEIA.PARMA - Università di Parma
  2. 2. NPFP 2 Overview progetto
  3. 3. NPFP 3 efficienza energetica lead time made-to-order pulibilità costo di costruzione controllo processo manutenzione Genesi: analisi esigenze aziendali
  4. 4. NPFP 4 Genesi: sintesi risposta tecnologica Imbottigliamento Processo
  5. 5. NPFP 5 Obbiettivi: “dimostratore” Paradigma 1 • Un collettore rotante utilizzato nelle riempitrici bevande realizzato con superfici di tenuta in ceramico massivo e un corpo in stampa 3D: i) allungamento intervallo manutenzione da 3000h a 30.000h, ovvero riduzione del 50% del costo di manutenzione anche raddoppiando il costo del collettore; ii) miglioramento dell'hygienic design attraverso riduzione dei volumi morti e degli interstizi nell'ordine del 50%; iii) riduzione lead time del collettore dalle attuali 9 settimane a 4 settimane, consentendo di gestire il componente da made to stock a made to order • Un contenitore per le zone a flusso laminare ridotto nei tunnel di sterilizzazione delle riempitrici bevande, assemblato mediante incollaggio i) dimezzamento del lead time e riduzione del costo di assemblaggio di 2/3 rispetto alla saldatura • Una sezione di tunnel la cui superficie esterna verra' strutturata fisicamente mediante laser ad impulsi ultracorti i) aumento dell’angolo di contatto statico di una goccia d’acqua da ca. 80° a 160° (comportamento super-idrofobico).
  6. 6. NPFP 6 Obbiettivi Paradigma 2 • scambiatori di calore a superficie raschiata/corrugata per i quali prevede un incremento dello scambio termico all'incirca del 100 % e una riduzione dei costi del 50 % attraverso modellazione CFD • estrusore bivite a prestazioni ottimizzate mediante modellazione CFD permetterà un Incremento di competitivita' stimabile nel 20-30% (riferito all'azienda partner) • omogeneizzatore per latte e derivati con nuova logica di controllo basata sulla disponibilita' di informazioni in continuo del grado di omogeneizzazione: i) maggiore affidabilita' di omogeneizzazione al variare dell'usura dei componenti o della qualita' del prodotto in entrata; ii) possibilita' di manutenzione preventiva (ad es. l'usura della valvola omogeneizzante sarebbe accompagnata da un aumento di pressione a pari caratteristiche del prodotto in uscita); iii) risparmio energetico: considerando una riduzione della pressione di lavoro di 10 bar su ca. 200 su una macchina da 10000 l/h utilizzata per 4000 h/anno si avrebbe un risparmio energetico di 12200 kWh all'anno.
  7. 7. NPFP 7 Sviluppo Paradigma 1
  8. 8. NPFP 8 Collettore rotante SPECIFICHE TECNICHE E VINCOLI:  Pressioni di esercizio sino a 7bar  Acciaio utilizzato 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
  9. 9. NPFP 9 Sidel ha individuato un nuovo disegno per il collettore che beneficerebbe della costruzione free-form mediante additive manufacturing (AM). Collettore rotante: stampa 3D
  10. 10. NPFP 10 Collettore rotante: stampa 3D 1 3 2 Zona 1 Zona 2 Zona 3 Media Dev. std 14.5 17.3 15.6 15.8 1.41 Rugosità Ra (mm)N S E O 1 2 3 Zona 1 Zona 2 Zona 3 Orient. card. E – O N - S E – O N - S E – O N - S Orient. costruz. 45° risp. layer // layer ꓕ layer 45° risp. layer Media 3.53 4.47 4.8 6.4 4.93 5.1 Dev. standard 0.85 0.58 0.81 2.62 0.84 1.21 Internal surface finish improvement: abrasive slurry circulation vs. electropolishing Primo step: stampa 3D (acciaio inox AISI 316 L) di un canale con gomito simulante i canali del collettore per effettuare tests di pulibilità
  11. 11. NPFP 11 ACC. TEST BENCH STRUCTURAL PARTS GREEN PARTS ACC. TEST BENCH GASKETS PARTS RED PARTS ACC. TEST BENCH COATING PARTS WHITE PARTS SILIPPERS Banco sperimentale per il collaudo (presso Sidel) Collettore rotante: tenute
  12. 12. NPFP 12 SOLUZIONE A: TENUTA ELASTOMERO/CERAMICO INTEGRALE CON ANELLI CERAMICI RIPORTATI SU METALLO (ELASTICAMENTE O SALDOBRASATI) Block-on-ring friction and wear testThermazyl rod modifica banco Collettore rotante: tenute miglioramento usura no miglioramento usura soluzione scartata
  13. 13. NPFP 13 La parte rotante è composta da un anello in acciaio AISI 316 (1) e da un anello in ceramico (2), montati in modo coassiale ad un anello fisso esterno (4) anch’esso in acciaio AISI 316. Interposizione, al posto delle tenute, di un anello fisso (3) anch’esso ceramico, con gioco estremamente ridotto. SOLUZIONE B: TENUTA CERAMICO/CERAMICO CILINDRICA CON ANELLI CERAMICI RIPORTATI SU METALLO (ELASTICAMENTE O SALDOBRASATI) Collettore rotante: tenute MASSIVE CERAMIC BUSHINGS 10 mm GAP
  14. 14. NPFP 14 Soluzione B: proposta modifica banco sperimentale per il collaudo Virtual evaluation of in-service gap, stresses and leakage Thermo-structural FE model CFD model Cost analysis Decision (go/no go) Ok for different load cases Not ok for Co2 ->43mg/s CIP hot water ->18mg/s Collettore rotante: tenute GO !
  15. 15. NPFP 15 SOLUZIONE A-B: REALIZZAZIONE SALDOBRASATURA COLLEGAMENTO ANELLI CERAMICI - METALLO • Si è proceduto a trovare 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: • 1. Layer Mo-Mn + nichelatura + lega brasante • 2. Deposizione PVD su allumina di un layer di Ti come elemento di attivazione e interposizione lega brasante Variabili: 1. Tipologia di materiali di interfaccia 2. Spessori dei layers 3. Giochi tra le superfici in giunzione Collettore rotante: tenute
  16. 16. NPFP 17 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% - CASO 1 CASO 2 CASO 1 CASO 2 - CONFIGURAZIONE 1CONFIGURAZIONE 2 LEADTIME[%] SALDATURA DISPOSITIVO PNEUMATICO DISPOSITIVO MECCANICO 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% - CASO 1 CASO 2 CASO 1 CASO 2 - CONFIGURAZIONE 1CONFIGURAZIONE 2 LEADTIME[%] SALDATURA DISPOSITIVO PNEUMATICO DISPOSITIVO MECCANICO Valutazione lead time • Operazioni richieste: • Saldatura impedisce altre operazioni sulla riempitrice (piping, cablaggio) SALDATURA TIG • Pulizia dei lembi • Puntatura per fissaggio • Esecuzione saldatura a tratti • Decapaggio della zona saldata INCOLLAGGIO • Pulizia delle superfici • Stesura dell’adesivo • Unione e morsettatura • Cura dell’adesivo 𝐿. 𝑇. [𝑔𝑔] = 𝑡 𝐿𝐴𝑉𝑂𝑅𝑂 [ℎ] 𝑛 𝑂𝑃 ∙ ℎ 𝐿𝐴𝑉𝑂𝑅𝐴𝑇𝐼𝑉𝐸[ℎ/𝑔𝑖𝑜𝑟𝑛𝑜] + 𝑡 𝐹𝐼𝑆𝑆𝐴𝐺𝐺𝐼𝑂 [ℎ] 24 Tempo di incollaggio ca. 1/6 rispetto alla saldatura Solo tempo operatore Tempo operatore + tempo di presa Tunnel FLR: incollaggio
  17. 17. NPFP 18 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 COSTOUNITARIOASSEMBLAGGIO[% ] n° MACCHINE ASSEMBLATE SALDATURA C21 DP C22 DP C21 DM C22 DM 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 COSTOUNITARIOASSEMBLAGGIO[%] n° MACCHINE ASSEMBLATE SALDATURA C11 DP C12 DP C11 DM PUNTO DI PAREGGIO [n° MACCHINE] DISP. PNEUMATICI DISP. MECCANICI C11 C12 C11 C12 2 2 1 1 C21 C22 C21 C22 2 2 1 1 RIENTRO INVESTIMENTO [n° MACCHINE] DISP. PNEUMATICI DISP.MECCANICI C11 C12 C11 C12 3 3 2 2 C21 C22 C21 C22 4 4 2 2 Costi tempo manodopera dipendono da:  Dimensioni (configurazione);  Adesivi impiegati (casi)  Tipo di dispositivo (meccanico/pneumatico); Valutazione effettuata considerando:  Realizzazione a regime di 10 macchine/anno;  Acquisto di 4 pistole;  Sp. adesivo 0,25 mm se rigido, 1 mm per MS;  Cij = i-esima configuarazione, j-esimo caso. Tunnel FLR: incollaggio Valutazione costi
  18. 18. NPFP 19  Interesse primario: comportamento degli adesivi a contatto con lavaggi COP.  Immersione di campioni di giunti in soluzioni da ricette COP per 50 giorni (contatto con sanificante su 20 anni);  Ricambio soluzioni ogni 7 giorni;  Temperatura di condizionamento = Massima COP  Misura resistenza residua a metà e al termine del periodo (UNI EN 1465) o Immersione: ‒ Poco simulativa della schiumatura; + Più severa per l’adesione (legami adesivo-substrato).  Prove preliminari Sikaflex: problema sbordatura primer colore nero  Prove preliminari altri adesivi ok: iniziata immersione in agenti chimici Prove senza primer scartato Tunnel FLR: incollaggio Programmazione esperimenti
  19. 19. NPFP 20 Tunnel FLR: friction stir welding (FSW) FSW eseguita su acciaio AISI 304 SPECIFICHE UTILIZZATE: Geometria: testa-testa Spessore lastra: 2mm Velocità di rotazione mandrino: 2000 rpm Velocità di passata: 50 mm/min
  20. 20. NPFP 21 Cordone di saldaturaMateriale base Tunnel FLR: friction stir welding (FSW) Materiale base
  21. 21. NPFP 22 Tunnel FLR: friction stir welding (FSW) Test corrosione (OK)
  22. 22. NPFP 23 Adesione batterica in condizioni statiche determina la lunghezza di cut-off ~ dimensione minima dei batteri Progettazione della superficie Superfici texturizzate - Forma sferica - ø ~ 0.5 µm - Gram-positivo Staffilococcus Aureus - Forma cilindrica - l = 2 µm, ø = 0.5 µm - Gram-negativo Pseudomonas Aeruginosa
  23. 23. NPFP 24 20 µm 2.33 J/cm21.14 J/cm20.36 J/cm2 Superfici texturizzate Realizzazione del pattern mediante laser pulsato ad elevate frequenza
  24. 24. NPFP 25 Sviluppo Paradigma 2
  25. 25. NPFP 26 Ottimizzazione prestazioni mediante modellazione CFD e sperimentazione 26
  26. 26. NPFP 27 • Considerate le esigenze dell’azienda partner del progetto (MBS s.r.l.) e valutato l’impatto sul mercato, lo studio si è concentrato integralmente su scambiatori di calore a superficie corrugata. Ottimizzazione scambiatori di calore • Prove comparative di scambiatori a fascio tubiero con tubi lisci, tubi a singola corrugazione e tubi a doppia corrugazione. • Fluidi di test: glicole etilenico ed acqua. • Valutazioni delle prestazioni (perdite di carico e scambio termico) sia per il lato prodotto che per il lato fluido di servizio. • Sono stati sviluppati modelli matematici da utilizzare per la progettazione degli apparati in oggetto. • Elaborazione dei dati sperimentali basata sulla tecnica “Wilson plot”. • Determinazione dei coefficienti necessari alla definizione di correlazioni caratterizzanti il comportamento degli scambiatori studiati. Selezione casi di studio e modellazione
  27. 27. NPFP 28 Progettazione della campagna sperimentale per l’ottimizzazione • Sono stati individuati i parametri geometrici da studiare per ottenere una configurazione ottimale degli scambiatori analizzati. • È stata programmata la campagna sperimentale da svolgersi presso il laboratorio di Ingegneria Industriale UNIPR e presso lo stabilimento MBS a Treviso. Messa a punto del circuito di test e conduzione campagna sperimentale • Sono stati predisposti, verificandone il corretto funzionamento, gli impianti di prova sia presso UNIPR che presso lo stabilimento MBS a Treviso Ottimizzazione scambiatori di calore • Analisi delle prestazioni in termini di scambio termico e perdite di carico lato prodotto per scambiatori con tubi con parete a doppia corrugazione. • Differenti profondità di corrugazione e differenti passi di corrugazione. • Sono stati studiati sia il regime di moto laminare impiegando glicole etilenico come fluido di prova che il regime di moto turbolento adoperando acqua. • È stata individuata una geometria ottimale per questo tipo di scambiatori di calore. • Sono state determinate le correlazioni per la progettazione per tutte le geometrie studiate utilizzando un approccio di minimizzazione multivariabile
  28. 28. NPFP 29 I più importanti parametri di processo sono: • forma e dimensione dello stampo alla trafila • forma e dimensione della vite • pressione • temperature • tempo di permanenza del prodotto nell'estrusore • attriti interni (shear rate e shear stress) • velocità di rotazione della vite • contenuto di acqua nel materiale grezzo e nella miscela durante il processo monovite bivite Ottimizzazione estrusori per pasta
  29. 29. NPFP 30 Ottimizzazione estrusori per pasta Simulazione CFD dell’estrusore per la valutazione di differenti configurazioni geometriche
  30. 30. NPFP 31 EMULSIONE CON PARTICELLE GROSSOLANE EMULSIONE CON PARTICELLE FINI Bassa Pressione o Pressione Atmosferica Alta Pressione (≈ 15 Mpa) Ottimizzazione omogeneizzazione anello d’impatto anello di passaggio testina d’urto Criticità del processo: • consumo energetico elevato • imperfetta replicabilità del prodotto in uscita • difficoltà di regolazione
  31. 31. NPFP 32 Efficienza di omogeneizzazione La zona caratterizzata da maggiore turbolenza (ossia elevato Tasso di dissipazione dell’energia cinetica ε (m2/s3) e del Gradiente di velocità G (1/s)) si estende dall’ingresso del meato fino alla «camera» che si forma fra anello e testina d’impatto a valle del meato. Dettaglio del Tasso di dissipazione di energia cinetica turbolenta ε (m2/s3) Dettaglio del Gradiente di velocità G (1/s) Ottimizzazione omogeneizzazione
  32. 32. NPFP 33 Breakup model- MUSIG • E’ in fase di studio l’applicazione tramite Ansys-CFX di un modello di rottura per particelle liquide disperse in un emulsione turbolenta. Applicando tale modello di rottura è possibile ottenere la distribuzione di particelle in uscita omogeneizzate dai fenomeni di turbolenza. Ottimizzazione omogeneizzazione 0,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0% 50,0% 60,0% 70,0% 80,0% 90,0% 100,0% 0 1 2 3 4 5 Frazionedivolume Diametro particelle (μm) Diametri particelle ingresso vs. uscita Diametri_INPUT DIAMETRI_OUTPUT_MUSIG
  33. 33. NPFP 34 Controllo automazione basato sulle caratteristiche del prodotto processato
  34. 34. NPFP 35 Grazie per l’attenzione ! www.npfp.it

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