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. Principali filiere coinvolte: Alimentare, Meccanica, Regolamentazione, ICT Sito web del progetto: www.npfp.it Presentazioni e video: http://cerr.eu/what-s-going-on/357-materiali-dei-seminari-disponibili-online

1. Prof. Emanuela Cerri
Centro SITEIA.PARMA - Università di Parma
Bologna, 7 settembre 2017

2. NPFP 2
Overview progetto

3. NPFP 3
efficienza energetica
lead time
made-to-order
pulibilità
costo di costruzione
controllo processo
manutenzione
Genesi: analisi esigenze aziendali

4. NPFP 4
Genesi: sintesi risposta tecnologica
Imbottigliamento
Processo

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 o friction stir welding
i) dimezzamento del lead time e riduzione del costo di assemblaggio di 2/3
rispetto alla saldatura tradizionale
• 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-la goccia d’acqua rimbalza letteralmente sulla
superficie senza aderirci).

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. NPFP 7
Sviluppo Paradigma 1

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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 !
CFD* = Computational Fluid Dynamics, CIP*= cleaning in place

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. 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. 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 configurazione, j-esimo caso.
Tunnel FLR: incollaggio
Valutazione costi

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. 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. NPFP 21
Cordone di saldaturaMateriale base
Tunnel FLR: friction stir welding (FSW)
Materiale base

21. NPFP 22
Tunnel FLR: friction stir welding (FSW)
Test corrosione (OK)

22. – Acid solution (H3PO4):
• 100% of total contact time
• No chemical attack on welded zone, no modification in the material
• No remarks also on back side of welded zone
– Prove eseguite in Sidel
Status of samples after 1050 h
FRONT BACK
1050 h = 100%

23. NPFP 24
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

24. NPFP 25
20 µm
2.33 J/cm21.14 J/cm20.36 J/cm2
Superfici texturizzate
Realizzazione del pattern mediante laser pulsato ad elevate frequenza

25. NPFP 26
Sviluppo Paradigma 2

26. NPFP 27
Ottimizzazione prestazioni mediante
modellazione CFD e sperimentazione
27

27. NPFP 28
• 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

28. NPFP 29
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

29. NPFP 30
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

30. NPFP 31
Ottimizzazione estrusori per pasta
Simulazione CFD dell’estrusore per la valutazione di differenti configurazioni
geometriche

31. NPFP 32
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

32. NPFP 33
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

33. NPFP 34
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

34. NPFP 35
Controllo automazione basato sulle
caratteristiche del prodotto processato

35. NPFP 36
Grazie per l’attenzione !
www.npfp.it