Упаковывание в гибкие термосвариваемые материалы

Способы автоматического упаковывания отдельных предметов или сформированных блоков предметов в материалы, запечатываемые с помощью тепловой или термоимпульсной сварки, различны, но не менее разнообразно и количество используемого материала, который объединяет понятие «гибкие термосвариваемые материалы»; это полимерные пленки, различные комбинированные упаковочные материалы, у которых имеется термосвариваемый слой.

Упаковывание между полосами материала

Способ упаковывания отдельных предметов в гибкую упаковку во многом схож с технологией создания контурной безъячейковой упаковки таблеток. Аналогично фасовке таблеток, предметы помещаются на разматываемую с рулона полосу упаковочного материала, накрываются полосой другого рулона, после чего упаковочный материал соединяется с помощью ячеистых сварочных роторов, образующих одновременно продольные и поперечные швы упаковки. Так как темой статьи не является фасование продуктов, то этот способ здесь стоит именовать упаковыванием между полосами упаковочного материала. Для упаковывания предметов относительно большого размера используют только машины горизонтального типа, в этом случае сварку  продольных и поперечных швов разделяют: продольные швы обычно получают нагретыми роликами, а поперечные – вращающимися губками, установленными на роторах. Отрезание готовых упаковок чаще производится одновременно с поперечной сваркой, для этого в одной из губок установлен неподвижный нож, а во второй — твердосплавная пластина. При контакте острия ножа и пластины и происходит отрезание упаковок (рис. 1). Мелкие предметы можно упаковывать таким же образом и на автоматах вертикального типа.

Рис. 1. Губки тепловой сварки, установленные на роторах. 1, 2 – валы роторов; 3 – губка верхняя; 4 – губка нижняя; 5, 6 – нагреватели; 7 – нож (неподвижный); 8 – пластина из твердого сплава; 9 – упаковочный материал.

Если предметы упаковываются в материал, сварка которого невозможна с помощью постоянно нагретых губок (пример – полиэтиленовая пленка), то процесс упаковывания производится не на оборудовании непрерывного действия, описанном выше, а на оборудовании периодического действия, схема работы которого представлена на рис. 2. Упаковываемые предметы проталкиваются 1 между полосами упаковочного материала и между разведенными губками поперечной сварки, после чего образуется поперечный шов будущей упаковки и происходит поперечное разрезание 2, затем свариваются продольные швы 3. Образование швов производится периодически сходящимися и расходящимися сварочными губками. В момент, когда губки разведены, включается отводящий транспортер, который осуществляет перемещение предмета между позициями образования швов и  окончательный отвод упакованной продукции 4. При этом способе упаковывания, если не требуется герметичность упаковки, продольные швы можно не образовывать, а для окончательной упаковки использовать, например, термоусадочную пленку.

Рис. 2. Схема упаковывания предметов между полосами упаковочного материала на оборудовании периодического действия. 1 – проталкивание упаковываемого предмета; 2 – образование поперечных швов и разрезание; 3 – образование продольных швов; 4 – отвод готовой упаковки.

Для сварки полиэтиленовой пленки используются либо губки термоимпульсной сварки, либо несколько другое приспособление. Конструкция губок и процесс образования швов приведены на рис. 3. Губки: верхняя 1 и нижняя 2 сдавливают слои упаковочного материала 3; на спирали 4 (обычно полоса нихрома шириной 3—5 мм) подается напряжение, и они резко нагреваются, доводя температуру упаковочного материала в этом месте до температуры размягчения. За счет температуры и давления образуется шов. Подача напряжения прекращается, а губки остаются сведенными, так как шов должен остыть в сдавленном состоянии, иначе он разойдется. Нож 5 совершает возвратно-поступательные движения, разрезая слои упаковочного материала. Для того чтобы не произошло замыкания спиралей на корпус губок или между собой и размягченный полиэтилен не прилипал к спиралям, их закрывают изолирующими лентами 6 (чаще всего используется фторопластовая лакоткань). Чтобы спирали и, соответственно, швы после импульса быстрее остывали, в теле губок делают каналы 7, по которым движется холодная вода. Одна из губок (чаще нижняя) может отсутствовать. В этом случае вместо нее устанавливается опорная поверхность из термостойкой резины, а температуру на спиралях устанавливают более высокой. На высокопроизводительном фасовочно-упаковочном оборудовании может применяться еще дополнительно обдув швов воздухом.

Рис. 3. Губки термоимпульсной сварки. 1 – губка верхняя; 2 – губка нижняя; 3 – упаковочный материал; 4 – спираль; 5 – нож (подвижный); 6 – ленты изолирующие; 7 – каналы охлаждающие.

Полиэтиленовую пленку, пожалуй, даже чаще, чем термоимпульсными губками, сваривают и разрезают нагретой проволокой, в этом случае устройство сварки обычно называют сварочными зажимами. Одна из конструкций такого устройства показана на рис. 4. Зажимы 1 и 2 сходятся, и вмонтированные в верхний зажим 1 упругие элементы 3 надежно фиксируют слои упаковочного материала 4. Хорошо натянутая проволока 5 из материала высокого омического сопротивления, размещенная с клеммами для подвода напряжения в верхнем зажиме 1, совершает движение вниз, одновременно сваривая слои упаковочного материала и разрезая упаковки.

Рис. 4. Устройство для сварки и резки полиэтиленовой пленки проволокой. 1 – зажим верхний; 2 – зажим нижний; 3 – упругие элементы; 4 – упаковочный материал; 5 – проволока.

Упаковывание обертыванием

Отдельные предметы и сформированные из них блоки правильной формы (в идеале параллелепипед) упаковывают обертыванием с последующим закреплением краев упаковочного материала (в нашем случае свариванием). Рассмотрим наиболее характерную схему такого способа (рис. 5). Принципиально такая схема ничем не отличается от обертывания предметов материалом, не способным к свариванию (например, бумагой), только в этом случае еще присутствует устройство для нанесения в определенных местах клея. Нередко оборудование при небольшой переналадке может работать как на том, так и на другом материале.

Рис. 5. Схема упаковывания предметов обертыванием. 1 – подача предметов; 2 – перемещение предмета на подъемный стол; 3 – разматывание упаковочного материала на определенную длину; 4 – отрезание листа; 5 – перенос листа; 6 – размещение листа над предметом; 7 – фиксация листа; 8 – перемещение подъемного стола; 9 – обертывание предмета с трех сторон; 10 – подгиб заднего нижнего конца; 11 – подгиб переднего нижнего конца; 12 – образование нижнего шва; 13 – подворачивание задних торцевых концов; 14 – подворачивание передних торцевых концов; 15 – подворачивание нижних торцевых концов; 16 – подворачивание верхних торцевых концов; 17 – образование торцевых швов; 18 – отвод готовой упаковки

Упаковываемые предметы подаются сплошным потоком 1. Толкатель перемещает 2 их по одному на подъемный стол. С рулона упаковочного материала разматывается полоса определенной длины 3 и отрезается лист 4. Лист переносится 5, размещается над предметом 6 и фиксируется 7 на нем. Подъемный стол перемещается вверх 8, и с помощью пластин заверточной камеры упаковочный материал обертывает предмет с трех сторон 9. При шаговом перемещении предмета и упаковочного материала на дальнейших позициях производится: подгиб подвижной пластиной заднего нижнего конца обертки 10; подгиб неподвижной пластиной переднего нижнего конца 11; образование нижнего шва 12; подворачивание: задних торцевых концов упаковки 13, передних торцевых концов упаковки 14, нижних торцевых концов упаковки 15, верхних торцевых концов упаковки 16;образование торцевых швов 17. Готовая упаковка отводится 18 от автомата.

Очень редко, но все же встречаются автоматы, в которых производится первоначальное вертикальное перемещение предмета с упаковочным материалом (поз. 8) не вверх, а вниз; а дальнейшие операции производятся как бы «в зеркальном отражении». Редкость такого исполнения объясняется тем, что предмет легче накрыть листом, чем переместить его на лист. При отсутствии необходимости в герметичности упаковки нижний шов можно не выполнять — предмет не выпадет из упаковки. Нижний шов на широкой грани параллелепипеда обычно образуется при упаковывании, например, мыла, а вот при обертывании пачек сигарет, аудио- и видеокассет и некоторых других предметов он чаще образуется на узкой грани. Возможен также иной порядок подгиба торцевых концов. Иногда исключают подворачивание торцевых концов и образование торцевых швов. То есть предмет оборачивают листом, равным по ширине одному из предметов. При таком упаковывании необходимо, чтобы материал был хорошо натянут и очень плотно облегал предмет, дабы исключить  соскальзывание упаковки и тем более несанкционированное ее вскрытие в дальнейшем.

Автоматы, работающие по этой схеме, могут быть не только линейного (как на рисунке), но и роторного типа. Причем как с вертикальной осью вращения ротора, так и с горизонтальной, что позволяет уменьшить габаритные размеры оборудования. Наиболее простым считается упаковывание предметов в формы (параллелепипеда), хотя даже в этом случае требуется большое число исполнительных механизмов. Гораздо сложнее упаковать предмет сложной формы, например, цилиндр, хотя принцип и последовательность действий останутся теми же, что и в схеме на рис. 5.

Упаковывание предметов обертыванием имеет свои преимущества предмет в такой упаковке располагаются плотно друг к другу по сравнению с упаковками, полученными другими способами упаковывания.

Это особенно важно, когда упаковываются блоки не скрепленных между собой и хрупких предметов, например, печенье или вафли. Упакованные обертыванием предметы могут безопасно подвергаться дальнейшим механическим операциям: маркированию, этикетированию или укладке в транспортную тару. Недостатками же этого способа упаковывания являются: сложность применяемого оборудования как в механической части, так и в управлении технологическим процессом, ограниченная сфера применения (только для предметов правильной формы), ограниченность номенклатуры применяемых упаковочных материалов, невозможность его применения при  упаковывании предметов, которые нельзя подвергать давлению или воздействию высокой температуры.

Сложность и дороговизна такого оборудования обусловливает то, что в странах бывшего СССР оно не производится, хотя раньше выпускалось, поэтому предприятиям, у которых возникнет потребность в нем, придется обратиться к зарубежным, прежде всего немецким или итальянским, производителям.

Упаковывание в предварительно формируемую пачку

Если фасовщику необходимо упаковать в термосвариваемую пленку предмет, на который можно воздействовать давлением или теплом только в определенных местах и который при этом должен плотно располагаться в упаковке, то можно предложить способ, который называется «упаковывание» в предварительно формируемую пачку.

В соответствии со схемой (рис. 6) упаковочный материал разматывается на определенную длину 1, отрезается 2, отрезанный лист перемещается 3 и размещается 4 на матрице под расположенным выше ее пуансоном. Матрица – конструкция коробчатой формы с довольно сложной конфигурацией боковых стенок. При движении вниз пуансон протаскивает лист упаковочного материала через матрицу, в результате чего формируется 5 пачка. На позициях 5а—5г схемы показаны этапы формирования пачки при проведении листа пуансоном сквозь матрицу. В конце своего движения пуансон размещает сформированную пачку в камере 6 транспортирующего органа (часто дискретно вращающегося ротора) автомата. При обратном движении пуансона часто бывает необходима фиксация пачки 7, чтобы пуансон, поднимаясь, не вытащил ее из камеры. После подъема пуансона производится прерывистое движение пачки, где на следующих этапах в нее помещают упаковываемый предмет 8, затем последовательно подгибают: короткие концы материала 9, длинный задний (по направлению движения) 10 и длинный передний 11 концы материала. В заключение устройством сварки образуют запечатывающий шов 12, а запечатанную пачку удаляют из камеры и направляют на следующие операции 13.

Рис. 6. Схема упаковывания предметов в формируемую пачку. 1 – разматывание упаковочного материала на определенную длину; 2 – отрезание листа; 3 –  перемещение листа; 4 – размещение листа на матрице; 5 – протаскивание листа пуансоном через матрицу — формирование пачки (5а—5г – этапы формирования пачки); 6 – размещение пачки в камере; 7 – фиксация пачки; 8 – помещение предмета в пачку; 9 – подгиб коротких концов; 10 – подгиб длинного заднего конца; 11 – подгиб длинного переднего конца; 12 – образование шва; 13 – отвод готовой упаковки.

Надо признаться, что автомат для упаковывания отдельных предметов, работающий по такой схеме, считается редкостью. Поэтому о производителе именно такого автомата говорить сложно. Если же у потребителя возникнет необходимость упаковывания продукта именно по такой схеме, следует обратиться на предприятия (отечественные и ближнего зарубежья), выпускающие оборудование для фасования масла, маргарина, творога, фарша в пачки из подпергамента и фольги. Это оборудование работает по точно такой же схеме и при определенных доработках в виде установки устройства сварки и устройства поштучной подачи предметов в сформированную пачку его можно будет использовать.

Основным недостатком способов упаковывания предметов обертыванием и помещением в пачку является то, что здесь можно применять термосвариваемые материалы только с двусторонним свариванием. В «чистом» виде это высокопрозрачные полиппропиленовые пленки, некоторые модификации целлофановой пленки, неориентированная полипропиленовая пленка. Применение же пленки с двусторонним одинаково свариваемым покрытием усложняет процесс образования швов, поэтому и применяются в основном «чистые» пленки, чаще всего – целлофан, применяемый в упаковках еще с 30-х гг.

Сравнительно недавно в специальной литературе появилась информация о создании нового упаковочного материала – высоко прозрачных полиэтиленовых пленок. Пока они дороги, но в будущем должны заменить целлофан в наружной упаковке сигарет, коробок с конфетами и т.п. Дополнительным свойством этих пленок, кроме очень высокой прозрачности, блеска, прочности и др., является «эффект памяти», т. е. стремление при нагреве вернуться к исходным размерам и хорошо обтянуть упакованный предмет. Не вдаваясь во все тонкости технологии получения этих пленок, следует отметить, что при их производстве не обойтись без высокой степени ориентации. Но тогда вспоминается классическое понятие, что ориентированные полиолефиновые пленки плохо свариваются обычными (тепловым и термоимпульсным) способами. Шов получается неровным и непрочным из-за явления релаксации, иначе говоря, того же «эффекта памяти». Поэтому при использовании этих пленок если и не придется применять какие-либо новые схемы упаковывания, то над процессом получения швов производителям оборудования предстоит поломать голову.

Упаковывание в образуемый рукав

В отличие от двух предыдущих, способ упаковывания в образуемый на оборудовании рукав не знает граничений в применении термосвариваемых материалов. Используются только разные виды сварки. Нет ограничений и по действию на предметы теплом и давлением. Довольно высок диапазон размеров упаковываемых предметов и не столь высоки требования к точности их форм и размеров. По направлению движения упаковочного материала оборудование, осуществляющее этот способ, делится на оборудование горизонтального и вертикального типов. Рассмотрим «классическую» схему упаковывания на оборудовании горизонтального типа непрерывного действия (рис. 7). Упаковку, полученную на нем, обычно называют «флоупак» (flowpak или flowpack – встречаются оба написания). Это некогда фирменное название британского предприятия Rose Forgrove сейчас получило широкое распространение.

Рис. 7. Схема упаковывания предметов в образуемый рукав на оборудовании горизонтального типа. 1 – разматывание упаковочного материала; 2 –образование рукава; 3 – перемещение упаковываемых предметов; 4 – помещение упаковываемых предметов в рукав; 5 – образование продольного шва, протягивание рукава и помещенных в нем предметов; 6 – образование поперечных швов и отрезание готовых упаковок; 7 – отвод готовых упаковок.

Лента упаковочного материала через систему направляющих и натяжных роликов, разматываясь 1 с рулона, направляется к устройству формирования рукава, где сворачивается в рукав 2 в подавляющем большинстве случаев прямоугольного сечения. Здесь рукав формируется не с помощью воротника-рукавообразователя, как в оборудовании воротникового типа, а с помощью специальных пластин. Хотя принципы формирования рукава во многом сходны. Упаковываемые предметы движутся 3 непрерывно через определенные промежутки и помещаются внутрь рукава 4. Для подачи предметов чаще всего используется цепной конвейер с толкателями. Сформированный рукав с помещенными предметами протягивается 5 роликами, которые тянут его за сложенные вместе края упаковочного материала, одновременно сваривая их. Обычно устанавливается несколько пар роликов, и холодные и горячие ролики чередуют, добиваясь оптимального соотношения производительности и качества шва упаковки. Установленные далее на роторах губки поперечной сварки образуют поперечные швы упаковки 6, запечатывая рукав с предметами в промежутках между последними. Одновременно с образованием поперечных швов происходит и разрезание упаковок (о нем смотри выше). Число губок на роторах, в зависимости от требуемой производительности, а в большей степени — от длины предметов может быть различно. Готовые упаковки отводятся 7 от губок. При использовании в качестве упаковочного материала полиэтилена, иначе говоря, при использовании термоимпульсной сварки или при упаковывании предметов с большими размерами почти всегда применяется оборудование периодического действия. Здесь губки поперечной сварки совершают не вращательное, а возвратно-поступательное движение. А ролики протяжки лишь в момент разведения губок протягивают рукав. Для образования продольного шва может использоваться пара губок, сводящихся в момент остановки роликов. Иногда, образуя упаковку «флоупак», производители отказываются от продольного шва. Часто так упаковывают мороженое. Видимо, горячие ролики, хотя и не контактируют непосредственно с продуктом, все же вызывают подтаивание мороженого. В этом случае рукав протягивают холодными роликами или, вообще отказавшись от сложения краев ленты «гребешком», протягивают рукав с предметами между двумя лентами конвейеров.

Оборудование, работающее по описанной схеме, часто называют упаковочными автоматами. Однако, по большому счету, автоматами следует называть только оборудование, в котором решен вопрос автоматической подачи упаковываемых предметов на конвейер, помещающий их внутрь рукава. В противном случае это будет упаковочная машина. К сожалению, среди множества предприятий бывшего СССР, выпускающих это оборудование, никто не представлял на последних выставках машины с автоматической загрузкой. А вот зарубежные фирмы нередко предлагают именно автоматы.

Упаковочное оборудование горизонтального типа пригодно для предметов как с небольшими размерами (таблетки, карандаши), так и с более крупными (буханки хлеба и т.д.). Недавно на одной из выставок чешская фирма показала автомат вертикального типа, упаковывающий карамель в виде свечки (малый диаметр при достаточно большой длине). Для упаковывания была приспособлена упаковочная часть многоручьевого безворотникового автомата, образующего упаковку, называемую «стик» (stick). Внешне эта упаковка ничем не отличается от «флоупак» или «подушечки». Разве что размерами. Минимальная ширина незаполненной упаковки – 16 мм, длина — до 135 мм. Опишем работу такого, сравнительно нового, оборудования (рис. 8). Разматываемый 1 с рулона упаковочный материал разрезается вдоль 2 на несколько полос. Максимальное число полос, называемое в проспектах фирм-изготовителей — двенадцать. Каждая из полос сворачивается в рукав 3, т.к. в подавляющем большинстве случаев используется очень тонкий материал, специального формирующего кольца обычно не требуется. Зато деталь в форме кольца требуется в том месте, где происходит наложение кромок 4. Свернутые в рукав полосы упаковочного материала обволакивают трубы. Образование продольных швов 5 производится губками, которые, периодически прижимаясь к трубам, сваривают кромки полос упаковочного материала. Одновременно с прижатием продольных губок сводятся поперечные губки (обычно одна пара на все число полос-ручьев), которые образуют продольные швы и отрезают готовую упаковку 6. Протягивание рукава 7 производится щипцами,  которые в момент развода губок движутся вместе с упаковочным материалом вниз. В момент свода губок они, разомкнувшись, возвращаются в исходное положение. Упаковываемый предмет (в описываемом процессе, а может быть, и фасуемый продукт) поступает внутрь упаковки по трубе.

Рис. 8. Схема упаковывания предметов в образуемый укав на оборудовании вертикального типа.1 – азматывание упаковочного материала; 2 – разрезание на полосы; 3 – сворачивание в рукав; 4 – наложение кромок; 5 – бразование продольных швов; 6 – образование поперечных вов и отрезание; 7 – протягивание рукава.

В отличие от оборудования для упаковывания предметов в образуемый рукав горизонтального типа, оборудование вертикального типа может быть только автоматом. На этих автоматах можно упаковывать только небольшие (прежде всего в поперечном сечении) предметы. Увеличение предметов приведет к увеличению габаритов оборудования как в ширину, так и в высоту. Достаточно длинный участок, который, падая в упаковку, преодолевает предмет, делает это оборудование непригодным для многих хрупких и мягких продуктов.