LIGHT PET - LIFE11 ENV/IT/000184
INDUSTRIAL OVEN REPORT
L
T PET
l
PET
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SOMMARIO
EXECUTIVE SUMMERY ..................................................................................................... 5
English version ................................................................................................................. 5
Versione in Italiano ........................................................................................................... 5
SVILUPPO E REALIZZAZIONE PROTOTIPALE DI UN FORNO INDUSTRIALE PER IL
CONDIZIONAMENTO DELLE PREFORME PRIMA DEL SOFFIAGGIO ............................ 7
Obiettivi di progetto .......................................................................................................... 7
Modalità di funzionamento richiesta ................................................................................. 7
Scelta della tecnologia per l’anello riscaldante ................................................................. 8
Descrizione tecnica del prototipo di forno industriale ..................................................... 11
Caratteristiche tecniche di funzionamento...................................................................... 13
SPERIMENTAZIONE SUL PROTOTIPO........................................................................... 15
Prove funzionali sul forno ............................................................................................... 15
Analisi specifiche sul forno - Rilievi termici ..................................................................... 18
Considerazioni sui risultati.............................................................................................. 18
SVILUPPI FUTURI ............................................................................................................ 18
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EXECUTIVE SUMMERY
English version
This document, called “INDUSTRIAL OVEN REPORT”, is the deliverable of the Action B.2
of the Project LIGHT PET.
The Action B.2 was performed completely by IRCA and involved design, prototyping and
testing of the new industrial oven to be used in the production line, formed by the preforms
moulding machine employing the injection-compression technology, the oven itself and the
bottles blow moulding machine.
The first part of the document describes the project objectives and specifications and
explains the experimental steps that led to the choice of the technology to be adopted for
the heaters, namely that of the ceramic rings. Then it provides a description of the oven
prototype built by IRCA, giving also the technical characteristics of operation of the oven.
The second part focuses on the testing phase of the Action B.2 and illustrates the
functional and thermal tests performed on the prototype, shows the results obtained and
outlines the relevant considerations.
The third part describes the technical solutions that, according to IRCA, may be
implemented on the oven in case of start of mass production.
Versione in Italiano
Il presente documento, denominato “INDUSTRIAL OVEN REPORT” è il deliverable
dell’Azione B.2 del progetto LIGHT PET.
L’Azione B.2 è stata condotta interamente da IRCA e ha riguardato la progettazione, la
prototipazione e la sperimentazione del nuovo forno industriale che doveva essere
utilizzato nella linea produttiva completa, formata dalla macchina di stampaggio delle
preforme che utilizza la tecnologia dell’inietto-compressione, dal forno stesso e dalla
macchina di soffiaggio delle bottiglie.
Nella prima parte del documento, vengono illustrati gli obiettivi del progetto e le specifiche
di partenza e viene approfondita la procedura sperimentale che ha portato alla scelta della
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tecnologia da adottare per i gruppi scaldanti, ovvero quella degli anelli ceramici. Viene poi
fornita la descrizione del forno prototipale realizzato da IRCA e vengono illustrate le
caratteristiche tecniche di funzionamento del forno.
La seconda parte è dedicata alla parte di sperimentazione dell’Azione B.2 e quindi illustra
le prove funzionali e termiche svolte sul prototipo, riporta i risultati ottenuti e le relative
considerazioni.
La terza parte espone sinteticamente le soluzioni tecniche che IRCA ritiene potranno
essere implementate sul forno in caso di avviamento della produzione di serie.
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SVILUPPO E REALIZZAZIONE PROTOTIPALE DI UN FORNO INDUSTRIALE PER
IL CONDIZIONAMENTO DELLE PREFORME PRIMA DEL SOFFIAGGIO
Obiettivi di progetto
Per realizzare il nuovo processo produttivo volto a ridurre il consumo di PET nella
realizzazione di contenitori per bevande, obiettivo del progetto LIGHT PET, era necessario
disporre di un dispositivo di condizionamento termico capace di imprimere ad una
preforma un profilo di temperatura ottimale per il successivo processo di soffiatura. Il modo
migliore per effettuare tale riscaldamento è mediante radiazione infrarossa di un corpo a
forma di anello, riscaldato ad alta temperatura (tra 800 e 1.000 °C), di forma e dimensioni
tali da poter ospitare al proprio interno la preforma.
Il forno industriale, per essere in linea con gli obiettivi del progetto, doveva soddisfare le
seguenti specifiche tecniche, con riferimento agli attuali forni di condizionamento termico
convenzionali:
1. consentire una riduzione della potenza utilizzata a parità di produzione;
2. consentire una riduzione degli scarti e dei residui di materia prima;
3. dimostrare l’assenza di componenti inquinanti utilizzati per il funzionamento
della macchina;
4. essere dotato di una cabina di protezione avente lo scopo di filtrare il rumore e
impedire agli operatori di toccare accidentalmente le parti in movimento
durante il lavoro.
Modalità di funzionamento richiesta
Il nuovo forno industriale, per integrarsi con gli altri elementi della linea (macchina per lo
stampaggio delle preforme, varie stelle di trasporto e di condizionamento, ruota di soffiaggio
delle bottiglie) doveva avere una configurazione rotazionale. Il forno di condizionamento
termico doveva avere una prima ruota comprendente pinze attive comandate da camme e
relativi rullini per l’inserimento e l’estrazione delle preforme dagli anelli riscaldanti. Poi,
sincronizzata con detta prima ruota, doveva avere una seconda ruota situata su un piano
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parallelo e inferiore comprendente lungo la zona periferica un insieme di anelli riscaldati
destinati al condizionamento delle preforme. Gli anelli riscaldanti dovevano essere montati
all’interno di supporti metallici dotati di un sistema di raffreddamento. Ciascuna pinza lavora
sulla posizione della preforma corrispondente all’anello. La ruota è dotata di mezzi di
movimentazione delle pinze secondo un asse verticale, cioè parallelo all’asse di rotazione
della ruota, per consentire di abbassare le preforme di una quota pari all’altezza delle
preforme stesse per l’inserimento delle preforme nella ruota di condizionamento. La
preforma viene afferrata da una pinza e portata in basso in un anello riscaldante e dopo un
certo tempo, la stessa pinza solleva nuovamente la preforma per passarla alla ruota stellata.
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 la successiva ruota di stabilizzazione. Preferibilmente, il numero di
postazioni di condizionamento delle preforme è pari al numero di anelli di condizionamento
che dipende dal tempo necessario al condizionamento di ciascuna preforma.
Scelta della tecnologia per l’anello riscaldante
Per la realizzazione del forno industriale sono state considerate tre diverse tecnologie che
sono state confrontate eseguendo dei test su prototipi monocavità progettati e costruiti con
le varie soluzioni ipotizzate:
Tipo A: Riscaldamento ad induzione
Questa soluzione utilizza una tecnologia già sperimentata da IRCA ed attualmente
già operante su macchine SIPA.
Figura 1 - Riscaldatore monocavità con anello ad induzione (disegno in 3D)
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Figura 2 - Riscaldatore monocavità con anello a spirale (disegno in 3D)
La soluzione offre buoni risultati in termini di riscaldamento ma è caratterizzata da un
elevato consumo energetico e da una notevole complessità costruttiva e gestionale.
Tipo B: Riscaldamento ad anello con spirale piatta circolare
Sono stati realizzati vari campioni in diverse conformazioni sia della spirale
riscaldante che del supporto ceramico. Il risultato finale è stato ritenuto non idoneo
alle aspettative a causa di una considerevole disuniformità termica dell’anello
radiante ed una difficile ripetitività costruttiva dell’assieme.
Tipo C: Riscaldamento ad anello ceramico radiante
In questo tipo di anello l’energia termica viene generata tramite passaggio diretto di
corrente su una pista resistiva annegata nella ceramica.
Sono stati realizzati vari prototipi utilizzando diversi tipi di materiali ceramici del
supporto e diverse forme della spirale riscaldante conglobata nella ceramica.
Con questa soluzione sono stati ottenuti da subito buoni risultati sia in termini di
consumo energetico che di distribuzione termica dell’anello.
Figura 3 - Riscaldatore monocavità con anello ceramico (disegno in 3D)
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Figura 4 - Anello ceramico alla temperatura di esercizio
Al termine dei test, dopo l’analisi dei risultati è stata prescelta la soluzione Tipo C quale
soluzione più adatta per raggiungere gli obiettivi prefissati.
Sulla base dei risultati dei primi test è stata avviata la fase di ottimizzazione del riscaldatore
mirata soprattutto alla parte meccanica del supporto al fine di renderlo facilmente
applicabile ad un forno industriale a molte impronte come quello in via di sviluppo.
In parallelo è stato cercato sul mercato internazionale un prodotto standardizzato che
fosse più affidabile di quelli prototipati all’interno dell’azienda usati per i test.
Figura 5 - Anello ceramico alla temperatura di esercizio all’interno del corpo riscaldante monocavità
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Figura 6 - Termografia degli anelli ceramici alla temperatura di regime: nella zona di giunzione si raggiunge la
temperatura massima di 1.000 °C
Descrizione tecnica del prototipo di forno industriale
Il forno è stato concepito a sistema rotativo continuo e corredato di 48 gruppi riscaldanti
intercambiabili.
La tavola principale di forma circolare è in rotazione permanente e costante.
Il carico e lo scarico delle preforme avvengono durante la rotazione per mezzo di due
ruote esterne supplementari.
Il gruppo rotante è fissato nella sua parte superiore alla sommità di una struttura portante
a mezzo di un albero a gabbia.
All’interno della gabbia sono stati alloggiati il motore e il riduttore che provvedono alla
rotazione.
Sul perimetro della ruota principale sono posizionati i gruppi riscaldanti.
Il fissaggio dei singoli gruppi avviene con l’ausilio di un attacco rapido a leva, ideato per
velocizzare il cambio degli stessi durante le manovre di sostituzione o di cambio formato.
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Figura 7 - Porzione di ruota con tre impronte monocavità (disegno in 3D): in blu il circuito di raffreddamento; in verde le
connessioni elettrice degli anelli ceramici.
Nella porzione di spazio perimetrale all’albero portante è alloggiata una struttura a
campana cilindrica, solidale al piano rotante, che ha lo scopo di sostenere e guidare i
braccetti per la movimentazione delle preforme.
Figura 8 - Impronte monocavità in fase di montaggio sulla ruota.
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Nella parte superiore del telaio portante del forno è stata posizionata una camma circolare
che, operando sui singoli braccetti durante la rotazione della campana, genera un
movimento verticale atto ad inserire e a disinserire le preforme all’interno dell’anello
riscaldante.
L’apertura e la chiusura delle pinze è gestita da una camma orizzontale che, agendo sulla
parte interna della pinza stessa, permette il bloccaggio ed il rilascio della preforma in
corrispondenza della posizione di carico e scarico.
Nella parte inferiore della ruota, in asse con l’albero portante, è fissato un doppio collettore
rotante che ha lo scopo di alimentare elettricamente i riscaldatori, trasportare l’acqua per il
raffreddamento del sistema e convogliare i segnali dei sensori al quadro master, necessari
al controllo e al pilotaggio del forno.
Sulla corona esterna del piano inferiore rispetto alla ruota è posizionato un collettore
circolare a doppio circuito che provvede alla distribuzione e raccolta dell’acqua utilizzata
per il raffreddamento dei singoli gruppi riscaldanti.
Caratteristiche tecniche di funzionamento
Gli anelli riscaldanti vengono alimentati a gruppi di tre elementi, collegati in parallelo tra di
loro, formando un assieme di sedici canali per un totale di 48 elementi.
Figura 9 - Ruota completa di 48 impronte monocavità.
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La tensione di alimentazione nominale è di 230 V. La potenza massima assorbita da
ciascun gruppo è di 1.500 W. La potenza nominale del forno è di 25 kW.
Il sistema di pilotaggio e di controllo gestisce singolarmente la temperatura di ciascuno dei
sedici gruppi. La temperatura rilevata sul singolo gruppo dal sensore di controllo è la
media delle temperature misurate su ciascuno dei tre anelli. La temperatura massima di
lavoro degli anelli è di 1.000 °C.
Il motore di rotazione del forno è gestito da un controllo che rende possibile l’impostazione
di una qualsiasi velocità di rotazione voluta e comunque in sincronia con la rotazione delle
ruote di carico e scarico.
Un sensore posizionato all’interno della struttura forno provvede alla individuazione del
punto “0” della tavola rotante e alla lettura dei dati utili per determinare velocità e numero
di giri della macchina durante le fasi operative.
Figura 10 - Il prototipo di forno industriale realizzato da IRCA in fase avanzata di assemblaggio: i corpi riscaldanti sono i
blocchetti numerati con le targhette gialle; sopra i blocchetti si vedono le pinze che movimentano le preforme; sulla
sinistra si può vedere una pinza in posizione di discesa (senza preforma).
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SPERIMENTAZIONE SUL PROTOTIPO
Prove funzionali sul forno
Una volta completato l’assiemaggio del forno, è stato possibile procedere alle verifiche
funzionali del sistema, consistenti sostanzialmente in due aspetti:
1. Verifica della funzionalità meccanica dell’assieme, ovvero del corretto funzionamento
di tutti i suoi componenti in relazione alla movimentazione del forno stesso e alla
sua sincronizzazione con gli altri moduli costituenti il sistema completo di
produzione della bottiglia (inietto-compressione a monte e blow-moulding a valle);
Figura 11 - Il prototipo di forno industriale realizzato da IRCA in fase finale completamente assemblato a meno del giunto
rotante, completo di supporto.
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Figura 12 - Forno posizionato sull’assieme macchina; in evidenza la ruota di scarico delle preforme condizionate; in
basso a sinistra si vede il giunto rotante, ultimo componente ad essere stato montato.
Figura 13 - Forno posizionato sull’assieme macchina – Vista dall’esterno.
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Figura 14 - Layout sistema XTREME completo, con il forno rotante frapposto alla macchina di inietto-compressione e
l’unità per il blow-moulding.
2. Verifica del risultato finale, e cioè delle caratteristiche tecnico qualitative del
prodotto ottenuto con il processo di blow-molding (bottiglia), per cui è fondamentale
ovviamente la funzione di condizionamento preforme espletata dal forno.
Figura 15 - prototipi di bottiglia da 0,5l, ottenute dalle prime prove funzionali.
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Entrambi gli aspetti sono stati ovviamente analizzati e valutati prevalentemente da SIPA in
quanto sviluppatore e integratore del sistema completo, con il supporto e la collaborazione
di IRCA per gli aspetti specificamente legati al forno.
I risultati dei primi test funzionale hanno dato esiti sostanzialmente positivi confermando la
corretta impostazione del sistema ed in particolare del design del forno e della tecnologia
riscaldante selezionata.
Analisi specifiche sul forno - Rilievi termici
OMISSIS
Considerazioni sui risultati
OMISSIS
SVILUPPI FUTURI
OMISSIS
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