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

1. Applicazione di nuovi materiali e tecnologie alla
costruzione di riempitrici per bevande
Ing. Filippo Dazzi
Sidel SpA

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. 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. 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. NPFP 5
Collettore rotante

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. NPFP 15
SVILUPPO DEL CICLO DI PRODUZIONE IN SCALA 1: 1

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. NPFP 28
Progettazione dimostratore
Linee di saldatura nella
unione dei moduli
ROTARY
FIXED
 Superfici di assemblaggio:
situazione attuale

29. NPFP 29
Progettazione dimostratore
 Aggiunta di elementi in lamiera per realizzare coprigiunti (in verde: parti aggiunte /
modificate)

30. NPFP 30
Progettazione dimostratore
 Aggiunta di elementi in lamiera per realizzare coprigiunti

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. 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. 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. 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. 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
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