Zgrzewanie tworzy trwałe wiązania – i nie chodzi tu tylko o dosłowne znaczenie tego słowa. Technologiczny proces, dzięki któremu płaska, bezkształtna folia zamienia się w giętkie opakowanie (pouch), w tym przypadku skutecznie połączył dwie firmy. Zgrzewanie ultradźwiękowe było zaczynem, który doprowadził przedsiębiorstwa Herrmann Ultraschall oraz Gerhard Schubert do opracowania przełomowej technologii produkcji opakowań typu flowpack.
Wibracje dają wiele możliwości. Te cykliczne drgania umożliwiają przesyłanie energii oraz informacji. Mamy z nimi do czynienia w chwili, gdy fale dźwiękowe docierają do naszych uszu, lub gdy trzęsienie ziemi wprawia ziemię w drżenie. Mogą być jednak wykorzystywane również w bardziej precyzyjny sposób – np. w głośnikach do wytwarzania dźwięku, w telefonach komórkowych jako powiadomienia, a nawet w maszynach do testowania, rozdzielania lub łączenia materiałów.
Jak to działa? Wibracje są w stanie wywołać topnienie warstw folii, zwłaszcza gdy mikrodrgania odbywają się z wysoką częstotliwością. Na tej zasadzie opiera się zgrzewanie ultradźwiękowe stosowane w produkcji opakowań typu flowpack: tzw. sonotroda – specjalistyczne narzędzie umieszczone wewnątrz jednostki zgrzewającej – przenosi drgania mechaniczne o wysokiej częstotliwości na materiał. Uzyskany w ten sposób efekt niesie ze sobą szereg korzyści: zgrzewanie ultradźwiękowe nie tylko doprowadza do topnienia folii w obszarze zgrzewu poprzez tarcie i nagrzewanie wewnętrzne, ale w dodatku odbywa się przy użyciu „zimnych” narzędzi. Dzięki temu jest ono dużo bardziej bezpieczne dla materiałów i produktów niż w przypadku systemów zgrzewania na gorąco – a wszystko to przy zużyciu energii ograniczonym nawet o 75%.
Podczas majowych targów interpack firma Gerhard Schubert zaprezentowała jednostkę zgrzewania wzdłużnego opracowaną wspólnie z Herrmann Ultraschall na nowej maszynie TLM Flowpacker
Sukces dzięki wibracjom
Przedsiębiorczy inżynier elektryk z Karlsbadu wcześnie dostrzegł, że taka technologia może zapewnić realną przewagę konkurencyjną nie tylko firmom pakującym, lecz także ich dostawcom. W 1961 roku Walter Herrmann wspólnie z żoną Ingeborg założył firmę Herrmann Ultraschalltechnik – znaną dziś jako Herrmann Ultraschall – i dostosował technologię łączenia ultradźwiękowego do celów przemysłowych. W 1969 r. na rynek trafiły pierwsze zgrzewarki ultradźwiękowe do części termoplastycznych, takich jak zderzaki samochodowe i panele drzwiowe. Pod koniec lat 80. technologia wkroczyła do sektora opakowań, a za nią rozwiązania do zgrzewania materiałów opakowaniowych na bazie tworzyw sztucznych.
Było kwestią czasu, zanim pionier z Karlsbadu przyciągnął uwagę równie mocno stawiającego na innowacje gracza z Crailsheim. Od momentu założenia w 1966 r. firma Gerhard Schubert wielokrotnie wyznaczała nowe standardy swoimi procesami pakowania wykorzystującymi robotyczne rozwiązania, a od początku XXI w. poszukiwała sposobu na efektywne zgrzewanie blistrów na główki szczoteczek do zębów. Rodzinne przedsiębiorstwo potrzebowało wsparcia przy rozwoju własnej linii do termoformowania i zwróciło się do Herrmann Ultraschall – nie przypuszczając wówczas, że położy to fundament pod owocną współpracę, która wykroczy daleko poza ramy termoformowania.
W tamtym okresie Herrmann Ultraschall potrafiła wiele zdziałać w kwestiach technologii, o ile chodziło o tworzywa termoplastyczne – tak Michael Zimbleraikis, regionalny dyrektor sprzedaży ds. opakowań w Herrmann Ultraschall, wspomina historię pierwszego zamówienia, zainicjowanego – z sukcesem – przez założyciela firmy Gerharda Schuberta. Dzięki zaawansowanej technologii Herrmann Ultraschall udało się zintegrować kilka sonotrod w jednostce zgrzewającej maszyny do termoformowania. Pozwoliło to na pomyślne wdrożenie kompletnej linii produkcyjnej u klienta z sektora higienicznego. Po tym projekcie drogi obu firm na krótki czas się rozeszły: Schubert skoncentrował swoją uwagę na technologiach pakowania, takich jak systemy pick & place, kartonowanie oraz produkcja opakowań typu flowpack.
Świąteczne życzenia
Bożonarodzeniowe życzenia, które firma Herrmann Ultraschall wysłała do Gerhard Schubert, stały się początkiem nowej, jeszcze głębszej współpracy. W 2013 r. Schubert zrewanżował się zaproszeniem do swojej fabryki w Crailsheim. Program wizyty obejmował dyskusję na tematy techniczne oraz odświeżenie dobrych relacji. Do tego czasu oba przedsiębiorstwa osiągnęły mistrzostwo w swoich dziedzinach: Herrmann Ultraschall od 2004 roku wprowadziła na rynek m.in. generator ultradźwiękowy z nową technologią chłodzenia, zaś Schubert całkowicie poświęcił się produkcji poziomych maszyn do opakowań typu flowpack, z zamiarem wprowadzenia ich w przyszłości na rynek jako własnego rozwiązania – przyszłego Flowmodul.
Jednak standardowy proces zgrzewania na gorąco stosowany w tego typu rozwiązaniach sprawiał problemy: w warunkach zmiennego tempa przesuwu folii – co jest normalne, gdy produkty są podawane przez roboty typu pick & place – nie zawsze udaje się zachować najwyższą jakość zgrzewu. Jeśli folia pozostaje zbyt długo pomiędzy szczękami zgrzewającymi, może dojść do jej przetopienia lub przypalenia. Jeśli czas styku jest zbyt krótki, spoiny nie są wystarczająco szczelne – co niesie ze sobą niepożądane konsekwencje dla integralności opakowania i bezpieczeństwa produktu. Szukaliśmy sposobu na zapewnienie niezmiennie wysokiej jakości zgrzewów niezależnie od prędkości przesuwu folii – zaznacza Stefan Horvath, menedżer produktu w firmie Gerhard Schubert.
Technologia zgrzewania ultradźwiękowego skutecznie eliminuje tę niestabilność. Używane narzędzia – sonotroda i kowadło – rozgrzewają się co najwyżej do temperatury pokojowej. W dodatku stykają się one z folią tylko w określonych punktach i generują ciepło tarcia dzięki wibracjom, którym poddawana jest ograniczona powierzchnia styku, dzięki czemu uzyskuje się wąskie, a nie szerokie spoiny zgrzewne. Firma Herrmann Ultraschall miała w swoim portfolio odpowiedni moduł do zgrzewania wzdłużnego już od 2004 r., przeznaczony zarówno do poziomych, jak i pionowych maszyn typu flowpack – co dla firmy Schubert brzmiało niezwykle obiecująco.
Stefan Horvath: Niezależnie od prędkości przesuwu folii, moduł zgrzewania wzdłużnego konsekwentnie zapewnia doskonałe efekty
Niezależnie od prędkości przesuwu folii, moduł zgrzewania wzdłużnego konsekwentnie zapewnia doskonałe efekty, ponieważ nie wymaga długotrwałego zatrzymania folii między sonotrodą a kowadłem i nie generuje nadmiernego ciepła – wyjaśnia Stefan Horvath. Technologia ta była idealnie dopasowana do potrzeb Schubert również z innego kluczowego powodu: firma Herrmann Ultraschall zaprojektowała swój moduł zgrzewania wzdłużnego w sposób na tyle kompaktowy, aby maksymalnie ułatwić jego integrację z systemami innych producentów. Nie ma większych różnic technicznych między zgrzewaniem blistrów a opakowań typu flowpack. W obu przypadkach systemy ultradźwiękowe pozwalają na uzyskanie nieskazitelnych rezultatów. To również utorowało drogę do ponownej współpracy – wspomina Michael Zimbleraikis.
Pierwsze zastosowanie modułu zgrzewania wzdłużnego
W 2019 r. starania ostatecznie przyniosły owoce: w Crailsheim skrystalizował się projekt, który dawał potencjał do szerokiego wdrożenia przez Schubert technologii zgrzewania wzdłużnego opartej na rozwiązaniach ultradźwiękowych firmy Herrmann Ultraschall. Kanadyjski start-up zamówił w Crailsheim aż pięć maszyn typu flowpack dla linii pakującej o długości 40 m. Już w 2016 r. Schubert wprowadził na rynek odpowiednią technologię pod nazwą Flowmodul. Pierwszy na świecie w pełni zintegrowany moduł flowpack umożliwił niezawodne pakowanie produktów – takich jak herbatniki, batony i inne artykuły – w opakowania foliowe z roli na maszynach pakujących Schubert typu toploading, i sprawił, że ich produkcja stała się łatwiejsza niż kiedykolwiek. Stało się to możliwe m.in. dzięki funkcjom automatycznej zmiany rolek folii oraz rolkom z napędem serwomotorowym, które umożliwiają bezpieczną obsługę nawet bardzo cienkich folii.
Dzięki modułowi zgrzewania wzdłużnego firmy Herrmann Ultraschall mogliśmy jeszcze bardziej zwiększyć tę elastyczność i w razie potrzeby uzupełnić zgrzewanie na gorąco o wariant ultradźwiękowy – mówi Stefan Horvath. Kluczowym wyzwaniem okazało się jednak znalezienie odpowiedniej przestrzeni produkcyjnej, dzięki której moduł byłby dostępny w każdej chwili, np. w celach konserwacyjnych lub do czyszczenia. Kompaktowa konstrukcja jednostki ultradźwiękowej oraz modułu Flowmodul okazała się zbawieniem dla zespołów z Crailsheim i Karlsbadu: Opracowaliśmy wymiar naszej jednostki zgrzewającej z myślą o tym, by niemal idealnie pasowała do modułu Schubert Flowmodul i jego trzech par rolek zgrzewających – opisuje wymagania projektowe Michael Zimbleraikis.
Z uwagi na to, że systemy sterowania były równie istotne co integracja mechaniczna, specjaliści z obu firm wspólnie opracowali dedykowany interfejs komunikacyjny. Jeśli chodzi o system sterowania, firma Schubert zdecydowała się na standardowe rozwiązanie w zakresie sterowania i napędu. W naszym portfolio mieliśmy odpowiednie rozwiązania w tym zakresie, dzięki czemu, w ramach ścisłej współpracy inżynieryjnej, udało nam się pomyślnie zintegrować jednostkę zgrzewania wzdłużnego z modułem Schubert Flowmodul – wyjaśnia Michael Zimbleraikis. Wynikiem współpracy jest ok. 100 modułów zgrzewania wzdłużnego firmy Herrmann Ultraschall, które pracują obecnie w maszynach typu flowpack firmy Schubert.
Kolejny przystanek: zgrzewanie poprzeczne
O tym, że wspomniana współpraca jest czymś więcej niż tylko czysto biznesowym układem, świadczy wytrwałość, z jaką obie firmy wspólnie zgłębiały technologię zgrzewania ultradźwiękowego. Choć pomyślne zakończenie projektu w Kanadzie oznaczało pokonanie głównej przeszkody, firma Schubert chciała wyjść poza ramy tej technologii – w stronę zgrzewania poprzecznego, które umożliwia m.in. zgrzewanie na zimno i na gorąco dzięki wykorzystaniu obrotowych szczęk zgrzewających. Innym sposobem na poprzeczne zgrzewanie folii jest użycie tzw. procesu Box Motion.
W jego trakcie szczęki zgrzewające podążają za przesuwającą się folią, nagrzewając ją i zgrzewając. Pozwala to na uzyskanie szczelnego i estetycznego zgrzewu bez konieczności przerywania płynnego przepływu produktów. W tym przypadku technologia ultradźwiękowa miała na celu poszerzenie spektrum technologicznego; ostatecznie łatwe do recyklingu materiały, takie jak folie monomateriałowe i papierowe, coraz częściej wymagają delikatniejszych procesów niż zgrzewanie na gorąco. Zgrzewanie ultradźwiękowe w zasadzie czyni obróbkę ekologicznych folii bardziej praktyczną, dlatego z radością po raz kolejny podjęliśmy to nowe wyzwanie wspólnie z firmą Schubert – mówi Michael Zimbleraikis.
Ponieważ w każdym zgrzewie poprzecznym następuje nałożenie na siebie kilku warstw folii, zasadniczym wyzwaniem dla systemów zgrzewających jest wytworzenie maksymalnie szczelnych spoin – niezależnie od tego, czy stosuje się techniki zgrzewania na gorąco, na zimno czy ultradźwiękowe. Osiągnięcie tego wymaga odpowiednio długiego czasu zgrzewania. System Box Motion zapewnia powtarzalne rezultaty dzięki zmiennej regulacji szczęk zgrzewających oraz synchronizacji z ruchem folii. Sprawia to, że technologia ta idealnie nadaje się do zastosowań o bardzo wysokich wymaganiach w zakresie jakości zgrzewu. Obie firmy podeszły do projektu w sposób empiryczny i pragmatyczny: najpierw Schubert dostarczył folie, które Herrmann Ultraschall poddał gruntownym testom w laboratorium ultradźwiękowym, a dopiero w kolejnym kroku rozpoczęły się prace nad odpowiednim modułem zgrzewania poprzecznego Box Motion w technologii ultradźwiękowej. Pozwoliło to na wczesnym etapie ustalić jego kluczowe parametry.
Równolegle do testów w Karlsbadzie firma Schubert przeprowadziła własne próby z wykorzystaniem modułu. Na podstawie uzyskanych wyników podjęto prace inżynieryjne we współpracy z Herrmann Ultraschall. Ich rezultatem stała się jednostka zgrzewania poprzecznego Box Motion w technologii ultradźwiękowej – kolejne kluczowe rozwiązanie z punktu widzenia technologii poziomego zgrzewania opakowań typu flowpack, a także ważna innowacja dla samej technologii Box Motion. Bez naszej wieloletniej współpracy z Herrmann Ultraschall nie zdołalibyśmy tak szybko rozwiązać tego ambitnego zadania – podkreśla Stefan Horvath.
Obaj partnerzy po raz pierwszy zaprezentowali efekty swoich prac w maszynie Schubert Flowpacker, pokazanej na targach interpack w 2023 r. Zastosowana w niej jednostka zgrzewania poprzecznego w technologii ultradźwiękowej Box Motion mogła zostać szybko zamieniona na obrotowy system zgrzewania na gorąco w obrębie tej samej maszyny – co było wówczas pierwszą tego typu innowacją w branży.
Dynamiczna wymiana doświadczeń była dla Herrmann Ultraschall źródłem pomysłów i zachętą do dalszej optymalizacji technologii ultradźwiękowej. Nie lubimy stać w miejscu – wyjaśnia Michael Zimbleraikis, który postrzega każdy etap rozwoju jako proces organiczny. – Stale otrzymujemy nowe impulsy od klientów końcowych, dostawców folii oraz partnerów technologicznych, takich jak Schubert, i cieszymy się, że możemy wspólnie rozwijać te idee. To pogląd podzielany przez firmę Schubert: w pełni świadome znaczenia technologii pakowania dla zróżnicowanego sektora dóbr konsumpcyjnych, przedsiębiorstwo dąży do nawiązywania bliskich sojuszy.
Opracowano na podstawie informacji firmy Gerhard Schubert
Tłumaczenie: TK
