ماشین‌آلات پرکن و بسته‌بندی لیوانی از پروژه‌های انجام‌شده در حوزه طراحی و ساخت ماشین‌آلات صنایع غذایی و خطوط بسته‌بندی بوده‌اند. در این پروژه‌ها، مجموعه‌ای از مکانیزم‌ها برای تغذیه لیوان، جداسازی، انتقال، پرکردن محصول، افزودن مواد جانبی، فویل‌گذاری، سیل حرارتی، درب‌گذاری و انتقال محصول نهایی طراحی و اجرا شده است.

در طراحی ماشین‌آلات لیوانی، تمام ایستگاه‌ها باید متناسب با ظرفیت واقعی خط با یکدیگر هماهنگ باشند. سرعت دستگاه، تعداد لیوان در هر سیکل، نوع محصول، ویسکوزیته، حجم پرکردن، نوع لیوان، نوع فویل و درب، دمای سیل و شرایط شست‌وشو همگی در انتخاب مکانیزم‌های دستگاه تأثیر دارند.

ساختار ماشین‌آلات پرکن و بسته‌بندی لیوانی

یک دستگاه لیوانی بسته به نوع محصول می‌تواند از چندین ایستگاه مختلف تشکیل شود. فرآیند کلی می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• خشاب و تغذیه لیوان
• جداسازی لیوان‌ها
• قرار دادن لیوان در حامل
• تشخیص وجود لیوان
• انتقال و ایندکس
• پرکردن محصول
• افزودن سس، شکلات، میوه یا مواد جانبی
• فویل‌گذاری
• سیل حرارتی
• درب‌گذاری
• کنترل محصول
• خروج از دستگاه
• انتقال به کانوایر بعدی

تعداد ایستگاه‌ها و ترتیب آن‌ها بر اساس فرآیند واقعی تولید تعیین می‌شود.

سیستم تغذیه و جداسازی لیوان

در ابتدای دستگاه، لیوان‌ها معمولاً به‌صورت دسته‌ای داخل خشاب قرار می‌گیرند. مکانیزم تغذیه باید بتواند در هر سیکل یک لیوان را از دسته جدا کرده و بدون آسیب یا تغییر شکل در محل مناسب قرار دهد.

برای جداسازی لیوان می‌توان از مکانیزم‌های مختلفی مانند:

• Finger Separator
• Screw Separator
• Vacuum Pick
• مکانیزم پنوماتیکی
• مکانیزم چرخشی
• مکانیزم رفت و برگشتی

استفاده کرد.

انتخاب مکانیزم به شکل، جنس، قطر، ارتفاع و میزان درگیری لیوان‌ها داخل یکدیگر بستگی دارد.

تشخیص وجود لیوان

پس از قرارگیری لیوان، وجود آن توسط سنسور کنترل می‌شود.

یکی از منطق‌های مهم دستگاه:

No Cup – No Fill

است؛ یعنی در صورتی که لیوان در موقعیت موردنظر قرار نگرفته باشد، عملیات پرکردن انجام نمی‌شود.

همین منطق را می‌توان برای فویل‌گذاری و سایر مراحل نیز استفاده کرد تا از هدررفت محصول و مواد بسته‌بندی جلوگیری شود.

سیستم انتقال لیوان

انتقال لیوان بین ایستگاه‌ها یکی از بخش‌های اصلی دستگاه است.

بسته به ساختار ماشین می‌توان از:

• Indexing Conveyor
• زنجیر و حامل
• Pocket Conveyor
• Walking Beam
• Rotary Table
• Geneva Mechanism
• Servo Indexing
• Modular Conveyor

استفاده کرد.

مکانیزم انتقال باید علاوه بر سرعت مناسب، تکرارپذیری کافی برای قرار دادن لیوان زیر نازل، قالب سیل و سایر ایستگاه‌ها داشته باشد.

ماشین‌آلات لیوانی خطی و روتاری

ماشین‌آلات پرکن و بسته‌بندی لیوانی می‌توانند به‌صورت خطی یا روتاری طراحی شوند.

در ماشین خطی، لیوان‌ها در یک یا چند ردیف بین ایستگاه‌های مختلف حرکت می‌کنند. این ساختار امکان استفاده از چندین Lane و افزایش ظرفیت تولید را فراهم می‌کند.

در ماشین روتاری، لیوان‌ها روی یک میز یا کاروسل گردان قرار گرفته و بین ایستگاه‌های مختلف منتقل می‌شوند. این ساختار برای طراحی دستگاه‌های جمع‌وجور و فرآیندهای مشخص گزینه مناسبی است.

سیستم پرکن لیوان

پس از قرارگیری صحیح لیوان، محصول وارد مرحله پرکردن می‌شود.

نوع سیستم پرکن بر اساس مشخصات محصول انتخاب می‌شود و می‌تواند شامل:

• پرکن پیستونی
• پرکن پمپی
• پرکن حجمی
• پرکن سروویی
• Time Filling
• Flow Meter Filling
• Gravity Filling

باشد.

انتخاب روش مناسب به ویسکوزیته، دما، حجم تزریق، دقت موردنیاز و سرعت خط بستگی دارد.

پرکردن محصولات غلیظ

در محصولاتی مانند بستنی، سس، کرم، شکلات و برخی محصولات لبنی، رفتار محصول هنگام تزریق اهمیت زیادی دارد.

در طراحی این سیستم‌ها مواردی مانند:

• قطر لوله
• نوع پمپ
• حجم تزریق
• فشار محصول
• سرعت تزریق
• شکل نازل
• دمای محصول
• جلوگیری از چکه

بررسی می‌شوند.

پرکن چندنازله

برای افزایش ظرفیت تولید می‌توان چند لیوان را به‌صورت هم‌زمان پر کرد.

بسته به ظرفیت خط، ماشین می‌تواند دارای چندین نازل و چند Lane باشد.

در طراحی پرکن چندنازله، یکنواختی حجم تزریق، زمان پرکردن، فاصله نازل‌ها و هماهنگی تمام نازل‌ها با حرکت دستگاه اهمیت زیادی دارد.

طراحی نازل پرکن

نازل باید متناسب با محصول طراحی شود.

انواع مختلف نازل می‌توانند شامل:

• نازل ساده
• Shut-Off Nozzle
• Anti-Drip Nozzle
• Dive Nozzle
• نازل مخصوص مواد غلیظ
• نازل مخصوص مواد دارای ذرات

باشند.

یکی از مسائل مهم، جلوگیری از ریختن محصول روی لبه لیوان است؛ زیرا آلودگی سطح دهانه می‌تواند کیفیت سیل را کاهش دهد.

افزودن مواد مختلف به محصول

ماشین لیوانی می‌تواند فقط یک پرکن نداشته باشد و چند مرحله تزریق در آن طراحی شود.

برای مثال می‌توان ایستگاه‌های جداگانه‌ای برای:

• محصول اصلی
• شکلات
• سس
• میوه
• مغز
• تاپینگ
• پودر
• مواد جامد

در نظر گرفت.

به این ترتیب امکان تولید محصولات چندلایه یا ترکیبی روی یک ماشین فراهم می‌شود.

سیستم فویل‌گذاری

پس از پرکردن، در بسیاری از محصولات یک فویل روی دهانه لیوان قرار می‌گیرد.

فویل می‌تواند به دو شکل اصلی باشد:

• Pre-Cut Foil
• Roll Stock Film

در سیستم Pre-Cut، فویل‌های از قبل برش‌خورده داخل خشاب قرار گرفته و یکی‌یکی روی لیوان قرار داده می‌شوند.

جداسازی فویل

فویل‌ها بسیار سبک هستند و ممکن است به یکدیگر بچسبند. بنابراین جداسازی صحیح آن‌ها یکی از بخش‌های حساس دستگاه است.

برای این کار می‌توان از:

• Vacuum Cup
• Air Blow
• Mechanical Separator
• Pick & Place

استفاده کرد.

سیستم باید از برداشتن هم‌زمان دو فویل جلوگیری کند.

انتقال فویل با وکیوم

یکی از روش‌های مناسب، برداشتن فویل با Vacuum Cup است.

مکانیزم فویل را از خشاب برداشته، به موقعیت لیوان منتقل کرده و روی دهانه قرار می‌دهد.

در صورت نیاز می‌توان از Vacuum Switch برای تشخیص صحیح برداشته‌شدن فویل استفاده کرد.

سیل حرارتی لیوان

پس از قرارگیری فویل، فرآیند Heat Sealing انجام می‌شود.

در این مرحله قالب گرم با فشار مشخص روی فویل قرار گرفته و آن را به لبه لیوان متصل می‌کند.

سه پارامتر اصلی در کیفیت سیل عبارت‌اند از:

• Temperature
• Pressure
• Time

این سه پارامتر باید متناسب با جنس لیوان و فویل تنظیم شوند.

طراحی قالب سیل

قالب سیل باید دقیقاً با شکل دهانه لیوان هماهنگ باشد.

در طراحی قالب موارد زیر بررسی می‌شوند:

• سطح تماس
• تختی قالب
• توزیع فشار
• انتقال حرارت
• محل المنت
• محل سنسور دما
• جنس قالب
• قابلیت تعویض

توزیع نامناسب فشار یا حرارت می‌تواند باعث ناقص‌شدن سیل در بخشی از محیط لیوان شود.

کنترل دمای سیل

دمای قالب باید در محدوده مشخصی ثابت نگه داشته شود.

برای اندازه‌گیری و کنترل دما می‌توان از:

• Thermocouple
• PT100
• Temperature Controller
• PLC

استفاده کرد.

دمای پایین باعث اتصال ناقص و دمای بیش از حد می‌تواند باعث آسیب به فویل یا تغییر شکل لیوان شود.

سیستم فیلم رول

در برخی ماشین‌آلات به‌جای فویل‌های آماده از فیلم رول استفاده می‌شود.

در این سیستم، فیلم از رول باز شده، روی ظروف قرار گرفته، سیل شده و سپس برش داده می‌شود.

سیستم می‌تواند شامل:

• رول فیلم
• رولرهای راهنما
• Tensioner
• سیستم کشش
• Photo Mark Sensor
• مکانیزم Feed
• قالب سیل
• سیستم برش

باشد.

کنترل کشش فیلم

حرکت صحیح فیلم نیازمند کنترل مناسب Tension است.

کشش زیاد می‌تواند باعث پارگی فیلم شود و کشش کم نیز باعث ایجاد چین و جابه‌جایی موقعیت چاپ می‌شود.

برای کنترل کشش می‌توان از:

• Brake
• Dancer
• Tension Roller
• Servo Feed

استفاده کرد.

برش فیلم

بعد از سیل، فیلم باید متناسب با شکل ظرف برش داده شود.

روش‌های قابل استفاده شامل:

• Punch
• Die Cutting
• Knife
• Rotary Cutting

هستند.

طراحی تیغه، لقی، جنس و نیروی برش در کیفیت نهایی تأثیر زیادی دارند.

سیستم درب‌گذاری

برخی محصولات علاوه بر فویل سیل، دارای درب پلاستیکی نیز هستند.

در این حالت، پس از سیل یک ایستگاه جداگانه برای درب‌گذاری در نظر گرفته می‌شود.

فرآیند می‌تواند شامل:

• خشاب درب
• جداسازی درب
• انتقال
• قرارگیری روی لیوان
• اعمال فشار
• کنترل وجود درب

باشد.

درب فشاری لیوان

در بسیاری از ظروف، درب با فشار روی لبه لیوان قفل می‌شود.

مکانیزم اعمال فشار می‌تواند:

• پنوماتیکی
• مکانیکی
• بادامکی
• سروویی

باشد.

نیروی اعمال‌شده باید به‌اندازه‌ای باشد که درب کاملاً قفل شود ولی لیوان تغییر شکل ندهد.

خروج محصول از دستگاه

پس از تکمیل فرآیند، لیوان باید از حامل یا Pocket دستگاه خارج شود.

برای خروج می‌توان از:

• Lift
• Pusher
• Cam Mechanism
• Pneumatic Eject
• Servo Mechanism

استفاده کرد.

سپس محصول روی کانوایر خروجی قرار گرفته و به مرحله بعد منتقل می‌شود.

اتصال به تجهیزات بعدی خط

محصول خروجی می‌تواند مستقیماً وارد تجهیزات دیگری مانند:

• لیبل‌زن
• تاریخ‌زن
• Checkweigher
• سیستم بازرسی
• شیرینگ
• بسته‌بندی چندتایی
• کارتن‌گذاری
• تونل سرمایش

شود.

به همین دلیل سرعت خروج ماشین باید با ظرفیت تجهیزات بعدی هماهنگ باشد.

کاربرد در خطوط بستنی

یکی از کاربردهای مهم ماشین‌آلات لیوانی، تولید و بسته‌بندی بستنی است.

فرآیند یک خط می‌تواند شامل:

Cup Feeding → Filling → Sauce → Fruit/Nut → Foil → Sealing → Lid → Discharge

باشد.

بسته به محصول می‌توان ایستگاه‌های دیگری نیز به ماشین اضافه یا حذف کرد.

کاربرد در محصولات لبنی و غذایی

این ماشین‌آلات می‌توانند برای محصولات مختلفی مانند:

• بستنی
• ماست
• دسر
• خامه
• پنیر خامه‌ای
• سس
• شکلات
• محصولات ترکیبی

طراحی شوند.

ساختار دستگاه بر اساس رفتار واقعی هر محصول تغییر می‌کند.

سیستم پنوماتیک

پنوماتیک در بخش‌های مختلف دستگاه کاربرد دارد، از جمله:

• جداسازی لیوان
• Stopper
• شیر پرکن
• Pick & Place
• فویل‌گذاری
• حرکت قالب سیل
• درب‌گذاری
• Eject
• Reject

سرعت جک‌ها، قطر، کورس، فشار و Flow Control باید متناسب با زمان سیکل دستگاه انتخاب شوند.

استفاده از سروو موتور

در قسمت‌هایی که کنترل دقیق موقعیت یا سرعت لازم است می‌توان از سروو موتور استفاده کرد.

کاربردهای سروو شامل:

• Indexing
• پرکن
• انتقال
• Film Feed
• Pick & Place
• تغییر موقعیت
• تغییر سایز

است.

تغییر سایز لیوان

در خطوطی که چند نوع لیوان تولید می‌شود، دستگاه باید قابلیت Changeover داشته باشد.

بسته به اختلاف ظروف ممکن است نیاز به تغییر یا تنظیم:

• خشاب لیوان
• Pocket
• ریل‌ها
• نازل
• قالب سیل
• خشاب درب
• موقعیت سنسورها

باشد.

طراحی بهداشتی دستگاه

در ماشین‌آلات پرکن و بسته‌بندی لیوانی که برای صنایع غذایی استفاده می‌شوند، قابلیت شست‌وشو اهمیت زیادی دارد.

در طراحی باید تا حد امکان:

• نقاط تجمع محصول حذف شوند
• سطوح صاف باشند
• آب روی سازه باقی نماند
• قطعات در تماس با محصول قابل شست‌وشو باشند
• دسترسی به نازل‌ها آسان باشد
• مسیر محصول قابلیت تخلیه داشته باشد

قطعات در تماس با محصول

مخزن، لوله، پمپ، شیر و نازل باید از متریال مناسب محصول ساخته شوند.

بسته به شرایط فرآیند می‌توان از:

• Stainless Steel 304
• Stainless Steel 316
• Food Grade Polymer
• Food Grade Seal

استفاده کرد.

شست‌وشوی مدار محصول

در دستگاه‌های مناسب می‌توان مسیر محصول را برای شست‌وشوی CIP طراحی کرد.

مسیر قابل شست‌وشو می‌تواند شامل:

• مخزن
• پمپ
• لوله
• شیرها
• نازل‌های پرکن

باشد.

در طراحی مسیر باید نقاط مرده و محل‌های تجمع محصول تا حد امکان کاهش پیدا کنند.

کنترل و اتوماسیون

PLC وظیفه هماهنگ‌کردن تمام ایستگاه‌های دستگاه را بر عهده دارد.

کنترل دستگاه می‌تواند شامل:

• Cup Detection
• Index
• Filling
• Foil
• Seal
• Lid
• Eject
• Reject

باشد.

تمام این مراحل باید با زمان‌بندی مشخص و متناسب با ظرفیت تولید انجام شوند.

HMI و Recipe

از طریق HMI می‌توان پارامترهای مختلف دستگاه را تنظیم کرد.

این پارامترها می‌توانند شامل:

• حجم پرکردن
• سرعت دستگاه
• سرعت تزریق
• دمای سیل
• زمان سیل
• موقعیت سروو
• تعداد تولید
• تنظیمات محصول

باشند.

برای محصولات مختلف نیز می‌توان Recipe جداگانه تعریف کرد.

سیستم Reject

محصول ناقص نباید همراه محصولات سالم از دستگاه خارج شود.

سیستم می‌تواند خطاهایی مانند:

• نبود لیوان
• پرکردن ناقص
• نبود فویل
• سیل ناقص
• نبود درب
• قرارگیری اشتباه محصول

را تشخیص داده و محصول را Reject کند.

شاسی و بدنه دستگاه

شاسی ماشین باید علاوه بر تحمل تجهیزات، برای محیط صنایع غذایی مناسب باشد.

در طراحی شاسی موارد زیر بررسی می‌شوند:

• استحکام
• لرزش
• دسترسی اپراتور
• قابلیت شست‌وشو
• محل موتور و گیربکس
• مسیر کابل
• مسیر شیلنگ
• کاورهای حفاظتی

مدل‌سازی سه‌بعدی

پیش از ساخت، مجموعه کامل دستگاه به‌صورت سه‌بعدی طراحی می‌شود.

در این مرحله مواردی مانند:

• مسیر حرکت لیوان
• موقعیت ایستگاه‌ها
• کورس جک‌ها
• حرکت مکانیزم‌ها
• محل مخزن
• محل پمپ
• دسترسی تعمیراتی
• مسیر کابل و شیلنگ
• کاورها

بررسی می‌شوند.

تست و راه‌اندازی

پس از ساخت، ماشین ابتدا بدون محصول و سپس با محصول و بسته‌بندی واقعی تست می‌شود.

در این مرحله موارد زیر بررسی می‌شوند:

• جداسازی صحیح لیوان
• دقت ایندکس
• دقت پرکردن
• عدم چکه
• قرارگیری صحیح فویل
• کیفیت سیل
• درب‌گذاری
• خروج محصول
• سرعت تولید
• پایداری دستگاه در کار مداوم

چالش‌های پروژه

مهم‌ترین چالش‌های طراحی و ساخت ماشین‌آلات لیوانی شامل:

• جداسازی صحیح لیوان‌ها
• افزایش سرعت تولید
• دقت ایندکس
• پرکردن بدون چکه
• تمیز ماندن لبه ظرف
• جداسازی فویل
• کنترل دما و فشار سیل
• درب‌گذاری صحیح
• تغییر سایز سریع
• هماهنگی چند ایستگاه
• شست‌وشوی دستگاه
• هماهنگی با تجهیزات قبل و بعد خط

بوده‌اند.

نتیجه پروژه

نتیجه این پروژه‌ها، طراحی و اجرای انواع ماشین‌آلات پرکن و بسته‌بندی لیوانی برای محصولات مختلف صنایع غذایی بوده است.

این ماشین‌آلات می‌توانند فرآیند را از ورود و جداسازی لیوان تا پرکردن محصول، افزودن مواد مختلف، فویل‌گذاری، سیل حرارتی، درب‌گذاری و انتقال محصول نهایی انجام دهند.

در این پروژه‌ها، مکانیزم‌های انتقال، سیستم پرکن، پنوماتیک، سروو، کنترل دما، سیل، سیستم‌های بهداشتی و اتوماسیون به‌صورت یک مجموعه یکپارچه طراحی شده‌اند تا ماشین متناسب با محصول و ظرفیت واقعی خط تولید عمل کند.