Avvolgitori e ribobinatrici

Nell’industria cartaria, del tissue e del tessuto non tessuto (chiamato anche TNT o nonwoven) gli avvolgitori e le ribobinatrici sono una componente fondamentale, l’ultima fase del complesso processo produttivo: il cosiddetto “fine linea”. Avvolgere, svolgere, tagliare e poi riavvolgere una bobina sono infatti operazioni che necessitano una corretta esecuzione per ottenere un prodotto finale che, una volta avvolto, mantenga le caratteristiche e la qualità risultanti dal processo produttivo.

Il processo di avvolgimento, svolgimento, eventuale taglio e ribobinatura può apparire relativamente semplice ma, in realtà, non è così se si vuole ottenere una bobina finita della massima qualità, soprattutto ad alte velocità di produzione. Vediamo innanzitutto la differenza tra le diverse tipologie di macchinari:

• Avvolgitori: detti anche arrotolatori, hanno lo scopo di creare il cosiddetto Master Roll (o Jumbo Roll o bobina madre), una bobina di grande formato e diametro (variabile a seconda della tipologia di materiale), a partire dal foglio continuo in uscita dalla linea di produzione.
• Svolgitori: macchinari che si occupano di svolgere la bobina madre in ingresso per ottenere, grazie ai macchinari a valle, bobine finali di diametro e, se necessario, di formato inferiori.Mentre lo svolgimento delle carte “stese” e del tessuto non tessuto avviene tramite un singolo svolgitore, per la carta tissue sono necessari fino a quattro svolgitori, poiché il prodotto finito è composto da più veli. Lo svolgimento vero e proprio avviene invece tramite l’utilizzo di cinghie motorizzate nel caso di bobine di carta tissue e TNT (svolgimento periferico), oppure, a causa della maggiore tensione del foglio e dimensione delle bobine da processare, tramite motore con innesto assiale nel caso della carta stesa (svolgimento assiale). Lo svolgitore è composto da una struttura portante atta a ricevere la bobina con asta e da un dispositivo di svolgimento periferico od assiale, a seconda del prodotto da processare. 
• Taglierine Ribobinatrici: la funzione di questi macchinari è quella di tagliare, nel formato desiderato dal cliente (converter) e tramite apposite ricette di taglio, il foglio in arrivo dallo svolgitore e di avvolgere le “strisce” di materiale ottenuto per formare un certo numero di bobine di diametro e formato inferiori rispetto a quello della bobina madre di partenza.

A.Celli, grazie alla linea di prodotti E-WIND®, offre un’ampia gamma di soluzioni per l’avvolgimento, lo svolgimento, il taglio e ribobinatura di materiali in tessuto non tessuto, carta stesa e tissue. 

Ognuno di questi materiali possiede specifiche proprietà e caratteristiche che determinano il corretto processo di avvolgimento e svolgimento. 

Vediamo quindi il flusso di lavoro richiesto per le diverse tipologie di prodotto.

Per quanto riguarda le caratteristiche del Tessuto Non Tessuto, una delle sue particolarità è sicuramente l’elasticità, che porta ad un progressivo restringimento del formato di partenza del foglio (neck-in) dalla fase di avvolgimento al prodotto finale. Oltre a questo, è necessario distinguere le caratteristiche specifiche delle due principali tipologie di TNT: lo spunbond e lo spunlace. 

Lo spunbond, caratterizzato dal posizionamento casuale delle fibre che lo compongono, risulta maggiormente resistente alla trazione, permettendo l’utilizzo di valori di tensione maggiori durante il processo di avvolgimento. Per questo, lo spunbond è soggetto ad un restringimento più marcato rispetto allo spunlace: a titolo di esempio, un formato iniziale del foglio di 3600 mm porta a bobine finali con formato pari a 3200 mm.

Lo spunlace invece è caratterizzato da un orientamento delle fibre che lo compongono in Direzione Macchina (MD), dovuto all’impiego delle carde nel processo di formazione. Questo lo rende resistente alla trazione in tale direzione, ma molto meno in Cross Direction (CD) e anche meno soggetto al restringimento.

Analizziamo adesso il processo che porta all’ottenimento delle bobine finali di Tessuto Non Tessuto della dimensione e formato richiesti:

1. L’arrotolatore, a partire dal foglio di TNT in uscita dalla linea di produzione, crea la bobina madre tenendo sempre sotto controllo tre parametri con il cosiddetto controllo TNT (Tension - Nip - Torque), di cui parleremo nei prossimi paragrafi. L’arrotolatore deve lavorare continuamente, senza possibilità di fermarsi o ridurre la velocità di produzione, nemmeno nella fase di cambio bobina. Pertanto, le soluzioni ingegneristiche applicate per la progettazione e la realizzazione di questo macchinario sono volte alla creazione di soluzioni affidabili in grado di lavorare continuativamente senza errori, in particolare nella fase critica, ovvero il cambio della bobina madre. 
2. Il master roll viene successivamente caricato sullo svolgitore della ribobinatrice  con l’utilizzo di un carroponte o con sistemi di carico automatici. Durante lo svolgimento (solitamente periferico con utilizzo di cinghie) vengono fatti i principali controlli per assicurarsi che tutto avvenga correttamente. La motorizzazione indipendente dello svolgitore, il suo spostamento assiale (+- 75 mm) e l’utilizzo di un rullo con cella di carico consentono un controllo puntuale dei parametri del processo (tensione e velocità) per ottenere le caratteristiche desiderate nella bobina finita. 
3. Successivamente, la ribobinatrice (o taglierina ribobinatrice) taglia il foglio di Tessuto Non Tessuto in una serie di strisce larghe quanto il prodotto finito richiesto dal cliente (la ricetta di taglio) e avvolge ogni striscia così ottenuta attorno ad un’anima di cartone. La formazione della bobina avviene tra i due rulli portanti ed il rullo cavaliere (detto anche rullo pressore), il cui scopo è quello di applicare una pressione sulle bobine in formazione in modo da tenere sotto controllo il carico lineare (Nip). Questo risulta fondamentale per prodotti sensibili come il TNT e, come vedremo nel prossimo paragrafo, la carta Tissue.

Come in tutte le fasi precedenti del processo, anche durante la ribobinatura vengono tenuti sotto controllo i tre parametri Tension, Nip e Torque.

Una volta raggiunto il valore di metri lineari o diametro richiesto nella bobina finita, avviene il taglio trasversale del prodotto ed il trasferimento delle bobine stesse sul piano di scarico, per poi proseguire con le fasi successive del processo. Sono disponibili sistemi complementari per la gestione semi-automatica o automatica dell’asta di avvolgimento e del posizionamento dei coltelli.

Questi due materiali possiedono delle caratteristiche ben diverse dal Tessuto Non Tessuto, che si traducono in differenti necessità durante il processo di avvolgimento e ribobinatura.

La carta Tissue, ad esempio, deve conservare la crespatura ottenuta nel processo produttivo per mantenere la sofficità e la voluminosità, e ciò porta a controllarne con precisione l’allungamento in modo da mantenere il più possibile la crespatura ottenuta in fase di formazione del foglio.

Sempre per questo motivo, inoltre, la carta Tissue richiede l’utilizzo di un valore di Nip inferiore alla carta stesa, per evitare un’eccessiva compressione della bobina. Vediamo adesso il processo di avvolgimento e ribobinatura di queste tipologie di prodotto:

1. Una volta ottenuta la bobina madre questa viene caricata sullo svolgitore tramite carroponte (prevalentemente carta tissue), e viene centrata rispetto all’asse della macchina grazie ad un sistema di movimentazione trasversale delle fiancate dello svolgitore. Nelle ribobinatrici per carte stese o per TNT, lo svolgitore può essere in linea con l’arrotolatore per evitare i trasferimenti con il carroponte.
2. Le bobine di carta Tissue vengono svolte grazie all’utilizzo di cinghie motorizzate, che scorrono tangenzialmente alla circonferenza della bobina. Per ridurre l’impronta sul prodotto, la pressione delle cinghie viene accuratamente regolata, mentre la tensione del foglio è controllata mediante differenziale di velocità (controllo in scorrimento) o mediante celle di carico. Per quanto riguarda le carte stese, invece, data la maggiore inerzia e dimensioni della bobina, lo svolgimento avviene tramite svolgimento assiale, in cui un motore provvede a frenare la bobina madre in modo da controllare la tensione del foglio e a compensare le componenti inerziali durante i transitori. Anche in questo caso, la tensione del foglio in svolgimento viene controllata tramite celle di carico. A bobina madre svolta, l’asta vuota viene riportata, tramite carroponte, all’arrotolatore della macchina continua per il caricamento di una nuova bobina e l’incorsatura di un nuovo foglio.
3. Il foglio svolto viene poi tagliato in formati minori grazie ad un sistema con taglio a forbice, operato mediante unità di taglio composte da coltello e contro-coltello. Queste unità possono essere posizionate manualmente o in modo automatico ogni volta che è necessario cambiare il formato di taglio. Per assicurare un taglio preciso, la lama rotante del contro-coltello è motorizzata, mentre il coltello è dotato di un sistema di recupero dell’usura. 
4. Le strisce del foglio vengono infine riavvolte attorno ad un’anima di cartone (utilizzando nastro biadesivo, colla o altro per la partenza), trattenute in posizione assiale da due contropunte, che sono libere di muoversi in senso verticale lungo apposite guide a basso attrito. La formazione della bobina avviene, come nel caso del Tessuto Non Tessuto, tra i due rulli portanti ed il rullo cavaliere. La funzione di quest’ultimo rullo è anche in questo caso fondamentale, poiché è necessario mantenere un carico lineare costante nella fase iniziale dato che la bobina è ancora “leggera”. Come abbiamo accennato nel paragrafo precedente, le carte Tissue il TNT necessitano di un valore di nip più basso per evitare un’eccessiva compressione. La bobina di Tissue in formazione viene quindi alleggerita riducendo gradualmente la pressione del cavaliere ed incrementando la pressione di sollevamento delle contropunte. Per tale ragione l’avvolgimento, in queste macchine, viene effettuato su anime di cartone calettate su particolari aste di avvolgimento espansibili.
5. Una volta raggiunto il valore di lunghezza o diametro desiderato della bobina finita, la macchina viene fermata, il foglio viene tagliato e la bobina viene liberata dalle contropunte e spinta su di un piano di scarico, completando così il ciclo di produzione. L’inserimento di una nuova asta o di nuove anime e l’incollaggio delle code del foglio possono essere automatici o semiautomatici.

Come accennato in precedenza, durante l’avvolgimento e la ribobinatura vengono tenuti sotto controllo tre parametri fondamentali, ovvero Tensione, Nip e Torque:

• Tension: è la tensione del materiale, generalmente definita come forza per unità di lunghezza (N/m) o espressa come unità di forza (N) nella Direzione Macchina (MD) di avanzamento del materiale. Un corretto e costante tensionamento del velo, misurato per mezzo di opportune celle di carico lungo l’intero processo e diverso a seconda del materiale trattato, è necessario per garantire una bobina compatta ma che mantenga al tempo stesso le caratteristiche proprie del prodotto.
• Nip: indica il carico lineare medio, misurato in forza per unità di larghezza (N/m), tra una bobina in formazione e un rullo a contatto (es. il rullo di trascinamento nella fase di avvolgimento o il rullo cavaliere nella fase di ribobinatura), che agisce lungo la linea passante per i loro centri. Questo carico ha il compito di evitare l’intrappolamento di aria tra le spire che, soprattutto per materiali non porosi, indebolisce la bobina generando l’effetto telescopico. Il nip non può inoltre essere troppo elevato, onde evitare di danneggiare sia il materiale lavorato (ad esempio provocando una perdita di bulk nelle carte crespate, o la marcatura delle carte patinate) che il rullo di appoggio.
• Torque: si tratta della differenza di coppia tra due rulli motorizzati, ed è l’ultimo parametro che influisce sulla corretta compattezza delle bobine finali. Il controllo di questo parametro viene effettuato agendo sulle coppie dei motori dei rulli portanti, in modo da ripartire il carico in modo controllato, oppure introducendo una differenza di velocità tra i due rulli.

Per eseguire un corretto processo di avvolgimento occorre seguire una serie di principi fondamentali:

• Assicurarsi una sufficiente compattezza della parte della bobina più vicina all’anima, in quanto le prime spire serviranno da base per le successive;
• Viceversa, la bobina al diametro finale dovrà essere meno compatta, per evitare il danneggiamento del materiale sottostante;
• La transizione di compattezza dall’anima al diametro massimo deve avvenire in modo graduale.

Durante i processi di avvolgimento e ribobinatura sono molte le problematiche che possono insorgere e che rischiano di inficiare il risultato finale. Vediamo le più comuni.

Impostazione dei parametri TNT

In generale, errori nella impostazione dei parametri sopracitati possono compromettere la qualità delle bobine finali, o addirittura impedirne l’avvolgimento. Tra i difetti principali possiamo riscontrare:

• Telescopia o forma non cilindrica, sintomo di compattezza insufficiente dovuta ad eccessivo intrappolamento di aria tra le spire;
• Collasso dell’anima o incollaggio tra le spire, dovuti ad eccessiva compattezza;
• Stellatura, dovuta ad un aumento non omogeneo della tensione all’aumentare del diametro della bobina;
• Effetto taper, ovvero il fenomeno per cui al crescere del diametro della bobina gli strati più interni vengono schiacciati da quelli esterni a causa di una tensione eccessiva;
• Stiramento del foglio e una conseguente eccessiva riduzione del formato delle bobine finali, per i materiali dotati di proprietà elastiche;
• Perdita di volume e bulk, in caso di eccessiva compattezza nelle bobine di prodotti crespati

Tempi ciclo della macchina

Problematiche di scarsa velocità e produttività possono essere date dalla mancata ottimizzazione dei tempi ciclo della macchina, come le operazioni di cambio master roll, posizionamento coltelli, cambio della bobina finita, la gestione dei difetti e in generale tutte le operazioni che avvengono a macchina ferma. 

Taglio

Per quanto riguarda il Tessuto non Tessuto e i materiali elastici, il settaggio della larghezza di taglio deve considerare il fenomeno del neck-in, ovvero l’allungamento del materiale quando la striscia tagliata viene sottoposta a trazione in Direzione Macchina per mezzo dei rulli portanti e avvolta intorno all’anima di cartone. Oltre a questo, deve essere posta attenzione a possibili problemi di eccentricità radiale o assiale, vibrazioni, angolo di taglio, carico laterale e stato di usura delle lame. 

Presenza di polvere da taglio e altri agenti contaminanti

Per i prodotti destinati al mercato igienico, è fondamentale che la polvere creata durante le varie fasi di ribobinatura venga aspirata mediante appositi sistemi per impedire una possibile contaminazione. Altri agenti contaminanti a cui porre attenzione durante il processo di avvolgimento e ribobinatura possono essere polvere, grasso, oppure olio.

Possiamo evincere, da queste problematiche, quante siano le variabili che vanno tenute sotto controllo per produrre una bobina di carta, Tissue o Tessuto Non Tessuto di alta qualità. Per questo motivo A.Celli ha ideato E-WIND®, una gamma di prodotti dedicati all’avvolgimento, allo svolgimento e alla ribobinatura in grado di garantire performance straordinarie, bobine finite impeccabili, un’elevata capacità di automazione e facilità di controllo e utilizzo.

Viste le problematiche dell’avvolgimento, svolgimento e ribobinatura, c’è un solo modo per far sì che questi processi avvengano in maniera ottimale: affidarsi a macchinari di assoluta affidabilità e qualità.  Vediamo quindi le caratteristiche salienti della gamma A.Celli E-WIND®:

• Elevata qualità finale delle bobine di prodotti standard e prodotti specifici e innovativi che richiedono controlli particolari, al fine di mantenerne le caratteristiche intrinseche del materiale (minor perdita di bulk, ad esempio);
• Incremento di produttività legato all’ottimizzazione dei tempi ciclo della macchina (cambio master roll, posizionamento coltelli, ciclo di cambio bobina finita, gestione difetti e in generale tutte le operazioni che avvengono a macchina ferma);
• Integrazione digitale totale del fine linea con le macchine a monte e a valle, per una perfetta tracciabilità del prodotto;
• HMI in 3D e di facile utilizzo e comprensione, sommato a strumenti di diagnostica intuitivi;
• Affidabilità, con intervalli di manutenzione più lunghi rispetto alla concorrenza;
• Vari livelli di automazione disponibili per soddisfare qualunque esigenza;
• Flessibilità operativa;
• Sicurezza: protezioni, attraversamenti, cancelli, serrature progettati e realizzati a seguito di risk analysis personalizzate.

Infine, grazie ad A.Celli avrai la possibilità di effettuare upgrades e revamping di ribobinatrici esistenti (sia di nostra produzione che di altri produttori) per aumentare produttività, efficienza e sicurezza.

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