Modellazione numerica di un processo di termosaldatura

This thesis work stems from an internship carried out at the HEATECH Industrial Technical Physics Laboratory of the Reggio Emilia Technopole (Department of Engineering Sciences and Methods). The aim of the study is the analysis and modelling of the industrial heat-sealing process between thermoplastic film and inserts (spouts), used in automated packaging lines for filling detergents into single-use pouches in the Spouted Doypack format. This work is part of a research project commissioned by Ilapak S.p.A., a division of I.M.A. S.p.A., with the objective of improving the understanding of the phenomena characterising the different stages of the heat-sealing process and enhancing the control of its operating parameters. Particular attention was devoted to selected monomaterial polyethylene combinations, introduced to improve the recyclability of packaging, but which exhibit critical issues in terms of seal integrity and a reduced operating window. Following a preliminary characterisation of the components and materials using CAD tools, optical microscopy observations, and thermal analyses, a numerical model based on CFD methodologies was developed to investigate the heat transfer phenomena occurring during the process. The simulations made it possible to analyse the temperature distribution and thermal gradients within the joint, assessing the influence of the main operating parameters, such as sealing time and sealing temperature, on the quality of the joint. The results provide useful insights for a better understanding of the process and for the optimisation of the operating conditions.

Il presente lavoro di tesi nasce dall'attività di tirocinio svolta presso il laboratorio di Fisica Tecnica Industriale HEATECH del Tecnopolo di Reggio Emilia (Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria). L'obiettivo dello studio è l'analisi e la modellazione del processo industriale di termosaldatura tra film plastico e inserti termoplastici (spout), utilizzato nelle linee automatiche per il confezionamento di detergenti in buste monouso nel formato Spouted Doypack. Il lavoro si inserisce in un progetto di ricerca commissionato da Ilapak S.p.A., divisione del gruppo I.M.A. S.p.A., finalizzato a comprendere meglio i fenomeni che caratterizzano le diverse fasi del processo di termosaldatura e a migliorare il controllo dei parametri operativi. L'attenzione si è concentrata in particolare su alcune combinazioni monomateriale in polietilene, introdotte per favorire la riciclabilità degli imballaggi ma che presentano criticità in termini di tenuta della saldatura e riduzione della finestra operativa. Dopo una caratterizzazione preliminare dei componenti e dei materiali mediante strumenti CAD, osservazioni al microscopio ottico e analisi termiche, è stato sviluppato un modello numerico basato su metodologie CFD per lo studio dei fenomeni di trasferimento di calore durante il processo. Le simulazioni hanno permesso di analizzare la distribuzione delle temperature e dei gradienti termici nel giunto, valutando l'influenza dei principali parametri operativi, quali tempo e temperatura di saldatura, sulla qualità della giunzione. I risultati ottenuti forniscono indicazioni utili per una migliore comprensione del processo e per l'ottimizzazione delle condizioni operative.