R+W Italia: il design sostenibile nel settore del packaging

R+W Italia: il design sostenibile nel settore del packaging

L’industria del packaging si sviluppa rapidamente; è fondamentale che la crescente mole di imballi prodotta sia riciclabile. Corrette scelte progettuali possono contribuire in tal senso

Il settore del packaging è in crescita, con fatturati record e ottime prestazioni degli imballi made in Italy sui mercati esteri. In particolare, si sviluppa l’interesse per l’alluminio: oltre ad avere proprietà che lo rendono ideale per il packaging, soprattutto alimentare, è del tutto riciclabile. Rigenerare l’alluminio richiede solo il 5% dell’energia rispetto alla produzione primaria, il che rende il metallo leggero una risorsa fondamentale per il packaging. Percentuali intorno 70% dell’alluminio immesso sul mercato italiano vengono recuperate, con evidenti ricadute positive sull’ambiente e sull’economia. Anche il settore dei macchinari per la trasformazione dell’alluminio secondario attraversa di riflesso un periodo decisamente positivo: questo buon andamento si riflette sul mercato dei componenti, dove i produttori sono costantemente alla ricerca di soluzioni che garantiscano alte prestazioni anche nel lungo periodo.

Le funzionalità molteplici del packaging

Il packaging è la scienza, l’arte e la tecnologia della protezione e dell’aggiunta di valore ad un prodotto. Al fine di realizzare i suoi obiettivi, è necessario integrare le attività di design, di valutazione e produzione delle particolari soluzioni scelte, considerando altri fattori quali i materiali impiegati, i macchinari e la manodopera.

Il packaging stesso viene così definito come quel manufatto fisico che consegue le diverse funzionalità richieste sia dai diversi addetti del settore che dalla natura del prodotto che contiene.

Le funzionalità principali fornite dal packaging sono molteplici. Molti studiosi e ricercatori del settore ne hanno fornito descrizioni e definizioni diverse.

Nel dettaglio, le funzionalità del packaging sono:

  1. Contenimento: Scopo del contenimento è quello di racchiudere il prodotto e di mantenerlo al sicuro dall’ambiente circostante. La seconda parte di tale definizione è chiaramente simile a quella di protezione, ma nella fattispecie di tale funzionalità si fa riferimento all’attività di raccogliere le cose in un’unità assemblata.
  2. Protezione: La funzionalità di protezione del packaging consiste nella salvaguardia del contenuto dall’azione di sorgenti esterne di varia natura e viceversa. Il danneggiamento del contenuto può essere determinato da agenti fisici, chimici, microbiologici e climatici. Il packaging fornisce, inoltre, opportune soluzioni di protezione per gli operatori addetti al trasporto di sostanze e materiali rischiosi.
  3. Ripartizione: La funzionalità di ripartizione permette, ad una data quantità del contenuto, di fornire il controllo ed il supporto per l’uso appropriato del contenuto stesso. La ripartizione nel packaging facilita l’output dall’attuale produzione industriale su larga scala, dividendo i prodotti in porzioni e dimensioni gestibili.
  4. Unitizzazione: è una funzionalità del packaging che comprende il consolidamento o la riunificazione di più unità.
  5. Comodità: Lo scopo principale di tale funzionalità è quello di rendere facile ed agevole l’utilizzo del packaging e dei suoi contenuti. La comodità risulta così essere legata alle funzionalità di unitizzazione e di ripartizione. L’azione comune di queste tre funzionalità è quindi quella di facilitare il maneggiamento e di confezionare il prodotto nelle dimensioni e nella quantità appropriate per il suo utilizzo, in relazione ai diversi stadi del suo ciclo di vita. Le modalità di conseguimento dei suddetti scopi risultano, praticamente, infinite.
  6. Informazione: Il packaging costituisce l’interfaccia tra il prodotto e la logistica e tra il prodotto ed il consumatore finale o gli altri utenti. La funzionalità di informazione ha così un’importanza fondamentale nel packaging.
  7. Comunicazione: Il packaging costituisce un mezzo di comunicazione tra il titolare di un brand ed il consumatore finale. Tale funzionalità di comunicazione costituisce l’attività fondamentale integrata nelle altre svolte dal marketing. La comunicazione costituisce, inoltre, lo step logico finale di tutte le altre funzionalità fin qui esaminate.

Sviluppo sostenibile e design del packaging

Tra gli obiettivi più impegnativi, previsti dallo sviluppo sostenibile, si ricordano:

  • la salvaguardia delle limitate risorse naturali;
  • la stabilizzazione della concentrazione dei gas effetto serra, al fine di mitigare le variazioni climatiche.

Gran parte dell’impiego delle risorse naturali e delle emissioni dei gas effetto serra, è dovuta alla produzione di beni di largo consumo.

In tale contesto, il packaging può fornire una soluzione ai suddetti problemi (senza esserne più causa), rendendo disponibili soluzioni dedicate per la distribuzione di alimenti, acqua potabile e farmaci per le popolazioni in difficoltà.

Un’altra sfida, strettamente connessa all’impiego del packaging è quella relativa all’inquinamento causato dalla plastica scaricata negli oceani e conferita nelle discariche, stimata in più di 6,5 milioni di tonnellate all’anno.

Gran parte di questi rifiuti plastici, originati da packaging dismesso, vengono realizzati con risorse limitate. La riduzione delle emissioni di gas effetto serra, dovute alla produzione di tali involucri, può essere conseguita ricorrendo a materiali grezzi rinnovabili o riciclabili, unitamente alla tutela ed all’uso accorto delle risorse naturali limitate. Un esempio eclatante è dato dagli attuali progressi nelle tecnologie di riciclaggio del PET (PoliEtilene Tereftalato). Tale materiale, di largo uso in ambito alimentare, può essere riciclato per la produzione di altri oggetti e contenitori per uso non alimentare (sia con processi chimici che meccanici), oppure depolimerizzato (quindi riportato allo stato di monomero) per poi essere successivamente purificato e riutilizzato in ambito alimentare.

Il PET può essere anche smaltito ricorrendo all’utilizzo di batteri digestori della plastica, come la Ideonella Sakaiensis.

Un’ulteriore sfida, legata allo sviluppo sostenibile del packaging, riguarda il trasporto dei beni di consumo, causa di problemi quali l’inquinamento da gas di scarico, la congestione del traffico urbano e l’inquinamento acustico. Le criticità del packaging in questo contesto sono date dal peso e dal volume, la cui riduzione costituisce la funzione obiettivo da ottimizzare al fine di giungere ad una soluzione sostenibile.

Sulla base di quanto fin qui esposto, è opportuno ricordare la definizione unanimamente accolta di sviluppo sostenibile. Una prima versione fu data nel 1987 nel rapporto Brundtland rilasciato dalla Commissione Mondiale sull’Ambiente e lo Sviluppo (WCED): “lo sviluppo sostenibile è uno sviluppo che soddisfi i bisogni del presente senza compromettere la possibilità delle generazioni future di soddisfare i propri”.

Le ulteriori iniziative successive a quella del WCED hanno portato, nel 2015, all’individuazione degli Obiettivi per lo Sviluppo del Millennio da parte delle Nazioni Unite. Gli scopi e gli obiettivi sanciti per lo sviluppo sostenibile sono riportati nella Figura 1.

figura 1: Obiettivi per lo sviluppo sostenibile Aims for sustainable development

Una prima conseguenza dello sviluppo sostenibile applicato al packaging riguarda i processi e l’ingegnerizzazione dei macchinari destinati al confezionamento dei prodotti, in particolare di quelli alimentari. Un esempio notevole, che racchiude e sintetizza tutte le prerogative di sviluppo sostenibile, è dato dalla seguente soluzione, largamente impiegata per il confezionamento di liquidi a lunga scadenza: il TetraBrik®Aseptic di Tetra Pak, multinazionale del settore trattamento e confezionamento di alimenti, fondata in Svezia nel 1951 e facente parte del gruppo Tetra Laval.

Una delle combinazioni più diffuse di questo prodotto è il TetraBrik®Aseptic 1000 Edge con chiusura LightCapTM 30. Questo prodotto rappresenta uno dei migliori esempi di design sostenibile di un sistema di packaging, impiegando ben l’80% di materiali di origine vegetale provenienti da origini rinnovabili. Il TetraBrik®Aseptic è realizzato con un materiale multistrato (Figura 2): Gli strati componenti sono realizzati in alluminio (il cui riciclaggio costituisce un ciclo virtuoso, così come sostenuto anche dal Consorzio Imballaggi Alluminio), in fibra di cellulosa (wood fibres), mentre gli strati polimerici sono ottenuti dalla canna da zucchero. Con i polimeri della canna da zucchero viene anche realizzata la variante vegetale della chiusura LightCapTM 30.

Figura 2: Composizione degli strati nel TetraBrik® Aseptic Layer composition in TetraBrik® Aseptic

Questa soluzione ha ricevuto diversi riconoscimenti internazionali, tra cui quello nella categoria della sostenibilità dal Royal Belgian Committee e la più alta classe di certificazione dall’ente di valutazione internazionale Vinçotte.

Il conseguimento di un simile risultato nell’ambito del design sostenibile del packaging (e della sua successiva ingegnerizzazione), deriva da un approccio altamente multidisciplinare. Tra le criticità progettuali si possono individuare, ad esempio, i requisiti delle funzionalità di contenimento, protezione e comodità applicati alla chiusura LightCapTM 30.  La progettazione di un sistema di chiusura di questo tipo prevede, infatti, il supporto dei più recenti sistemi CAE, necessari per le fasi di design check di un tappo a vite del tipo two – step con membrana, richiudibile, a basso costo e con caratteristiche anti manomissione.

Tali sistemi di simulazione numerica si rendono necessari, inoltre, per la modellazione del comportamento meccanico dei materiali vegetali impiegati, caratterizzati da una marcata anisotropia sia nelle zone di impegno delle filettature del tappo che nelle aree soggette a piegatura e sigillatura.

Un interessante studio di modellazione del processo di packaging dei liquidi è stato proposto da Moxoff SpA, spin-off del laboratorio di Modellistica e Calcolo Scientifico del Politecnico di Milano. La figura 7 mostra il post processing dei risultati di una simulazione di interazione fluido – struttura.

Il design sostenibile del packaging ha inciso in maniera determinante anche nella realizzazione dei macchinari di riempimento. La foto 3 mostra la TetraPak A3/Speed, considerata la macchina riempitrice per alimenti liquidi più veloce al mondo. Questa macchina fornisce la più alta produttività del settore, con costi operativi minimi e mantenendo elevati standard di sicurezza degli alimenti. Per questa tipologia di macchine è abituale il ricorso ad accoppiamenti cinematici con spiccate caratteristiche di protezione da sovraccarichi ed urti.

foto 3: Riempitrice TetraPak A3/Speed TetraPak A3/Speed Filler

Tali macchine riempitrici presentano, inoltre, caratteristiche di produzione continua con alti livelli di automazione, al fine di garantire livelli di qualità uniformi e ripetibili, specie in riferimento alle giunture dei materiali multistrato visti in precedenza. Data poi l’atipicità e la varietà del comportamento meccanico di tali materiali (anche per la loro origine vegetale), l’accoppiamento cinematico che svolge la funzione di limitazione di coppia, dovrà essere caratterizzato da bassa inerzia e da un’ampia possibilità di taratura del valore della coppia di disinnesco, con lo scopo di proteggere sia la catena cinematica che il materiale componente.

La suddetta continuità, associata agli alti tassi di produttività, è riferita alla trasformazione del materiale nel prodotto prescelto in fase di preparazione della produzione. Nel caso particolare della TetraPak A3/Speed, l’impiego di tecnologie proprietarie per il trasferimento di energia a induzione rende ancora più evidente l’importanza della corretta scelta degli accoppiamenti cinematici, data anche l’esigenza di contenimento dell’usura dei componenti.

Il ruolo del fornitore di componenti

Un’attività complessa come il design sostenibile nel settore del packaging può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista.

Nel settore del design sostenibile nel settore del packaging, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, quali: giunti a soffietto metallico della serie BK, giunti ad elastomero della serie EK, limitatori di coppia della serie SK e giunti con allunga della serie ZA e EZ.

I giunti BK a soffietto metallico, precisi e senza gioco, sono molto apprezzati per il basso momento di inerzia, la totale assenza di necessità di manutenzione, la durata praticamente infinita e soprattutto la totale affidabilità.

I giunti a elastomero della serie EK combinano elevata flessibilità e buona resistenza. Smorzano vibrazioni e impatti compensando i disallineamenti degli alberi.

Molti elementi condizionano la progettazione dei giunti a elastomero: da fattori quali il carico, l’avviamento e la temperatura dipende la durata dell’inserto. L’elemento elastomerico è disponibile in diverse durezze shore, per trovare sempre un compromesso adatto fa le proprietà di smorzamento, la rigidità torsionale e la correzione dei disallineamenti per la maggior parte delle applicazioni.

I limitatori di coppia SK, assolutamente privi di gioco, permettono di proteggere il sistema motore in caso di sovraccarico, scollegandolo dalla parte condotta nel giro di pochi millisecondi. Estremamente precisi, trasmettono la coppia con gande accuratezza e intervengono solo in caso di effettiva necessità. Inoltre, consentono un riarmo semplice e rapido non appena viene rimossa la causa del sovraccarico.

I giunti con allunga della serie ZA-EZ sono ideali per collegamenti con grandi distanze assiali, eventualità spesso presente nelle macchine da imballaggio. Sono facili da montare e smontare senza che occorra muovere o allineare gli elementi da collegare. R+W ha in assortimento giunti con allunghe fino a 6 metri, che non necessitano di supporto intermedio. Disponibili in versioni speciali per quanto riguarda materiali, tolleranze, dimensioni e prestazioni, i giunti con allunga R+W se ben dimensionati e montati correttamente non hanno alcuna necessità di manutenzione e una durata praticamente infinita.

R+W Italia si propone sul mercato come partner ideale per la fornitura di giunti, alberi di trasmissione e limitatori di coppia standard e “speciali”, sviluppati su specifica richiesta del cliente con l’obiettivo di offrire il giunto corretto per ogni singola applicazione: l’ampia gamma di prodotti comprende soluzioni per tutte le esigenze.

Per una consulenza personalizzata, contattate R+W telefonicamente (02 2626 4163), via mail (info@rw-italia.it), tramite webchat disponibile sul sito www.rw-giunti.it o tramite i canali social dell’azienda: potrete contare su #progettiSicuri con R+W.


Sustainable design in the packaging industry

The packaging industry is developing fast: the growing volume of packaging being produced has to be recyclable. Correct design choices help in this respect

The packaging industry is growing, with record revenues and excellent performances for packaging made in Italy on foreign markets. The interest for aluminium is developing at a fast rate: besides having properties s which make it ideal for packaging, especially in the food and beverage industry, it is also fully recyclable. Regenerating aluminium requires only 5% of the energy needed for its primary production, which means that the light metal is a fundamental resource for packaging. Percentages of around 70% of all the aluminium sold on the Italian market are recovered, with evident positive effects on the environment and the economy. Even the industry of machinery for the processing of aluminium is going through a positive phase: this good performance of course affects the components market, where manufacturers are constantly seeking solutions which may guarantee high performances even in the long run.

The multiple functions of packaging

Packaging is the science art and technology of protecting and adding value to a product. In order to achieve its aims, it is necessary to integrate the design, evaluation and production activities for the different solutions, considering such factors as the materials, machinery and work force employed.

Packaging in itself is defined as the physical product which performs the various functions required both by different operators in the industry and by the nature of the product which it contains. Many different functions are performed by packaging. Many scholars and researchers in this industry provided different definitions for them.

In greater detail the functions of packaging are:

  1. Containing a product. The product must be enclosed and kept safe from the surrounding environment. The second part of this function is of course similar to protection, but specifically the containment function refers to the activity of collecting things in an assembled unit.
  2. Protection: the protection function of packaging consists in safeguarding the contents from the action of external sources of all kinds and vice-versa. Damages to the content may be brought about by physical, chemical, microbiological and climate factors. Packaging also provides protection solutions for operators who carry dangerous substances and materials.
  3. Subdivision: this function allows, given a quantity of product, to provide control and support for an appropriate use of the product itself. Subdividing the product using packaging helps the output from large-scale industrial production dividing products into manageable sizes and portions.
  4. Unitizing: this is a function which includes consolidation or reunification of several units.
  5. User-friendliness: the main purpose of this function is making the use of packaging and its contents practical and convenient. User-friendliness is therefore linked to the unitizing and subdivision functions. The combined action of these three functions is therefore making handling easier and packaging the product in sizes and quantities appropriate for its use, depending on the various stages of its life cycle. The way in which the following aims may reached are practically infinite.
  6. Information: Packaging is the interface between product and logistics and between product and end user or other users. The information function is therefore fundamental for packaging.
  7. Communication: packaging is a means of communication between the owner of a brand and its end user. The communication function if a fundamental activity, integrated in all others performed by the marketing function. Communication is also the final logical step of all other functions examined so far.

Sustainable development and packaging design

Among the most challenging objectives, envisaged by sustainable development, we should point out:

  • Safeguarding limited natural resources;
  • Stabilizing the concentration of greenhouse gases, so as to mitigate climate changes.

A large share of the use of natural resources and of the emissions of greenhouse gases is due to the production of mass-market consumer goods.

In such a context, packaging may provide a solution to the above-mentioned problems (rather than be one of their causes), providing solutions dedicated to the distribution of food, water and pharmaceuticals for populations in distress.

Another challenge, strictly linked to the use of packaging, is the pollution deriving from plastic dumped into the oceans or in landfills, which is estimated as more than 6.5 million tons per year.

A large share of this waste, originating from discarded packaging, is created using scarce resources. A reduction in the emissions of greenhouse gas due to the production of these wrappings may be achieved using renewable or recyclable raw materials, while safeguarding and using accurately the limited natural resources available. A blatant example is provided by the current progress in PET recycling technologies. This material, widely used in the food industry, may be recycled (Photo 1) to produce other objects and containers for non-food use (both with chemical and mechanical means) or de-polymerized (brought back to its original monomeric state) then purified and used again in the food industry.

PET may also be disposed of by using bacteria which digest plastic, such as Ideonella Sakaiensis.

A further challenge, linked to the sustainable development of packaging, concerns the transportation of consumer products, a cause of such problems as exhaust fumes pollution, congestion of urban traffic and noise pollution. Critical packaging issues in this context are weight and volume, whose reduction is the target function which could be optimized in order to reach a sustainable solution.

Based on what has been said so far it is worth remembering the universally accepted definition of sustainable development. A first version was provided in 1987 in the Brundtland report provided by the World Commission on the Environment and Development (WCED): “sustainable development is development which satisfies the needs of the present without jeopardizing the possibility for future generations of satisfying theirs”.

Further initiatives following those by the WCED led in 2015 to the definition of the Objectives for Development in the new Millennium on the part of the United Nations. Purposes and aims defined for sustainable development are shown in Figure 1.

A first consequence of sustainable development applied to packaging concerns the processes and engineering of machines used to pack products, especially food and beverages. A remarkable example, which sums up and includes all of the properties of sustainable development, is provided by the following solution widely used for packing liquids with a long shelf life: TetraBrik® Aseptic by Tetra Pak, the multinational food processing and packaging company founded in Sweden in 1951 and part of the Tetra Laval group.

One of the most widely used combinations of this product is TetraBrik®Aseptic 1000 Edge with LightCapTM 30 seal. This product represents one of the best examples of sustainable design in the packaging field, as more than 80% of its components are vegetable in origin and come from renewable sources. TetraBrik®Aseptic is manufactured using a multi-layered material (Figure 2).

The layers which make up the material are made using aluminium (which can be recycled with positive effects on the environment, a standpoint also upheld by the Aluminium Packaging Consortium) and wood fibres, while the polymer layers are derived from sugar cane. The same sugar cane polymers are also used to obtain the vegetable version of the LightCapTM 30 seal.

This solution received several international awards, including the prize in the sustainability category conferred by the Royal Belgian Committee and the highest certification class awarded by the international evaluation organization, Vinçotte. Obtaining such a result in the sustainable packaging design domain (and in its engineering) is the result of a highly multidisciplinary approach. Critical design issues include, for instance, the requisites of containment, protection and user-friendliness applied to the LightCapTM 30 seal. Designing this type of seal requires the support of the latest CAE systems, necessary for the design check phases of a two-step type screw cap with a membrane, which may be resealed, with a low cost and anti-tampering properties. Such numerical simulation systems are also necessary on account of the modelling in the mechanical compartment of the vegetable materials used, characterized by marked anisotropy both in the areas where the cap’s thread is in use and in the areas subject to folding and sealing. An interesting study of the modelling of the liquid packaging process was presented by Moxoff SpA, a spin-off of the Modelling and scientific calculation laboratory of Milan’s Polytechnic. Figure 7 shows the post-processing of the results of a simulation of a fluid-structure interaction.

Sustainable design in the packaging industry affected considerably even the production of filling machines. Photo 3shows TetraPak A3/Speed, considered the fastest beverage filling machine in the world. This machine provides the highest productivity in the industry, with minimal operation costs and high food safety standards. For this type of machine, it is frequent to resort to kinematic couplings with remarkable properties in terms of protection from overload and collisions. Such filling machines are characterized by continuous production with high automation levels, so as to guarantee uniform and repeatable quality levels, especially with reference to the seals of the previously examined multilayered materials. Given the unusual and varied mechanical behaviour of these materials (also due to its vegetable origin), the kinematic coupling which acts as torque limiter will have to be characterized by low inertia and by a wide range of gauging possibility of the limiting torque value, so as to protect both the kinematic chain and the component material. The above-mentioned continuity, along with the high productivity rates is referred to the transformation of the material into the product chosen when the production is prepared. In the specific case of the TetraPak A3/Speed machine the use of proprietor technologies for the transfer of induction energy enhances even further the importance of a correct choice of kinematic coupling, also considering the need to limit components’ wear.

The role of components suppliers

Such a complex activity as sustainable design in the food packaging industry may find a valid support in the suppliers of components. This is the case with R+W, leading manufacturer of couplings and line shafts, capable of placing their experience at the designer’s service.

In the sustainable food packaging design sector, R+W provides a complete range of solutions for all torque transmission and limitation demands, such as: BK series metal bellows couplings, EK series elastomer couplings, SK series torque limiters and ZA and EZ series line shafts.

BK metal bellows couplings, accurate and backlash-free, are highly appreciated for their low inertia momentum, the total absence of maintenance requirements, the practically infinite working life and especially the total reliability.

EK elastomer couplings combine high flexibility and good resistance. They buffer vibrations and impacts compensating for shaft misalignments.

Many elements affect the design of elastomer couplings: factors such as load, starting and temperature determine the duration of the insert. The elastomer element is available in different Shore hardness values, which always allows to find a suitable compromise between buffering properties, torsional rigidity and correction of misalignments for the best part of applications.

SK torque limiters, totally backlash free, allow to protect the motor system in case of overload, disconnecting the driven part within a few milliseconds. These very accurate couplings transmit torque with great accuracy and only come into play if the need really arises. Besides, they allow a fast and easy reassembly as soon as the cause of the overload is removed.

Line shafts in the ZA-EZ are ideal for connections with great distances between axes, which is often the case in food packaging machines. They are easy to assemble and disassemble without having to move or align the elements that need to be connected. R+W offers line shafts as much as 6 metres long, which do not require intermediate support. Available in special versions as regards materials, tolerance, size and performance, R+W line shafts, if correctly chosen and assembled, do not require any maintenance and last practically forever.

R+W Italia is an ideal business partner supplying couplings, line shafts and torque limiters, both standard versions and special solutions developed upon clients’ specific requests with the aim of providing the ideal coupling for every application; the vast product range includes solutions for every requirement.

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