Actualización de una operación de empaque con una ensacadora automatizada y un paletizador robotizado

Actualización de una operación de empaque con una ensacadora automatizada y un paletizador robotizado

Un molino de maíz automatiza su línea de ensacado y paletizado para mejorar las velocidades de producción y disminuir los costos de mano de obra.

Agricor Inc., Marion, IN, ha distribuido productos de maíz molido seco desde 1983. La empresa compra maíz amarillo a agricultores locales y silos de cereales con elevadores, y luego lo muele en moyuelos de maíz desgerminados, harina de maíz y almidón de maíz. Los productos se empacan en contenedores a granel, como en sacos para productos a granel y vagones tolva, o en bolsas de 23 kg y 45 kg (50 y 100 libras). Éstos se envían a diversas empresas internacionales, EE.UU. y Canadá para su uso en productos industriales y alimenticios. En el pasado, la empresa ensacaba y paletizaba de manera manual las bolsas pequeñas. No obstante, este método era ineficiente, requería mucha mano de obra y era polvoriento, por lo que la empresa decidió automatizarlo.

Empaque de diferentes productos

La empresa muele anualmente más de cinco millones de fanegas de maíz en moyuelos (producto granulado grueso), harina de maíz (producto granulado más fino) y almidón de maíz (polvo fino). Debido a que cada producto tiene densidades y volúmenes a granel diferentes, la empresa utiliza tres tamaños de bolsas de 45 kg (100 libras) y dos tamaños de bolsas de 23 kg (50 libras) cuando ensaca los diversos productos. Los moyuelos de maíz se colocan en lo que la empresa denomina una bolsa regular de 45 kg (100 libras), la harina de maíz se coloca en una bolsa de 45 kg (100 libras) y el almidón de maíz en una bolsa de 45 kg (100 libras) incluso más grande. La empresa también empaca los moyuelos de maíz y la harina de maíz en bolsas regulares de 23 kg (50 libras) y el almidón de maíz en una bolsa de 23 kg (50 libras) más grande.

En el pasado, ensacar y paletizar manualmente los productos requería de cuatro a seis operadores por turno, según el tamaño de la bolsa que se estaba llenando. Un operador movía las bolsas llenas por un sellador de bolsas, entre uno y tres operadores apilaban las bolsas en una bandeja de carga, un operador limpiaba cualquier derrame o polvo y volvía a llenar el cargador de bolsas vacías de la ensacadora y un operador manejaba el montacargas de horquilla que movía bandejas de carga completas al depósito.

Para ensacar un producto, primero un operador cargaba el cargador de bolsas vacías de la ensacadora con el tamaño de bolsa adecuado, fijaba la báscula de la ensacadora para pesar la cantidad de producto aproximada y comenzaba con el ensacado. La ensacadora colocaba automáticamente una bolsa vacía en el conducto de llenado de bolsas, pesaba el producto (que había pasado por un imán de tierra rara en línea para garantizar la pureza del producto), lo dejaba caer en la bolsa y luego soltaba la bolsa llena desde el conducto hacia un transportador. El transportador movía las bolsas llenas a la estación de sellado de bolsas, donde un operador las hacía pasar por un sellador. Las bolsas selladas eran transportadas a una estación de paletizado, donde operadores las ubicaban sobre una bandeja de carga en un patrón de apilamiento determinado por el tamaño de la bolsa. Para garantizar que las bolsas cargadas en la bandeja de carga tuvieran los requisitos de peso, un operador colocaba la primera bolsa de cada bandeja de carga en una báscula de plataforma para verificar el peso y luego, si era necesario, ajustaba la ensacadora para llenar otras bolsas con más o menos producto.

Problemas con el ensacado y paletizado

Cuando se ensacaban y paletizaban manualmente diversos productos, la empresa podía producir bolsas regulares y de harina de maíz de 45 kg (100 libras) a 5 bolsas por minuto, bolsas de almidón de maíz de 45 kg (100 libras) a 3 bolsas por minuto, bolsas regulares de 23 kg (50 libras) a 7 bolsas por minuto y bolsas de almidón de maíz de 23 kg (50 libras) a 4 bolsas por minuto. Sin embargo, para mantener este nivel de producción y continuar cumpliendo las demandas de los clientes, la empresa generalmente tenía que operar tres turnos al día, seis días a la semana y contratar hasta dos empleados temporales por turno.

“Básicamente lanzábamos mano de obra al problema de producción”, señala Jack Jones, supervisor del depósito y empaque de Agricor. “Para las bolsas de 45 kg (100 libras) teníamos a un operador utilizando la máquina que ayudaba con el apilamiento en la bandeja de carga. Para las bolsas de cuarenta y cinco kilogramos (cincuenta libras), necesitábamos dos operadores para que las apilaran manualmente y en períodos de empaque más ocupados, usábamos a tres. Para minimizar el riesgo asociado con la manipulación de tantas bolsas, durante cada turno hacíamos rotar de manera rutinaria a los operadores por las estaciones de operación de la línea de ensacado y paletizado. En retrospectiva, fuimos muy afortunados de no haber tenido problemas de ergonomía mientras se manipulaban las bolsas de forma manual, pero siempre fue un factor que nos preocupaba”.

De acuerdo con Steve Wickes, presidente de Agricor, otro problema fue que “la precisión de llenado de la ensacadora variaba un poco. El peso de los moyuelos de maíz y la harina de maíz variaba cerca de 454 gramos (una libra) del peso establecido de la bolsa y el peso del almidón de maíz variaba considerablemente más que eso. Ya que nos equivocábamos generalmente al llenar en exceso las bolsas, perdíamos productos con prácticamente todas las bolsas que llenábamos, lo que redujo nuestro margen de ganancias”.

La empresa necesitaba mejorar sus operaciones de ensacado y paletizado, especialmente si deseaba continuar aumentando su base de clientes. “No podíamos aumentar la producción porque ya operábamos la línea de empaque a toda capacidad, de forma que estábamos básicamente paralizados”, señala Wickes. “También necesitábamos mejorar la precisión de llenado de bolsas para minimizar la pérdida de productos y disminuir la cantidad de operadores y el tiempo necesario para ensacar y paletizar los productos. Así que decidimos automatizar completamente la línea de empaque y actualizar los equipos de detección de metal para garantizar de mejor manera la pureza del producto”.

En busca de opciones de automatización

Wickes y Jones se comunicaron con diversos proveedores de equipos de ensacado y paletizado. “Les dijimos que buscábamos una ensacadora, un sellador de bolsas y un paletizador robotizado automatizados que pudiesen manipular los tres productos sin necesidad de ajustes demorosos entre el paso de los productos”, señala Jones. “También les dijimos que el equipo de la línea de empaque se debía instalar en un área con una superficie de piso limitada y que probablemente tendrían que personalizar el diseño de la línea de transporte y los equipos para ajustar todo en esa área pequeña. Además, el sacar el equipo antiguo e instalar el nuevo tenía que hacerse dentro de un marco de tiempo bastante corto, ya que debíamos mantener nuestro programa de producción. Básicamente, el proveedor solamente tenía dos fines de semana consecutivos, o cerca de noventa y seis horas, para instalar toda la línea de empaque”.

Entre las ofertas competitivas, un proveedor sobresalió luego que Wickes y Jones compararon los diversos elementos de cada propuesta. “Vimos los costos de instalación y de equipos, la calidad de éstos últimos, el diseño de los sistemas, la filosofía de gestión de proyectos y los servicios de seguimiento de cada proveedor y concluimos que solamente un solo proveedor tenía el paquete que más de adecuaba a nuestra aplicación y presupuesto”, señala Wickes. “Antes de tomar nuestra decisión final, enviamos los tres productos a la instalación de prueba del proveedor para realizar pruebas y visitamos una de sus instalaciones en Toronto, además hablamos con otro de sus clientes en Saskatchewan. Las pruebas demostraron que su ensacadora podía manipular fácilmente los tres productos y sólo recibíamos comentarios positivos de los clientes con quienes hablamos, así que decidimos comprar una ensacadora de boca abierta automatizada con un sellador de bolsas automático y un paletizador robotizado programable al proveedor”.

El proveedor, Industrial Equipment Group (IEG) de Premier Tech, Rivière-du-Loup, Quebec, diseña y fabrica equipos y sistemas automatizados de empaque, paletizado, dosificación y enfardado para manipular productos sólidos secos a granel.

La ensacadora automatizada y la celda robotizada de paletizado

La ensacadora de alta velocidad, serie PTK-1700, ensaca materiales en gránulos o en polvo (incluidos minerales, sustancias químicas, alimento y alimento para animales) en bolsas de papel de boca abierta, polietileno (PE) y polipropileno (PP) tejido (de tipo almohada o con pliegues) a velocidades de hasta 25 bolsas por minuto, según el tamaño de la bolsa y el material. La plataforma modular de la ensacadora se puede configurar para adaptarse a diversas aplicaciones; además, su diseño típico requiere cerca de 3,925 milímetros (154,5 pulgadas) por 5,080 milímetros (199,75 pulgadas) de superficie de piso y 2,565 milímetros (101 pulgadas) de altura libre. La ensacadora cuenta con superficies de contacto con el producto de acero inoxidable y proporciona ensacado sin polvo con control total de las bolsas para aplicaciones higiénicas y de tipo alimentario. También proporciona una transferencia rápida y confiable de bolsas llenas al sistema de sellado de bolsas automatizado.

La ensacadora, que está diseñada para usarse en entornos polvorientos, se acciona mediante motores eléctricos TEFC (totalmente cerrados enfriados por ventilador) y utiliza un sistema de control Allen-Bradley que se ubica en un gabinete NEMA 12. El PLC de la ensacadora cuenta con una interfaz de operador fácil de usar con pantalla táctil que permite una fácil solución de problemas y lectura de códigos de error; su software de autodiagnóstico tiene enclavamientos de parada de emergencia para garantizar la seguridad del operador durante el funcionamiento. El sistema de control de báscula integrado de la ensacadora proporciona constantemente pesajes precisos del material y su cargador de bolsas de apilamiento múltiple permite una recarga y cambios de tamaños de bolsas rápidos.

La celda robotizada de paletizado, serie AR-200, puede reunir simultáneamente bolsas de hasta cuatro líneas de productos diferentes y paletizar hasta 28 bolsas por minuto, según las características de la bolsa, la altura de la bandeja de carga, la configuración de disposición y otros factores. Para la aplicación de Agricor, el proveedor configuró el paletizador para reunir bolsas de solamente una línea de productos, debido a la superficie de piso limitada. Con esta configuración, la disposición típica de la celda de paletizado requiere cerca de 10,617 milímetros (418 pulgadas) por 9,423 milímetros (371 pulgadas) de superficie de piso.

En el controlador robotizado se ubica un PLC con una interfaz de usuario fácil de usar que utiliza una caja de comandos de gráficos a color. Ésta muestra los equipos en 3D y los planos de disposición para una fácil operación en el modo manual. La interfaz también muestra fórmulas guardadas que un operador puede utilizar rápidamente para cambiar el tamaño de la bolsa y el patrón de paletizado. Cuando se programa para crear una capa de bolsa de 1.000 por 1.200 milímetros (40 por 48 pulgadas), el paletizador puede cargar una bandeja de carga completamente con bolsas apiladas de hasta 2.640 milímetros (104 pulgadas) de alto. El paletizador puede crear una capa de bolsa de hasta 1.525 por 1.830 milímetros (60 por 72 pulgadas) y tiene una capacidad de carga máxima de 2.000 kilogramos (4.400 libras).

El paletizador automatizado coloca automáticamente las bandejas de carga vacías y las hojas deslizables; su brazo robotizado tiene una pinza equipada con un sistema de ajuste automático del ancho de la bolsa. Esto permite manipular fácilmente tamaños de bolsas de 230 a 585 milímetros (9 a 23 pulgadas) de ancho, 330 a 990 milímetros (13 a 39 pulgadas) de largo y 40 a 150 milímetros (1,5 a 6 pulgadas) de grueso, además de pesos de bolsas de hasta 80 kilogramos (176 libras). El brazo robotizado también se puede adaptar con pinzas personalizadas para manipular fardos, empaques, cajas, embalajes y otros contenedores.

El PLC del sistema de paletizado utiliza software de protección contra colisiones para evitar daños accidentales a la pinza del brazo robotizado y otros equipos. Asimismo, la celda robotizada de paletizado está rodeada con cercas de seguridad de 2,4 metros de alto (8 pies de alto), con puertas de acceso en enclavamiento para garantizar la seguridad del operador durante la operación. Éstas y otras características garantizan que la celda robotizada de paletizado cumpla las normas de seguridad ANSI/RIA 15.06 y CSA Z-434-03.

Instalación del equipo de empaque

La empresa contrato a un operador de máquinas local (Industrial Maintenance Specialists) y a un contratista de electricidad (Rex Collins Electric) para instalar los nuevos equipos. En la noche del viernes 15 de febrero de 2008, el equipo de operarios de máquinas, junto con los ingenieros del proveedor y los operadores de Agricor, comenzaron a retirar la ensacadora antigua de la planta. “Sacamos la ensacadora antigua e instalamos la nueva”, señala Jones, “y el siguiente fin de semana instalamos el paletizador robotizado, los transportadores y el resto de los equipos. Cumplimos con los horarios de instalación en ambos fines de semana y comenzamos a ensacar productos en la noche de ambos domingos. Fue un resultado impresionante ya que se tuvo que instalar todo correctamente; no teníamos espacio de sobra. De hecho, hay solamente ocho centímetros (tres pulgadas) de espacio entre el equipo y una de las paredes; así es de ajustado todo el sistema".

Para ensacar un producto utilizando una nueva línea de empaque automatizada, un operador primero debe cargar el cargador de bolsas vacías con las bolsas correspondientes. Después debe tener acceso al PLC de la ensacadora y buscar la fórmula adecuada para llenar las bolsas y luego debe tener acceso al PLC del paletizador robotizado y buscar la misma fórmula, la que le dice al paletizador qué patrón de apilamiento deberá usar cuando apile las bolsas.

Luego que el operador arranca la línea de producción, la unidad de recogida de la ensacadora levanta una bolsa vacía del cargador de bolsas vacías, ésta se estira y se coloca en el conducto de llenado hermético al polvo, un dispositivo de ajuste ayuda a desairear el producto mientras se llena la bolsa y, finalmente, la bolsa llena se transfiere al transportador del lado de salida, el que la mueve al sistema de sellado de bolsas y a la impresora a inyección de tinta.

La bolsa sale del sistema de sellado y un eyector de 90 grados la coloca con la parte inferior hacia delante, de modo que se aplane antes que la transporten por una balanza comprobadora de peso y luego por un detector de metales en línea. Toda bolsa que esté fuera del rango de precisión previamente establecido se retira automáticamente del sistema. “Retiramos el imán de tierra rara y ahora cada bolsa llena pasa por el detector de metales”, señala Wickes. “Si el detector identifica algo, apagará toda la línea de empaque, de forma que sabemos la bolsa exacta que contiene algún elemento. Retiramos la bolsa de la línea y pasamos el producto por el imán de tierra rara para encontrar que activó al detector y si necesitamos buscar si falta un perno o una pieza corriente arriba en el equipo. Es mucho más eficiente y eficaz realizar el proceso de esta forma".

Luego que la bolsa sale del detector de metales y el transportador la mueve a la celda robotizada de paletizado, la pinza del brazo robotizado la retira de la línea y la apila en una bandeja de carga en un patrón programado previamente. Cada tamaño de bolsa tiene un patrón de apilamiento y altura diferentes. Las bolsas de 45 kg (100 libras) se apilan en un patrón de tres bolsas por capa, con ocho capas de altura, mientras que las bolsas de 23 kg (50 libras) se apilan en un patrón de cinco bolsas por capa, con diez capas de alto. Para garantizar la estabilidad de la bandeja de carga, el paletizador robotizado alterna el patrón de apilamiento de cada capa.

Una vez terminada la bandeja de carga, se transporta hacia una enfardadora automática, donde se envuelve y fija para el transporte. La enfardadora tiene un fotosensor óptico que detecta la altura de la bandeja de carga, de forma que sabe cuando debe dejar de envolverla.

La empresa ahora requiere solamente a tres operadores por turno para que operen la línea de empaque: uno supervisa toda la maquinaria, otro limpia y el último conduce el montacargas de horquilla. Actualmente, la empresa ensaca bolsas regulares y de harina de maíz de 45 kg (100 libras) a una velocidad de 9 a 11 bolsas por minuto, bolsas de almidón de maíz de 45 kg (100 libras) de 7 a 9 bolsas por minuto, bolsas regulares de 23 kg (50 libras) a 15 bolsas por minuto y bolsas de almidón de maíz de 23 kg (50 libras) de 8 a 10 bolsas por minuto. La ensacadora tiene un rango de precisión de llenado de aproximadamente 113 gramos (4 onzas) para todos los tamaños de bolsas. Aun cuando el nivel de humedad atmosférica puede afectar la velocidad de flujo, debido a que el almidón de maíz absorbe humedad, haciéndolo más pegajoso y disminuyendo su velocidad, no afecta la precisión de pesaje de la ensacadora.

Mejora de las operaciones de empaque de la empresa

Desde la instalación de la nueva línea automatizada de ensacado y paletizado, la empresa ha reducido significativamente sus costos de operaciones y de mano de obra. “La nueva línea de empaque ensaca los productos tan rápido que sólo debemos operar dos turnos al día y cinco días a la semana para mantener nuestro programa de producción”, señala Wickes. “El paletizador robotizado ha disminuido nuestros costos de mano de obra ya que no necesitamos contratar empleados temporales durante la temporada ocupada para paletizar bolsas de 23 kg (50 libras). También eliminó los potenciales problemas de ergonomía relacionados con lo operadores que manipulaban tantas bolsas”.

La precisión del pesaje de la ensacadora ha mejorado el margen de ganancias de la empresa al disminuir la pérdida de producto. “Estamos satisfechos”, señala Jones. “El rango de precisión del peso de la bolsa es realmente estrecho; además, nuestros clientes están felices ya que obtienen exactamente la cantidad de producto que pidieron. Asimismo, el equipo de detección de metales ha mejorado nuestra tranquilidad, ya que sabemos que podemos garantizar la pureza de nuestros productos”.

Los puertos de recolección de polvo de la ensacadora se pueden conectar con un sistema de recolección de polvo, de forma que un tubo de liberación conectado con el recolector de polvo puede succionar todo el aire y el polvo desplazado que se genera durante el llenado, a medida que el producto se mueve por el conducto de llenado hacia una bolsa. “Esto ha mejorado el entorno de trabajo de la planta y ha disminuido los costos de orden y limpieza, porque hay menos polvo suelto en el aire”, señala Jones. “Cualquier producto recolectado por el colector de polvo ya no es de tipo alimentario, pero lo vendemos como alimento para animales, así que también vemos un beneficio en relación con el costo. La planta también está mucho más limpia debido a que el sellador de bolsas las sella constantemente y la línea de producción produce menos bolsas rotas que en el pasado”.

Tanto Wickes como Jones han estado satisfechos con la capacitación de operadores y el servicio de seguimiento luego de la instalación por parte del proveedor. “Los ingenieros del proveedor estuvieron muy bien al capacitar a nuestros operadores con los nuevos equipos y realmente aceleraron nuestros procesos”, señala Wickes. “Aun cuando ha sido una gran curva de aprendizaje, ya que la tecnología todavía es relativamente nueva para nosotros, mientras más utilizamos el sistema, más capacitados estamos en él. Ha sido fácil trabajar con el proveedor y también ha sido muy receptivo. Si alguna vez falla algo, su asistencia técnica está disponible hasta las diez de la noche, de modo que podemos llamarlo y obtener respuestas por teléfono, lo que ha sido muy útil”.