Modelling of plastic film welding process for coffee capsules

Welding process of the coffee capsule occurs by heat sealing, in which there are some fundamental parameters, i.e. contact time between heated punch and film, tool's temperature and pressure exerted. Another important parameter regulating the process is the melting temperature of capsule and film's polymers. Combining the main parameters of thermal welding and knowing thermal characteristics of the polymers it is possible to obtain a good welding. Heat sealing is resistant when both polymers in contact (capsule and film) reach the molten state, in this way when the polymeric chains cool down, they result in a very strong bond. Achievement of the molten state between the capsule interfaces depends on many parameters, i.e. punch temperature and geometry, welding pressure at the capsule interface and heat losses. Thus, the process has been modelled taking into account the three main parameters (time, temperature and pressure), punch geometry, thermal contacts resistance between punch and film and mechanical and thermal characteristics of the studied components. Finite element model have been developed analysing heat propagation inside capsule and film and providing different scenarios about the effect of the main influencing parameters. Moreover, a setup has been designed in order to test the effect of temperature and pressure on the capsule welding. The design has been carried out by means of finite element analyses aimed to verify mechanical resistance and dynamic behaviour of the supports for the capsule and selected sensors.

Il processo di saldatura delle capsule del caffè avviene per termosaldatura, i cui parametri fondamentali sono: il tempo di contatto tra punzone e pellicola, la temperatura del punzone e pressione esercitata. Un altro parametro importante che regola il processo è la temperatura di rammollimento dei polimeri che compongono capsula e pellicola. Combinando i tre parametri fondamentali della termosaldatura e conoscendo le caratteristiche termiche dei polimeri è possibile ottenere una saldatura efficace. La termosaldatura risulta resistente quando i due polimeri a contatto (capsula e pellicola) raggiungono lo stato fuso, in questo modo le catene polimeriche raffreddandosi creano un legame molto forte. Il raggiungimento dello stato fuso nell'interfaccia con la capsula dipende da diversi parametri, quali la temperatura del punzone e la sua geometria, la pressione di saldatura nell'interfaccia tra capsula e pellicola e le perdite di calore. Quindi il processo è stato modellato tenendo conto dei tre parametri fondamentali (tempo, temperatura e pressione), della geometria del punzone, della resistenza termica di contatto tra punzone e pellicola e delle caratteristiche meccaniche e termiche dei componenti in esame. Il modello a elementi finiti è stato sviluppato analizzando la propagazione del calore all'interno della capsula e della pellicola e fornendo diversi scenari sull'effetto dei principali parametri di influenza. Inoltre è stato progettato un equipaggiamento così da poter testare l'effetto della temperatura e della pressione sulla saldatura delle capsule. La progettazione è stata eseguita con l'ausilio dell'analisi a elementi finiti che ha permesso di verificare la resistenza meccanica e il comportamento dinamico dei supporti per le capsule e dei sensori scelti.