Equipment and method to measure the percentage of water in a mixture of glue and water: design and testing

The following thesis aims to study various possible methods for measuring the quantity of water in a mixture of water and glue in order to identify the most suitable system for the application in industrial bookbinding machinery. The input for this study was provided by two affiliated companies, Zetapunto and Zechini; the former is specialized in industrial automation, while the latter manufactures machinery for bookbinding and luxury packaging. The experimental campaign was conducted between March and September 2023 at the Zechini and Zetapunto factory in Vimodrone (MI). The research was conducted because, as of now, the only method to measure the quantity of water in a mixture of water and glue (used in a machine produced by Zechini) is to use a refractometer, a manual instrument that requires time and expertise. The operator using the Mephisto XL (the machine in question) must interrupt his activities to measure the quantity of water, and he must do it quite frequently because the water evaporates rather rapidly, due to the temperature of the mixture (70-75°C). In order to maintain the glue properties constant, the operator needs to stop two/three times per hour, to measure the quantity of water, and to add the necessary water to bring the percentage back to the optimal level. To increase the machine's productivity and, consequently, the customer satisfaction, Zechini has asked Zetapunto to automatize the entire process. The first step in achieving this goal coincides with the objective of this thesis, which is to understand how to automatically measure the quantity of water. The reference measurements used for comparison in all the experiments were obtained with the refractometer, and they were assumed to be representative of the exact amount of water present in the mixture. From an accurate analysis of the state of art, it emerged that many of Zechini's competitors have solved the problem on their machines similar to the Mephisto XL by using viscosity measurement systems. However, due to their secretiveness, it was not possible to understand the method or principle used by these systems. Among the various instruments experimented within this project, there are also two viscometers based on two different principles. In order to achieve the thesis objective, three different operating principles were tested: 1) Measurement of the current absorption of an electric motor with a stirrer immersed in the mixture (also suggested by an expired patent). In addition to an existing viscometer (produced by MCGS), different types of motors were experimented, coupled with two different stirrers, a disk and a blade. 2) Measurement with a vibrating pin; for this principle, only one existing viscometer produced by GAMA was tested. 3) Measurement of the electric resistance using a hygrometer appositely modified. Before moving on to the actual experimentation phase, two additional steps were necessary. First, the definition of a testing procedure was required in order to have the same conditions and be able to compare the results obtained. After that, the design and consequent production of all the mechanical components needed for carrying out the tests were completed. Finally, at the end of the experimentation phase, a careful analysis of the results allowed recognising that the system considered most suitable for the project's purpose is the viscosity measurement using the GAMA’s viscometer, which utilizes a vibrating pin.

La seguente tesi si pone come obiettivo lo studio di alcuni possibili metodi di misurazione della quantità di acqua in un miscuglio di acqua e colla, al fine di identificare il sistema più adatto per l’applicazione ad un macchinario industriale adibito alla cartotecnica. L’input di questo studio è stato fornito dalle aziende Zetapunto e Zechini, società affiliate tra loro; la prima si occupa di automazione industriale, mentre la seconda produce macchinari per legatoria e packaging di lusso. La campagna sperimentale è stata condotta tra marzo e settembre 2023 presso la sede di Zechini e Zetapunto, situata a Vimodrone (MI). La ricerca è stata effettuata poiché, ad oggi, l’unico metodo per misurare la quantità di acqua presente in un miscuglio di acqua e colla (che viene utilizzato in un macchinario prodotto da Zechini) è utilizzare un refrattometro, uno strumento manuale che richiede tempo ed esperienza. L’operatore che utilizza la Mephisto XL (la macchina in questione) deve interrompere le sue attività per misurare la quantità di acqua, e deve farlo abbastanza di frequente, poiché il miscuglio è mantenuto ad una temperatura costante di 70-75°C, quindi l’acqua evapora piuttosto rapidamente. Al fine di mantenere costanti le proprietà della colla, è necessario che due/tre volte ogni ora l’operatore si interrompa, misuri la quantità di acqua, ed aggiunga l’acqua necessaria per riportarne la percentuale al livello ottimale. Al fine di incrementare la produttività della macchina ed aumentare perciò la soddisfazione dei clienti, Zechini ha chiesto a Zetapunto di automatizzare l’intero processo. Il primo passo per raggiungere questo scopo coincide con l’obiettivo della presente tesi, ed è capire in che modo è possibile misurare in maniera automatica la quantità di acqua. La misura di riferimento utilizzata come confronto in tutti gli esperimenti è quella fornita dal refrattometro, che si assume rispecchi esattamente la reale quantità di acqua presente nel miscuglio. Da una attenta analisi dello stato dell’arte, è emerso che molti dei competitors di Zechini hanno risolto il problema sui loro macchinari analoghi alla Mephisto XL utilizzando dei sistemi per la misurazione della viscosità. A causa della loro riservatezza non è stato però possibile capire il metodo o il principio utilizzato da questi sistemi. Tra i vari strumenti sperimentati in questo progetto, sono presenti perciò anche due viscosimetri funzionanti con due diversi principi. Al fine di raggiungere l’obiettivo della tesi, sono stati testati tre differenti principi di funzionamento: 1) La misurazione della corrente assorbita da un motore elettrico con un agitatore immerso nel miscuglio (principio suggerito anche da un brevetto attualmente scaduto). Oltre a un viscosimetro esistente (prodotto da MCGS), sono stati sperimentati diversi tipi di motori accoppiati a due differenti agitatori: un disco ed una paletta. 2) La misurazione con un perno vibrante; per questo principio è stato sperimentato solo un viscosimetro esistente prodotto da GAMA. 3) La misurazione della resistenza elettrica, attraverso l’utilizzo di un igrometro opportunamente modificato. Prima di poter passare alla fase di sperimentazione vera e propria, sono stati necessari due ulteriori passaggi: per prima cosa la definizione di una procedura esecutiva degli esperimenti, cosicché da avere le stesse condizioni e poter quindi confrontare i risultati ottenuti. Dopodiché è stata svolta la progettazione e conseguente realizzazione di tutti i componenti meccanici indispensabili per l’attuazione dei test. Infine, al termine della fase di sperimentazione, una attenta analisi dei risultati ha permesso di riconoscere che il sistema ritenuto più adatto per lo scopo del progetto è la misurazione della viscosità tramite il viscosimetro GAMA, che utilizza un perno vibrante.