เครื่องเป่าฟิล์มหลายชั้นเพื่อการป้องกันผลิตภัณฑ์ที่ดียิ่งขึ้น

หลักการทำงานของเครื่องเป่าฟิล์มหลายชั้นและเหตุผลที่สำคัญ

หลักการทางวิทยาศาสตร์เบื้องหลังเทคโนโลยีร่วมอัดรีดในเครื่องเป่าฟิล์ม

เครื่องเป่าฟิล์มหลายชั้นทำงานโดยใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่า การรีดขึ้นรูปแบบร่วม (co-extrusion) เพื่อผสมพลาสติกหลอมเหลวชนิดต่างๆ เข้าด้วยกันเป็นวัสดุฟิล์มขั้นสูงชนิดหนึ่ง เครื่องรีดจำนวนหลายเครื่องจะทำงานพร้อมกันเพื่อให้ความร้อนกับพลาสติกชนิดต่างๆ เช่น โพลีเอทิลีน (PE), โพลีเอไมด์ (PA) และบางครั้งคือ เอทิลีน ไวนิล แอลกอฮอล์ (EVOH) ที่อุณหภูมิที่เหมาะสม ก่อนที่จะถูกนำมารวมกันผ่านหัวแม่พิมพ์พิเศษที่มีหลายช่องทาง สิ่งที่ทำให้กระบวนการนี้สามารถยึดเกาะกันได้อย่างมั่นคงคือ ชั้นยึดเกาะพิเศษ (tie layers) ที่ทำจากพอลิเมอร์ชนิดกาว ซึ่งช่วยยึดทุกอย่างเข้าด้วยกันแม้ว่าวัสดุพื้นฐานเหล่านั้นจะไม่สามารถผสมกันได้ตามปกติ ตัวอย่างเช่น EVOH มีคุณสมบัติในการต้านทานออกซิเจนได้อย่างยอดเยี่ยม แต่จำเป็นต้องได้รับการป้องกันจากความชื้น ดังนั้นผู้ผลิตจึงวางชั้น EVOH ไว้ระหว่างชั้นของ PE ซึ่งมีคุณสมบัติต้านทานน้ำ เพื่อรักษาโครงสร้างทั้งหมดให้มั่นคงแข็งแรง โดยไม่มีความเสี่ยงที่ชั้นต่างๆ จะแยกตัวออกจากกันในระยะยาว

ส่วนประกอบสำคัญและการจัดเรียงชั้น (5 ชั้นขึ้นไป)

ระบบทันสมัยมาพร้อมการออกแบบแบบโมดูลาร์ที่มี:

• การจัดเรียง 5 ชั้น : มักมีโครงสร้างเป็นซีลแลนต์/ไทด์/ชั้นกันความชื้น/ไทด์/ชั้นป้องกัน
• เครื่องจักรแบบ 7 ถึง 9 ชั้น : เพิ่มชั้นพิเศษเพื่อป้องกันรังสียูวี คุณสมบัติต้านไฟฟ้าสถิต หรือเนื้อวัสดุรีไซเคิล
  ส่วนประกอบที่จำเป็น ได้แก่ เครื่องอัดรีดแบบเกียร์ดาวเคราะห์เพื่อการไหลหลอมอย่างสม่ำเสมอ ฟีดบล็อกแบบปรับได้เพื่อควบคุมความหนาของชั้นอย่างแม่นยำ และวงแหวนระบายความร้อนแบบสองชั้นที่ช่วยให้ฟิล์มฟองมีเสถียรภาพ การศึกษาด้านการแปรรูปโพลิเมอร์ในปี 2023 พบว่า ฟิล์ม 9 ชั้นสามารถลดของเสียวัสดุได้ 18% เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบ 3 ชั้นทั่วไป โดยการกระจายชั้นอย่างเหมาะสม

ข้อได้เปรียบเหนือฟิล์มชั้นเดียวในการประยุกต์ใช้งานอุตสาหกรรม

ด้วยการรวมหลายวัสดุเข้าไว้ในกระบวนการผลิตเพียงครั้งเดียว ฟิล์มหลายชั้นจึงให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่า:

คุณสมบัติการเป็นฉนวนกั้นที่เหนือกว่าของฟิล์มหลายชั้นเพื่อการป้องกันผลิตภัณฑ์

เครื่องจักรเป่าฟิล์มรุ่นล่าสุดสามารถผลิตฟิล์มหลายชั้นที่มีคุณสมบัติการป้องกันได้อย่างยอดเยี่ยม วัสดุขั้นสูงเหล่านี้มักจะรวมถึง EVOH ซึ่งต้านทานออกซิเจน, PA ที่เพิ่มความแข็งแรงเชิงกลพลศาสตร์ รวมทั้งชั้นพิเศษที่เรียกว่า tie layers ที่ช่วยให้วัสดุทุกชั้นยึดติดกันอย่างเหมาะสม ผลลัพธ์ที่ได้คือ อัตราการซึมผ่านของออกซิเจนลดลงประมาณหนึ่งหมื่นเท่า เมื่อเทียบกับฟิล์มชั้นเดียวทั่วไป สิ่งที่ทำให้ฟิล์มเหล่านี้มีประโยชน์มากคือความสามารถในการกันความชื้นได้อย่างดีเยี่ยม โดยไม่สูญเสียความยืดหยุ่น ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมบริษัทจำนวนมากในภาคเภสัชกรรมและอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์อาหารจึงเริ่มเปลี่ยนมาใช้ฟิล์มคอมโพสิตชนิดนี้สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการการป้องกันเป็นพิเศษ

บทบาทของ EVOH, PA และชั้น Tie Layers ในการต้านทานความชื้นและออกซิเจน

โครงสร้างผลึกของ EVOH สร้างการป้องกันการซึมผ่านของออกซิเจนได้เกือบสมบูรณ์ ในขณะที่ PA เพิ่มความแข็งแรงต่อการถูกเจาะ และรักษาความคงทนของรูปร่างภายใต้แรงกดดัน ชั้นเชื่อมเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นกาวทางเคมีระหว่างวัสดุพอลิเมอร์ต่างชนิดกัน ป้องกันไม่ให้วัสดุเหล่านั้นแยกจากกันในกระบวนการผลิตที่ความเร็วสูง การใช้งานบรรจุภัณฑ์ส่วนใหญ่มักใช้โครงสร้างแบบห้าชั้น เช่น PE ตามด้วยชั้นเชื่อม แล้วตามด้วย EVOH อีกหนึ่งชั้นเชื่อม และสุดท้ายคือ PE อีกครั้ง โครงสร้างนี้ช่วยลดการสูญเสียความชื้นลงประมาณ 92 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับฟิล์มพอลิเอทิลีนแบบชั้นเดียวทั่วไป สิ่งที่ทำให้โครงสร้างนี้ได้รับความนิยมอย่างมากคือการผสมผสานราคาที่เหมาะสมกับคุณสมบัติการเป็นเกราะกั้นที่ยอดเยี่ยม ซึ่งเป็นสิ่งที่ผู้ผลิตมองหาอยู่เสมอในการเลือกวัสดุ

การยืดอายุการเก็บรักษาในบรรจุภัณฑ์อาหารและยา

ในเนื้อสัตว์ที่บรรจุสุญญากาศ ฟิล์มหลายชั้นช่วยรักษาระดับออกซิเจนให้อยู่ต่ำกว่า 0.01% ซึ่งช่วยยืดอายุการเก็บรักษาโดย 30–50%โดยการยับยั้งการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ สำหรับบรรจุภัณฑ์ยาแบบบลิสเตอร์ เนื้อวัสดุกันความชื้นที่ใช้ EVOH จะช่วยปกป้องตัวยาที่ไวต่อความชื้น ลดการสูญเสียจากความเสียหายเนื่องจากความชื้นได้ $2.6B ต่อปี (รายงานบรรจุภัณฑ์ยา ปี 2024)

การถ่วงดุลระหว่างความยั่งยืนกับข้อกำหนดด้านคุณสมบัติกันซึมประสิทธิภาพสูง

ผู้ผลิตปัจจุบันนำกลับมาใช้ใหม่ในสัดส่วน 30% ของวัสดุที่ผ่านการใช้งานแล้ว (post-consumer recycled content) มาใช้ในชั้น PE ด้านนอก โดยไม่ทำให้สมรรถนะการเป็นเกราะกันความชื้นลดลง ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีนาโนฟิล์มบางยังช่วยลดการใช้วัสดุได้เพิ่มเติม 18%ขณะยังคงรักษาระดับการป้องกันได้ตามเดิม – ซึ่งถูกนำเสนอในรายงาน การทบทวนวัสดุบรรจุภัณฑ์อย่างยั่งยืน ปี 2023 . แนวทางนี้ช่วยให้สามารถปฏิบัติตามมาตรฐาน FDA และ ISO 15378 ได้อย่างครบถ้วน พร้อมส่งเสริมการผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ความแม่นยำและประสิทธิภาพในกระบวนการร่วมอัดรีด

เครื่องเป่าฟิล์มขั้นสูงมั่นใจในความแม่นยำผ่านระบบการร่วมอัดรีดที่ควบคุมอย่างเข้มงวด การรักษาระดับอุณหภูมิของพอลิเมอร์หลอมเหลวภายในช่วง ±1.5°C และการปรับแต่งรูปทรงเรียวของสกรูให้เหมาะสม ทำให้การไหลของพอลิเมอร์สม่ำเสมอ ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผลิตฟิล์มที่ปราศจากข้อบกพร่อง สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมทางการแพทย์และอาหาร

มั่นใจในความสม่ำเสมอของพอลิเมอร์หลอมเหลวและการกระจายชั้นอย่างเท่าเทียม

เครื่องอัดรีดแบบสกรูคู่ประสิทธิภาพสูงที่มาพร้อมโซนผสมพิเศษ สามารถกำจัดแรงดันอุณหภูมิและป้องกันการเสื่อมสภาพของพอลิเมอร์ ซึ่งคิดเป็น 74% ของข้อบกพร่องในระบบที่มีเพียงชั้นเดียว (วารสารวิศวกรรมพลาสติก, 2023) เซ็นเซอร์ความหนืดแบบเรียลไทม์ปรับความเร็วของสกรูโดยอัตโนมัติตามความแตกต่างของเรซิน ทำให้สามารถควบคุมความหนาของชั้นได้ละเอียดถึง 0.5 ไมครอน

การออกแบบหัวตายขั้นสูงและการควบคุมการไหลเพื่อลดข้อบกพร่อง

แม่พิมพ์ไหลแบบรัศมีที่มีช่องภายในมากกว่า 15 ช่อง ช่วยลดความไม่เสถียรระหว่างชั้นลง 63% เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบดั้งเดิม ริมฝีปากแม่พิมพ์แบบปรับตัวได้จะแก้ไขการไหลที่ไม่สมดุลโดยอัตโนมัติ ช่วยลดข้อบกพร่องทั่วไป เช่น การแตกร้าวของเมลท์ และพื้นผิวปิดผนึกที่ไม่เรียบ

การตรวจสอบแบบเรียลไทม์และการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ

ระบบสเปกโทรสโกปีแบบบูรณาการวิเคราะห์องค์ประกอบของชั้นทุกๆ 200 มิลลิวินาที ทำให้สามารถปรับเปลี่ยนได้ทันทีเพื่อรักษากำแพงกันการซึมผ่านให้มีความสมบูรณ์ ระบบวงจรปิดนี้ช่วยป้องกันความคลาดเคลื่อนได้ 92% ในฟิล์มที่ต้องการการส่งผ่านออกซิเจนต่ำมาก (<0.01 กรัม/ตารางเมตร/วัน) เครื่องวัดความหนาแบบอัตโนมัติทำงานร่วมกันกับเครื่องม้วนเพื่อให้มั่นใจในความสม่ำเสมอของม้วน แม้ที่ความเร็วเกิน 400 เมตร/นาที

ระบบอัตโนมัติและนวัตกรรมอุปกรณ์ในเครื่องเป่าฟิล์มสมัยใหม่

การควบคุมความหนาแบบวงจรปิดและการปรับตั้งโดยใช้ปัญญาประดิษฐ์

ระบบควบคุมแบบวงจรปิดใช้การวัดค่าแบบเรียลไทม์เพื่อควบคุมช่องปรับได้อย่างอัตโนมัติ อัลกอริทึมปัญญาประดิษฐ์ประมวลผลข้อมูลได้สูงสุด 1,000 จุดต่อวินาทีเกี่ยวกับความหนืดของเนื้อพลาสติกหลอม ทำให้ลดความผันผวนของความหนาลงเหลือ ±3% บนฟิล์มกว้าง 8 เมตร เมื่อใช้งานร่วมกับเครื่องสแกนชั้นฟิล์มแบบอินฟราเรด ระบบนี้สามารถประหยัดวัสดุได้ถึง 18% เมื่อเทียบกับวิธีการควบคุมแบบแมนนวล พร้อมทั้งยังคงเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความแข็งแรงดึง

เซนเซอร์อัจฉริยะและการผสานรวมเข้ากับอุตสาหกรรม 4.0 เพื่อการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์

เซ็นเซอร์ตรวจจับการสั่นสะเทือนร่วมกับการถ่ายภาพความร้อนสามารถตรวจพบปัญหาที่แบริ่งได้ล่วงหน้าเป็นเวลานาน ก่อนที่จะเกิดความเสียหายจริงๆ บางครั้งล่วงหน้าได้ถึงสามวัน เมื่อระบบเหล่านี้เชื่อมต่อกันผ่านเทคโนโลยีอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่งในอุตสาหกรรม โรงงานต่างๆ จะประสบกับการหยุดทำงานโดยไม่คาดคิดลดลงประมาณ 41 เปอร์เซ็นต์ ตามรายงานจากงานวิจัยด้านเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์เมื่อปีที่แล้ว แผงควบคุมที่ติดตามการใช้พลังงานในพื้นที่ทำความร้อนต่างๆ ยังช่วยระบุจุดที่บริษัทสามารถประหยัดค่าไฟฟ้าได้อีกด้วย บางสถานประกอบการสามารถลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานได้เกือบ 22% เมื่อพิจารณาสายการผลิตที่ซับซ้อนซึ่งมีหลายขั้นตอนการดำเนินงาน

ลดของเสียและเวลาที่หยุดเดินเครื่องด้วยสายการผลิตแบบอัตโนมัติ

เวิร์กโฟลว์แบบอัตโนมัติในปัจจุบันผสานกระบวนการอบเรซิน การย้อมสี และการรีไซเคิลเข้ากับสายการเป่าฟิล์มโดยตรง เครื่องควบคุมเว็บที่ใช้ระบบวิชันนำทางหุ่นยนต์สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดในการจัดแนวภายใน 0.5 วินาทีระหว่างการม้วนฟิล์ม ลดของเสียจากขอบเหลือเพียง 1.2% ของผลผลิตทั้งหมด ความก้าวหน้าเหล่านี้สนับสนุนการดำเนินงานผลิตต่อเนื่องนาน 240 ชั่วโมง ซึ่งเพิ่มเวลาทำงานได้มากขึ้น 63% เมื่อเทียบกับระบบที่ใช้แรงงานกึ่งอัตโนมัติ

การก้าวข้ามอุปสรรคในการผลิตฟิล์มหลายชั้นความเร็วสูง

การรักษาความสม่ำเสมอของความหนาที่ความเร็วสายการผลิตสูง

เครื่องอัดรีดที่ทันสมัยสามารถทำงานได้ที่ความเร็วเกิน 400 เมตรต่อนาที โดยยังคงควบคุมความผันผวนของความหนาไว้ภายในประมาณ 2% ได้ ซึ่งทำได้โดยใช้ระบบปรับช่องหัวตายแบบปรับตัวได้ (adaptive die lip systems) ที่เราได้พูดถึงกันมา ตามรายงานการวิจัยที่เผยแพร่โดยสมาคมวิศวกรรมพลาสติกเมื่อปีที่แล้ว ผู้ผลิตพบว่ามีการปรับปรุงอย่างมากเมื่อเปลี่ยนจากหัวตายแบบกลมดั้งเดิมไปเป็นหัวตายแบบหกเหลี่ยมที่จับคู่กับอุปกรณ์ตรวจสอบการหลอมละลายแบบเรียลไทม์ ผลต่างที่ได้คือ ความผันผวนของชั้นผลิตภัณฑ์ลดลงประมาณ 34% เมื่อพูดถึงการควบคุมเสถียรภาพของผิวร่วมระหว่างกระบวนการผลิต ผู้ปฏิบัติงานที่มีประสบการณ์จะทราบดีว่าอุณหภูมิใดเหมาะสมที่สุดสำหรับพอลิเมอร์แต่ละชนิด เช่น EVOH โดยทั่วไปจำเป็นต้องทำงานที่อุณหภูมิระหว่าง 225 ถึง 240 องศาเซลเซียส ในขณะที่พอลิโอเลฟินส์จะให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าเมื่อรักษาอุณหภูมิให้ต่ำกว่านั้น 15 ถึง 20 องศา การปรับอุณหภูมิเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการบรรลุคุณภาพที่สม่ำเสมอตลอดการผลิต

การเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนและความตึงของระบบดึงเพื่อให้ได้ผิวเรียบ

เทคโนโลยีแหวนลมสองชั้นที่ควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำถึง 0.01 องศาเซลเซียส ช่วยลดปัญหาพื้นผิวหนังส้มบนฟิล์มได้อย่างแท้จริง ซึ่งสังเกตเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษเมื่อทำงานกับโครงสร้างหลายชั้นที่ซับซ้อน เช่น แบบเจ็ดชั้นที่มีชั้นกาวเชื่อมยึด ตามผลการศึกษาล่าสุดที่เผยแพร่โดยสถาบันบรรจุภัณฑ์นานาชาติเมื่อปีที่แล้ว การรักษากำลังตึงขณะดึง (haul off tension) ไว้ที่ประมาณ 2.5 ถึง 3.5 นิวตันต่อตารางมิลลิเมตร สามารถเพิ่มระดับความมันวาวของพื้นผิวได้ประมาณ 28 เปอร์เซ็นต์ในฟิล์ม PA/PE โดยยังคงคุณสมบัติการยืดตัวไว้ได้ สำหรับผู้ผลิตที่ประสบปัญหาความไม่สม่ำเสมอของเรซิน อุปกรณ์ทรงกรวยปรับเสถียรภาพฟอง (telescoping bubble stabilizers) กำลังกลายเป็นอุปกรณ์จำเป็น เพราะอุปกรณ์เหล่านี้สามารถปรับตัวเองอย่างต่อเนื่องต่อการเปลี่ยนแปลงของเส้นผ่านศูนย์กลางที่เกิดจากแบทช์เรซินที่ต่างกัน ซึ่งจากการทดสอบภาคสนามพบว่าสามารถลดปัญหาขอบฟิล์มไม่เรียบ (edge weave problems) ได้ประมาณ 40 กว่าเปอร์เซ็นต์

การบริหารจัดการข้อแลกเปลี่ยนระหว่างความเร็วการผลิตและคุณภาพฟิล์ม

เทคโนโลยีมัลติพลายเออร์อัจฉริยะสามารถเพิ่มอัตราการผลิตได้สูงถึงประมาณ 300 กิโลกรัมต่อชั่วโมง ขณะที่ยังคงรักษานิยามคุณสมบัติของชั้นกันสิ่งปนเปื้อนไว้อย่างครบถ้วน การทดสอบล่าสุดบางอย่างแสดงให้เห็นว่าฟิล์ม 5 ชั้นที่เคลื่อนที่เร็วเหล่านี้สามารถรักษาระดับการแพร่ของออกซิเจนให้อยู่ในระดับต่ำมาก ต่ำกว่า 0.5 ซีซีต่อตารางเมตรต่อวัน เมื่อผู้ผลิตนำระบบถ่ายภาพความร้อนมาใช้ร่วมกับระบบควบคุมการระบายความร้อนด้วยปัญญาประดิษฐ์ (AI) จะพบว่าปัญหาเน็คกิ้งลดลงประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์เมื่อเร่งความเร็วการผลิต ส่งผลให้เครื่องจักรสามารถทำงานได้เร็วขึ้นประมาณ 15% โดยไม่เกิดข้อบกพร่องแบบฟิชอาย และยังไม่รวมถึงการประหยัดพลังงานด้วย ระบบกู้คืนพลังงานรุ่นใหม่สามารถนำความร้อนที่สูญเสียจากเครื่องอัดรีดกลับมาใช้ใหม่ได้ประมาณ 78% เพื่อควบคุมเส้นน้ำแข็ง ซึ่งช่วยลดปริมาณการสูญเสียพลังงานรวมลงได้ประมาณ 22 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อตันที่ผลิต

คำถามที่พบบ่อย

• 1. เครื่องเป่าฟิล์มหลายชั้นคืออะไร

เครื่องเป่าฟิล์มหลายชั้นใช้เทคโนโลยีร่วมอัดขึ้นรูป (co-extrusion) เพื่อผสมพลาสติกที่หลอมละลายหลายชนิดเข้าด้วยกัน เพื่อผลิตวัสดุฟิล์มขั้นสูงที่มีคุณสมบัติการป้องกันที่เหนือกว่า

• 2. ทำไมชั้นยึดเกาะ (tie layers) จึงมีความสำคัญในการเป่าฟิล์ม?

ชั้นยึดเกาะซึ่งทำจากโพลิเมอร์ชนิดกาว ทำหน้าที่ยึดวัสดุที่หลอมละลายต่างชนิดเข้าด้วยกัน โดยเฉพาะเมื่อวัสดุฐานไม่สามารถผสมกันได้ดีตามธรรมชาติ เพื่อให้มั่นใจในความแข็งแรงของโครงสร้างฟิล์ม

• 3. ฟิล์มหลายชั้นเปรียบเทียบกับฟิล์มชั้นเดียวอย่างไร?

ฟิล์มหลายชั้นมีคุณสมบัติที่เหนือกว่า เช่น อัตราการถ่ายโอนออกซิเจนที่ลดลงได้มากถึงหมื่นเท่า และความต้านทานต่อการเจาะที่ดีกว่าเมื่อเทียบกับฟิล์มชั้นเดียว

• 4. ระบบสมัยใหม่รวมเอาความยั่งยืนเข้าไปอย่างไร?

ผู้ผลิตกำลังนำวัสดุรีไซเคิลหลังการบริโภค (post-consumer recycled content) มาใช้ในชั้นนอกได้สูงถึง 30% ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐาน และยังคงประสิทธิภาพการกันสิ่งต่างๆ ได้ดีและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

• 5. เครื่องจักรขั้นสูงมั่นใจในคุณภาพของฟิล์มระหว่างการผลิตอย่างไร?

เครื่องจักรขั้นสูงใช้การตรวจสอบแบบเรียลไทม์ การปรับตั้งโดยอาศัยปัญญาประดิษฐ์ เซ็นเซอร์อัจฉริยะ และการออกแบบแม่พิมพ์อย่างสร้างสรรค์ เพื่อรักษาระดับความสม่ำเสมอ ลดข้อบกพร่อง และเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต