Una gamma completa di valvole in PPS per gestire fluidi alimentari e non solo.
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Le crescenti preoccupazioni legate al rilascio di sostanze tossiche negli alimenti e nell’acqua potabile hanno portato nel corso del tempo a una serie di restrizioni relative alla natura di molti materiali impiegati in ambito food and beverage.
Fra questi troviamo l’ottone, che nel corso del 2012 è stato oggetto di attenzioni da parte degli organismi di sorveglianza a causa della presenza di piombo in alcune sue formulazioni standard. La lega di rame e zinco che viene tradizionalmente impiegata per lo stampaggio a caldo e la successiva lavorazione per asportazione di truciolo è infatti la OT58 o CW614n, nella cui composizione è presente circa il 3% di piombo allo scopo di limitare l’usura dell’utensile nelle operazioni di fresatura e tornitura. Impiego classico della OT58 è proprio nella fabbricazione di valvole, rubinetti, raccorderia e altri accessori impiegati nella gestione dell’acqua potabile e vari liquidi alimentari.
Il problema principale è costituito dalla graduale cessione di questo metallo pesante all’acqua a causa della continua azione di lavaggio, soprattutto durante la prima fase d’utilizzo dei manufatti in ottone. Questo fenomeno, che può causare contaminazioni da piombo in quantità parecchio superiori ai limiti consigliati dall’OMS, è stato studiato da più istituti internazionali e fatto oggetto di esplicite restrizioni (si veda per esempio la Proposition 65 List della OEHHA).
L’alternativa più immediata alla OT58 prevede l’adozione di leghe a tenore di piombo bassissimo o nullo, proprio allo scopo di scongiurare ogni alterazione delle caratteristiche organolettiche dell’acqua e soprattutto i pericoli per la salute. Le leghe di ottone con basso contenuto di piombo, diventano perciò il nuovo riferimento per gli impieghi normalmente riservati alla OT58 nel settore idraulico e termosanitario. È il momento giusto per vagliare soluzioni innovative.
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L’esigenza di prevenire il rilascio di piombo e nickel nelle applicazioni alimentari porta molti utilizzatori tradizionali dell’OT58 a considerare dunque nuove scelte per i materiali destinati alla fabbricazione di componenti e accessori.
Fra le realtà che non esitano a esplorare nuove soluzioni anche l’italiana ODE (www.ode.it), azienda con sede a Colico (LC) attiva nel settore della progettazione e manifattura di elettrovalvole, bobine e sistemi fluidici impiegati in particolare nel mondo della distribuzione automatica di bevande (vending) e nelle macchine del caffè.
Per ODE, fondata negli anni ‘60 e tradizionalmente fedele all’ottone, il passaggio a nuovi materiali costituisce ben più che una sfida tecnica e ingegneristica. È soprattutto un salto avanti culturale e pratico, in un settore di nicchia in cui affidabilità e reputazione hanno una grande rilevanza dal momento che la relazione col cliente è diretta e le aspettative su qualità e servizio tecnico sono altissime.
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I tipici requisiti di progetto imposti alle valvole sono effettivamente molto rigorosi e senza alcuna possibilità di deroga.
In primo luogo, il contatto continuo con acqua potabile e altri fluidi alimentari. Il materiale deve essere compatibile con questo impiego risultando certificato da organismi internazionali accreditati. Non può pertanto rilasciare alcuna sostanza che costituisca una minaccia per la salute umana o possa comunque alterare le caratteristiche organolettiche e la natura della bevanda.
La seconda rilevante specifica riguarda la temperatura dei fluidi presenti nelle camere interne delle valvole. Le macchine per vending gestiscono normalmente acqua a 95°C con cui si preparano le bevande calde. A queste temperature la robustezza e l’integrità del corpo valvola deve essere garantita. Anche eventuali trafilamenti di liquido dalle guarnizioni o perdite di carico dovute a deformazioni locali sono assolutamente da prevenire ed evitare.
Dal punto di vista meccanico le sollecitazioni sono di tutto riguardo a causa della pressione imposta ai liquidi. Nonostante il processo di infusione richieda normalmente 16 bar, ODE verifica le prestazioni dei suoi dispositivi a oltre 80 bar. La sollecitazione è applicata in modo statico e pulsante per un prolungato periodo di tempo, simulando le reali condizioni di funzionamento delle elettrovalvole.
Trattandosi di un elemento appartenente a un dispositivo elettromeccanico, all’occorrenza il corpo valvola deve risultare resistente alla fiamma con relativa certificazione di autoestinguenza UL.
Fondamentale infine l’aspettativa di vita e la frequenza di manutenzione, che in entrambi i casi dovrebbe risultare comparabile con quella dei classici elementi in ottone o addirittura migliore.
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Di fronte a una combinazione così complessa di requisiti tecnici e allo scenario di rischio proprio di ogni operazione pionieristica, lo staff dei progettisti ODE opta per un compound su base polifenilensolfuro (PPS) rinforzato con fibra di vetro, il LARTON G/40 di LATI.
La decisione di adottare il PPS per l’innovativa generazione di valvole in tecnopolimero viene presa concordemente con i tecnici LATI a seguito di un’attenta analisi delle possibili alternative, tutte scartate per diversi motivi: il PP e il POM per limiti termici, le PA per l’igroscopicità della resina, il poliestere per problemi di idrolisi, le PPA per questioni dimensionali, il PEEK per vincoli economici.
La scelta è corroborata dalle innumerevoli applicazioni di successo dei compound su base PPS nei più disparati settori industriali e in condizioni di lavoro estreme.
La caratteristica più interessante del PPS è certamente la notevole resistenza alle elevate temperature, superata solo dal PEEK e da pochissimi altri polimeri, più performanti ma anche sensibilmente più costosi e complessi dal punto di vista della trasformazione.
La particolare natura chimico-fisica e la struttura delle sue macromolecole rendono questo polimero particolarmente adatto per lo stampaggio a iniezione di geometrie molto complesse e con spessori sottili. I ritiri differenziali sono minimi e ciò permette una precisione dimensionale sovente preclusa ad altre resine termoplastiche.
Estremamente resistente all’attacco chimico da parte di aggressivi organici e inorganici, anche a caldo, il PPS è inoltre anigroscopico e quindi le sue principali proprietà non vengono deteriorate a seguito dell’esposizione prolungata all’acqua o al vapore.
Grazie alla sua intrinseca resistenza alla fiamma, il PPS non necessita additivazioni autoestinguenti che potrebbero comprometterne irrimediabilmente non solo le proprietà meccaniche ma soprattutto l’idoneità al contatto con l’acqua potabile.
Il LARTON G/40 è un compound capace di prestazioni strutturali adeguate alle operazioni di metal replacement più estreme grazie al 40% di fibre di vetro corte e sottili, una combinazione che ottimizza l’interfaccia rinforzo-matrice permettendo il pieno sfruttamento del sistema di rinforzo. Il modulo elastico del LARTON G/40 supera infatti 17 GPa con uno sforzo a rottura prossimo ai 200 MPa, valori ampiamente superiori a quelli dei polimeri tal quali e più che soddisfacenti quando coniugati a geometrie opportunamente progettate.
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Le prime verifiche di fattibilità sono svolte da ODE in collaborazione con LATI mediante analisi FEM, con lo scopo di valutare lo stato di sforzo imposto al materiale del singolo corpo valvola durante l’applicazione della pressione di prova a temperatura ambiente. Gli 80 bar, distribuiti sulle superfici interne dei moduli a due e tre vie, si traducono in picchi locali di sforzo di Von Mises inferiori al limite di sicurezza, fissato in 95 MPa a seguito dell’introduzione di un fattore di sicurezza composto pari a 1.8. Le deformazioni risultanti sono oggetto di attente valutazioni dovendo scongiurare trafilamenti attraverso le guarnizioni di tenuta; il calcolo indica che gli spostamenti sotto carico sono limitati a pochi centesimi di mm.
Come prassi, sui primi prototipi vengono svolti dei test di laboratorio - che arrivano a includere 900 ore consecutive di funzionamento – indispensabili per la messa a punto della geometria dei corpi valvola, degli stampi e del processo produttivo. Non appena le prove si concludono con successo, si procede con il via libera alla costruzione degli stampi.
ODE propone così, prima sul mercato, il suo sistema di valvole in PPS Made in Italy che porteranno rapidamente l’azienda a divenire leader del mercato nel suo settore
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Dalle prime proposte 21JP e 31JP sono passati alcuni anni e il catalogo ODE per il mercato delle elettrovalvole alimentari si articola ormai su molte decine di differenti soluzioni in tecnopolimeri PPS, PSU, POM e altri.
Le caratteristiche del PPS rinforzato consentono la gestione di acqua calda alimentare a 95°C sia per i corpi valvola standard che per elementi certificati NSF61, questi ultimi utilizzati per esempio nelle macchine per distribuzione automatica di bevande freestanding o in quelle del comparto OCS.
I test sul materiale plastico mettono poi in evidenza una serie di ulteriori punti di forza. In primo luogo, una minor tendenza alla formazione di sedimenti di calcare rispetto agli elementi tradizionali, a tutto vantaggio di affidabilità e aspettativa di vita delle apparecchiature sul mercato. I corpi valvola in PPS permettono inoltre una considerevole riduzione del peso rispetto al metallo dato che la densità del LARTON G/40 è di 1.67 g/cc rispetto ad esempio all’ottone che è di 8.73 g/cc. Inoltre permette una riduzione della dispersione calore e consumo energetico data dalla conduttività termica del polimero che è minore rispetto all’ottone.
Tutti questi aspetti permettono alle valvole ODE di affermarsi con successo anche nel settore HoReCa (Hotellerie Restaurant Catering) nel quale deve essere impeccabile l’erogazione di bevande al massimo degli standard qualitativi e dunque anche il controllo su portata, pressione e temperatura dell’acqua calda.
Nelle moderne valvole ODE in PPS possono essere trasportati senza problemi anche altri fluidi, come vapore a 140°C, gas inerti, aria compressa e liquidi alimentari. I sistemi in tecnopolimero ODE trovano pertanto felice impiego in settori diversi dal vending, fra i quali la pneumatica e l’automazione industriale, il medicale, la sterilizzazione.
In particolare, nel settore food & beverage l’affermazione delle elettrovalvole in tecnopolimero è consolidata dal rispetto delle certificazioni alimentari vigenti a livello internazionale.
Una storia di successo completamente Made in Italy, fortemente voluta e guidata dalla sinergia di aziende leader nei rispettivi settori.
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