식품가공 장비에 응용된 전동 액추에이터 설계 가이드라인

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식품 제조업체는 OEM 제조업체에 보다 깨끗하고 안전한 기계 설계를 요구하고 있다. 본문에서는 박테리아 오염의 위험을 줄이고 기계 설계의 전체적인 청결을 개선하는 데 도움이 되도록 식품가공 장비의 전동 액추에이터를 설계 및 설치하는 사례들을 살펴본다.
  

기계 설계는 자동화 증가, 낭비 감소, 효율성 향상 및 비용 절감에 대한 제조업체의 요구 사항을 충족하기 위해 발전하고 있다. 이러한 기준 외에도 식품 가공에 사용되는 기계는, 생산 과정에서 식품을 깨끗하게 유지하고 소비자에게 안전하게 도착할 수 있게 엄격한 요구 사항을 충족하도록 설계돼야 한다. EHEDG, 3A, USDA 등의 표준은 식품 및 음료 제품의 박테리아 오염을 방지하기 위해 기계와 구성 요소의 위생 설계 원칙을 정의하고 있다.

식품가공 업체는 리콜 사고를 줄이거나 없기를 원한다. 대부분 사고가 고객에게 위협이 되고 리콜 사고가 비싸기 때문이다. 결과적으로, 식품제조 업체는 OEM 기계 제작 업체에게 깨끗하고 안전한 기계 설계를 요구하고 있다.

이러한 경향은 육류, 치즈, 유제품, 해산물 및 가금류와 같이 위험도가 높은 환경에 더욱 해당된다. 식품가공 업체는 직원의 안전과 생산 효율성을 높이기 위해 새로운 자동화 아이디어도 필요하다. 사회적 거리두기 시대에는 서로 간의 접촉을 최소화해야 한다.
  

자동화는 시설을 안전하고 생산적으로 유지하는 데 핵심적인 역할을 한다. 특히 액추에이터는 선형 이동을 하기 때문에 식품가공 응용 분야의 효율성에 영향을 미치며 제조업체가 안전에 대한 최고 표준을 유지할 수 있도록 특별히 설계되었다.

기계 설계자는 식품가공 장비에 전동 액추에이터를 지정하기위해 모범 사례를 적용하여 제조업체의 기대를 충족하고 식품 안전 표준을 준수한다. 이러한 설계 원칙은 세균 오염의 위험을 줄이고 기계 설계의 전반적인 청결을 개선하는 개방형 설계를 만든다.

설계와 함께 항상 EHEDG, USDA 또는 관리 기관에 문의하여 설계 준수 사항을 확인하는 것이 좋다. 본문에서는 아래 영역에서 식품가공 장비에 전동 액추에이터를 설계 및 설치하기 위한 모범 사례를 살펴본다.

1. 위생적으로 설계된 액추에이터 선택
2. 개방형 아키텍처 기계 및 시스템에 맞는 액추에이터 설계
3. 전동 액추에이터 설치 및 취급
4. 액추에이터 유지 및 청소
5. 통합 모터 및 비 통합 액추에이터 설계 비교

기계 설계 관행 및 기술

일부 기계 제조업체는 위생적으로 설계된 자동화 요소를 활용하고 있지만, 점점 엄격해지는 규정을 충족하기위해 기존 기계를 채택하는 경우가 많다. 예를 들어, 자동화 구성 요소는 물, 화학 물질 또는 식품으로부터 구성 요소를 보호하기 위해 스테인리스 스틸 보호 인클로저에 보관된다.

또는 구성 요소가 에폭시로 코팅되거나 식품 등급 페인트로 칠해진다. 세척이 필요한 요소는 침투로부터 보호하기 위해 백에 포장된다. 이러한 모든 기술은 프로세스에 비용을 추가하고 위험을 초래한다. 보호 인클로저는 추가 유지 보수가 필요하고 기계 비용을 증가시킨다. 에폭시 또는 페인트는 칩핑 및 마모의 위험이 있으므로 자주 검사하고 교체해야 한다. 백이 있는 구성품은 추가 시간이 필요하며 오염 위험이 증가한다.

유체 동력의 단점

유체 동력 실린더는 식품 가공을 위해 위생적으로 설계되었다. 방수 구조는 침투를 방지하며 스테인리스 재질은 부식을 방지한다. 그러나 공압 또는 유압 실린더를 사용하는 유체 동력 시스템은 오염 위험을 초래할 수 있다.

공압 실린더는 응축을 방지하기 위해 깨끗하게 건조한 공기 시스템이 필요하다. 박테리아는 습한 지역에서 번성하며 압축 공기시스템에서 응축을 모니터링하거나 방지하기가 어렵다. 잦은 세척은 응결을 유발하는 고온 및 저온주기를 생성한다.
  

공압 실린더는 이동 포지션이 두 개뿐이다. 유연한 제조를 위해 스트로크 충전을 수동으로 조정해야 한다. 유압 실린더는 고압 유체를 누출하여 식품을 오염시킬 수 있다. 기름은 미끄럽다. 누출은 안전 문제를 일으키고 청소하기가 어렵다. 유압 실린더는 식품 오일로 더러워질 수 있다.

유체 동력 실린더는 작동 및 봉쇄를 위해 웨어러블 씰에 의존한다. 고압에서 순환되는 오일은 전체 시스템 주변의 씰과 호스에 스트레스를 가한다. 이러한 씰은 튜브 및 실린더에서 유체 누출을 방지하기 위해 주기적인 교체가 필요하다.

반대로 전동 액추에이터는 유체 동력 시스템과 관련된 위험을 완화하고 위생적인 환경을 위한 청정 기술을 제공한다. 유체 동력 실린더를 교체하여 오염 이벤트를 방지하는 것은 식품 생산자의 ROI를 높일 수 있다. 전동 액추에이터는 많은 식품 응용 분야에서 선택하고 있다.

1. 위생적으로 설계된 액추에이터 선택

식품가공 시설은 다양한 제조 공간을 포함하고 있다. 이러한 영역은 다음과 같다.

- 원료 보관(건조한 부분)
- 식품 접촉 및 습식 처리 영역(젖은 부분)
- 충전 및 포장(젖은 부분)
- 자재 취급, 보관 및 배송(건조한 부분)

건조한 부분의 제조 영역은 양극 산화 처리된 알루미늄 또는 도장된 강철로 만든 일반 전동 액추에이터로 충족할 수 있다. 그러나 젖은 부분의 영역은 품질에 가장 큰 영향을 미치며 엄격한 청소 및 살균이 필요하다.

이러한 영역은 규제 당국의 엄격한 검사를 받게 된다. 가장 중요한 식음료 가공 분야에는 유제품, 육류, 해산물 및 계란 생산이 포함된다. 식품 접촉 및 습식 처리 영역에는 세척이 용이하고 지정된 온도에서 작동할 수 있는 액추에이터가 필요하다.

적절한 재료

규정을 준수하지 않는 재료로 만들어진 자동화 구성 요소는 부식되어 입자를 떨어뜨릴 수 있다. 스테인리스 스틸은 부식에 강하고 거친 가공 조건을 견디며 산업 표준을 준수한다. 식품가공 환경에서 다양한 스테인리스 강 합금을 사용할 수 있다. 리니어 액추에이터 본체, 모터 하우징 및 패스너에 대한 위생적 설계의 모범 사례는 스테인리스 유형 316/316L을 사용한다. 304/304L 스테인리스 타입도 경우에 따라 사용된다.

스테인리스 강(예: 알루미늄) 이외의 금속 합금은 특정 조건에서 적합할 수 있다. 다만 납, 침출 성 구리 또는 기타 독성 금속이 포함된 합금을 피해야 한다.

EHEDG 위생 장비 설계 기준

1. 대기 부식에 대한 우수한 내성이 요구된다. 사용 조건은 pH 6.5 ~ 8, 낮은 수준의 염화물(50mg/l) 및 저온(25°C)의 용액만 포함한다. 가장 일반적인 선택은 AISI-304이다.
2. 염화물 수준과 온도가 기준 값의 약 두 배를 초과하면 재료는 국부적으로 염화물 농도로 인해 발생할 수 있는 틈새 및 공식 부식에 대한 큰 저항력을 요구한다. AISI-304(AISI-316 생성)에 몰리브덴을 추가하면 내식성이 향상된다.
3. 316은 150°C까지의 온도에 충분하다.

구덩이, 균열, 접힘 또는 기타 결함이 없는 스테인리스강의 연마 No.4 또는 그 이상이 세척 작업에 적합하다. 용접 접합의 경우 전기 연마, 유리 비딩 및 쇼트 피닝은 4번 연마 마감에 대한 대안으로 허용되지 않는다.

적절한 씰

전동 액추에이터 로드 씰은 액추에이터 성능에 필수적이며 작동 조건을 견디는 내구성이 있는 재질로 만들어야 한다.

일반적으로 Viton? 또는 UHMW(Ultra High Molecular Weight) 폴리에틸렌으로 만들어져 세척 및 부식성에 대한 침투 보호 요구 사항을 충족해야 한다. 이러한 이유로 씰은 온도 등급, 압축성, 균열 내성, 마모 및 위생 화학 물질, 소수성, 세척 능력, 규정 및 색상을 포함한 다양한 특성에 맞게 설계되었다.

리니어 모션 구성 요소를 선택할 때 제조업체가 모션 프로파일 및 수명 추정치를 승인할 때 씰 간섭 및 마찰을 고려하는지 확인하는 것이 중요한다. 로드 씰과 로드 사이의 마찰은 로드 씰을 손상시킬 수 있다. 설계 엔지니어는 FDA 승인 씰 재료가 사용하는지 확인하기 위해 설계에 사용된 모든 폴리머의 재료 구성을 조사해야 한다.
  

IP69K는 식음료 환경을 위한 모범 사례이다. IP69K 설계에서 가장 까다로운 부분은 스러스트 로드의 씰이다. 치수 공차가 엄격하게 적용된 씰은 스러스트 로드에 맞춤을 보장하고 잦은 확장 및 후퇴 사이클을 견딜 수 있는 내구성을 보장한다.   

씰은 교체가 필요하다. 씰 제조업체는 교체 빈도에 대한 지침을 제공하지만 씰이 실제로 얼마나 빨리 마모되는지는 여러 요인에 따라 달라진다. 여기에는 이동 빈도, 정렬, 세척 및 살균 화학적 호환성, 세척 빈도가 포함된다. 씰 교체에 대한 지침은 다음과 같다.

• 2,500만 인치 이동 시마다 씰을 교체한다.
• 씰을 더 자주 교체한다(예: 제조업체 권장 사항의 두 배).
- 작동 중 스러스트 로드에 식품이 있을 것으로 예상되는 경우
- 세척 빈도가 1일 3회 이상인 경우
- 높은 살균 농도의 화학 물질을 사용하는 경우
• 살균 후 씰을 헹구어 잔류 살균 화학 물질을 제거하고 씰 수명을 연장한다.
• 씰 수명을 연장하기 위해 적절한 그리스로 로드 씰을 주기적으로 재윤활 한다.
• 스러스트 로드와 전면 씰을 정기적으로 육안 검사해야 한다.

청소가 용이한 구조

돔형 또는 둥근 몸체, 둥근 모서리 및 매끄러운 마감으로 설계된 액추에이터는 습기, 음식물 입자 및 미생물이 모이고 고이는 것을 방지한다. 세척 과정을 개선하고 오염 물질이 세척 후 액추에이터에 남아있을 가능성을 최소화한다.

모터 하우징조차도 유출을 촉진하기 위해 둥글어야 한다. 위생적인 전기 액추에이터에는 날카로운 모서리 또는 각도(<= 90도)가 없으며, 음식물이 쌓여서 청소 과정을 방해할 수 있는 모서리 및 포켓을 형성하는 표면(연결 구조 형상도 반경이 6mm 이상이어야 함)이 없다.

작동 온도

식품가공 중 주변 온도는 더운 환경, 차가운 냉장고 또는 냉동고 환경까지 다양하다. 환경의 온도, 장비의 온도 및 세척 과정에 사용되는 물의 온도(최대 176F/ 80C)에 따라 매일 여러 차례 차갑고 뜨거운 온도 사이클이 발생할 수 있다. 이러한 변화는 압력 변동으로 인해 밀폐된 장비에서 응축 및 진공을 유발할 수 있다. 이러한 환경에서 IP69K 디자인과 공기 배출/퍼지 포트의 조합은 습기 침투를 방지하는 데 필수적이다.

공기 배출구 모범 사례

공기 배출구는 케이블에 인접한 액추에이터 뒷면에 있으며, 작동 및 온도 변동 동안 액추에이터의 압력을 균등하게 하여 수분 침투를 방지해야 한다. IP69k 페이스 씰 피팅이 필요하다. 공급 또는 교환되는 공기는 건조하고 깨끗해야 하며 공기 라인은 주기적으로 습기가 있는지 검사하고 소독해야 한다.

2. 개방형 아키텍처 기계 및 시스템에 맞는 액추에이터 설계

스테인리스 강 액추에이터 설계는 전체 기계에 대한 개방형 프레임 아키텍처가 가능하다. 대형 스테인리스 인클로저를 제거하거나 최소화하여 청소를 개선하고 규제 기관의 승인을 받을 수 있다.

조정 및 규정 준수

측면 하중을 최소화하려면 적용 하중 및 동작 축과 관련하여 액추에이터를 올바르게 정렬해야 한다. 확장된 로드 및 로드 씰은 적당한 측면 하중에서도 마모되거나 손상될 수 있다. 액추에이터 로드는 측면 하중을 최소화하기 위해 지지되어야 한다. 하중은 추력 로드의 운동 방향과 평행하게 정렬되어야 한다.

액추에이터에 대한 두 개의 부착 지점 중 적어도 하나에 규정 준수를 생성하는 것이 중요하다. 모든 노력에도 불구하고 구성 요소에 약간의 변화가 있을 수 있다. 액추에이터의 움직임이 약간의 움직임을 허용하면 가능한 바인딩 또는 측면 하중을 방지하는 데 도움이 된다. 이 규정 준수를 기계적으로 생성하는 방법에는 여러 가지가 있다.

- 클레비스 - 구형 로드 아이 – 피스톤 핀

기계 설계에서 액추에이터 방향이 중요하며 일부 방향은 청소 문제를 야기한다. 아래 그림은 몇 가지 예를 보여준다.

서보 모터와 액추에이터의 위생적 통합

위생적 애플리케이션에 사용되는 서보 모터의 등급은 다음과 같다.

• 백색 에폭시 도장, 일반적으로 IP67 환경 등급: 세척이 거의 없는 건조한 비접촉 영역에 적합하다. 환경 밀봉, 에폭시 페인트 및 니켈 도금 커넥터는 살균 솔루션에 적합하지 않다. 고압 분무기와 함께 적용된다. 에폭시 페인트가 벗겨지고 살균 용액이 샤프트 씰을 통해 들어갈 수 있으며 니켈 도금 커넥터는 산화로 인해 변색될 수 있다.

• 스테인리스 스틸: IP69k 등급 IP69K 등급을 보유한 모터는 내구성이 뛰어나다. 물, 화학 물질, 고압 및 까다로운 청소와 안전 조치에 대한 내성이 입증되었기 때문에 위생이 중요한 곳에 이상적이다.

• 위생 모터에서 사용 가능한 플랜지

C-Type 플랜지: (Rockwell VPH 표시) 밀봉과 청소가 쉽고, 보유 공간을 줄이며, FDA 준수 O- 링을 포함해야 한다. C 형 플랜지 모터를 선택하기 전에 모터 공급 업체가 O- 링을 제공하는지 확인해야한다(일부 모터 공급 업체는 사용자가 O- 링을 별도로 공급하도록 강요한다).

D 형 플랜지:(그림은 Elwood W- 시리즈) 밀봉 및 청소가 어렵다. O- 링이나 개스킷을 제공하지 않는 경우가 많으며 RTV를 사용하여 모터-액추에이터 인터페이스를 밀봉하는 것이 좋다.

케이블 관리

시간이 지남에 따라 오일 및 세척액과 같은 액체 오염 물질이 케이블과 케이블 글랜드(cable gland)에 축적된다. 케이블 글랜드에 오염 물질의 유입을 최소화하려면 케이블 글랜드를 아래로 한 상태에서 액추에이터를 장착하는 것이 가장 좋다.
  

케이블 글랜드를 사용하여 측면에 장착하려면 구부리거나 드립 루프(drip loops)가 필요하다. 케이블 글랜드를 위로 향하는 방향으로 액추에이터를 장착하는 것은 권장하지 않는다. 케이블 글랜드가 위쪽을 향하도록 액추에이터를 장착하는 것이 불가피한 경우 케이블 글랜드에 들어가기 전에 드립 루프를 사용하여 케이블을 배선해야 한다.

케이블 글랜드의 방향에 따라 예제가 표시된다. 액추에이터의 바닥면에 케이블 글랜드와 함께 장착된 장치는 루프가 필요하지 않다.

3. 전기 액추에이터 설치 및 취급

액추에이터를 선택, 주문한 후에는 설치 중에 액추에이터를 올바로 취급하는 것이 중요하다. 포장을 개봉하자마자 특별한 주의가 필요하다.

1. 리니어 액추에이터를 패키지에서 조심스럽게 제거한다. 액추에이터의 무게를 고려하여 최적의 이동 방법을 결정한다.
2. 액추에이터의 손상 여부를 육안으로 검사하고 운송 중 손상은 즉시 운송 업체 또는 제조업체에 알린다.
3. 액추에이터가 수직 또는 경사 위치에 장착된 경우, 나사 고장시 작업 부하를 제어하는 안전 조치가 있어야 한다.

스테인리스 스틸에 특히 주의해야 한다. 금속 부식성 환경에 뛰어나지만 연성에 주의하여 취급 표면 마감을 손상시키지 말아야 한다.

4. 액추에이터 유지 및 청소

대부분의 전동 액추에이터는 배치되면 최소한의 유지 보수가 필요하다. 그러나 식품가공 분야에 사용되는 액추에이터는 특별한 주의가 필요하다. 액추에이터의 적절한 밀봉은 액추에이터 내부에서 물과 세척액을 보호하는 데 중요하다. 씰 교체 권장 사항은 위의 '위생적으로 설계된 액추에이터 선택' 섹션을 다시 참조한다.

윤활

액추에이터는 공장에서 윤활 처리되어 있으며 설치할 준비가 되어있다. 내부 나사는 미리 정해진 간격으로 재윤활해야 한다. 일정 예상은 아래 나열된 윤활 간격 계산을 참조한다. 그리스를 추가할 때 주의한다.

과도 충전은 과도한 열 축적을 유발하고 성능 및 잠재적 조기 고장에 영향을 미칠 수 있다. 나사 윤활은 제조업체에 따라 크게 다르다. 일부 제조업체는 스러스트 튜브 또는 스테인리스 액추에이터 본체에 옵션 윤활 포트를 제공한다.

청소

청소는 자격을 갖춘 직원만 수행해야한다. 액추에이터 청소는 정지하고 전원을 차단해야 한다. 청소하는 동안 액추에이터를 완전히 집어넣는 것이 좋다. 압력, 근접 및 온도에 대한 IP69K 세척 표준을 따라야 한다. IP69K 표준을 위반하면 액추에이터의 작동 수명이 단축될 수 있다. 대부분의 제조업체는 와이어 브러시와 같은 마찰식 청소의 사용을 금지하고 있다. 세척 및 닦음 세척이 유일하게 승인된 세척 방법이다.

장비를 성공적으로 소독하려면 최소 농도의 세정 화학 물질만을 사용해야 한다. 화학적 호환성에 대해서는 제조업체에 문의한다. 세척 과정 후에 액추에이터를 헹구어 살균 화학 물질에 대한 밀봉 노출을 최소화한다.

5. 통합 모터 및 비 통합 액추에이터 설계 비교

설계 엔지니어는 통합 모터 및 액추에이터를 모터가 최종 기계에 설치되기 전에 연결되는 구성 요소인 비 통합 설계를 하는 것이다. 통합되지 않은 접근 방식에서는 인라인 모터 장착 구성 또는 역 병렬(RP, reverse parallel) 설계를 사용할 수 있다.

역 병렬 설계에서 모터는 액추에이터에 평행하게 장착되며 벨트와 풀리 또는 기어식 시스템을 사용하여 동력을 전달한다. 이 RP 디자인은 훨씬 작은 설치 공간을 허용하지만 상당한 비용을 추가한다.
  

통합 액추에이터 및 모터 일체형 설계는 비 통합 설계에서 모터와 액추에이터 사이의 밀봉을 없앤다. 이렇게 하면 수분 침투 또는 박테리아 은닉 가능성이 있는 지점이 감소한다. 또한 설치시 씰이 찢어지거나 중앙에서 벗어날 위험이 없다. 다음 표는 두 유형의 액추에이터 및 모터 설계에 대한 비교이다.

요약

현대식 식품가공 장비는 EHEDG, 3A, USDA, FSMA 등에서 요구하는 엄격한 안전 위생 표준을 준수해야 한다. 이를 준수하고 식품 안전사고를 줄이기 위해 제조업체는 OEM 설계자로부터 깨끗하고 안전한 기계를 요구한다. 액추에이터는 기계의 안전하고 위생적인 작동에 영향을 미치는 핵심 구성 요소이다.

규정을 준수하는 액추에이터를 선택하기위한 몇 가지 기준이 있다. 특히 육류, 치즈, 가금류 및 해산물 가공에 사용되는 장비에서 액추에이터를 설계하는 모범적 사례에는 선택, 사양, 설치, 유지 관리 및 청소가 포함된다. 이러한 설계 원칙이 세균 오염의 위험을 줄이고 기계 설계의 전반적인 청결을 개선해 깨끗한 현장 설계를 구현한다.

자료 제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)