위생적인 식음료 생산을 위한 세척이 용이하고 내구성이 뛰어난 모션 시스템

식품 공급의 안전성을 보장하는 것은 식품 가공 및 포장 산업에서 중요한 도전 과제가 된다. 식품 제조업체는 변화하는 연방 규정및 표준을 준수하면서도 점점 더 까다로운 시장에서 경쟁력을 유지할 수 있는 장비에 접근할 필요가 있다.

기계 구성 요소 즉 계측기기, 모션 제어 장치, 전기 모터 및 기어박스 등은 직접 접촉 영역에서 수백 가지 중요한 작업을 수행하 므로 식품 안전에 중요하다. 이러한 구성 요소는 일반적으로 컴팩 트하고 비용 효율적인 패키지에서 최대 성능을 제공하도록 개발 되지만, 내구성 증가나 청소의 용이성이 항상 설계의 필수 부분으로 고려되지 않았다. 그러나 더 엄격한 식품 안전 규정과 식품 가공 및 포장 작업의 전반적인 효과성을 높여야 한다는 필요성으로 인해 이러한 상황이 변화하고 있다.

이 기사는 식품 가공 및 포장을 위한 기계 구성 요소 설계에서 자주 발견되는 한계를 논의하고, 더 견고한 대체 솔루션을 제안한 다. 계측기기, 모션 제어 장치, 전기 모터, 기어박스 및 액추에이터 설계에 초점을 맞추되, 세척 환경에서 작동하는 기계에 사용되는 센서와 HMI 계측기기도 다루고자 한다.

관렵 업계 현황 및 조사
 

Kollmorgen은 식품 가공 및 포장 업계의 고유한 과제를 이해하고 이를 해결하기 위해 여러 조치를 취했다. 제조업체들은 여전히 이 시장의 독특한 요구를 충족할 수 있는 부품을 공급하고 기계를 제작하는 데 어려움을 겪고 있다.

일반적인 모션 제품들은 세척 환경에서 내구성이 부족하고, 청소가 어렵고, 독성 페인트나 케이블 외피 같은 식품 제품 구역에서 사용하기 부적합한 재료를 포함하고 있다는 보고가 있었다. 식품 등급으로 분류된 제품들은 그나마 조금 나은 평가를 받았다. 페인트는 독성이 없었고, 모터는 더 높은 방수 등급을 가지고 있었으나 여전히 청소가 어렵고, 중요한 부분에서 큰 개선이 없었다.

스테인리스강 또는 세척 가능 등급의 모터로 업그레이드하면 초기 비용이 증가하며, 이러한 대안은 표준 장비보다 크고 무겁고, 세척 방식에 상당한 제한이 있는 경우가 많다. 또한, 복잡한 청소 절차를 준수하더라도 세척 환경에서 종종 실패하는 경우가 많다. 즉 식품 가공 및 포장 산업은 쉽게 청소할 수 있고 내구성 있는 위생적 설계를 갖춘 고품질 모션 제어 장치, 전기 모터 및 기어박스 개발을 통해 상당한 가치를 얻을 수 있다.

전문가의 높아진 인식
 

식품 안전 및 위생 전문가들이 이제 기계 조달 결정 과정에 엔지 니어링, 운영, 유지보수 및 구매 직원과 함께 포함되고 있다. 과거 에는 이러한 수준의 검토가 실제 기계가 현장에 도착한 후에야 이루어졌거나, 전혀 이루어 지지 않기도 했다. 이제 협업적인 결정 과정 덕분에, 식품 안전 및 위생 요구 사항이 구매 전에 미리 고려 되어 위생 요구 사항을 신뢰성 있게 충족할 수 있도록 하여, 큰 수정이 필요할 위험을 최소화하고 기계 고장의 위험을 줄일 수 있게 되었다.

기존 요구 사항을 충족하면서 미래의 요구 사항에 유연하게 대응할 수 있는 기계를 설계하는 것은 앞으로 기계 제작자와 고객 모두에게 매우 중요할 것이다. 현재와 미래의 기계는 위생적인 청소 용이성(점검 및 청소가 쉬움) 과 내구성(진화하는 세척 방법을 견딜 수 있는 능력)을 모두 제공해야 한다. 이러한 기계에 통합될 구성 요소를 신중하게 고려하는 것은 성공을 보장하는 데 매우 중요하다.

방수 등급 및 세척 환경
 

방수 등급은 국제 표준 IEC 60529에서 정의된다. 이 표준은 전기 장비의 인클로저에 대한 고체 물체, 먼지 및 물의 침입에 대한 보호 수준을 정의한다. 일반적으로 사용되는 등급은 IP 뒤에 두 개의 숫자가 붙은 형식으로 표시되는데, 예를 들어 IP67이다. 첫 번째 숫자는 고체 물체나 먼지에 대한 보호 등급을 나타내며, 여기서 고려되는 가장 낮은 먼지 등급은 6으로, 이는 완전히 먼지가 차단된 인클로저를 의미한다. 두번째 숫자는 액체 침입에 대한 보호 정도를 나타낸다.

기계는 냉각에 의해 생성된 극단적인 온도 범위와 위생 작업에 사용되는 액체, 전기 장비, 특히 모터에 의해 생성된 열에 노출된 다. 또한 부식성 또는 알칼리성 청소 용액이 장비에 뿌려지고 방치된 후, 고압 세척으로 제거된다. 이러한 조건들은 IP 등급 시험 에서 반영되지 않는 침입을 초래할 수 있으며, 이러한 시험은 IP 등급에 따라 2-30분 동안만 수행된다. 시험 시간과 조건이 실제 제조 조건을 정확히 시뮬레이션할 수 없기 때문에, 기계 OEM은 IP 등급을 넘어서 생각하고, 사용될 특정 환경에 맞게 설계된 구성 요소를 사용하는 기계를 엔지니어링 해야 한다.

▲ Kollmorgen의 AKMH 서보 모터는 IP69K 등급을 제공하며 매일의 고압 세척을 견딜 수 있다.

모터와 관련된 고려 사항
 

오염물 침입과 관련하여 자주 간과되거나 잘못 이해되는 두 가지 문제가 있다.

첫째, 전기 모터는 모든 전기 장치와 마찬가지로 열을 생성한 다. 작동 중에는 모터의 온도가 상승하고, 전원이 꺼지면 온도가 감소한다. 이 온도 주기는 모터 하우징 내부의 작은 공기 부피를 확장하고 수축시킨다. 공기가 모터 내부에서 식으면 수축하여 압력 차이를 유발하고, 이로 인해 공기와 다른 액체가 씰을 통해 들어올 수 있다. 시간이 지남에 따라 마모가 발생하고, 특히 모터가 식으면서 수분과 청소 용액이 모터에 침입할 가능성이 높아진다.

세척 환경에서 사용되는 장치를 완전히 밀폐하는 것이 논리적 으로 보일 수 있지만, 모터 샤프트가 회전해야 하기 때문에 완전히 차단된 씰을 만드는 것은 불가능하다. 내부 압력을 외부 대기와 동등하게 만드는 방법이 없다면, 더 강한 씰은 오히려 압력 차이를 증가시킬 뿐이다.

뜨거운 모터가 식으면서 내부 압력이 해수면에서의 일반 대기 압인 1바(14.5 psi)와 비교하여 0.38바(5.5 psi)로 떨어질 수 있다.

이 압력 차이는 가장 밀폐된 씰을 지나서도 공기와 오염물이 침입 하게 하여, 결국 더욱 심각한 침입 문제를 일으키게 된다. 모터 내부의 수분과 화학물질은 베어링, 권선 절연체 또는 피드백 장치의 고장을 초래할 수 있다.

세척 환경에서 사용되는 전기 장치의 수명을 극대화하고, 빈번한 교체와 비싼 다운타임을 피하기 위해서는 이 압력 차이로 인한 마모와 오염 사이클을 상쇄할 수 있는 방법이 필요하다.

두 번째로 고려해야 할 문제는 세척 환경에서 사용되는 케이블 이다. 케이블은 청소 용액의 pH 범위를 견딜 수 있어야 한다. 케이블 외피는 직접적인 압력 분사에 견딜 수 있도록 선택해야 하며, 케이블 커넥터도 동일한 화학 물질과 환경을 견딜 수 있도록 설계 되어야 한다. 세척 환경에서 사용되는 서보 모터의 주요 고장 모드는 모터 내부로의 수분과 청소 용액 침입, 그리고 케이블과 커넥터의 열화 및 고장이다. 이러한 구성 요소의 신중한 선택은 기계의 전반적인 내구성을 극대화하는 데 중요하다.

영구적 덮개와 임시 덮개의 단점
 

전기 서보 모터를 세척 환경에서 사용할 때 겪는 문제 중 하나는 청소 용액과 물 분사로부터 모터를 보호하는 영구적인 스테인리스 스틸 가드/커버를 제작하는 것이다. 이 접근 방식에는 몇 가지 단점이 있다. 커버는 제작 비용이 비쌀 뿐만 아니라 기계의 크기와 복잡성을 추가한다.

가장 큰 단점은 샤프트 출구 주변의 씰이 결국 마모되어 병원균이 성장할 수 있는 사각 지대가 형성되거나, 씰이 완전히 실패하여 수분 침입 으로 모터가 조기 고장을 초래할 수 있다. 일부 청소 절차에서는 커버를 제거하고 수동으로 청소해야 하며, 이는 청소 시간을 대폭 증가시킨다.

때로는 청소 직원이 지침과는 달리 커버를 제거하고 직접 세척 위해 모터에 물을 분사하여 고장을 일으킬 수 있다.

또 다른 일반적인 해결책은 청소 중에 모터를 보호하기 위해 임시 커버나 비닐봉지를 사용하는 것이다. 이 접근 방식에도 몇 가지 문제가 있다. 첫째, 비닐봉지 커버를 설치하는 것이 불편하고 시간 소모적이어서 청소 직원 들이 필수 단계를 생략하고 모터를 직접 세척하기 때문에 고장이 발생할 수 있다. 둘째, 임시 커버를 제대로 사용할 때에도 모터는 수동으로 청소해야 하며, 이는 청소 시간을 크게 증가시키고 정기적인 청소 계획에 포함 되지 않을 경우 모터가 충분히 청소되지 않을 수 있어 미래의 문제를 초래할 수 있다.

더 나은 해결책은 제한 없이 전체 세척 환경을 견딜 수 있도록 설계된 전기 구성 요소, 즉 모터를 사용하는 것이다.

▲ IP69K 세척 기능을 갖춘 AKMA 및 AKMH 서보 모터

미생물학적 수준으로 세척
 

세척 가능한 미생물 수준의 요건을 충족하는 것 외에도, 식품 가공 및 포장에 사용되는 구성 요소는 세척이 가능해야 한다.

일반적인 전기 모터, 기어박스, 심지어 스테인리스 스틸 제품들도 이 요건을 충족하도록 설계되지 않았다. 많은 표준 모터는 도장이 되어 있지만, 이 표면들은 미생물 수준으로 청소할 수 없으며, 표면이 거칠고 페인트가 청소를 방해하기 때문이다. 기능성을 향상시키기 위해 종종 열 방열판이 포함되지만, 방열판의 핀은 점검과 청소를 어렵게 만든다. 청소가 어려워 병원균이 서식할 가능성이 높은 다른 문제 구역으로는 패스너, 거친 표면, 금속 대 금속 이음새, 명판 영역, 그리고 액체가 고일 수 있는 평평한 표면이 있다.

그러나 청결 효율성과 식품 안전성을 이유로 고려할 만한 제품들이 있으며, 위생 기계 설계 가이드라인을 충족 하고 이를 초과하는 제품들이 존재한다. 제대로 청소할 수있는 모터나 기어박스를 선택하는 것은 장비의 적절한 크기를 선정하는 것만큼이나 중요하다.

자료제공: Kollmorgen(www.kollmorgen.com)