Stepped Jaw Design for Sealing Defects Encountered in Quadro Pack Formations

Abstract

In flexible packaging technologies, product shelf life and food safety are directly dependent on the sealing quality of the heat-sealing process. Especially in the Quadro (block-bottom) pack form, which is preferred for its self-standing feature, the irregular cross-sectional thickness caused by the folding of side gussets creates a significant sealing problem. The thickness difference between the four-ply structure in the folded areas and the two-ply structure in the middle region leads to non-homogeneous pressure distribution and defects known as "channel leaks" in standard flat jaws. The purpose of this study is to develop a stepped heat-sealing apparatus that eliminates this geometric disadvantage through a mechanical design. In the study, the jaw surface corresponding to the two-ply thin region was designed in a protruding form to compensate for the thickness difference. With this design, it is aimed to balance the effective pressure along the sealing line and optimize polymer diffusion even at low temperatures and closing forces. The developed mechanism is supported by centering elements and a synchronized drive system to increase operational stability. Consequently, it is evaluated that the proposed stepped jaw geometry prevents packaging deformation and contributes to production efficiency by increasing sealing reliability.

Keywords

• Channel leaks
• Packaging technology
• Quadro pack
• Sealing
• Stepped jaw.

Supporting Institution

Hipermak Makine Sanayi ve Ticaret Anonim Şirketi

Ethical Statement

The authors declare that there is no conflict of interest. The authors acknowledge that the system used in this study is subject to a patent application.

Thanks

The author thanks the R&D Department of Hipermak Makine Sanayi ve Ticaret Anonim Şirketi, İzmir/Türkiye, for supporting this study.

Oturan Paket (Quadro) Formunda Karşılaşılan Yapıştırma Hatalarına Yönelik Kademeli Çene Tasarımı

Abstract

Esnek ambalaj teknolojilerinde ürün raf ömrü ve gıda güvenliği, ısıl yapıştırma işleminin sızdırmazlık kalitesine doğrudan bağlıdır. Özellikle rafta dik durabilme özelliğiyle tercih edilen Quadro (oturan) paket formunda, yan körüklerin katlanmasıyla oluşan düzensiz kesit kalınlığı ciddi bir sızdırmazlık problemi yaratmaktadır. Katlanma bölgelerindeki dört katlı yapı ile orta bölgedeki iki katlı yapı arasındaki kalınlık farkı, standart düz çenelerde homojen olmayan basınç dağılımına ve "kanal sızıntısı" olarak bilinen hatalara neden olmaktadır. Bu çalışmanın amacı, söz konusu geometrik dezavantajı mekanik bir tasarımla ortadan kaldıracak kademeli bir ısıl yapıştırma tertibatı geliştirmektir. Çalışmada, iki katlı ince bölgeye denk gelen çene yüzeyi, kalınlık farkını kompanse edecek şekilde çıkıntılı formda tasarlanmıştır. Bu tasarım sayesinde, düşük sıcaklık ve kapanma kuvvetlerinde dahi sızdırmazlık hattı boyunca efektif basıncın dengelenmesi ve polimer difüzyonunun optimize edilmesi hedeflenmiştir. Geliştirilen mekanizma, merkezleme elemanları ve senkronize tahrik sistemiyle desteklenerek operasyonel kararlılık artırılmıştır. Sonuç olarak, önerilen kademeli çene geometrisinin ambalaj deformasyonunu önlediği ve sızdırmazlık güvenilirliğini artırarak üretim verimliliğine katkı sağladığı değerlendirilmektedir.

Keywords

• Ambalaj teknolojisi
• Kademeli çene
• Kanal sızıntısı
• Quadro paket
• Sızdırmazlık.

Supporting Institution

Hipermak Makine Sanayi ve Ticaret Anonim Şirketi

Ethical Statement

Yazar, çıkar çatışması olmadığını beyan etmektedir. Yazar, çalışmada kullanılan sistemin patent başvuru/tescil sahipleri arasında yer almaktadır.

Thanks

Yazar, çalışmayı destekleyen Hipermak Makine Sanayi ve Ticaret Anonim Şirketi Ar-Ge Departmanı, İzmir/Türkiye yetkililerine teşekkür eder.

References

1. Bach, S., Thürling, K. & Majschak, J.P. (2012). Ultrasonic sealing of flexible packaging films-principle and characteristics of an alternative sealing method. Packaging Technology and Science, 25(4), 233-248.
2. Bamps, B., Buntinx, M. & Peeters, R. (2023). Seal materials in flexible plastic food packaging: A review. Packaging Technology and Science, 36(8), 611-641.
3. D’huys, K., Saeys, W. & De Ketelaere, B. (2015). Detection of seal contamination in heat sealed food packaging based on active infrared thermography. Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXVII, 9485, 94850U.
4. Farris, S., Schaich, K.M., Liu, L.S., Piergiovanni, L. & Yam, K.L. (2009). Development of polyion-complex coated paper packaging materials. Packaging Technology and Science, 22(8), 461-473.
5. Gellerich, P.A. & Majschak, J.P. (2022). A new characterization approach for heat sealing of polymer packaging films identifying optimum sealing parameters using Pareto-based trade-off analysis. Journal of Applied Polymer Science, 139(44), 53094.
6. Hung, Y.H. & Sung, H.J. (2011). Effect of heat sealing temperature on the seal strength of flexible packaging. Journal of Applied Packaging Research, 5(4), 225-238.
7. Ilhan, I., Turan, D., Gibson, I. & ten Klooster, R. (2021). Understanding the factors affecting the seal integrity in heat sealed flexible food packages: A review. Packaging Technology and Science, 34(6), 349-366.
8. Ilhan, I., ten Klooster, R. & Gibson, I. (2023). Observing the effect of pressure and temperature on the seal integrity of critical seal regions of various flexible bag designs. Food Packaging and Shelf Life, 37, 101088.

9. Liu, Y., Lian, Z., Chen, J., Kuang, S., Mou, Y. & Wang, Y. (2020). Design and experimental research on sealing structure for a retrievable packer. Shock and Vibration, 2020, 1-12.
10. Mahalik, N.P. (2014). Processing and packaging automation systems: A review. Agricultural Engineering International: CIGR Journal, 16(3), 174-189.
11. Meka, P. & Stehling, F.C. (1994). Heat sealing of semicrystalline polymer films. II. Effect of sealing parameters on heat seal strength of LLDPE films. Journal of Applied Polymer Science, 51(1), 105-119.
12. Morris, B.A., Vansant, J.D. & Hausmann, K.A. (2011). More flexural strength for thin films. Kunststoffe International, 101(5), 21-24.
13. Najarzadeh, Z. & Ajji, A. (2014). A novel approach toward the effect of seal process parameters on final seal strength and microstructure of LLDPE. Journal of Adhesion Science and Technology, 28(16), 1592-1609.
14. Stavrov, D. & Bersee, H.E. (2005). Resistance welding of thermoplastic composites-an overview. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 36(1), 39-54. Theller, H.W. (1989). Heat sealing. Journal of Plastic Film & Sheeting, 5(1), 66-93.
15. TR Patent No: 2024/014369. (2024). Dikey dolum makinelerinde kullanılması için bir yapıştırma tertibatı. Türk Patent ve Marka Kurumu.
16. Bernal-Carrillo, J. G., Chiwo-González, F. S., Susunaga-Notario, A. C., del Ángel-Monroy, M., Arcos-Gutiérrez, H., & Garduño-Olvera, I. E. (2024). Development and redesign of flexible packaging under sustainability criteria. Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT), 7(1), e253.
17. Zheng, Q., Zhang, Q., Chen, F. & Yin, L. (2022). Effect of heat sealing and storage on mechanical and barrier properties of Maillard modified fish skin gel