Usura delle macine per il processo di macinazione dei chicchi di caffè tostato: selezione dei materiali e tecniche di monitoraggio online

The aim of this research project was to investigate the properties of different type of metallic materials with different heat and surface treatment to identify, among those compatible with applications in the food sector, the most resistant to wear to be used for grinder burrs in roasted coffee beans grinding process. The first step was to identify the mechanical properties of coffee beans that can affect the wear resistance of grinder burrs. Mechanical properties of roasted coffee beans of different species were tested. A thorough comparison with literature data on coffee beans of different provenance was made, and findings indicate a severe dependence on the roasting process, rather than on other investigated parameters. Relevant properties of coffee beans, like compressive strength, have been used to identify possible “dummy loads” to be used, in place of the more expensive coffee, during wear tests on real equipment o for the running in of the grinder-burrs during manufacturing. Roasted cereals resulted suitable candidates for accelerated wear tests in real conditions. Samples of different kinds of steel with different surface treatments have been produced and surface hardness and wear resistance has been tested at the laboratory scale using a pin- on disk tribometer. After that, the wear rate has been calculated measuring the wear tack using a profilometer. Such procedure is expected to lead to results transferable to real wear tests on the industrial equipment, for accelerated testing. There was interest in finding the best combination in terms of wear resistance, behavior in the running-in phase, resulting particle size of ground coffee. To this end, different grinder burrs were manufactured based on the experimental results, and they have been used to grind different types of roasted coffee beans. Subsequently, the particle size distributions of the resulting powders obtained were measured and correlated with the operating parameters and the grinder burrs material and coffee species. In order to try to identify wear during normal functioning of the equipment, spectrum analysis machine line current (MCSA) techniques was tried as hypothesis of effective method to determine the loss of grinder burrs grinding efficiency, which depends on cutting-edge wear. This approach is based on the assumption that wear changes the interdistance between the grinder parts, and this is reflected in the operating parameters of the electric motors powering the unit.

Lo scopo di questo progetto di ricerca è stato quello di indagare le proprietà di diversi tipi di materiali metallici con diversi trattamenti termici e superficiali per individuare, tra quelli compatibili con applicazioni nel settore alimentare, i più resistenti all'usura da utilizzare per la realizzazione di macine utilizzate nel processo di macinatura dei chicchi di caffè tostato. Il primo passo è stato quello di identificare le proprietà meccaniche dei chicchi di caffè tostati che possono influenzare la resistenza all'usura delle macine. Sono state testate le proprietà meccaniche dei chicchi di diverse specie di caffè. È stato effettuato un confronto approfondito con i dati della letteratura sui chicchi di diversa provenienza e i risultati indicano una significativa dipendenza dal processo di tostatura, più che da altri parametri indagati. Alcune proprietà rilevanti dei chicchi di caffè, come la resistenza alla compressione, sono state utilizzate per identificare possibili carichi sostitutivi, più economici, da utilizzare al posto del caffè durante le prove di usura su attrezzature reali o per il rodaggio delle macine durante la produzione. I cereali tostati sono risultati candidati idonei per i test di usura accelerata in condizioni reali. Sono stati prodotti campioni di diversi tipi di acciaio con diversi trattamenti superficiali e la durezza superficiale e la resistenza all'usura sono state testate utilizzando un tribometro pin-on disk. Successivamente, il tasso di usura è stato calcolato misurando la traccia di usura utilizzando un profilometro. Si prevede che tale procedura porti a risultati trasferibili a prove di usura reali sulle apparecchiature industriali, per prove accelerate. L’interesse era anche quello di trovare la migliore combinazione in termini di resistenza all'usura, comportamento nella fase di rodaggio, conseguente distribuzione granulometrica delle particelle del caffè macinato. A tal fine, sono state prodotte diverse macine basate sui risultati sperimentali e sono state utilizzate per macinare diversi tipi di chicchi di caffè tostati. Successivamente, le distribuzioni granulometriche delle polveri risultanti sono state misurate e correlate con i parametri operativi, il materiale delle macine e le specie di caffè. Al fine di cercare di monitorare l'usura durante il normale funzionamento dell'apparecchiatura, sono state svolte prove di analisi dello spettro della corrente assorbita della macchina (MCSA) come ipotesi di metodo efficace per determinare la perdita di efficienza di macinazione delle macine, che dipende dall’avanzare dell'usura dei taglienti. Questo approccio si basa sul presupposto che l'usura cambi l'interdistanza tra le macine e ciò si riflette nei parametri operativi dei motori elettrici che alimentano l'unità.