TLM-Verpackungsmaschine, Bild: Schubert

TLM-Verpackungsmaschine: Die Module lassen sich leicht kombinieren oder austauschen. Das ermöglichte die hohe Flexibilität, die für viele Kunden immer wichtiger wird. Bild: Schubert

Verpackungsmaschinen werden schon seit hundert Jahren automatisiert, nur geschah dies damals mittels mechanischer Verkettung durch Königswelle, Getriebe, Kurvenscheiben, Zahnräder und Ketten. Heute sorgen elektronische Königswellen und Bustechnologien für einen fließenden Übergang bis zur dezentralen Antriebstechnik und erfüllen damit zentrale Kundenanforderungen nach hoher Flexibilität und der effizienten Herstellung von kleineren Batches, nach kurzen Umrüstzeiten der Maschinen und der Gewährleistung der Rückverfolgbarkeit. Gleichzeitig spiegeln sich auch die Markttrends wie die starke Nachfrage nach sicheren Lebensmitteln, einer umweltfreundlichen Verpackung und individualisierten Produkten in hoher Qualität wider. Dies alles hat Auswirkungen auf die Konstruktion von Verpackungsmaschinen.

virtueller Zwilling, Bild: Optima
Mit VR-Brillen können Konstrukteure einfach in die Maschine blicken. Bild: Optima

Die kostengünstige Herstellung von Verpackungen erfordert deshalb Modularisierung und Standardisierung von Maschinenfunktionen und -einheiten. „Anders lassen sich wechselnde Kundenanforderungen und immer kürzere Entwicklungszeiten sowie steigende Produktivität bei immer individuellerer Massenproduktion nicht bewerkstelligen“, betont Horst Kolbert, Business Development Manager Packaging bei der Siemens-Division Digital Factory. Stand der Technik sind inzwischen dezentrale Steuerungskonzepte auf schnellen Bussystemen und dezentrale I/O- und Antriebstechnik in hoher Schutzklasse mit intelligenter Verkabelungstechnik. „Vor allem im Softwarebereich zeigen sich die Stärken von Standardisierung und Modularisierung. Gerade hier kann aufgrund des immer mehr steigenden Komplexitätsgrades der Maschinen viel Zeit und Geld gespart werden. Standardschnittstellen wie OMAC, Weihenstephaner PackML oder OPC UA und durchgängige Engineering-Plattformen wie zum Beispiel TIA Portal bieten sich ebenso an wie standardisierte Software-Bibliotheken für wiederkehrende Steuerungs- und Handlings-Aufgaben für Verpackungsmaschinen“, so Horst Kolbert weiter.

Maschinen werden flexibler, wo es nötig ist

Bei hochdynamischen Materialflusssteuerungen kommen inzwischen auch modulare Linearantriebssysteme, sogenannte Multi-Carrier-Systeme, vermehrt zum Einsatz. So entwickelte Festo gemeinsam mit Siemens das Multi-Carrier-System MCS passend für die Verpackungsindustrie. „Unsere Systemlösung macht die Anlage genau dort flexibel, wo dies benötigt wird: Beschleunigung, Geschwindigkeit, Gruppierung und synchrone Bewegung sind frei definierbar und die Carrier lassen sich für eine schnelle Umstellung der Maschine auf unterschiedliche Formate übergabefrei ein- und ausschleusen“, erklärt Alexander Wagner, Leiter Globales Key Account and Industry Segment Management Food and Packaging bei Festo.

„Die Verpackungsmaschinen der nächsten Generation brauchen immer weniger Schaltschrankplatz und sind zunehmend vertikal und horizontal vernetzt“, erklärt Tobias Gerhard, Business Development Processing & Packaging bei Bosch Rexroth. „Wir haben eine Vielzahl von Kunden, die unsere schaltschranklose Antriebstechnik IndraDrive Mi verwenden. Dies reduziert das Schaltschrankvolumen bei sinkendem Verkabelungsaufwand und Kühlbedarf.“

Bild: Siemens

"Weltweit steigt der Bedarf an Abfüll- und Verpackungsanlagen – insbesondere in Schwellen- und Entwicklungsländern. Der Trend zu individualisierten Verpackungen erfordert dynamische, flexible Anlagen."

Horst Kolbert, Siemens

Durchgängige Digitalisierung beschleunigt den Entwicklungsprozess

Als Pendant zum modularen Aufbau auf der Steuerungsseite entwickeln Verpackungsmaschinenbauer das Prinzip der modularen Funktionsstruktur. Damit lassen sich Produktionslinien je nach Aufgabenstellung aus mehr oder minder standardisierten Grundmodulen flexibel zusammensetzen. „Die Chancen durch modulare Baugruppen sind noch lange nicht ausgereizt“, betont Ralf Schubert, Geschäftsführer beim Verpackungsmaschinenhersteller Gerhard Schubert. „Beim Modulbaukasten sind die einzelnen Komponenten bereits bekannt und getestet. Man weiß, ob das Prinzip funktioniert, und spart dadurch Zeit und Kosten bei der Planung der Anlagen."

Sind die Randbedingungen wie Maße und die Anzahl der zu befüllenden Kartons einmal bekannt, kann die Linie mit geringem Aufwand entsprechend zusammengesetzt werden. „Nach unseren Erfahrungen entstehen die besten Konzepte immer dann, wenn Standardmodule eingesetzt werden. Deshalb nutzen unsere Konstrukteure stets den Standardkatalog als Baukasten – nur die Roboterwerkzeuge werden für jede Aufgabe neu entwickelt. Ein großes Plus ist, dass Module sich leicht kombinieren oder austauschen lassen. Das ermöglicht eine hohe Flexibilität, die für viele Kunden immer wichtiger wird. Wenn beispielsweise mehr Leistung benötigt wird, fügen wir einfach eine weitere Teilmaschine in die bestehende Anlage ein“, so Ralf Schubert weiter und ergänzt, dass die Modularität einzigartige Vorteile bei der Konfiguration bietet. „Ein Beispiel dafür ist der TLM-Konfigurator, den wir für die Planung nutzen und frei zugänglich auf unserer Internetseite anbieten.“

Bild: Gerhard Schubert

"Erst durch Modularität ist es möglich, Maschinen flexibel zu konfigurieren. Und hier zeigt sich auch der Vorteil von modularen Robotern."

Ralf Schubert, Gerhard Schubert

Mit seinem Konzept „Engineering 3.0“ richtete Optima Nonwovens seinen gesamten mechatronischen Engineering-Prozess neu aus und führte ihn als Organisationsprinzip verbindlich ein. „Damit haben sich auch interne Arbeitsabläufe erheblich verändert“, erklärt Dr. Georg Pfeifer, Geschäftsführer bei Optima Nonwovens. Ziel ist, die Maschinen noch modularer aufzubauen und gleichzeitig ihre Prozesssicherheit schon bei Abschluss der Montage auf ein sehr hohes Niveau zu bringen. Mit der exakten Beschreibung der mechatronischen Funktionsmodule mit allen Prozessmaßen, Koordinaten für Sensoren und Aktoren, Kalkulationen von Prozessparametern, und weiteren Parametern kann sofort in allen Bereichen parallel gearbeitet werden. „Vor Einführung des Konzeptes Engineering 3.0 setzte die Entwicklung der Software gezwungenermaßen zeitversetzt ein“, sagt Pfeifer. Software wurde manchmal erst entwickelt, wenn die Maschinen schon nahezu fertig in der Montagehalle standen. Traten Fehler auf, mussten diese nicht selten beim Kunden während der Installationsphase behoben werden. Heute verlaufen die Disziplinen Mechanik, Elektrik und Software im Projekt fast parallel. „Wir bringen damit den Softwareprozess im Engineering auf die gleiche Bedeutungsebene wie die Mechanik und die Elektrik“, so Pfeifer weiter.

Verpackungsmaschinen aus Deutschland

Die Nachfrage nach Verpackungsmaschinen aus deutscher Produktion ist ungebrochen hoch und erreichte 2016 nach Angaben des VDMA Fachverbandes Nahrungsmittelmaschinen und Verpackungsmaschinen einen neuen Rekordwert von 6,4 Mrd. Euro. Mit einer durchschnittlichen Exportquote von über 80 Prozent und einem Anteil am Welthandelsvolumen von 28 Prozent sind die deutschen Verpackungsmaschinenbauer weltweit führend. Nach Deutschland ist Italien das wichtigste Lieferland von Verpackungsmaschinen mit einem Anteil von 21 Prozent. Es folgen mit größerem Abstand die USA und China mit jeweils 7 Prozent und die Niederlande mit 6 Prozent am internationalen Außenhandel.

Die deutschen Verpackungsmaschinenunternehmen erzielen im Mittel über 80 Prozent ihrer Umsätze im Ausland. 2016 exportierten sie Maschinen und Anlagen im Wert von knapp 5,4 Mrd. Euro in mehr als 100 Länder der Welt, ein Plus von 3 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Nach wie vor wichtigste Absatzregion ist Europa mit einem Anteil von 47 Prozent. Davon entfallen 36 Prozent auf die Länder der Europäischen Union. Asien steht an zweiter Stelle. Die deutschen Verpackungsmaschinenhersteller lieferten 2016 Verpackungsmaschinen im Wert von 1 Mrd. Euro in asiatische Länder. Das entsprach 19 Prozent der deutschen Exporte. Nordamerika belegt Platz 3. Hier stiegen die Auslieferungen 2016 um 14 Prozent auf 764 Millionen Euro. Afrika folgt an Position vier mit Auslieferungen in Höhe von 331 Mio. Euro, dahinter Lateinamerika mit 330 Millionen Euro und der Nahe/Mittlere Osten mit 308 Millionen Euro.

Mit dem digitalen Zwilling schneller in die Verpackungsproduktion

Männer schauen in Maschine, Bild: Bosch Rexroth
Der reale Blick in die Maschine ist nicht mehr zwingend erforderlich, wenn Verpackungsanlagen vollständig digitalisiert sind. Wartungsmitarbeiter rufen den virtuellen Zwilling ab. Bild: Bosch Rexroth

Kaum ein Thema stößt derzeit auf so viel Resonanz wie der so genannte digitale Zwilling und die virtuelle Inbetriebnahme. Mit leistungsfähigen Softwarewerkzeugen kann man den Produktionsprozess inklusive Steuerungen, Maschinen und Anlagen als virtuelles Modell abbilden und so in einer realitätsnahen Simulation bereits während der Entwicklungsphase Konstruktionsfehler und konzeptionelle Schwachstellen erkennen oder später die Produktion optimieren. „Bisher waren detaillierte Softwaretests nur an den bereits montierten Maschinen möglich. Da die Maschinensoftware zunehmend komplexer wird, bringt die virtuelle Inbetriebnahme als weiterer Baustein des Engineerings 3.0 einen großen Zeit- und Qualitätsvorteil“, erklärt Georg Pfeifer. Funktionen und Komponenten werden auf diese Weise spezifisch optimiert, noch bevor eine Anlage real gebaut wird. „Unsere Kunden bestätigen, dass dies die Zukunft im Maschinenbau ist“, so Pfeifer.

Optima hat zudem direkten Zugang zum Virtual Reality Center des Packaging Valley Germany e.V. in Schwäbisch Hall. Auch Maschinenbauer Schubert entwickelt die digitale Darstellung seiner Module weiter. „In Form des digitalen Zwillings sind wir dabei, eine vollfunktionsfähige Simulation unserer Maschinen auf einer Softwareplattform darzustellen. Diese Plattform ist dann nicht nur die Basis der internen Konstruktionsplanung, sondern soll auch unseren Kunden für ihre Produktionsplanung zur Verfügung stehen“, sagt Ralf Schubert. „Mit dem digitalen Zwilling ist es möglich, schnell und kostensparend zu testen, welche Lösung am besten für die jeweilige Aufgabe geeignet ist oder welche Umstellungen nötig sind. Das spart Zeit und Kosten durch Testläufe in einer virtuellen Umgebung.“

Bild: Optima

"Wenn die Leistung nachträglich erhöht oder Funktionen nachträglich ohne konstruktiven Aufwand ergänzt werden können, sind das wichtige Kundenvorteile."

Dr. Georg Pfeifer, Optima Nonwovens

Know-how in gemeinsames digitales Modell stecken

Aber auch die Komponentenhersteller bleiben nicht untätig. So liefert Bosch Rexroth die jeweiligen 3D- und Verhaltensmodelle seiner Komponenten wie Servomotoren und -antriebe standardmäßig mit, „sodass in wenigen Arbeitsschritten vollständige virtuelle Abbilder der verbauten Komponenten zur Verfügung stehen. Alle am Designprozess beteiligten Abteilungen können nun frühzeitig ihr Know-how in ein gemeinsames digitales Modell überführen, an diesem arbeiten und die Steuerung mit allen Antrieben und Kinematiken schon vor oder parallel zur Maschinenmontage testen und simulieren“, sagt Tobias Gerhard. „Weil auch die Arbeitsvorbereitung die späteren Produktionsabläufe vorab simulieren und kalkulieren kann, haben unsere Kunden nur noch sehr wenig Aufwand, um nach Auftragserteilung mit der Produktion der Verpackungsanlage zu beginnen.“

Auch Siemens bietet mit der konsequenten Digitalisierung entlang der gesamten Wertschöpfungskette einer Maschine von der Planung über die Konstruktion und Inbetriebnahme bis zum Service dem Maschinenbauer einen enormen Produktivitätsschub mit signifikant kürzeren Entwicklungszeiten. „Eine durchgängige Datenhaltung entlang des gesamten Prozesses und eine integrierte beziehungsweise integrierbare Toollandschaft sind der Schlüssel. Siemens bietet hier mit Teamcenter als Backbone eine komplette SW Suite von Plant Simulation, Teamcenter, NX Mechatronic Concept Designer mit automatischer Code Generierung, TIA Portal als Engineering-Plattform bis hin zur virtuellen Inbetriebnahme und Cloud-Anbindungen (Mindsphere) für neue Service- und Instandhaltungskonzepte an“, berichtet Horst Kolbert.

„Die Zeit- und Kostenersparnis zeigt sich nicht nur im wesentlich verkürzten Entstehungsprozess der Maschine, sondern auch später in der effizienten Wiederverwendbarkeit der gewonnenen Daten und deren automatische Verkettung in den digitalen Workflow.“ Sämtliche Daten einer Maschine sind so zu jeder Zeit konsistent, werden nur einmal zentral gepflegt und stehen jeder Entwicklungsinstanz zeitgleich zur Verfügung. Beispielsweise können auch Datenänderungen an im Feld befindlichen Maschinen sofort wieder in den digitalen Zwilling rückgeführt werden und sorgen so für hohe Engineering-Effizienz.

"Der Trend hin zur verstärkten Automatisierung, der schon vor Jahren begonnen hat, wird sich auch in der Zukunft fortsetzen. Rein mechanische Lösungen spielen eine untergeordnete Rolle."

Alexander Wagner, Festo

Neue Forderungen nach Sicherheit und Energieeffizienz

Multi-Carrier-System MCS, Bild: Siemens
Festo entwickelt gemeinsam mit Siemens das Multi-Carrier-System MCS passend für die Verpackungsindustrie. Hier in einer Darstellung als digitaler Zwilling. Bild: Siemens

In einigen Anwendungsfällen der Verpackungsindustrie reicht die rein elektrische Servoantriebstechnik nicht aus. Hier bringt der Einsatz moderner Hydrauliklösungen Vorteile. Elektronifizierte Hydraulik lässt sich einfach in vernetzte Umgebungen integrieren und ihre Energieeffizienz ist mit der von elektrischen Antrieben gleicher Größenordnung vergleichbar. Kombinationen elektrohydraulischer Einzelantriebe können alle Möglichkeiten pendelnder Prozessenergien, also Rückgewinnung von Bremsenergien und bedarfsgerechte Ein- und Rückspeisung ausschöpfen. Die bedarfsgerechte Erzeugung des Volumenstroms steigert darüber hinaus die Standzeit der Hydraulikmedien sowie der eingesetzten Hydraulikkomponenten. Das senkt die Betriebskosten zusätzlich. Die Einführung von Condition Monitoring und vorausschauender Wartung steigert nach Aussage von Bosch Rexroth die Overall Equipment Efficiency durch höhere Verfügbarkeit und geringere Instandhaltungskosten.

Für Festo fängt Energieeffizienz bereits bei der Planung und Auslegung an. So kann es je nach Aufgabe und Anwendungsfall variieren, welche Technologie eingesetzt wird. „Wenn Produktionsprozesse für höchste Performance gestaltet sind, verbrauchen diese in Summe am wenigsten Energie. Ob Pneumatik, Elektrik oder im Technologie-Mix: Intelligente Engineering-Tools unterstützen dabei, die ideale Balance aus Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit zu finden“, sagt Alexander Wagner. Inzwischen wird auch die Pneumatik umfassend digitalisiert. So bildet beispielsweise das Energieeffizienzmodul MSE6-E2M eine intelligente Kombination aus Wartungsgerät, Sensorik und Feldbustechnik. Es überwacht und regelt vollautomatisch die Druckluftversorgung, sperrt automatisch die Druckluft im Standby-Betrieb und erkennt automatisch Leckagen. Für das Condition Monitoring schreibt es alle prozessrelevanten Daten mit. Mit dem Motion Terminal VTEM bietet Festo die erste pneumatische Automatisierungsplattform weltweit, die über Apps gesteuert werden kann. „Erstmals lassen sich die Funktionen eines Ventils App-gesteuert wechseln – ohne dass die Hardware verändert werden muss“, so Wagner weiter.

Für Festo fängt Energieeffizienz bereits bei der Planung und Auslegung an. So kann es je nach Aufgabe und Anwendungsfall variieren, welche Technologie eingesetzt wird. „Wenn Produktionsprozesse für höchste Performance gestaltet sind, verbrauchen diese in Summe am wenigsten Energie. Ob Pneumatik, Elektrik oder im Technologie-Mix: Intelligente Engineering-Tools unterstützen dabei, die ideale Balance aus Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit zu finden“, sagt Alexander Wagner. Inzwischen wird auch die Pneumatik umfassend digitalisiert. So bildet beispielsweise das Energieeffizienzmodul MSE6-E2M eine intelligente Kombination aus Wartungsgerät, Sensorik und Feldbustechnik. Es überwacht und regelt vollautomatisch die Druckluftversorgung, sperrt automatisch die Druckluft im Standby-Betrieb und erkennt automatisch Leckagen. Für das Condition Monitoring schreibt es alle prozessrelevanten Daten mit. Mit dem Motion Terminal VTEM bietet Festo die erste pneumatische Automatisierungsplattform weltweit, die über Apps gesteuert werden kann. „Erstmals lassen sich die Funktionen eines Ventils App-gesteuert wechseln – ohne dass die Hardware verändert werden muss“, so Wagner weiter.

Bosch Rexroth entwickelte die 4EE-Systematik, um Energiesparpotenziale in Industrieanlagen zu erkennen. Im „Energy System Design“ wird der gesamte Prozess betrachtet, angefangen von der Projektierung bis zur Simulation. „Efficient Components“ garantieren ausschließlich Produkte und Systeme mit optimiertem Wirkungsgrad. „Energy Recovery“ bietet das Potenzial bezüglich Rückspeisung und Speicherung überschüssiger Energie. „Energy on Demand“ ermöglicht den bedarfsgesteuerten Energieeinsatz und den Standby-Modus. „Durch Berücksichtigung der vier genannten Ansatzpunkte kann die Energieeffizienz in allen Phasen des Maschinenlebenszyklus nachhaltig gesteigert werden. Das senkt Betriebskosten und verbessert die Produktivität“, betont Tobias Gerhard, Bosch Rexroth.

Paradigmenwechsel in der Bedienung

Multi-Carrier-System MCS, Bild: Siemens
Das Multi-Carrier-System MCS macht die Anlage genau dort flexibel, wo dies benötigt wird: Beschleunigung, Geschwindigkeit, Gruppierung und synchrone Bewegung sind frei definierbar und die Carrier lassen sich für eine schnelle Umstellung der Maschine auf unterschiedliche Formate übergabefrei ein- und ausschleusen. Bild: Siemens

Im Bereich Sensorik und Analytik müssen alle Bereiche einander zuspielen. Dies sind zum einen die Ausstattung der eingesetzten Maschinenkomponenten und Sensoren selbst, die relevante Produktdaten während des Betriebes standardmäßig zur Verfügung stellen. „Im Rahmen der Digitalisierung entwickelt sich derzeit die Sensorik rasant weiter bis hin zu akustischer und Bilddaten-Erfassung mit hochentwickelten Algorithmen“, sagt Siemens-Manager Kolbert. „Darauf aufbauend ist das Know-how des Maschinenbauers gefragt, welche Szenarien der Datenerfassung und Datenauswertung über den Lebenszyklus der Maschinen für Instandhaltung und Servicefälle relevant sind. Die bisherigen Service-Konzepte über Remote-Zugriff werden zunehmend ergänzt durch cloudbasierte Monitoring-Systeme wie Mindsphere mit deutlich gesteigerter Intelligenz in der Datenerfassung und Analyse inklusive der vorbeugenden Wartung.“ Gleichzeitig führt die Forderungen der Anwender nach höherer Leistungsfähigkeit, größerer Flexibilität und mehr Intelligenz in Maschinen und Anlagen zu immer komplexeren Systemen, was höchste Anforderungen an die Bedienkonzepte stellt.

In der Praxis fehlt den Unternehmen aber zunehmend gut ausgebildetes Fachpersonal. Lange Stillstandszeiten und hohe Ausschussmengen können die Folge sein. Deshalb müssen sich die Maschinen künftig auch von Menschen ohne spezifische Berufsausbildung und mit unzureichenden Sprachkenntnissen sicher bedienen lassen. Hierbei helfen intelligente Sensoren, die Abweichungen selbstständig erkennen und an komplexe Analyse- und Simulationsprogramme in Echtzeit weiterleiten, die sie visualisieren und in verfahrenstechnische Zusammenhänge bringen. Auf Basis dieser Informationen können Maschinen- und Anlagenführer zielgerichtet die Anlagenfahrweise optimieren und Programmänderungen vornehmen. Simulationsergebnisse liefern präzise Vorhersagen über die Restlebensdauer kritischer Maschinenteile, was die Instandhaltung vereinfacht und Kosten spart.

Bild: Bosch Rexroth

"Die Verpackungsmaschinen der nächsten Generation gehen in Richtung schaltschranklos und sind zunehmend vertikal und horizontal vernetzt."

Tobias Gerhard, Bosch Rexroth

Maschinen passen sich automatisch an Umgebung an

Bosch Rexroth passt „angesichts immer komplexerer Verpackungsprozesse die Maschinen automatisch an ihre Umgebung an“, so Tobias Gerhard. Um aus ihrem jeweiligen Zustand zu lernen, verwendet man Smart Sensor Nodes mit MEM-Technologie wie den XDK. Hilfreiche Informationen liefern virtuelle Sensoren wie Servomotoren und -antriebe, darunter der intelligente Servomotor MS2N. Für automatische Formatwechsel wurden adaptive Software-Funktionalitäten entwickelt. Das Spektrum reicht von flexiblen Kurvenscheiben in der Steuerung (FlexProfile), über Antriebsfunktionen wie Auto-Tuning und Anti-Vibration bis hin zu Frequenzgangmessungen und innovativen Filterfunktionen zur Minimierung von Resonanzfrequenzen in der Mechanik.

Festo bindet pneumatische und elektrische Steuerketten einfach, schnell, flexibel und nahtlos an alle Automatisierungskonzepte und firmenspezifische Standards an. Über die Automatisierungsplattform CPX entsteht so ein aktives Diagnosemanagement. Bei Bosch Rexroth überwacht Odin (Online Diagnostics Network) die Betriebszustände hydraulischer Systeme kontinuierlich. Zustandsänderungen kritischer Komponenten lassen sich auf diese Weise frühzeitig erkennen und notwendige Wartungs- und Reparaturmaßnahmen einleiten. In der einfachsten Form melden Messsysteme wie Partikelzähler das Erreichen von kritischen Grenzwerten im Hydraulikfluid vor Ort. In einer weiteren Stufe werden die Antriebsdaten mit in die Überwachung einbezogen. In der umfassenden Odin-Variante erhalten Nutzer regelmäßig zu einem Statusbericht Informationen und Handlungsempfehlungen zum Maschinenzustand.

Insgesamt gesehen werden demnächst Big-Data-Analysen, Smart Maintenance und modellbasiertes Engineering große Potenziale für erhöhte Produktivität und Verfügbarkeit freisetzen. jl

 

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