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.