Konstruktion Universalverschrauber

Getriebegehäuse mit Drehmoment­begrenzer, Drehwinkelsensor und Stoßdämpfer für oberen Anschlag, an dem ein ACE Kleinstoßdämpfer vom Typ MC150EUMH eingesetzt wird, um daneben einem End­lagensensor den ­nötigen Platz ein­zuräumen. (Bild: Metallatelier)

Verschraubereinheit
Die für Testzwecke geöffnete Verschraubereinheit vor dem Einsatz bei der Bilgram Chemie GmbH in der Produktion von Des­infektionsmitteln während der Corona-Pandemie. (Bild: Metallatelier)

Die erste Generation dieser Sondermaschine stellt die technische Grundlage für einen erfolgreichen Beitrag im Kampf gegen SARS-CoV-2 dar. Hauptprotagonist dabei ist die Bilgram Chemie GmbH, die mit Chemikalien handelt, Wasch- und Reinigungsrohstoffe, Reinigungsmittel, Biogasanlagenprodukte, Wärme- und Kälteträger sowie Klebstoffe herstellt und auch Dienstleistungen wie Lohnabfüllung und Anlagenbau bietet. Dort kannte man den Universalverschrauber 1.0, der über eine singuläre Schraubkappenmontagevorrichtung verfügt, die sicheres Verschließen verschiedenster Reinigungsmittelflaschen bis hin zu solchen mit Pumpsprühköpfen automatisiert. Daher fragten sie beim Metallatelier die Fertigung einer Nachfolgeserie an. Während es bei der ursprünglichen per Gebrauchsmuster beim Deutschen Patent- und Markenamt angemeldeten Erfindung darum ging, das Handling zu beschleunigen und dabei vor allem die Sehnenscheiden des Bedienpersonals zu schonen, stand anno 2020 zum einen Teil die Steigerung des Produktionstempos im Fokus, um der nie dagewesenen Nachfrage nach Desinfektionsmitteln so schnell es geht entsprechen zu können. „Zum anderen Teil galt es, die ganze Maschine noch variabler und gleichzeitig schneller an neue Verschlüsse und Bandhöhen anpassbar zu konstruieren, weil unser Kunde an den drei Sondermaschinen vor allem kleine Fläschchen mit Handdesinfektion abfüllen wollte“, beschreibt David Fuchs, Gründer und Eigentümer der Metallatelier GmbH, einen Teil der neuen Anforderungen.

Funktion der Verschraubungsmaschine

Pumpsprühflasche im Griff von Reibrädern
Pumpsprühflasche im Griff von Reibrädern, links daneben ACE-Kleinstoßdämpfer, die der Erhöhung von Taktraten sowie in der unteren Endlage als Begrenzung der Schließbewegung dienen und zudem bei einer Havarie die Gesamtkonstruktion schützen. (Bild: Metallatelier)

Für die Erreichung dieser Ziele ist das grundlegende Arbeitsprinzip das gleiche wie das der Vorgängerkonstruktion geblieben: Die Flaschen werden von zwei mit Ethylen-Propylen-Dien (Monomer)-Kautschuk (EPDM) belegten Klemmbacken mittig unter dem Verschraubmechanismus fixiert. Daraufhin fassen die vier Greifrollen die Schraubkappe und schrauben diese bis zum Erreichen des voreingestellten Drehmoments fest. Mit Hilfe der unteren Kleinstoßdämpfer wird nicht nur der Pneumatikschlitten abgebremst, sondern es wird durch die Position der Dämpfer auch die Endlage des Greifmechanismus festgelegt und so die Maschine auf die unterschiedlichen Schraubkappengrößen eingestellt. Der Schlitten fährt in der Regel nicht bis in seine Endlage, sondern wird vorher durch die Kleinstoßdämpfer gestoppt. Der obere dient dazu, dass auch hier der Schlitten nicht jedes Mal bis in seine Endlage verfahren muss, sondern schon dann gestoppt wird, wenn die Greifrollen weit genug geöffnet sind, dass der gerade verschraubte Deckel wieder weiter befördert werden kann. Ein weiterer Verwendungszweck der Anlage: Flaschen mit Griff oder Pumpsprühkopf können zum besseren Weitertransport oder zwecks Verpackung in Gebinden oder zur Verladung im bereits verschlossenen Zustand auch gedreht und so in einheitliche Positionen gebracht werden.

Kleinstoßdämpfer unterstützen Pneumatikantrieb

Kleinstoßdämpfer
Im Dauerbetrieb können die selbsteinstellenden, wartungsfreien Kleinstoßdämpfer von ACE aus der Familie MC150 bis MC650 ihre Stärken am ­besten ausspielen. (Bild: ACE)

So präzise der hier verwendete Festo-Antrieb auch arbeitet, ist es sinnvoll, dass hydraulische Dämpfer die letzte Wegstrecke des Bremsvorgangs übernehmen – und das in gleich mehrerer Hinsicht. Kleinstoßdämpfer arbeiten dank linearer Kennlinien bei der Verzögerung effizienter als der Luftpuffer, schonen Geräte und Anlagen und sind langfristig sparsamer. Den einmaligen Investitionskosten bei der Anschaffung von Kleinstoßdämpfern stehen Einsparungen von häufig mehreren Tausend Euro auf Seiten der Betriebskosten gegenüber, verglichen mit dem Fall, dass die Pneumatik auf lange Sicht das Abbremsen übernehmen würde. Die Einsparungen ergeben sich unter anderem daraus, dass sich dank Stoßdämpfern die Massen mit dem kleinstmöglichen Pneumatikzylinder bewegen lassen, wodurch die Verwendung kleinerer Ventile und Wartungseinheiten möglich ist. Überdies wird permanent Druckluft und der zur Verteilung nötige Strom gespart. So sind bei der pneumatischen Endlagendämpfung circa 3 bis 4 cm3 Luft notwendig, die häufig auf bis zu 70 bar verdichtet werden. Mit Kleinstoßdämpfern ist das nicht nötig, da diese die Bewegungen sicher und schnell beim Erreichen der Endlage abbremsen. Zudem bieten diese stromlos arbeitenden Maschinenelemente im Havariefall folgenden Zusatzvorteil: Fällt die Pneumatik aus, werden schwerkraftbedingt die beiden unteren Kleinstoßdämpfer angefahren und absorbieren auf einen Schlag die kinetische Energie vollständig, sodass die Gesamtkonstruktion inklusive der anderen genannten Komponenten auf Nummer sicher geschützt ist.

Mehr Leistung durch Verwendung von Hightech-Komponenten

Universalverschrauber 2.0
Pandemie­getriebene Weiterentwicklung: der Universalverschrauber 2.0, konzipiert und konstruiert von der Metallatelier GmbH aus Deggenhausen, Bodenseekreis. (Bild: Metallatelier)

„Weil in unserem Pflichtenheft stand, das bewährte Prinzip der vier Reibräder beizubehalten, aber die ganze Maschine noch variabler und gleichzeitig schneller an neue Verschlüsse und Bandhöhen anpassbar zu konstruieren, wurde die gesamte Unterkonstruktion aus Item-Profil angefertigt und auf Stellfüßen mit 250 mm Verstellweg befestigt“, erklärt Metallatelier-Konstrukteur Sunyam Riegger den neuen Aufbau. Als weitere Innovationen wurden außerdem weitere Sensoren in die Konstruktion integriert, um den Verschraubungsprozess überwachen und optimal steuern zu können. So leisten heute jeweils ein Sensor zur Flaschenerkennung am Flaschenseparierer und am Verschrauber, jeweils ein Sensor zur Erkennung der ­Anfangs- und Endlage des Greifmechanismus der Reibräder und ein Drehsensor zuverlässig ihre Arbeit. Letztgenannter erkennt beispielsweise, wenn das voreingestellte Drehmoment erreicht ist und die Drehmomentkupplung durchrutscht. Zusätzlich zu diesen Änderungen wurden auch neue Auslegungen und Konstruktionen für das Abbremsen des von Festo gelieferten Schlittens in den Endlagen nötig.

Die richtige Dimensionierung beachten

Konstruktionszeichnung einer Verschraubereinheit
Seiten­ansicht der Verschraubereinheit in der Konstruktionszeichnung. (Bild: Metallatelier)

Kamen im Vorgängermodell in oberer wie unterer Endlage noch Kleinstoßdämpfer des Typs MC150-EUMH von ACE zum Einsatz, haben David Fuchs und sein Team die Anlage von der Ausstattung mit Dämpfungstechnik her neu gedacht: „Während wir in der oberen Endlage nach wie vor mit einer selbsteinstellenden Hydraulikkomponente des Typs MC150-EUMH arbeiten, verwenden wir nun unten zwei Kleinstoßdämpfer des Typs MC150-EUM. Der größte Unterschied liegt darin, dass der Dämpfer der oberen Endlage für größere effektive Massen von 8,6 bis 86 kg dimen­sioniert ist, die unten verwendeten kleineren Typen eignen sich dagegen für Massenkräfte von 0,9 bis 10 kg. Diese symmetrisch angeordneten Dämpfer haben den Vorteil, dass bei einer Fehlbedienung, einem Strom­ausfall oder einer durch einen Hackerangriff hervor­gerufenen Störung der Schlitten nicht ungebremst aufprallen und verkanten kann“, so der Inhaber des Metall­ateliers.

Kleinstoßdämpfer geben konstruktive Freiheit

Schnittzeichnung Stoßdämpfer
Neben der zuverlässigen Verzögerung zeichnen sich diese Maschinenelemente dank einzigartiger Rollmem­brantechnik von ACE durch höchste Standzeiten bis zu 25 Mio Lastwechseln aus. (Bild: ACE)

Sunyam Riegger fügt hinzu: „Prinzipiell wäre auch in der oberen Endlage eine Absicherung durch zwei der letztgenannten Dämpfer denkbar gewesen. Aus Platzgründen wurde jedoch der ACE-Kleinstoßdämpfer Typ MC150EUMH einseitig eingesetzt, um die andere Seite für den Endlagensensor frei zu haben.“ Der Antrieb des Schlittens der Verschraubungseinheit ist ein weiteres Kernstück ihrer neuen Konstruktion, erläutern die beiden. Sie weisen dabei darauf hin, wie präzise die Pneumatikeinheit arbeitet und dadurch genau senkrecht auf den oberen Kleinstoßdämpfer trifft, sodass dessen Kolbenstange optimal beaufschlagt wird und dieses Maschinenelement seine ­maximale Lebensdauer von 25 Mio Hüben voll ausspielen kann.

Erfolgsgeschichte mit Fortsetzung

Ein wesentlicher Grund für die Standfestigkeit dieser Dämpfer ist deren einzigartige Dichtungstechnik. Die von ACE perfektionierte und für ihre Langelebigkeit bekannte Rollmembrantechnologie wird auch bei den in diesem Anwenderbericht präsentierten Kleinstoßdämpfern verwendet. Die hermetisch dichte Rollmembran sorgt für eine phasenreine Trennung des Dämpfungsfluids zur Umgebungsluft. Hierdurch ist beispielsweise auch der direkte Einbau im Druckraum, etwa als Endlagendämpfung in Pneumatikzylindern, bis zu circo 7 bar möglich. Zudem begünstigt die Rollmembran die sehr geringen Rückstellkräfte dieser wartungsfreien, einbaufertigen Dämpfer.
Perfekt abgestufte Härtebereiche und die hohe Energieaufnahme von 20 Nm/Hub, die im Dauerbetrieb bis zu 34 000 Nm/h entsprechen können, sowie der integrierte Festanschlag ermöglichen ein Verfahren des Universalverschraubers unter Volllast. Wie dringlich das deutlich gesteigerte Arbeitstempo der zweiten Genera­tion seiner Erfindung war, sah David Fuchs bei einem der zahlreichen Vorort-Termine bei seinem Kunden in Ostrach und blickt zurück: „Viele werden die plötzlich leeren Regale in den Supermärkten zu Beginn der Pandemie besonders in Erinnerung behalten. Aber im Gegensatz zu Nudeln und Toilettenpapier, bei denen es in erster Linie darum ging, die Produkte aus den vollen Lagerhallen der Hersteller nur mit einer begrenzten Anzahl an Transportmitteln transportieren zu können, galt es für Hersteller von Desinfektionsmitteln, ihre Produktion an den exponentiell gestiegenen Bedarf anzupassen. So sahen wir bei unserem Kunden, wie sich die benötigten Zusatzstoffe auf Paletten bis vor die Werks­tore stapelten und waren froh, im Sommer 2020 einen kleinen Beitrag zur Entspannung dieser Lage geleistet zu haben, weil der Kunde schnell mit den drei neuen Universalverschraubern loslegen und die dringend benötigten Desinfektionsmittel liefern konnte.“

Maschine durchgehend verbessert

Neben der beschriebenen innovativeren Dämpfungslösung im Vergleich zur Vorgängerserie mitsamt veränderter Anordnung ist das neue Modell auch sonst durchweg verbessert. Zu weiteren nennenswerten Detaillösungen gehören die Elektronik mit inkrementalem Drehgeber, erweiterte Verstellwege mit Skalen zur schnellen Dokumentation der Einstellwerte sowie per Wasserstrahl geschnittene Klemmbacken aus EPDM-Schaum.
Zudem hat die Metallatelier GmbH die Kooperation mit der ACE Stoßdämpfer GmbH weiter ausgebaut, indem die Konstrukteure zusätzliche Maschinenelemente des Unternehmens aus Langenfeld integrierten: „Um die Höhenverstellung des Schlittens zu erleichtern, setzen wir erstmals auf Gaszugfedern. Und die aus antistatischem Polycarbonat hergestellte Schutzhaube, die von zwei in den senkrechten Profilen laufenden Gegengewichten in der Schwebe gehalten wird, schützen wir in der oberen Position mit zwei Strukturdämpfern“, so Metallatelier-Inhaber David Fuchs. Aber damit sei die Lösungsvielfalt der Kooperationspartner hier nur angedeutet. Welche Rolle die Geschwindigkeitsregulierung bei der Konstruktion der Universalverschrauber 2.0 spielt, ist eine andere Erfolgsgeschichte.

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