Trends bei Verpackungsmaschinen

Steuerungen und Aktoren müssen immer schneller arbeiten, um die Anforderungen an Flexibilität und Produktivität erfüllen zu können, die an moderne Verpackungsmaschinen gestellt werden. Schnelle, echtzeitfähige Bussysteme ersetzen daher immer häufiger die älteren Bussysteme. Pneumatische und elektrische Antriebe werden auf gleiche oder höhere Produktivität bei gleichem oder sinkendem Energieverbrauch getrimmt. Gleichzeitig wandern Komponenten wie zum Beispiel Ventile zunehmend aus dem Schaltschrank direkt in die Maschine.

Weniger Leitungen und Schläuche: Mit dem Ventilinselkonzept der CPX/MPA von Festo sinken Installationszeit und Bauraum, nach Angaben des Unternehmens, um rund ein Drittel. Bild: Festo

Diese Dezentralisierung erfordert mehr Intelligenz in den Komponenten und eine höhere Schutzart und hat stärker modulare Maschinenkonzepte zur Folge. Jörg Ahrend, Segment Sales Manager Automation – Pneumatic bei Parker Hannifin ergänzt dazu: „Modulare Maschinenkonzepte sind gefragt, denn auch der Trend zur Individualisierung und die gestiegenen Ansprüche der Endverbraucher hinsichtlich der Einkaufs- beziehungsweise Auspackerlebnisse erfordern letzten Endes konsequent modulare Konzepte.“

Ohne modulare Konzepte geht es nicht mehr

Parker bietet dementsprechend ein umfassendes Sortiment an technologieübergreifenden Komponenten und Systemlösungen, die diese Trends schon in ihrer Entwicklung berücksichtigt haben. Viele der Komponenten entsprechen dem modularen Prinzip und sind aufeinander abgestimmt. Parkers Geschäftsbereich Pneumatic Division Europe – Origa liefert Kunden aus der Verpackungsindustrie eine Vielzahl von Komponenten und Systemen, darunter die Serie OSP-P (die Abkürzung steht für Origa System Plus – Pneumatisch), eine Komplettlösung für lineare Antriebssysteme.

Das Baukastensystem der pneumatischen kolbenstangenlosen Zylinderserie bietet Anwendern viele Möglichkeiten, die unter anderem für die Optimierung von Befüllung- oder Dosieranlagen eingesetzt werden können. Speziell in diesem Bereich werden neben Standardgeräten auch kundenspezifische Lösungen und Systeme gefertigt, die auf die jeweiligen Kundenanforderungen individuell abgestimmt sind.

Für den Bereich Befüllen können etwa sehr langsame, ruckfreie Bewegungen bis zu 0,005 Meter pro Sekunde realisiert werden. Die Zylinderserie sorgt mit einer Laufleistung von über 8000 Kilometern für hohe Prozesssicherheit und Zuverlässigkeit. Die Serie ist ein komplett modulares Konzept, welches die Möglichkeit bietet, pneumatische oder elektrische Antriebe mit Führungen und Steuerungsmodulen für jegliche Art von Anwendungen zu kombinieren. Die Antriebe, bestehend aus einem Strangpress-Aluminiumprofil mit doppelten Schwalbenschwanznuten auf drei Seiten, sind die Kernstücke des Systems, an die alle modularen Optionen direkt angebracht werden können.

Aventics, nach eigenen Angaben Technologieführer bei der Integration von Elektronik in Pneumatikkomponenten, bietet für die spezifischen Anforderungen der Nahrungsmittelindustrie das Ventilsystem Clean Line CL03 an. Das Ventilsystem stellt eine komplette Produktfamilie mit allen verfügbaren Einzelventilen und Ventilscheiben dar und bietet eine hohe Modularität durch zwei Ventilgrößen mit einem Nenndurchfluss von bis zu 1100 Litern pro Minute.

Zusammen mit der Handhabung von bis zu 32 unterschiedlichen Drücken beim Einsatz von 16 Ventilen auf einer Grundplatte ermöglicht dies die individuelle Abstimmung jeder einzelnen Ventillösung auf den tatsächlichen Bedarf. Neu ist hierbei, dass die anwendungsspezifische Auslegung des CL03 nun auch durch die Erweiterung um drei Industrial-Ethernet-Protokolle gestützt wird. Die neuen Anschlussmöglichkeiten von Profinet, EtherNet/IP und Ethercat steigern Leistung und Datenmengen bei der Kommunikation und verbessern die Echtzeiteigenschaften.

Das Ventilsystem ist in Schutzklasse IP69K ausgeführt. Es erleichtert mit seiner fugen- und spaltenfreien Abdeckung aus robustem Hochleistungskunststoff die Reinigung und Sterilisierung. Darüber hinaus bietet das CL03 hohe Chemikalien- und Korrosionsbeständigkeit und beugt somit der Gefahr mikrobieller Verunreinigung sicher vor. Diese Merkmale erlauben den Einsatz des Ventilsystems nahe an den Aktuatoren, was wiederum für kurze Schlauchlängen sorgt, mit denen sich Totvolumen und Druckluftverbrauch verringern.

Mehr Protokolle für die Flexibilität

Auch bei Camozzi sieht man in der Flexibilität, unterschiedliche Packungsgrößen mit reduzierten Stillstands- und Rüstzeiten bei Formwechseln zu verarbeiten, eine zentrale Herausforderung. Um diesen Trends in der Produktion von Komponenten gerecht zu werden, gibt es bei dem Unternehmen unterschiedliche Ansätze, bei denen die Ansteuerung und die Antriebe verstärkt als System angeboten werden und es durch den Einsatz von vielen verschiedenene Bus-Protokollen einfacher wird, mehr Plug-in-Produkte mit einfach zu programmierenden Konfigurationen einzusetzen.

Die Ventilinsel MPA-C von Festo im Clean Design: Reinigungsfreundlich, korrosionsbeständig, äußerst robust. Bild: Festo

Dies ist der Fall beim Bus-Modul CX von Camozzi, welches alle traditionellen Protokolle wie Profibus, Canopen und Devicenet sowie die Protokolle neuerer Generation wie Ethercat, Ethernet/IP oder Profinet verarbeiten kann. Die Elektronik des CX-Moduls kann direkt mit allen Serien der Camozzi-Ventilinseln kommunizieren. Zum weiteren Ausbau des Programms der Antriebe hin zu elektrischen Antrieben hat das Unternehmen den Bereich C-Electrics geschaffen. Dort stehen Elektro-Zylinder und Achsen mit Elektromotoren und entsprechenden Zubehörteilen zur Verfügung, die auch bei hoher Flexibilität zu komplexen Systemen konfiguriert werden können.

Bezogen auf Prozesse zur Prüfung, Kontrolle und Kalibrierung in elektropneumatischen Systemen bietet die Proportionaltechnik ein breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten. Die Serie LR des Camozzi-Programms ist eine Proportionalventil-Baureihe, bei der ein Drehschieber von einem Elektromotor mit plus/minus 30 Grad in unter fünf Millisekunden verstellt wird – der integrierte Drucksensor regelt den gewünschten Wert sehr genau.

Dieses patentierte System garantiert maximalen Druck und Geschwindigkeit bei gleichzeitiger Reduktion von Taktzeiten und Luftverbrauch. Ein Miniatur-Elektromotor verstellt den Drehschieber, wobei der Drehwinkel des Schiebers von einer integrierten Elektronik mit höchster Präzision und vernachlässigbarer Hysterese kontrolliert wird. Es handelt sich um Plug-and-Play-Komponenten mit Integration des Drehschieber-Antriebes, der Regelung und der notwendigen Sensorik.

Hygienic Design verkürzt teure Rüstzeiten

Die Serie LR des Camozzi-Programms ist eine Proportionalventil-Baureihe, bei der ein Drehschieber von einem Elektromotor mit +/- 30° in unter 5 ms verstellt wird. Bild: Camozzi

Rüstzeiten bestimmen maßgeblich die Produktivität. Beim Wechsel von Produkten oder Formaten müssen Anlagen daher schnell zu reinigen sein, um diese Nebenzeiten zu reduzieren. Immerhin wird der Anteil an Reinigungsmaßnahmen in der Lebensmittelbranche auf rund 30 Prozent der Gesamtproduktionszeit geschätzt.

Für die Sicherheit in der Herstellung sorgen zusätzlich internationale Richtlinien und Normen. So müssen alle Anlagenteile und Komponenten mit direktem Kontakt zu Nahrungsmitteln abwaschbar, desinfiziebar, korrosionsresistent, nicht toxisch, nicht absorbierend, glatt, durchgehend oder versiegelt sein und es dürfen nur spezielle lebensmitteltaugliche Schmiermittel verwendet werden.

Damit Anlagenbauer und Lebensmittelproduzenten diese möglichst einfach erfüllen können, legen sie großen Wert auf Hygienic-Design-Produkte. Diese lassen sich schnell reinigen, da bei der Konstruktion auf Ecken und Hohlräume verzichtet wird, in denen sich Material ansammeln kann.

SMC bietet mit SY eine Ventilinsel an, die solche Anforderungen erfüllt und daher direkt in der Maschine verbaut werden kann. Die neuen Elektromagnetventile in den Ausführungen SY3000 und SY5000 sind sehr kompakt und leistungsfähig. SY3000 verfügt über eine Ventilbreite von zehn Millimetern bei einem Durchfluss von 360 Litern pro Minute (Entlüftung 470 l/min), das Modell SY5000 ist 15 Millimeter breit und reguliert 840 Liter pro Minute (Entlüftung 1060 l/min). Damit können Zylinder mittlerer Größe jetzt schneller und mit reduzierter Zyklusdauer arbeiten, ohne dass größere und teure Elektromagnetventile erforderlich sind. Die Ventile sind so konzipiert, dass beide Größen auf einer Anschlussplatte verwendet werden können.

Äußerst flexibel sind die neuen Elektromagnetventile in ihren Anschlussoptionen. Es können gleichzeitig und unabhängig voneinander gerade oder winklige Fittinge unterschiedlicher Durchmesser oben, seitlich oder unten verwendet werden. Mit dem neuen unten liegenden Anschluss lassen sich elektrische und pneumatische Anschlüsse auch trennen. Die elektrischen Anschlussmöglichkeiten reichen von der Klemmbox über D-Sub- und Rundstecker bis hin zur seriellen Verdrahtung mit den gängigen Busprotokollen.

Die Elektromagnetventil-Serie SY ist CE-konform und erfüllt die Anforderungen der Schutzarten IP67 und IP40. Die Serie wird auch in einer Variante mit der Schutzart IP 69K angeboten und ist daher für stark staub- und feuchtebeladenen dezentralen Einsatz in einer Maschine gerüstet. Sie hält Hochdruck- und Dampfstrahlreinigungen stand. Den Anspruch, ein hohes Produktionstempo mit extrem schnellen Reaktionszeiten zu verwirklichen, begegnet SMC in der Serie SY 3000 mit einer besonders schnellen Ansprechzeit von unter zehn Millisekunden.

Beim Trend zum Hygienic Design spielt aber auch die Maschinenkonstruktion eine wichtige Rolle. Standardprodukte sind nur umständlich einzubinden. SMC bietet kundenspezifisch angepasste Zylinder und elektrische Antriebe im Hygienic Design und kann diese auch in kleineren Stückzahlen direkt in Deutschland konstruieren und fertigen.

Auch die Branchengröße Festo entwickelt Automatisierungskomponenten zum Einsatz in hygienisch anspruchsvollen und reinigungsintensiven Umgebungen. Zum Clean-Design-Portfolio des Unternehmens gehören Komponenten und Lösungen von der Ventilinsel zu elektrischen und pneumatischen Antrieben. Alle Komponenten sind konsequent im Clean Design umgesetzt und durch beständige Schläuche und Verschraubungen verbunden.

Die Ventilinsel MPA-C erfüllt die Schutzart IP69K und KBK4, die höchste Korrosionsbeständigkeitsklasse des Unternehmens. Ergänzt durch ein redundantes Dichtungssystem werden das Reinigen mit Hochdruck, Reinigungsschäumen sowie das Platzieren der Ventilinsel unter rauen Umgebungsbedingungen problemlos möglich. Dabei sind FDA-konforme Materialen und NSF-H1-Schmierfett für den Hersteller selbstverständlich.

Auf der Antriebsseite schließlich kommt bei Festo für die Lebensmittelindustrie beispielsweise der Controller CMAX zum Einsatz, der die Position und Kraft der pneumatischen Antriebe besonders fein regelt. Servopneumatische Antriebe sind laut Hersteller bei vielen Lösung den elektrischen Antrieben überlegen, denn die elektrische Achsen erfüllten die für die Lebensmittelindustrie wichtige Schutzart IP65 nur sehr schwer.

Mehr Sicherheit

Auch das Thema Maschinensicherheit ist bei der neuen Maschinengeneration wesentlich. Für das Entlüften beispielsweise entwickelte Festo das Druckaufbau- und Entlüftungsventil MS6-SV. Es schützt zuverlässig vor unerwartetem Anlauf und hat die 1,5-fache Entlüftungsleistung verglichen mit der Belüftungsleistung.

Zur Kernfunktionalität dieses Sicherheitsventils gehört ein elektrisches Einschaltventil in Kombination mit einem Druckaufbauventil. Es eignet sich auch bei begrenztem Bauraum für einen hohen Be- und Entlüftungsvolumenstrom von Anwendungen mittlerer Sicherheitsanforderungen. Das Sicherheitsventil MS6-SV-C zeichnet sich darüber hinaus durch restdruckfreies Entlüften und den frei verstellbaren Druckumschaltpunkt aus. Durch die integrierte Druckaufbaufunktion werden unberechenbare Bewegungen von Anlagenkomponenten im Anlauf vermieden.

Kleine, leichte Komponenten für den Einsatz auf Robotern

Immer mehr Roboter halten Einzug in die Lebensmittelbetriebe. Dieser Markt entwickelt sich mit über 25 Prozent jährlicher Steigerungsrate. Die Dynamik und Energieeffizienz eines Roboters wird allerdings maßgeblich von der bewegten Masse beeinflusst. Insofern zeichnet sich ein Trend bei den Komponenten ab, möglichst leicht und klein zu bauen. Diesem Trend folgt SMC und hat unter anderem die Ventilinsel VQM2000 für große Durchflussmengen entwickelt, die sich durch ein sehr geringes Gewicht auszeichnet. Auch Aventics hat mit seiner AV-Ventilserie bereits eine Anwendung vorgestellt, die durch die Verwendung von Kunststoffgehäusen und einer optimierten Architektur deutlich an Gewicht einspart.

Teiglinge in einer vollautomatischen Belaugungsmaschine. Zum Einsatz kommen hier unter anderem kolbenstangenlose pneumatische Linearantriebe von Parker. Bild: Parker

Linearantriebe

2000 Bleche pro Stunde

Die horizontale Bewegung des Hubtisches, auf dem Teiglinge liegen, wird von zwei kolbenstangenlosen pneumatischen OSP-P-Linearantrieben  von Parker Origa ausgeführt.

Sie verfahren den Hubtisch hochpräzise und sind auf die Hygienebedürfnisse und die raue Umgebung mit Lauge und Mehlstaub ausgelegt.

Kompakte Anlagen

Der nächste Trend betrifft die Konzeption der ganzen Anlage – kompaktere Maschinen bis hin zur schaltschranklosen Verpackungsmaschine. Charakteristisch für konventionelle Maschinen ist der große, außerhalb der eigentlichen Maschinenstruktur gelegene Schaltschrank. Seine Steuerungen sind mit einer Vielzahl von meterlangen Kabeln und Schläuchen mit den Antrieben, Sensoren und Ventilen im Feld verbunden.

Deutlich weniger und kürzere Kabel und Schläuche, die verbunden werden müssen, können die Installation vereinfachen und verkürzen. So kann der Flächenbedarf einer Maschine deutlich reduziert werden. Dabei werden die Schaltschränke beispielsweise mit den elektrischen und pneumatischen Komponenten in den Ecken des Maschinensockels integriert. Ein dafür besonders geeignetes Produkt ist die Ventilinsel CPX/MPA von Festo in der Schutzart IP65.

Stark gesteigerte Durchflussleistung: Die neue Ventilserie übertrifft die Durchflussleistung bisheriger SY-Modelle von SMC Pneumatik nach Angaben des Unternehmens um bis zu 80 Prozent. Bild: SMC

CPX verbindet die pneumatischen und elektrischen Steuerketten und bindet sie einfach, schnell, flexibel und nahtlos an alle Automatisierungskonzepte und firmenspezifischen Standards an. So gehen Zahl und Länge der Kabel und Schläuche zurück und die benötigten Baugruppen und Komponenten können leicht dort platziert werden, wo sie benötigt werden. Sie sind damit leichter zugänglich. Zusätzlich realisiert die CPX auch bestimmte Diagnose-Funktionen.

Anforderungen großer Markenhersteller an die Verpackungsmaschine, wie etwa die vorbeugende Wartung, können damit leicht erfüllt werden. Ein Festo-Kunde, der italienische Verpackungsmaschinenhersteller Cama mit Schwerpunkt im Bereich der Sekundärverpackung, konnte den Platzbedarf seiner neuen Verpackungsmaschine um rund ein Drittel senken.

Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten im Anlagenlayout von ganzen Fabriken, denn mehr Platz und Flexibilität lassen die Integration anderer Anlagenteile in der Linie zu. jl