Lebensmittel- und Verpackungsmaschinen im Fokus der Entwickler

Höhere Energiepreise sowie der Wunsch der OEM, Maschinen und Anlagen immer weiter zu optimieren, um den Endkunden bessere Lösungen mit niedrigeren Total Cost of Ownership (TCO) anbieten zu können, sorgen dafür, dass sich das Thema Energieeffizienz zunehmend nach vorne drängt. Mithilfe von Digitalisierung, Industrie 4.0 und Künstlicher Intelligenz würden Automatisierungszulieferer wie Festo darauf reagieren, indem sie Produkte und Lösungen entwickeln die Druckluftverbrauch und elektrische Energie reduzieren.

Bei der Optima Packaging Group bringt man die Themen TCO und Nachhaltigkeit ebenfalls zusammen. Laut Jan Deininger beginnt bei der energie- und medieneffizienten Auslegung von Maschinen, der optimalen Ausnutzung von Packmitteln und reduzierten Footprints der Anlagen. Er berichtet von Verpackungsmaschinen, dass hohe Dosiergenauigkeit in allen Optima Divisionen zu Produkteinsparungen führen. „Durch das umfangreiche Life-Cycle-Management-Programm Optima Total Care werden zudem Produktionsressourcen ausgenutzt, Ausschuss reduziert und die Anlagen optimal gewartet. „Hierbei spielen zukünftig Smart Services, digitale Softwarelösungen, eine zentrale Rolle“, weiß Deininger.

„Nachhaltigkeit in der Produktion, und damit Energieeffizienz und ein geringer CO2-Fußabdruck, sind immer wichtigere Argumente im Wettbewerb um den Endverbraucher“, sagt auch Tobias Gerhard. Der Mitarbeiter des Bereichs Business Development Processing & Packaging bei Bosch Rexroth beobachtet, dass das Thema „weltweit zunehmend dominanter wird“ und das Verhalten der Verbraucher sowie der Hersteller und Zulieferer des Maschinenbaus prägt. Hinzu komme, dass mit steigendem Anteil erneuerbarer Energien in allen Märkten neben der Energieeffizienz auch das Thema Energieflexibilität an Bedeutung gewinne. Gerhard hat deshalb ausgemacht: „Fabriken müssen sich flexibel dem schwankenden Angebot an erneuerbar erzeugtem Strom anpassen.“

Für Martin Buchwitz ist die Energieeffizienz im Umfeld von Klima- und Umweltschutz „nicht das alles bestimmende, aber eines der wichtigen Themen“. Der Geschäftsführer des Packaging Valley Germany, in dem über 40 Unternehmen aus der Verpackungsindustrie vernetzt sind, betont: „Neben der Energieeffizienz der Maschinen selbst, bemühen sich viele unserer Mitglieder um eine nachhaltige und energieeffiziente Produktion und Unternehmensführung im Allgemeinen.“ Nahezu immer, wenn es darum geht, neue Gebäude zu erstellen, kommen regenerative Energien und intelligente Energiesysteme zum Einsatz. Buchwitz hat als Motivation für das Thema Energieeffizienz drei Faktoren besonders im Blick: „Neben der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Maschinen selbst, sind es das öffentliche Bewusstsein und die steigenden Anforderungen, die von den Kunden der Verpackungsmaschinenanbieter kommen“, so Buchwitz weiter.

Prof. Bernd Wilke sieht zwar auch, dass bei Maschinendesigns energetische Betrachtungen stärkere Berücksichtigung finden. Gleichzeitig verweist der Berater im Bereich Packaging darauf, dass nach wie vor der Schutz des abgepackten Produkts und die Vermeidung von Produktverlusten im Vordergrund stehen müsse. Der Grund: „Rund 90 Prozent der Energie steckt im Produkt, nur etwa sieben Prozent im Verpackungsmaterial und lediglich drei Prozent in der Maschine. Bei einem Verlust aufgrund eines unzureichenden Herstellprozesses oder unzureichenden Produktschutzes wäre der ökologische Schaden deutlich höher“, betont Wilke, der rund 40 Jahre in leitender Position bei Bosch Packaging Technology tätig war. Diesen Ansatz bestätigt Vera Fritsche, Mitarbeitern des VDMA-Fachverbands Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen: „Da im Produkt selbst der größte Anteil an Energie steckt, sind optimierte Prozesse und konstruktive Änderungen, die sich auf den Prozess als Ganzes auswirken, sehr erfolgversprechend.“ Fritsche ist sich sicher, dass die Themen Energie- und Ressourceneffizienz die Branche auch in den kommenden Jahren begleiten werden.

Dies kann das Institut für Energieeffizienz in der Produktion (EEP) der Universität Stuttgart unterstreichen. Die Effizienzexperten befragen zwei Mal jährlich Industrieunternehmen nach der Bedeutung des Themas und haben einen entsprechenden Index entwickelt. Hinsichtlich der zukünftigen Bedeutung rechnen lediglich 2 Prozent der Unternehmen mit einer abnehmenden Bedeutung der Energieeffizienz in ihrer Entscheidungsfindung. Laut Christian Schneider ist das Thema Energieeffizienz im Bewusstsein der Unternehmen angekommen. „Dieses gilt heute beim Großteil der Unternehmen (78 Prozent) als zumindest gleichbedeutend mit anderen Faktoren in der Entscheidungsfindung“, so der Projektleiter Energieeffizienz-Index am EEP. Der Experte beziffert den mittleren Anteil der Energiekosten an der Bruttowertschöpfung im Bereich des Maschinenbaus auf rund 2,5 Prozent. Dabei sei der Verbrauchsanteil stark von den betrachteten Maschinen und Unternehmen abhängig.

Am EEP forscht man aktuell an intelligenten Druckluftsystemen, um das hohe Energieeffizienzpotenzial in dieser Querschnittstechnologie zu adressieren. Mit künstlicher Intelligenz sollen undichte Stellen in Druckluftanlagen ermittelt und diese möglichst effizient beseitigt werden. Das Motto lautet: Algorithmen gegen Druckluft-Verschwendung. „Die Digitalisierung ermöglicht es, zusätzliche Energieeffizienz- und Flexibilitätspotenziale zu identifizieren und letztendlich umzusetzen“, berichtet Schneider. Dabei „haben die Index-Ergebnisse gezeigt, dass gerade Großunternehmen die Möglichkeiten erkennen. Kleinere Unternehmen seien bisher noch skeptisch, sagt Schneider und folgert: Hier ist noch weitere Überzeugungsarbeit zu leisten.“

Diesbezügliche Nachhilfe benötigt Bosch Rexroth nicht mehr. Dort hat man die Potenziale der Digitalisierung und speziell der IoT-Technologien erkannt. Digitalisierung ermögliche eine systematische Erfassung und Analyse aller Energieverbräuche, sagt der Packaging-Experte Gerhard und konkretisiert: „Durch die Vernetzung aller Maschinen können Anwender sehr einfach teure Verbrauchsspitzen verhindern, indem sie energieintensive Prozesse nicht parallel fahren, sondern zeitlich staffeln.“ Mit der universellen Systematik Rexroth 4EE und den vier Hebeln effiziente Komponenten, Energierückspeisung, bedarfsgesteuerter Energieeinsatz und systemische Gesamtbetrachtung erschließe man „alle Energieeffizienz-Potenziale, über sämtliche Automatisierungstechnologien, Anwendungen und den gesamten Lebenszyklus hinweg“, unterstreicht Gerhard.

Großes Potenzial hat man in Lohr am Main in der mehrfachen Nutzung einmal eingespeister Energie ausgemacht. Die modularen Antriebe ctrlX Drive der neuen Automatisierungsplattform ctrlX Automation von Bosch Rexroth teilen sich einen Zwischenkreis und tauschen darüber Energie aus. Schneider beziffert die Effekte so: „Im Vergleich zu Einzelantrieben mit jeweils auf Maximallast ausgelegten Versorgern verringert dieser Ansatz die maximale Anschlussleistung um bis zu 70 Prozent.“ Die Software-Funktion Smart Energy Mode verteile zurückgewonnene Bremsenergie an andere Achsen. Sie speichern diese oder leitet sie zurück ins Netz.

Bei Festo setzt man natürlich auf das Thema Digitalisierung, vor allem unter dem Aspekt transparente Produktion, bis auf die einzelne Komponente genau. „Nur wer weiß, welche Verbraucher die meiste Energie schlucken, kann gezielt und effektiv gegensteuern“, sagt Christopher Haug von Festo. Der Automatisierungsspezialist hat zwölf konkrete Energieeinsparmaßnahmen in einem Wegweiser Energieeffizienz zusammengefasst. Dieser umfasst neben dem Festo Energy Saving Service – eine ganzheitliche Energieeffizienzberatung für die Anlagenanalyse und Diagnose – auch das Thema Piezo-Technologie.

Ein weiterer Punkt der Liste ist das Motion Terminal VTEM. Dieses nutzt laut Festo erstmals das „revolutionäre Konzept der digitalisierten Pneumatik“. Der Wechsel pneumatischer Funktionen und die Anpassung auf neue Formate werden mittels Parameteränderung über Apps gesteuert. Die Apps des Terminals können bis zu 50 Einzelkomponenten ersetzen und Maschinenbediener erhalten Zustandsinformationen zu einzelnen Maschinen, Gesamtlinien oder Prozessen in Echtzeit. Das Energiesparen hat auch das Energieeffizienz-Modul E2M quasi onboard. Es überwacht und regelt vollautomatisch zentrale Betriebsparameter. Das aktive Eingreifen in die Versorgung, speziell während der Stand-by-Zeiten einer Anlage, senkt dabei den Druckluftverbrauch. Das E2M schneidet bei etwaigen Leckagen die Maschine von der Versorgung ab. Analog zur Start-Stop-Automatik im modernen Automobil werde somit bei Anlagenstillständen keine Energie mehr verschwendet, teilt Festo mit.

Etwas Wasser in den Wein der Digitalisierung gießt Martin Buchwitz. Der Experte aus dem Packaging Valley betont, dass diese für sich alleine betrachtet noch nicht die Lösung des Problems darstellt. Die Frage sei, was denn mit den gewonnenen Daten geschieht. Manche Maschinenbauer lieferten damit ihren Kunden ein umfangreiches und aussagekräftiges Dashboard mit Informationen zum Energieverbrauch, so Buchwitz. Von Bedeutung sei darüber hinaus aber auch eine gute und regelmäßige Wartung.

Dabei greifen zudem neue technische Ansätze bestehender Lösungen. Buchwitz erwähnt hier die LED-Technologie, die rund 70 Prozent Energieeinsparung beim Trocknen von Druckfarben gegenüber konventionellen Prozessen mit UV-Lampen ermöglicht. Dies ist umso beeindruckender, wenn man weiß, dass im Bereich der Druckmaschinen für Tuben, Gläser und Kunststoff die Farbentrocknung per UV-Lampen rund zwei Drittel der gesamten Verbrauchskosten ausmacht.

Auch Vera Fritsche hat einige Beispiele parat, wenn es um den effizienten Umgang mit Energie geht. Eines davon ist das Ultraschallschweißen produktbenetzter Packstoffe. Dieses reduziert nicht nur das Kopfraumvolumen von Packungen und spart damit Material ein, sondern erhöht auch im Vergleich zum Heiß- und Kaltsiegeln die Ausbeute an Gutprodukten. Zudem spart es Energie ein. Laut der VDMA-Mitarbeiterin reduziert das Ultraschallschweißen im Vergleich zu Wärmekontaktverfahren mit dauerbeheizten Werkzeugen den Energieverbrauch um bis zu 80 Prozent.

Der Trend im Maschinen- und Anlagenbau geht zu immer kleineren Losgrößen, bis hin zur Losgröße 1. Buchwitz bezweifelt, dass sich diese Entwicklung dem Trend zu höherer Energieeffizienz entgegenstehen muss. Auch hier bemüht er das Beispiel Digitaldruck. „Diese reduziert Rüstzeiten und sorgt gleichzeitig für höhere Effizienz, auch Energieeffizienz“, wie Buchwitz betont. Zudem verweist der Branchenkenner darauf, dass ein nicht unerheblicher Teil des Energieverbrauchs beim Hochfahren der Maschine, und ein anderer Teil während des Leerlaufs, anfalle. „Moderne Maschinen mit einer entsprechenden Intelligenz vermeiden diese Szenarien bei gleichzeitiger Flexibilität in Bezug auf die zu fertigenden Produkte und Varianten auf ein und derselben Maschine“, betont Buchwitz.

Auch Tobias Gerhardt verweist auf die Möglichkeiten einer „durchgängigen Digitalisierung des Wertstroms“. Damit seien Maschinenanwender in der Lage, sowohl kleine Stückzahlen bis zur Losgröße 1 als auch deutlich energieeffizientere Abläufe zu realisieren. Im Blick hat der Bosch-Rexroth-Manager hier auch die Verschmelzung realer Maschinen und ihre virtuellen Abbilder. „Der Einsatz von Simulationen ermöglicht es, optimale Betriebszustände zu erkennen und umzusetzen“, wie Gerhardt weiter erklärt.

Christopher Haug sieht die Problematik differenziert. „Skaleneffekte führen naturgemäß zu mehr Energie-Effizienz“, betont der Experte von Festo. „Falsch ist es deshalb nicht, dass die Umsetzung von Losgröße 1 mehr Aufwand und damit weniger Effizienz erfordert.“ Dennoch kommt auch er zu der Erkenntnis, dass sich diese beiden vermeintlich antagonistischen Ziele nicht ausschließen, denn Digitalisierung, Industrie 4.0 und künstliche Intelligenz ermöglichten ganz neue Lösungen.