Integrierte Lösung für die Faltschachtelverpackung: Automatisierung schließt Lücke in der Verpackungsproduktion

Verpackungen sind heute weit mehr als bloße Schutzhüllen für das Produkt in ihrem Inneren. Die Verpackung ist Teil der Marke. Sie muss die Aufmerksamkeit des Verbrauchers auf sich ziehen und manchmal in Sekundenbruchteilen alle Eigenschaften und die Markenphilosophie des Unternehmens und seiner Produkte kommunizieren. Da ist es kein Wunder, dass sich die Gestaltung und Herstellung von Verpackungen inzwischen fast zu einer Kunstform entwickelt hat. Die Automatisierung des Herstellprozesses vom Entwurf über das Schneiden, Bedrucken, Stanzen und Falzen bis zum Kleben ist anspruchsvoll, aber inzwischen Standard. Eine Lücke klaffte allerdings lange in dem Bereich, in dem die fertigen Faltschachteln versandfertig für die Auslieferung an den Kunden gemacht werden. Bislang erfolgt das Zusammenschieben, Aufnehmen und Verpacken der Faltschachteln in den Versandkarton oder Bündeln überwiegend von Hand. Bei großen Produktionsmengen kann die Arbeitsbelastung im Verpackungsbereich kritisch werden und die gesamte Produktion ausbremsen. Technische Herausforderungen Im Jahr 2008 gelang es dem Konstrukteur Daniel Calandri, Investoren für eine Entwicklung zu gewinnen, mit der die manuellen Abläufe automatisiert und eine Lücke in der Verpackungsproduktion geschlossen werden sollten. Zwei Jahre nach der Firmengründung ist das Ergebnis dieser Entwicklungsarbeit auf dem Markt: Verpackungsherstellern steht nun eine modular aufgebaute, erweiterbare Automatisierungslösung zur Verfügung, die fertige Faltschachteln vom Band nimmt und versandfertig macht. Durch den modularen Aufbau lässt sich das System in vorhandene Produktionen integrieren. Dabei waren die technischen Herausforderungen alles andere als trivial. Der Prozess ist komplex: Auch wenn die Faltschachteln robust genug sind, um ihren zukünftigen Inhalt zuverlässig zu schützen, kann rauer Umgang mit ihnen das aufwändig gestaltete Äußere schädigen. In diesem Fall kann die Verpackung ihre Funktion als Träger der Markenbotschaft nicht mehr erfüllen. Zudem muss die Verpackungsproduktion flexibel sein, um die Vielfalt an Faltschachtelformen und -größen, die der Markt heutzutage verlangt, herstellen zu können. Entsprechend vielfältig sind auch die Anforderungen an die nachrangigen Aufnahme-, Bündelungs- und Verpackungsvorgänge. So erklärt sich, warum diese Vorgänge weiterhin vorwiegend in Handarbeit ausgeführt werden, auch wenn schon Teilautomatisierungen mit unterschiedlichem Erfolg im Einsatz sind. Calandri erkannte eine Möglichkeit, wie der gesamte Prozess zuverlässig zu automatisieren sei und gründete die DC-Verpackungstechnik GmbH, um seine Idee zur Marktreife zu führen. Ablauf des Verpackungsprozesses Die Maschine erfasst eine vorgegebene Anzahl fertiger Faltschachtel – normalerweise auf der Ausgabeseite der Klebemaschine – und schiebt sie zu einem Stapel zusammen. Dann nimmt sie den Stapel auf, legt ihn in den bereitstehenden Versandkarton oder umreift diesen und befördert ihn zum Abholpunkt. Möglich wurden das Konstruktionsprinzip und die Leistungsfähigkeit der Maschine durch Automatisierungskomponenten von Mitsubishi Electric. Calandri ging 2007 auf Mitsubishi Electric zu, beschrieb seine Idee und erbat sich Vorschläge für die Realisierung des Systems, das ihm vorschwebte, insbesondere für die Robotereinheit, und die notwendigen Komponenten für eine effiziente und zuverlässige Prozesssteuerung. \“Es war das erste Mal, dass ich mit Mitsubishi Electric zu tun hatte, aber schon durch die Produktauswahl war klar, dass das mein Wunschpartner sein würde\“, sagt Calandri. \“Mitsubishi Electric konnte alle erforderlichen Komponenten liefern, von den Steuerungen über die Servoeinheiten bis zur Robotertechnik und zu den Sicherheitseinrichtungen und das Ganze mit einem hohen Integ­rationsgrad zu vernetzen.\“ Gemeinsam arbeitete man das Konzept aus und entwarf eine Architektur unter Verwendung von Steuerungen, Servoeinheiten und Robotertechnik von Mitsubishi Electric. Mitsubishi Electric konnte Calandri zudem über ein Partnerunternehmen bei der Herstellung der ersten mechanischen Komponenten seiner Maschinen unterstützen. 2009 reichte Calandri das Konzept seiner Firma DC-Verpackungstechnik beim Gründerwettbewerb \’Pioniergeist\‘ ein, errang den zweiten Platz und damit eine wertvolle Anschubfinanzierung in Höhe von 10.000E. Der Bau einer Laboranlage wurde im Januar 2010 fertiggestellt. Die Verifizierung der Entwicklungsziele wurde im April 2010 abgeschlossen. Steuerungs- und Robotiklösung Die Maschine nimmt die Faltkartons am Ende der Klebemaschine auf. Angesteuert über einen Programmable Automation Controller (PAC) der System-Q-Automatisierungsplattform von Mitsubishi Electric und entsprechende Motion-Control-Karten nimmt die Servoeinheit die Faltschachteln auf und befördert sie mit Hochgeschwindigkeit zur Stapelstation, wo die vorgegebene Anzahl an Faltschachteln behutsam zu Bündeln zusammengefasst wird. Gleichzeitig greift ein mit Saugnäpfen ausgestatteter Roboter RV12-SDL von Mitsubishi Electric einen Versandkarton und platziert ihn an der Befüllungsstation. Die Konstruktion dieses Abschnitts der Förderstrecke sorgt dafür, dass die in relativ willkürlicher Ausrichtung ankommenden Kartons vom sechsachsigen Roboter stets in derselben Position aufgelegt werden. Nun nimmt die Maschine das Faltschachtelbündel auf, legt es vorsichtig in den Versandkarton und befördert diesen zur Verschließstation, wo eine weitere, von einer SPS der FX3U-Serie von Mitsubishi Electric angesteuerte Servoeinheit den Karton verschließt. Bedient wird das System über ein HMI der GOT-Serie von Mitsubishi Electric. Hier werden die Parametergruppen für unterschiedliche Faltschachtelformate und Versandkartongrößen definiert und abgerufen und außerdem Betriebsparameter wie die Losgröße eingestellt. Ebenfalls von Mitsubishi Electric geliefert wurde ein umfangreiches Sicherheitssystem, bestehend aus Lichtvorhängen und Sicherheitsrelais. Es sorgt für eine sofortige Abschaltung, wenn beispielsweise ein Bediener in den Bewegungsbereich des Roboters gerät. Hoher Integrationsgrad Durch den hohen Integrationsgrad der einzelnen Komponenten war die Systemimplementierung ein Kinderspiel. Die gesamte Kommunikation läuft über das Hochgeschwindigkeits-Netzwerkprotokoll CC-Link. Erst dadurch wurde ein modularer Aufbau der Maschine möglich, sodass der Funktionsumfang und die Auslegung auf die Anforderungen des einzelnen Anwenders abgestimmt werden können. Einzelne Stationen können jederzeit ergänzt oder weggelassen werden. \“Das System funktioniert für über 95% der heute noch von Hand verpackten Faltschachteln\“, sagt Calandri. \“In Frage kommen alle Faltschachtelgrößen und -formate zwischen 150x100x1mm und 1.200×1.200x30mm.\“ Je nach Format Größe und Verpackungsart verarbeitet die Anlage bis zu 37.500 Faltbodenschachteln aus Wellpappe pro Stunde und bis zu 150.000 längsnaht geklebten Faltschachteln aus Vollpappe. Die Umstellung von einem Faltschachteltyp auf den nächsten dauert keine 5 Minuten. \“Damit ist ein Produktivitätszuwachs zu erzielen, und das System hat sich in der Regel in weniger als 20 Monaten amortisiert\“, ist Daniel Calandri überzeugt. Seit Jahresbeginn hat die DC-Verpackungstechnik GmbH mit der Prototypanlage eine Reihe von Demonstrationen mit Anwenderprodukten durchgeführt. Mit hohen Durchsatzraten, ständiger Verfügbarkeit und weitestgehener Wartungsfreiheit könnte sie die letzte große Automatisierungslücke in der Verpackungsherstellung schließen.