Verpackungskünstler: Antriebe sorgen für präzises Materialhandling

Von der Verpackung oder Abfüllung der Ware beginnend bis zur Palettierung großer Verpackungseinheiten integrieren moderne Verpackungsanlagen mehrere Arbeitsstationen, deren Aufgaben modular durch separate Maschinen erfüllt werden. Moderne Verpackungsmaschinen müssen schnell und variabel sein, ebenso wie die dafür eingesetzte Antriebstechnik. Die Antriebe der einzelnen Achsen sind über eine Steuerung gekoppelt und müssen präzise arbeiten, um die Verpackungsaufgabe auch bei hoher Taktgeschwindigkeit zu erfüllen. Die Toplade-Verpackungsmaschine BFB 3744 von IMA aus Bologna verpackt Kunststoffflaschen für Kosmetik und Parfüm-Flakons in Kartons. Die Maschine wurde für die Pharma- und Kosmetikindustrie entwickelt. Sie befüllt bis zu 30 Kartons pro Minute in einer Größe von maximal 500x350x350mm oder gut 60l Inhalt mit Flaschen aller Art, Formen und Größen. Der Grundaufbau besteht aus drei Teilen: Eine Zuführungseinheit für die Flaschen, eine für die Kartonage und als Verbindungselement ein Pick&Place-Portalroboter. Im einfachsten Fall funktioniert der Workflow der Maschine wie folgt: Die Zuführeinheit für die Flaschen übernimmt die abgefüllten, etikettierten und geprüften Flaschen aus der Produktion, zählt sie ab und bringt sie in die vorgesehene Reihung. Die Zuführeinheit der Kartonage entnimmt den Einzelkarton entweder einer Paletteneinheit oder von einem Band, faltet ihn auf und stellt ihn noch unverklebt auf einem Förderband zur Befüllung bereit. Der Portalroboter greift die bereitgestellten Flaschen und stellt sie in den geöffneten Karton. Die Abführeinheit verklebt den Karton unten und oben mit Kleber oder Klebestreifen. Flaschen mit Servotechnik in Kartons verpackt Jede der Funktionen wird mit elektrischer Servotechnik angetrieben. Zuführung, Konfektionierung und Positionierung der Flaschen, Zuführung der Kartonage, Pick&Place der Flaschen sowie der Abtransport und Verschluss der befüllten Kartons müssen aufeinander abgestimmt sein. Im kürzesten Fall beträgt die Taktzeit 2s. \’Diese Größenordnung stellt besondere Anforderungen an die Antriebe, vor allem was Beschleunigungsmomente und Verdrehsteifigkeit angeht\‘, erläutert Michael Endemann, Vertriebsleiter Industrie & Automation der deutschen Niederlassung von Bonfiglioli. Diese Eigenschaften bieten die spielarmen Planetengetriebe der Marke µ (\’Micron\‘) von Bonfig­lioli. Endemann fügt hinzu: \’Eintreibende Drehzahlen von teils über 3.000min-1 bringen zudem noch thermische Belas­tungen, die unsere Getriebe allerdings gut wegstecken können.\‘ Sensoren sorgen für die korrekte Anzahl und Stellung der zu verpackenden Flaschen. Die Befüllposition des Kartons wird durch entsprechende Sensorik am Förderband in Verbindung mit seiner Geschwindigkeit errechnet und der Achsensteuerung des Pick&Place-Roboters weitergegeben. In beiden Fällen besteht die Herausforderung in der Dynamik des Start-/Stopp-Betriebs und korrekter Lageerfassung. Beim Portalroboter ist die Kombination aus Geschwindigkeit und genauer Positionierung bei bewegtem Ziel gefragt. Gesteuert und koordiniert werden alle Funktionen der Maschine von einer SPS. Sie sieht die Verbindung zu vor- und nachgelagerten Maschinen vor, sodass einer Integration der Verpackungsmaschine in eine Produktionslinie nichts im Wege steht. Kosmetikprodukte in 0,4 Sekunden umverpacken Am Ende des Abfüll- und Verpackungsprozesses müssen die Produkte der Kosmetik- und pharmazeutischen Industrie vor der weiteren Kommissionierung in größere Gebinde in Folie eingepackt werden. Nachdem beispielsweise Parfums in Flacons abgefüllt und in Kartons gestellt sind, werden sie einzeln oder in Gruppen zusammengefasst mit Folie umverpackt. Die Maschinenserie BFB 3701U übernimmt diese Aufgabe im Anschluss an eine oder mehrere der oben beschriebenen Maschinen. Bis zu 150 Kartons pro Minute können mit PP, PVC, Zellophan oder Packpapier umverpackt werden. Die Kartons schießen im 0,4s-Takt durch die Maschine, werden mit dem Packmaterial umwickelt und verschlossen. Der Grundaufbau der BFB 3701 besteht aus vier Teilen: Eine Zuführungseinheit für die Kartons, eine Einheit für das Verpa­ckungsmaterial, die Verpackungseinheit selbst und die Abführung. Ein einfacher Ablauf sieht wie folgt aus: Die Zuführeinheit für die Kartons übernimmt die mit abgefüllten, etikettierten und geprüften Flaschen befüllten Kartons aus der Produktion und bringt sie in die vorgesehene Position für den Prozess-Schritt Umverpackung. In Taktung werden die Kartons an die Verpackungseinheit weitergegeben, wo das Verpackungsmaterial von der Rolle über den Karton gezogen und abgeschnitten wird. Durch eine Hubbewegung wird das Verpackungsmaterial um den Karton geschlagen und gleichzeitig verklebt. In der Abführeinheit werden die umverpackten Kartons an die ­nächs­te Station weitergegeben, wo sie dann etwa in größere Verpa­ckungseinheiten zusammengefasst werden. Damit die kurzen Taktzeiten in der zentralen Funktion der Maschine gewährleistet sind, wird die Maschine über eine SPS gesteuert mit elektrischer Servotechnik angetrieben. Hier kommt die dynamische Reglerfamilie Active Cube von Bonfiglioli zum Einsatz. Mit ihrem integrierten Systembus auf CAN-Basis können ohne Zusatzelemente bis zu 64 Antriebe in Echtzeit miteinander kommunizieren und sich synchronisieren. Die größte mechanische Belastung erfährt die Hubeinheit im Herzen der Maschine. Die Sensorik der Maschine sorgt über die Zuführeinheit für die korrekte Stellung der zu verpackenden Kartons. Im Moment der Position ist der Karton schon überdeckt vom Verpackungsmaterial, wird gehoben und mit der gleichen Bewegung mit dem Verpackungsmaterial umschlagen, verklebt und danach auf das Förderband der Abführeinheit übergeben. Meist fasst dann ein Roboter die verpackten Einzelkartons in größere Gebinde zusammen, verpackt sie erneut und stellt sie auf Paletten ab. Chargenwechsel ohne Werkzeug möglich Wechseln die Chargen und die Größe der Kartonagen häufig, lassen sich die Verpackungsmaschinen von IMA innerhalb weniger Minuten auf neue Formate umstellen. Das Besondere dabei: Es geschieht ohne Einsatz von Werkzeug. Es müssen nur die Zuführungen neu eingerichtet und die Antriebe über die Steuerung mit den aktuellen Werten versorgt werden. Zum Einsatz kommen Industriegetriebemotoren der Produktlinie Bonfiglioli Riduttori für Anwendungen, die geringe Genauigkeitsanforderungen haben. In der Regel sind es die Schneckengetriebemotoren, die in den einfachen Funktionen der Maschine verwendet werden. Die vorgelagerten Zuführungen erfolgen im Dauerbetrieb und sind für die Standardgetriebemotoren geeignet. Bei den entscheidenden Antrieben mit Positionieraufgaben oder hartem Start-/Stopp-Betrieb werden die spielarmen Planetengetriebe eingesetzt. Präzision und Dynamik aus dem Baukasten µ (\’Micron\‘) ist jedoch nicht nur der Name dieser Produktreihe spielarmer Planetengetriebe, sondern auch das Ziel, nämlich die Realisierung einer Präzision auf den tausendstel Millimeter. Im Einsatz in den Verpackungsmaschinen von IMA können die Produkte ihre Variabilität unter Beweis stellen. Von Hauptantrieben mit einem Spitzendrehmoment von 1.200Nm bis zu Hilfsanwendungen mit unter 30Nm werden die Anforderungen abgedeckt. Neben der Flexibilität, sich aus einem Baukasten eines Herstellers heraus bedienen zu können, entschied sich IMA aufgrund der Spieltoleranzen bei den spielarmen Planetengetrieben für diese Lösung. In Pick&Place-Roboter-Anwendungen wird ein geringes Spiel mit drei Winkelminuten gefordert. Außerdem gibt es viele Anwendungen, die Getriebe mit großem Spiel bis zu 15 Winkelminuten oder das der Standardgetriebe zulassen. Da die Serien MP und LC ein breites Angebot bieten und sich gegenseitig ergänzen, eigneten sie sich für die IMA-Maschinen.