Hochflexibel muss sie sein, die Verpackungsmaschine von heute – und das bei kleinen Losgrößen. Schließlich will der Lebensmittelhersteller seine Anlage einfach und per Knopfdruck auf neue Produkte oder Formate umstellen. Wie das funktioniert zeigt die Anuga Foodtec vom 20.–23. März 2018 in Köln. Vom einfachen Kartonaufrichter bis zur modular aufgebauten Traysealer-Linie sind sämtliche Spielarten des Verpackens auf dem Kölner Messegelände vertreten. Dabei zeigt sich: Die Fähigkeit der Maschinenbauer, alle Arten von Roboter-Kinematiken zu integrieren, ist entscheidend für die Performance der Anlagen.

Die heutige Lebensmittelvielfalt am Point of Sale stellt die Verpackungsmaschinenbauer vor große Herausforderungen. Der Trend geht in Richtung kleinerer Losgrößen, die innerhalb kürzester Zeit in den Einzelhandel kommen. Die Konstrukteure reagieren darauf mit hochflexiblen Anlagen, die mit den unterschiedlichsten Füll- oder Verschließsystemen ausgestattet sind und sich unkompliziert auf andere Produkte oder Packmittel umstellen lassen. Sie folgen dabei dem Grundsatz, reduzierte Mechanik und intelligente Software zu kombinieren.

Flexibilität aus dem Baukasten
Egal ob es sich um Kartonaufrichter, Toploader, Sideloader, Verschließer, Verdeckler oder Sammelpacker handelt: Für moderne Verpackungsmaschinen ist ein modularer Aufbau unverzichtbar. Die Einzelmaschinen entstammen einem mechatronischen Systembaukasten mit autonomen und aufeinander abgestimmten Baugruppen. Zusammengesetzt zu einem flexiblen Ganzen decken sie in der Sekundärverpackung den kompletten Prozess von der Produktzufuhr bis zur gesicherten Palette ab.

Das allein reicht jedoch nicht, denn die Dezentralisierung erfordert mehr „Intelligenz“ in der einzelnen Komponente. Erst dank optimierter Steuerungsalgorithmen lässt die große Bandbreite an Gläser, Dosen oder Becher auf ein und derselben Linie gruppieren und zuführen. Einher geht mit dem modularen Aufbau der weitgehende Verzicht auf mechanische Baugruppen. Die Vorteile dies Prinzips liegen auf der Hand: Da jede Komponente eine Fehlfunktion haben kann, sinkt bei weniger Bauteilen auch die Störanfälligkeit der gesamten Anlage.
Wo bisher starre Transportbänder dominierten, eröffnen schienenbasierte Shuttlesysteme und Multi-Carrier-Systeme neue Perspektiven. Auf ihnen bewegen sich die Becher, Schachteln oder Tafeln stau- und geräuschlos von einer Bearbeitungsstation zur nächsten und ermöglichen so einen selbstständigen Fluss zwischen Produktionsanlage und Verpackungslinie. So entsteht durch das direkte Hintereinanderschalten von Packer verblockt mit einem Palettierer eine kompakte Linie, die jederzeit die Umstellung auf neue Formate und Formationen ermöglicht.

Roboter für den Einsatz am Lebensmittel
Die Primärverpackung stellt für die Anlagen­bauer die größte Herausforderung dar. Hier trifft das Verpackungsmaterial mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit auf die Lebensmittel. Das Ziel ist die Vereinigung von getakteter Verarbeitung und kontinuierlichem Produktfluss – spätestens hier ist die Robotik am Zug.
Gefragt sind Spezialkinematiken und Roboter, die mit ihren Kraft-Momenten-Sensoren über das notwendige Equipment verfügen, dynamische Bewegungen in allen drei Raumrichtungen hochgenau auszuführen. Das Vorgruppieren von Fischstäbchen oder Pralinen am laufenden Band oder das direkte Einpacken in Faltschachteln sind ihre Domäne. An ihnen wird das Prinzip und der Nutzen des modularen Konzepts besonders deutlich. Ausgerüstet mit 3D-Scannern und Bildverarbeitungssoftware sind die Roboter in der Lage, Volumen, Höhe und Farbe der ankommenden Produkte millimetergenau zu orten und im richtigen Moment zuzugreifen. Spitzenwerte von bis zu 200 Picks pro Minute sind bei den auf der Anuga Foodtec gezeigten Modellen keine Seltenheit.

Getrimmt auf Industrie 4.0
Gemessen werden die Verpackungsmaschinen nicht zuletzt daran, wie sie sich in die Industrie 4.0-Konzepte von morgen einfügen. Um die Digitalisierung voranzutreiben, arbeiten die Konstrukteure eng mit ihren Kollegen aus der Automatisierungsbranche zusammen. Sie schaffen damit Anlagen, die einfacher zu bedienen und besser zugänglich sind. Die jüngste Generation der Human Machine Interfaces (HMI) greift das Look & Feel von Smartphones auf. Dank der intuitiven Bedienung über eine berührungsempfindliche Oberfläche ist die Eingabe von Daten und das Navigieren mit Hilfe von Gesten möglich.

Industrie 4.0-Bausteine schaffen die Voraussetzung für die Synchronisation zwischen den einzelnen Komponenten und für die Vernetzung der Maschinen untereinander. Steuerungen, Servoantriebe, Pneumatiken, I/Os und Sensoren – jede Komponente wird auf Effizienz getrimmt und leistet einen Beitrag zur Gesamtperformance der Linie. Schnelle, echtzeitfähige Bussysteme ersetzen dabei immer häufiger die ältere Verkabelung. Durch die Bereitstellung aller gängigen Feldbus-Interfaces wie CAN-Bus, Profibus, Profinet oder Ethercat lässt sich herstellerübergreifend eine universell konfigurierbare Ankopplung an die Steuerung realisieren, die mit den wachsenden Datenraten Schritt hält. Was vor wenigen Jahren noch als utopisch galt, ist durch kompakte Servoantriebe mit dezentraler Steuerungsintelligenz in greifbare Nähe gerückt: Die schaltschranklose Verpackungsmaschine in Serie.

Startschuss für den digitalen Zwilling
Mit der Umsetzung eines ambitionierten Konzepts treiben die Verpackungsmaschinenbauer derzeit die Vision von Industrie 4.0 auf die Spitze: den digitalen Zwilling. Er soll schon bald jede Anlage von der ersten Idee bis zur Modernisierung begleiten. Gemeint ist damit ein virtuelles Abbild der realen Maschine, das parallel mit dieser konstruiert und erweitert wird – im Idealfall über den gesamten Lebenszyklus. Dabei verarbeiten virtuelle Sensoren die Messdaten über den Status der Anlage zu komplexen Reports.

Noch bevor das erste echte Lebensmittel verpackt wird, können die Ingenieure so den Produktionsablauf simulieren, Schwachstellen finden und gezielt weitere Module in die Anlage einbinden. Das Konzept geht weit über das bloße Abbilden der Verpackungsanlage hinaus. Es funktioniert bidirektional und sorgt für ein optimiertes Maschinendesign, eine unkomplizierte Inbetriebnahme, kurze Umrüstzeiten und einen fehlerfreien Betrieb. Reale und virtuelle Produktion verschmelzen so zu einem intelligenten Gesamtsystem.

Verwirklicht wird der digitale Zwilling in seinen ersten Ansätzen bereits bei den Verpackungsmaschinen, die auf der Anuga Foodtec zu sehen sind. Wohin die Reise auch geht: Mit den in Köln vorgestellten Anlagen und Komponenten sind Lebensmittelhersteller gut gerüstet, um ihre Produkte schnell und flexibel zu verpacken.