Mit Hub-Dreh-Direktmotoren lassen sich Verschließ- und Füllvorgänge besonders dynamisch und flexibel ausführen. Der renommierte Verpackungsmaschinenhersteller Optima setzt sie daher in den Verschließeinheiten seiner Monoblock- und Einzelmaschinen ein. Ein weiterer gewichtiger Grund: Die Motoren liefern für die laufende Qualitätssicherung oder spätere Prozessanalyse direkt Daten über die tatsächlich aufgebrachten Hübe und Drehmomente. Damit unterstützt dieser Antriebs­typ moderne Industrie-4.0-Konzepte auf ganzer Linie.

„Unsere Kunden aus der Lebensmittel-, Kosmetik- und Chemieindustrie müssen sich auf sinkende Chargengrößen und damit einhergehende, häufige Produktwechsel einstellen. Aktuell bearbeiten wir bspw. ein Projekt, bei dem eine Abfüll- und Verpackungsanlage alle 30 Minuten auf ein neues Produkt umgestellt werden soll“, sagt Andreas Seitz, Project Engineering Director für Food and Chemical Solutions bei Optima Consumer. „Es ist noch nicht lange her, da lief eine Charge noch ein oder zwei Wochen – jetzt ist eine halbe Stunde keine Seltenheit.“  Gerade mittelständische Unternehmen aus den erwähnten Branchen treiben diese Entwicklung voran. Darunter ein deutscher Hersteller, der für Discounter und Drogeriemärkte ein umfangreiches Portfolio produziert.

Häufige Produktwechsel – kurze Rüstzeiten „Da geht es nicht um Stückzahlen im Millionenbereich“, erklärt Andreas Seitz. „Im Gegenteil. Die Chargen umfassen ein paar Tausend Stück, das Produktspektrum ist gigantisch – mit einer fast unüberschaubaren Vielfalt an Gebindearten und Gebindegeometrien. Hier ist eine auftragsbezogene Fertigung aus logistischen Gründen eigentlich unumgänglich.“ Entsprechend hoch sind aktuell die Anforderungen, welche die betroffenen Unternehmen an die Flexibilität, die Rüstzeiten und die Prozesssicherheit der Abfüll- und Verpackungslinien stellen. Optima hat diesen Trend schon frühzeitig aufgegriffen und seine Verpackungsanlagen für die veränderten Marktbedingungen fit gemacht. Eine konsequente Modularisierung und der intensive Einsatz von Servotechnik bilden dafür das Fundament. 2016 hat das Unternehmen daher auch die Verschließeinheiten der Verpackungsanlagen für den Mittel- und Hochleistungsbereich auf Direktantriebstechnik umgestellt. Dabei werden die bis zu 16 auf einem rotierenden Tisch vertikal montierten Verschließspindeln einzeln von einem Hub-Dreh-Motor aus der Produktfamilie PR01 von Linmot angetrieben.

Hub-Dreh-Motoren sorgen für Flexibilität im Fertigungsprozess Die speziell für Verschließ- und Schraubprozesse entwickelten hochdynamischen Elektromotoren vereinen in einem kompakten Gehäuse in Schutzart IP 64 sowohl einen linearen als auch einen rotativen Direktantrieb, die jeweils getrennt voneinander angesteuert werden.  „Diese Lösung garantiert unseren Anwendern nicht nur eine hohe Dynamik beim Schraubprozess und aktuell bis zu 600 Verschließvorgänge in der Minute, sondern erlaubt ihnen auch eine Anpassung der entscheidenden Parameter, wie etwa Hub, Aufprellkraft, Drehwinkel und Drehmoment, über die Bedienerschnittstelle der Verpackungsmaschine“, zählt Andreas Seitz gewichtige Vorteile der neuen Verschließtechnik auf. „Ein zeitaufwändiger Umbau von Hubkurven oder die manuelle Einstellung von Rutschkupplungen entfällt, die Rüstzeiten sind entsprechend deutlich kürzer als bei konventionellen Anlagen.“

Effiziente und nachhaltige Direktantriebe Auch die Wartung ist einfacher, da die Hub-Dreh-Bewegung mittels linearen und rotativen Direktantrieben realisiert wird, die weder Schmutz und Staub abgeben noch diesen gegenüber empfindlich sind. Kommt es zu einem Defekt, kann die betroffene Spindel zudem bis zur Reparatur stillgelegt und – wenn auch mit reduzierter Ausbringung – weiterproduziert werden. Bei einem geplanten Maschinenstopp ist es darüber hinaus möglich, die im Verschließer befindlichen Behälter fertig zu produzieren. Dies sowie die Tatsache, dass die gewählten Parameter bei der Wiederaufnahme der Produktion auch nach einer längeren Pause aus dem Stand wieder erreicht werden, tragen zur hohen Effizienz der Lösung bei.

Kompakte Bauform und hohe Konnektivität „Der Einsatz von Hub-Dreh-Motoren in der Verschließtechnik drängt sich daher bei sinkenden Chargengrößen als logischer Entwicklungsschritt auf“, sagt Dipl.-Ing. (BA) Markus Dierolf, der als Konstrukteur bei Optima den neuen Verschließturm maßgeblich mitgestaltet hat. „Wir haben uns für die Lösung von Linmot entschieden, weil wir sie schon seit 2011 bspw. in Handhabungsanwendungen einsetzen und damit sehr gute Erfahrungen gemacht haben. Beim Verschließer war uns aber besonders wichtig, dass die Motoren sehr kompakt sind und die Servo Drives von Haus aus zahlreiche Schnittstellen zu unterschiedlichsten Steuerungssystemen bieten.“ Aber auch bei einem eventuell erforderlichen Formatwechsel wirkt sich die eingesetzte Servotechnik, der Wegfall von Hubkurven und die damit einhergehende mechanische Entkopplung positiv aus: Alle Spindeln können bei einer Geometrieanpassung für den Umbau der Transportnester und Verschließköpfe zur Verbesserung der Zugänglichkeit gleichzeitig nach oben verfahren werden. An dieser Position werden sie auch im stromlosen Zustand der Maschine jeweils durch eine magnetische Feder sicher gehalten. Diese von Linmot entwickelte und unter dem Namen Magspring angebotene Technik liefert, anders als eine mechanische Feder, eine konstante Kraft über den gesamten Arbeitsbereich – optimal für die Kompensation von Gewichtskräften. Da das Wirkprinzip auf der Anziehungskraft von Permanentmagneten gründet, ist zudem keine Energieversorgung notwendig, sodass Magspring problemlos auch in Sicherheitsfunktionen eingesetzt werden kann.

Hub-Dreh-Motoren als Datenquelle Ein weiterer Pluspunkt der Hub-Dreh-Direktmotoren, der insbesondere die digitale Transformation und Rückverfolgbarkeit sowie Qualitätssicherungsmaßnahmen optimal unterstützt: Die Motoren stellen die Parameter wie aufgebrachtes Drehmoment und zurückgelegte Hübe für jeden Schraubvorgang automatisch zur Verfügung. „Unsere Maschinen erfassen und nutzen diese Daten schon länger, wir können aber jetzt gänzlich auf die bisher dafür erforderliche externe Sensorik wie Drehmomentmessdosen und Kameratechnik für die Höhenkontrolle verzichten“, erklärt Markus Dierolf. Das reduziert den Verdrahtungs- und Materialaufwand und vereinfacht die Bereitstellung der Daten an übergeordnete Systeme. Entsprechend gut kommen die neue Verschließeinheiten von Optima beim Kunden an. „Der Abnehmer der ersten mit der Linmot-Technik ausgestatteten Verpackungslinie hat bereits eine zweite geordert, um damit Bestandsanlagen abzulösen. Ich denke, dass spricht für sich.“

In der Pipeline: Hub-Dreh-Motoren in Abfüllstationen Damit gibt sich Optima aber noch nicht zufrieden. Als nächstes plant das Unternehmen auch Abfüllstationen mit den Hub-Dreh-Motoren auszustatten, wie Andreas Seitz ankündigt: „Entsprechende Konzepte existieren bereits. Die Argumente sind die gleichen wie beim Verschließer – nur dass es hier um die individuelle, parameterabhängige Steuerung der Füllnadelbewegung an jeder Füllstelle geht. Damit lassen sich auch äußerst empfindliche Produkte, die sich leicht entmischen oder stark zum Schäumen neigen, optimal abfüllen.“ Das konnte das Unternehmen bereits im Rahmen umfangreicher Abfülltests mit der neuen Technik nachweisen. Längerfristig will der Verpackungsmaschinenspezialist dann die neue Verschließ- und Abfülltechnik auch auf andere Branchen und Einsatzfälle ausdehnen. Dafür soll aber auch Linmot noch Hausaufgaben erledigen, wie Seitz den Verantwortlichen mit auf den Weg gibt: „Neben den bestehenden ATEX Linearmotoren von Linmot wünschen wir Lösungen, die auch einen Einsatz der Hub-Dreh-Motoren und der Servo Drives in einer ATEX-Umgebung erlauben. Sehr hilfreich wäre es zudem, wenn die Motoren und die Ansteuerelektronik in einem einzigen Gehäuse untergebracht wären.“ Linmot ist diesem Wunsch gefolgt und hat bereits die ersten Lösungsansätze auf der SPS/IPC/DRIVES 2017 vorgestellt.