Sie stapeln Eier, scannen Barcodes, besprühen Brötchen und packen Lebensmittel in Kartons: Leichtbauroboter verändern die Produktion. Seite an Seite mit menschlichem Personal verrichten einfach bedienbare und flexibel an die individuellen Standortbedingungen anpassbare Roboterarme monotone und körperlich anstrengende Arbeiten. Die Automatisierung durch Mensch-Roboter-Kollaboration ist eine Innovation, die auch kleine und mittelständische Unternehmen kostengünstig umsetzen können. In der Lebensmittelindustrie erleichtert sie den Umgang mit volatilen Märkten und trägt dazu bei, weltweit wettbewerbsfähig zu bleiben, auch in  kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU).

Wer bei gleichbleibender Qualität schneller, präziser und dennoch flexibel produzieren möchte, sieht sich der Notwendigkeit von internen Veränderungen gegenüber. Die Bedingungen des internationalen Wettbewerbs erfordern eine Umstellung auf effizientere Produktionsprozesse. Dort, wo Fachkräftemangel oder steigende Produktionskosten für Probleme sorgen, suchen Unternehmen nach Lösungen für nachhaltige Optimierung. Eine wachsende Zahl an Firmen entscheidet sich darum für den Einsatz kollaborierender Leichtbauroboter.

Eine helfende Hand in der Produktion

Wer bei Industrierobotern ausschließlich an hunderte Kilogramm schwere Kolosse denkt, die lediglich hinter teuren und platzraubenden Schutzzäunen betrieben werden können, liegt falsch. Auch wenn die Roboter zu Beginn der 2000er Jahre tatsächlich so ausgesehen haben mögen: Seit einigen Jahren bieten kleine, leichte Roboter eine schnell implementierbare Alternative auf dem Markt. Roboterarme wie der UR3, UR5 und UR10 des dänischen Herstellers Universal Robots werden den heutigen Anforderungen an Wirtschaftlichkeit und Sicherheit gerecht. Die sechsachsigen Knickarmroboter sind weltweit in unterschiedlichsten Branchen im Einsatz, zum Beispiel bei Pick-and-Place-Anwendungen oder Teilprozessschritten im Verpackungswesen.

Da sich die Roboterarme an ihren Werkzeugschnittstellen je nach individuellen Anforderungen mit unterschiedlichsten Werkzeugen bestücken lassen, sind die verschiedensten Anwendungen denkbar. So reinigen sie z. B. Euronorm-Kisten, helfen beim Palettieren oder besprühen Teigrohlinge mit Öl, Salz- oder Zuckerlösungen. Mit Kameras und entsprechender Erkennungssoftware ausgestattet, können die Roboter selbstständig Waren sortieren oder Markierungen erkennen, anhand derer sie ihre Bewegungen ausrichten.

Herzstück der Innovation ist die sogenannte Mensch-Roboter-Kollaboration. Die modernen Maschinen – TÜV zertifiziert – sind mit internen Kraftreglern und bis zu 15 individuell justierbaren Sicherheitsfunktionen ausgestattet. Dadurch können sie nach erfolgreich abgeschlossener Risikoanalyse zumeist ohne oder nur mit minimalen Schutzvorrichtungen betrieben werden. So arbeiten die Roboter in unmittelbarer Nähe zu menschlichen Mitarbeitern, denen sie ergonomisch ungünstige Aufgaben abnehmen. Das gilt besonders für repetitive und körperlich anspruchsvolle Arbeitsschritte, wie sie etwa beim Verpacken von Lebensmitteln häufig vorkommen und für steigende Lohnkosten und hohe Krankenstände verantwortlich sind. Eine besonders repetitive Aufgabe automatisierte z. B. der schwedische Zuckerproduzent Nordic Sugar. Dort helfen drei Roboterarme während der Hauptproduktionszeit bei der Stichprobenüberprüfung. Rund 45.000 Behälter mit Zuckerrübenproben heben sie mit einem Greifer von einer Waage und scannen ihre Barcodes mit einem Barcode-Scanner. Dadurch ist das Personal in der Lage, sich auf andere Bereiche wie die Prozessoptimierung zu konzentrieren.

Einfache Bedienung und geringe Kosten

Häufig zeichnen sich Produktionsprozesse in der Lebensmittelindustrie durch einen hohen Output aus. Prozesse müssen automatisiert werden, um die Wirtschaftlichkeit des Unternehmens zu erhalten oder die Produktivität sogar zu verbessern. Weil Roboter rund um die Uhr mit gleichbleibend hoher Geschwindigkeit, Kraft und Präzision arbeiten können, bieten sie die dafür benötigte Zuverlässigkeit. Aufgrund ihres leichten Gewichts lassen sich die Roboterarme ohne großen Aufwand montieren oder für neue Aufgaben neu ausrichten. Durch ihre geringe Größe ist dies zudem auch unter beengten Platzverhältnissen möglich.

Dabei sind auch Mitarbeiter ohne Programmierkenntnisse schon nach einer kurzen Einweisung in der Lage, die Bewegungen des Roboters im laufenden Betrieb über ein leicht bedienbares Interface einzustellen. Zusatzkosten für lange Schulungen oder externe Ingenieure, die neue Arbeitsschritte programmieren, kommen nicht zum Tragen. Abhängig von der Komplexität der Anwendung gelingt die Inbetriebnahme der Leichtbauroboter von Universal Robots so schon nach nur einem halben Tag Integrationszeit. Dadurch lohnt es sich selbst bei Arbeitsvorgängen mit niedriger Wiederholrate – man denke etwa an die Verpackung zeitlich limitierter Sondereditionen – die Roboter neu zu positionieren, wenn sie eine neue Aufgabe erfüllen sollen. Die durchschnittliche Amortisationszeit liegt so bei derzeit 195 Tagen, branchenweit der kürzeste Zeitraum.

Aus der Praxis

Um die einheitlich hohe Qualität von Lebensmitteln zu garantieren, sind oftmals auch Präzision und Feingefühl nötig. So müssen bei dem italienischen Unternehmen Cascina Italia täglich über 2,5 Millionen Eier geschält und anschließend verpackt werden. Ein pneumatisch gesteuerter UR5-Roboter ist dafür zuständig, Kartons mit je 10 Eiern vorsichtig in Kisten zu stapeln, in denen am Ende jeweils 1.440 Eier enthalten sind. Auf diese Weise verpackt der Roboter ungefähr 15.000 Eier in der Stunde.

Nützlich erweist sich der Roboter-Einsatz auch in Umgebungen mit besonderen klimatischen oder hygienischen Bedingungen. Sie arbeiten bei einer Umgebungstemperatur von 0 bis 50 Grad Celsius und funktionieren in sauerstoffarmen Umgebungen, für die menschliche Mitarbeiter aufwändig ausgerüstet werden müssen. Die Maschinen sind hermetisch abgedichtet und verfügen über ein glattes Außengehäuse, an dem sich Staub und Ablagerungen kaum ansammeln können. Wird der Roboter zudem mit einer Schutzhülle aufgerüstet, kann er auch in Reinräumen agieren und offene Lebensmittel berühren. Als Werkzeug verfügt er damit über alle Eigenschaften, um den spezifischen Anforderungen der Branche gerecht zu werden.

Fazit

Automatisierung ist schon heute auch für kleinere und mittelständische Unternehmen ein wichtiges Mittel, um im Angesicht der globalen Wirtschaftsstrukturen wettbewerbsfähig zu bleiben, Kosten zu senken und die Produktivität zu steigern. Lösungen mit Leichtbaurobotern, die gefahrlos mit menschlichem Personal zusammenarbeiten, eröffnen der Lebensmittelindustrie neue Möglichkeiten. Sie übernehmen repetitive, körperlich fordernde Aufgaben und arbeiten gleichbleibend effizient – selbst unter Bedingungen, unter denen Menschen alleine nicht dieselbe Leistung gelingen würde. Dabei ersetzen die Roboter den Menschen nicht, sondern werten seine Arbeit sogar auf, indem sie Mitarbeitern die Beschäftigung an ergonomisch angenehmeren Arbeitsplätzen ermöglichen.

Das Unternehmen

Universal Robots entwickelt und vertreibt flexible und kostengünstige Industrieroboter. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Odense, Dänemark, wurde 2005 mit dem erklärten Ziel gegründet, Robotertechnik auch kleinen und mittleren Industriebetrieben zugänglich zu machen. Seit 2009 sind die ersten kollaborierenden Roboterarme des Herstellers im Verkauf. Ein weltweit agierendes Netzwerk aus über 200 Vertriebspartnern vertreibt die Roboter heute bereits in über 50 Ländern. Nachdem Universal Robots 2014 seinen Umsatz gegenüber dem Vorjahr um 70% steigern und seinen Gewinn verdoppeln konnte, übernahm das amerikanische Unternehmen Teradyne den dänischen Roboterhersteller im Juni 2015 für 285 Mio. US-$.

Der UR3

Die kollaborierenden Roboterarme von Universal Robots sind nach ihrer Tragkraft benannt. So heben der UR3, UR5 und UR10 jeweils bis zu drei, fünf oder zehn Kilogramm Gewicht. Der UR3 ist das neueste Modell der Reihe und wurde auf der diesjährigen Hannover Messe vorgestellt. Der Roboter arbeitet mit einer Wiederholungsgenauigkeit von 0,1 mm und kann den ganzen Produktionsprozess hinweg gleichbleibend viel Druck ausüben, um beispielsweise immer dieselbe Menge einer Flüssigkeit in ein Gefäß zu füllen. Alle seine Drehgelenke sind zudem mit einer 360°-Rotation ausgestattet, die er an seiner Werkzeugschnittstelle endlos ausführen kann. Die Sicherheitsoptionen für Berührungen durch Mitarbeiter sind besonders hoch. Je nach Einstellung, stoppt der UR3 jegliche Bewegung bereits bei einer äußeren Krafteinwirkung von gerade einmal 50 N.