Direktantrieb So landen Chipstüten im Karton

Verstellroutinen auf mehreren Achsen und Direktantriebe von Halstrup-Walcher gehören dazu, wenn die Verpackungsmaschine TCP PN8 von Tronrud fürs nächste Tüten-Produkt das Karton-Format wechselt.

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Kartoffelchips sind mit großem Abstand der beliebteste Knabberartikel in Deutschland, berichtet der Bundesverband der Süßwarenindustrie BDSI. Das Knistern der Chipstüte, der „Peng“ beim Öffnen der Tüte – für viele das Zeichen von Frische, nicht nur bei Kartoffelchips, sondern auch bei anderen Nahrungsmitteln in Tüten. Dass dahinter ausgefeilte Verpackungslösungen stecken, ist vielen vermutlich nicht bewusst. Dabei agieren auf dem Markt etliche spezialisierte Anbieter.

Einer von ihnen ist Tronrud Engineering aus Eggemoen, Nähe Oslo in Norwegen, der mit rund 200 Mitarbeitenden Verpackungsmaschinen herstellt. Unter ihnen auch Kjell Erik Meier, der bei Tronrud für die Programmierung und Automatisierung der Maschinen zuständig ist.

Eine der Hightech-Maschinen im Portfolio der Norweger ist die TCP PN8, eine Sekundär-Verpackungsmaschine zur Sortierung und Verpackung von Beuteln und Tüten in Kartons – egal ob mit Chips, Kaffee, Gemüse oder Salat gefüllt, Hauptsache nicht flüssig. Lebensmittelkonzerne können diese Maschine also nachgelagert an verschiedenen primären Verpackungsmaschinen einsetzen. Die in Beutel und Tüten abgefüllten Nahrungsmittelprodukte werden bei vielen internationalen Lebensmittel- und Snacklieferanten mit der TCP PN8 zur weiteren logistischen Handhabung in Kartons verpackt.

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„Je nach Einstellung einer Maschine können bis zu 160 Beutel in der Minute in einen Karton konfektioniert werden, auch bis zu zwölf Kartons in der Minute sind möglich“, skizziert Kjell Erik Meier die Produktionsleistung. Jede Bewegung der Maschine wird dafür durch Elektromotoren umgesetzt. Die Maschine hat also keine pneumatischen Verstellachsen und soll damit im Betrieb beim Kunden effizienter sein als vergleichbare Maschinen mit pneumatischen Antrieben. Mithilfe moderner Steuerungs- und Servotechnik lassen sich zudem Vorteile der Digitalisierung nutzen. So kann der Status der Maschine jederzeit ausgelesen werden, auch aus der Ferne.

Automatischer Formatwechsel auf zehn Maschinenachsen

Zu den von Anwendern bei Verpackungsmaschinen heutzutage nachgefragten Funktionen zählt neben dem Industriestandard der Maschinensprache PackML und IIoT-Funktionen auch die automatische Formatverstellung. Damit lässt sich die komplette Maschine binnen kurzer Zeit an den verschiedenen Bearbeitungsmodulen von einem Kartonformat auf ein anderes umstellen. Bei der Formatverstellung werden in der Verpackungsmaschine zum Beispiel Förderbänder in der Höhe verstellt oder die Breite der Lücke zweier Zuführbänder verändert – passend etwa für die Chipstüte, die diese Bänder zum Karton transportieren.

Auch Anschläge, die dabei helfen, die Beutel im passenden Muster anzuordnen, sind je nach Kartongröße anzupassen. Die Maschine befüllt die Kartons mehrlagig nach diesem Muster. Ist die erste Lage der Beutel entsprechend dem Muster gelegt, werden die Beutel in den Karton geschoben und dort komprimiert. Anschließend richtet die TCP PN8 eine neue Lage Beutel und lädt sie oben drauf. Auch die hierfür verwendeten Module müssen verstellt werden, sobald sich ein Karton und damit auch das Legemuster der Beutel ändert.

An der Rückseite der TCP PN 8 befindet sich ein Magazin, von dem aus die Kartons aufgerichtet werden. Dafür werden sie gefaltet, verklebt und an die Position transportiert, an der sie mit den Beuteln bestückt werden. Dieses Modul ist in die Maschine integriert und mit verschiedenen Höhen und Breiten ebenfalls Teil der Verstellroutinen.

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Tronrud hat die meisten dieser Verstellungen automatisiert. So lässt sich die Maschine per Knopfdruck auf ein anderes voreingestelltes Kartonformat umrüsten. Aus Sicherheitsgründen gibt es nur noch einige, wenige Handverstellungen per Bedienknopf an externen Zuführungen der Maschine.

Kjell Erik Meier erklärt die Vorteile der Automatisierung so: „Durch die Automatisierung der Verstellung der insgesamt zehn Maschinenachsen können unsere Kunden pro Formatwechsel zehn Minuten gegenüber einer Maschine mit manueller Verstellung einsparen. Bezogen auf die Beutel entspricht das bis zu 1200 Stück oder 150 Kartons. Das ist eine enorme Ersparnis.”

Nicht nur der Zeitfaktor ist ein Vorteil der automatisierten Verstellung. Auch mögliche Einstellfehler sind stark reduziert. Dadurch kann in weniger Ausschuss und insgesamt weniger Maschinenstillständen resultieren. Das wiederum schon auch die Ressourcen. Noch ein Punkt: Auch Design und die Konstruktion der Maschinen lassen sich automatisiert – im Gegensatz zu manuell zu verstellenden Handrädern – einfacher und damit kostengünstiger gestalten, weil die Verstellmotoren von außen nicht zugänglich sein müssen. Darauf muss also bei der Planung nicht geachtet werden, komplizierte mechanische Konstruktionen können entfallen.

Da die Abläufe der Maschine für das Kartonhandling relativ kompliziert sind, hat Tronrud bei der Entwicklung der Maschine die Steuerungsabläufe vorab getestet. Das heißt, alle Teilnehmer der Steuerung simulieren schon in der Entwicklungsphase das Verhalten im späteren Maschinenablauf. So können spätere Fehler im Vorfeld ausgeschlossen werden. Der Aufbau der Maschinen erfolgt erst, nachdem alle Abläufe klar programmiert sind. Auch bei den Verstellmotoren werden vorab die Positionen überprüft, die für die einzelnen Kartonformate voreingestellt sind.

Formatverstellung mit Direktantrieben

Bei den Verstellmotoren der Maschine von Tronrud handelt ist sich an fast jeder Achse mit einer Formatverstellung um den Direktantrieb PSD. Diese Antriebe sind komplett integrierte Verstelleinheiten mit Motor, Schnittstelle für die Buskommunikation und Abolutencoder. Tronrud setzt hierbei auf Antriebe von Halstrup-Walcher. Mit seinen Positioniersystemen für Formatverstellungen hat der Antriebsspezialist jahrelange Erfahrung in Anwendungsbereichen wie der Verpackung, Abfüllung, Holzbearbeitung und Sondermaschinen.

Zur einfachen mechanischen Integration schließt der Maschinenbauer Tronrud die Direktantriebe von Halstrup-Walcher direkt an die Spindel in der Maschine an. Durch die integrierte Hohlwelle spart sich Tronrud einen Adapter oder eine Kupplung und verkürzt damit auch die Montagezeit. Über drei standardisierte M12-Stecker wird die Versorgungsspannung und die Buskommunikation am Gerät angeschlossen, das Bussignal von einem Antrieb zum nächsten durchgeschleift. Zur Inbetriebnahme in die Profinet-Steuerung wird die Bus-Adresse einfach nach der Reihenfolge des Anschlusses der Antriebe vergeben.

„Das integrierte absolute Messsystem der Direktantriebe sorgt dafür, dass die Steuerung jederzeit weiß, auf welcher Position die Antriebe stehen – ohne jegliche Referenzfahrt“, erklärt Mathias Hils von Halstrup-Walcher. Das Messsystem ermöglicht Zugriff aus der Ferne. Da aktuell auch Service-Techniker immer häufiger digital arbeiten, um Probleme an Maschinen zu beheben oder Einstellungen vorzunehmen, testet Tronrud auch den Einsatz von Augmented-Reality-Brillen.

Antriebskomponenten

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In Zukunft Condition-Monitoring der Maschinenachsen

Um Stillstände beim Verpacken der Lebensmittel zu vermeiden, können künftig auch Parameterwerte über die Buskommunikation gesammelt und ausgewertet werden. Tronrud betreibt die präventive Instandhaltung seiner Maschinen heute vor allem bei den Motoren, die ständig laufen. Um die Schwergängigkeit der Spindeln zu überwachen ist es geplant, auch die Parameterdaten der PSD zu nutzen. Gerade in den Endbereichen sind die Spindeln öfter verdreckt, und ein höheres Drehmoment ist notwendig, um die richtige Position in der passenden Zeit zu erreichen. Damit unter dieser Last die Antriebe nicht ausfallen, können sie vorab eine Warnmeldung an die Steuerung senden.

Halstrup-Walcher bietet hier etliche Funktionen, die Tronrud für seine Maschinenüberwachung nutzen kann. Und für die Weiterentwicklung der Direktantriebe sind beide Firmen im Austausch. (pf)

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