Verschieben der Grenzen horizontaler Hochgeschwindigkeits-Schlauchbeutel-Maschinen

Wenn Sie Ihre horizontale Schlauchbeutel-Maschine mit einem konventionellen Einzelmotor und einem Getriebe ausstatten, könnte das der Grund dafür sein, dass Sie nicht die Flexibilität und Leistung erreichen, die Sie benötigen, um mit der Nachfrage gerecht zu werden. Während die Nachfrage nach verpackten Waren weiter steigt – laut NielsenIQ eine Wachstumschance von etwa 50 Milliarden Euro – und sich Verbraucher auf Online-Einkaufsgewohnheiten verlagern, haben viele Hersteller mit den historisch bedingten geringen Gewinnspannen und der geringeren Rentabilität des E-Commerce im Vergleich zu ihren stationären Pendants zu kämpfen. Um jedoch Margen (und Gewinne) zu steigern, setzen die Hersteller auf kanalspezifische Sortimente wie unterschiedliche Verpackungen, Bundles und Packungsgrößen, um den Konflikt zwischen den Kanälen zu entschärfen und die Margen zu erhöhen. 

Ein Verpackungs-OEM träumt von der idealen Maschine

Ein Marktführer in der Entwicklung, Produktion und Vermarktung von schmal- und mittelbahnigen Druckmaschinen für die Inline-Produktion von Etiketten, Faltschachteln und Kartonagen suchte nach einer Möglichkeit, mit den Produktionsanforderungen seiner Endkunden Schritt zu halten. Die aktuellen Maschinen des OEMs stießen an ihre Grenzen in Bezug auf Effizienz, Flexibilität und Durchsatz. Darüber hinaus wollte das Unternehmen Optionen zur Verbesserung seiner eigenen Prozesse erkunden.  

Die aktuellen Schlauchbeutel-Maschinen des OEMs verwenden eine Kombination aus Hitze, Zeit und Druck, um eine Versiegelung mit einem Satz von Heizstäben mit Quetschsiegel zu erzeugen, typischerweise für Snacks, Kekse und Süßwaren. Die Stäbe drehen sich um 360 Grad und treffen sich in der Mitte, um eine Kunststoffschicht zu schmelzen, die die beiden Folienschichten miteinander verbindet. Es handelt sich um einen hochgradig wiederholbaren Prozess, bei dem die Maschine jedes Mal dieselben schnellen Versiegelungen und Schnitte vornehmen muss, und zwar Hunderte von Malen pro Minute.

Um jedoch über das aktuelle Angebot hinauszugehen, hatte der OEM eine Liste von Wünschen, die, wenn sie realisiert würden, dazu beitragen würden, seine Leistungsziele zu erreichen: 

• Weniger als 15 Winkelminuten Toleranz zwischen den beiden Heizstäben. Alles, was darüber hinaus geht, kann zu fehlerhaften Versiegelungen oder Systemabstürzen führen. 
• Schnelles Beschleunigen und Verzögern, damit die Maschine schnell auf verschiedene Verpackungslängen umgestellt werden kann. 
• Ein Abstand von 80 mm (vorzugsweise 60 mm) und 150 mm zwischen den beiden Quersiegelwellen, um unterschiedliche Verpackungsgrößen aufnehmen zu können.
• 8 mm maximale Abweichung der oberen Achse, um Schäden zu vermeiden, wenn ein Produkt und ein Zylinder zusammenstoßen.
• Geringe bis keine Wartung des Antriebssystems. 

Assessing the Current Machine Limitations

Ein Team von Kollmorgen unter der Leitung von Fabio Silvestrini, Technology Master bei Kollmorgen Italien, begann mit einer eingehenden Untersuchung der aktuellen Maschine des OEMs. “Als wir mit der Aufgabe betraut wurden, die Leistung und Effizienz zu steigern, stießen wir auf ein eklatantes Problem", erklärte er. “Die Energieverschwendung und die schlechte Kontrolle eines einzelnen Motors mit einem mechanischen Getriebe.”

Bei einem herkömmlichen Getriebe treibt ein Motor das Getriebe an, das Riemenscheiben oder Zahnräder bewegt, die mit Antriebswellen verbunden sind, welche wiederum mit Heizstäben verbunden sind, die zum Versiegeln der Verpackung verwendet werden. Dieser Ansatz hat mehrere Einschränkungen und Herausforderungen:

• Die Crimper können sich nicht unabhängig voneinander bewegen und müssen für eine genaue Ausrichtung kalibriert werden, wobei die fehlende Rückkopplungskontrolle dazu führt, dass eine Achse um 15 Winkelminuten aus der Ausrichtung geraten kann.
• Mehr bewegliche Teile bedeuten mehr Teile, die gewartet, repariert und ausgetauscht werden müssen, wodurch die Maschine für einige Tage außer Betrieb genommen werden muss. Die Teile sind außerdem laut und müssen ständig geölt werden, was in Lebensmittelverpackungsbereichen unangenehm und problematisch ist. Zudem können das Getriebe und die Riemenscheiben Spiel aufweisen, was zu Schäden an der Maschine führen kann.
• Bei der mechanischen Übertragung wird mehr Gesamtmasse im System bewegt, was das Beschleunigen und Verzögern einschränkt und die Menge des durchzuführenden Produkts verringert.

Aufbau eines Konzeptnachweises

Das Gespräch von Kollmorgen mit dem OEM über die Produktionseffizienz führte zu einer Frage: Was wäre, wenn der einzelne Motor in einer Schlauchbeutel-Maschine durch zwei Direktantriebsmotoren ersetzt würde, die mit jedem Zylinder verbunden sind? Der Ersatz des vorhandenen Getriebes durch zwei direkt angetriebene Rotationsmotoren (DDR) würde die Leistung erheblich steigern, da jeder Heizbalken unabhängig von den anderen gesteuert werden kann, was eine schnellere Produktion durch eine genauere und präzisere Abdichtung ermöglicht.

“Wir wussten, dass wir etwas wollten, das sich leicht in eine bestehende OEM-Produktionslinie integrieren lässt”, so Silvestrini. “Wir begannen mit der Entwicklung eines geschlossenen Moduls, das leicht integriert werden kann.” Im Gegensatz zu einem Servomotor, der das Getriebe antreibt, ist der DDR-Motor direkt an die Last gekoppelt, so dass kein Getriebe, keine Zahnräder und keine Riemenscheiben erforderlich sind. Ein typisches Getriebe kann beispielsweise ein Spiel von 1 Bogenminute aufweisen. Der DDR-Motor von Kollmorgen hat eine Wiederholgenauigkeit von weniger als 1 Bogensekunde. Das ist eine 60-mal bessere Haltekontrolle als bei einem herkömmlichen Getriebe.

Das Team entschied sich zudem für den AKD PDMM von Kollmorgen, einen kombinierten Servoantrieb und -motor, um die Bewegung des Motors zu steuern. Dadurch konnte sich jeder Heizstab mit seiner eigenen Geschwindigkeit bewegen und mit einer integrierten Rückkopplungsschleife automatisch an die Drift oder Bewegung während der Produktion angepasst werden.

Nachweis des Konzepts

Nach Entwicklung der Proof-of-Concept-Maschine unterzog Kollmorgen diese mehreren Leistungstests. Durch den Einsatz der beiden DDR-Motoren in Verbindung mit der Steuerung wurde das System noch präziser: Die Fehlausrichtung zwischen den beiden Heizungen ist genauer, die Schnitt- oder Vorschublänge kann präziser gehalten werden, und die Steuerung der Winkelposition ist genauer. Diese Präzision führte zu mehreren Leistungssteigerungen:

• Im Vergleich zu einem typischen Servomotor sind die DDR-Motoren 10-mal genauer und reduzieren die Stromgrenze von 32 Bogenminuten auf 3,2 Bogenminuten, was die Lebensdauer der Heizelemente verlängert. 
• Die Gesamtgeschwindigkeit der Maschine erhöhte sich um das 1,6-fache aufgrund schnellerer Start- und Stoppzyklen und stieg von 640 Seiten pro Minute auf 1030 Seiten pro Minute bei 115 mm Packungslänge. 
• Die Produktivität stieg um 50 %, von 400 ppm auf 595 ppm bei einer Packungslänge von 200 mm, die auf 270 mm erweitert werden konnte, als physikalische Beschränkungen der Siegelmechanismen weitere Steigerungen verhinderten. 

Die Maschine kann bei gleicher Geschwindigkeit 2,3-mal kleinere Pakete produzieren, von 115 mm auf 50 mm Paketlänge bei 640 ppm.

Die Proof-of-Concept-Maschine mit zwei Antrieben brachte nicht nur Leistungsvorteile, sondern auch eine wesentlich einfachere Konstruktion. Das Fehlen eines Getriebes führte zu einem geringeren Wartungsaufwand, einer geringeren Geräuschentwicklung (20 dB weniger im Vergleich zur mechanischen Übertragung) und minimierte das Risiko einer möglichen Ölverschmutzung des Produkts. Dadurch verbesserte sich auch die Bandbreite der Maschine mit weniger Ausfallzeiten, weniger auszutauschenden Teilen und weniger Varianten in der Konstruktion. 

Bereit für die Produktion und zukünftige Innovation

“Die Proof-of-Concept-Maschine hat dem OEM gezeigt, wie fortschrittliche Bewegungssteuerungen die Effizienz, den Durchsatz und die Produkte pro Minute für den Endverbraucher verbessern können”, so Silvestrini. "Es war etwas, das nicht möglich schien, aber Kollmorgen war in der Lage, von den anfänglichen Konzepten und Wünschen zu einem praktikablen Proof-of-Concept zu gelangen, das von anderen Verpackungsherstellern übernommen werden kann."

Die geschlossene Modulbauweise erfordert nur wenige Einstellungen und Kalibrierungen, so dass das System in ein Verpackungssystem integriert und fast sofort in Betrieb genommen werden kann. Und da weniger Materialien zur Produktion der Maschine erforderlich sind, kann sie schneller auf den Markt gebracht werden, was die Flexibilität der OEM-Produktion erhöht.

Die fortschrittliche Bewegungssteuerung, die die Proof-of-Concept-Konstruktion bietet, kann es OEMs ermöglichen, die Möglichkeiten ihrer Schlauchbeutel-Maschinen neu zu definieren. Angesichts der steigenden Nachfrage nach Konsumgütern ermöglicht die verbesserte Leistung der Schlauchbeutel-Maschine mit zwei Antrieben es OEMs, den Endverbrauchern eine Lösung anzubieten, mit der sie die Nachfrage befriedigen und gleichzeitig die Gewinnspanne erhalten können.