Servotechnik für die Leistungssteigerungen künftiger Maschinengenerationen von Füllmaschinen und mehr

Etwa 65 Kartonverpackungs- und Füllmaschinen verlassen jedes Jahr die Fabrikationshallen der SIG Combibloc Systems GmbH in Linnich, Deutschland und im Suzhou Industrial Park in der Provinz Jiangsu in China. Die Füllmaschinen von SIG Combibloc sind durchgängig ausgerüstet mit Servogetrieben von Wittenstein Alpha in Kombination mit Motoren eines führenden Servomotor-Herstellers und Servoaktuatoren aus dem Hause Wittenstein. Sie entsprechen höchsten Ansprüchen an Präzision, Durchsatzleistung, Verfügbarkeit und Langlebigkeit.

Im engen technologischen Austausch haben beide Unternehmen (ver)packende Innovationen und Effizienzsteigerungen für die Maschinen auf den Weg gebracht – auch wenn die erste Getriebeanwendung zunächst nicht nach Fortschritt aussah. 

1997 begann die erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen SIG Combibloc Systems und Wittenstein, die sich seitdem von einer Lieferantenbeziehung zu einer wechselseitigen Technologie- und Innovationspartnerschaft entwickelt hat. „Technik querdenken, ungewöhnliches ausprobieren, neue Grenzen ausloten ist seit jeher das Credo unserer Entwickler und Ingenieure“, erklärt Bernd von Birgelen, Head of Competence Pool Handling & Transfer bei SIG Combibloc Systems. „Beim erstmaligen Einsatz eines Wittenstein-Getriebes in einer Abfüllmaschine der Baureihe Combibloc CFA 310 wurde dieses nicht zur Übersetzung, sondern praktisch andersherum zur Untersetzung einer Bewegung benötigt. Eine etwas ungewöhnliche Aufgabe für die Anwendung eines Getriebes, aber erfolgreich und mit Kosteneinsparungen in der Füllmaschine verbunden. In einem späteren Anwendungsfall wurden erstmals Servogetriebe eingesetzt und so eine Erhöhung der Bahngeschwindigkeit von vorher 2.500 auf dann 3.000 Packungen pro Stunde im Mittelformat ermöglicht. Die erste Hürde war somit gefallen.“

Systemanbieter von Packstoffen und Füllmaschinen

Das Unternehmen SIG Combibloc ist einer der weltweit führenden Hersteller von aseptischen Kartonverpackungen und Füllmaschinen für Getränke und Lebensmittel. „Als Systemanbieter liefern wir sowohl die bereits bedruckten Verbund-Packstoffe als auch die entsprechenden Maschinen für das aseptische Abfüllen und Verpacken von Getränken und flüssigen Lebensmitteln“, sagt Stefan Mergel, Head of Downstream and Procurement Engineering Equipment Supply Chain Management & Procurement bei SIG Combibloc Systems. „Mit Packungswerken und Niederlassungen auf der ganzen Welt können wir schnell und gezielt auf Kundenbedürfnisse eingehen.“ SIG Combibloc erzielte im Jahr 2015 einen Umsatz von 1,72 Mrd. €. Seit März 2015 gehört das Unternehmen zur kanadischen Private Equity Gesellschaft Onex Corporation und somit zu den größten Anbietern für Verpackungslösungen weltweit.

Die Füllmaschinen werden in drei Produktfamilien eingeteilt: im Kleinformat für Volumina bis 0,5 l, im Mittelformat bis 1 l Füllmenge sowie im Großformat bis 2 l. „In der Grundkonstruktion bestehen die Maschinen immer aus vier Modulen“, führt Bernd von Birgelen aus. „Im Dornradteil werden Verpackungszuschnitte, sogenannte Sleeves, aufgefaltet, auf Dorne geschoben und dabei erhitzt. Im gleichen Prozess wird der Verpackungsboden zuerst gefaltet und dann durch die Bodenpresse verschlossen. Im folgenden Kettenteil werden mit Druckluft Staubpartikel aus der oben offenen Verpackung ausgeblasen und die vorgeprägten Rillungen und Faltkanten im Kartonmaterial als Vorbereitung für das Siegeln gebrochen und vorgefaltet. In der Aseptikzone wird die Verpackung mit Wasserstoffperoxid (H₂O₂) sterilisiert, getrocknet, mit dem Produkt befüllt und per Ultraschall-Schweißverfahren verschlossen. Danach werden die befüllten und verschlossenen Primärverpackungen durch ein Handlingsmodul auf eine Fördereinrichtung übergeben, die sie abtransportiert.“ Die Falt-, Füll- und Verschließprozesse laufen in Höchstgeschwindigkeit ab. So weist beispielsweise eine sechsbahnige Combibloc CFA 124 eine Maschinenleistung von 24.000 Verpackungen pro Stunde auf. „Bei 4.000 Jahresstunden sind das 1,6 Millionen Maschinentakte pro Bahn. Mindestens 10 Jahre, also 16 Millionen Taktschübe, müssen die Maschinen schon leisten können“, so Bernd von Birgelen. Dass solche Leistungen und Verfügbarkeiten heute möglich sind, hat zwei Hauptgründe: zum einen der nahezu durchgängige Einsatz von Servotechnik und zum zweiten leistungsstarke Getriebe und Aktuatoren, die diese Anforderungen zuverlässig erfüllen.

Leistungssteigerungen durch Servogetriebe

Weg von Pneumatik, weg vom Abgreifen und Umsetzen von Bewegungen der Königswelle, Einbau von Getrieben und Aktuatoren als fertige Bauteile anstelle von Sonderkonstruktionen, Entkoppelung mechanischer Funktionen und Synchronisation von Servogetrieben und Motor-Getriebe-Einheiten über die Maschinensteuerung – mit dem schrittweisen Technologiewechsel zur Servotechnik konnte SIG Combibloc immer wieder deutliche Leistungssteigerungen der Maschinen erzielen. „Mit jeder Maschinengeneration haben wir mehr auf deren servogerechte Konstruktion geachtet“, blickt Jürgen Blümel vom Competence Pool Forming & Sealing bei der SIG Combibloc Systems zurück. „War die Combibloc 310 im Jahr 1997 noch in keinster Weise auf Servotechnik ausgelegt, so haben wir nur wenige Jahre später mit der Combibloc 124 zum ersten Mal eine Maschine durchgängig servogerecht konstruiert.“ Ob im Dornradteil, in dem eine Welle aufgefaltete Sleeves auf Dorne schiebt oder im Kettenteil, in dem ein Servogetriebe den Hub der Faltleiste ausführt – viele bislang mechanisch gekoppelte Bewegungen werden dank der Servoaktuatoren von Wittenstein schneller und präziser ausgeführt. In der Ultraschallstation, in welcher der Amboss und die Ultraschall-Sonotroden über Koppelgelenke verfahren werden, hat die Servotechnik die Pneumatik verdrängt, weil der Transport der Packungen und das Verschweißen nicht mehr nur sequentiell, sondern simultan und damit deutlich schneller durchgeführt werden können. Darüber hinaus lassen sich bestimmte Kinematiken nicht durch mechanisch gekoppelte Achsen abbilden, sondern überhaupt erst mit Hilfe der Servotechnik lösen – z. B. die komplexen Faltvorgänge im Dornradteil, die für die Formgebung und das Aufbringen des Drehverschlusses an Combidome-Verpackungen erforderlich sind. „Aktuell verbauen wir je nach Funktion, Leistungsanforderung und Bauraum verschiedene High End-Winkelgetriebe wie HG⁺, TK⁺ und V-Drive⁺ sowie High End-Planetengetriebe TP⁺ und SP⁺ von Wittenstein Alpha, fast alle in korrosionsbeständiger Ausführung“, fasst Bernd von Birgelen zusammen. „Und es ist kein Zufall, dass wir ausschließlich Getriebetechnik dieses Herstellers einsetzen. Die Produkte sind innovativ und extrem leistungsfähig, sie verbessern die Flexibilität und Durchsatzleistung unserer Maschinen und gewährleisten höchste Verarbeitungsqualität im dynamischen Dauerbetrieb. Außerdem lässt die Betreuung durch Vertrieb und Service keine Wünsche offen und unsere Ideen stoßen bei den Entwicklern immer auf offene Ohren. Es ist ein Miteinander auf Augenhöhe“

Vom Komponentenlieferant zum Kompetenzpartner

Für SIG Combibloc hat sich die Servotechnik von Wittenstein als „enabling technology“ erwiesen, die heute für die Spitzenleistungen der Maschinen mit verantwortlich sind. „Das war nur möglich, weil sich unsere Zusammenarbeit vom reinen Lieferanten-Kunden-Status hin zu einer wechselseitigen Innovations- und Kompetenzpartnerschaft entwickelt hat“, sagt Bernd von Birgelen. „So haben wir z. B. gemeinsam die Themen Korrosionsbeständigkeit und jetzt Hygiene Design von Servogetrieben und Servoaktuatoren vorangebracht. Wittenstein konnte hier auf unser Know-how in Bezug auf die Anforderungen von Lebensmittelanlagen mit Steril- und Nassbereichen zurückgreifen. Wir profitieren dadurch, dass wir von Wittenstein entsprechend ausgelegte Komponenten erhalten, die unsere strengen Standards erfüllen und die Verfügbarkeit, die Wirtschaftlichkeit wie auch die Wertigkeit unserer Maschinen deutlich verbessern.“

Umgekehrt kann SIG Combibloc die Kompetenz von Wittenstein nutzen, z. B. wenn es darum geht, die getriebetechnischen Auswirkungen einer völlig neuen Dornradauslegung zu beurteilen. „Oder um unerklärliche Effekte, zum Beispiel unruhige, schwingende Bewegung von Förderketten, zu analysieren“, ergänzt Jürgen Blümel. „Hierzu haben wir von Wittenstein in einem konkreten Fall an einer Mittelformatmaschine kurzfristig ein Messgetriebe erhalten, dessen integrierter Sensor Querkräfte und Drehmomente erfasst. Die Auswertung der Messergebnisse zeigte uns zum einen, dass wir das Kettengetriebe richtig dimensioniert hatten, es also nicht überlastet war. Zum anderen konnten wir als Problemlösung erkennen, zunächst die Getriebeanbindung an die Gestellwand der Maschine anzupassen. Ergänzend war es uns dann möglich, die Kettenbewegung beziehungsweise die Eigenfrequenz der Kette formatspezifisch so zu optimieren, dass neben den Schwingungen auch die Schwappbewegungen der Medien in den noch offenen Verpackungen verringert werden.“ Eine weitere, gemeinsam realisierte Verbesserung betrifft den Einsatz eines Getriebes der Baureihe TK⁺ 110 im Dornrad der Combidome-Maschine. Hier war es möglich, mit Hilfe der Auslegungssoftware Cymex einen erweiterten Auslegungsraum zu identifizieren und das Getriebe entsprechend der auftretenden Kräfte so auszulegen, dass eine Leistungserhöhung von mehr als 60% erreicht werden konnte. Apropos Auslegungssoftware: Wittenstein Alpha  hat mit Cymex 5 ein völlig neues, multifunktionales Tool für die Auslegung von Antriebssträngen entwickelt. Diese Software bietet u. a. eine einzigartige Schnittstelle, um reale Daten eines Reglers auszulesen. Die damit verbundene Möglichkeit, Antriebsstränge zu bewerten und zu optimieren, führt zu maßgeblich verkürzten Erprobungszeiten. Die Baugröße des Reglers bzw. des Motors und das verwendete Getriebe können häufig optimiert werden. Der hiermit verbundene verbesserte Wirkungsgrad  kann zu deutlichen Energieeinsparungen und kosteneffizienteren Maschinen beitragen. SIG Combibloc war einer der Lead-Anwender, deren Input in das Programm eingeflossen ist und die cymex 5 vor der Markteinführung intensiv getestet haben: „Die Software ist ein Quantensprung“, bestätigt Jürgen Blümel als einer der Pilotnutzer.

Innovations- und Kompetenzpartnerschaft

Es gibt zahlreiche weitere Beispiele, welche die Qualität der Zusammenarbeit von SIG Combibloc und Wittenstein belegen. „Hinzu kommt, dass die Key Account-Betreuung nicht nur aus technologischer, sondern auch aus kaufmännischer Sicht optimal ist“, sagt Stefan Mergel. „Die aktuelle Zusammenarbeit ist zu einer intensiven Partnerschaft geworden, die weit über den Status eines Preferred Supplier hinaus geht.“ Mittlerweile sind nicht mehr alleine Getriebe Gegenstand der Zusammenarbeit, sondern auch komplette Motor-Getriebe-Einheiten wie z. B. die kompakten Servoaktuatoren der Baureihe TPM⁺ power in der Newfood-Maschinenserie.

Servotechnik fest etabliert

Heute hat sich die Servotechnik in Maschinen von SIG Combibloc fest etabliert. Sie ist wesentlich wirtschaftlicher, flexibler und eleganter als mechanische Lösungen zum Abgreifen rotativer Bewegungen. Im Gegensatz zu Pneumatik lässt sich die platzsparende und leistungsdichte Servoaktuatorik sehr präzise und wiederholgenau steuern. Servogetriebe und Servoaktuatoren sind einbaufertige Lösungen mit wesentlich besser planbarer Beschaffung und Verfügbarkeit. Bei der Inbetriebnahme erlauben sie es, die Taktung und das Timingverhalten direkt über das HMI-Panel der Maschine zu optimieren. Vor allem aber erschließt die Servotechnik neue Leistungspotenziale wenn es darum geht, z. B. im Dornbereich schneller und flexibler zu formen oder im Aseptikbereich effizienter zu füllen und zu verschließen.

Künftige Maschinengenerationen in der Erprobung

Folgerichtig erproben beide Unternehmen schon heute mögliche Antriebskonzepte für künftige Maschinengenerationen. „Voruntersuchungen laufen beispielsweise mit einer intelligenten, hochdynamische Motor-Getriebe-Kombination mit integrierter Sensorik, mit der Winkellagen auf Linearachsen dynamisch angefahren und Endlagen flexibel eingestellt werden sollen“, berichtet Bernd von Birgelen. In einer anderen Machbarkeitsstudie wird ein Galaxie-Getriebe für den Antrieb einer neuen Verpackungsmaschine getestet. „Wir benötigen hier eine extreme Leistungsdichte, das heist platzsparende Bauform kombiniert mit hohem Drehmoment und völliger Spielfreiheit“, sagt Christoph Bremer vom Competence Pool Handling & Transfer bei SIG Combibloc Systems. Bauraum einsparen, aber auch die Möglichkeit, Werkzeugachsen über ein Maschinenterminal einstellen zu können sind die Anforderungen der neuen Combismile-Generation. „An einem Teststand erproben wir aktuell einen Servoaktuator TPM⁺“, erläutert Christian Turobin aus dem Competence Pool PLC & Process Control bei SIG Combibloc Systems. „Die Motor-Getriebe-Einheit soll ein Schrittgetriebe ersetzen und hat den Vorteil, dass wir sie bereits vor Aufbau des Teststandes in der Steuerung simulieren konnten. Das spart ebenso Zeit wie die Tatsache, dass wir die Funktion per Software optimieren können – ohne Bearbeitungszeit für ein zu änderndes mechanisches Bauteil.“

SIG Combibloc hat sich zum Ziel gesetzt, für seine Kunden mehr zu sein als nur Lieferant einer erstklassigen Technik. Die Zusammenarbeit mit Wittenstein zeigt, dass das Unternehmen diese Philosophie mit Erfolg auch im Umgang mit seinen eigenen Partnern praktiziert.