Rund um die Uhr laufende Produktionslinien in der Lebensmittelindustrie lassen kaum Raum für Fehler – doch nicht jeder Ausschuss ist verloren. Mit Bildverarbeitung, schonender Robotik und cleveren Rework-Konzepten bringt Schubert Produkte zurück in den Prozess, statt sie zu entsorgen. Beispiele aus der Süßwaren- und Backwarenproduktion zeigen, wie das gelingt.
Autor: Stefan Horvath, Produktmanager, Gerhard Schubert
Kein Prozess ist perfekt: Technische, menschliche und rohstoffbedingte Faktoren können industrielle Abläufe stören, manchmal empfindlich. Geraten einzelne Schritte aus dem Takt, kommt es mitunter zu Ausschuss. Dieser lässt sich nicht immer vermeiden, ist aber keineswegs unumkehrbar: Mit klugen Konzepten können Anlagenhersteller Fehler frühzeitig erkennen, Produkte schonend handhaben und sie sogar in den Prozess zurückführen, wie Beispiele aus der Lebensmittelverpackung verdeutlichen.
Zeit- und Marktdruck äußern sich in den Hallen vieler Lebensmittelhersteller auf die gleiche Weise: Produktionslinien laufen nicht selten rund um die Uhr. Das Ziel: Maximaler Ausstoß bei höchster Qualität; Fehler – ganz gleich, wo – sollten sich auf ein Minimum beschränken. Die Richtung scheint damit klar: nach vorne, raus aus dem Prozess und in den Handel. Und doch handelt es sich bei modernen Linien selten um Einbahnstraßen: Hakt es doch einmal, müssen Produkte keineswegs unwiderruflich in den Ausschussbehälter. Erst recht nicht in Zeiten zunehmend nachhaltiger Produktionsstrategien: Ein sogenanntes Rework – etwa in der Form von Nachverpacken und damit einer Rückführung in den Prozess – erweist sich vielfach als ressourcenschonender, als Neuware zu produzieren. Beispielanalysen zeigen, dass Rework-Kosten bei 20 bis 30 % der Herstellkosten von Neuware liegen.
Von der Zuführung bis zur Endverpackung können Maschinenhersteller Maßnahmen für ein solches Rework, aber auch für eine rigorose Prozesskontrolle etablieren, damit Produkte von vornherein bis zum Ende durchlaufen – oder so ausscheiden, dass sie den Gesamtablauf nicht stören. Integrierte Bildverarbeitung, schonende Produktführung, effiziente Siegelsysteme, schnelles Umrüsten und automatisierte Ausschleuskonzepte zählen zu den zentralen Stellschrauben, um diese Ziele zu erreichen.
Fehler frühzeitig erkennen
Bildverarbeitende Systeme, wie Schubert sie seit Mitte der 1980er Jahre entwickelt, erfüllen eine doppelte Funktion: Sie lokalisieren und inspizieren Produkte, können also feststellen, wo im Prozess sie sich befinden, und ob beispielsweise Drehlage, Form und Farbe vorab festgelegten Kriterien entsprechen. In Form von 2D- und 3D-Scannern finden sich solche Systeme gleich am Einlauf einer Verpackungslinie, um die Qualität zu prüfen, aber auch an nachfolgenden Stationen, um die Position zu ermitteln und diese beispielsweise Verpackungsrobotern mitzuteilen.
Bewertet ein Scanner Produkte als fehlerhaft, weil Farbe, Fläche oder Größe den vorab definierten Werten nicht entsprechen, gelangen diese Informationen nicht zu den Robotern. Stattdessen verlassen die fehlerhaften Produkte den Prozess über integrierte Ausschussbänder und vermeiden dadurch zeit- und kostenintensive Stopps. Alternativ bleiben sie auf den Bändern liegen und werden erst am Ende der Anlage ausgeschleust, wenn sie sich konstruktionsseitig nicht sofort aussortieren lassen oder aus anderen Gründen im Prozess bleiben müssen. Dazu erhalten die Roboter dann die entsprechende Information. Allein für statistische Auswertungen liefern fehlerhafte Produkte wichtige Aufschlüsse. Diese Abweichungen zu erfassen und an übergeordnete Systeme, etwa Cloud-Lösungen zur statistischen Erfassung der Produkteigenschaften zu übermitteln, kann für Hersteller der erste Schritt zur Prozessoptimierung sein.
Robotern – in der Lebensmittelindustrie nicht selten Pick-and-Place-Systeme für stückige Produkte – kommt im Prozess besonderes Gewicht zu, um insbesondere mechanisch bedingten Ausschuss zu vermeiden. Vor allem brüchige Produkte wie Kekse oder Backwaren erfordern schonende Saug- und Greifwerkzeuge, damit sie während des Handlings bei hohen Geschwindigkeiten keinen Schaden nehmen. Ein eingedrücktes oder gebrochenes Produkt wäre für jedes Rework verloren. Umso behutsamer müssen Pick-and-Place-Roboter vorgehen: Von Ventilen zur Steuerung des Unterdrucks bei Saugwerkzeugen bis hin zu speziell geformten, auf die jeweiligen Produkte abgestimmten Greifern bietet sich Maschinenherstellern eine Bandbreite an schonenden Optionen. Individuelle Werkzeuge sorgen neben abgestimmten Roboterbewegungen dafür, dass die Produkte intakt durch den Prozess und von dort in den Handel gelangen. Das Unternehmen setzt dazu auf additive Fertigungsverfahren, mit denen sich selbst komplexe Strukturen am Stück und damit ohne Verschraubungen herstellen lassen. Der Vorteil dieses Ansatzes: Roboter erreichen durch ein geringeres Werkzeuggewicht höhere Taktraten, verpacken also tendenziell mehr in der gleichen Zeit und ermöglichen so eine höhere Leistungsdichte der jeweiligen Anlagen.
Siegeln mit Maß und Mitte
Kräfte können an weiteren Stellen auf unverpackte Produkte einwirken: Siegelbacken von Schlauchbeutelmaschinen verschweißen Folienschläuche zu dichten, flexiblen Verpackungen. Aufgrund von Temperatur und Bewegung können sie jedoch ein thermisches oder mechanisches Risiko bergen. Um weder Produkt noch Folie während des Siegelns zu beeinträchtigen, müssen Zeit und Geschwindigkeit dieser Systeme genau abgestimmt sein. Dauert das Siegeln zu lange, können Folien schmelzen oder anbrennen. Bei einer zu kurzen Siegelzeit entstehen mitunter undichte Schlauchbeutel. Nehmen Verpackungen dabei Schaden, müssen sie ausgeschleust werden. Ist das verpackte Produkt noch brauchbar, wird es aus dem Schlauchbeutel entnommen und wieder in den Prozess eingeschleust.
Die hohen Temperaturen des Heißsiegelns können überdies empfindliche Produkte – etwa mit Schokoladenüberzug – beeinträchtigen. Das muss nicht sein: Neben Siegelaggregaten, die sich der Foliengeschwindigkeit anpassen, existieren am Markt Verfahren wie das Ultraschall- und Kaltsiegeln, die deutlich geringere Temperaturen als das Heißsiegeln erzeugen und sich dadurch besonders für empfindliche Produkte eignen.
Schnelle Wechsel
Flexibilität steht auch bei einem Vorgang an erster Stelle, der sich aus dem Produktionsalltag nicht wegdenken lässt – dem Werkzeugwechsel. Gerade bei den variantenreichen Portfolios, mit denen Hersteller heute ihre Kundschaft zu binden versuchen, kommt es dazu besonders häufig. Was danach mitnichten passieren sollte: Die Produktion läuft nur schleppend weiter, weil Packmittel – etwa durch einen Folienrollenwechsel – nicht richtig eingefädelt werden oder Werkzeuge die Produkte nicht richtig ansteuern. Letztere können dadurch Schaden nehmen und unerwünschten Ausschuss begünstigen – zum Nachteil für die gesamte Produktion, bei der die meisten Unternehmen einen konstant hohen Durchsatz anstreben.
Maschinenhersteller haben deshalb das sogenannte Ramp-up Zero im Blick, d. h. ein Nachrüsten ohne Kompromisse: Nach einem Formatwechsel muss die erste verpackte Einheit fehlerfrei vom Band laufen. Das senkt Kosten, ermöglicht eine effizientere Produktionsplanung und reduziert Ausschuss, den beeinträchtigte Packmittel oder Produkte verursachen können.
Die dazu erforderlichen schnellen und genauen Wechsel haben ebenso viel mit dem Gewicht der Werkzeuge wie mit passenden Schnittstellen zu tun: Je leichter die Werkzeuge – etwa durch den Einsatz additiv gefertigter Teile –, desto einfacher und schneller ihr Ein- und Ausbau. Bei einem neuen Formatsatz gleicht die Maschine das jeweilige Programm zudem automatisch mit den Formatteilen in der Anlage ab – ein Plug-and-Play-Ansatz, bei dem Werkzeuge ohne zusätzliche Einstellungen seitens des Bedienpersonals funktionsfähig sind. Das spart Zeit und sorgt für korrekt eingestellte Roboter, die Produkte oder Zuschnitte wie vorgesehen aufnehmen, ablegen oder aufrichten.
Zurück in die Packstraße
Müssen Produkte trotz aller Vorsichtsmaßnahmen doch einmal den Prozess verlassen, sind sie keineswegs „verloren". Sofern sie nicht beschädigt oder anderweitig für den Endverbrauch untauglich geworden sind, können insbesondere Lebensmittel wieder in die Produktion zurück. Aus- und Einschleuskonzepte liefern hierfür die Grundlage, wie ein Konzept aus der Süßwarenproduktion verdeutlicht: Stückige Produkte wie Pralinen oder Kekse liegen oft in Trays; bildverarbeitende Systeme prüfen diese im Verlauf auf Vollständigkeit. Fehlen Produkte, schleusen moderne Packstraßen die betreffenden Trays schonend aus.
Dazu kippt das Transportband kurz nach unten und führt die Trays einem Pufferband zu. Hier kann das Bedienpersonal die Packmittel entnehmen und Trays nach Bedarf auffüllen. Anschließend gelangen die vollständig befüllten Packmittel wieder in den Prozess zurück. Hinzu kommt eine rigorose Kontrolle der unbefüllten Trays zu Beginn des Prozesses: Die Roboter beladen nur korrekt aufgelegte Trays, um Produktschäden während des Befüllens vorzubeugen; falsch orientierte Trays lösen ein entsprechendes Signal an das Bedienpersonal aus, das die Trays aus dem Prozess nimmt.
Auch für Stichproben greifen Lebensmittelhersteller auf verwandte Ansätze zurück: Aus- und Einschleusstationen unterstützen bei Qualitätskontrollen, weil sich bestimmte Produktmengen gezielt und schnell aus dem Gesamtsystem entnehmen und wieder einbringen lassen. Hierfür können modular aufgebaute Verpackungsmaschinen wie TLM-Anlagen von Schubert mit weiteren Transportbändern ausgestattet werden. Pick-and-Place-Roboter übernehmen das Handling der Produktgruppen, entnehmen sie aus dem Prozess und platzieren sie anschließend wieder auf Transportschlitten der Transmodulstrecke – für eine reibungslose, sichere und hochwertige Endverpackung.
