Kompakte Antriebstechnik erzielt Ausbringleistung von 192 Etiketten pro Minute

Die möglichst kompakte Realisierung dynamischer und präziser Bewegungsabläufe – das war die Aufgabe des Verpackungsmaschinenherstellers Weber Food Technology bei der Entwicklung des Etikettierers weLABEL. Erfolgreich umgesetzt wurde dies mithilfe der kompakten Antriebstechnik von Beckhoff, durch die sich der Bauraum, die zu bewegende Masse und der Installationsaufwand minimieren ließen.

Weber Food Technology wurde 1981 in Breidenbach gegründet, beschäftigt heute weltweit über 2.100 Mitarbeitende und positioniert sich als ein führender Systemanbieter für Aufschnittanwendungen in der lebensmittelverarbeitenden Industrie. Dazu erläutert Michael Brandt, Managing Director Technology bei Weber: „Wir entwickeln komplette Schneide- und Verpackungslinien – vom gewichtsgenauen Schneiden bis zum präzisen Einlegen und Verpacken von Wurst, Fleisch, Käse und veganen Ersatzprodukten. Dabei legen wir einen besonderen Fokus auf die hohe Qualität der Anlagen, was sich u. a. im konsequenten Made in Germany und der hohen Fertigungstiefe von über 80 % zeigt.“ Martin Grünkemeier, Gruppenleiter Etikettieren und Drucken, ergänzt: „Ein gutes Beispiel für die Durchgängigkeit und Flexibilität unserer Lösungen ist der Etikettierer weLABEL, mit dem unser Portfolio komplettiert wird. Dabei kann flexibel auf die jeweiligen Kundenanforderungen eingegangen werden – zum einen sehr variabel mit bis zu vier Etikettierern für eine Weber-Tiefziehverpackungsmaschine und zum anderen durch die Möglichkeit des weLABEL-Einsatzes auch bei Verpackungsmaschinen von Drittanbietern.“

Flexibel und anwendungsgerecht etikettieren

In welcher Weise die Etikettierung umgesetzt wird, hängt von der jeweiligen Applikation ab. Es können ein Unter- und Oberbahn-Etikettierer ausreichen oder im Vollausbau jeweils zwei für optimale Prozessabläufe sorgen. Die Verwendung von vier Etikettierern vermeidet Maschinenstillstände, die z. B. aufgrund des Austauschs einer leeren Etikettierrolle verursacht werden. Dies gilt auch bei Highspeed-Anlagen, indem sich je zwei weLABEL ihre Etikettieraufgabe teilen können und somit bei nur gering reduzierter Taktrate den Rollentausch ohne Downtime ermöglichen.

Aufgebaut ist ein Etikettierer weLABEL aus einer Spendeeinheit (mit oder ohne Drucker), einem Absetzkasten sowie einer Längsverfahreinheit. Umgesetzt sind vier Bewegungsachsen, eine hohe Positioniergenauigkeit bei flexibler Positionierung, eine hohe Beschleunigung von bis zu 60 m/s² sowie im Verbund mit einer Tiefziehverpackungsanlage eine Ausbringungsleistung von bis zu 192 Etiketten pro Minute. Der zugehörige Prozessablauf startet mit dem Zuführen der Etikettenrollen über Haspelscheiben und bei Bedarf dem anschließenden Durchführen durch einen Drucker. Über eine Spendekante werden die Etiketten dann vom Trägermaterial getrennt und von der Spendeeinheit an einen Absetzkasten übergeben. Das Trägermaterial wird aufgewickelt und die Einzeletiketten werden über Transportriemen beim Unterbahner unterhalb und beim Oberbahner oberhalb der Verpackung transportiert sowie über eine Hubeinheit servomotorisch angedrückt. Martin Grünkemeier ergänzt dazu: „Eine Besonderheit von dem weLABEL ist der Einsatz von Federstiften beim Andrücken der Etiketten, wodurch das System unabhängiger von unterschiedlichen Verpackungsgeometrien ist, zumal die Federstifte sogar um 35 mm eintauchen können. Somit lassen sich auch unebene Oberflächen oder schräge Verpackungsböden sehr gut und an allen Stellen mit dem erforderlichen Anpressdruck etikettieren.“

Kompakte Antriebstechnik spart Bauraum und Masse

Wichtig ist für Michael Brandt die modulare und sehr kompakte weLABEL-Bauweise: „Jeder Etikettierer verfügt über einen kleinen Schaltkasten für die notwendige Steuerungstechnik. Um hier Bauraum zu sparen und die zu bewegende Masse möglichst klein zu halten, eignet sich sehr gut die kompakte 48-V-Antriebstechnik von Beckhoff, mit den Servomotor-EtherCAT-Klemmen ELM7222 bzw. ELM7231 und den Servomotoren AM8100. Zudem zeichnet sich diese Kombination durch ein gutes Preis-Leistungsverhältnis aus und bietet die volle Servo-Performance, die insbesondere für die notwendige hohe Genauigkeit entscheidend ist.“ Hinzu komme, dass sich diese sehr anspruchsvolle Applikation auch bei vier Etikettierern und dementsprechend 16 Achsen mit dem nur 82 x 82 x 40 mm messenden und mit ausreichend Schnittstellen ausgestatteten Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6015 steuern lasse. Und bei zukünftig steigenden Anforderungen könne man vom breiten und fein skalierbaren Beckhoff IPC-Portfolio profitieren.

Aufgrund der kompakten Bauweise mit minimierter bewegter Masse kann der Etikettierer deutlich dynamischer verfahren werden als eine Ausführung mit konventioneller Antriebstechnik. Die maximal zulässige Geschwindigkeit ist durch die reduzierte kinetische Energie ebenfalls höher. Für Martin Grünkemeier sind noch drei weitere Aspekte von Bedeutung: Der kleine und mitbewegte Schaltkasten vermeide lange Verkabelungen und aufwendige Schleppketten. Zusätzlich helfe die One Cable Technology (OCT) von Beckhoff durch den reduzierten Bauraum, den minimierten Installationsaufwand sowie das Vermeiden von Fehlerquellen aufgrund der geringeren Anzahl an Steckverbindern und zugehörigen Austrittsöffnungen im Schaltkasten. Hinzu komme die hohe Funktionalität der 48-V-Servotechnik – zum einen mit integrierter TwinSAFE Safe Motion und zum anderen durch die Servoeigenschaften an sich, die z. B. Referenzfahrten nach dem Wechsel der Etikettenrollen vermeidet.

Einen weiteren Vorteil nennt Dirk Bauerfeind, Beckhoff Global Key Account Management: „Bei der kompakten Antriebstechnik wirkt die 48-V-Versorgung auch als Zwischenkreis, über den Energie zwischen den Achsen übertragen werden kann. Dadurch minimiert sich die Energieabgabe über den Bremswiderstand deutlich.“ Das bestätigt auch Martin Grünkemeier: „Bei dieser Etikettierapplikation laufen viele Bewegungen parallel ab, sodass Energie gleichzeitig sowohl für das Beschleunigen konsumiert als auch beim Bremsen abgegeben und regenerativ nutzbar wird. Ohne diese Funktionalität der 48-V-Versorgung wäre eine große Zwischenkreiskapazität erforderlich oder entsprechend hohe Wärmeverluste über Bremswiderstände die Folge.“ Michael Brandt ergänzt hierzu: „Weiterhin profitieren wir von der Epoxidharz-Sonderlackierung der Servomotoren AM8100 und der entsprechenden Motor-Getriebe-Kombinationen, da die Etikettierer auch in Hochhygiene-Bereichen eingesetzt werden und daher sehr resistent gegenüber Reinigungsverfahren sein müssen.“

Flexible Steuerungssoft- und -hardware

Flexibilität, Modularität und Durchgängigkeit zeichnen die Beckhoff Steuerungs- und Antriebstechnik sowohl hinsichtlich der Software als auch bzgl. der Hardware aus. So bietet TwinCAT 3 als ganzheitliche Softwareplattform vielfältigste Funktionen für den effizienten Ettikettiervorgang – von Motion Control über den EventLogger zur Diagnose bis hin zu Kommunikationsschnittstellen wie dem JSON Data Interface. Dazu kommt laut Martin Grünkemeier die systemintegrierte Sicherheitstechnik: „Die direkte Safety-Integration ermöglicht eine flexiblere Konzeption der Maschinensicherheit sowie separate kleinere Safety-Projekte. Umgesetzt sind mit TwinSAFE und den ELM-Klemmen Safe Limited Position (SLP) und Safe Limited Speed (SLS). Dadurch lässt sich in Verbindung mit einem Sicherheitslaser eine Bereichserfassung realisieren, die beim Betreten der Zone 1 für eine reduzierte Verfahrgeschwindigkeit der Etikettierer sorgt und beim Eintritt in Zone 2 stoppt. Die Besonderheit und einmalig im Markt ist, dass nach Verlassen der Sicherheitszone das System wieder direkt weiterläuft.“

EtherCAT biete ebenfalls die erforderliche hohe Flexibilität. So ermögliche die Topologiefreiheit eine Mischung von Stern- und Ringtopologie. Und auch das breite Spektrum an EtherCAT-I/Os unterstütze bei der Realisierung der notwendigen Etikettierfunktionen. Ein gutes Beispiel hierfür sei die 8-kanalige digitale Ausgangsklemme EL2258, die als Nockenschaltwerk für das Ausgeben der Drucker-Startsignale diene.