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Multi-Carrier-System optimiert Kosmetikproduktion

01  Gesamtansicht der Optima-Maschine, die bei Dr. Kurt Wolff zum Einsatz kommt

01  Gesamtansicht der Optima-Maschine, die bei Dr. Kurt Wolff zum Einsatz kommt

02  Hoch flexibel, vom Einsetzen in Pucks bis hin zum Kartonieren der Gebinde. Bereits im SAT wurde unter Produktionsbedingungen eine Maschinenverfügbarkeit von 98 % erzielt

02  Hoch flexibel, vom Einsetzen in Pucks bis hin zum Kartonieren der Gebinde. Bereits im SAT wurde unter Produktionsbedingungen eine Maschinenverfügbarkeit von 98 % erzielt

03  Die Pucks sind mit den Carriern magnetisch verbunden

03  Die Pucks sind mit den Carriern magnetisch verbunden

Die Optima Consumer GmbH war der erste Pilotkunde für das von Siemens und Festo gemeinschaftlich entwickelte Multi-Carrier-System. Auf der Hannover Messe 2015 sorgte die Optima-Moduline-Maschine für Furore, als sie für Bundeskanzlerin Merkel in Losgröße 1 das Parfum „Angela‘s Dream“ produzierte. Nun kommt die Maschine in der Praxis zum Einsatz: Bei dem Kosmetikunternehmen Dr. Kurt Wolff optimiert sie die Shampoo-Produktion.

Der mittelständische Kosmetikhersteller Dr. Kurt Wolff produziert unter anderem Shampoos der Marken ­Alpecin und Plantur. Hinzu kommen spezielle Shampoos für graue Haare, gegen Haarausfall, für jüngere und ältere Zielgruppen und viele weitere Sorten. Zudem erfordert jeder Exportmarkt spezifische Etiketten. So entsteht in der Summe eine große Produktvielfalt bei den ohnehin vergleichsweise kleinen Losgrößen eines Mittelständlers.
Eine Lösung hierfür wurde erst auf Umwegen gefunden, berichtet Walter Bergen, stellvertretender Betriebsleiter bei Dr. Kurt Wolff. Ursprünglich hatte das Unternehmen die Anlagen selbst modifiziert und den Anforderungen angepasst. Mit dem Ergebnis, dass diese zwar flexibel, allerdings auch langsam und schwer zu rüsten waren. Bei Produkt- oder Formatwechseln mussten Mechaniker die Bauteile von Hand anpassen. Dazu waren Spezialisten erforderlich.
Um seine Prozesse zu optimieren, beauftragte das Kosmetikunternehmen ein Ingenieurbüro mit einer Ausschreibung. So kam der Kontakt mit Optima zustande. Deren Experten arbeiteten zeitgleich mit Siemens und Festo an einer neuen flexiblen Transportlösung. Dr. Kurt Wolff war begeistert und begleitete ab sofort die Neuentwicklung im Pilotprojekt bis hin zur Serienreife.
Seit Oktober 2015 ist das Ergebnis der gemeinsamen Entwicklung in Betrieb (Bild 1). Das Transportsystem MCS (Multi-Carrier-System), das modulare Konzept der Optima Moduline und des kombinierten Kartonierers und Etikettierers Optima CMF ergänzen sich optimal. Die Systeme arbeiten „Hand in Hand“, um derzeit fünf Shampoo-Formate herzustellen. Weitere vier Formate sind bereits eingerichtet. „Neue Formate sind wahrscheinlich“, sagt W. Bergen. Auch weil der Kosmetikhersteller in zusätzliche Länder expandiert.

Shampoos im Schnelldurchlauf
Zwei Delta-Roboter erkennen die Position der über Bänder zugeführten Shampoo-Flaschen. Mit verschleißfreien Saugern nimmt je ein Roboterarm die gescannten Flaschen auf und setzt sie in Pucks ein (Bild 2). Dort verbleiben sie während der gesamten Verarbeitung.
Die Pucks sind mit dem MCS-Transportwagen magnetisch verbunden (Bild 3). Auf diesen erreichen die Flaschen in Zehnergruppen aneinandergereiht die zehnstellige Dosierstation. Derzeit werden bei Dr. Kurt Wolff Füllmengen von 50 ml bis 200 ml gefahren. Unter den Dosiernadeln verlangsamen sich die Carrier. Jetzt verläuft die Bewegung synchron zu den sich mitbewegenden Füllnadeln des Dosiersystems. Je nach Produkt wird hier eine Unterspiegelfüllung ausgeführt. Nach dem Dosieren fährt eine Abtropfleiste unter die Dosiernadeln, um außen anhaftendes Produkt aufnehmen zu können.
Anschließend greift der zweistellige Verschließer die Schraubkappen, setzt diese im Pick-and-place-Verfahren auf die Flaschen auf und schraubt diese vor. Nach einer Anwesenheitskontrolle folgt das zweistellige Nachverschrauben mit definiertem Drehmoment.
Anhand der Etikettenvarianten lässt sich die Vielfalt der Produktvarianten und der verschiedenen Sprachen erkennen. Da Dr. Kurt Wolff sowohl runde Flaschen als auch kombiniert rund/eckige Formen verwendet, unterscheiden sich die verarbeiteten Etikettentypen. Die sogenannten ­Andrücketiketten werden nach dem Aufspenden von zwei Andrückstationen fixiert. Hierfür stoppen die Carrier kurz ab. Bei den Wickeletiketten sind diese Stationen inaktiv. Die in Rotation versetzten Flaschen erhalten ihr Etikett im Durchlauf. Bei beiden Etikettentypen wird zusätzlich die aktuelle Chargennummer aufgedruckt. Entsprechend gruppieren sich die Carrier an dieser und an anderen Stellen je nach Bedarf.
Die weitere Verarbeitung erfolgt ebenfalls in Varianten. Abhängig vom Produkttyp werden die Flaschen sammel­verpackt oder inline kartoniert. Der Optima-CMF-Kartonierer zieht die Zuschnitte aus einem Magazin ab, richtet diese auf und verschließt sie an der Unterseite. Synchron dazu dreht eine Wendestation die Flaschen auf den Kopf. Der Ovalläufer setzt daraufhin die Flaschen – zusammen mit zugeführten Prospekten – in die Faltschachteln ein und verschließt sie an ihrer Oberseite.
Die Anlage erreicht eine Ausbringung von 120 Flaschen pro Minute. Den SAT hat die Optima Moduline unter ­regulären Produktionsbedingungen mit 98 % Maschinenverfügbarkeit bestanden.

Gantry wechselt die Pucks
Für den Formatwechsel fahren die Carrier zu einer multifunktionalen Gantry-Roboterstation. Die Carrier selbst verbleiben in der Anlage; nur die format-spezifischen Pucks werden ausgehoben und vom Gantry-System in Formatschränke ein- und ausgelagert.
Formatwechsel sind in maximal 45 min durchgeführt. Füllnadeln und Produktzuleitungen werden in dieser Zeit automatisch gespült und gereinigt. Mit der Formatauswahl am HMI erhalten sämtliche Module der Anlage, einschließlich der Roboter, die neuen, passenden Parameter übermittelt. Die wenigen manuellen Tätigkeiten werden beispielsweise durch Bajonettverschlüsse vereinfacht, sodass Werkzeuge wie Schraubenschlüssel der Vergangenheit angehören.
Zahlreiche Kontrollen prüfen die Verarbeitung: So finden optische Anwesenheitskontrollen der Kappen auf den Gebinden sowie Schrägsitzkontrollen statt. Vom Verschließer wird das Drehmoment gemessen und registriert. Kameras überwachen den Sitz der Etiketten und lesen die Chargencodes. Um die Füllgewichte stichprobenartig zu überprüfen, entnimmt das Gantry-System Behältnisse und setzt diese auf eine Band-Kontrollwaage außerhalb des Rundläufers.
„Je flexibler sich eine Maschine einsetzen lässt, umso weiter reduziert sich die Lagerhaltung. Damit ist weniger Kapital in Form von Rohmaterialien und Fertigprodukten gebunden. Wird der Markt schnell beliefert, fließt das Kapital zudem schneller wieder zurück ins Unternehmen“, sagt Rainer Feuchter, Geschäftsführer Optima Consumer GmbH.

Fazit
Das Multi-Carrier-System von Siemens und Festo erreicht in der Optima Moduline Geschwindigkeiten von 4 m/s bis 5 m/s. Dabei liegt die Präzision der erreichten Position bei ±1/10 mm. Es können variable Abstände bis hin zum Verbund in unterschiedlichen Gruppierungen gefahren werden. Dies kann auch rückwärts und immer so geschehen, wie es die Verarbeitungsstationen und die Abläufe einer Maschine erfordern. Für die Synchronisierung des Transportsystems mit den Funk­tionsmodulen und Materialfluss-Analysen setzte Optima Simulationssoftware von Siemens ein. Die Inbetriebnahme dauerte zwei Wochen.
Dr. Kurt Wolff sieht sich für die Zukunft gut gerüstet, auch für noch kleinere Chargen und individuellere Produkte. Alle Parameter, die zu solchen Produkten führen, sind spezifisch einrichtbar. Berechnungen haben zudem ergeben, dass die neue Anlage ökonomischer arbeitet als mit den herkömmlichen Methoden. Sollte sich die Varianz bei Dr. Kurt Wolff in Zukunft noch weiter erhöhen, ließe sich die Anlage mit neuen Modulen erweitern; das Transportsystem passt sich den Anforderungen an. (ih)

Das Multi-Carrier-System

04  Im internen Transportsystem einer Anlage können die ­fixierten Wagen des Multi-Carrier-Systems in einem Umlauf­system von einer Seite der Anlage zur anderen transportiert ­werden (Quelle: Festo)

04  Im internen Transportsystem einer Anlage können die ­fixierten Wagen des Multi-Carrier-Systems in einem Umlauf­system von einer Seite der Anlage zur anderen transportiert ­werden (Quelle: Festo)

Die Automatisierung schreitet immer weiter in Richtung Industrie 4.0 voran. Das Multi-Carrier-System (Bild 4) trägt viele Industrie-4.0-relevante Optionen in sich. Dazu gehören beispielsweise der besonders flexible elektromechanische Aufbau für die wirtschaftliche Fertigung bis hin zu Losgröße 1 und die dezentrale Sensorik/Intelligenz, die den Werkstückträgern und Antrieben innewohnt. Auch sind der modulare Servoregler sowie die Motion-Control-Steuerung ganz Richtung Industrie 4.0 ausgerichtet. Selbst die Simulation ist vollständig auf eine spätere Anordnung und Anlage zur Systemauslegung und -optimierung vorbereitet. Schon aus der Simulation lassen sich Programmdaten generieren. Mit der OPC-UA-Schnittstelle ist eine offene Integration in Indus­trie-4.0-Host-Umgebungen möglich.

Individuell kombinierbar
Aufgrund des einfachen, modular aufgebauten mechanischen Grundsystems, das aus Linearmotoren, Grundprofil und Laufrollenband besteht, kann die kundenspezifische Konfiguration exakt auf die individuelle Anwendung abgestimmt werden. Die Steuerung von Siemens erlaubt die vollständige ­Integration von Steuerungs- und Motion-Control-Aufgaben für das Gesamtsystem und beschert dem Multi-Carrier-System noch mehr Flexibilität. Praktisch ist auch die Integration und übergabefreie Anbindung an die vorhandene Intralogistik zwischen zwangsgeführten Strecken des Multi-Carrier-Systems und frei beweglichen Strecken, die individuell kombinierbar sind. Mit der Gemeinschaftsentwicklung haben Festo und Siemens neue Facetten der Flexibilität für zukunftsorientierte Lösungen in der Produktion und Logistik eröffnet. Dies wird am Beispiel der Optima-Maschine deutlich.

Die Technik im Detail
Das Multi-Carrier-System und weitere elektrische Achsen werden in einem Sinamics-S120-Achsverband betrieben. Sämtliche technologische Freiheitsgrade einer Simotion werden verwendet, zum Beispiel das Auf- und absynchronisieren auf Kurvenscheiben. Dabei ist die freie Programmiermöglichkeit auf Basis des Engineering-Systems Simotion Scout gegeben (anwenderspezifischer Programmteil, Vereinfachung durch Standardapplikation für das Multi-Carrier-System mit „Zonenkonzept“ und Abbildung eines Carriers auf eine virtuelle Achse). Die einfache Einbindung der Grundfunktionalitäten des Systems erfolgt über eine Open-Architecture-Bibliothek (Implementierung aller Segmentübergänge, Umschaltung der Regelungsarten closed loop – open loop, Minimalkollisionsüberwachung). Zur effizienten Realisierung der Maschinenapplikation kommt der Projektgenerator „easyProject“ zum Einsatz. Durch die Verwendung von bewährter Hardware ist eine weltweite Verfügbarkeit von Komponenten und Service gewährleistet.

Sabine Gauger ist Marketing Director bei der Optima Packaging Group GmbH. sabine.gauger@optima-ger.com