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Technik - Verpackungsmaschinen

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Das Optimieren automatisierter Verarbeitungs- und Verpackungslinien erfordert fächerübergreifendes Denken und ein Gespür dafür, an welchen Stellen sich durch gezielte Veränderungen von Teilprozessen, dem Einsatz neuer Technologien und intelligenter Steuerungen oder Änderungen der Konstruktion ein Mehr an Effizienz ergeben können. Ein weiterer Aspekt ist, dass Veränderungen an einer Stelle im Prozess sich auch positiv auf die vor- und nachgeschalteten Abläufe auswirken sollen. Dabei können kleine Eingriffe große Auswirkungen haben. Wie das geht, zeigen die folgenden drei Beispiele exemplarisch.
Wirtschaftlichkeit, Prozesssicherheit und Qualität solcher Verpackungen stehen dabei im direkten Zusammenhang mit dem effizienten Erwärmen und Verformen der thermoplastischen Packmittel. 
(Fotos: VDMA)
Wirtschaftlichkeit, Prozesssicherheit und Qualität solcher Verpackungen stehen dabei im direkten Zusammenhang mit dem effizienten Erwärmen und Verformen der thermoplastischen Packmittel. (Fotos: VDMA)
 

Heizen mit Profil Das Thermoformen ist ein besonders wirtschaftliches und effektives Verfahren zur Warmformung von Folien oder Platten aus thermoplastischen Kunststoffen mittels Vakuum in einem positiven oder negativen Werkzeug. Aufgrund seiner Flexibilität hat es heute seinen festen Platz bei der Herstellung der unterschiedlichsten Verpackungsbehältnisse. Wirtschaftlichkeit, Prozesssicherheit und Qualität solcher Verpackungen stehen dabei im direkten Zusammenhang mit dem effizienten Erwärmen und Verformen der thermoplastischen Packmittel. Deshalb konzentrieren sich die Forscher am Dresdener Fraunhofer IVV im Rahmen des Projekts CeraHeat auf das Optimieren von Heizelementen für das Thermoformen.

Ihr Ziel ist das Entwickeln und Produzieren von Heizelementen, die als Universalwerkzeuge kürzere Nebenzeiten bei Formatwechseln ermöglichen und einen energetisch günstigeren, lokal definierten Wärmeeintrag in die zu verformenden Halbzeuge ermöglichen. Parallel dazu wollen sie die Wanddickenverteilung der thermogeformten Teile optimieren, da diese maßgeblich deren mechanische Stabilität beeinflusst. Dazu erzeugen die Forscher definierte Temperaturfelder im Heizelement und übertragen diese Temperaturprofile gezielt auf das Halbzeug. Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend.

Um auch in der industriellen Praxis belastbare Ergebnisse zu erzielen, haben die Wissenschaftler und Ingenieure am Fraunhofer IVV dafür eigens einen Thermoform-Demonstrator entwickelt, der Simulationen unter realitätsnahen Produktionsbedingungen ermöglicht. So erlaubt die Testanlage mehrstufiges Vorwärmen, die Integration von Strahler- und Kontaktheizelementen sowie das Formen mit oder ohne Vorstreckstempel. Das zentrale Element des Versuchsstandes ist das am IVV entwickelte und patentierte Kontaktheizverfahren zum Generieren definierter Temperaturprofile der im Impulsmodus betriebenen keramischen Dickschicht-Widerstandheizelemente.

Konventionelle Strahler-Heizelemente erzielen beispielsweise eine Energieeffizienz von etwa 30 Prozent, im Permanent-Modus betriebene Kontaktheizelemente erreichen dagegen schon bis zu 55 Prozent – und das oben genannte Kontaktheizverfahren mit gepulster Aufheizcharakteristik erzielt 80 Prozent. Das spezielle Herstellungsverfahren der Heizelemente ermöglicht den Aufbau mehrlagiger Strukturen mit einzeln ansteuerbaren Segmenten. Die intelligente Steuerung wiederum erlaubt das kontrollierte Aufheizen einzelner Sektoren dieser Heizelemente. So lassen sich definierte Temperaturprofile erzeugen und deren Energie lokal begrenzt in die Halbzeuge einbringen. Dank der kontrollierten Wanddickenverteilung lassen sich dünnere Ausgangsmaterialien verwenden. Der Wärmeeintrag über variable Temperaturprofile bringt Anwendern damit viele Vorteile: dünnere Folien, leichtere Verpackungen, kürzere Vorwärmzeiten, weniger Energie zum Aufheizen, eine erhöhte Formatflexibilität und erheblich kürzere Rüstzeiten (Universalwerkzeug). Damit ist das neue Verfahren neben der reinen Prozessoptimierung auch ein wichtiger Schritt in Sachen Umweltschutz und Nachhaltigkeit.
Rückstandsfreies Reinigen von Maschinen und Anlagen ist in der lebensmittelverarbeitenden Industrie eine Grundvoraussetzung, um die steigenden Anforderungen an Hygiene, Lebensmittelsicherheit und Produktqualität zu erfüllen.
Rückstandsfreies Reinigen von Maschinen und Anlagen ist in der lebensmittelverarbeitenden Industrie eine Grundvoraussetzung, um die steigenden Anforderungen an Hygiene, Lebensmittelsicherheit und Produktqualität zu erfüllen.
 

Effizientes Reinigen zur rechten Zeit Forschung für die Praxis ist die Leitlinie der Professur für Verarbeitungsmaschinen und Verarbeitungstechnik der TU Dresden und dem Fraunhofer IVV, Außenstelle für Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik AVV Dresden. Die Arbeitsgruppe „Hygienegerechte Produktion“ widmet sich unter anderem dem Optimieren von Reinigungsprozessen für Maschinen und Anlagen zum Verarbeiten und Verpacken von Lebensmitteln. Rückstandsfreies Reinigen von Maschinen und Anlagen ist in der lebensmittelverarbeitenden Industrie eine Grundvoraussetzung, um die steigenden Anforderungen an Hygiene, Lebensmittelsicherheit und Produktqualität zu erfüllen. Es gilt, definierte Reinigungsgrade mit geringstmöglichem Einsatz von Ressourcen (Zeit, Wasser, Energie, Reinigungs- und Desinfektionsmittel usw.) zu erzielen. Automatisiertes Reinigen nach festen Intervallen ist dabei nicht optimal, da das Erreichen eines kritischen „Verschmutzungsgrades“ nicht konstanten Mustern folgt. Intelligente Anlagen, die erkennen, wann eine Reinigung des Systems notwendig ist, bringen da mehr Sicherheit und Produktionsvorteile.

Kontinuierliche (statische) Verfahren sind in der Regel mit einem sehr hohen Verbrauch an Wasser und Reinigungszusätzen verbunden. Dynamische Reinigungssysteme mit diskontinuierlicher Strömungscharakteristik (Zielstrahl- oder Schwallreinigung) zeigen da schon ein besseres Reinigungsverhalten. Allerdings sind die Pulsationsparameter dabei noch nicht spezifisch auf die jeweilige Verschmutzung abgestimmt. Deshalb arbeiten die Dresdener Forscher mit gezielt diskontinuierlichen Strömungen, die ihnen signifikante Reinigungsvorteile gegenüber den vorgenannten Verfahren bringen. Optimieren von Reinigungsprozessen heißt aber auch Automatisieren – das System muss selbsttätig erkennen, wann eine Reinigung erforderlich ist. Dazu haben die Forscher eigens einen Test-stand entwickelt, dessen optische Reinigungssensoren kontinuierlich den Hygienezustand der Maschine erfassen und bei Erreichen eines definierten Verschmutzungsgrades den ebenfalls optisch überwachten Reinigungsprozess starten. Ist ein definierter Sauberkeitsgrad erreicht, erfolgt die Freigabe zur erneuten Produktionsaufnahme. Weiter lassen sich mit dem System bestehende Standardreinigungsprozeduren, bei denen eine Inline-Installation der Reinigungssensoren nicht gefordert ist, auf ihre Effizienz hin untersuchen und optimieren.

Die bisherigen Ergebnisse können sich sehen lassen: praktisch gleiche Reinigungsgrade mit nur 50 Prozent der sonst üblichen Reinigungsmedien. Das spart Geld und schont die Umwelt. Weitere Vorteile für Anwender sind dem wahren Bedarf angepasste Reinigungszeiten, variable statt fixe Reinigungszyklen, eine höhere Maschinennutzungszeit, ein geringerer Ressourcenverbrauch sowie geringere Kosten für Abwasser- und Schlammentsorgung.
Hygiene hat auch für Roboter oberste Priorität beim Verarbeiten und Verpacken unverpackter Lebensmittel.
Hygiene hat auch für Roboter oberste Priorität beim Verarbeiten und Verpacken unverpackter Lebensmittel.
 

Neue Hände für den Roboter Hygiene hat auch für Roboter oberste Priorität beim Verarbeiten und Verpacken unverpackter Lebensmittel. Die Arbeitsgruppe „Hygienegerechte Produktion“ am Fraunhofer IVV der Außenstelle Dresden entwickelt deshalb neuartige Elastomergreifer, die Unternehmen der Lebensmittelindustrie eine höhere Produktqualität und Produktionssicherheit sowie eine deutliche Kostenreduktion dank höherer Flexibilität bieten. Ein wichtiger Schritt zu höherer Lebensmittelsicherheit ist eine weitgehende Automation aller Verarbeitungsprozesse, um manuelle Eingriffe des Menschen als mögliche Kontaminations- und Unsicherheitsquelle auszuschließen. Hier haben sich Industrieroboter als ideale Problemlöser etabliert. Sie überzeugen durch hohe Präzision, Wiederholgenauigkeit, Geschwindigkeit und Betriebszuverlässigkeit sowie ihre außerordentliche Flexibilität. Doch um zu arbeiten, benötigen sie Software, Sensoren und vor allem flexible, den Hygienevorschriften entsprechende Greifwerkzeuge. Konventionelle mechanische Greifer sind oft nur unzureichend in der Lage, ausreichend flexibel auf die natürlichen Schwankungen hinsichtlich Form, Größe und Konsistenz der Lebensmittel zu reagieren. Bei Vakuumgreifern besteht zudem die Gefahr des Einsaugens von Flüssigkeiten beziehungsweise Fetten in das Unterdrucksystem, wodurch sich dort Nährböden für Keime bilden können. Deshalb verfolgen die Forscher des Fraunhofer IVV in Sachen Greifertechnik und Hygiene einen anderen Ansatz.

In einer Roboterzelle mit integrierter CIP-Station (Cleaning in Place) entwickeln sie alternative Greifertechnologien. So entstand der Prototyp eines universellen Hygienegreifers nach dem Prinzip des Beugefingers, die dem Roboter ein flexibleres und sensitiveres Greifen, ähnlich den Fingern einer menschlichen Hand, ermöglicht. Zudem soll der Greifer ein möglichst großes Produktspektrum von Lebensmitteln unterschiedlicher Beschaffenheit schonend fassen, bewegen und zielgenau absetzen können. Der Konstruktion liegen materialwissenschaftliche Untersuchungen hinsichtlich der Lebensmitteltauglichkeit der verwendeten Elastomere sowie die konsequente Umsetzung des „Hygienic Designs“ zugrunde. Weitere Untersuchungen widmen sich Handhabungsaufgaben, für die bisher noch keine befriedigenden Automatisierungslösungen existieren, wie beispielsweise das Wenden von Fleisch in Panade oder das Umsetzen von Teigwaren.

 

Für Sie entscheidend Anlässlich der interpack 2014 zeigt die Fraunhofer IVV Außenstelle Dresden aktuelle Ergebnisse ihrer Arbeiten in der Techniklounge des VDMA Fachverbandes Nahrungsmittelmaschinen und Verpackungsmaschinen in Halle 5, Stand J38.

Thermoformen – wirtschaftlich und effektiv Das Thermoformen ist ein besonders wirtschaftliches und effektives Verfahren zur Warmformung von Folien oder Platten aus thermoplastischen Kunststoffen mittels Vakuum in einem positiven oder negativen Werkzeug.

Effizientes Reinigen Die Arbeitsgruppe „Hygienegerechte Produktion“ widmet sich unter anderem dem Optimieren von Reinigungsprozessen für Maschinen und Anlagen zum Verarbeiten und Verpacken von Lebensmitteln.

Hygienegerechte Produktion Ein wichtiger Schritt zu höherer Lebensmittelsicherheit ist eine weitgehende Automation aller Verarbeitungsprozesse, um manuelle Eingriffe des Menschen als mögliche Kontaminations- und Unsicherheitsquelle auszuschließen.
Über die Firma
VDMA - Verband Deutscher Maschinen-und Anlagenbau e. V.
Frankfurt/Main
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