Verpackungsmaschinen

Höhere Formatflexibilität von Verpackungsmaschinen

Kundenwünsche werden zunehmend individueller und ändern sich immer schnelllebiger. Dies führt zu einer deutlichen Zunahme der Variantenvielfalt und -dynamik. Dies ist kein gänzlich neuer Trend, allerdings zeigen die Steigerungsraten der letzten Jahre die hohe Dynamik. Die Folgen sind sinkende Losgrößen, steigende Rüstaufwände für Formatwechsel, das Einbrechen der OEE (Overall Equipment Efficiency) und in Summe ein wirtschaftliches Defizit für die Betreiber von Verpackungsmaschinen. Ferner sind für neue Produkte und Verpackungen oftmals zusätzliche Formatwerkzeuge nötig und es fallen zusätzliche Investitionskosten an. Bei einem Produktmisserfolg können nicht einmal die Werkzeugkosten amortisiert werden, sodass ein erhebliches wirtschaftliches Risiko besteht. Darüber hinaus verzögert die resultierende Lieferzeit die Time-to-Market des zu verpackenden Produkts. Ein Ende des Trends zu individualisierten bis hin zu kundeninnovierten (vom Kunden selbst gestaltete Produkte) ist nicht absehbar und wird durch den wachsenden Online-Lebensmittelhandel weiter vorangetrieben.

Formatfreier Faltschachtelaufrichter. (Foto: Fraunhofer)
Formatfreier Faltschachtelaufrichter. (Foto: Fraunhofer)

Formatflexibilität im Zeitalter Industrie 4.0

In einem Zeitalter einer Industrie 4.0 werden die Konsumenten unmittelbar in die Produkt- und somit auch in die Verpackungsgestaltung eingebunden. Das wirtschaftliche Verpacken von Kleinstchargen bis hin zu kundenindividuellen Unikaten in Losgröße 1 rückt damit in den Fokus. Dies erfordert neuartige Maschinenkonzepte, welche mit der heutigen Anlagentechnik nicht vergleichbar sind. Manuelle Rüstaufwände und Stillstandszeiten, welche auch im Falle einer automatisierten Umstellung anfallen, sind wirtschaftlich nicht tragfähig und somit ungeeignet. Mittelfristig wird dieses Marktsegment wohl eher eine lukrative Nische und Gegenstand von Forschungs- und Entwicklungsprojekten bleiben. Allerdings wird die digitale Vernetzung zwischen Industrie, Handel und Endkunden dazu führen, dass aktuelle Hemmnisse egalisiert werden. Auch wenn es im Hinblick auf die Kommunikationstechnologien möglich sein könnte, werden zukünftig wohl nicht alle Produkte kundenindividuell sein. Die Losgrößen werden dennoch weiter sinken. Daher bedarf es nicht nur kurzfristig sondern auch mittel- und langfristig hoch performante Maschinen und Anlagen in der verpackenden Industrie, um die steigende Vielfalt wirtschaftlich abbilden zu können.

Auszug der Bewertungsgrößen und Maßnahmen für eine Steigerung der Formatflexibilität. (Grafik: Fraunhofer)
Auszug der Bewertungsgrößen und Maßnahmen für eine Steigerung der Formatflexibilität. (Grafik: Fraunhofer)

Bewertungskriterien der Formatflexibilität

Die Steigerung der Formatflexibilität ist ein häufig benanntes, jedoch an sich ein abstraktes, nicht direkt messbares Ziel. Die Darstellung der Bewertungskriterien kommt oftmals zu kurz. Für die Bewertung der Formatflexibilität ist die OEE eine zweckmäßige, aber nicht die alleinige Bemessungsgröße. Erst anhand einer ganzheitlichen Bewertung lässt sich eine Maschine beziehungsweise deren Teilsysteme hinsichtlich einer Formatflexibilitätssteigerung bewerten. Dies sind beispielsweise die Maschinenstillstandszeit sowie die Personalrüstzeiten und -kosten. Hierbei ist zu beachten, dass auch die Vor- und Nachbereitung erhebliche Personalkosten verursachen. Davon auszugehen, dass die Personalkosten unabhängig von Rüstaufwendungen anfallen, ist ein wirtschaftlicher Trugschluss. Ein steigender Automatisierungsgrad vermag zwar die operativen Personalkosten zu reduzieren, allerdings führt dies zu einem höheren Investitionsbedarf. Kommerziell verfügbare Automatisierungslösungen für den Formatwechsel weisen teilweise immer noch Stillstandszeiten von deutlich mehr als zehn Minuten auf, sodass das Ziel der bekannten SMED-Methode nicht erreicht wird. Die formatspezifischen Werkzeugkosten sind eine weitere Bewertungsgröße. Ferner ist die Time-to-Market für den Betreiber der Verpackungsmaschine eine wirtschaftlich schwierig quantifizierbare, aber trotzdem sehr signifikante Bewertungsgröße. Maßgeblich wird diese von der Lieferzeit der Formatwerkzeuge und der Einrichtezeit an der Verpackungsmaschine bestimmt. Neben diesen allgemeingültigen sind von Betreibern und Herstellern von Verpackungsmaschinen weitere unternehmensspezifische Kriterien zu berücksichtigen, unter anderem der Wertschöpfungsanteil. Viele technische Beispiele zeigen allerdings auf, dass eine oder sogar mehrere Bewertungskriterien vernachlässigt wurden. Diese Vernachlässigung kann erfahrungsgemäß zu einer Verlagerung aber nicht zu einer Lösung von Problemen führen.

Flexible Thermoformwerkzeuge auf Basis des Aktormatrixprinzips. (Foto: Fraunhofer)
Flexible Thermoformwerkzeuge auf Basis des Aktormatrixprinzips. (Foto: Fraunhofer)

Maßnahmen für eine Steigerung

Die Formatflexibilität kann als die Fähigkeit einer Verpackungsmaschine definiert werden, sich schnell und nur mit sehr geringem finanziellen Aufwand auf die Herstellung einer anderen Packung anzupassen. Das Rüsten ist die operative Tätigkeit, um diese Anpassung vorzunehmen und kann manuell oder automatisiert erfolgen. Grundsätzlich kann die Formatflexibilität durch drei Maßnahmen gesteigert werden. Dies ist die Optimierung des Rüstprozesses, die Verbesserung der Umrüstbarkeit oder der Einsatz von flexibleren Verfahren. Die Rüstprozessoptimierung kann maßgeblich in der Betriebsphase angewendet werden und fokussiert organisatorische Aspekte, unter anderem die Parallelisierung von manuellen Rüsttätigkeiten. Maßnahmen zur Verbesserung der Umrüstbarkeit, zum Beispiel Reduktion der Formatteile, Entwicklung von extern rüstbaren Teilsystemen können in der Betriebs- und im Rahmen der Entwicklungsphase berücksichtigt werden. Der Einsatz von flexibleren Verfahren ist maßgeblich eine Maßnahme der Maschinenplanung und -entwicklung. Diese Maßnahme besitzt ein hohes wirtschaftliches Potenzial. Heutzutage sind viele Verfahren der Verpackungstechnik unflexibel, da diese geometriegebundene Werkzeuge benötigen, zum Beispiel dauerbeheizte Siegelbrillen für das Wärmekontaktsiegeln. Der Einsatz von flexiblen Verfahren ermöglicht, manuelle und automatisierte Rüstvorgänge zu eliminieren. Im Verpackungsmaschinenbau sind flexible Verfahren häufig mit geometrieungebundenen Verfahren gleichzusetzen. Verpackungsmaschinen, welche ausschließlich flexible Verfahren beinhalten, könnten als formatfrei bezeichnet werden. Eine besondere Herausforderung ist die Flexibilisierung von Prozessen, die eine geometrische oder physische Schnittstelle zum Verarbeitungsgut aufweisen. In diesen Fällen können standardisierte und weit verbreitete Methoden zur Rüstzeitoptimierung (zum Beispiel SMED) nur bedingt einen Beitrag leisten. Im Rahmen der Forschungsarbeiten der Autoren ist daher ein Vorgehensmodell für die Entwicklung von formatflexiblen Verpackungsmaschinen entstanden. Dies beinhaltet beispielsweise ein Wirtschaftlichkeitsmodell, um in der frühen Phase des Entwicklungsprozesses ein Target-Costing für die Bestimmung des wirtschaftlichsten Formatflexibilitätsgrades durchzuführen.

Das Potenzial von flexiblen Verfahren

Das Fraunhofer IGCV aus Augsburg unterstützt in bilateralen Projekten Hersteller und Betreiber bei der Flexibilisierung ihrer Maschinen und Anlagen. Neben der Verbesserung der Umrüstbarkeit werden insbesondere flexiblere Verfahren für unterschiedliche Prozessschritte konzipiert und prototypisch umgesetzt. Die Vorteile von flexiblen Verfahren seien an dieser Stelle kurz zusammengefasst: geringe bis keine Formatwerkzeugkosten, keine Lieferzeiten für Formatwerkzeuge sowie die vollständige Eliminierung von Rüsttätigkeiten. Im Rahmen der Forschungstätigkeiten am Fraunhofer IGCV werden beispielsweise additive Fertigungsverfahren sowie das laserbasierte Fügen und Trennen erforscht. Weitere Ergebnisse unserer praxis- und anwendungsnahen Forschungsarbeiten sind beispielsweise ein formatfreier Faltschachtelaufrichter, flexible Formwerkzeuge unter anderem für thermogeformte Schalen, flexible Greifsysteme oder ein Multi-Kontur-Impulssiegelwerkzeug.

Zusammenfassend werden formatfreie Verpackungsmaschinen in einer Industrie 4.0 das Maß der Dinge sein. Das bedeutet allerdings nicht, dass heutige Maschinen mit sehr hohen Ausbringungsmengen ersetzen werden können. Somit wird der Bedarf gesehen, sowohl die heutige Maschinentechnik zu flexibleren, unter anderem durch den Einsatz von flexibleren Verfahren, als auch innovative Maschinenkonzepte für eine Industrie 4.0 zu entwickeln. Beispielsweise wird aktuell im Rahmen des Forschungsprojektes Robo-Fill 4.0 am Fraunhofer IGCV in Augsburg eine roboterbasierte und innovative Abfüll- und Verpackungsmaschine für kundeninnovierte Bier und Biermischgetränke prototypisch umgesetzt.

 

Über den Autor
Autorenbild
Autoren: Georg Götz, Lucas Kiefer und Christoph Richter, Fraunhofer-Einrichtung für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV, Augsburg

Über die Firma
Fraunhofer-Einrichtung für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV
Augsburg
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