Wie Pneumatik die Energieeffizienz von Verpackungsmaschinen erhöht

Anhaltende Störungen der Lieferketten und Knappheiten an den Material- und Beschaffungsmärkten waren 2021 nach wie vor gravierende Konjunkturbremsen, welche die deutsche Produktion von Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen jedoch nicht davon abhielten, um 7 % zu steigen. Mit 14,8 Mrd. Euro erreichte der Branchenumsatz des viertgrößten Maschinenbaufachzweigs laut VDMA fast wieder das Vorkrisenniveau von 2019 mit einer Höhe von 15,3 Mrd. Euro. In den Jahren 2020/2021 konnten sich die Maschinenhersteller über eine anhaltend hohe Investitionstätigkeit im Inland freuen: Die Verkäufe stiegen um 8 % auf 384 Mio. Euro.

„Niedrige Zinsen, KFW-Fördermöglichkeiten für Prozess- und Verfahrensumstellungen, die zu Energie- und Ressourceneinsparungen führen, und Investitionen in Automatisierungslösungen haben deutliche Impulse gegeben“, kommentiert Klaus Schröter, Vorstand der VDMA-Fachabteilung Fleischverarbeitungsmaschinen, die Geschäftsentwicklung im Jahr 2021.

Im Auslandsgeschäft stach 2021 insbesondere der ohnehin wichtigste Auslandsmarkt USA durch einen Nachfrageanstieg von über 23 % hervor. Maschinen im Wert von mehr als 100 Mio. Euro gingen von Deutschland in die Vereinigten Staaten.

„In der US-amerikanischen Lebensmittelindustrie ist es sehr schwierig, qualifiziertes Bedienpersonal zu bekommen. Das zwingt die Unternehmen, in moderne Technologien und Automatisierungslösungen für die sichere und stabile Produktion zu investieren. Und die Coronapandemie hat diesen Trend noch verstärkt“, erläutert Schröter die dynamische Entwicklung im amerikanischen Markt.

Gerson Henning, Business Development Manager F & B und Packaging EMEA bei Emerson, kennt noch einen weiteren Wachstumstreiber: die Bequemlichkeit von verpackten Lebensmitteln und Getränken. „Tatsächlich wird für den US-amerikanischen Markt für verpackte Lebensmittel von 2021 bis 2028 eine jährliche Wachstumsrate von 4,1 prognostiziert. Die Automatisierung von Lebensmittelverpackungsprozessen hat den Unternehmen geholfen, mit der Nachfrage Schritt zu halten und sicherzustellen, dass die verpackten Lebensmittel für die Kunden frisch sind“, nennt Henning die Lösung, um den steigenden Bedarf decken zu können.

Nachhaltigkeit und nachhaltige Produktion gewinnen in Politik, in den Unternehmen, in der Gesellschaft und bei den Konsumenten immer mehr an Bedeutung. Im Verpackungsbereich steigt dadurch die Nachfrage nach wiederverwendbaren, recycelten oder upgecycelten Materialien und Mehrweglösungen, auf welche auch die Hersteller von Verpackungsmaschinen entsprechend reagieren müssen. „Globale Endkunden beschäftigen sich in der Tat intensiv mit der Kunststoff-Reduktion und dem Einsatz neuer Werkstoffe, etwa von Mono- und papierbasierten Materialien. Hierzu sind ausgiebige Tests und Anpassungen im Maschinenprozess seitens der Verpackungsmaschinenhersteller unabdingbar“, erklärt Jörg Dahlhoff, Strategic Market Manager Packaging bei SMC Deutschland.

Doch neben den ehrgeizigen Zielen, welche das Pariser Klimaabkommen und der European Green Deal für eine klimaneutrale Produktion setzen, müssen Verpackungsmaschinenhersteller auch auf die Herausforderungen ihrer Kunden mit entsprechenden Lösungen reagieren. Thomas Krämer, Business Development Manager bei R. Weiss, erklärt: „Konsumgüterhersteller sehen sich mit immer kürzeren Produktlebenszyklen bei einer zunehmenden Produktvielfalt durch diverse Produkt- und Formatvarianten konfrontiert. Erschwerend kommt im Handel der Kampf um die beste Produktplatzierung im Supermarktregal hinzu.“

Dass auch diesen Entwicklungen unter den Aspekten der Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung gebündelt begegnet werden kann, zeigt R. Weiss mit seinen robotergestützten Untermischungssystemen. Mithilfe derer werden verschiedene Sorten oder Geschmacksrichtungen eines Produkts hochindividuell nach einem vorgegebenen, kundenspezifischen Mischungsverhältnis konfiguriert und gruppiert in die Verkaufskartons eingebracht. Wenn die Transport- und Verkaufsverpackung durch ein sorgsames Handling im Verpackungsprozess ihren einwandfreien Zustand behält und für den Point of Sale wiederverwendet werden kann, wird zugleich ein echter Beitrag für mehr Nachhaltigkeit und weniger Ressourceneinsatz geleistet. „Die untermischten Kartons benötigen im Gegensatz zur sortenreinen Produktplatzierung weniger Platz im Verkaufsregal und bringen dadurch erhebliche Kosteneinsparpotenziale mit sich. Zum anderen ist es möglich, die eingesetzten Materialressourcen durch einen ausgeklügelten Verpackungsprozess wiederzuverwenden“, beschreibt Krämer die Benefits.

Ob Impfampullen, Süßigkeitentüten oder ganze Warenlagen – die Vielfalt in der Verpackungsbranche steigt und nimmt durch neue Gestaltungsmöglichkeiten beim Verpackungsdesign zu. Pneumatische Handhabungssysteme bringen die hierfür benötigte Flexibilität in die Verpackungsmaschinen. Die Verbreitung von pneumatischen Systemen, die in Lebensmittel- und Getränkeeinrichtungen zu finden sind, bedeutet, dass Anlagen eine erhebliche Menge an Druckluft produzieren müssen.

„In einer typischen Anlage ist die Drucklufterzeugung für 20 bis 30 Prozent der gesamten Energiekosten verantwortlich. Darüber hinaus ist ein erheblicher Teil dieser Kosten unnötig, da fast ein Drittel bis ein Viertel des industriellen Druckluftverbrauchs Abfall ist, der durch Leckagen verursacht wird“, weiß Henning. Hinzu kommt, dass die wachsende Komplexität industrieller pneumatischer Systeme zu einer komplexeren Fehleridentifikation des konkreten Teilsegments oder Bauteils führt, bei dem der Druckluftverlust auftritt.

Allerdings hat die digitale Umrüstung der Lebensmittel- und Getränkeindustrie zu einem Zustand geführt, in dem diese Umgebungen mit einer Vielzahl von Sensoren und Datenaggregationspunkten ausgestattet sind, die eine Leistungsüberwachung und Ursachenanalyse ermöglichen. Dazu Henning: „Derzeit wird diese Reise der digitalen Transformation auf ein höheres Niveau gebracht, in dem die Generierung und Aggregation von Daten nicht nur deskriptive und diagnostische Analysen ermöglicht, sondern auch die Vorhersage von Ereignissen und Ausfällen aufgrund der Anwendung intelligenter Algorithmen. Insbesondere die Einführung von überwachten und unüberwachten Algorithmen für maschinelles Lernen ist zu einem wichtigen Anwendungsgebiet in industriellen Umgebungen geworden, einschließlich der Verarbeitung und Verpackung von Lebensmitteln und Getränken.“

So kann nicht nur die Früherkennung, sondern auch die möglichst genaue Lokalisierung solcher Leckagen den Energieverbrauch um 10 bis 15 % senken. Die IIOT-Ingenieure von Emerson haben bereits ein auf maschinellem Lernen basierendes Modell entwickelt, das das Verhalten eines Pneumatiksystems vorhersagt.

„Von der Neuproduktentwicklung bis hin zur Auslieferung achten wir darauf, all unsere Produktlösungen möglichst kosteneffizient und CO₂-neutral zu entwickeln und zu fertigen“, erklärt Dahlhoff zum Thema Energieeffizienz, das im Bereich Pneumatik fest in der DNA von SMC verankert ist. So konnte SMC bereits zahlreiche Verpackungsmaschinenbauer dabei unterstützen, die Energieeffizienz in ihren Anlagen zu verbessern. Ein spezielles Energieeffizienz-Team befasst sich dafür mit der gesamten Brandbreite relevanter Themen. Die Schwerpunkte liegen dabei auf vier Bereichen: Maschinenanalyse zur Steigerung der Energieeffizienz; Bewertung der Technologien Elektrik versus Pneumatik; Messung von Druckluftverbrauch, Druckluftqualität und Leckagen; Maßnahmen zur nachhaltigen Energieeffizienz. „Wir bieten Verpackungsmaschinenherstellern zur Umsetzung ein umfangreiches Lösungsportfolio mit Fokus auf eine hohe Energieeffizienz – von Druckluftzylindern mit Rekuperation bis hin zu Vakuumejektoren mit Energiesparfunktion und vieles mehr“, führt Dahlhoff aus.

Die Energiekosten im Auge zu behalten, das gehört auch zu den Aufgaben Piab’s Vakuumerzeugungstechnologie Coax. Sie reduziert nachweislich den Energieverbrauch und ermöglicht aufgrund des hohen anfänglichen Vakuumflusses einen sicheren und schnellen Griff. Die Pumpeneinheit kann auch bei niedrigem oder schwankendem Versorgungsdruck eine hohe Leistung liefern. Zum Einsatz kommt diese Technologie beispielsweise bei der Sekundärverpackung einer Keks-Verpackungsproduktlinie von Tecno Pack. Ausgestattet mit Pi-Grip-Saugnäpfen und Pi-Compact 23 Smart-Vakuumejektoren, legen Greifer bereits in Schlauchbeutel verpackte Kekse in einen Karton – ein ideales Einsatzgebiet für den konfigurierbaren Vakuumejektor, der speziell für Roboter-Handhabungsanwendungen entwickelt wurde.

Zu den Lösungen zum Sparen von Druckluft aus dem Hause Schmalz zählt neben der Luftsparregelung der Kompaktejektoren die Eco-Düsentechnologie. Zu finden in Ejektormodulen wie der Eco-Pump SEP, dem Grundejektor SBPL oder den Kompaktejektoren SCPSI-L, ermöglicht sie mit ihrem mehrstufigen Venturi-Prinzip für hohe Volumenströme bei gleichzeitig optimiertem Energieverbrauch. Zudem lassen sich die einzelnen Komponenten am Ende des Lebenszyklus einfach trennen, um das Material bestmöglich zu recyceln. Durch die Eco-Düsentechnologie und die zusätzlich verbaute Luftsparregelung konnte Schmalz den Energieverbrauch der Vakuum-Erzeugung einer Verpackungsmaschine für Kaffeekapseln gegenüber den zuvor verwendeten Pumpen reduzieren. Durch die Installation mehrerer Vakuumkreise kann der Anwender zudem seine Anlage optimal auf die Produktmuster einstellen.