Verpackungsmaschinen, die sich selbst anpassen

Der globale Markt für Konsumgüterverpackungen (Consumer Packaged Goods, CPG) wächst kontinuierlich. Dementsprechend weisen auch Maschinen zur Verpackung von Konsumgütern mittlerweile ein Marktvolumen von mehr als 55 Mrd. US-Dollar auf. Den größten Anteil haben dabei Nahrungsmittel mit 35 % und Getränke mit 28 %, gefolgt von Arzneimitteln mit zwölf % sowie Kosmetik und Pflege mit sieben %. Auch wenn die einzelnen Branchen unterschiedliche Anforderungen an Hygiene, Aseptik oder Serialisierung stellen, ähneln sich die verpackungstechnischen Herausforderungen grundsätzlich.

Gleichzeitig erfordern ein verändertes Konsumverhalten, der zunehmende Omnichannel-Vertrieb und E-Commerce-Strategien mehr Individualisierung. Anstelle großer Chargen prägen heute schwankende Auftragsgrößen, saisonale Editionen und personalisierte Produkte den Alltag im Konsumgütermarkt. Die geforderte Variantenvielfalt führt bei konventionellen Maschinen zu Effizienzverlusten, da jeder Formatwechsel zeitaufwendige mechanische Rüstvorgänge und entsprechende Anlagenstillstände verursacht. Um Kosten zu senken, bedarf es einer Gesamtanlageneffektivität (OEE) von 80 bis 90 % bei möglichst geringen Gesamtbetriebskosten (TCO).

Zusätzlicher Druck entsteht durch den Fachkräftemangel, da qualifiziertes Bedienpersonal für komplexe Produktionsprozesse fehlt. Gleichzeitig erfordern teure Produktionsflächen kompakte Maschinen mit geringem Platzbedarf bei gleichem Durchsatz. Hinzu kommen strenge Umwelt- und Compliance-Vorgaben: So müssen Verpackungen zunehmend nachhaltig gestaltet sein und eine lückenlose Rückverfolgbarkeit gewährleisten. Zudem müssen Maschinen hohe Anforderungen an die Cybersicherheit erfüllen.

Von der starren Kinematik zu adaptiven Systemen

Um diese Hürden zu überwinden, bedarf es eines Paradigmenwechsels in der Verpackungsautomation. In der traditionellen Fertigung war es üblich, dass sich das Produkt an die vorgegebene Mechanik anpassen musste. Moderne, adaptive Verpackungssysteme wie die Lösungen der Machine Automation Division (B&R) von ABB kehren dieses Prinzip um: Hier orientiert sich die Maschine dynamisch an den Anforderungen des Produkts und der Applikation. Als technologisches Fundament dient ein mechatronisches Automatisierungsökosystem. Anstatt für Steuerung, Antriebstechnik, Sicherheit, Robotik und Fördertechnik isolierte Systeme miteinander zu koppeln, setzt das Konzept auf eine durchgängige Software- und Engineering-Plattform, die Schnittstellenverluste vermeidet.

Ein wichtiges Element bildet dabei die Dezentralisierung der Antriebstechnik. Dank direkt am Motor integrierter Leistungselektronik entfallen voluminöse Schaltschränke, was den Platzbedarf deutlich reduziert. Noch einen Schritt weiter gehen mechatronische Transportsysteme. Hierbei wird das Produkt auf einem Werkstückträger, dem sogenannten Shuttle, elektromagnetisch angetrieben. Dies ermöglicht eine unabhängige Positionierung und Bewegung während des Prozesses. Dadurch lässt sich der Produktstrom individuell steuern und synchronisieren. Formatwechsel erfolgen dabei ausschließlich per Software im laufenden Betrieb, was Aufwand und Zeit spart. Darüber hinaus ist es sinnvoll, Antriebstechnik, Robotik sowie Transport- und Planarmotortechnologie in den Regelkreis der Steuerung einzubinden und diese im Mikrosekundenbereich zu synchronisieren. Abweichungen werden nahezu verzögerungsfrei übermittelt, sodass Korrekturen oder das Ausschleusen fehlerhafter Teile mit hoher Geschwindigkeit möglich sind.

Ein weitverbreitetes Problem in der Verpackungsautomation ist das Oversizing, also die Überdimensionierung von Hardwarekapazitäten. Um dies zu vermeiden, setzt der adaptive Ansatz konsequent auf Simulation und Co-Creation. Mithilfe digitaler Zwillinge werden Bewegungsabläufe virtuell getestet und Komponenten bedarfsgerecht ausgelegt, was Energie spart und Entwicklungszeiten verkürzt.

So profitieren Maschinenbauer und Anlagenbetreiber

Das Zusammenspiel aus Mechatronik, integrierter Software und modularer Hardware bei automatisierten Verpackungsprozessen bietet Anwendern aus der Konsumgüterbranche verschiedene Vorteile: Durch die shuttlebasierte Produktführung lassen sich bislang starr hintereinandergeschaltete Förderbänder kompakter anordnen, was die benötigte Grundfläche der einzelnen Maschinen deutlich reduziert. Auf diese Weise lassen sich in der Praxis Maschinenlängen um bis zu 70 % verkürzen, während der Ausstoß auf gleicher Fläche deutlich gesteigert werden kann. Zudem profitieren Unternehmen von einer hohen Flexibilität bis hin zu Losgröße eins. Da sich die Bewegungsprofile der Werkstückträger per Software anpassen lassen, können unterschiedliche Produktgrößen und Verpackungsarten ohne Stillstandzeiten verarbeitet werden.

Hinzu kommt eine höhere Gesamtanlageneffektivität, während die Gesamtbetriebskosten (TCO) gleichzeitig sinken können. Durch den Wegfall manueller Umrüststopps lassen sich die Anlagen effizienter nutzen. Die präzise, auf Simulationsdaten basierende Komponentenauslegung trägt zudem dazu bei, den Energieverbrauch zu reduzieren und die Lebensdauer der Mechanik zu verlängern. Nicht zuletzt stellt die integrierte Datenerfassung sicher, dass Prozessparameter lückenlos dokumentiert werden. Diese Transparenz und Auditsicherheit sind in stark regulierten Branchen wie der Pharma-, Lebensmittel- oder Getränkeindustrie wichtig, um die Einhaltung von Compliance-Anforderungen nachzuweisen.

Auf dem Weg zur autonomen Verpackungsmaschine

Die Verpackungsautomation entwickelt sich zunehmend in Richtung autonom agierender Maschinen, bei denen der Materialfluss vom Rohstoff bis zum palettierten Gebinde nahezu ohne manuelle Eingriffe abläuft. Künstliche Intelligenz (KI) übernimmt in diesem Szenario eine Schlüsselrolle. Moderne Steuerungssysteme verfügen über KI-Algorithmen, die im laufenden Betrieb Schwingungen, Temperaturen und Reibungswerte analysieren. Verändern sich etwa im Sommer die Reibungsbedingungen an den Bändern, passt das System die Regelparameter selbstständig an. Zudem ermöglicht die Überwachung eine vorausschauende Instandhaltung (Predictive Maintenance). Dabei werden Verschleißerscheinungen oder mögliche Probleme erkannt und gemeldet, bevor ein Ausfall die Maschine zum Stillstand bringt.

Adaptive Verpackungslösungen als Standard der Zukunft

Hersteller und Betreiber komplexer Verpackungslinien im Konsumgütersegment müssen ihre Prozesse zunehmend intelligent automatisieren, um den künftigen Herausforderungen gerecht zu werden. Ein vielversprechendes Konzept hierfür ist der adaptive Ansatz, der eine flexible und dynamische Anpassung der Verpackungsmaschine an die Anforderungen spezifischer Produkte und Applikationen vorsieht. Damit lässt sich die zunehmende Variantenvielfalt bis hin zu Losgröße eins beherrschen. Unternehmen im CPG-Umfeld profitieren dadurch von einer flexiblen Automatisierungslösung, bei der sich die Verpackungsanlage vom starren Werkzeug zu einem intelligenten, sich kontinuierlich anpassenden Bestandteil der digitalen Wertschöpfungskette entwickelt.

„Wir sind schwäbisch zufrieden“

Uhlmann-Group-CEO Prof. Dr.-Ing. Matthias Niemeyer erklärt im Interview, warum die Gruppe trotz Branchenflaute wächst, welche Rolle KI, Nachhaltigkeit und Service spielen, was ihn an chinesischen Maschinenbauern beeindruckt – und weshalb Bürokratie aktuell zu den größten Herausforderungen zählt.

Philip Bittermann