Roboter meistern Komplexität

ROBOTER MEISTERN KOMPLEXITÄT

Robotersysteme nehmen einen immer höheren Stellenwert ein. In den Abfüll- und Verpackungsanlagen von Optima sind die zuverlässigen Helfer gut integriert. Alle Unternehmensbereiche setzen Roboter – zum Teil auch „Cobots“, also kollaborierende Roboter, – in ihren Anlagen ein. Doch Ausmaß und Verwendung unterscheiden sich stark. 

Roboter und  Verpackung? Die meisten haben da sicherlich den gängigen Palettierroboter vor Augen. Im letzten Schritt des Verpackungsprozesses sind die starken Arme fürs Stapeln von Lasten schon seit Jahrzehnten im Einsatz. Tatsächlich sind jedoch bei etlichen weiteren Prozessschritten Roboter gefragt – in der Regel deutlich filigranere und agilere Typen als beim Palettieren. Noch eine Besonderheit: In vielen Fällen erkennt man die Roboter beim Blick auf die zum Teil raumfüllenden Anlagen gängiger Verpackungslinien nicht auf den ersten Blick. Gut integriert spielen sie scheinbar eine untergeordnete Rolle. Das gilt jedoch nur optisch. Roboter sind aus der Verpackungstechnik nicht mehr wegzudenken. Sie sorgen für Flexibilität, erhöhen den Automatisierungsgrad und erlauben individuelle, perfekt auf die Kundenanforderung zugeschnittene Applikationen. Dies gilt auch in Anlagen von Optima. Schon seit geraumer Zeit entwickeln sämtliche Geschäftsbereiche spezielle Roboteranwendungen. Welche Roboterkinematiken und-systeme eingesetzt werden – und in welchem Ausmaß – hängt von den jeweiligen Applikationen ab. Diese unterscheiden sich stark – je nach abzupackendem Produkt und den verwendeten Packmitteln.

Roboter bringt Ordnung ins Durcheinander

Zum Problemlöser werden Roboter beispielsweise, wenn Produkte in zahlreichen Varianten hergestellt und die Packmittel dafür chaotisch, also ungeordnet, angeliefert werden. Dies ist im Kosmetiksektor der Fall. Flaschen und  Verschlüsse für Shampoo, Duschgel und Co. gibt es in immer neuen Formen. Optima Consumer stellte sich bereits unmittelbar nach seiner Gründung 2011 der Herausforderung und entwickelte eine erste Roboterapplikation. Ein Kamerasystem erkennt Flaschen, die als Schüttgut vorliegen; ein Hochleistungspicker sortiert sie. Bei Kosmetika und Körperpflegemitteln ist es an der  Tagesordnung, dass über 20 verschiedene Produkte auf einer Maschine abgefüllt und verpackt werden. Klaus Hahn, Leiter des Kompetenzzentrums von Optima Consumer, ordnet ein: „Hier leisten die Robotersysteme einen entscheidenden Beitrag, wenn Kunden Formatwechsel häufig durchführen müssen. Mit ihrer Hilfe sind in der höchsten Ausbaustufe vollautomatische Formatwechsel möglich.“
Ein Roboter von der Stange eignet sich dafür nicht. Klaus Hahn verweist auf die enge Zusammenarbeit mit den Roboterherstellern, die die nötigen Kinematiken kundenspezifisch anpassen. „So können wir Gewicht und Schnittstellen einsparen und spezielle Applikationen maßschneidern“, sagt Hahn. 

Fünf-Achs-Roboter
Flexible Robotik bei der Verpackung von Kosmetika: Hier übernehmen zwei Fünf-Achs-Roboter Verschlüsse aus Trays und übergeben sie an das Pick-and-Place-Modul.
Roboter bringt Ordnung ins Durcheinander

Zum Problemlöser werden Roboter beispielsweise, wenn Produkte in zahlreichen Varianten hergestellt und die Packmittel dafür chaotisch, also ungeordnet, angeliefert werden. Dies ist im Kosmetiksektor der Fall. Flaschen und  Verschlüsse für Shampoo, Duschgel und Co. gibt es in immer neuen Formen. Optima Consumer stellte sich bereits unmittelbar nach seiner Gründung 2011 der Herausforderung und entwickelte eine erste Roboterapplikation. Ein Kamerasystem erkennt Flaschen, die als Schüttgut vorliegen; ein Hochleistungspicker sortiert sie. Bei Kosmetika und Körperpflegemitteln ist es an der  Tagesordnung, dass über 20 verschiedene Produkte auf einer Maschine abgefüllt und verpackt werden. Klaus Hahn, Leiter des Kompetenzzentrums von Optima Consumer, ordnet ein: „Hier leisten die Robotersysteme einen entscheidenden Beitrag, wenn Kunden Formatwechsel häufig durchführen müssen. Mit ihrer Hilfe sind in der höchsten Ausbaustufe vollautomatische Formatwechsel möglich.“
Ein Roboter von der Stange eignet sich dafür nicht. Klaus Hahn verweist auf die enge Zusammenarbeit mit den Roboterherstellern, die die nötigen Kinematiken kundenspezifisch anpassen. „So können wir Gewicht und Schnittstellen einsparen und spezielle Applikationen maßschneidern“, sagt Hahn. 

Fünf-Achs-Roboter
Flexible Robotik bei der Verpackung von Kosmetika: Hier übernehmen zwei Fünf-Achs-Roboter Verschlüsse aus Trays und übergeben sie an das Pick-and-Place-Modul.
Wenn kein Kratzer toleriert wird

Neben der großen Formatvielfalt sind es die hohen Qualitätsansprüche, die für den Einsatz von Robotern in Consumer- Verpackungslinien sprechen – nicht nur in der Komponentenzuführung, auch im Kernprozess. Dies gilt ebenfalls bei Anwendern in Ländern, die die Zuführung aufgrund der niedrigen Lohnstruktur noch händisch abwickeln. Wo kein Kratzer toleriert wird, ist der Roboter dem Menschen überlegen. Daher hat Optima Consumer Maschinen im Programm, deren Hauptprozess ausschließlich auf dem Einsatz von Roboterkinematiken beruht. Dies gilt zudem für flexible Sortieranlagen (OPTIMA RH2-5) für Gebinde, Kappen, Sprühpumpen, etc. im Bereich Kosmetik und Chemie. Fünf-Achs-Roboter holen stehende oder liegende Produkte aus unterschiedlichen Trays. Dabei handelt es sich um moderne Delta-Picker, welche über zwei zusätzliche Bewegungen am Werkzeugträger verfügen (Drehen und Schwenken). 
Häufig nutzt Optima Consumer 3D-Druck-Bauteile, um den zahlreichen Formaten gerecht zu werden. Hahn verweist auf den Einfluss der 3D-Druck-Technik auf die Time-to-Market: „Wir können Kunden überall auf der Welt schnell mit einem neuen Formatsatz versorgen, indem wir die Engineering-Daten dafür an diese direkt oder an eine Optima Niederlassung vor Ort senden.“

3D-Druck Formatsatz
Um die Robotiksysteme schnell auf neue Formate anzupassen, nutzt Optima 3D-Druck. Neue Formatsätze können bei Bedarf am Ort des Einsatzes ausgedruckt werden.
3D-Druck Formatsatz
Um die Robotiksysteme schnell auf neue Formate anzupassen, nutzt Optima 3D-Druck. Neue Formatsätze können bei Bedarf am Ort des Einsatzes ausgedruckt werden.
Wenn kein Kratzer toleriert wird

Neben der großen Formatvielfalt sind es die hohen Qualitätsansprüche, die für den Einsatz von Robotern in Consumer- Verpackungslinien sprechen – nicht nur in der Komponentenzuführung, auch im Kernprozess. Dies gilt ebenfalls bei Anwendern in Ländern, die die Zuführung aufgrund der niedrigen Lohnstruktur noch händisch abwickeln. Wo kein Kratzer toleriert wird, ist der Roboter dem Menschen überlegen. Daher hat Optima Consumer Maschinen im Programm, deren Hauptprozess ausschließlich auf dem Einsatz von Roboterkinematiken beruht. Dies gilt zudem für flexible Sortieranlagen (OPTIMA RH2-5) für Gebinde, Kappen, Sprühpumpen, etc. im Bereich Kosmetik und Chemie. Fünf-Achs-Roboter holen stehende oder liegende Produkte aus unterschiedlichen Trays. Dabei handelt es sich um moderne Delta-Picker, welche über zwei zusätzliche Bewegungen am Werkzeugträger verfügen (Drehen und Schwenken). 
Häufig nutzt Optima Consumer 3D-Druck-Bauteile, um den zahlreichen Formaten gerecht zu werden. Hahn verweist auf den Einfluss der 3D-Druck-Technik auf die Time-to-Market: „Wir können Kunden überall auf der Welt schnell mit einem neuen Formatsatz versorgen, indem wir die Engineering-Daten dafür an diese direkt oder an eine Optima Niederlassung vor Ort senden.“

Roboter und Maschine als Einheit

Typisch für Roboteranwendungen von Optima Consumer: Roboter und Maschine werden quasi verschmolzen, was das Gesamtsystem kompakt hält. Auch die Steuerung wird integriert. Die Bewegung für den Roboter wird in der übergeordneten Maschinensteuerung generiert. Weitere Servobewegungen werden aus einem Guss in die Roboterwerkzeuge integriert, die Bewegungen mühelos mit denen der Roboterkinematik verknüpft. Mit diesem ganzheitlichen Steuerungs- und Bedienkonzept wird der Maschinenbediener zum Prozesstechniker. Er kann die Positionen und Bewegungen der verschiedenen Kinematiken über ein einheitliches HMI-Bild direkt eingeben und sich damit voll und ganz auf den jeweiligen Füll- oder Verpackungsprozess konzentrieren. Spezifische Programmierumgebungen für jeweilige Roboterlieferanten kommen in den modernen Maschinen nicht vor. 

Denest-Roboter im OPTIMA MultiUse Filler
Im OPTIMA MultiUse Filler wurden zahlreiche Robotiksysteme kombiniert. Darunter ein Denest-Roboter, der unterschiedliche Behältnisse dem Füll-und Verschließprozess zuführt.

Bei der Produktion von Kaffeekapseln sind Robotersysteme in den Autoloadern etabliert. Sie setzen vollautomatisch Kaffeekapseln aus Transportkartons in die Magazine der Abfüll- und Verschließanlagen ein. Die eingesetzten sechsachsigen Roboter rechnen sich insbesondere bei Drei- Schicht-Betrieb. Sie können zusätzlich auf einer Linearachse montiert werden, was den Arbeitsbereich verdreifacht und den Footprint der Maschine minimiert. Auch, wenn diese Tätigkeit bei einigen mittelständischen Herstellern noch Bedienpersonal händisch erledigt: Cobots (Collaborative Robots) sind hier auf dem Vormarsch. 
Ein weiteres künftiges Einsatzfeld für Cobots im Consumer-Bereich sind Prozesse in Verbindung mit der sogenannten Decoupled Production. Klaus Hahn sagt: „Die technischen Lösungen für diese Art der Logistikoptimierung existieren bereits.“ Hierbei werden beispielsweise Shampooflaschen befüllt, dann zunächst auf Lager gelegt und in einem zweiten Schritt etikettiert und verpackt. Eine Kombination aus Cobot und AGV (Automated Guided Vehicle) kann die nötigen Tätigkeiten übernehmen. 

Spezialanwendungen bei Hygieneprodukten

Eine derart hohe Bedeutung, wie sie die Robotertechnik bereits heute beim Abfüllen und Verpacken von Kosmetika, Körperpflegeprodukten, Kaffeekapseln und Co. hat, wird sie wohl bei Optima Nonwovens niemals bekommen. Vor allem bei der Primärverpackung von Windeln, Damenhygieneprodukten etc. setzt der Bereich auf mechatronische Hochleistungsanlagen. Global Account Manager Markus Urich erläutert: „Ein deutlicher Kosten-Nutzen-Vorteil durch den Einsatz von Robotern erwächst bei der Sekundär- und Tertiärverpackung, insbesondere, wenn bei der Gruppierung einzelner Produktpakete in Kartonboxen Flexibilität gefordert ist.“ Dies ist beispielsweise bei Slipeinlagen der Fall, die in diversen Verpackungsgrößen und vielfältigen Orientierungsoptionen angeboten werden. Mit mechatronischen Komponenten ist die resultierende Variantenvielfalt bei Platzierung im Versandkarton viel schwerer zu meistern als mit einem Robotiksystem. 
Kunden, die in die Primär- oder Sekundärverpackung noch kleine Geschenke wie Feuchttücher, CDs, Booklets, Kommunikationsflyer oder Prämienpunktesysteme einlegen, realisieren dies zunehmend automatisiert mit Unterstützung eines Roboters. 
In Verbindung mit dem Trend zu immer höherer Automatisierung entstehen im Nonwovens-Sektor weitere Anwendungsfelder für neue Roboterapplikationen: etwa zur Unterstützung oder vollständigen Automatisierung eines Formatwechsels. Bei den meisten Anwendern tauscht heute dabei noch ein Bediener bestimmte mechanische Komponenten aus, was in zehn bis 15 Minuten zu bewerkstelligen ist. Eine von Optima Nonwovens entwickelte Roboterlösung könnte dies vollautomatisch und damit schneller und vor allem fehlerfrei übernehmen. Die Software, gepaart mit neuesten Digitalisierungstechniken, überprüft parallel die notwendige Übereinstimmung mit der Rezeptur, dem Produkt und dem gewünschten Verpackungsmedium, um eine optimale Fertigpackung sicherstellen zu können. Urich erläutert: „Auch ein ausgezeichneter Mitarbeiter macht mal einen Fehler, der zu einem Maschinenstopp führen kann. Das ist menschlich. Unsere neuen Lösungen können Kunden bei ihrem Fail-Safe-Approach unterstützen.“ Als Fail-safe bezeichnet man den Ansatz, dass ein System im Fall eines Fehlers möglichst nicht ausfällt bzw. so wenig Schaden wie möglich entsteht.

Cobot ersetzt flexible Finger

Strategien in Richtung Digitalisierung und Hochautomatisierung setzen zudem dort an, wo heute vielfach noch Bediener Rohmaterial, wie zum Beispiel vorgefertigte Beutel, nachlegen. Wenn „flexible Finger und kognitive Fähigkeiten“ ersetzt werden sollen, es aber zur Interaktion mit Menschen kommen kann oder bewusst kommt, so Urich, liege der Einsatz eines Cobots nahe. Für diese Applikation hat Optima Nonwovens eine äußerst effiziente Lösung entwickelt, die ohne zusätzliche Sicherheitssysteme wie etwa Scanner oder Sicherheitssensorik auskommt. Die komplette Sicherheitstechnik ist im Cobot und der intelligenten Applikationsausführung verankert. Eine erste Anlage dieser Art ist bereits im Einsatz, mehrere weitere Projekte laufen derzeit. „Hier heben wir uns von unseren Marktbegleitern deutlich in puncto Sicherheit und Effizienz ab“, freut sich Urich und fügt an: „Und wir können den engen Produktionsraum optimal ohne Einschränkung für unsere Kunden ausnutzen.“

Mehrproduktanlagen für Pharmazeutika

Mit zahlreichen Roboter-unterstützten Lösungen kann Optima Pharma brillieren. Wieder gilt es, die Stärken des Roboters wie etwa Flexibilität gegenüber denen mechatronischer Systeme, insbesondere Schnelligkeit bei Standardvorgängen, abzuwägen. Projektmanager Cyrille Zimmermann betreut ein Projekt, das besonders hervorsticht: den OPTIMA MultiUse Filler. Bei ihm wurden mehrere Robotik-Typen kombiniert. Ziel war es, eine Anlage zu kreieren, die hochwertige, sehr unterschiedliche Arzneimittel (darunter hochaktive Wirkstoffe) in drei Behältnistypen und in sechs Formaten abfüllt. Dazu wurden unter anderem mehrere sechsarmige Roboter und ein Ovaltransporteur von Optima Pharma kombiniert. 
Mit einer Leistung von 100 Objekten pro Minute befindet sich die Anlage eher im unteren für Pharmaanwendungen typischen Leistungsbereich. Zimmermann betont: „Nicht Masse wird darauf produziert, sondern Qualität, und das mit maximaler Flexibilität. Da sind Roboterlösungen genau das Richtige.“ Je nach Geometrie der zu verarbeitenden Objekte und der Transportträger sind die Abläufe in der Maschine unterschiedlich.

Kombination von Ovaltransporteur und Robotik

Ein Roboter entfernt beispielsweise die sogenannte Tyvekfolie, die die zu befüllenden sterilen Behältnisse in ihrem Sammelbehälter (Tub) schützt. Die dazu nötigen feinen Bewegungen meistert er spielend. Ein sogenannter mehrachsiger Denest-Roboter übernimmt die leeren Behälter mit Vakuumsaugnäpfen und setzt sie in das Transportsystem ein. Ein weiterer Roboter reicht die Behältnisse weiter. Diverse Werkzeuge gleichen unterschiedliche Abstände der diversen Behältnistypen aus. Am Ende des Prozesses entnimmt ein weiterer Roboter die Behältnisse aus dem Ovaltransporteur und setzt sie ins Nest zurück. Aus all dem resultiert ein schlankes, gut an bestehende räumliche Bedingungen anpassbares Anlagenlayout. 
Dass derartig unterschiedliche Prozesse angesichts der Variantenvielfalt von abzufüllenden Produkten und zu befüllenden Behältnissen reibungslos funktionieren, liegt nicht zuletzt an der konsequenten Einbindung der Robotersysteme in die Steuerungsarchitektur. „Wir bekommen vom Roboterhersteller nur die Hardware“, beschreibt Zimmermann: „Jeder Roboterarm wird von unserer Software gesteuert. Dadurch können wir die Steuerung auf das Notwendige reduzieren und Bewegungen extrem fein justieren.“ Die zentrale Programmierung sorgt für hohe Effizienz und Fehlerfreiheit. Und sie erleichtert künftige Anpassungen derartiger Multiproduktanlagen. Dabei wird der Arzneimittelhersteller künftig nur einen Ansprechpartner haben: den von Optima.

Ein Cobot übernimmt das Beutelstapeln auf die Beutelauflage
Mit dem Trend zur Vollautomatisierung entstehen Einsatzfelder für Cobots, etwa das Auflegen von Beutelstapeln auf die Beutelauflage. Die äußerst effiziente Lösung von Optima Nonwovens kommt ohne zusätzliche Sicherheitssysteme wie etwa Scanner oder Sicherheitssensorik aus.
Roboter + Prozesswissen = Perfektion + Flexibilität

Bei allen Besonderheiten, die die verschiedenen Bereiche von Optima beim Einsatz von Robotern auszeichnet: eines verbindet sie. Die jeweilige Kompetenz des Bereichs in seinen Anwendungsbereichen, das tiefe Wissen um die Abläufe und die Bedürfnisse der Anwender lässt Systeme entstehen, die viel mehr als die simple Kombination von Robotik und Mechatronik ermöglichen. Insbesondere die steuerungstechnische Integration von Robotern, aber auch der zielgerichtete Einsatz von Cobots für definierte Aufgaben, ermöglichen Verpackungsprozesse, die ihresgleichen suchen.

Ovaltransporteur und Roboter aufeinander abgestimmt
Ovaltransporteur und Roboter, perfekt aufeinander abgestimmt, verhindern Leerstellen in der Magazinierung von Fertigspritzen.
Information
FÜR SIE ENTSCHEIDEND

•  Roboter im Primär- und Sekundär-Verpackungsprozess werden in allen Unternehmensbereichen von Optima in die Maschine integriert, auch steuerungstechnisch.


• Dank Robotik werden Verpackungsanlagen flexibler; zudem unterstützt sie Fall-Safe-Ansätze.


•  Bei der Abfüllung von Kosmetika und Körperpflegeprodukten sortieren Roboterungeordnet angelieferte Behältnisse etc. und führen diese zu.


•  Häufige Formatwechsel können inzwischen vollautomatisiert mit Hilfe eines Roboters vorgenommen werden.


•  Cobots, die beispielsweise im Bereich Nonwovens Rohmaterial nachlegen, kommen bei Optima ohne zusätzliche Sicherheitssysteme aus und unterstützen im Bedarfsfall die Interaktionen mit Bedienern.


•  Höchste Flexibilität bietet die Kombination aus Mechatronik und Robotik bei Multiproduktanlagen, etwa in den Bereichen Consumer und Pharma.


Dieser Bericht ist im O-COM Magazin Consumer / Nonwovens 11 | 2020 erschienen. 


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