Abfülltechnik Modulare Anlage für die präzise Abfüllung von Kosmetik

Autor / Redakteur: Werner Schäfauer / M. A. Benedikt Hofmann

Der hohe Stellflächenbedarf herkömmlicher Abfüllanlagen ist ein großer Kostenfaktor. Auch der Lärmschutz für die Mitarbeiter hat seinen Preis. Dazu kommen die geringe Flexibilität vieler Maschinen und die mangelnde Effizienz von Dosiersystemen. Ein Füllvorgang mit mehr digitaler Intelligenz soll Abhilfe schaffen.

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Während des Füllvorgangs werden die Füllnadeln je nach Produkt (Über- oder Unterspiegel) nach oben gesteuert.
Während des Füllvorgangs werden die Füllnadeln je nach Produkt (Über- oder Unterspiegel) nach oben gesteuert.
(Bild: Schubert)

Die Ursache des extremen Geräuschpegels liegt im Fördersystem der zu füllenden Behälter. Es beruht in der hier beschriebenen Ausgangslage auf Pucks, also Trägern aus Kunststoff. Beim Aufstauen schlagen die Träger gegeneinander und das erzeugt ein tönendes „Klack-Klack“ als permanenten Klangteppich. Für einen durchschnittlichen Leistungsbereich müssen mehrere Hundert Pucks zirkulieren. Das notwendige Kreislaufsystem nimmt in erheblichem Maße Stellfläche ein. Dieser Flächenverbrauch wird noch gesteigert, wenn die Anlage einzelne Prozessschritte mit Staubändern und Eintaktvorrichtungen verbindet. Bei vielen Abfüllanlagen für Kosmetik ist dieser hohe Platzbedarf in der Praxis zu beobachten. Ein weiterer Aspekt kommt hinzu. Das Fördersystem mit Pucks und Schnittstellen mit mechanischen Vorrichtungen führen zu einem Mangel an Flexibilität. Staubänder und Eintaktvorrichtungen lassen sich je nach Mechanik mal schneller, mal weniger schnell umstellen. Auf jeden Fall braucht ihre Synchronisation Aufmerksamkeit, sonst hakt es beim Wiederanfahren. Je nach Produkt und Wettbewerbssituation reicht eine solche Abfüllanlage aus, um einen positiven Ertrag zu erwirtschaften.

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Volumetrisch Dosieren: Fehlerquellen

Der Anteil der Hersteller, die mit diesem Standard für ihr Portfolio keine ausreichende Produktivität erreichen, wächst jedoch ebenso wie ihr Handlungsdruck. Eine ungenügende Produktivität hat die Tendenz, mit der Zeit noch unrentabler zu werden, weil der Markt nach Flexibilität hungert und die Kosten drücken. Dasselbe gilt bei der Dosiermethode. Für viele Anlagen im mittleren und hohen Leistungsbereich ist das volumetrische Verfahren der Standard. Die Technik ist in der Anschaffung günstig. Der Hersteller nimmt jedoch in Kauf, dass der erreichbaren Genauigkeit Grenzen gesetzt sind. Die Unschärfe beim Dosieren hängt grundlegend mit der Messmethode zusammen. Das volumetrische Verfahren bestimmt die abgefüllte Menge über eine Volumenmessung. Kommt es zu Verwirbelungen oder Bläschen in der Flüssigkeit, täuscht das Volumen dieser Lufteinschlüsse eine größere Flüssigkeitsmenge vor, als tatsächlich vorhanden ist. Die Dosierung wird ungenau. Industrielle Abfüllanlagen arbeiten mit selbstansaugenden Hubkolben, die Flüssigkeit in den Hubraum ziehen und sie im Verdrängerprinzip wieder ausstoßen. Kolbenhub und Zylinderdurchmesser bestimmen das Abfüllvolumen. Lufteinschlüsse lassen sich dabei nicht ausschließen. Da bei mehrköpfigen Dosiersystemen die einzelnen Kolben gemeinsam angesteuert werden, ist eine Regelung der Dosiermenge einer einzelnen Füllstation in der Regel nicht möglich oder nur sehr aufwendig einstellbar. Um die gesetzlich vorgeschriebene Toleranz bei der Füllmenge einzuhalten, muss der Hersteller folglich mit einer Produktzugabe arbeiten. Dieser Verlust schlägt besonders zu Buche, wenn es sich um hochwertige Kosmetik handelt.

Je nach Produkt und Reinigungsvorschriften rauben die herkömmlichen Füllsysteme (Kolben-Dosier-System) viel Zeit. Teilweise müssen diese zur Reinigung nahezu komplett demontiert werden. Die Anlageneffizienz sinkt hierdurch erheblich, da die Abfüllanlage zu lange steht, anstatt zu füllen. Die Flüssigkeitsmenge sollte also nach ihrem Gewicht und nicht nach Volumen gemessen werden. Dieses bekannte Verfahren nennt sich gravimetrisches Dosiersystem. Damit steht der Anforderungskatalog an eine Anlage mit höherer Effizienz und Produktivität für das Abfüllen von Kosmetik:

  • Gravimetrisches Dosiersystem;
  • Kompakte Anlage;
  • Fördereinrichtung ohne Pucks;
  • Umfassende Flexibilität bei den Behältern (Größe, Formen);
  • Schnelle Formatumstellung und
    Reinigung;

Die Gerhard Schubert GmbH (Crailsheim) hat eine solche Abfüllanlage entwickelt und in den Markt eingeführt. Wobei es sich eigentlich nicht um eine einzelne Abfüllanlage oder diverse Varianten handelt. Das Unternehmen baut robotergestützte Verpackungsanlagen nach dem Baukastenprinzip aus sieben standardisierten Systemkomponenten. Das heißt, Schubert kann den Zuschnitt und den Leistungsumfang einer Abfüllanlage individuell bestimmen. Nach dem Vorgang des „Top Loading“ nennt Schubert diese Anlagen TLM (Top Loading Machine)-Verpackungsanlagen.

Alle Funktionen unter einem Dach

Die modulare TLM-Abfüllanlage setzt sich aus beliebig vielen Teilmaschinen zusammen. Je nach geforderter Kapazität wird sie mit einem oder mehreren Füllaggregaten ausgestattet. Auf Wunsch integriert die TLM-Abfüllanlage alle Verpackungsschritte des Kunden bis zur Palette. Mögliche Funktionen sind zum Beispiel:

  • Vereinzelung und Zuführung der
    Behälter;
  • Vereinzeln und Zuführen aller notwendigen Verschlusselemente;
  • Füllen der Gebinde;
  • Etikettieren/Kennzeichnen;
  • Kartonieren;
  • Palettieren;

Teil jeder TLM-Anlage sind die Transmodule, schienenbasierte Transportroboter mit eigener Intelligenz. In der TLM-Abfüllanlage macht diese Systemkomponente nicht nur die Fördereinrichtung mit Pucks überflüssig. Der Transportroboter ermöglicht auch das gravimetrische Füllen, wie die folgende Beschreibung zeigt.

Um die Funktion der TLM-Abfülltechnologie darzustellen, dient eine Anlage als Beispiel, die im aktuellen Format das Produkt in eine Flasche abfüllt. Als Verschlusselemente sind ein Stopfen und ein Deckel aufzubringen. Die Behältnisse werden von einem Bunker mehrbahnig auf ein breites Produktband befördert. Wenn die vereinzelten Flaschen die nächste Station erreichen, erfassen Scanner ihre Position und Drehlage. Vierachsige TLM-F4-Roboter nehmen die Flaschen auf und stellen sie auf bereitstehende Transmodule ab. Die Transmodule tragen Formatplatten mit entsprechenden Fächern. Hat ein Transmodul die vorgesehene Anzahl an Flaschen erreicht, fährt es ab und schließt sich einem Verbund der Transportroboter an. Dieser Verbund bewegt sich kontinuierlich durch die nächsten Teilmaschinen, wo weitere Roboter die Formatplatten mit der korrespondierenden Anzahl Stopfen und Deckel bestücken.

Gravimetrisch abfüllen

In der Füllstation befindet sich über dem Maschinengestell ein Behälter mit dem jeweiligen Produkt. Ein TLM-F2-Roboter trägt ein Werkzeug mit Füllnadeln, die über Schläuche an den Behälter angeschlossen sind. Sobald ein Transmodul die vorgesehene Position unter dem Roboter erreicht, startet der Füllvorgang. Für das gravimetrische Dosieren muss das Füllgewicht der Flaschen gemessen und überwacht werden. Dazu heben Wägewinkel, das heißt Stellmotoren mit Wägezelle, jede einzelne Flasche auf dem Transmodul samt Behälter an. Die Flaschen werden zunächst tariert. Produktionsbedingte Unterschiede im Gewicht der Behälter spielen damit keine Rolle mehr. Zum Start des Füllvorgangs senkt der TLM-F2-Roboter die Füllnadeln in die Flaschen ab. Die Ventile öffnen sich, und unterstützt durch Druck im Behälter fließt Produkt in die Flaschen. Gleichzeitig zieht der Roboter die Füllnadeln mit steigendem Pegel zurück. Durch den Einsatz der Robotertechnologie können sowohl Überspiegel- oder Unterspiegelfüllungen durchgeführt werden. Gegen Ende wird der Füllvorgang verlangsamt, um die Feindosierung vorzunehmen. Hierbei sind kleine Stellmotoren stufenlos regulierbar und können somit optimal auf das jeweilige Füllgut programmiert werden. Durch diese Technik kann eine große Vielfalt von unterschiedlichsten Medien mit nur einer Füllnadel dosiert werden. Jede Füllstelle wird einzeln reguliert: Hat die Flasche das gewünschte Füllgewicht erreicht, schließt das zugehörige Ventil.

Winkelgenauer Verschluss

Nach Ende des Füllvorgangs fährt das Transmodul in die nächste Teilmaschine vor, wo das Aufsetzen der Verschlusselemente erfolgt. Ein TLM-F2-Roboter setzt zuerst die Stopfen auf. Ein weiterer TLM-F2-Roboter dreht die Verschlussdeckel auf. Schubert kann das Drehmoment frei programmieren und einen winkelgenauen Verschluss sicherstellen. Für die anspruchsvollen Verpackungen hochwertiger Kosmetik zählt diese Möglichkeit zu den Qualitätsmerkmalen der Anlage. Wenn ein Roboter die verschlossenen Flaschen zum Beispiel für das Kartonieren entnommen hat, fährt das entleerte Transmodul an das Ende des Schienenstrangs vor. Dort befindet sich eine Wendeeinheit, die sich mit dem Transmodul um 180° dreht, sodass der Transportroboter hängend an das andere Ende der Schiene zurückfahren kann.

Eine TLM-Abfüllanlage benötigt also weder Pucks noch ein raumgreifendes Fördersystem. Der Füllvorgang kommt ohne Staubänder und Eintaktvorrichtungen aus. Alle Funktionen finden auf dem Transportroboter statt. Wie gesehen, haben die Flaschen das Transmodul bis zum Kartonieren nicht verlassen, seit sie der Vierachsroboter darauf abgestellt hat. Der Einsatz des patentierten Transmoduls macht die Anlage kompakt. Die Platzersparnis im Vergleich zu herkömmlichen Abfüllanlagen liegt bei insgesamt rund 50 %. Die TLM-Anlage bietet ein automatisches Clean-in-Place (CIP)-Programm. Für die Reinigung der Anlage und beim Wechsel des Produkts müssen die Aggregate nicht ausgebaut und zerlegt werden. Der TLM-F2 senkt die Füllnadeln in Reinigungswannen. Anhaftungen lassen sich so einfach entfernen. Für das komplette CIP-Programm setzt eine Sprühkugel im Behälter eine Reinigungsflüssigkeit frei. Bei geöffneten Ventilen durchspült der Reiniger bzw. das Wasser auf diese Weise alle Bestandteile des Füllaggregats.

Der Hersteller kann die Anlage mit dem CIP-Programm je nach Füllgut in circa 30 min. auf ein neues Füllgut umstellen. Wie sieht es mit der Flexibilität bei den Behältern aus? Hier bewährt sich das Prinzip des Firmengründers Gerhard Schubert, das die TLM-Technologie bis ins Detail umsetzt: „Kombiniere intelligente Software und reduzierte Mechanik für maximale Flexibilität.“ Einzelne Funktionen laufen ohne oder mit einem Minimum an mechanischem Lösungsanteil ab. Wo an herkömmlichen Anlagen schon die ersten Schrauben justiert werden müssen, genügt bei Schubert eine andere Programmwahl am Bedienterminal.

Attraktive Möglichkeiten für die Formatvielfalt

Die eigentlichen Formatteile beschränken sich bei einer TLM-Abfüllanlage auf die Roboterwerkzeuge und die Formatplatten der Transmodule. Das eröffnet attraktive Möglichkeiten für die Formatvielfalt. Ob die Flasche rund, eckig, asymmetrisch oder oval ist, 100 ml oder 1000 ml fasst – durch den klugen Einsatz der Robotertechnologie spielt dies keine Rolle. Schubert bietet Lösungen für Kopfsteherflaschen (Tottle) und kann eine Anlage sowohl für Glas als auch für Kunststoff einrichten. Dünnflüssige Produkte wie Gesichtswasser füllt eine TLM-Anlage ebenso ab wie Shampoos, hochviskoses Waschgel oder fetthaltige Cremes. Der Hersteller kann also mit einer einzigen TLM-Anlage unterschied­lichste Produkte abfüllen. In jedem Programm mit einer Anlageneffizienz über 95 %, sodass sich diese Flexibilität schnell rechnet.

Überfüllung senken, Kosten sparen

Der Dosiervorgang wurde bereits beschrieben, hier folgen zum Abschluss die Leistungsdaten. Schubert erreicht mit dem gravimetrischen Dosieren für Kosmetik über alle Füllstellen hinweg eine Füllgenauigkeit unter 0,2 %. Die Füllleistung pro Minute hängt von der Ausstattung der Anlage ab. Ein großer deutscher Kosmetikhersteller hat Ende 2013 eine TLM-Abfüllanlage mit acht Teilmaschinen in Betrieb genommen. Zwei Füllaggregate verarbeiten in diesem Fall bis zu 120 Flaschen pro Minute. Bei extrem dickflüssiger Kosmetik sind es 100 Flaschen pro Minute. Die Füllgenauigkeit für die verschiedenen Kosmetika des Markenartiklers liegt zwischen 0,05 und 0,15 %. Dieser Kunde hat noch weitere Daten erhoben: Im Vergleich mit der bisherigen Lösung verkürzt die TLM-Anlage die Reinigungszeiten um circa 30 %. Das Unternehmen reduziert den jährlichen Verbrauch an Reinigungsflüssigkeit um etwa 800 kg und den Wasserbedarf um 150.000 Liter.

* Werner Schäfauer ist bei der Gerhard Schubert GmbH in 74564 Crailsheim im Verkauf tätig; Tel. (079 51) 4 00-0, w.schaefauer@gerhard-schubert.de

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