Automatisierung Verpackungsprozesse mit Robotern wirtschaftlich automatisieren

Hohe Anforderungen hinsichtlich Flexibilität und Geschwindigkeit werden an Roboter in der Verpackungstechnik gestellt. Doch selbst das Binden einer Schleife um eine Pralinenschachtel ist möglich - und dafür benötigt der Roboter nicht mal ein Bildverarbeitungssystem.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Die Verpackung eines Produkts hat mehrere Funktionen. Zum einen soll sie dem Kunden bereits beim ersten Blick Kaufanreize geben. Zum anderen dient sie dem Schutz des Produktes und dem einfachen Transport sowie einer platzsparenden Lagerung. Die Verpackung und somit der Verpackungsprozess spielt daher immer häufiger eine wichtige Rolle.

Industrieroboter haben sich bereits in einer Vielzahl von Anwendungen etabliert, und auch in der Verpackungstechnik können sie ein sehr leistungsstarkes Hilfsmittel sein. Wenn der Verpackungsprozess jedoch hohe Anforderungen an Flexibilität und Geschwindigkeit aufweist oder wenn dieser komplexe Handhabungsvorgänge beinhaltet, kommt es auf ein gelungenes Gesamtkonzept an.

Bei solchen Aufgaben kann das unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten beste Konzept jedoch nicht theoretisch bestimmt werden. Nur entsprechende Voruntersuchungen können sinnvolle Ergebnisse zur Bewertung der Machbarkeit liefern.

An Hand von zwei Beispielen soll gezeigt werden, wie Robotersysteme sinnvoll im Verpackungsprozess eingesetzt werden können und wie im Rahmen von Voruntersuchungen die Machbarkeit eines Konzepts nachgewiesen werden kann.

Machbarkeitsstudie zum Einschnüren mit Robotern

Um ansprechend auszusehen, werden Pralinenschachteln einiger Hersteller zusätzlich mit einem Band eingeschnürt und anschließend mit einer Schleife versehen. So schön diese Schleifen auf Verpackungen aussehen, so schwierig ist das Einschnüren und Schleifebinden im industriellen Verpackungsprozess zu bewerkstelligen. Die Abteilung Robotersysteme des Fraunhofer IPA in Stuttgart hat daher für einen Pralinenhersteller eine Machbarkeitsstudie zum automatischen Einschnüren von Pralinenschachteln mit anschließendem Schleifebinden durchgeführt.

Das Schleifebinden ist – unter Handhabungsgesichtspunkten – selbst für den Menschen eine nicht ganz einfache Aufgabe, so dass beide Hände verwendet werden müssen (Bild 1). Ein Industrieroboter hat lediglich eine Hand mit zwei Fingern oder Greiferbacken. Die Verwendung eines zweiten Roboters mit Greifer würde nicht nur die Kosten in die Höhe treiben, sondern auch zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen voraussetzen, um eine Kollision beider Roboter zu vermeiden.

Roboter ohne Bildverarbeitungssystem

Zudem hat der Mensch noch einen weiteren Vorteil: Durch seine Augen sieht er jederzeit das Band und weiß dadurch, wo dieses gegriffen werden muss und wie die beiden Bandenden miteinander verknotet werden müssen. Mit Hilfe von Bildverarbeitungssystemen können auch Industrieroboter Objekte erkennen und lokalisieren.

Solche Systeme sind jedoch meist kosten- und zeitintensiv. Eine Anforderung an die Roboterlösung war daher, auf Bildverarbeitungssysteme zu verzichten.

Der Roboter muss also blind und einhändig Pakete einschnüren und anschließend eine Schleife binden. Das menschliche Verfahren ist somit nicht zum automatisierten Schleifebinden geeignet. Daher musste ein neues Verfahren entwickelt werden.

Herzstück dieses bereits patentierten Verfahrens ist eine spezielle Plattform, auf der das Band nach einem bestimmten Muster um Bolzen herumgeführt wird (Bild 2). Anschließend wird die Schachtel auf dieser Plattform positioniert und fertig eingeschnürt.

Roboter muss Verpackung nicht drehen oder wenden

Bei diesem Verfahren muss die Schachtel nicht gedreht und gewendet werden, dadurch kann Zeit eingespart werden. Anschließend folgt das Binden der Schleife.

In einer vorgegebenen Reihenfolge übergibt der Robotergreifer die Bandenden an Hilfsgreifer, die über Linearachsen translatorisch bewegt werden können. Sobald alle Hilfsgreifer das Band gegriffen haben, ziehen sie dieses zu einer Schleife.

Entsprechend diesem Verfahren wurde eine Roboterzelle aufgebaut und programmiert. Wichtig bei einer Machbarkeitsstudie ist dabei, eine solche Zelle mit möglichst einfachen und vorhandenen Mitteln aufzubauen und sich auf die kritischen Teilsysteme zu beschränken. In dieser Zelle wird beispielsweise die Zuführung von Schachtel und Schnur manuell erledigt, das Einschnüren und das Schleifebinden erfolgen automatisch.

Machbarkeit der Verpackungsautomatisierung in Versuchen nachgewiesen

In mehreren Versuchsreihen wurde mit Hilfe dieser Zelle die Machbarkeit der Automatisierungsaufgabe nachgewiesen und die Taktzeit des Systems ermittelt. Auf Basis des geforderten Durchsatzes und der Taktzeit, in diesem Fall 25 s, konnte die Anzahl der benötigten Zellen berechnet werden. Dies und eine Abschätzung der Kosten je Zelle waren eine wichtige Basis zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit.

Das zweite Beispiel zum Einsatz von Robotern in der Verpackungstechnik ist eine klassische Pick-&-Place-Aufgabe. Allerdings stellten die geforderte Geschwindigkeit und die geforderte Flexibilität eine besondere Herausforderung dar.

Ziel war es, eine Anlage zu entwickeln, die Schweißelektroden in Kartons verpackt. Die Elektroden werden dabei mit Hilfe eines Förderbands aus einem Ofen heraustransportiert und der Verpackungsmaschine zugeführt.

Verpackungssystem mit kurzer Taktzeit

Die bereits vorhandene Maschine beruhte dabei auf einem Schüttprinzip. Neben der Zuverlässigkeit dieser Anlage, insbesondere in Bezug auf Störungen und auf nicht korrektes Abzählen der Elektroden, sollte auch das Verpackungsergebnis deutlich verbessert werden.

Bild 3 zeigt einen durch Schütten mit Elektroden gefüllten Karton. Die Elektroden liegen insbesondere in den oberen Lagen mehr oder weniger chaotisch. Der Karton ist somit nicht optimal gefüllt.

Darüber hinaus stellte die geforderte Geschwindigkeit des Verpackungsprozesses eine besondere Herausforderung dar. Die Geschwindigkeit des vorgelagerten Ofens lag bei über 1000 Elektroden pro Minute. Der Takt des Verpackungssystems musste entsprechend schnell sein.

Lagergreifer zum schnellen Verpacken von Elektroden

Bei einem Einzelgriff liegt die Taktzeit theoretisch bei deutlich unter 0,1 s. Bei einem Mehrfachgriff hingegen hängt der Takt von der Anzahl der Elektroden pro Lage ab.

Zunächst wurden daher unterschiedliche Konzeptvarianten entwickelt. Dabei stellte sich heraus, dass im Wesentlichen zwei Varianten geeignet waren: ein Lagengreifer auf magnetischer Basis und ein Lagengreifer auf Basis der Vakuumtechnik (Bild 4).

Um dies zu untersuchen, wurde ebenfalls eine Machbarkeitsstudie durchgeführt. Dazu wurden zunächst die konzipierten Greifsysteme realisiert. Bei beiden Greifern kam dabei die Rapid-Prototyping-Technik zum Einsatz.

Der Vakuumgreifer besteht dabei aus einer profilierten Unterseite, die genau den Radien der Elektroden entspricht. Der Kern dieses Greifers besteht aus einem Hohlraum, der evakuiert werden kann, um die Elektroden zu greifen. Der Magnetgreifer besteht aus einem Zylinder, durch den mehrere Magnetelemente gehoben oder gesenkt werden können, sowie aus zwei Profilleisten zur Fixierung der Elektroden im Greifer.

Magnet- und Vakuumgreifer wurden getestet

Beide Greifer haben den Vorteil sehr geringer Herstellungskosten. Darüber hinaus kann insbesondere der Magnetgreifer auch noch in seiner Flexibilität deutlich gesteigert werden.

Sollen beispielsweise in jede gerade Lage des Kartons n Elektroden und in jede ungerade n-1 Elektroden, so kann dies durch drehbar gelagerte und mit unterschiedlichen Profilen versehene Profilplatten erreicht werden. Beide Greifer können durch einfaches Austauschen der Profilplatten auf unterschiedliche Elektrodengrößen umgerüstet werden.

Im Rahmen von mehreren Versuchsreihen konnte die praktische Machbarkeit nachgewiesen werden (Bild 5). Darüber hinaus konnte ermittelt werden, dass die Zeiten zum Greifen und Lösen der Elektroden beim Magnetgreifer deutlich geringer waren als beim Vakuumgreifer. Die ermittelte Gesamtzykluszeit, die in diesem Fall deutlich unter 2 s lag, wurde dann wie im ersten Beispiel zur Durchführung der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung herangezogen.

Roboter übertreffen klassische Automatisierung auch beim Verpacken

Die beiden Beispiele zeigen zum einen, dass Roboter sinnvoll in der Verpackungstechnik eingesetzt werden können. Sie lassen sich für Aufgaben einsetzen, die für klassische Automatisierungssysteme nahezu unmöglich sind, wie das Binden einer Schleife. Darüber hinaus sind sie sehr schnell und flexibel.

Das Fraunhofer IPA hat sich auf die Entwicklung von Verpackungssystemen spezialisiert, bei denen entweder die Handhabungsaufgaben sehr komplex sind oder bei denen Geschwindigkeit und Flexibilität eine herausragende Rolle spielen. Bei solchen Applikationen ist dann sowohl die technische als auch die wirtschaftliche Machbarkeit nicht von vornherein gewiss. Es kommt es auf ein gelungenes Konzept an. Dieses sollte unabhängig von Herstellern bestimmter Komponenten wie Roboter oder Greifer und auf Basis bewährter Ingenieursmethoden wie Systems Engineering oder Axiomatic Design erstellt werden.

Im Rahmen einer Machbarkeitsuntersuchung können anschließend die technische Machbarkeit nachgewiesen und die Eingangsdaten für eine Wirtschaftlichkeitsrechnung ermittelt werden. Wichtig ist dabei die korrekte Interpretation der Ergebnisse der Machbarkeitsstudie.

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Dennis Fritsch ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Abteilung Robotersysteme, 70569 Stuttgart.

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