Mit adaptiver Verpackungsautomation reagiert die Konsumgüterindustrie schneller und effizienter auf wechselnde Anforderungen wie hohe Variantenvielfalt, kurze Produktlebenszyklen und kleine Losgrößen. Wie das gelingt, beschreibt Lazaros Patrakas, Industry Segment Manager CPG & MDA bei der Machine Automation Division (B&R) von ABB, im folgenden Fachartikel.
Statt das Produkt an die Mechanik anzupassen, richtet sich die Maschine dabei nach Produkt und Applikation. Grundlage ist das Zusammenspiel von Steuerungstechnik, Mechatronik und Digitalisierung, das unter anderem Formatwechsel per Software und Flexibilität bis Losgröße eins erlaubt.
Adaptive Packaging – Verpackungsprozesse intelligent automatisieren
Die Konsumgüterbranche ist im Wandel: Immer kürzere Produktlebenszyklen, hohe Variantenvielfalt und steigende Anforderungen an die Nachhaltigkeit zwingen Hersteller und Maschinenbauer zum Umdenken. Herkömmliche Verpackungsanlagen können die Ansprüche nicht mehr abdecken und stoßen an ihre Grenzen. Gefragt sind flexible Automatisierungskonzepte, die den Spagat zwischen hoher Produktivität und kleinsten Losgrößen meistern. Durch die intelligente Verschmelzung von Steuerungstechnik, Mechatronik und Digitalisierung lässt sich der Schritt hin zur wandlungsfähigen Verpackungsmaschine erfolgreich gehen.
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 Milliarden US-Dollar auf. Den größten Anteil haben dabei Nahrungsmittel mit 35 Prozent und Getränk mit 28 Prozent, gefolgt von Arzneimitteln mit zwölf sowie Kosmetik und Pflege mit sieben Prozent. Auch wenn die einzelnen Branchen unterschiedliche Anforderungen an Hygiene, Aseptik oder Serialisierung stellen, ähneln sich die verpackungstechnischen Herausforderungen grundsätzlich.
Demgegenüber verlangen ein verändertes Konsumverhalten, der zunehmende Omnichannel-Vertrieb und E-Commerce-Strategien nach 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 zeitraubende mechanische Rüstzeiten und entsprechende Stillstände der Anlage verursacht. Um Ausgaben zu senken, bedarf es einer Gesamtanlageneffektivität (OEE) von 80 bis 90 Prozent bei minimalen Gesamtkosten (TCO).
Zusätzlicher Druck entsteht durch den Fachkräftemangel, da qualifiziertes Bedienpersonal für komplexe Produktionsprozesse fehlt. Gleichzeitig erfordern teure Produktionsflächen kompakte Maschinen mit reduziertem Footprint bei gleichem Durchsatz. Hinzu kommen strenge Umwelt- und Compliance-Vorgaben: So müssen Verpackungen zunehmend nachhaltig sein, eine lückenlose Rückverfolgbarkeit gewährleisten sowie Maschinen hohe Anforderungen an die Cyber-Sicherheit einhalten.
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 Usus, dass sich das Produkt der vorgegebenen Mechanik anpasst. 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 hierfür fungiert ein mechatronisches Automatisierungs-Ökosystem. Anstatt für Steuerung, Antriebstechnik, Sicherheit, Robotik und Fördertechnik isolierte Systeme zu koppeln, setzt das Konzept auf eine durchgängige Software- und EngineeringPlattform ohne Schnittstellenverluste.
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 dem Werkstückträger über die Shuttles elektromagnetisch angetrieben, was eine unabhängige Position und Dynamik während des Prozesses erlaubt. Dadurch lässt sich der Produktstrom individuell steuern und synchronisieren. Formatwechsel erfolgen dabei ausschließlich per Software im laufenden Betrieb, was Aufwand und Zeit einspart. Darüber hinaus ist es sinnvoll, in den Steuerungsregelkreis die Antriebstechnik, Robotik, Transport- und Planarmotortechnologie einzubinden und diese im Mikrosekunden-Bereich zu synchronisieren. Abweichungen werden verzögerungsfrei übermittelt, sodass Korrekturen oder das Ausschleusen fehlerhafter Teile mit maximaler Geschwindigkeit möglich sind.
Ein weit verbreitetes Problem bei der Verpackungsautomation ist das Oversizing, also die Überdimensionierung von Hardware-Kapazitäten. Um dies zu vermeiden, setzt der adaptive Ansatz konsequent auf Simulation und Co-Creation. Mittels digitaler Zwillinge werden Bewegungsabläufe virtuell getestet und Komponenten exakt ausgelegt, was Energie spart und Entwicklungszeiten verkürzt.
So profitieren Maschinenbauer und Anlagenbetreiber
Das intelligente Zusammenspiel aus Mechatronik, integrierter Software und modularer Hardware bei automatisierten Verpackungsprozessen bietet Anwendern aus der Konsumgüterbranche klare Wettbewerbsvorteile: Durch die Shuttle-basierte Produktführung werden starr hintereinandergeschaltete Bänder komprimiert, was die benötigte Grundfläche der einzelnen Maschinen deutlich reduziert. Auf diese Weise lassen sich in der Praxis Maschinenlängen um bis zu 70 Prozent verkürzen, während der Ausstoß auf gleicher Fläche vervielfacht wird. Zudem profitieren Unternehmen von einer hohen Flexibilität bis hin zu Losgröße eins. Da sich Bewegungsprofile der Werkstückträger per Software anpassen lassen, werden unterschiedliche Produktgrößen und Verpackungsarten ohne Stillstandzeiten verarbeitet.
Hinzu kommt eine gesteigerte Gesamtanlageneffektivität, während die TCO gleichzeitig sinkt. So lassen sich durch den Wegfall manueller Umrüststopps die Anlagen effizienter nutzen. Die exakte, auf Simulationsdaten basierende Komponentenauslegung sorgt zudem für minimalen Energieverbrauch und eine lange Lebensdauer der Mechanik. Und nicht zuletzt stellt die integrierte Datenerfassung sicher, dass Prozessparameter lückenlos dokumentiert werden. Eine derart hohe Transparenz und Audit-Sicherheit ist in stark regulierten Märkten wie der Pharma-, Lebensmittel- oder Getränkebranche essenziell, um Compliance-Standards nachzuweisen.
Auf dem Weg zur autonomen Verpackungsmaschine
Die Verpackungsautomation entwickelt sich konsequent in Richtung autonom agierender Maschinen, mit denen der Materialfluss vom Rohstoff bis zum palettierten Gebinde nahezu ohne manuellen Eingriff 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, führt das System selbstständig eine Rekonfiguration der Regelparameter durch. Zudem ermöglicht die Überwachung eine vorausschauende Instandhaltung (Predictive Maintenance). Hierbei werden Verschleiß oder mögliche auftretende Probleme gemeldet, bevor ein Ausfall die Maschine lahmlegt.
Adaptive Verpackungslösungen als Standard der Zukunft
Hersteller und Betreiber komplexer Verpackungslinien im Konsumgütersegment müssen ihre Workflows intelligent automatisieren, um mit den Herausforderungen der Zukunft Schritt zu halten. Ein erfolgversprechendes Konzept hierfür ist der adaptive Ansatz, der eine flexible und dynamische Anpassung der Verpackungsmaschine an die Anforderungen spezifischer Produkte und Applikationen vorsieht. Nur so lässt sich die zunehmende Variantenvielfalt bis hin zu Losgröße eins sicher beherrschen. Unternehmen im CPG-Umfeld profitieren dadurch von einer zukunftssicheren Automatisierungslösung, bei der sich die Verpackungsanlage vom starren Werkzeug zum intelligenten, sich kontinuierlich anpassenden Instrument in der digitalen Wertschöpfungskette wandelt.
Über Machine Automation, ABB
Die Machine Automation Division von ABB bietet Automatisierungslösungen und Dienstleistungen für Maschinen- und Fabrikanwendungen. Diese kommen in verschiedenen Branchen zum Einsatz, darunter Konsumgüter, Druckindustrie, Life Sciences, Kunststoffverarbeitung, Energie sowie maritime Anwendungen. Auf Basis des Produktportfolios und der Technologie von B&R umfasst das Angebot integrierte Steuerungs- und Softwarelösungen. Ergänzt wird dies durch Antriebs- und Bewegungssteuerung, Mechatronik sowie weitere Technologien für die Maschinenautomatisierung. Ziel ist es, Prozesse zu vereinfachen und den Betrieb von Produktionsanlagen effizienter zu gestalten.
