Der Verpackungsmaschinenhersteller Gerhard Schubert GmbH präsentierte sich auf der Anuga FoodTec 2022 u.a. mit einem eigenen 3D-Drucker. Mit der PARTBOX hat Schubert Additive Solutions bereits eine digitale Plattform geschaffen, von der Kunden zertifizierte Druckjobs in der eigenen Produktion abrufen und somit selbst 3D-Teile mit einem handelsüblichen Filament-Drucker herstellen konnten. Jetzt wird dieser Prozess noch einmal deutlich sicherer und qualitätsvoller, denn das Unternehmen hat einen vollständig neuen 3D-Drucker für seine Kunden entwickelt.

In der eigenen Produktion 3D-Teile für den Verpackungsprozess zu drucken, bringt Herstellern viele Vorteile: optimal angepasste Roboterwerkzeuge für alle denkbaren Produkte, kein umweltschädlicher und langwieriger Transport von neuen Formatteilen, schneller Ersatz bei defekten Werkzeugen und die Möglichkeit, neue Formatsätze für geänderte Produkte einfach selbst herzustellen. «Wir sind der Überzeugung, dass Bauteile zu der Zeit und an dem Ort produziert werden sollten, wann und wo sie gebraucht werden», erklärt Conrad Zanzinger, Technischer Leiter bei von Schubert Additive Solutions. Das Ziel: den 3D-Druck technischer Bauteile bei Kunden in einem zuverlässigen, sicheren und qualitativ hochwertigen Prozess zu gewährleisten. Um das umzusetzen, entschied sich die Schubert-Tochter, einen eigenen 3D-Drucker für diese Anforderungen zu entwickeln. Den Entwicklern war dabei wichtig, eine sehr einfache Lösung zu gestalten, die ohne grosses Know-how von jedem genutzt werden kann. «Damit machen wir die Vorteile der additiven Fertigung für jeden zugänglich», erklärt Zanzinger. Der neue PARTBOX-Drucker bietet eine gleichmässig hohe Druckqualität, was die Prozesssicherheit innerhalb der Verpackungsmaschinen und damit die Effizienz im Verpackungsprozess für Kunden noch einmal verbessert. Durch den Einsatz von hochpräzisen Komponenten wie einem gefrästen Aluminiumrahmen, Kugelumlaufspindeln und einer besonderen Führungstechnik wird der Druckkopf exakt positioniert. Die genaue Dosierung des Filaments stellt Schubert durch einen Extruder mit Direktextrusion sicher. Eine Haube über dem Gerät schließt Umgebungseinflüsse wie Wärme oder Schmutz aus.

Zusätzlich liefert Schubert Additive Solutions mit dem Kunststoff PARTBOX Black auch das passende Druckmaterial. Der Unterschied zu marktüblichen Filamenten liegt in einem für das FDM-Druckverfahren (Fused Deposition Modeling) optimierten Polyamid. Das Material ist lebensmittelkonform und mit einem Metalldetektor detektierbar. Darüber hinaus weist PARTBOX Black gute mechanische Eigenschaften und eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Dadurch können im Druckprozess sehr glatte Oberflächen erzielt werden. Hardware, Software und Material sind somit perfekt aufeinander abgestimmt.

Mit seinem Cobot, genannt tog, zeigt der Verpackungsmaschinenhersteller Gerhard Schubert GmbH wieder einmal, warum er Technologien nicht einfach übernimmt, sondern sie zu wegweisenden Neuheiten der Branche weiterentwickelt. Inzwischen werden die ersten Cobots bereits bei Kunden zur Automatisierung von Zuführungsprozessen getestet. Der Einsatz einer Bildverarbeitung mit dahinterliegender künstlicher Intelligenz macht die neuen kooperativen Schubert-Roboter äusserst flexibel und unvergleichlich einfach in der Programmierung. Sie automatisieren erstmals einfache manuelle Prozesse ausserhalb der hocheffizienten Maschinenabläufe und lassen sich ohne jegliche Programmierkenntnisse sehr schnell an neue Aufgaben anpassen.

Geschäftsführender Gesellschafter Ralf Schubert beschrieb die Hintergründe an einer virtuellen Pressekonferenz wie folgt: «Wir haben den tog.519 für Pick-and-Place-Anwendungen mit leichten Produkten entwickelt, bei denen bisherige Cobots überfordert wären. Der tog vereinfacht und beschleunigt Verpackungsabläufe noch einmal deutlich: Mit einem unserer Cobots können Hersteller zukünftig viel flexibler auf veränderte Marktsituationen und Anforderungen reagieren.»

Künstliche Intelligenz als Technologietreiber

Im Betrieb als freistehender Roboter arbeitet der Schubert-Cobot zwar nicht direkt zusammen mit Menschen (kollaborativ), aber dennoch in einer Umgebung mit ihnen. Solche Cobots werden als kooperativ oder koexistent bezeichnet und benötigen ein ganz anderes Sicherheitskonzept. Dazu wurde dem Cobot mit einer Bildverarbeitung das Sehen beigebracht. So reduziert er seine Geschwindigkeit bei einer Annäherung durch Mitarbeiter stufenweise bis zum Stillstand. Die Voraussetzungen dafür liefert ein von Schubert selbst entwickeltes neuronales Netz mit künstlicher Intelligenz (KI), das genau zu den besonderen Branchenanforderungen bezüglich Sicherheit, Geschwindigkeit und Programmierung passt. Das ist in diesem Einsatzbereich absolut einmalig. Für die Programmierung eines bestimmten Produktes wird das Netz mithilfe von Produktfotos in der Schubert-Cloud trainiert und anschliessend als Format auf den Cobot geladen. Um neue Produkte sicher zu erkennen, reichen der KI nur eine Handvoll Bilder und drei Tage Zeit. «Wir machen das Einlernen so einfach, dass unsere Kunden zukünftig selbst neue Formate und Produkte erstellen können, ohne Vorkenntnisse in der Bildverarbeitung oder Programmierung zu haben», sagt Ralf Schubert. Über das im Cobot integrierte HD-Kamerasystem entscheidet die KI dann, was der Cobot zu tun hat. Der tog.519 – der erste Schubert-Cobot – ist bereits bei einem Kunden in der Probephase.

Baukastensystem als Ziel

Entwickelt werden die Schubert-Cobots in einem Start-up innerhalb der Firma. In den kommenden Jahren soll eine ganze Familie von Cobots folgen. Als Ziel wurde ein kompletter Baukasten für Cobot-Lösungen definiert, der eine fünfachsige Scara-Kinematik, ein Vision-System, Zuführbänder, Formatteile und vieles mehr umfasst. Die Anwendungsbereiche liegen im Lebensmittelbereich, aber auch bei Kosmetik und Pharma, also überall dort, wo leichte Produkte sehr schnell einer Anlage zugeführt werden müssen.

Seit mehr als drei Jahrzehnten erfüllt Laverana mit den hochwertigen Naturkosmetikprodukten seiner Marke Lavera die Schönheitswünsche von Kunden aus aller Welt. «Heute ist in unserer Branche grosse Agilität und eine möglichst kurze ‚time-to-market‘ gefragt. Unsere bestehenden Anlagen waren dafür allerdings nicht ausgelegt und forderten bislang für jeden Produkt- oder Formatwechsel ein umständliches und zeitraubendes Umrüsten der Maschinen», erinnert sich Thomas Haase, geschäftsführender Gesellschafter bei Laverana. Deshalb entwickelte er zusammen mit dem Team von Daniel Traub, Gruppenleiter Cosmetics bei Gerhard Schubert GmbH, eine völlig neuartige vollautomatische Abfüll- und Verpackungslinie.

Die agile Visionsanlage mit hoher Linieneffizienz wurde basierend auf den bewährten TLM-Systemkomponenten von Schubert gebaut. Alle Einzelteile der Verpackung wie Flaschen, Kappen, Bürsten und Pumpen werden formatteilfrei über ein Band zugeführt. Durch den Einsatz des Schubert-eigenen 3D-Kamerasystems konnte vollständig auf herkömmliche Zuführsysteme wie Zentrifugen mit langen Rüstzeiten verzichtet werden. Das 3D-Kamerasystem erfasst die unsortierten und teilweise übereinanderliegenden Objekte dreidimensional. Ein Pick-and-Place-Roboter nimmt diese Komponenten zielgenau auf und platziert sie auf dem Transmodul. Dieses führt die Komponenten zu einer der beiden vielseitig programmierbaren Abfüllstationen, mit jeweils sechs Füllstellen.

Flexibles und präzises Abfüllen

Die Anlage besitzt zwei Abfüllstationen, da hierdurch Reinigungszeiten überbrückt werden können und das Abfüllen von 2-Phasen-Produkten möglich ist. Jede Füllstelle ist über ihre jeweilige Füllnadel an einen F3-Roboter angebunden, der absolut frei programmierbar ist und daher maximale Flexibilität innerhalb der Anlage erlaubt. «Je nach Abfüllmedium kann so jederzeit über oder unter dem vorab definierten Spiegel befüllt werden», erklärt Daniel Traub den Abfüllprozess. Die Schubert-Anlage überzeugt mit vielen Funktionalitäten zur genauen Überprüfung der Produkte vor dem versandfertigen Konfektionieren. Nach dem Befüllen wird beispielsweise sofort getestet, ob alle Produkte das gewünschte Gewicht aufweisen. Bei einer unzulässigen Abweichung wird das entsprechende Produkt direkt ausgeschleust. Zudem kann die betroffene Füllstelle über das Schieberegister in der Tendenzsteuerung der Waage vollautomatisch nachjustiert werden. Beim Verschliessen von Flaschen mit Drehverschluss wird genau überwacht, ob das eingestellte Drehmoment zu früh oder gar nicht erreicht ist. Sollte das der Fall sein, wird auch in diesem Schritt die betroffene Flasche direkt ausgeschleust.

Linear-Etikettiersystem mit Rundläufer

Das vollumfänglich in die Verpackungsmaschine integrierte Etikettieraggregat appliziert ein Vorder- und Rücketikett oder ein 360°-Etikett auf die Produkte. Dazu kombinierte Schubert das gängige Linearsystem mit dem eines Rundläufersystems. «Diese Kombination macht die Visionsanlage noch einmal flexibler und agiler. Grundsätzlich werden beim Etikettieren immer sechs Produkte in das Linearsystem eingesetzt. Je nach Bedarf kann jedes Produkt aber auch einzeln durch einen Servo-Antrieb rotiert werden. Gleichzeitig werden die Produkte beim Einsetzen zentriert, was zusätzlich die Toleranzen bei Glasflaschen eliminiert», berichtet Daniel Traub.

Keine externe Schnittstellen

Eine Besonderheit liegt auch im patentierten Karton-Aufrichte- und Beladeprozess bei der anschliessenden, verkaufsfertigen Konfektionierung. Der Umkarton wird in einem einzigen Arbeitsschritt aufgerichtet und mit den Produkten beladen. Parallel wird ein flachliegender Zuschnitt auf den Faltrahmen gelegt. Im Anschluss wird der flachliegende Karton mit Hilfe des Aufrichtestempels, inklusive der im Inneren aufgenommenen Produkte, durch den Faltrahmen gedrückt, um den Karton direkt aufzurichten. Beim Herausfahren verbleiben die Produkte im Karton, der dann verschlossen, etikettiert und palettiert wird. Ohne eine einzige externe Schnittstelle steht am Ende der effizienten Linie die fertige Palette mit den nachhaltig effizient verpackten Produkten für den Versand bereit. Neben den kurzen Formatwechselzeiten liegt ein weiterer Grund für die hohe Agilität der Visionsanlage im 3D-Druck. Mit Ausnahme der Magazinplatte sind alle Wechselteile 3D-Druckteile. Ersatzteile oder gänzlich neue Formatteile druckt sich Laverana zukünftig selbst – schnell, günstig und flexibel. Die Druckqualität wird hierbei durch die bei Schubert Additive Solutions erstellten «Certified-Printjobs» sichergestellt.

Sleeves aus Karton oder Pappe werden häufig manuell um Schalen gelegt. Das bedeutet nicht nur viel Handarbeit, sondern auch unterschiedliche Platzierungen der Karton-Sleeves, die ohne zusätzlichen Leim auch noch verrutschen können. Bessere Alternative sind in vielen Fällen die Banderolen aus bis zu 250 g/m² starkem Papier. 

Starke Papierbanderolen

Beim halb- oder vollautomatischem Banderolieren werden die Banderolen präzise und mit der gewünschten Spannung um die Primärverpackung gelegt und mit Ultraschall verschweisst. Zusätzlicher Leim ist dank der stufenlos verstellbaren Bandspannung nicht nötig. Banderolieren erhöht den Automatisierungsgrad und die Effizienz beim Verpackungsprozess deutlich. Sie sorgt für Flexibilität und Skalierbarkeit: Flexiblität, weil Banderoliermaschinen wahlweise Banderolen aus Papier oder Folie sowie unterschiedlich grosse Produkte verarbeiten können. Skalierbarkeit, weil der Banderolierprozess mit den steigenden Anforderungen nach Belieben automatisiert werden kann.

Beliebt bei Konsumenten

Banderolen können beidseitig mit bis zu 10 migrationsarmen Farben vorbedruckt und während des Banderolierens mittels Thermotransferdruck zusätzlich mit flexiblen Informationen wie Strichcodes, Produktions- oder Haltbarkeitsdaten ergänzt werden. Und weil Banderolen am Schweisspunkt immer von Hand und ohne Werkzeug geöffnet werden können, sind banderolierte Produkte auch bei Konsumenten äusserst beliebt. Die edle Haptik der Kartonhülle wird durch das starke Papier ebenfalls erreicht. Die Abbildng zeigt eine Lösung von Tanner & Co. AG Verpackungstechnik.