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Fass-Abfüllung Neues Konzept zur Fass-Abfüllung von Enzymen

| Autor / Redakteur: Gerd Trommer / Anke Geipel-Kern

Ein robotergestütztes, geschlossenes System zur kontaminationsfreien Fass-Abfüllung von Enzymen ermöglicht einen vollautomatischen Produktwechsel und reinigt die Wechselfüllventile nach dem Cleaning-in-Place-Prinzip.

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Der auf einem Portal installierte IRB 660 führt Werkzeuge und Dosiereinrichtungen kameragesteuert und punktgenau in die korrekte Arbeitsposition.
Der auf einem Portal installierte IRB 660 führt Werkzeuge und Dosiereinrichtungen kameragesteuert und punktgenau in die korrekte Arbeitsposition.
( Bild: ABB Automation )

Auch Enzymhersteller produzieren heute überwiegend auftragsbezogen und „Just-in-Time“. Dabei stehen einer zunehmenden Produktvielfalt immer geringere Losgrößen und damit häufigere Produktwechsel gegenüber. Unter diesen Vorzeichen lässt sich ein wirtschaftlicher Prozess nur mit flexiblen, vollautomatischen Produktions- und Abfüllanlagen realisieren, die Rüst- und Totzeiten minimieren. Erschwerend kommt hinzu, dass viele Enzyme, sowie deren Gase und Dämpfe, stark sensibilisierend auf Menschen wirken können. Das macht besondere Sicherheitsvorkehrungen erforderlich, wie eine komplette Einhausung des Abfüllbereichs.

Ein führender dänischer Enzymhersteller füllt jetzt seine Produkte auf einer völlig neu konzipierten Anlage, geliefert von Feige aus Bad Oldesloe, in fünf verschiedene Gebindetypen: Fässer mit 120 und 216,5 Liter Fassungsvermögen sowie IBCs (Intermediate Bulk Container) mit Volumina von 600, 800 und 1000 Litern.

Das ausschlaggebende Argument für Feige als Systemlieferant war das Konzept der vollautomatisierten Produktwechsel, das Bedienereingriffe in die Anlage bzw. Füllkabine unnötig macht. Ein weiteres Argument war die kompakte Füllkabine, denn der vom Kunden zur Verfügung gestellte Platz für den Füllbereich war so gering, dass sich hier keine herkömmliche Abfülltechnik installieren ließ. Die engen Platzverhältnisse und die Forderung nach größtmöglicher Flexibilität führten zwangsläufig zu einer robotergestützten Lösung.

Industrieroboter als zentrale Komponente

Feige lieferte eine Komplettanlage. Sie besteht aus einem Leergebindelager, einer Paletten-Vereinzelungsstation, der Füllkabine inklusive Abfüll-, Dosier- und Wägeeinrichtung sowie den beiden neugeschaffenen Robotfiller 91 mit jeweils einem IRB 660 von ABB. Weiter enthalten sind Werkzeuge zum Öffnen und Verschließen der Gebinde und Fässer, ein Rundtisch mit Etikettierstation sowie die gesamte Fördertechnik. Das vorgeschaltete Leergebindelager bietet mit seinen 56 Stellplätzen bei maximal vierfacher Stapelfolge eine Kapazität von insgesamt 224 Paletten.

Von hier kommen die Leergebinde zunächst zum Vereinzeln in eine neu entwickelte Entstapelungseinheit. Über eine Materialschleuse gelangen sie dann in die Füllkabine. Dort verteilt die Fördereinrichtung die Paletten auf zwei parallele Stränge, über denen jeweils ein Robotfiller auf Portalen den vollautomatischen Füllprozess lenkt. Die zentrale Komponente jeder Einheit bildet ein kameragesteuerter Vier-Achs-Industrieroboter IRB 660 mit einer Traglast von 180 Kilogramm.

Schlüsselfunktion für Vision-System

Dem Vision-System einer Kamera auf dem Roboterarm des Robotfillers kommt dabei eine Schlüsselfunktion zu. Sein Kern ist eine so genannte Smartkamera mit integriertem Prozessrechner, Framegrabber und Bildauswertesoftware. Sie steuert den Roboter offline vollkommen unabhängig von einem externen Leit- oder Netzwerkrechner. Dazu sind im Prozessrechner der Kamera alle erforderlichen Referenzgeometrien der Gebinde und Fässer gespeichert. Sobald eine Palette in der Bearbeitungsposition steht, fährt der IRB 660 die errechneten Koordinaten ab und ermittelt die genauen Positionen der Spundlöcher.

Anschließend bestimmt er die Höhe der Palette und seinen Abstand zu den einzelnen Einfüllöffnungen. Nun hat der Roboter alle erforderlichen Daten für die weitere Bearbeitung. Zunächst holt er sich aus dem Werkzeughalter das passende Werkzeug, öffnet die Behälter und legt die Stopfen ab. Danach legt er das Werkzeug wieder an seinen Platz im Werkzeughalter und holt sich das gebindespezifische Füllventil.

Produkteintrag nach der Unterspiegelbefüllung

Um Dampf-, Aerosol- oder Gasbildung beim Einfüllen weitgehend zu vermeiden, erfolgt der Produkteintrag nach dem Verfahren der Unterspiegelbefüllung. Dabei senkt sich der Rüssel des Füllventils anfangs bis zum Gebindeboden in den Behälter hinein, der mit seiner Palette auf einer Waage steht. Die Steuerung des Befüllvorgangs erfolgt gravimetrisch. Proportional zum Massenzuwachs des einströmenden Produktes fährt der Roboter mit dem Füllventil nach oben, wobei der Rüssel des Füllventils stets eingetaucht bleibt.

Erst kurz vor Erreichen des Endgewichts schaltet das Füllventil um und gibt die letzten Kilogramm im Feinstrom zu und ermöglicht so ein eichgenaues Einwiegen. Nach vollständiger Befüllung tauscht der IRB 660 das Füllventil wieder gegen die Schraubeinheit aus, verschraubt die Gebinde mit den Stopfen und verclincht sie abschließend mit einer Metall-Siegelkappe. Die Siegelkappe wird dem System automatisch zugeführt und vom Roboter mit einem speziellen Clinch-Werkzeug auf die Fässer aufgebracht.

Die Paletten mit den komplett bearbeiteten Gebinden verlassen die Füllkabine über eine weitere Materialschleuse und erhalten auf einem Drehtisch zum Schluss noch ihr Etikett mit allen Identifizierungsdaten. Im Füll- und Abnahmebereich stehen insgesamt 17 Stellplätze zur Verfügung. Die Ein- und Auslagerung der Paletten erfolgt über Funkfernbedienungen, die sich an Bord der Gabelstapler befinden. Über Funk fordern die Staplerfahrer die Paletten zur Abnahme an und quittieren eine fertige Übernahme oder Übergabe.

Präzise Wiederholgenauigkeit gefragt

„Die Siegelkappe ist für viele unserer Kunden als Originalitätsverschluss ein wichtiger Faktor“, betont Bert Lindenberg. Als einer von zwei Geschäftsführern bei Feige ist er zuständig für Vertrieb, Kundendienst und Technik. Produktwechsel, so betont er, steuert das Bedienpersonal über ein Touchpanel. Dazu ist lediglich die Auswahl eines neuen Datensatzes notwendig. Alles andere führt die Anlage selbsttätig durch – den Austausch der Wechselfüllventile sowie deren Reinigung nach dem CIP-Prinzip.

Bei den häufigen Wechseln von Produkten, Werkzeugen und Wechselfüllventilen kommt es für Bert Lindenberg auf die präzise Wiederholgenauigkeit der Abläufe an. Wenn der Roboter eine bestimmte Position einmal anfährt, muss er diese im Wiederholungsfall definitiv mit gleicher Präzision ansteuern – falls erforderlich auch zwei Millionen Mal. Eine hohe Bahngenauigkeit ist erforderlich, weil die Roboter unter sehr beengten Verhältnissen arbeiten. Die hohe Präzision der ABB Industrieroboter ist einer der Gründe, warum Feige schon seit über zehn Jahren auf die Robotertechnik aus Friedberg vertraut.

Reibungslose Zusammenarbeit

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist für ihn die hohe Tragkraft des IRB 660 von 180 Kilogramm in seiner Hochgeschwindigkeitsversion. Die benötigt der Roboter, da er außer den Füllventilen auch die Produktschläuche mitziehen muss. „Erfolgsentscheidend jedoch ist bei dieser Applikation die reibungslose Zusammenarbeit von Roboter, Bilderkennung, Steuerung und Visualisierung“, bringt Lindenberg die komplexe Technik auf den Punkt. Wie gut man bei Feige diese Technik im Griff hat, zeigt sich in der Leistung des Systems. Pro Stunde kann der Robotfiller bis zu 45 Standardfässer mit einem Volumen von 200 Liter bearbeiten inklusive Schrauben, Füllen und Clinchen.

Qualität, Prozesskontrolle und Dokumentation

Unter dem Gesichtspunkt eines Total Quality-Managementsystems ist Prozessdokumentation heute das A und O in der Produktion. So benötigt die Waage für den Abfüllvorgang der Füllroboter eine Vielzahl von Parametern, die der Bediener manuell über ein Touchpanel eingibt. Dieses HMI(Human Machine Interface) unterstützt ihn dabei durch die grafische Benutzerführung sowie eine vollständige Visualisierung der gesamten Anlage. Die zur Prozessausführung und Dokumentation erfassten Daten beinhalten die Anzahl der Gebinde, den Produktnamen, die Produkt- und Chargennummer sowie Angaben über Gebindeart, Abfülldatum usw.

Auf Kunden zugeschnittene Lösungen sichern den Erfolg

Die Portalanlage ist nicht die einzige Robotfiller-Lösung, die Feige im Angebot hat. In der so genannten Beistellvariante befindet sich der Roboter hinter der Fördertechnik und kann so nicht nur Paletten befüllen, sondern auch Einzelfässer bearbeiten. In einer Stand-Alone-Version arbeitet der Robotfiller z.B. ohne Fördersystem an einem Füllplatz. Der An- und Abtransport der Gebinde erfolgt dabei per Flurfördergerät. Vorteil neben niedrigeren Investitionskosten ist die Möglichkeit, den Füllplatz schnell an einen anderen Ort zu verlagern.

„Als Option bietet Feige eine Highspeed-Linie an, in der zwei Roboter miteinander synchronisiert als Team arbeiten“, erläutert Lindenberg und ergänzt: „Die aufeinander abgestimmte Teamarbeit der beiden Roboter erübrigt viele der sonst notwendigen, mehrfachen Werkzeugwechsel und der durch sie verursachten Totzeiten. Während ein Roboter die Verschlüsse auf- und später wieder zuschraubt, befüllt der andere die Fässer. Aus dem Zeitgewinn resultiert eine höhere Produktionsleistung gemessen in 200-Liter-Fässern von 60 bis 65 pro Stunde. Das Ergebnis ist ein deutlich kürzerer Return-on-Investment der gesamten Anlage.“

Der Autor ist Inhaber des rgt redaktionsbüro, Gernsheim.

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