Kompakte Größe, integrationsfreundliches Design, große Hohlwelle, hohe Dynamik, passendes Drehmoment – für die Realisierung des Induktions-Siegelverschraubers Indutwist waren die gehäuselosen Servomotoren Cyber Kit Line sehr gut geeignet. Das gilt insbesondere, weil Imagine Engineering auch die anderen Komponenten des Antriebssystems – den auf die Servomotoren abgestimmten Servoregler Cyber Simco Drive 2 und das leistungsoptimierende Netzteil Cyber Power Supply – aus einer Hand bezieht und so funktionale Schnittstellenrisiken ausschließen konnte.
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Ziel des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) geförderten Projektvorhabens war es, zwei Prozessschritte beim hermetischen, hygienegerechten Verschrauben und Siegeln beispielsweise von Sterilprodukten in nur einem Arbeitsgang zusammenzuführen.
Vereint zwei Prozesswerkzeuge
„Indutwist vereint zwei Prozesswerkzeuge, eines für das Aufdrehen von Schraubverschlüssen auf die Verpackung und eines für das Induktionsversiegeln, in einem einzigen Arbeitsgang“, sagt Klaus Baltes, Geschäftsführer der auf hygienischen Maschinenbau spezialisierten Imagine Engineering GmbH in Bergheim. Und Katja Brodhun, ebenfalls Geschäftsführerin des Unternehmens, ergänzt: „Indem Indutwist die beiden Werkzeuge und Arbeitsschritte miteinander verbindet, kann das Erzeugen von Schmelze und Presskraft sicher ermittelt werden. Eine Prozesslösung, die bislang in dieser Form am Markt nicht verfügbar war.“
Mit einem kompakten gehäuselosen Servomotor aus der Cyber Kit Line mit 85 mm Außendurchmesser, einem Cyber-Simco-Drive-2-Servoregler mit Multi-Ethernet-Schnittstelle sowie einem Hutschienen-Netzteil der Cyber-Power-Supply-Reihe hatten die Verantwortlichen von Imagine Engineering und Wittenstein Cyber Motor die passende, mechatronische Antriebslösung für den innovativen Induktions-Siegelverschrauber gefunden.
Antriebssystem aus einer Hand
Die Produktfamilie der gehäuselosen Servomotoren Cyber Kit Line Small bietet zahlreiche innovative Gestaltungsmöglichkeiten für Antriebslösungen in OEM-Maschinen. Zu den wichtigsten Vorteilen zählt die hohe Design-Flexibilität, die sich aus dem Verzicht von Gehäuse und Lagerung ergibt. Kompakte Abmessungen, die Reduzierung von Masse sowie höchste Leistungsdichte durch ein drehmoment-optimiertes Motordesign mit sehr guten Leistungsdaten ermöglichen platzsparende und zugleich hochdynamische Antriebslösungen, beispielsweise in Verbindung mit der neuen Cyber-Simco-Drive-2-Reglerfamilie. Diese Servoantriebsregler sind nicht nur platzsparend, sondern bieten durch ihre Multi-Ethernet-Schnittstelle auch beste Konnektivität in einer Vielzahl von Feldbusumgebungen – beispielsweise Profinet bei Indutwist. Zudem sind sie offen für unterschiedliche Encoder- und Motor-Feedbacklösungen. Eine sehr gute Ergänzung für dieses mechatronische Antriebssystem stellen die leistungseffizienten Hutschienen-Netzteile der Reihe Cyber Power Supply dar, deren verschiedene Ausführungen über Wirkungsgrade von mehr als 95 % verfügen und damit die Wärmeentwicklung in Gesamtsystemen wie dem Induktions-Siegelverschrauber Indutwist reduzieren. Darüber hinaus verfügen sie durch einen hohen Überlastfaktor über Leistungspotenziale, die sie der Antriebslösung als zusätzliche Energie- und Leistungsreserven zur Erreichung hoher Beschleunigungen und kurzer Taktzyklen bereitstellen können.
Besonderes Design der Statoren
Der Produktbaukasten der Cyber Kit Line Small zeichnet sich durch ein besonderes Design der Statoren aus – 24 Einzelzähne sind in Rundform gesteckt und mit einem hohen Kupferfüllfaktor vergossen. Dadurch erreichen die Servomotoren Dauerdrehmomente, die die Werte vergleichbarer Motoren am Markt deutlich übertreffen. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal bei dieser Art gehäuseloser Motoren ist die große Hohlwelle. In Roboterachsen und anderen, platzkritischen Konstruktionen ermöglichen sie es, Kabel-, Druckluft-, Vakuum-, Lichtleiter- und Laserdurchführungen platzsparend und geschützt zu realisieren.
„Für das Projekt Indutwist war neben der Kompaktheit des Motors die große Hohlwelle eine entscheidende Voraussetzung, da durch sie der Induktionsschweißkopf hindurchgeführt wird“, erklärt Dr. Jan Oberländer, tätig im Bereich Technology & Simulation bei Imagine Engineering. „Die anwenderfreundliche Konstruktion vereinfacht nicht nur die Integration und Installation im Inneren der Maschine, sondern kann auch in einem Servicefall für eine signifikante Zeit- und Kostenersparnis sorgen.“
Verschließen in einem Prozessschritt
Produktbehälter mit Schraubverschlüssen dienen in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie zum hygienischen Verpacken von Produkten. Um einen vollständig hermetischen Verschluss insbesondere für Sterilprodukte zu gewährleisten, werden im Schraubverschluss Siegelfolien aus Aluminium mit Polymerbeschichtung eingesetzt. Diese Siegelfolien stellen einen Barriereschutz des Produkts vor Umgebungseinflüssen dar.
Bisher wurden in aseptischen Abfüllanlagen unmittelbar nach der Produktabfüllung die Schraubverschlüsse mit integrierter Siegelfolie auf die befüllten Behälter aufgeschraubt und anschließend außerhalb der hygienischen Umgebung mithilfe eines Induktionssiegelsystems im Durchlauf geschweißt. Bei Indutwist, das die hygienischen Anforderungen einer aseptischen Abfüllanlage erfüllt, erfolgen das Aufbringen des Schraubverschlusses mit Siegelfolie und das Versiegeln erstmals in einem einzigen Prozessschritt. „Diese Vorgehensweise verhindert eine Rekontamination des Produkts und ermöglicht eine deutlich höhere Prozesssicherheit und Prozesskontrolle des Siegelvorgangs im Vergleich zu dem bisherigen Verfahren“, beschreibt Baltes wesentliche Vorteile des Rotations-Siegelsystems.
Großer Hohlwellendurchmesser
Für Indutwist-System suchte man antriebsseitig nicht nur eine platzsparende Einbaulösung. Vielmehr musste der gehäuselose Servomotor auch über einen großen Hohlwellendurchmesser verfügen, um den Induktionsschweißkopf hindurchführen zu können. Der gewählte gehäuselose Servomotor aus der Cyber Kit Line mit 85 mm Außendurchmesser und Spannungsklasse 60 VDC bietet zudem ein maximales Drehmoment von bis zu 8 Nm – und damit ausreichend Leistung, um die Verschlusskappen mit dem gewünschten Drehmoment von 3 Nm festzuziehen. Das Anzugsmoment für das Verschrauben ist durch die hohe Stromauflösung der Cyber-Simco-Drive-2-Regler sehr genau regelbar. Darüber hinaus werden alle Drehmomente für jedes Gebinde auch ausgelesen und ausgewertet. „Die Prozesse des Verschraubens und Versiegelns werden also schon während der Produktion überwacht“, fasst Brodhun zusammen.
Wittenstein SE, Igersheim
Autoren: Christoph Weis
Produktmanager,
Wittenstein Cyber Motor
Manuel Baumeister
Vertriebsingenieur,
Wittenstein Cyber Motor
Induktives Rotations-Siegelsystem Indutwist von Imagine EngineeringBild: Wittenstein
Schraubkappenapplikator: Indutwist
Der patentierte Schraubkappenapplikator Indutwist kombiniert das Applizieren einer Schraubkappe auf einer Gebindeöffnung mit dem induktiven Verschweißen einer Siegelfolie in einem Prozessschritt. Dadurch erfolgen das Verschrauben und Versiegeln der Gebinde komplett im Hygienebereich Hierzu ist in der servoangetriebenen Schraubkappenaufnahme eine Induktionsspule integriert, die während des Applizierens und Drehens zeitgleich den Siegelvorgang einleitet. Indutwist ermöglicht eine vollständige Überwachung, Steuerung und Dokumentation von Drehmoment, Drehwinkel, Frequenz, Energieeintrag und weiterer relevanter Prozessparameter. Siegelfehler können so noch im Schraubkappenapplikator erkannt und fehlerhafte Gebinde sofort ausgeschleust werden. Dadurch gewährleistet das System im Sinne der Good Manufaturing Practice (GMP) ein Höchstmaß an Prozesssicherheit. Der kompakte und leicht in Abfüllanlagen integrierbare Schraubkappenapplikator findet durch sein hygienegerechtes Design und seine intelligente Systemdiagnose vor allem in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie regen Zuspruch.
