Maschinenelemente: Kleinstoßdämpfer im Takt gegen Covid

Maschinenelemente in der Praxis: Dem Gründer des Metallateliers, David Fuchs, und seinem Team gelang es bereits 2006, für einen Hersteller von Reinigungsmitteln mit einer Sondermaschine für bis dato nicht gekannte Flexibilität und Ausfallsicherheit bei der automatisierten Verschraubung von Flaschen zu sorgen. Damit war der Universalverschrauber 1.0 geboren.

Höheres Produktionstempo durch neue Maschinenelemente

Über diese Konstruktion hat sich in der Branche herumgesprochen, sie verfüge über eine einzigartige Schraubkappen-Montagevorrichtung, die sicheres Verschließen verschiedenster Reinigungsmittel­flaschen bis hin zu solchen mit Pumpsprühköpfen automatisiere. Als Covid-19 ausbrach und Desinfektionsmittel nicht schnell genug produziert werden konnten, fragte das Unternehmen Bilgram Chemie beim Metallatelier an, ob man eine Nachfolgeserie kurzfristig ordern könnte. Während es bei der Erfindung anno 2006 darum ging, das Handling zu beschleunigen und das Bedienpersonal zu entlasten, stand 2020 zum einen die Steigerung des Produktionstempos im Fokus. „Zum anderen galt es, die ganze Maschine noch variabler und gleichzeitig schneller an neue Verschlüsse und Bandhöhen anpassbar zu machen, weil unser neuer Kunde an den drei Sondermaschinen vor allem kleine Fläschchen mit Handdesinfektion abfüllen wollte“, beschreibt David Fuchs einen Teil der neuen Anforderungen.

Mehr Leistung durch Hightech-Komponenten

Für die Erreichung dieser Ziele nutzt die Neukonstruktion das grundlegende Arbeitsprinzip des Vorgängers: Die Flaschen werden von zwei mit Ethylen-Propylen-Dien(Monomer)-Kautschuk (EPDM) belegten Klemmbacken mittig unter dem Verschraubmechanismus fixiert. Darauf fassen vier Greifrollen die Kappe und schrauben diese bis zum Erreichen des definierten Drehmoments fest. Mittels Kleinstoßdämpfern wird nicht nur der Pneumatikschlitten abgebremst, sondern durch die Dämpferposition auch die Endlage des Greifmechanismus festgelegt und die Maschine so auf unterschiedlich große Schraubkappen eingestellt. Der Schlitten fährt in der Regel nicht bis in die Endlage, sondern wird zuvor durch zwei unten platzierte Kleinstoßdämpfer gestoppt. Ein oben angebrachter Kleinstoßdämpfer dient dazu, dass der Schlitten nicht jedes Mal bis in seine Endlage fahren muss, sondern schon gestoppt wird, wenn die Greifrollen weit genug geöffnet sind und sich so der verschraubte Deckel zeitsparend weiter befördern lässt.

Neben weiteren Innovationen wurden neue Auslegungen für das Abbremsen des Schlittens in den Endlagen notwendig. Kamen im Vorgängermodell sowohl in der oberen als auch in der unteren Endlage Kleinstoßdämpfer des Typs MC150-EUMH von ACE zum Einsatz, dachten David Fuchs und sein Team die Anlage 2020 von der Dämpfung her neu: „Während wir in der oberen Endlage nach wie vor mit dem selbsteinstellenden Typ MC150-EUMH arbeiten, verwenden wir nun unten zwei Hydraulikdämpfer vom Typ MC150-EUM. Der Unterschied liegt darin, dass der obere Dämpfer für größere effektive Massen von 8,6 bis 86 Kilogramm dimensioniert ist, die unten verwendeten Dämpfer sich dagegen für Massenkräfte von 0,9 bis 10 Kilogramm eignen. Die symmetrisch platzierten Dämpfer bieten den Zusatzvorteil, dass der Schlitten bei Fehlbedienung, Stromausfall oder anderen Störungen nicht ungebremst aufprallt und verkantet“, so der Metallatelier-Inhaber. Auch oben wäre eine Absicherung durch den Dämpfer Typ MC150-EUM denkbar. Aus Platzgründen kommt jedoch der andere Typ einseitig zum Zug und gibt die andere Seite für einen End­lagensensor frei.

Maschinenelemente: Präzise arbeitende Pneumatikeinheit

Der Antrieb des Schlittens ist ein weiteres Kernstück, erläutert David Fuchs. Er weist darauf hin, wie präzise die Pneumatikeinheit arbeitet und dadurch genau senkrecht auf den oberen Kleinstoßdämpfer trifft, sodass dessen Kolbenstange optimal beaufschlagt wird und dieses Maschinenelement seine maximale Lebensdauer von ­
25 Millionen Hüben voll ausspielen kann. Genau abgestufte Härtebereiche und 20 Nm/Hub Energieaufnahme sind weitere Eckwerte, durch die im Dauerbetrieb bis zu 34.000 Nm/h abgebaut werden, was mit dem integrierten Festanschlag der Dämpfer den Betrieb des Universalverschraubers 2.0 Takt für Takt unter Volllast ermöglicht.

Bedienpersonal entlasten und Umrüstung beschleunigen

Ein weiterer Aspekt der Optimierung war die Reduktion der Umrüstzeiten, wenn die Sondermaschine für unterschiedliche Flaschengrößen eingerichtet wird. Da der wichtigste auszuschließende limitierende Faktor beim Handling der Verschraubereinheit für das Personal deren Gewicht ist, suchte das Team des Metallateliers für die Verstellung der Höhe und der Regulierung der Geschwindigkeit eine kraftsparende und stromunabhängige Lösung und dachte an Industriegasfedern von ACE. Eine besondere Herausforderung für die Integration dieser Komponenten ist die kompakte Gesamtkonstruktion. Wegen des limitierten Bauraums entschied sich das Konstruktionsteam nach einer Testauslegung auf der Webseite von ACE und den nachfolgenden Gesprächen mit den Dämpfungsspezialisten für Industrie-Gaszugfedern des Typs GZ-28-250-DD-330N. Im Gegensatz zu den bekannteren Industrie-Gasdruckfedern, kommen diese Varianten mit weniger Platz aus, da bei ihnen die Kolbenstange nach innen gezogen wird.

Für das Feintuning nach der Auslegung des Typs hat man vor dem Ersteinbau die Einstellungen mit einem Gewicht simuliert, das exakt dem der Verschraubereinheit entsprach. Anschließend ließen die Ingenieure über ein dafür vorgesehenes Ventil so viel Stickstoff aus der Gasfeder ab, bis der höchste Komfort und die beste Fixierung erzielt wurden. Nach erfolgreich absolvierten Tests hat man die angepasste Gaszugfeder in die Gesamtkonstruktion integriert. Die mitgelieferten Beschläge machten diesen Schritt in kürzester Zeit möglich. Im täglichen Einsatz leisten die Gaszugfedern zuverlässig ihre Dienste und erlauben in kurzer Zeit das Anheben oder Absenken der Einheit und somit das exakte Umrüsten von kleinen auf große Flaschen und wieder zurück, sodass sich die Produktionskapazitäten optimal ausschöpfen lassen.

Um unnötige Stillstandzeiten durch Beschädigungen oder Verletzungen zu verhindern, sind neben Kleinstoßdämpfern und Gaszugfedern zudem Strukturdämpfer von ACE verbaut. Die kleinen Festkörperdämpfer dienen oben an der Schutzhaube des Verschraubers als Anschlagdämpfung. Die wegen ihrer Form Tubus getauften Maschinenelemente sind kostengünstige Alternativen zu hydraulischen Dämpfern, wenn bewegte Massen nicht punktgenau verzögert werden müssen. Durch das Zusammenspiel dieser drei verschiedenen Maschinenelemente von ACE mit den anderen Komponenten gelang es dem Metallatelier und Bilgram Chemie, durch die beschleunigte Desinfektionsmittelherstellung einen kleinen Beitrag zur Bekämpfung der Corona-Pandemie zu leisten.

Der Autor Robert Timmerberg ist Fachjournalist in Düsseldorf.