Smarte Getriebe: Der Weg zur digitalisierten Maschine

Neue Wertschöpfungspotenziale für die Hersteller, neue Mehrwerte für die Betreiber – die Digitalisierung im Maschinenbau eröffnet allen Beteiligten völlig neue Möglichkeiten. Das stellt Maschinen- und Anlagenbauer jedoch vor neue Aufgaben, wie Jürgen Welker, Director Automation and Technology der Koch Pac-Systeme GmbH in Pfalzgrafenweiler, berichtet: „Die Herausforderung für uns als Verpackungsmaschinenhersteller ist es, smarte Produkte und Services kommunikations- und informationstechnisch in die digitale Infrastruktur unserer Maschinen und Anlagen zu integrieren. In den letzten 10 Jahren sind wir immer mal kleinere Digitalisierungsprojekte angegangen. Seit letztem Jahr nun sind wir mit insgesamt acht digitalen Serviceprodukten, unseren K 4.0 Smartpacks, am Markt – und freuen uns über die große Nachfrage.“ Kein Wunder, denn die digitalen Serviceprodukte wie smarte Getriebe stehen für mehr Produktivität, erhöhte Verfügbarkeit und optimierte Gesamtanlageneffektivität.

Time to market verkürzt

Star des neuen Portfolios ist aktuell der Predictive Pack. Dieses digitale Serviceprodukt hilft, Maschinenstillstände zu vermeiden und Optimierungspotenziale frühzeitig zu erkennen. Zusätzlich gewährleistet es nachhaltige Verpackungsprozesse sowie eine verbesserte Verpackungsqualität und liefert zudem einen Überblick über alle Produktionszahlen und den Gesamtenergieverbrauch einer Maschine. Simon Brehmer, Head of Technology and Digitalization bei Koch Pac-Systeme, erklärt: „Die Getriebe von Wittenstein Alpha mit integrierter Cynapse-Funktionalität sowie die bei Wittenstein hierfür entwickelten Smart Services sind die ideale Basis für unseren Predictive Pack.“

Jürgen Welker ergänzt: „Es gibt nur ganz wenige Komponentenhersteller am Markt, von Antriebsherstellern ganz zu schweigen, die mit so viel Know-how in Sachen IIoT-Umsetzung unterwegs sind. Auf diese vorhandene Expertise greifen wir als Maschinenbauer zu. Dies spart uns eigenen Entwicklungsaufwand, verkürzt so die „time to market“ der Smartpacks und gibt uns zugleich die Gewähr, technologisch auf dem richtigen Weg zu sein. Denn wer kann Betriebs- und Zustandsinformationen, die ein Getriebe liefert, besser und zielführender auswerten als der Hersteller selbst, der seine Produkte bestens kennt?“

Durch Smarte Getriebe zur digitalisierten Maschine

Die Cynapse-Funktionalität bedeutet, dass die entsprechenden Getriebe ab Werk mit integrierter Sensorik, Logik und IO-Link-Datenschnittstelle ausgestattetet sind. Sie sind damit in der Lage, das Betriebsverhalten von Antriebsachsen zu erkennen. Gleichzeitig bilden die smarten Getriebe die technologische Grundlage für die Entwicklung von Smart Services, die mit Daten rund um den Antriebsstrang Informationen für bessere Prozesse erhalten.

Als integraler Bestandteil des Predictive Pack von Koch ermöglichen es smarte Getriebe und die Smart Services von Wittenstein in den Maschinen des Verpackungsspezialisten eine vorausschauende Wartung von Getrieben umzusetzen. Ergänzend dazu werden in dem digitalem Service von Koch auch andere Komponenten wie Vakuumsystemen, Sensoren, Motoren und pneumatische Bauteile überwacht, visualisiert sowie lokal in der Maschine und auch in Cloud-Applikationen genutzt. Die Maschinengröße selbst spielt dabei keine Rolle, wie Simon Brehmer erläutert: „Ob kleinere Verpackungsmaschinen für Konsumprodukte mit einem Industrie-PC (IPC), ein paar Servoachsen und etwa 20 digitalen Ein- und Ausgängen oder Großanlagen für komplexe Verpackungslinien mit 120 Servoantrieben, mehreren Tausend digitalen Ein- und Ausgängen, Robotern und umfangreicher Software sind umsetzbar.“, sagt Simon Brehmer.

„Unser Predictive Pack analysiert beispielsweise den Stromverbrauch eines Antriebsstranges, sich ändernde Drehzahlen oder auch auftretende Vibrationen und Geräusche. Diese Informationen werden auf „in Ordnung“ oder „nicht in Ordnung“ beurteilt. Zusammen mit den Betriebs- und Zustandsdaten von Komponenten an anderen Maschinenpunkten, wie beispielsweise Durchflusssensoren von Vakuumerzeugern, werden sie zentral im Gehirn der Maschine, einem eigenen IPC mit State-of-the-Art-Bedienpanel und Anbindung an das Cloudsystem Azure mit dem Dienst IoT Hub, aggregiert, verarbeitet und angezeigt – bis hin zu konkreten Handlungsanweisungen für das Bedienpersonal.“

Integration ins Maschinenumfeld

Produkte und Services für die Digitalisierung von Maschinen bringen es mit sich, dass sie in der Regel in bereits vorhandene Mechanik-, Kinematik und IT-Strukturen zu integrieren sind. Bei den smarten Getrieben geschieht dies ohne jegliche mechanisch-konstruktive Änderung, denn das Sensorik-, Logik- und IO-Link-Modul ist vollständig in das jeweilige Getriebe, beispielsweise ein TP+ 050 an einer Prägeachse oder ein DP+ 010 an einem Deltaroboter, integriert. Zudem ist das Modul für alle Getriebe des Antriebstechnikers einheitlich – und damit auch maschinenweit immer einheitlich integrierbar. Dies gilt auch für die IT-Anbindung über das Kommunikationssystem IO-Link, wie es heute wegen seiner Einfachheit und Offenheit in immer mehr Maschineninfrastrukturen genutzt wird.

„Sogar das Retrofit bestehender Maschinen wird dadurch auf einfache Weise möglich“, erklärt Simon Brehmer und weist darauf hin, dass smartpacks wie der Predictive Pack auch für bereits ausgelieferte Maschinen verfügbar ist.

Schnelle Amortisation der digitalen Helfer

Abweichungen vom Normalzustand – auch schleichende – werden also zuverlässig erkannt und so das Risiko eines kurzfristigen Maschinenausfalls minimiert. „Der nämlich kann teuer werden“, bestätigt Director Automation and Technology, Jürgen Welker. „Abhängig von der Maschinentaktrate, also dem Durchsatz, der Ausfalldauer, dem Wert des zu verpackenden Produkts, einem möglichen Produktverlust bei Prozessstillstand und daraus resultierendem Reinigungs- und Instandsetzungsaufwand ist die Investition in den Predictive Pack schon bei einem einzigen, vermiedenen Maschinenausfall wieder raus.“

Der Betreiber kann mit dem Predictive Pack die Performance der Maschine also aktiv optimieren – und dabei von außen durch Koch Pac-Systeme unterstützt werden. Head of Technology and Digitalization, Simon Brehmer, berichtet: „Diese Option wird, im Gegensatz zu vor ein bis zwei Jahren, bei vielen unserer Kunden immer beliebter. Immer mehr Unternehmen erkennen die Vorteile eines sicheren Remote-Datenzugriffs, direkt oder über eine Cloud, für ihre Gesamtanlageneffektivität. Und mit der Corona-Pandemie mussten sie sich in vielen Fällen ohnehin daran gewöhnen, Service- und Wartungsarbeiten so weit wie möglich digital und remote zu organisieren und durchzuführen. Das hat viele Skeptiker überzeugt. Wer aber dennoch den Predictive Pack nur im Intranet nutzen möchte, kann dies selbstverständlich tun.“

Investition auch in die Nachhaltigkeit

Ob Drehtisch-, Blister- oder Kartonverpackungsmaschinen, ob Zuführ- und Handlingsysteme oder Kontroll- und Inspektionslösungen – Koch Pac-Systeme liefert nachhaltige Verpackungslösungen. Beispiele hierfür sind nicht nur kunststofffreie Verpackungen, recycelbare Einstoffverpackungen oder die mit dem Deutschen Verpackungspreis 2021 prämierte, papierbasierte Verpackung CycleForm, sondern auch technologische Innovationen, durch die weniger Material verbraucht, nachwachsende Rohstoffe verwendet, Abfall vermieden und Maschinenressourcen noch effizienter genutzt werden können.

„Unsere K 4.0 smartpacks, insbesondere der Predictive Pack, machen unsere Verpackungsmaschinen noch nachhaltiger“, führt Jürgen Welker aus. „Die digitale Maschinen- und Prozessüberwachung reduziert Packmitteleinsatz und Abfall, vermeidet Ausschuss und Produktverlust, optimiert Reinigungszyklen und spart so Reinigungsmittel-, Wasser- und Energieverbrauch und optimiert die Prozesseffizienz. Unsere smartpacks sind also nicht nur funktionale, sondern auch umweltgerechte Ausstattungsmerkmale unserer Maschinen.“

Smarte Getriebe: Die digitale Geschichte geht weiter

Für Koch Pac-Systeme hat sich die Umsetzung des Predictive Packs zusammen mit dem Antriebshersteller zur Erfolgsgeschichte entwickelt – und smarte Getriebe zum künftigen, maschinenweiten Standard gemacht. „Anfangs sind wir davon ausgegangen, dass ein eher geringer Anteil unserer Maschinen mit diesem digitalen Service bestellt wird, tatsächlich aber beträgt der Anteil schon jetzt etwa ein Drittel“, bilanziert Jürgen Welker. „Wenn diese Dynamik anhält, sind durchaus fast 100 Prozent denkbar. Damit wäre der Predictive Pack dann eine Standardausstattung, die Kunden gegebenenfalls aktiv abbestellen müssten, wenn sie darauf verzichten wollen.“

Auch im Mutterkonzern, der Uhlmann Gruppe, ist man auf Getriebe mit Cynapse-Funktionalität und die Smart Services von Wittenstein aufmerksam geworden und hat ein erstes Testsystem bestellt. Parallel dazu arbeiten Koch Pac-Systeme und der Antriebstechniker bereits an neuen Funktionalitäten für den Predictive Pack, beispielsweise an einer Anomalieerkennung, die ungewohntes Betriebs- und Prozessverhalten frühzeitig erkennt. Mit ihr ist es dann beispielsweise möglich, Fehler vor dem Entstehen zu bemerken und Stillstände der Maschine proaktiv zu vermeiden.

Die Autoren: Michael Herkert ist Produktmanager und Andreas Kolibius ist Vertriebsingenieur, beide bei Wittenstein Alpha in Igersheim.

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