Konstruktion eines effizienteren Pneumatiksystems für die automatisierte Verpackung

In einer Verpackungsmaschine mit hohem Durchsatz hängt die pneumatische Leistung von mehr ab als von der Wahl eines Zylinders mit ausreichender theoretischer Kraft. Zylinder, Ventilinsel, Schläuche, Druckluftversorgung und Steuerungsstrategie müssen als Gesamtsystem zusammenwirken, damit die Maschine ihre geforderte Zykluszeit dauerhaft erreicht, ohne mehr Druckluft als nötig zu verbrauchen.

Genau diese technische Herausforderung stand hinter einer neuen automatisierten Verpackungsanwendung, die von BEUMER entwickelt wurde. Das System erforderte kompakte, wiederholbare pneumatische Bewegungen und sollte zugleich eine effiziente Maschinenmontage und Inbetriebnahme ermöglichen.

Wir haben BEUMER von den frühen Phasen der Entwicklung der Pneumatikschaltung bis hin zu den Tests am Standort des Unternehmens begleitet. Gemeinsam haben wir das gesamte Pneumatiksystem geprüft, einschließlich Zylinderdimensionierung, Konfiguration der Ventilinsel, Schlauchabmessungen, Druckluftversorgung und steuerungstechnischer Anforderungen.

Warum die pneumatische Konstruktion auf Systemebene entscheidend ist

Eine Pneumatikschaltung kann aus korrekt spezifizierten Einzelkomponenten bestehen und als Gesamtsystem dennoch eine schlechte Leistung erbringen.

So kann ein Zylinder zwar eine ausreichende theoretische Kraft bereitstellen, doch ein eingeschränkter Ventildurchfluss, lange Schlauchleitungen oder ein Druckabfall bei Spitzenbedarf können verhindern, dass er seinen Hub innerhalb der geforderten Zeit ausführt. Umgekehrt kann eine Vergrößerung aller Komponenten zur Schaffung zusätzlicher Konstruktionsreserven Kosten, Bauraum und Druckluftbedarf erhöhen, ohne die eigentliche Einschränkung zu beheben.

Für die BEUMER-Anwendung haben wir daher den gesamten pneumatischen Pfad betrachtet, anstatt Zylinder, Ventile und Schläuche als separate Spezifikationsaufgaben zu behandeln.

Ausgangspunkt: geforderte Bewegung und Last

Die Zylinderauswahl sollte bei der Aufgabe beginnen, die der Mechanismus erfüllen muss. Dazu gehören die zu bewegende Last, der erforderliche Hub, die Einbaulage und die für jede Bewegung verfügbare Zeit.

Bei der Berechnung muss zudem der am Antrieb verfügbare Druck berücksichtigt werden – nicht nur der nominelle Systemdruck. Reibung, Beschleunigung, äußere Widerstände, mechanische Ausrichtung und Endlagendämpfung können die Leistung im realen Betrieb beeinflussen.

In Zusammenarbeit mit BEUMER haben wir die Zylinderauswahl anhand der Last- und Kraftanforderungen der Anwendung unterstützt. Außerdem haben wir die erforderliche Zykluszeit berücksichtigt und betrachtet, wie der Mechanismus bei einer Unterbrechung der Stromversorgung oder der Druckluft reagieren sollte.

Dieser anwendungsorientierte Ansatz hilft, zwei häufige Spezifikationsprobleme zu vermeiden: die Wahl eines Zylinders, der unter dynamischen Bedingungen an seine Grenzen stößt, oder die Überdimensionierung des Antriebs, der dann mehr Druckluft verbraucht, als die Bewegung erfordert.

Durchflusskapazität der Ventile auf den tatsächlichen Bedarf abstimmen

Die Ventilinsel muss genau dann ausreichend Durchfluss bereitstellen, wenn die Maschine ihn benötigt. Das ist besonders wichtig, wenn mehrere Antriebe gleichzeitig arbeiten.

Nominelle Ventildurchflussdaten sind ein guter Ausgangspunkt, geben aber nicht immer den Druck wieder, der bei Spitzenbedarf an jedem einzelnen Antrieb zur Verfügung steht. Die Anzahl der über einen Einspeisepunkt versorgten Ventilplätze, die Ablaufsequenz und der kombinierte Durchflussbedarf können die Reaktion des Systems beeinflussen.

Gemeinsam mit BEUMER haben wir die Konfiguration der Ventilinsel festgelegt, die Ventile dimensioniert und bestimmt, wie die pneumatische Versorgung im System verteilt werden sollte.

So konnten wir zwei Anforderungen in Einklang bringen: ausreichenden Durchfluss für eine gleichbleibende Reaktion der Antriebe bereitzustellen und gleichzeitig unnötige Kapazitäten zu vermeiden, die Baugröße, Kosten oder Komplexität erhöhen würden.

Die Zusammenfassung mehrerer Ventilfunktionen in einer konfigurierten Ventilinsel schafft zudem eine übersichtlichere pneumatische Architektur und reduziert den Aufwand für separate Verrohrung und Verdrahtung in der Maschine.

Schläuche nach Durchfluss, Entfernung und Luftvolumen dimensionieren

Schläuche sind ein wichtiger Bestandteil der Pneumatikschaltung, werden jedoch oft als nachrangige Entscheidung behandelt.

Zu stark drosselnde Schläuche können einen Druckabfall verursachen und die Geschwindigkeit des Antriebs begrenzen. Ein größerer Schlauchdurchmesser ist jedoch nicht immer die Lösung. Größere oder unnötig lange Schläuche erhöhen das Innenvolumen, das bei jedem Zyklus mit Druck beaufschlagt und entlüftet werden muss.

Die richtige Wahl hängt vom Durchflussbedarf des Antriebs, dem Abstand zwischen Ventil und Antrieb, dem Betriebsdruck, Einschränkungen durch Verschraubungen und Anschlüsse, der geforderten Bewegungszeit und dem pro Zyklus verbrauchten Luftvolumen ab.

Wir haben die Schlauchabmessungen und Durchflusswege gemeinsam mit BEUMER geprüft, anstatt pauschal überzudimensionieren. Ziel war es, die geforderte Reaktion der Antriebe zu erreichen und gleichzeitig unnötiges Druckluftvolumen zu vermeiden.

Wo möglich, können Ventile näher an den Antrieben angeordnet werden, um Schlauchvolumen und Druckabfall zu reduzieren. Zugänglichkeit, Umgebungsbedingungen und Wartungsanforderungen müssen jedoch neben der pneumatischen Effizienz berücksichtigt werden.

Die gesamte Druckluftversorgung berücksichtigen

Ein zuverlässiger pneumatischer Betrieb hängt von Druck, Qualität und Zustand der Druckluftversorgung ab.

Selbst wenn die einzelnen Komponenten richtig dimensioniert sind, können Engstellen oder Druckschwankungen an anderer Stelle im System die Maschinenleistung beeinträchtigen. Luftaufbereitung, Kapazität der Versorgungsleitungen, Absperrung, Entwässerung und Rohrleitungsführung müssen daher als Teil der gesamten Maschinenkonstruktion betrachtet werden.

Im Rahmen unserer Zusammenarbeit mit BEUMER haben wir zur Anordnung der Druckluftversorgung und der Pneumatikleitungen beraten, einschließlich des Kondensatmanagements im System.

Wichtige Konstruktionsaspekte sind unter anderem der in Zeiten maximalen Bedarfs verfügbare Druck, eine anwendungsgerechte Filterung, mögliche Tiefpunkte, an denen sich Kondensat sammeln kann, Vorkehrungen für die Entwässerung, die Führung von Rohrleitungen und Schläuchen, Absperrung und Druckentlastung sowie der Zugang für Inspektion und Wartung.

Wenn diese Punkte frühzeitig berücksichtigt werden, lassen sich pneumatische Komponenten schützen, vermeidbare Druckabfälle reduzieren und die Wartung des fertigen Systems erleichtern.

Verhalten im Fehlerfall bereits bei der Schaltungskonstruktion festlegen

Ein Ausfall der elektrischen Energie oder der Druckluft sollte bereits bei der ersten Entwicklung der Pneumatikschaltung berücksichtigt werden – nicht erst nach der Montage der Maschine.

Die erforderliche Reaktion hängt vom Mechanismus und von der Risikobeurteilung der Maschine ab. Ein Antrieb muss möglicherweise anhalten, einfahren, ausfahren oder eine definierte Position halten. Wo Schwerkraft, äußere Lasten oder gespeicherte pneumatische Energie eine Bewegung verursachen könnten, sind unter Umständen zusätzliche Steuerungsmaßnahmen erforderlich.

Während des Konstruktionsprozesses mit BEUMER haben wir betrachtet, wie die Pneumatikschaltung reagieren sollte, wenn die Stromversorgung oder die Druckluftversorgung unterbrochen wird.

In dieser Phase ist es wichtig festzulegen, welche Position jeder Antrieb einnehmen soll, ob sich eine Last bei Druckausfall bewegen könnte, ob gespeicherte pneumatische Energie abgesperrt oder entlüftet werden muss, was bei Wiederkehr von Druck oder Stromversorgung geschehen soll und wie das Wartungspersonal das System absperren und dessen Zustand überprüfen wird.

Wenn diese Anforderungen frühzeitig definiert werden, ist sichergestellt, dass die Schaltungsarchitektur das vorgesehene Maschinenverhalten von Anfang an unterstützt.

Den gesamten pneumatischen Pfad testen

Berechnungen und Komponentendaten bilden die Grundlage einer Konstruktion, doch das gesamte Pneumatiksystem muss dennoch unter repräsentativen Betriebsbedingungen bewertet werden.

Wir haben BEUMER vor Ort besucht, um die montierte Installation zu prüfen und sicherzustellen, dass das System der vereinbarten pneumatischen Konstruktion entspricht. Gemeinsam haben wir Layout, Durchflusswege und Steuerungseinstellungen untersucht und Anpassungen für einen gleichbleibenden Betrieb vorgenommen.

Ein praxisnaher Pneumatiktest sollte Folgendes berücksichtigen: den Versorgungsdruck im Ruhezustand und bei Spitzendurchfluss, Antriebsbewegung und Zykluszeit, Wiederholbarkeit über aufeinanderfolgende Zyklen, gleichzeitigen Bedarf mehrerer Antriebe, Dämpfung und Endlagenverhalten, Leckage, die Reaktion auf einen Ausfall der Stromversorgung oder der Druckluft sowie das Wiederanlaufverhalten.

Tests an der kompletten Maschine können Probleme aufdecken, die sich allein anhand von Komponentendaten nur schwer erkennen lassen. Schlauchführung, Drosselstellen in Verschraubungen, Entlüftungsbedingungen und Steuerungseinstellungen können das Verhalten des Pneumatiksystems im Betrieb beeinflussen.

Unterstützung für BEUMER von der Konstruktion bis zum Test

In unserer Zusammenarbeit mit BEUMER haben wir ein Pneumatiksystem entwickelt, das auf die Anforderungen der automatisierten Verpackungsanwendung ausgerichtet ist, anstatt von einer vorab festgelegten Komponentenliste auszugehen.

Unsere Arbeit umfasste die Prüfung der Pneumatikschaltung, die Unterstützung bei der Dimensionierung von Antrieben und Ventilen, die Konfiguration der Ventilinsel-Architektur, die Bewertung von Schlauchabmessungen und Durchflusswegen, die Beratung zu Druckluftversorgung und Kondensatmanagement, die Betrachtung der Systemreaktion bei Unterbrechung der Strom- oder Luftversorgung sowie die Unterstützung der Tests am Standort von BEUMER.

Dieser ganzheitliche Ansatz ermöglichte es, mechanische Konstruktion, pneumatische Architektur und steuerungstechnische Anforderungen gemeinsam zu betrachten.

Praktische Erkenntnisse für Konstrukteure von Verpackungsmaschinen

Das Projekt verdeutlicht fünf Prinzipien, die sich auf andere automatisierte Verpackungssysteme übertragen lassen.

Die Bewegung spezifizieren, bevor die Komponente ausgewählt wird

Legen Sie Last, Hub, Einbaulage, geforderte Bewegungszeit und das vorgesehene Verhalten im Fehlerfall fest, bevor Sie den Antrieb auswählen.

Dynamische Betriebsbedingungen prüfen

Bewerten Sie den bei Spitzenbedarf verfügbaren Druck und Durchfluss – nicht nur den statischen Versorgungsdruck.

Schläuche als Teil der Pneumatikschaltung behandeln

Schlauchdurchmesser, Länge, Verschraubungen und Innenvolumen beeinflussen die Reaktion der Antriebe und den Druckluftverbrauch.

Testkriterien frühzeitig festlegen

Vereinbaren Sie vor der abschließenden Inbetriebnahme, wie Zykluszeit, Wiederholbarkeit, Luftverbrauch und Systemverhalten bewertet werden.

Die montierte Maschine überprüfen

Installationsdetails und Steuerungseinstellungen können die tatsächliche Leistung beeinflussen – selbst wenn die ursprünglichen Berechnungen und die Komponentenauswahl stimmen.

Sprechen Sie mit uns über Ihre Verpackungsmaschinenanwendung

Wenn Sie ein Pneumatiksystem für Verpackungs- oder Materialhandhabungsanlagen konstruieren oder modernisieren, sprechen Sie mit uns über Ihre Last, Ihr Bewegungsprofil, Ihre Zykluszeit, den verfügbaren Druck, Einschränkungen bei der Installation und das geforderte Maschinenverhalten.

Wir unterstützen Sie dabei, den gesamten pneumatischen Pfad zu bewerten und herauszufinden, wie Antriebsdimensionierung, Ventilkonfiguration, Schlauchauswahl und Systemtests zu einer effizienteren und gleichmäßigeren Maschinenkonstruktion beitragen können.