Trotz wachsender Beliebtheit beim Verbraucher ist der Einsatz von Kunststoffen als Verpackungsmaterial für Getränke vor dem Hintergrund schwindender Ressourcen unseres Planeten nicht unproblematisch. Die Herausforderung für die Getränke-Industrie ist daher ein möglichst effektiver Einsatz von Rohmaterialien und Energie über die gesamte Prozesskette. Ansatzpunkte sind dabei Einsparungen beim Material-Einsatz durch immer leichtere Flaschen. Auch kommen sortenrein gesammelte PET-Flaschen, klein geschreddert, wieder als Ausgangsmaterial für neue Flaschen zum Einsatz. Darüber hinaus laufen Entwicklungen, PET-Flaschen aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. So besteht beispielsweise die Coca-Cola-PlantBottle zu 30 % aus nachwachsenden Rohstoffen und ist in ausgewählten Testmärkten bereits eingeführt. Rivale Pepsi stellte letztes Jahr sogar eine PET-Flasche aus 100 % nachwachsenden Rohstoffen vor, deren Pilotserie für 2012 geplant ist.

In Deutschland kommen mehr als 80 % aller kohlesäurehaltigen, nichtalkoholischen Getränke in PET-Flaschen auf den Markt, die auf Streckblasmaschinen (Blow-mold) entstehen.

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Die Herstellung der PET-Flaschen erfolgt auf Streckblasmaschinen, die meist der Abfüllstation direkt vorgeschalten sind. Dabei verwenden die Maschinen PET-Rohlinge, die im Spritzgussverfahren gefertigt und dem Getränkebetrieb als Schüttgut angeliefert werden. Die Streckblasmaschine fördert den so genannten Preform ein und heizt ihn in einem Ofen auf die spezifizierte Verarbeitungstemperatur von etwa 100 °C auf. Dabei verändert sich die Molekülstruktur des Materials und der Preform lässt sich formen.

Vom Heizofen aus gelangen die warmen Preforms an das Blasrad der Streckblasmaschine, auf dem die eigentliche Formgebung stattfindet. Während des Streckblasvorganges hält die Maschine den temperierten Preform am oberen, bereits mit einem Gewinde ausgeformten Ende und bläst ihn mit Druckluft gegen die Innenwand des Blaswerkzeugs (Mold) auf. Dabei gelangt eine Druckluftlanze – die so genannte Reckstange – von oben in den Preform und streckt diesen in der Länge. Gleichzeitig erfolgt das Aufblasen in mehreren Stufen. Typischerweise benötigt der Reckvorgang Drücke von 5 bis 10 bar. Dann erhöht sich der Druck auf bis zu 35 bar, um die endgültige Form zu erzeugen. Eine exakte Abstimmung und Reproduzierbarkeit des Druckprofils und der vertikalen Bewegung sind Voraussetzung für die Qualität des Blasprozesses und somit für die Qualität der fertigen Flasche – vor allem bei dünnwandigen Behältern.

Bisher erfolgte die Vertikalbewegung überwiegend pneumatisch oder mit mechanischen Kurven. Der Umstieg auf Servomotoren verspricht hier eine Reihe von Vorteilen:

• Durchgehende Kontrolle von Position und Geschwindigkeit der Reckstange und damit Sicherstellung eines optimalen und reproduzierbaren Reckvorganges.
• Mehr Flexibilität in Bezug auf die Fertigung von Behältern verschiedener Größen auf einer Maschine, da Reckhub und Reckgeschwindigkeit unabhängig von der Maschinendrehzahl sind.
• Kein mechanisches Justieren mehr.
• Signifikante Reduzierung des Druckluftverbrauchs durch Wegfall der pneumatischen Vertikalbewegung.
• Erhöhte Ausbringung auf über 2000 Flaschen pro Blasstation und Stunde im Vergleich zu etwa 1700 Flaschen bei einer traditionell ausgeführten Maschine.

Realisierbar ist eine solche „elektronische Reckstation“ beispielsweise mit einem dezentralen Servoantrieb wie dem ISD 410 von Danfoss, bei dem Motor und Elektronik in einem Gehäuse zusammengeführt sind. Er sorgt mit einer Kugelumlaufspindel für die Bewegung der Reckeinheit. Unterschiedliche Flaschenformate lassen sich über die elektrische Bewegungssteuerung anpassen, was in der Praxis nur eine Änderung der Parameter für das Verfahrprofil erfordert, aber keinerlei sonstigen Umbau.

Bremsenergie geht nicht verloren

Die Antriebsdrehzahl von 500 U/min bis 1500 U/min dieser Synchronmotoren mit Permanentmagneterregung erlaubt einen Direktanbau an die Spindel. Somit entfällt ein Getriebe, das in der Lebensmittelindustrie Nachteile durch Verschmutzung mit sich bringt. Als Rückführung im Antrieb kann der Anwender zwischen Resolver und Absolutwertgeber, Single- oder Multiturn wählen. Für Antriebe in einer Hubachse bietet sich die Lösung mit Multiturngeber als Feedbacksystem an. Im Falle einer Unterbrechung der Spannungsversorgung der Antriebe werden die Reckstangen durch die optionale magnetische Haltebremse in Position gehalten, um ein Absinken auf den Werkzeugboden zu verhindern. Da alle Achspositionen jederzeit bekannt sind, kann die Maschine bei Neustart ohne Referenzfahrt sofort weiterfahren, wobei sie in einer Leerfahrt alle in der Blasstation erkalteten Rohlinge ausfördert.

Während des Streckblasvorganges fixiert die Anlage die Rohlinge in Blaswerkzeugen, formt sie aus und kühlt sie anschließend ab. Die Blasstation öffnet sich und die fertige Flasche verlässt die Maschine.

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Die Speisung der Antriebe erfolgt über ein Versorgungsmodul im Schaltschrank, das eine 300-V(DC)-Spannung erzeugt. Diese stellt die Versorgungsspannung der über diesen Zwischenkreisverbund in der Applikation eingesetzten Antriebe dar. Dem Spannungsversorgungsmodul ist eine Anschlussbox nachgeschaltet, die neben Vor- und Entladeschaltung zusätzliche Kondensatoren zur Erhöhung der Zwischenkreiskapazität sowie die Anschlusstechnik enthält, welche die DC-Spannung und den CAN-Bus in einem Hybridkabel zusammenführt. Die Ansteuerung der Antriebe erfolgt mittels Loop-Kabeln, die von Motor zu Motor weitergeschleift werden (Daisy Chain). Die Möglichkeit, mittels Loop-Kabel Steuerung und Versorgung an den Antrieben durchzuschleifen, reduziert den Verdrahtungsaufwand deutlich. Zudem schließen die vorkonfektionierten Kabel mögliche Verdrahtungsfehler aus.

Auch die Energiebilanz spricht in dieser Anwendung für den Einsatz der Servotechnik. Ausgehend von der Tatsache, dass sich Drehtisch-Applikationen auf dem Maschinenteller im Kreis bewegen, sind nicht alle im Gesamtsystem eingebauten Servoantriebe zur gleichen Zeit aktiv.

Bewegungssteuerung im Antrieb

Grundsätzlich handelt es sich beim ISD 410 um einen intelligenten Antrieb. Das heißt: Ein übergeordneter Masterrechner verwaltet die in der Applikation eingesetzten Servoantriebe, die Bewegungssteuerung hingegen läuft autark im DSP direkt im Antrieb. Eine Skalierung der Steuerung erfolgt über die Anzahl der Servoantriebe und nicht über die übergeordnete Steuerung, was hohe Freiheitsgrade bezüglich der Flexibilität und des übergeordneten Mastersystems bietet. Gerade in den Streckblasmaschinen spielt die Anzahl der Achsen für den Applikationsaufwand fast keine Rolle mehr, da alle Antriebe die gleiche Bewegung ausführen.

Der ISD 410 am oberen Ende ist ein Direkt-Servoantrieb. Da er mit integrierter Intelligenz ausgestattet ist, erfolgt die Übertragung der Daten schnell und effektiv über den CAN-Bus in kleinen Datentelegrammen und die Umsetzung der Bewegungssteuerung lokal in der Steuerelektronik des Motors.

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In puncto Engineering setzt Danfoss auf den Codesys-Programmierstandard nach IEC 61131-3 mit dessen umfangreichen Bibliotheken. Hierzu gehören beispielsweise Funktionen für Kurvenscheibenbetrieb, ein Torque-Modus oder ein Geschwindigkeitsmodus. Alternativ kann der Anwender die Servoantriebe mit anderen Steuerungen mit einer CAN-Schnittstelle betreiben. Dazu lässt sich die Firmware auf einen Steuerungsbetrieb unter CANopen (DS402) umstellen. Hier stehen dem Anwender die bekannten Profile der Spezifikation DS402 zur Verfügung, unter anderem der PositionMode, der TorqueMode und der VelocityMode.

Über den Kurveneditor lassen sich zudem die Bewegungsabläufe erstellen, editieren, erweitern und verwalten. Dabei ist eine Änderung beziehungsweise Beeinflussung der Bewegung im laufenden Betrieb möglich. Hierzu werden komplexe Kurvenfunktionen in Koeffizientenform von Polynomen im Servoantrieb gespeichert. Durch die integrierte Intelligenz berechnen die Servoantriebe zeitnah die Bewegungssteuerung. Den notwendigen Leitwert erhalten sie direkt vom Geber über CAN oder alternativ über die Encoder-Box, welche Geberwerte mit Zeitstempel erzeugt und somit einen hochsynchronen Kurvenbetrieb garantiert.

Für eine einfache Inbetriebnahme und Projektverwaltung dient die ISD-Toolbox. Hier kann der Anwender auch die Servoparameter editieren und speichern. Zudem bietet die Toolbox zusätzliche Funk­tionen, wie beispielsweise eine Tracefunktion für jeden Servoantrieb. Weitere Funktionen wie „Servoantriebe steuern“, „Kurvendownload“, „Projekte und Einzelachsen kopieren“ sowie verschiedene Reglertools runden das Portfolio ab.

Autor: Jan Treede ist Director VLT Motion Drives, Business Unit Food & Beverage bei Danfoss, Bruchsal.

Der Siegeszug von PET

1978 kam Coca Cola in den USA mit einer revolutionären Neuerung auf den Markt – der PET-Flasche. Seit dieser Zeit ist ihr Siegeszug nicht mehr aufzuhalten. Heute ist sie die meistverwendete Verpackungsart in der Getränke-Industrie. So werden weltweit
etwa 34 % aller Getränke in PET-Flaschen abgefüllt. Speziell bei den nichtalkoholischen, kohlensäurehaltigen Getränken (Carbonated Soft Drinks, CSD), wie Mineralwasser und Limonaden, ist die PET-Flasche der Standard. Sie hat damit andere Verpackungsarten wie die Glasflasche verdrängt. Ihr Vorteil: Sie ist leicht, extrem robust und daher sehr komfortabel für den Verbraucher. Zudem verringert sie den Aufwand in der Logistik-kette. Nicht zuletzt lässt sich mit PET marketinggerecht eine schier endlose Zahl von Farben und Formen realisieren. Aufgrund dieser vielen Vorteile wird der Anteil der PET-Verpackungen in der Getränke-Industrie weltweit weiter wachsen und dabei auch neue Märkte, wie beispielsweise Brauerei­produkte, erschließen.