Frequenzumrichter sorgen für angenehme Temperaturen in der Becherformmaschine

Der „Stern“ mit Kerndornen ist Herzstück der BecherformmaschineDer mit Kerndornen bestückte „Stern“ ist das Herzstück der Becherformeinheit. (Bild: Michael Hörauf Maschinenfabrik GmbH und Co. KG)

Die Produktion von Papierbechern, etwa für „Coffee to go“, ist wortwörtlich eine „heiße Sache“. Im Innern der Maschinen entstehen in den Becherformeinheiten durch häufiges Beschleunigen und Abbremsen hohe Temperaturen. Die Michael Hörauf Maschinenfabrik GmbH & Co. KG hat für das Temperaturproblem mithilfe von Yaskawa eine Lösung gefunden. In Maschinen der Serie „BMP 100“ reduzieren Frequenzumrichter des Typs GA700 die mechanischen Belastungen für die Antriebstechnik und die dabei auftretenden Temperaturen deutlich.

Die Michael Hörauf Maschinenfabrik GmbH & Co. KG aus dem schwäbischen Donzdorf ist im Bereich Verpackungstechnologie spezialisiert auf Maschinen zur Produktion von Papierbechern und -containern. Neben High-End-Maschinen zur rationellen Fertigung von Papierbechern werden auch individuelle Lösungen für Markenartikler zur Inhouse-Produktion von Verpackungen aus Papierverbund entwickelt.

Die Maschinen aus der BMP-100-Serie sind ausgelegt für die Produktion einwandiger Getränke- und Verpackungsbecher. Das Modell „BMP 100 Super“ eignet sich zur Herstellung von bis zu 160 großvolumigen Verpackungsbechern pro Minute, in die später Snacks, Nudeln, Eiscreme oder Popcorn gefüllt werden können. Bis zu 180 Becher pro Minute für Heiß- und Kaltgetränke schafft dagegen die „BMP 100 Compact“. Beide Maschinen verarbeiten sowohl zugeschnittene Segmente aus Papier und Papierverbund als auch Rollenmaterial.

Bis zu 180 Papierbecher pro Minute produziert die Becherformmaschine BMP 100 Compact

Bis zu 180 Papierbecher pro Minute produziert die Becherformmaschine BMP 100 Compact der Michael Hörauf Maschinenfabrik. (Bild: Michael Hörauf Maschinenfabrik GmbH und Co. KG)

Antriebselemente werden zu heiß für Papier

Das Herzstück der Maschine ist die Becherformeinheit. Dabei handelt es sich um einen mit Kerndornen bestückten sogenannten Stern. Er hat einen Durchmesser von etwa einem Meter. Diese Kerndornen werden jeweils vor die verschiedenen Bearbeitungsstationen gedreht. Unter anderem wird das Papier für die Becherwand zugeführt, geformt und verklebt, das Bodenelement wird integriert und der obere Becherrand geformt.

Bei maximal 180 Takten pro Minute muss der Stern sehr häufig beschleunigt und wieder abgebremst werden. Diese mechanisch sehr anspruchsvolle Antriebsaufgabe übernimmt ein Asynchronmotor.

Mit den Produkten der Hoerauf-Maschinenfabrik werden unter anderem Coffee-to-go-Becher produziert

Heißes Produkt: Papierbecher sind unter anderem für „Coffee to go“ beliebt. Becherproduktionsmaschinen stellen hohe Anforderungen an die Antriebstechnik. (Bild: Yaskawa)

Beim Bremsen treten grundsätzlich zwei generatorische Betriebszustände auf, die zu Problemen führen können. Zum einen können Spannungsspitzen entstehen, die die Antriebe der BMP 100 stark belasteten und damit zu Ausfällen führten. Zum anderen wird die Bremsenergie in Wärme umgewandelt, wodurch die Temperaturen am Bremswiderstand auf bis zu 80 Grad Celsius ansteigen können.

Diese besonderen Bedingungen hätten im Falle der BMP-100-Maschinen eigentlich erfordert, die Bremswiderstände in einen Schaltschrank zu montieren und die überschüssige Wärme wieder aufwendig abzuleiten. Schließlich ist der Werkstoff Papier leicht brennbar.

Spannungsspitzen um 30 Prozent reduziert

Bei der Michael Hörauf Maschinenfabrik suchten die Konstrukteure deswegen nach einer Lösung, die vor allem weniger Wärme produzierte. Fündig wurden sie bei Yaskawa. Der japanische Hersteller von Servoantrieben, Frequenzumrichtern und Industrierobotern hat für Anwendungszwecke wie den geschilderten den Frequenzumrichter GA700 im Angebot. Er ist nach Unternehmensangaben belastbar und langlebig und arbeitet bei Außentemperaturen von bis zu 50 Grad Celsius ohne Leistungsverlust. Ausgelegt ist der GA700 auf zehn Jahre Dauerbetrieb bei maximal 80 Prozent Leistung.

Die Hörauf Maschinenfabrik profitierte vor allem vom Einsatz einer hochdynamischen Strom-Vektor-Regelung (Open Loop Vector Control) in Verbindung mit dem Frequenzumrichter. Diese führt bei Asynchron- wie auch Permanent-Magnet-Synchronmotoren dazu, dass das volle Drehmoment bereits bei sehr kleinen Drehzahlen ohne Geberrückführung erreicht wird. Gerade der Asynchronmotor in der BMP 100 zeigt dadurch eine hohe Regelsteifigkeit.

Konkret wurden durch diese technische Eigenschaft des GA700 das Überschwingen der Mechanik, die generatorischen Effekte und die Spannungsspitzen minimiert. Letztere wurden um bis zu 30 Prozent reduziert, wodurch entsprechend weniger generatorische Energie entsteht. Die Temperatur der Bremswiderstände entspricht nun der Umgebungstemperatur.

Frequenzumrichter GA700 von Yaskawa mit Bedienteil

Der Frequenzumrichter GA700 von Yaskawa kann über das Bedienfeld am Gerät, aber auch per PC und Smartphone-App bedient werden. (Bild: Yaskawa)

Inbetriebnahme ohne Expertenwissen möglich

Der Frequenzumrichter GA700 bietet weitere Vorteile. So optimiert er seine Applikationsparameter kontinuierlich im Betrieb. Mit integrierten Leistungseigenschaften wie einem EMV-Filter, der internen 24-Volt-DC-Spannungsversorgung mit zusätzlichen 150 Milliampere für die Versorgung von externen Sensoren und der Gewährleistung der funktionalen Sicherheit nach STO SIL3 eignet sich der Frequenzumrichter auch für Anwendungen mit einer höheren Risikostufe. Auf externe Sicherheitsmaßnahmen kann dann verzichtet werden.

Ausgestattet ist das Modell darüber hinaus mit einem SD-Karten-Einschub, einer Bluetooth-Schnittstelle und einer Echtzeituhr. Die Uhr samt Speicherungs- und Übertragungsmöglichkeiten erleichtert Servicetechnikern die Arbeit. Auch die detaillierte Aufzeichnung von Lastprofilen wird so möglich.

Bedient wird das elektronische Modul über das integrierte Bedienfeld, am PC oder per Smartphone-App. Die „Yaskawa DriveWizard Mobile App“ ermöglicht es, die Parameter auf Wunsch auch in der Cloud zu speichern oder mit anderen Mitarbeitern zu teilen. Yaskawa verspricht auf jeden Fall, dass sich die Geräte auch ohne Expertenwissen schnell in Betrieb nehmen lassen.