Weniger Engpässe und höhere Produktion mit der neuen automatisierten Verpackungslinie beim Dämmmaterialhersteller Isomo

Aufgabe:
Bereitstellen einer automatisierten Handlinglösung mit hoher Geschwindigkeit, die den Durchsatz am Ende der Produktionslinie bei kleineren Packungen mit Styropor-Dämmplatten erhöht. Somit kann der Hersteller die Produktion ausweiten, um die wachsende Nachfrage zu bedienen.

Lösung:
Installation einer neuen Linie mit zwei FANUC 410iB/300-Robotern zum Entladen und Transport von Plattenstapeln. Nach der Beschickung durch den ersten Roboter nimmt der zweite Roboter die korrekte Anzahl an Platten mit seinen Greifern auf und sendet sie – bei ausreichender Anzahl – weiter an die Verpackungsmaschine. Die benutzerfreundliche Einrichtung wird über einen PC gesteuert und bedient.

Ergebnis:
Die Packkapazität wurde verdoppelt, Engpässe behoben und die Produktion gesteigert. Dank der Geschwindigkeit und Effizienz der Roboter wurden die Zykluszeiten verkürzt und die Schichten von drei auf zwei reduziert.


Mehr Raum sorgt für Umsatzsteigerung

Was wahrscheinlich nur wenige Leser wissen: Isomo steht für ISOlation Modern. Es handelt sich um eine bekannte Marke für expandierende Styroporplatten. In Belgien werden sie im Allgemeinen als Styrofoam bezeichnet. Die Produktionsstätte der Isomo-Platten befindet sich in Kortrijk. Sie wurde 1956 gegründet und ist nach wie vor im Besitz der Familie Vereecke.

Isomo verkauft 50 Prozent seiner Produktion in Belgien. Der zweite wichtige Absatzmarkt mit viel Wachstumspotenzial ist Frankreich, wo die Verkaufschancen beim Kleinformat liegen. Dieser Markt ist im vergangenen Jahr schnell gewachsen und musste so schnell wie möglich bedient werden. Doch bei der Verpackungslinie kam es bei kleinen Formaten zu Engpässen. Ein Problem, das den Marktzugang erheblich erschwerte. Der semimanuelle Verpackungsprozess erfolgte ursprünglich mit Mensch und Maschine. Damit konnte der Markt zunächst erschlossen werden.   Seit August 2011 ist eine neue robotisierte Linie in Betrieb, die kleine Formate schnell und profitabel verarbeiten kann. Nicht nur die Packkapazität wurde verdoppelt (da dies der Engpass war, verdoppelte sich auch die Produktion), die Abteilung konnte ihre Schichten auch von drei auf zwei verkürzen. Mit einer Investition von einer halben Million Euro konnten auf dem wachsenden Markt in Frankreich überzeugende Geschäftsergebnisse erzielt werden.

Industry Technical & Management hat über diese neue Roboterinvestition mit dem Geschäftsführer Thierry Vereecke, mit dem technischen Leiter bei Isomo, Dieter Vernier, mit Hans Van Essche (stellvertretender Geschäftsführer), mit Jelle Parmentier, Projektingenieur bei Fraxinus (Entwickler und Hersteller der neuen Verpackungslinie) sowie mit Peter Kiekens und Annelies Vander Hulst vom Roboteranbieter FANUC gesprochen.

Produktion der Isomo-Platten

Der Rohstoff der Isomo-Platten ist expandiertes Styropor. Das Material wurde in den 1950er Jahren von BASF erfunden. Doch seit das Patent ausgelaufen ist, wird es von mehreren Unternehmen auf den Markt gebracht. Es gibt zwei Grundarten: das weiße reine Styropor und das schwarze Styropor mit schwarzen Kohlefasereinschlüssen. Letzteres verfügt über bessere Isoliereigenschaften und wirkt auch geräuschdämmend. Abhängig von den finalen Eigenschaften wird das Styropor mit Zusatzstoffen versehen (z. B. um es feuerfest zu machen).

Das Grundprodukt besteht aus Mikrozellen, die so fein wie Puderzucker sind und eine Außenwand aus Styropor sowie Pentan als Blasmedium umfassen. Bei Erwärmung dehnt das Blasmedium die Zellen um bis ein Fünfzigfaches aus. Dabei wird Luft in die Zellen gesaugt. Das Pulver wird in einem ersten Serienproduktionsschritt ausgedehnt. Dazu wird Dampf in ein Silo mit größeren hohlen Styroporkugeln gelassen. Die Größe der Kugel wird durch die Dampfmenge bestimmt, die während der Ausdehnung zugeführt wird. Das erreichte Ausdehnungsniveau hängt davon ab, welche Dichte die Platte haben muss. Nach einem ersten Trockenvorgang werden die Kugeln für die Weiterverarbeitung in Silos gelagert.

In einem zweiten Schritt wird das korrekte Gewicht an Kugeln durch einen Luftstrom vom Lagersilo in eine Form transportiert. Diese Kugeln werden erneut durch Lufteinblasung ausgedehnt. Aufgrund des begrenzten Volumens (die Form hat eine Größe von 6 x 1,2 x 1 m) werden die expandierten Kugeln gegeneinander gedrückt und schmelzen zu einem homogenen Block. Dieser enthält eine Menge Luft (etwa 95 % des Volumens), die in den aneinanderhaftenden, geschlossenen Styroporkugeln eingeschlossen ist.

Dieses Blockdämmmaterial wird mehrere Tage gelagert, bis die gesamte Reaktion abgeschlossen ist. Der dritte Schritt ist das Schneiden dieses Blocks. Dieser Vorgang umfasst drei Schritte: Zuerst wird nach Dichte geschnitten: Je nach Kunde und Adaption wird eine Vielzahl an Dichten angeboten, von einem einzigen Millimeter (für isolierende Tapeten) bis zu einer Stärke von einigen zehn Zentimetern (zum Beispiel für Wandisolation). Es wird meistens versucht, die gleiche Plattenstärke beizubehalten oder sie auf maximal drei Stärken zu beschränken. Danach wird die Breite geschnitten: Sie beträgt normalerweise 1,2 bzw. 1 m und seit kurzem auch 0,6 m. Auch hier sollten maximal drei Werte unterschieden werden. Zuletzt wird die richtige Länge zugeschnitten: Zuvor betrug diese meistens 2 m, nun ist auch verstärkt eine Länge von 33 cm gefragt. Das Ablängen erfolgt mechanisch mithilfe von vorgedehnten Kupferdrähten, die durch ihren elektrischen Widerstand erhitzt werden.  Der Zugdraht schmilzt sich durch den Block. Damit wird gleichzeitig die Schneideschicht versiegelt, um eine glatte Oberfläche zu erhalten. Die Position des Drahtes wird manuell festgelegt. Die Blöcke durchlaufen die drei Arbeitsschritte auf einem gesteuerten Transportförderer und werden automatisch geschnitten.

Referenzen als Basis

Der nächste Schritt ist das Verpacken. Früher hatten die Platten meistens eine Länge von zwei Metern und wurden häufig als Hohlwanddämmung verwendet. Ende der 1980er-Jahre wurde hierfür eine Verpackungsmaschine angeschafft, die mehrere Platte zusammen in einer Kunststofffolie verpackt. Die geschnittenen Blöcke werden mit einem Transportgurt zur Verpackungsmaschine bewegt. Die Platten werden entladen und dann manuell in der Foliermaschine platziert. Die Folie wird herumgewickelt und verschweißt. Anschließend werden die Pakete per Hand auf eine Palette gelegt.

Die Heimwerker auf dem französischen Markt fragten eher kleinere Plattengrößen und Pakete nach. Auch für Renovierungen und Wanddämmungen werden kleinere Plattengrößen verwendet. Große Platten konnten mit einer Geschwindigkeit von 60 qm/Std. verarbeitet werden. Bei kleinen Platten wird nur eine Geschwindigkeit von 30 qm/Std. erreicht. Deshalb befand sich die Schneidemaschine häufig im Ruhezustand. Mit anderen Worten: Der gesamte Produktionsdurchsatz sank erheblich und der Herstellungspreis für die kleinen Formate wurde so hoch, dass sich der Verkaufspreis nicht rechnete.

Daher entschied das Unternehmen 2010, eine spezielle Linie für die kleineren Formate zu installieren, um den Markt weiter bedienen zu können. Über Desco, den Anbieter der ersten bewährten Verpackungsmaschine, kam Isomo mit Fraxinus in Kontakt.  Mit der Seco-Verpackungsmaschine als Vorbild entwickelte und baute das Unternehmen einen Roboter, der drei Stärken zusammenpacken konnte.

Zwei Roboter in einer Reihe

Die neue Roboterlinie umfasst zwei Roboter – beide sind mit einem 410iB/ 300-Roboter von FANUC (max. gemeinsame Last 300 kg) ausgestattet. Die Roboterauswahl wird auch vom maximalen Gewicht, dem Arbeitsbereich und den verschiedenen auf den Roboter wirkenden Kräften bestimmt. Die geschnittenen Pakete bestehen aus verschiedenen, nebeneinander liegenden Stapeln und enthalten eine bestimmte Anzahl an Platten – wobei die Plattenstärke unterschiedlich sein kann. Sie werden von der Schneidemaschine auf einen Transportförderer übertragen. In der ersten Roboterposition werden sie Stapel um Stapel auf einen nachfolgenden Förderer geladen, der sie zur Entladeposition transportiert. Der Roboter nimmt die korrekte Anzahl an Platten mit seinem Greifer auf und legt sie auf die Rollenbahn, die sie zur Verpackungsmaschine bringt. Wenn die Anzahl der Platten mit der erforderlichen Stärke auf dem Stapel geringer ist als die Anzahl, die für die Verpackung benötigt wird, legt der Roboter sie auf eine der Wartepositionen. Sind hier dann genügend Platten der erforderlichen Stärke für ein Paket vorhanden, schickt der Roboter das Paket von der Warteposition an die Verpackungsmaschine.

Über die Rollenbahn erreicht es die Foliermaschine, wo es in Folie verpackt und fest verschweißt wird. Die Zykluszeit der Verpackungsmaschine beträgt acht Sekunden. Auf Schrumpffolie wurde bewusst verzichtet, damit die wärmeisolierenden Platten nicht beschädigt werden – also bei der hohen Temperatur nicht schmelzen. Die verpackten Platten gelangen über die Rollenbahn zum zweiten Roboter, der die Pakete gemäß Packschema auf der entsprechenden Palette stapelt. Es können bis zu drei verschiedene Stärken verarbeitet und somit auf drei verschiedenen Paletten gestapelt werden. Zwischen den beiden Robotern ist ein Gerät zum Drucken und Anbringen von Etiketten installiert, mit dem die Pakete ordnungsgemäß beschriftet werden.

PC-SPS-Kombination

Das Ganze wird über einen PC gesteuert und betrieben. Der PC unterstützt über Ethernet den Etikettendrucker, die Robotersteuerung, die Steuerung der Verpackungsmaschine und die SPS (Siemens S7), die den Rest der Linie steuert. Die SPS betätigt die pneumatischen Greifer sowie das Zuführungsband und die Entladerollenbahnen. Die Rollenbahnen werden von einem SEW-Motor und Kettentrieben zu den Rollen angetrieben. Ihre Geschwindigkeit wird über einen Lenze-Frequenzregler gesteuert, der über Profibus mit der SPS kommuniziert.

Heute muss der Bediener im PC eine Handhabungsmethode pro eingehendem gesägtem Block auswählen. Diese ist vorprogrammiert und hängt von der Art und dem Schnittmuster des eingehenden Blocks sowie dem gewünschten Packschema ab. In Zukunft möchten wir die Steuerung um einen Strichcodeleser und ein zentrales ERP-System erweitern. Die Software hierfür ist bereits vorhanden. Das von Fraxinus entwickelte Überwachungssystem ist sehr grafisch. Der Prozess kann visuell verfolgt werden – Unterbrechungen werden also sofort entdeckt. 

Pneumatische Greifer

Die Greifer wurden von Faxinus speziell für den Kunden entwickelt. Sie verfügen über ein doppeltes Greifsystem: Auf der eine Seite befinden sich zweiseitige Wände, die gegen die Isomo-Platten gedrückt werden. In den Wänden der Greifer befinden sich zusätzlich Nadeln, die in die Platten gesteckt werden, damit diese nicht rutschen.  Der Betrieb der Seitenwände und Nadeln wird durch pneumatische Zylinder unterstützt (Festo).

Alternativ wäre es möglich gewesen, diese Operationen mithilfe von Servospindelachsen durchzuführen. Damit hätte eine sechste Achse in die Robotersteuerung integriert werden können. Die Kosten wären allerdings sehr hoch gewesen, vor allem da hierfür eine sehr niedrige reguläre Marge erforderlich gewesen wäre.  Heute gibt es zwei Blockbreiten:  100 und 120 cm.

Schrittweise Inbetriebnahme

Fraxinus wurde im Dezember 2010 kontaktiert. Die ersten Entwürfe für die Roboterlinie umfassten eine Plattenstärke pro Block. Aufgrund dieses Vorschlags erteilte Isomo im Januar 2011 den Auftrag. Danach wurde der Entwurf so angepasst, dass drei Stärken verpackt werden können: Die Linie wurde damit erheblich flexibler. Im März konnte die eigentliche Konstruktion beginnen.

Die Installation vor Ort erfolgte in zwei Phasen. Die erste Phase mit dem Abstapelroboter und der Verpackungsmaschine war am 6. Juni 2011 abgeschlossen. Zwar wurden die Paletten immer noch manuell gestapelt, konnten aber sehr schnell in Folie verpackt werden. Das war auch nötig: Im Juni ist das Auftragsvolumen erfahrungsgemäß sehr hoch.  Das Endstück – der Stapelroboter – wurde im August 2011 stillgelegt und erneut erfolgreich in Betrieb genommen.  Die Geschwindigkeit der Verpackungslinie ist enorm angestiegen: Eine Linie kann 60 m³/Std. und bei einigen Typen sogar  bis zu 80 m³/Std. verarbeiten, also doppelt so viel wie früher. Auf die Nachtschicht kann somit verzichtet werden.

Verwendete FANUC-Produkte