Verarbeitungsmaschinen sind stoffverarbeitende Maschinen zur Herstellung von Konsumgütern. Aus überwiegend nichtmetallischen Rohstoffen und Vorprodukten stellen sie durch zielgerichtete Einwirkung auf das Verarbeitungsgut hauptsächlich Verbrauchsgüter (z. B. Lebensmittel, Pharmaka, Getränke) und nichttechnische Gebrauchsgüter (z. B. Textilien, Haushaltsgegenstände) her. Zu den Verarbeitungsmaschinen zählen dabei auch Verpackungsmaschinen. Bei der Produktion von Massenbedarfsgütern erreichen Verarbeitungsmaschinen große Ausbringungen und arbeiten in hohem Maße automatisiert.
Begriffsbestimmung
Einsatzziele
Verarbeitungsmaschinen finden überall dort Anwendung, wo zur Bedienung der Nachfrage des Konsumgütermarktes eine Mechanisierung und Automatisierung des Verarbeitungsprozesses notwendig ist. Folgende Ziele werden dabei mit unterschiedlicher Priorisierung verfolgt: Große Stückzahlen und hohe Ausbringung. Hohe Qualität des Endproduktes zur Gewährleistung der Verbrauchersicherheit und Erfüllung wachsender Verbraucherbedürfnisse. Minimale Stückkosten bei hoher Individualität der Produkte und maximaler Flexibilität des Verarbeitungsprozesses. Häufig widersprechen sich die Ziele oder schließen sich gegenseitig aus, sodass eine Schwerpunktsetzung für die einzelne Anwendung erforderlich ist. Beispielhafte Einsatzgebiete aus der Konsumgüterindustrie sind: Lebensmittelproduktion (Backwaren, Fleischwaren u. a.).
Herstellung von Pharmaerzeugnissen (Tabletten, Kapseln, Ampullen u. a.). Polygrafische Herstellungsprozesse (wie für Bücher, Zeitschriften, Verpackungsdruck- und Weiterverarbeitung). Obst- und Gemüseverarbeitung oder Getränkeabfüllung/-verpackung.
Besonderheiten
Natur- und Kunststoffe besitzen oft ungünstige Eigenschaften für die Verarbeitung in präzise und schnell laufenden Maschinen. In der Regel sind die verarbeitungsrelevanten Eigenschaften unbekannt, lassen sich nicht oder nur schwer identifizieren, erfassen und quantifizieren. Die Eigenschaften schwanken häufig, sind untereinander meist komplex vernetzt und ändern sich oftmals während des Verarbeitungsprozesses.
Der Verarbeitungsprozess stellt hohe Ansprüche an die kinematische und kinetische Auslegung der Maschine. Die Verarbeitungsaufgabe erfordert nicht selten komplizierte Bewegungsabläufe, die zu ungünstigen Verläufen von Kräften und Momenten führen. Hohe Ausbringung und Arbeitsgeschwindigkeit bewirken infolgedessen eine starke dynamische Beanspruchung der Maschinen. Viele hintereinander und parallel angeordnete Funktionen ergeben komplexe Bewegungs-, Steuerungs- und Regelcharakteristiken und anspruchsvolle Synchronisationsaufgaben. Die Vielzahl unterschiedlicher und komplex verketteter Verarbeitungsschritten müssen mit hoher Präzision und Prozesssicherheit aufeinander abgestimmt werden.
Verarbeitungsmaschinen sind oft in schwierigen Produktionsumgebungen im Einsatz. Sinkende Losgrößen und wachsende Flexibilität der Produktion verlangen kurze Rüstzeiten und einfache Rüstvorgänge. Hitze (z. B. beim Thermoformen), Feuchtigkeit (z. B. Getränkeabfüllung), hohe Ansprüche an die Reinheit und Qualität (z. B. sterile Herstellung von Pharmazeutika) stellen hohe Anforderungen an Material, Struktur und konstruktive Ausführung. Weltweit unterscheiden sich die Einsatzbedingungen zudem stark. Die Bedienung der Maschinen durch optimal ausgebildetes Fachpersonal kann beispielsweise häufig nicht gewährleistet werden. Gesetzliche Rahmenbedingungen wie Arbeitsschutz oder Hygienevorschriften bilden weitere zu erfüllende Anforderungen.
Häufig werden mehrere Verarbeitungsmaschinen zu große Anlagen kombiniert, die ein komplexes Gesamtverhalten aufweisen. Die schwierige Überschaubarkeit des Gesamtprozesses macht seine Überwachung anspruchsvoll und führt im Störungsfall nicht selten zu langen und komplizierten Fehlerfortpflanzungsketten.
Abgrenzung Verfahrenstechnische Anlagen realisieren chemische und biologische Stoffumwandlungen und physikalische Veränderungen im Stoffsystem und sind von diesem verfahrenstechnischen Prozess bestimmt. Im Gegensatz zu Verarbeitungsmaschinen spielt die Makrogeometrie des Produktes dabei keine bzw. eine untergeordnete Rolle.
Der Übergang zu geometrisch bestimmten und in der Menge festgelegten Einzelprodukten (Konsumgütern) erfolgt in den anschließenden Prozessen in Verarbeitungsmaschinen. Die Prozesse umfassen dabei auch die schrittweise Verpackung bis zu üblichen und standardisierten Gebinden der Logistikkette. Produktionsmittel werden üblicherweise nicht auf Verarbeitungsmaschinen hergestellt. Die Verarbeitung und Bearbeitung von metallischen Werkstoffen und Kunststoffen für den konstruktiven Einsatz erfolgt nur in Ausnahmefällen (z. B. Metallverpackung, Herstellung von Leichtbauwerkstoffen). Als Teil des Verarbeitungsprozesses treten auch in Verarbeitungsmaschinen verfahrenstechnische Prozesse auf (z. B. Backen von Teegebäck, Garen von Maultaschen), allerdings sind sie nicht deren einziger, strukturbestimmender Hauptbestandteil, sondern nur Teilprozess.
Struktureller Aufbau einer Verarbeitungsmaschine mini|412x412px|Prinzipielle Funktionsstruktur einer Verarbeitungsmaschine mit ihren Teilsystemen, ihren Funktionsbereichen und deren Wechselwirkungen Der strukturelle Aufbau einer Verarbeitungsmaschine wird primär bestimmt durch ihre Funktionsstruktur.Horst Goldhahn: Aufbau eines Systems verarbeitungstechnischer Grundlagen. Der Fakultät für Maschinenwesen des Wissenschaftsrates der Technischen Universität Dresden zur Erlangung des akademischen Grades Doktor eines Wissenschaftszweiges (Dr.–Ing.) vorgelegte Dissertation. Tag der Einreichung: 12. Dezember 1968, Promotionstag: 18. September 1969, S. 20f.
Eine Funktion beschreibt qualitativ und quantitativ die Veränderungen, die zwischen Eingang und Ausgang des funktionstragenden Systems zu realisieren sind: Qualitativ die Veränderung von Merkmalen im Zustand 1 am Eingang hin zu den Merkmalen im Zustand 2 am Ausgang. Quantitativ die Menge und die Zeit. Je nach Zweck der Betrachtung werden u. U. in frühen Phasen des Entwicklungsprozesses zunächst quantitative Größen vernachlässigt. Die Gesamtfunktion einer Verarbeitungsmaschine ist die Umsetzung der Verarbeitungsaufgaben. Die Verarbeitungsaufgaben umfassen die zu vollziehenden Stufen der Stoffumwandlung und -umformung, des Fügens und der Handhabung. Daraus leiten sich die Funktionen der Energieumwandlung und -umformung sowie die dazu benötigten Informationsverarbeitungsprozesse ab. Die Teilfunktionen einer Verarbeitungsmaschine gliedert man daher in vier Funktionsbereiche: Stoff, Energie, Signal und Raum. Eine Gruppe von Strukturelementen, die eine Teilfunktion umsetzt, wird Teilsystem genannt. Die vier Teilsysteme sind: Verarbeitungssystem (Stoff) Antriebs- oder Energiebereitstellungssystem (Energie) Steuerungssystem (Signal) Stütz- und Hüllsystem (Raum)
Das Verarbeitungssystem Das Verarbeitungssystem realisiert die Teilfunktionen des Funktionsbereichs Stoff. Hier findet die eigentliche Verarbeitung des Produktes statt. Die Teilfunktionen umfassen die Stoffverarbeitung und den Stofffluss des Verarbeitungsgutes. Der Begriff Verarbeitungsgut umfasst alle Rohstoffe, Vorprodukte und das daraus erzeugte Endprodukt. Verarbeitungsgüter können in unterschiedlichen Formen vorliegen: Strang- und Fadenformgut (z. B. Nähgarn) Flachformgut (z. B. Folie) Stückgut (z. B. Brühwürfel) Schüttgut (z. B. Nüsse) Hochviskoses pastöses Gut (z. B. Teig) Flüssiges Gut (z. B. Milch) Gase oder Aerosole (z. B. Lacknebel) In der Regel mehrstufige Verarbeitungsabläufe überführen das Eingangsprodukt in das Endprodukt. Man unterscheidet folgende Vorgangsgruppen innerhalb des Funktionsbereichs: Änderung des Zustandes des Verarbeitungsgutes: Trennen, Fügen, Formen Handhabungsfunktionen:VDI-Richtlinie 2680: Montage- und Handhabungstechnik; Handhabungsfunktionen, Handhabungseinrichtungen; Begriffe, Definitionen, Symbole, Beuth-Verlag GmbH, Berlin, 1990. Der Begriff „Handhaben“ ist in diesem Zusammenhang weiter gefasst als in VDI 2860, da in der Verarbeitungstechnik auch fließfähige oder pastöse Güter eingeschlossen sind. Dosieren, Ordnen, Fördern, Speichern
Die Wirkpaarung mini|350x350px|Wirkpaarung: Schema und Beispiel Die Wirkpaarung ist das kleinste Teilsystem des Funktionsbereichs Stoff und setzt die Zustandsänderung am Verarbeitungsgut um. Verarbeitungsgut und Arbeitsorgan bilden zusammen die Wirkpaarung. Das Arbeitsorgan führt durch mehr oder weniger gezielten Energieeintrag die Zustandsänderungen am Verarbeitungsgut herbei. Der Ort der Interaktion zwischen Arbeitsorgan und Verarbeitungsgut heißt Wirkstelle. Die genauere Betrachtung der Wirkpaarung erfolgt durch die ingenieurwissenschaftliche Disziplin der Verarbeitungstechnik. Beispiele für Wirkpaarungen sind: Messer und Papier Knethaken und Teig Siegelbacke und Folie Extruder und Granulat
Wirkpaarungsklassen – Arbeitsweisen von Wirkpaarungen Wirkpaarungen lassen sich nach ihrer Arbeitsweise in drei Klassen einteilen. Dabei sind die hauptsächlichen Unterscheidungsmerkmale der Transport des Verarbeitungsgutes durch die Wirkstelle und seine Bewegung während der Verarbeitung.
Wirkpaarungsklasse 1 – Batchbetrieb: Im Batchbetrieb ist das Verarbeitungsgut während der Verarbeitung unbewegt. Seine Aufnahme und Abgabe führen Transportsysteme durch, die nicht Teil der Verarbeitungsmaschine sind. In der Regel erfolgen Zu- und Abfuhr des Verarbeitungsgutes (z. B. Füllen/Entleeren eines Wirkraumes) über den gleichen geometrischen Ort. Ein innermaschineller Transport findet nicht statt. Wirkpaarungen der Klasse 1 finden dort Anwendung, wo große Mengen bei langen Einwirkzeiten verarbeitet werden müssen. Ihre Produktivität ist niedrig. Anwendungsbeispiele: Kneten von Teig Mischen von Haushaltsreinigern
Wirkpaarungsklasse 2 – intermittierend arbeitende Wirkpaarungen: Bei Anwendung von Wirkpaarungen dieser Art bewegt sich das Verarbeitungsgut periodisch durch die Wirkstelle. Während der Einwirkung des Arbeitsorganes befindet sich das Verarbeitungsgut in Ruhe. In der Regel erfolgt anschließend der Transport zur nächsten Wirkstelle. Diese Wirkpaarungsklasse wird gewählt, falls sich die Verarbeitung nicht am bewegten Produkt realisieren lässt oder die kontinuierliche Verarbeitung einen unverhältnismäßig hohen Aufwand zur Folge hätte. Beispielhafte Anwendungen: Formen, Füllen und Verschließen von Joghurtbechern Einschlagen von Butter Intermittierend arbeitenden Wirkpaarungen sind deutlich produktiver als Wirkpaarungen im Batchbetrieb, da Zu- und Abfuhr des Verarbeitungsgutes an der Wirkstelle gleichzeitig stattfinden können. Herausforderungen stellen sich allerdings oft auf Grund der dynamischen Belastungen durch die diskontinuierliche Bewegung der Arbeitsorgane und des Verarbeitungsgutes, dessen Belastungsgrenzen in der Regel die Produktivität limitieren.
Wirkpaarungsklasse 3 – kontinuierlich arbeitende Wirkpaarungen: Das Verarbeitungsgut bewegt sich während des gesamten Verarbeitungsvorgangs ohne Unterbrechung durch die Wirkstelle. Die Arbeitsorgane werden entlang der Bewegungsbahn des Verarbeitungsgutes mitgeführt oder arbeiten berührungslos. Beispiele: Siegelung von Schlauchbeuteln (Längsnaht mit Siegelrollen ultraschallgesiegelt, Quernaht über mitgeführte Siegelbacken) Kontinuierliche Befüllung von Flaschen bei gleichzeitigem Transport durch die Abfüllanlage Kontinuierlich arbeitende Wirkpaarungen erreichen höchste Produktivität. Ihre komplizierte Umsetzung erfordert allerdings einen tendenziell höheren technischen Aufwand.
Das Antriebssystem bzw. Energiebereitstellungssystem Das Antriebssystem ist dem Funktionsbereich Energie zugeordnet. Seine Aufgabe ist die Bereitstellung der vom Verarbeitungssystem benötigten Energie in erforderlicher Art, Menge und Form. Man spricht auch vom Energiebereitstellungssystem, da andere Funktionsbereiche wie der Funktionsbereich Signal ebenfalls mit Energie versorgt werden.
Zentrale Antriebssysteme