Bei der Auswahl einer industriellen Verpackungsmaschine kommt es darauf an, die Maschinenspezifikationen auf die Art des Produkts und seine physikalischen Eigenschaften abzustimmen, um sicherzustellen, dass die von Ihnen gewählte Ausrüstung Ihren spezifischen Anforderungen entspricht. Für hochviskose Produkte, dicke Pasten und Produkte mit festen Partikeleinschlüssen sind Standard-Schwerkraft- oder Überlaufsysteme nicht geeignet. Sie führen zu inkonsistenten Füllmengen, mechanischen Staus und erheblichen Produktverlusten. Dies ist der Grund Füllkolbentechnik wird die vorgeschriebene technische Norm.

Dieser Leitfaden richtet sich an diejenigen in Ihrem Betrieb, die Anlagen zur Bewältigung von Problemen im Zusammenhang mit hochviskosen Materialien bewerten, sowie an diejenigen in Ihrem Ingenieurbüro, die sich mit Materialverlusten und Problemen mit variablen Füllmengen befassen. Er gibt einen Überblick über die Konstruktionsprinzipien, die Produkt- und Komponentenkompatibilität, das Antriebssystem und die hygienischen Anforderungen an moderne Produktionslinien. Wenn Sie diese Grundlagen verstehen, können Ihre Mitarbeiter in Beschaffung und Technik Verpackungssysteme mit minimalen Ausfallzeiten und Produktverlusten entwerfen und gleichzeitig eine genaue volumetrische Kontrolle aufrechterhalten, die sich im Laufe der Zeit bewährt.

Was ist Kolbenfüllung und ihre industriellen Anwendungen?

Die Kolbenabfüllung ist ein Beispiel für die positive Verdrängungs-Volumenmesstechnik (VMT). Die Abfülltechnik basiert auf der Mechanik eines Kolbenzylinders und eines Kolbens. Wenn sich der Kolben zurückbewegt, wird ein Vakuum erzeugt und eine bestimmte Menge eines Produkts, insbesondere eines flüssigen Produkts, aus einem großen Vorratsbehälter in den Zylinder gesaugt. Wenn sich der Kolben in seine hintere Position bewegt, wird ein Ventil geschaltet. Der Kolben bewegt sich dann zurück. Wenn das Eis voll ist, bewegt sich der Kolben wieder nach vorne, und die Flüssigkeit wird durch eine Fülldüse in die wartenden Behälter auf den darunter liegenden Förderbändern abgegeben.

Da sich das Volumen des Produkts in einem Zylinder befindet, ist das Volumen des Zylinders bekannt. Andererseits ist die Länge des Kolbens, der bewegt wird, die Länge, die den Kolben zum Stillstand bringt. Daher wird unabhängig von der Flüssigkeit im Zylinder immer eine gleichbleibende, exakte Produktmenge abgegeben, was eine genaue volumetrische Befüllung garantiert.

Diese Technologie wurde für Branchen entwickelt, in denen die Materialien dick, dicht oder stückig sind. Standardmäßige Schwerkraft- oder Überlauffüller sind in diesen Situationen unwirksam, so dass die Kolbenverdrängung die einzige zuverlässige Methode zur Handhabung schwieriger Rheologien ist. Um den besten Einsatz dieser Technologie zu beschreiben, hebt die nachstehende Tabelle die wichtigsten industriellen Anwendungen und die Produktkategorien hervor, die sie bewältigen, wobei verschiedene Behältertypen und jede Behälterform berücksichtigt werden:

Für Ingenieure und Anlagenmanager, die die spezifischen mechanischen Elemente wie Trichterkonstruktionen, Zylinderwerkstoffe und Rahmenwerkstoffe verstehen wollen, empfiehlt es sich, vor der Festlegung der Anlagenspezifikationen die technischen Grundlagendokumente für Kolbenfüller zu Rate zu ziehen. Die beste Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness, OEE) für eine Verpackungsanlage wird durch die richtige Konstruktion der Anlagenkomponenten erreicht.

Materialkompatibilität: Viskosität, Partikel und Ventile

Bei der Konfiguration einer Kolbenfüllmaschine sind das interne Ventilsystem, der eingestellte Ventilweg und die rheologischen Eigenschaften des Produkts zu berücksichtigen. Die Viskosität der Flüssigkeit und eventuell vorhandene Feststoffpartikel bestimmen den Fließweg aus der Abfüllmaschine, unabhängig davon, ob es sich um zähflüssige oder dünnflüssige Produkte handelt. Wenn das Ventil falsch konstruiert ist, kann das Produkt zerdrückt werden, die Fließwege können verstopfen oder die Abfüllmaschine kann katastrophal beschädigt werden.

Drehventil vs. Rückschlagventil Verarbeitung

Das Ventil ist die Verbindung zwischen dem Trichter, dem Zylinder und der Düse. Es gibt zwei Haupttypen solcher Ventile: das Rückschlagventil und das Drehventil.

Ein Rückschlagventil arbeitet mit einfachen Druckunterschieden. Es verfügt in der Regel über einen Kugel- oder Federmechanismus, der sich in einem präzise bearbeiteten Sitz bewegt. Beim Ansaughub eines Kolbens öffnet ein Unterdruck die Kugel, was bedeutet, dass ein Weg vom Trichter zum Zylinder besteht und der Weg zur Düse geschlossen ist. Bei einem Ausstoßhub bewegt der Überdruck die Kugel nach unten, wodurch der Trichter geschlossen und der Weg zur Düse geöffnet wird. Obwohl die Rückschlagventile wirtschaftlich und effizient sind, eignen sie sich nur für dünnflüssige Produkte und Flüssigkeiten mit niedriger und mittlerer Viskosität, die keine Feststoffe enthalten. Feststoffe bewirken, dass ein Ventil volumetrisch falsch arbeitet und die Feststoffe zerdrückt. Bei Fruchtfleisch oder Fleischbrocken ist das Ventil immer noch offen und zerdrückt die Feststoffe.

Drehventile oder Kegelventile sind für hochviskose Pasten und viskose Produkte mit vielen Partikeln konzipiert. Anstatt eine Kugel mit Flüssigkeitsdruck zu bewegen, werden diese Ventile mit einem externen pneumatischen oder elektrischen Antrieb betrieben, um einen der bearbeiteten Kerne zu drehen. Jeder Kern hat ein ungehindertes Rohr (oder einen Kanal), das gerade durch ihn hindurchläuft. Wird er in die Einlassposition gedreht, ist er so ausgerichtet, dass er eine ungehinderte gerade Linie vom Trichter zum Zylinder bildet. Wird er in die Ausstoßposition gedreht, bietet er ebenfalls einen ungehinderten breiten Weg zur Düse. Da die Rinne groß ist und es sich um eine aktive Rinne handelt, kann sie schwere Gele und Pasten sowie große Feststoffe (ganze Erdbeeren oder große Rindfleischstücke in Hundefutter) ohne Abscherung verarbeiten. Die Zellenradschleuse hält das Produkt in gutem Zustand und sorgt für einen kontinuierlichen, verstopfungsfreien Produktionszyklus.

Die ultimative Viskositätsauswahltabelle

Um die genaue Spezifikation der Ausrüstung zu erleichtern, werden in der folgenden Matrix die Flüssigkeitseigenschaften mit dem erforderlichen Ventiltyp verknüpft.

Die Wahl der richtigen Konfiguration auf der Grundlage dieses Diagramms verhindert die häufigsten Ursachen für Ausfälle von Produktionsanlagen. Die Verarbeitung eines partikelreichen Tierfutters durch ein Rückschlagventil führt zu einem sofortigen Produktionsstopp, während die Verarbeitung von Wasser durch eine Hochleistungsschleuse eine unnötige Kapitalausgabe darstellt.

Optimierung der Abfüllphase: Gemeinsame Engpässe beseitigen

Nachdem festgestellt wurde, ob das Material verträglich ist, besteht der nächste Schritt darin, die eigentliche Abgabe des Materials in den Behälter zu steuern. Eine der offensichtlichsten Herausforderungen des technischen Transferprozesses für dicke Flüssigkeiten ist die Auswirkung des Transfers von der Düse des unter Druck stehenden Systems in den leeren Behälter, was zu übermäßigem Aufschäumen des Produkts und dem Phänomen führt, das als "Liquid Tailing" bezeichnet wird.

Die Funktionsweise des Kolbenzylinders

Um die Schwierigkeiten bei der Abfüllung richtig einschätzen zu können, müssen wir uns den besonderen mechanischen Fluss der Flüssigkeit vom Vorratsbehälter zum Behälter ansehen. Dieser Prozess beginnt am zentralen Vorratstrichter, der große Mengen des Produkts oberhalb der Abfüllzone enthält und sich auf die Schwerkraft stützt, um den dicken Produktstrom zum Ventil zu leiten.

Zur Ermittlung der volumetrischen Verdrängung der Maschine werden die innere Querschnittsfläche des Kolbens und die Hublänge des Kolbens sowie der Hub des Kolbens multipliziert.

Im ersten Teil des Prozesses schafft das Ventil (das entweder ein Rückschlag- oder ein Drehventil sein kann) einen offenen Kanal zwischen dem Überkopftrichter und dem leeren Zylinder. Der Kolben bewegt sich dann horizontal und erzeugt einen starken Unterdruck (Vakuum) im Inneren des Zylinders. Dieses Vakuum zieht dann die dicke Flüssigkeit, die Paste oder das Gemisch mit festen Partikeln an, so dass die Kammer des Zylinders vollständig gefüllt ist und seine maximale Kapazität erreicht. Wenn sich der Kolben während des Füllzyklus zu langsam bewegt (insbesondere bei hoher Viskosität), kann es zu Kavitation (Bildung einer Luftblase) kommen, wobei das Kollabieren der Blase die Qualität des Gemischs beeinträchtigen und zu uneinheitlichen Füllmengen führen kann, was Ihre Qualitätskontrolle insgesamt beeinträchtigt.

Sobald der Kolben vollständig zurückgezogen und der Zylinder vollständig geladen ist, bewegt sich das Ventil und dichtet den Weg zurück zum Trichter ab. Anschließend öffnet es einen neuen Weg, der zur Ausgabedüse führt.

Während des Ablassens bewegt sich der Kolben vorwärts und baut einen extremen Überdruck in der eingeschlossenen Flüssigkeit auf. Die Flüssigkeit kann nicht umkehren und in den Trichter zurückkehren. Stattdessen wird sie aus dem Zylinder herausgedrückt, gibt präzise Mengen durch das Ventilgehäuse zur Düse ab und wird genau in den auf dem Förderband darunter wartenden Behälter abgegeben. Bei hochviskosen Produkten wird ein extremer Innendruck erzeugt, und die Flüssigkeit wird mit sehr hoher Geschwindigkeit aus der Düse ausgestoßen. Der Übergang vom unter Druck stehenden Zylinder zum offenen, drucklosen Behälter ist der Punkt, an dem die Flüssigkeitsdynamik unvorhersehbar wird und die Kontrolle über das Produkt oft verloren geht.

Eliminierung von Schaumbildung und Tailing

Tailing (oder Stringing) und Foaming sind die beiden Phänomene, die bei der industriellen Hochgeschwindigkeits-Kolbenfüllung auftreten.

Das Nachlaufen tritt bei Flüssigkeiten auf, die sehr dickflüssig sind und sich beim Anhalten des Kolbens nicht sauber von der Düse lösen. Einige Beispiele sind dicke Soßen, Gel oder Honig. Ein dünner Faden des Produkts bleibt an der Düse hängen und schleift entweder am Rand des Behälters oder fällt auf das Förderband. Dies schleift an der Dichtungsfläche des Behälters und beeinträchtigt den nächsten Verschließ- oder Verschließvorgang. Dies bringt auch eine Menge hygienischer Probleme für die Produktionslinie mit sich.

Ingenieure müssen positiv schließende Düsen zusammen mit einem Anti-Tropf-Mechanismus spezifizieren, um die Rückstände zu beseitigen. Eine Positivverschlussdüse hat einen internen Stift oder ein Ventil, das ganz am Ende der Düse sitzt. Sobald der Kolben einen Ausstoßhub beendet, schließt sich dieser Stift und unterbricht den Flüssigkeitsstrom vollständig, was eine präzise Befüllung gewährleistet. Es tritt kein Produkt aus. Darüber hinaus verfügen fortschrittliche Systeme über eine Konfiguration, die als "Rücksaugung" bezeichnet wird. Hier bewegt sich der Kolben am Ende des Füllzyklus in eine kleine Rückwärtsbewegung. Dadurch entsteht ein geringer Unterdruck, und der Flüssigkeitsmeniskus wird in der Düse nach oben gezogen, so dass ein sauberer Bruch und kein Austropfen gewährleistet sind. Beim Befüllen von Behältern mit Flüssigkeiten, die Tenside enthalten (Reinigungsmittel, Shampoos und einige Proteinflüssigkeiten), verursacht das Einschließen von Luft Schaumbildung. Schaum erzeugt falsche Füllstände und verschwendet Produkt. Wenn der Füllstrom zu schnell ist, trifft er auf den Boden des Behälters, wodurch Luft aufgewirbelt wird und Schaum entsteht, der den Behälter überlaufen lässt.

Um das Schaumproblem zu lösen, muss die Produktionslinie Bottom-up-Füllsysteme (auch Tauchdüsen genannt) verwenden. Das bedeutet, dass die gesamte Düse vertikal bewegt wird, so dass der Boden der Düse nur wenige Millimeter vom Boden des Behälters entfernt ist, selbst wenn es sich um einen großen Behälter handelt. Die Luft über der Flüssigkeit wird durch die Flüssigkeit aus dem Behälter verdrängt. Die Höhe, bis zu der die Flüssigkeit im Behälter aufsteigt, ist perfekt auf die Geschwindigkeit des Aktuators abgestimmt. Daher ist der untere Teil der Düse immer in die Flüssigkeit eingetaucht, was Spritzer, Turbulenzen und Lufteinschlüsse verhindert und eine konstante Produktabfüllzeit garantiert.

Antriebssysteme: Pneumatische vs. servoangetriebene Füller

Das Antriebssystem (mechanische Energiequelle) bestimmt, wie genau, schnell und wirtschaftlich (Gesamtbetriebskosten, TCO) Kolbenfüllmaschinen über lange Zeiträume hinweg sind. Gegenwärtig werden Abfüllmaschinen mit Kolbenantrieben entweder durch herkömmliche Pneumatikzylinder oder durch neuere, eher elektrische, technologisch fortschrittliche Antriebs-/Motor-Kombinationssysteme angetrieben.

Pneumatisch: Kostengünstig und explosionsgeschützt

Bei pneumatischen Antriebssystemen wird der Kolben durch Druckluft betätigt. Ein Druckluftzylinder ist mit der Kolbenstange verbunden, und Wegeventile steuern den Luftstrom so, dass der Kolben entweder gedrückt oder gezogen wird.

Der Hauptvorteil pneumatischer Systeme besteht darin, dass sie einfach und kostengünstig sind. Es gibt weniger bewegliche Teile, sie lassen sich leichter elektronisch steuern (was die Wartung für Ingenieure erleichtert) und sind generell leichter zu warten. Außerdem werden pneumatische Systeme in gefährlichen Umgebungen bevorzugt. Pneumatische Systeme sind die beste Wahl für Verpackungsanlagen mit entflammbaren Materialien oder Nahrungsmittelfabriken, die mit feinen brennbaren Pulvern arbeiten, bei denen die Gefahr von Staubexplosionen besteht. Es ist möglich, ein pneumatisches System so zu konstruieren, dass es vollständig explosionssicher ist. Da sie mit Luftdruck arbeiten, besteht an der Stelle, an der das pneumatische System betrieben wird, keine Gefahr von Funkenbildung, und es wird kein elektrischer Antrieb verwendet.

Einige Einschränkungen bei pneumatischen Systemen sind ungenaues Füllen und langsame Umschaltzeiten. Um die Hublänge pneumatischer Kolben einzustellen, müssen die Bediener beispielsweise häufig Handräder und mechanische Anschläge verwenden. Wenn die Fabrik das Füllvolumen von 500 ml auf 1000 ml ändern muss, muss ein Bediener physisch eine Kurbel drehen, um die Einstellung vorzunehmen, dann Testfüllungen durchführen, die Leistung messen und die mechanischen Anschläge einstellen. Diese Aufgabe kann eine Maschine für eine beträchtliche Zeit außer Betrieb setzen. Auch Luftdruckschwankungen sind in großen Fabriken an der Tagesordnung, was zu ungenauen Abfüllungen während einer langen Produktionsschicht führen kann.

Servo-Antrieb: Präzision und schnelle Umstellung

Hochleistungs-Verpackungslinien wurden mit servogesteuerten Systemen modernisiert, bei denen intelligente Servomotoren, die mit Präzisionskugelspindeln verbunden sind, pneumatische Zylinder ersetzen. Bei diesen Systemen sendet eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) digitale Befehle an den Servomotor, um die Position des Kolbens zu steuern und seine Beschleunigung und Verzögerung zu verwalten.

Ein servoangetriebenes Kolbensystem erreicht eine unübertroffene Präzision und bringt hohe Genauigkeit in hochkomplexe Aufgaben. Es ist mit digitalen Encodern und geschlossenen Rückkopplungssystemen ausgestattet. Dadurch bewegt sich jeder Kolbenhub jedes Mal auf denselben Millimeter genau vor und zurück. Dieses System gleicht auch die kleinen Volumenänderungen aus, die durch Luftdruckschwankungen verursacht werden, so dass die Hersteller eine volumetrische Füllgenauigkeit von nur 0,5% erreichen können. Diese Präzision ist für Hersteller von Mehrwertprodukten wie Nahrungsergänzungsmitteln, hochwertiger Tiernahrung und Industriepasten von großem Vorteil, da sie Produktverluste minimiert und den ROI sichert.

Unter den vielen Vorteilen, die der Einsatz der Servotechnik mit sich bringt, ist der wertvollste die erhebliche Reduzierung der Umrüstzeit. Es werden keine mechanischen Handräder mehr benötigt, um Einstellungen vorzunehmen. Alle Prozessparameter werden jetzt über einen digitalen Touchscreen der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) verwaltet. Bei automatischen Kolbenfüllern und anderen automatischen Maschinen können die Ingenieure mehrere "Rezepte" für verschiedene Produkte und unterschiedliche Behältergrößen konfigurieren und speichern, je nach Art des jeweiligen Inhalts. Zum Beispiel ist die Umstellung der Produktion von einem 200g-Glas mit Paste auf ein 500g-Glas so einfach wie ein Knopfdruck. Der Servomotor passt seinen Hubwert an den des gewählten Rezepts an. Im Wesentlichen wird dadurch eine dreißigminütige mechanische (manuelle) Einstellung in eine zehnsekündige digitale Änderung umgewandelt, was zu einer enormen Verbesserung der Gesamtanlageneffektivität (OEE) für die gesamte Anlage führt.

Maximierung der Hygiene: CIP/SIP und werkzeuglose Reinigung

Bei Kolbenabfüllanlagen ist die mechanische Leistung der Abfüllmaschine zweitrangig gegenüber der hygienischen Konstruktion der Abfüllmaschine, die also im Vordergrund steht. Eine Maschine, die viskose Flüssigkeiten und eiweißhaltige, partikelförmige Lebensmittel abfüllt, ist anfällig für bakterielle Verunreinigungen. Wenn sich Produktrückstände in den Zylindern, Ventilen oder Düsen festsetzen und die Maschine für die Produktion angehalten wird, verderben diese Rückstände und kontaminieren die nächste Charge. Das bedeutet, dass bei der Konstruktion darauf geachtet werden muss, die Stillstandszeiten für die Reinigung zu minimieren und die Hygiene zu maximieren.

Bei der Standardausführung von Maschinen muss der Bediener den Flüssigkeitsweg mit einem Schraubenschlüssel und/oder Schraubendreher zerlegen, um ihn reinigen zu können. Dies kann Bauteile beschädigen, den Verlust von Kleinteilen verursachen, die Betriebszeit für die Reinigung unbrauchbar machen und Stunden an Produktionszeit kosten. Aus diesem Grund bieten hochwertige industrielle Kolbenfüller ein werkzeugloses Demontagekonzept. Alle Teile des Flüssigkeitsweges (der Trichter, die Dreh- oder Rückschlagventile, die Zylinder, die Abgabe-Endkappen und die Düsen) sind über hygienische Tri-Clamp-Anschlüsse befestigt. Ein Bediener kann den Flüssigkeitsweg in wenigen Minuten zerlegen. Die Kontaktteile müssen aus lebensmittelechtem 304- oder 316L-Edelstahl mit einer Dicke von 1,5 mm bis 2 mm bestehen, und die Schweißnähte müssen ultraglatt poliert sein, um die Bildung von mikroskopisch kleinen Fugen und langsamen Zonen und damit das Wachstum von Bakterien zu verhindern.

In großen Betrieben, in denen es nicht möglich ist, Maschinen zu zerlegen, müssen Maschinen entwickelt werden, die Clean-In-Place- (CIP) und Sterilize-In-Place- (SIP) Systeme integrieren. Ein CIP-fähiger Qualitäts-Kolbenfüller ist für den Anschluss an das automatische Reinigungssystem einer Anlage vorgesehen. Die Maschine kann so eingestellt werden, dass verschiedene Zyklen ohne manuelle Teileentnahme ablaufen. Dazu gehören konzentrierte alkalische Reinigungszyklen, saure Waschzyklen und gereinigte Spülwasserzyklen durch Trichter, Zylinder und Ventile. Während dieses Zyklus wird jeder Kolben wiederholt durchlaufen. Die Reinigungsflüssigkeit soll mit hohem Druck Schmutz und Ablagerungen von den Innenflächen entfernen. Dieses automatisierte System minimiert die manuelle Arbeit und die Stillstandszeiten der Maschine und erfüllt gleichzeitig die strengen Hygienevorschriften.

Partnerschaft mit einem Experten für Kolbenfüllungen

Eine der größten Herausforderungen bei der Verpackung viskoser Flüssigkeiten besteht darin, die volumetrische Genauigkeit langfristig zu erhalten, ohne den mechanischen Verschleiß zu beschleunigen. Während herkömmliche Abfüllanlagen sich schnell abnutzen oder an Konsistenz verlieren, wenn sie gezwungen sind, schlecht fließende Materialien zu verarbeiten, erfordern komplexe Produkte wie Fleischsaucen, dicker Honig und schwere Cremes präzisionsgefertigte Verdrängungssysteme. Aus diesem Grund ist Levapack, ein führender Hersteller von kundenspezifischen Verpackungsmaschinen, ein strategischer Partner für Anlagen, die Produktionsengpässe beseitigen und die Betriebssicherheit erhöhen wollen.

Bei der Verarbeitung von anspruchsvollen Rheologien leiden Standardzylinder oft unter einer Verschlechterung der Dichtungen und unregelmäßiger Dosierung. Unsere Ingenieure haben sich spezialisiert Lösungen für die Kolbenfüllung entwickelt, um genau diese mechanischen Ausfälle zu vermeiden. Durch die Verwendung von verschleißarmen Dosierzylindern und langlebigen, selbstkompensierenden Kolbendichtungen sind diese Systeme für einen lebenslangen, wartungsfreien Betrieb ausgelegt. Angetrieben von fortschrittlichen SPS-Systemen mit intuitiven Touchscreen-Bedienoberflächen können die Bediener nahtlos Füllvolumina von 100 ml bis 1000 ml einstellen und so eine präzise Hochgeschwindigkeitsdosierung in Aluminiumdosen, Glasgefäßen und vorgefertigten Beuteln gewährleisten, ohne dass umständliche Teile ausgetauscht werden müssen.

Gestützt auf umfassendes technisches Know-how und ein eigenes Forschungs- und Entwicklungszentrum lehnen wir es ab, uns auf Kompromisse von der Stange zu verlassen. Erfahrene Ingenieure bauen jedes Abfüllsystem von Hand zusammen, um höchste Präzision zu gewährleisten und die Maschinen genau auf die Anforderungen der Anlage abzustimmen. Um eine robuste, automatisierte Linie zu bauen, die sich mühelos an die schwierigsten Pasten und Flüssigkeiten anpasst, werden die Produktionsteams ermutigt, komplexe Produktmuster für umfassende Tests einzureichen, die es Levapack ermöglichen, eine kundenspezifische Kolbenfüller-Maschinenarchitektur zu validieren, die kompromisslose Genauigkeit und maximale Effizienz garantiert.