Was ist eine Mehrkopfwaage in der Verpackung?

Mehrkopfwaagen sind Hochgeschwindigkeits-, Qualitäts- und Quantitätswaagen, bei denen ein Mikrocontroller mehrere Wägeeinheiten verwaltet und kombinatorische Mathematik verwendet, um das optimale Gewicht eines Produkts zu ermitteln und freizugeben. Im Gegensatz zu linearen Waagen, die quantitativ arbeiten und einen einzelnen Behälter füllen, bis ein bestimmtes Gewicht erreicht ist, teilen Mehrkopfwaagen das Schüttgut in kleinere Portionen auf, wiegen sie in verschiedenen Behältern und wählen eine Reihe von Behältern aus, die dem Zielgewicht eines Produktionslaufs entsprechen.

In automatisierten Lebensmittelverpackungsanlagen in einer Vielzahl von Branchen fungiert eine Mehrkopfwaage als Hauptverteilungszentrum für Materialien und als Hauptsteuerungsprozessor für den gesamten Produktfluss. Sie ist mehr als nur eine Wiegemaschine; Mehrkopfwaagen steuern den Fluss, die Geschwindigkeit und die Präzision der Produktionslinien. Die Verpackungsmaschine in Vertical Form Fill and Seal- und High-Speed-Dosieranlagen kann nur so schnell und genau arbeiten wie die Mehrkopfwaagen.

Weltweit tätige kleine und mittlere Unternehmen (KMU) in der Verpackungsindustrie werden wahrscheinlich gezielten und strategischen Investitionen den Vorrang geben, während sie gleichzeitig auf eine hochpräzise Fertigung umstellen und den Übergang von manuellen zu halbautomatischen Abläufen vollziehen. Der bedeutendste finanzielle Vorteil einer Mehrkopfwaage ist die Möglichkeit, den "Giveaway" zu minimieren. Unter "Giveaway" versteht man die überschüssige Produktmenge, die in einer Packung enthalten ist, um die nationalen Vorschriften zu erfüllen, nach denen jede Packung ein bestimmtes, gesetzlich festgelegtes Mindestgewicht haben muss. Beim manuellen Wiegen füllen die Mitarbeiter die Packung um einige Gramm mehr auf, um nicht bestraft zu werden, wenn sie zu wenig wiegen. Bei Millionen von Packungen kann das verheerend sein. Eine Mehrkopfwaage reduziert diese Überfüllungsspanne auf Bruchteile von Gramm. Aus diesem Grund ist sie so kosteneffizient, da sie die eingesparten Ausgaben direkt in Gewinn umwandelt und eine außerordentlich kurze Amortisationszeit für das investierte Kapital bietet.

Kernkomponenten eines Mehrkopfwaagensystems

Für Betriebsleiter ist es im Rahmen ihrer Beurteilung der Zuverlässigkeit der Geräte und ihrer Fähigkeit, die Hygienestandards zu erfüllen, hilfreich, ein Grundverständnis für die Konstruktion des Geräts zu haben, um das Funktionsprinzip der Mehrkopfwaage vollständig zu verstehen. Bei einer hochwertigen Mehrkopfwaage sind die vielen verschiedenen Einzelkomponenten ein gutes Beispiel für die enge Verzahnung von physikalischen und elektronischen Komponenten.

• Top Kegel: Als oberster Abschnitt der Maschine dient der Oberkonus als erster Kontaktpunkt und nimmt das Schüttgut von einem vorgeschalteten Schrägförderer oder Z-Eimer-Elevator auf. Der Oberkonus nutzt eine kontinuierliche, kontrollierte Vibration, deren Amplitude eingestellt werden kann, um die radiale Verteilung des Schüttguts nach außen zu den Linearförderern um 360 Grad zu unterstützen.
• Linear Futtermittel Pfannen: Diese radial um den oberen Konus und den Einlauftrichter angeordneten Auffangwannen sammeln das ausgebrachte Produkt. Jede Schale verfügt über ein unabhängiges Vibrationssystem, dessen Parameter so gesteuert werden, dass ein kontinuierlicher, gleichmäßiger Produktstrom zu den einzelnen Zuführeinheiten entsteht. Die Konstruktion jeder dieser Schalen wird an die besonderen Fließeigenschaften des zu verarbeitenden Produkts angepasst.
• Fütterungseimer (Vorratskübel): Diese Becher befinden sich unmittelbar unter den linearen Futterschalen und dienen als Zwischenspeicher zur Bereitstellung des Materials. In dem Moment, in dem der Wiegebehälter unter einer seiner Einstellungen sinkt, öffnet der Futtertrog seine Tore, um den Wiegebehälter wieder zu füllen. Durch dieses Stufensystem muss der oberste Kegel nicht darauf warten, dass jeder Becher einen Zyklus durchläuft, was einen kontinuierlichen Betrieb ermöglicht.
• Eimer wiegen: In diesem Teil des Wägeprozesses geht es vor allem um die Messung der Masse. Für die Rahmen der Maschinen und alle Teile, die mit den Lebensmitteln in Berührung kommen, wird lebensmittelechter Edelstahl 304 oder 316 mit einer Dicke von 1,5 bis 2 mm verwendet. Die einzigartige Spezifikation dieser Materialien stellt sicher, dass auch bei jahrelangen, hochfrequenten Vibrationen keine Mikrorisse entstehen. Außerdem sind die verwendeten Materialien sicher und weisen die höchste Korrosionsbeständigkeit auf, die durch den Kontakt mit Säuren oder Salzen entsteht.
• Wägezellen: Die Wägezellentechnologie ist das wichtigste Sensorelement in dieser Maschine. Jeder der Wägebehälter verfügt über eine Dehnungsmessstreifen-Wägezelle, die die vom Gegenstand nach unten ausgeübte Kraft misst und in eine Gewichtsmessung umwandelt. Die Sensoren sind in der Lage, Gewichtsveränderungen innerhalb einer Millisekunde zu erkennen und können Gegenstände mit einer Genauigkeit von 0,1 g bis 1,5 g messen, je nach Volumen oder Gewicht der einzelnen Teile.
• Schrittmotoren: Jede Schaufelklappe wird mit einer spezifischen Steuerung von Winkel, Geschwindigkeit und Schließkraft durch Schrittmotoren geöffnet und geschlossen. Im Vergleich zur Verwendung von Pneumatikzylindern ermöglichen Schrittmotoren eine bessere Kontrolle, da sie in der Lage sind, die Position der Schaufelklappe so zu steuern und anzupassen, dass das Produkt nicht zerdrückt wird.

Funktionsprinzip der Mehrkopfwaage Schritt für Schritt

Um das Verpacken wirklich zu beherrschen, muss man das Funktionsprinzip der Mehrkopfwaage in der Praxis verstehen.

Schritt 1: Materialzuführung und -verteilung

Der Prozess beginnt mit einem vorgelagerten Z-Elevator, der das Rohmaterial auf den oberen Konus abgibt. Ein fotoelektrischer Sensor, der sich oberhalb des oberen Konus befindet, bestimmt die Dicke des Produktbetts. Ist die Dicke zu gering, gibt der Sensor dem Elevator den Befehl, mehr Produkt abzugeben und die Zuführgeschwindigkeit zu optimieren. Wenn die Dicke zu hoch ist, befiehlt der Sensor dem Elevator, anzuhalten. Diese Rückkopplungsschleife verhindert strukturelle Schäden und einen gleichmäßigen Materialdruck. Mit Hilfe von Vibrationen verteilt der obere Konus das Produkt auf die Schalen des Linearförderers. Durch den Einsatz spezifischer Schwingungsfrequenzen verteilen und trennen diese Rinnen das Produkt gleichmäßig und erzeugen einen gleichmäßigen Fluss. Durch die Vibrationen der Wannen wird das Material von der Kante abgeschabt, so dass es durch einen Trichter oder direkt in den Bereitstellungsbereich der Futtereimer fallen kann.

Schritt 2: Unabhängiges Wiegen in Trichtern

Wenn die Dosierbecher das abgestufte Material enthalten, öffnen sich ihre Bodenklappen gleichzeitig und geben das Produkt in die direkt darunter befindlichen Wiegebehältermodule frei. Hier wird das Produkt tatsächlich gemessen. Jeder Wiegebehälter verfügt über hochpräzise Wägezellen, die den Wert des Materials in den Behältern sofort messen. Die Sensoren durchlaufen im Bruchteil einer Sekunde einen Prozess, der Stabilisierung genannt wird. Bei diesem Prozess werden alle mechanischen Vibrationsgeräusche aus der Fabrikhalle durch einen digitalen Tiefpassfilter gefiltert. Dann senden die Sensoren den Massenwert an die Hauptplatine der zentralen MCU. Beispiel: Das System erkennt, dass Trichter A 25 g, Trichter B 32 g, Trichter C 18 g usw. hat, und zwar über die gesamte Stückzahl. Höher entwickelte Systeme verfügen über eine Autostop-Funktion. Wenn die Sensoren feststellen, dass zu viele Behälter leer sind, unterbricht das System den Wiegezyklus, damit sich der Durchfluss stabilisieren kann und Teilmischungen vermieden werden.

Schritt 3: Die Magie des Kombinationsalgorithmus

Die eigentliche Magie des Funktionsprinzips der Mehrkopfwaage liegt in der Leistung ihrer computergesteuerten Wägealgorithmen. Nehmen wir an, die Produktionslinie hat ein Zielpackungsgewicht von 100 g. Die zentrale CPU sendet die Gewichte aller Behälter an die Kopfsteuerung, und der Mikrocomputer versucht nicht, einen einzelnen Behälter auf genau 100 g zu füllen. Stattdessen errechnet der Mikrocomputer sofort alle möglichen mathematischen Kombinationen der Behälter.

Bei einer typischen 14-Kopf-Waage wertet der Mikrocontroller in weniger als einer Zehntelsekunde Tausende von Gewichtskombinationen aus. Der Mikrocontroller versucht, die Kombination zu ermitteln, die 100 g oder das nächstmögliche Gewicht über 100 g (z. B. 100,2 g) ergibt, während er alle Kombinationen, die unter dem Zielgewicht liegen, strikt vermeidet und ablehnt, um die Verbraucherschutzgesetze einzuhalten. Wenn das System berechnet, dass Trichter A (25 g) + Trichter D (31 g) + Trichter G (44 g) 100 g ergeben, hat der Mikrocontroller eine perfekte mathematische Lösung. Der Mikrocontroller sendet ein Steuersignal an die Schrittmotoren der Trichter A, D und G, und die Schieber öffnen sich. Die 100 g Material werden über den mittleren Auslaufschacht sauber in die bereitstehende Blechdose, größere Behälter, Verbundpapierhülsen oder vorgefertigte Beutel entleert, die mit einer Rotationsverpackungsmaschine verpackt werden können.

Mehrkopfwaagen-Typen für unterschiedliche Materialien

Da Fabriken eine breite Palette von Produkten verarbeiten, bieten Kombinationswaagen eine enorme Vielseitigkeit.

Hochgeschwindigkeitsmodelle für Granulate und trockene Snacks

Diese Modelle sind auf Präzision und Geschwindigkeit ausgelegt und eignen sich hervorragend für die Verarbeitung von Granulat in großen Mengen und mit hoher Genauigkeit. Zu den Produkten gehören gemischte Nüsse, Trockenfutter für Haustiere, extrudierte Snacks, Cerealien, Kaffee und Reis. Die Kontaktflächen der linearen Schalen und Trichter bestehen je nach Reibungskoeffizient des Produkts entweder aus mikronisierten Standardoberflächen oder aus glattem Standard-Edelstahl. Die genoppte Oberfläche reduziert die Kontaktfläche und sorgt so dafür, dass ölige oder feuchte Körner nicht kleben bleiben. Die Gesamtkonstruktion gewährleistet einen schnellen Produktfluss und eine sofortige Stabilisierung der Wägezellen. Diese Art von Kopfwaage ist so konstruiert, dass sie sich der Geschwindigkeit von Hochgeschwindigkeits-Dosenverschließmaschinen oder VFFS-Absackmaschinen, um sicherzustellen, dass die nachgeschalteten Anlagen voll ausgelastet sind und mit optimaler Leistung arbeiten.

Low-Drop-Modelle für zerbrechliche Snacks

Verpackungsprodukte wie gefriergetrocknete Früchte, gebackene Kekse und Kartoffelchips können beim Verpacken ihre Integrität verlieren und leicht brechen. Gewöhnliche Schwerkrafttropfen führen dazu, dass das Produkt bricht, wenn es die Metallwände im Verpackungstrichter berührt, was zu inakzeptablen Brüchen und Staub im Verpackungsbereich führt. Mehrkopfwaagen mit geringer Fallhöhe führen das Produkt so zu, dass die kinetische Energie des Produkts verringert wird. Im Wesentlichen wird durch die Konstruktion die innere Geometrie der Maschine verändert. Die Gleitwinkel der Austragsrutschen werden wesentlich flacher, und der vertikale Abstand zwischen dem oberen Konus, den Dosierbechern und den Wiegebechern wird auf ein Maximum reduziert. Auf diese Weise ist die Maschine so konstruiert, dass das Produkt gleiten kann und nicht frei fällt. Diese Konstruktion zielt darauf ab, das Produkt in den verschiedenen Phasen zu schützen, von der Schüttung bis zur Verpackung.

Schneckendosierer für klebrige Lebensmittel

Die meisten Standard-Mehrkopfwaagen auf Vibrationsbasis versagen bei der Verarbeitung klebriger Produkte oder nasser, frischer Produkte, die zähflüssig oder stark mariniert sind. Zu dieser Kategorie gehören nasse Tierfutterstücke, verzehrfertige Mahlzeiten, frische Fleischwürfel und klebrige Obstkonserven. Diese Produkte kleben an den Edelstahlpfannen, und durch die Vibration werden sie nur komprimiert und bleiben in der Pfanne hängen, anstatt sich vorwärts zu bewegen. Um dieses fluiddynamische Problem zu lösen, werden Schneckensysteme integriert, die die lineare Vibrationszuführung ersetzen. Stattdessen werden motorisierte Schnecken in den Futtertrögen installiert. Diese Schnecken schieben das klebrige Produkt aktiv heraus und sorgen dafür, dass die Futtertröge vollständig gefüllt werden und die Menge des zugeführten Produkts gleich bleibt, unabhängig davon, wie nass oder klebrig das Produkt ist.

Wie man sich entscheidet: 10 vs. 14 vs. 24 Köpfe

Bei der Wahl der richtigen Konfiguration von Kombinationswaagen ist es wichtig, die technischen Parameter der Maschine an den erwarteten Ausstoß der Fabrik, das verfügbare Budget und die spezifischen Materialtypen, die verarbeitet werden sollen, anzupassen.

Wenn es um Produktionsanlagen von KMU geht, ist die logischste Investition eine 14-Kopf-Mehrkopfwaage. Bei den 14-Kopf-Waagen handelt es sich um industrielle Standardmodelle, die für hochpräzise Wägungen ausgelegt sind. Sie wiegen in einem einzigen Bereich von 10g bis 3000g, mit einer Abweichung der Wiegegenauigkeit von nur 0,1g bis 2g. Je nach Stückgewicht des Produkts haben die 14-Kopf-Mehrkopfwaagen ein Trichtervolumen von 1,6 l oder 2,5 l und unterstützen eine kontinuierliche Befüllung von 60 bis 120 Packungen pro Minute. Die 14-Kopf-Waage ist mit aktiven Servos und einer intelligenten MCU-Steuerung mit einem 7-Zoll-Touchpanel ausgestattet. Die 14-Kopf-Mehrkopfwaage ist für den schnellen Wechsel von Produktionslinien konzipiert. Das System ermöglicht die Produktion von mehreren Produkten ohne manuelle Änderungen. Produktionslinien können in Sekundenschnelle von 50 g Kaffee auf 500 g Reis umgestellt werden.

Gemeinsamer Leitfaden zur Fehlersuche für Ingenieure

Selbst bei hochwertigen Geräten mit MCU-Systemen treten häufig Probleme auf. Fehlerbehebung, Wartung und Betriebsprotokolle sind der Schlüssel zu Verbesserungen und Benutzerfreundlichkeit.

• Ungenaues Wiegen: Entfernen Sie die Wägesensoren noch nicht. Verwenden Sie die Software-Nullkalibrierungsfunktion auf dem MCU-Touchscreen, um die Nullkalibrierung zu starten.
  • Überprüfen Sie den Fabrikboden. Wägezellen sind sehr empfindlich und können durch Luftdruck beeinträchtigt werden. Vergewissern Sie sich, dass keine starken Luftströme, z. B. von HLK-Anlagen oder großen Industrieventilatoren, auf die Wägebehälter blasen.
  • Achten Sie auf physikalische Schwingungen. Stellen Sie sicher, dass die Mehrkopfwaage auf einer eigenen Tragkonstruktion steht, die nicht mit der nachgeschalteten Verpackungsmaschine oder dem Verschließer verbunden ist, damit sie möglichst frei von großen Vibrationen ist.
• Wägezellenstaub und Sensorfehler: An Orten, an denen mit pharmazeutischen, pulverförmigen oder staubigen Materialien gearbeitet wird, können sich feine Staubpartikel in den kleinen Lücken um die Wägezelle festsetzen und dazu führen, dass die Sensoren stecken bleiben und Fehlermeldungen anzeigen.
  • Die Reinigung ist sehr wichtig. Wenn die Ausrüstung keine hohe IP-Wasserdichtigkeitsklasse hat, die über dem Niveau der Abwaschbarkeit liegt, können die Reinigungskräfte nirgendwo in der Ausrüstung eine Hochdruckreinigung durchführen.
  • Die Techniker müssen trockene Druckluft und antistatische Bürsten verwenden, um den Staub aus den Sensorspalten zu entfernen.
• Materialblockade in Trichtern: Wenn das Produkt beim Öffnen der Schaufelklappen nicht vollständig entleert wird, greifen Sie zunächst auf das MCU-Bedienfeld zu und überprüfen Sie die Parameter des Schrittmotors. Stellen Sie sicher, dass der programmierte Öffnungswinkel und die Verweilzeit bei geöffnetem Tor für das Volumen und die Durchflussrate des Produkts ausreichen.
  • Wenn der mechanische Aufbau korrekt ist, aber das Material (Gummibärchen oder stark gesalzene Snacks) am Stahl klebt, dann ist Ihr rostfreier 304-Standardstahl nicht geeignet. Die technische Lösung besteht darin, die Standardtrichter durch solche zu ersetzen, die mit Teflon (PTFE) beschichtet sind oder über spezielle Muster mit Vertiefungen verfügen, die die Oberflächenreibung und das Anhaften verringern.

Zusammenfassung und nächste Schritte

Der erste Schritt bei der Suche nach einer geeigneten Mehrkopfwaage besteht darin, Ihre spezifischen Anforderungen an die Materialhandhabung und die räumlichen Gegebenheiten zu kennen. Eine Waage erreicht nur dann maximale Effizienz, wenn sie einwandfrei in ein breiteres, leistungsstarkes Ökosystem integriert ist.

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