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Nachhaltig Verpacken: Eine technische Herausforderung

Nachhaltig Verpacken: Eine technische Herausforderung

Das Umwelt- und Nachhaltigkeitsbewusstsein von Verbrauchern steigt weltweit, und die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft werden auch in der Produktion immer mehr umgesetzt. Die Verpackungsindustrie steht damit vor neuen Aufgaben: Gefragt sind Materialien, die leichter wiederverwendet werden können – wie einschichtiger Kunststoff oder Papier – aber auch eine Reduktion der eingesetzten Materialmengen. Das bringt technische Herausforderungen für Verpackungsmaschinen mit sich. Von Jorge Salgado, Food & Packaging Industry Manager, SMC Spanien

Bis 2030 müssen alle Kunststoffverpackungen innerhalb der EU recycel- oder wiederverwendbar sein. Das betrifft alle Arten von Verpackungen – von der Primär- bis zur Sekundärverpackung. Hier kommen häufig papierbasierte Materialien und Verfahren zum Einsatz, wie Blasformen von Kunststoffflaschen, Heißprägen von starren Schalen, Versiegeln mit Folien oder alle Arten von Tüten aus flexiblen Materialien.

Weniger oder anderes Material – die Herausforderung bleibt:
Exakte, optimal gesteuerte Prozesse und eine einfache Einrichtung

Fokus bei der Bekämpfung von Plastikmüll: mehrschichtiger Kunststoff
Herkömmliche Mehrschichtverbundfolien sind aufwändig und teuer im Recycling, denn die verschiedenen Folienschichten müssen getrennt werden. Mehrschichtige Verpackungsmaterialien auf Polymerbasis werden häufig verwendet, um die Eigenschaften verschiedener Polymere zu kombinieren. Ihre Vorteile für Verpackungen sind zahlreich. Doch aufgrund ihrer schlechten Recyclingfähigkeit werden die meisten Multilayer üblicherweise verbrannt oder deponiert. Das widerspricht dem Prinzip der Kreislaufwirtschaft. Zudem sind in vielen Ländern nicht die notwendigen Recyclingsysteme und -prozesse etabliert, um diese komplexen Verbunde zu recyceln. Im Gegensatz dazu sind Monomaterialfolien vollständig recycelbar.

Im Herstellungsprozess bringt der Wechsel von Mehrschicht- zu Monomaterialfolien einige Änderungen mit sich. Das Bedienpersonal an den Maschinen muss Prozesse manuell anpassen und Tests durchführen, bevor es eine komplette Charge freigibt. Bediener benötigen ein profundes Know-how, da kein Modellierungswerkzeug vorhanden ist, mit dem Parameter wie Zeit, Temperatur und Druck entsprechend der Materialeigenschaften eingestellt werden können. Eine Prozessgestaltung kann sogar unmöglich sein, weil sich Materialien von einer Charge zur anderen ändern. Kunststoff zu recyceln und wiederzuverwenden wird schwierig, weil sich die Zusammensetzung ändert. Und je häufiger Kunststoff recycelt wird, desto mehr werden seine Kohlenstoffkette und die Materialeigenschaften zerstört. Komplexität und Zeitaufwand in der Umsetzung sind hoch und können sich je nach Material von einer Charge zur anderen ändern, selbst bei sehr ähnlichen Produktionen.

Ein weiteres Problem bei Monomaterialien ist die Versiegelungstechnologie, insbesondere im Hochgeschwindigkeitsbereich. Parameter wie Siegelzeit, Temperatur oder Druck müssen anpasst werden. Bei einer Folie muss beispielsweise die Heißsiegelung präzise ausgerichtet werden. Nur so kann eine Beschädigung der hitzeempfindlichen Außenschicht verhindert und gleichzeitig die Siegelintegrität der Innenschicht gewährleistet werden.

Sind papierbasierte Lösungen eine Alternative?
Eine nachhaltige Alternative sind papierbasierte Lösungen: Die höhere Umweltfreundlichkeit liegt vor allem in der End-of-Life-Perspektive. Einmal in der Umwelt, können papierbasierte Verpackungen innerhalb von Monaten abgebaut werden. Bei Kunststoffen dauert der Abbau Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte; ein Großteil landet als Plastikmüll im Meer. Laut der Europäischen Umweltagentur sind 82 Prozent des gesammelten Mülls an europäischen Stränden aus Kunststoff und nur zwei Prozent aus Papier oder Pappe. In Europa liegt die Papierrecyclingrate bereits bei etwa 80 Prozent.

Prozesstechnisch ist die Versiegelung mit ihren exakten Klebetechnologien eine Herausforderung. Das größte Problem sind Kartonpartikel, die zu Ausfällen und Leistungsverlusten führen können.

Trend zu weniger Plastik
Ein weiterer Trend bei nachhaltigen Verpackungen ist das Re-Design, um eine Reduktion der Materialmenge zu erzielen. Die Fertigungstoleranzen sind kleiner, deshalb sind Präzision und Wiederholbarkeit entscheidend.

Eine Umstellung auf nachhaltige Verpackungen erfordert eine hohe Präzision und Kontrolle der Prozesse. Maßgebend im Produktionsprozess ist außerdem, dass die Produktion schnell umgestellt werden kann. Nachhaltige Verpackungen können letzten Endes zu Mehrkosten von 30 oder 40 Prozent führen. Wie Sie dem begegnen können? SMC unterstützt Sie dabei:

Erhöhen Sie mit OEE die Gesamtperformance Ihrer Produktion

Die Einbeziehung der Gesamtanlageneffektivität (Overall Equipment Effectiveness, kurz: OEE) ist ein sinnvoller Ansatz, um den Herausforderungen des nächsten Jahrzehnts zu begegnen und diese erfolgreich zu meistern. Produziert wird ausschließlich hochwertig (Qualität), so schnell wie möglich (Leistung) und ohne Ausfallzeiten (Verfügbarkeit).

Nachhaltige Verpackungen werden die OEE vor Herausforderungen stellen. Produktionsverluste werden erhöht, weil sich Rüstzeiten verlängern und die Produktqualität schwieriger zu halten sein wird. Maschinenbauer sind davon genauso betroffen wie End-User, die ihre Anlagen häufig aufrüsten oder überarbeiten, statt in eine neue Produktionslinie zu investieren.

Basiert eine nachhaltige Verpackungsalternative beispielsweise auf Papier, birgt dies ein Risiko für Verschmutzungen – damit verbunden sind ein Ausfallrisiko und eine Beeinträchtigung der Produktqualität. Dies erfordert den Einbau von Zylindern mit Schmiermittelfangschale, um einen Fettfilm auf der Kolbenstangenoberfläche zu erhalten und das Eindringen von Staub oder Ähnlichem zu verhindern. Diese Zylinder verbessern die Anzahl der Betriebszyklen um den Faktor vier. Empfehlenswert ist die Verwendung von Vakuumsystemen mit integrierten Inline-Luftfiltern und einem Verriegelungsmechanismus oder transparenten Behältern. Darüber hinaus kann die Auswahl eines geeigneten Vakuumsaugermaterials Ausfälle reduzieren. Eine weitere Alternative zur Sicherung der Qualität in der Papierstaubumgebung ist der Wechsel zur Zyklon-Vakuumtechnologie: Zyklonsauger werden mit Überdruck betrieben und der Staub wird dabei ausgestoßen.

Es gibt jedoch – unabhängig von Nachhaltigkeit – noch andere Verpackungsprobleme, die mit der Produktqualität zusammenhängen. Werden diese gelöst, wird sich die OEE erhöhen und dazu beitragen, die zusätzlichen Kosten und den Mehraufwand zu verringern, den ökologische Alternativen im Herstellungsprozess verursachen.

Entscheidend ist die Gesamtproduktqualität
Um die Gesamtproduktqualität zu erhöhen, spielen viele Faktoren eine Rolle, wie beispielsweise:

Anlauffehler vermeiden
Plastikfolien, Schaumstoffverpackungen oder Etiketten haften und ziehen Staub und Schmutz an. Das kann zu Fehlanwendungen oder Verunreinigungen bei Verpackungen von Pharmazieprodukten und Lebensmitteln führen. Industrielle Ionisatoren sind die wichtigsten Werkzeuge zur Beseitigung, Neutralisierung und Kontrolle statischer Aufladung. Sie sind in Stab-, Düsen-, Gebläsetypen und Blaspistolenausführung erhältlich. Mit unterschiedlichen Varianten passen sie sich optimal an die jeweiligen Produktionsbedingungen an, um elektrostatische Aufladung genau dort zu beseitigen, wo sie für Fertigungsprozesse problematisch ist.

Produktionsausschüsse verhindern
Beim Blasen und Versiegeln von Kunststoffflaschen ist die Temperaturkontrolle einer der wichtigsten Parameter, um die Qualität zu erhalten und die Rüstzeit zu verkürzen. SMC bietet eine Reihe digital steuerbarer Lösungen für die Kühlung des Kunststoffs oder die Versiegelung nach der Produktion.  

Leistungssteigerung durch digitale Steuerung
Die Superstars unter den Lösungen zur Leistungssteigerung sind digitale Sensoren und angeschlossene Geräte. SMC setzt auf ein breites Portfolio, um alle Komponenten zu digitalisieren, Produktionsumstellungen zu erleichtern, Rüstzeiten zu reduzieren und Konfigurationsspeicherungen zu ermöglichen. SMC Sensoren und Schalter helfen dabei, eine effektive vorausschauende Wartung zu implementieren und die gesamte Systemleistung in Echtzeit zu überprüfen.

Jedes Detail zählt, um Stillstandzeiten zu reduzieren sowie Präzision und Qualität zu erhalten
Dazu gehören:

  • Hochwertige Abdichtung
  • Durchfluss- oder Drucksensoren, die eine Echtzeitüberwachung ermöglichen, um ungeplante Wartungsarbeiten zu vermeiden und die Leistung der Antriebe zu gewährleisten
  • Antriebe mit Metalldichtungen, die sich durch ihren geringeren Verschleiß auszeichnen und einen wartungsfreien Betrieb sowie eine stabile Leistung bieten
  • Die Verrohrung kann durch den Einsatz eines CAD-Tools verbessert werden: Kabellänge und damit verbundener Verlust von Druck und Präzision werden minimiert. Außerdem erleichtern farbige Schläuche die Installation und Wartung und reduzieren Fehlerquellen
  • Vor der Markierung können Dreheinheiten für eine perfekte Positionierung und Blasverstärker zur Vorbereitung der Oberfläche eingesetzt werden – dies führt zu einer höheren Investitionsrendite
  • Standardmäßige Signalgeber, die an jeden SMC Aktor angepasst werden können
  • Geschwindigkeitsregelung, Wartung oder Einstellungen können auf eine viel schnellere Art und Weise durchgeführt werden: Statt Schrauben zum Einstellen des Durchflusses kommen benutzerfreundliche Alternativen zum Einsatz
  • SMC bietet Ventilsysteme, die einen Ventilwechsel ermöglichen – ohne den Betrieb der Ventilinsel zu unterbrechen (Hot Swap)
  • Darüber hinaus werden Schulungen für das Bedienpersonal angeboten, um einfache Probleme rasch eigenständig zu lösen.

Verschmutzung durch Plastikmüll ist ein Thema, mit dem wir uns auseinandersetzen müssen. Als Verbraucher und als Hersteller haben wir die Verantwortung, Nachhaltigkeit in unser Handeln zu integrieren. Dies wird jedoch in den nächsten Jahren viele Veränderungen in der Fertigung mit sich bringen. Diese Herausforderungen äußern sich in Maschinenmodifikationen, höheren Kosten und Produktionsunsicherheiten, die, wie dargelegt, durch den gezielten Einsatz der OEE Methode gemindert werden können. Bei SMC setzen wir auf lokale Experten mit umfangreichem Know-how in der Verpackungsindustrie, um unsere Kunden bei der Umstellung auf nachhaltige Verpackungen zu unterstützen. Vertrauen auch Sie darauf auf Ihrem Weg zu gesteigerter Nachhaltigkeit.

02.08.2021