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Die Erfindung betrifft eine Verpackungsmaschine, insbesondere für Lebensmittelprodukte, mit mehreren längs einer Transportrichtung hintereinander angeordneten Arbeitsstationen zum Herstellen von Packungen zumindest aus einer Unterfolie und einer Oberfolie, die wenigstens einen Produktbereich einer jeweiligen Packung einschließen, wobei eine Arbeitsstation eine Siegelstation ist, die dazu ausgebildet ist, den Produktbereich zwischen den Folien sowie einen Bereich oberhalb der Oberfolie und/oder einen Bereich unterhalb der Unterfolie zu evakuieren und/oder zu begasen und den Produktbereich durch Versiegeln der Folien zu verschließen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer Siegelstation einer Verpackungsmaschine.
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Derartige Siegelstationen und damit ausgestattete Verpackungsmaschinen sind grundsätzlich bekannt.
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Das Evakuieren und Begasen des Produktbereiches, also des das jeweilige Produkt enthaltenen Inneren der durch Versiegeln zu verschließenden Packung, dient im Lebensmittelbereich dazu, für einwandfreie hygienische Bedingungen beim Verpacken zu sorgen und die Haltbarkeit der verpackten Lebensmittelprodukte zu gewährleisten. Das Evakuieren und Begasen des Produktbereiches erfolgt typischerweise über in einem Unterwerkzeug der Siegelstation ausgebildete, in Transportrichtung der Verpackungsmaschinen hintereinander angeordnete Öffnungen bzw. Kanäle, an die eine als Vakuumquelle dienende Vakuumpumpe sowie eine Gasquelle zum Zuführen eines beim Begasen eingesetzten Schutzgases angeschlossen sind. Der Gasaustausch mit dem Produktbereich erfolgt über in einem Randbereich der auf dem Unterwerkzeug aufliegenden Unterfolie ausgebildete Öffnungen, die mit den Öffnungen bzw. Kanälen des Unterwerkzeugs der Siegelstation ausgerichtet sind.
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Dieses Konzept kommt grundsätzlich auch dann zur Anwendung, wenn zusätzlich zur Oberfolie und zur Unterfolie eine oder mehrere Mittelfolien vorhanden sind, um sogenannte Mehrlagenpackungen herzustellen, in denen jeweils mehrere übereinanderliegende Produktbereiche jeweils durch eine Mittelfolie voneinander getrennt sind.
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In der Praxis können sich die zu evakuierenden und/oder zu begasenden Packungen in vielfältiger Weise voneinander unterscheiden, insbesondere hinsichtlich der verwendeten Folien, der Packung an sich sowie des verpackten Produktes. Die Folien können sich z.B. hinsichtlich der Dicke oder der Bahnbreite voneinander unterscheiden. Die Packungen selbst unterscheiden sich beispielsweise hinsichtlich ihres grundsätzlichen Formats, ihrer konkreten Abmessungen sowie ihres Volumens. Die Produkte selbst können sich insbesondere hinsichtlich ihrer Strömungsempfindlichkeit voneinander unterscheiden. Hierbei muss man sich vergegenwärtigen, dass in bekannten Siegelstationen die Evakuierungsprozesse und Begasungsprozesse insbesondere jeweils zu Beginn mit relativ hohen Strömungsgeschwindigkeiten des aus dem oder den Produktbereichen abgesaugten bzw. in die Produktbereiche einströmenden Gases verbunden sind. Die Strömungsempfindlichkeit der Produkte kann aus deren Konsistenz, aber auch aus einem relativ geringen Produktgewicht resultieren. Bei den verpackten Produkten kann es sich z.B. um sogenannte Portionen aus einer Mehrzahl von gestapelten Produktscheiben wie beispielsweise Wurst- oder Käsescheiben handeln, die jeweils ein relativ geringes Eigengewicht besitzen. Die Strömungsverhältnisse beim Evakuieren bzw. Begasen können somit den Produktaufbau stören und beispielsweise zu einem Verrutschen oder gar Umherwirbeln insbesondere der obersten Produktscheibe oder auch mehrerer Produktscheiben im jeweiligen Produktbereich führen. Ferner können sich die Produkte hinsichtlich ihres Volumens voneinander unterscheiden, welches sie in der jeweiligen Packung einnehmen und welches die Gasmenge bestimmt, die aus der Packung evakuiert bzw. mit der die Packung befüllt werden muss.
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Es wurde bereits versucht, unterschiedlichen Gegebenheiten dadurch Rechnung zu tragen, dass auf Basis von Versuchen oder aufgrund von Erfahrungswerten feste Voreinstellungen an einer Siegelstation vorgenommen wurden, indem in den zur Siegelstation führenden Vakuum- bzw. Gasleitungen die Strömungsquerschnitte fest vorgegeben wurden. Diese Einstellungen wurden manuell oder mit Hilfe pneumatisch betätigter Ventile vorgenommen, die jeweils eine feste Öffnungsposition sowie eine fest vorgegebene Schließposition ermöglichten. Auch wurden bereits motorisch bewegbare Stellglieder eingesetzt, wie sie generell aus dem Bereich der Pneumatik und Hydraulik bekannt sind. Auch hierbei erfolgte lediglich eine statische Einstellung im Sinne einer daraufhin fest vorgegebenen Voreinstellung des betreffenden Stellgliedes, wobei ein ansteuerbarer Servomotor für ein Stellglied letztlich nur dazu diente, einen manuellen Eingriff unmittelbar am Einbauort des Stellgliedes zu vermeiden.
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Diese bislang verfolgten Konzepte haben alle den Nachteil, dass sie auf festen Voreinstellungen basieren und dass schnelle Veränderungen des Strömungsquerschnitts weder beim Evakuieren noch beim Begasen des Produktbereiches möglich sind. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund einer Zunahme des Automatisierungsgrades und der Flexibilität moderner Verpackungsmaschinen unbefriedigend, da diese Maschinen zunehmend in der Lage sind, in Abhängigkeit von Kundenwünschen und sonstigen Anforderungen bestimmte Parameter der Packungen, die insbesondere das Packungsvolumen im laufenden Betrieb betreffen, zu verändern. Eine Anpassung an die sich in entsprechender Weise ändernden Gegebenheiten beim Evakuieren und Begasen lediglich mittels fest einstellbarer Einrichtungen zum Verändern des Strömungsquerschnitts ist in der Praxis unmöglich.
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Die vorstehenden Ausführungen gelten nicht nur für das Evakuieren und Begasen des Produktbereiches, sondern auch für das grundsätzlich bekannte Evakuieren und Belüften jener Bereiche, die sich oberhalb der Oberfolie und unterhalb der Unterfolie befinden. Das Belüften dieser Bereiche wird der Einfachheit halber im Folgenden ebenfalls als „Begasen“ bezeichnet. Das Verändern des Drucks in diesen Bereichen, um so das Verhalten der Oberfolie und der Unterfolie beim Evakuieren und Begasen des Produktbereiches gezielt zu beeinflussen, ist an Siegelstationen für Verpackungsmaschinen von Lebensmittelprodukten zwar grundsätzlich bekannt, leidet aber prinzipiell an den gleichen Nachteilen wie das Evakuieren und Begasen der Produktbereiche.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zu schaffen, an einer Siegelstation einer Verpackungsmaschine das Evakuieren und/oder Begasen so flexibel wie möglich gestalten zu können, um insbesondere schnelle Veränderungen und automatische Anpassungen vornehmen zu können.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Verpackungsmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest einem der Bereiche eine Regeleinrichtung zugeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, beim Evakuieren und/oder beim Begasen den Druck innerhalb dieses Bereiches zu regeln. Dementsprechend ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass beim Evakuieren und/oder beim Begasen zumindest eines der Bereiche der Druck innerhalb dieses Bereiches geregelt wird.
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Unter einer Regelung ist hier gemäß dem üblichen technischen Verständnis zu verstehen, dass der Druck innerhalb des jeweiligen Bereiches eine Regelgröße darstellt, die erfasst und mit einer jeweils geeigneten Führungsgröße verglichen wird, um erforderlichenfalls durch eine jeweils geeignete Maßnahme beeinflusst zu werden.
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Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt schnelle Druckänderungen und automatische Anpassungen des Drucks an sich verändernde Gegebenheiten. Insbesondere ist es durch die Erfindung möglich, einen grundsätzlich beliebigen zeitlichen Verlauf des Drucks während eines jeden Evakuierungs- und/oder Begasungsprozesses zu realisieren, der von einem zeitlichen Verlauf abweicht, wie er sich im Stand der Technik von selbst eingestellt hat. Ohne die Erfindung ergab sich beispielsweise der zeitliche Druckverlauf jeweils insbesondere aus der Saugleistung der Vakuumquelle, dem abzusaugenden Gasvolumen sowie den Strömungswiderständen der beteiligten Leitungen, Anschlüsse und Ventile. An einen solchen starren, dem System innewohnenden zeitlichen Druckverlauf ist man erfindungsgemäß nicht mehr gebunden.
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Die erfindungsgemäße Druckregelung kann beispielsweise nur für den Produktbereich vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Druckregelung im Bereich oberhalb der Oberfolie und/oder im Bereich unterhalb der Unterfolie erfolgen.
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Als Stellglied der erfindungsgemäßen Regelung dient vorzugsweise jeweils eine Einrichtung, mit welcher sich der Strömungsquerschnitt in einer jeweiligen Vakuumleitung oder Gasleitung verändern lässt. Insbesondere kommt jeweils ein Stromventil in Form eines Drosselventils zum Einsatz. Für jedes Ventil ist vorzugsweise ein elektrisch betriebener Stellantrieb vorgesehen, z.B. ein ansteuerbarer Servomotor, der in Abhängigkeit entsprechender Steuerbefehle von einer Steuereinheit das Ventil weiter öffnen oder weiter schließen kann, um zu jedem Zeitpunkt einen gemäß einer Vorgabe gewünschten Wert für den Strömungsquerschnitt des Ventils und so für den Gasdurchfluss durch die betreffende Leitung einzustellen.
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Die Erfindung ermöglicht folglich in dem jeweiligen Bereich der Packung bzw. der Siegelstation eine dynamische Einstellung sowohl von festen Druckwerten im Sinne einer Festwertregelung als auch von zeitlichen Druckverläufen im Sinne einer Folgeregelung.
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Die erfindungsgemäße Regelung kann an einer Vielzahl von Stellen der Vakuum- und/oder Gasversorgung der Siegelstation erfolgen und insbesondere eine Vielzahl von in den entsprechenden Leitungen vorgesehenen Ventilen einbeziehen. Die als Regler des Regelkreises dienende Steuereinheit zum Verändern des jeweiligen Strömungsquerschnitts, insbesondere zum Ansteuern der Stellmotoren der Ventile, kann eine lediglich der Siegelstation zugeordnete separate Steuereinheit sein, die mit einer zentralen Maschinensteuerung der Verpackungsmaschine kommuniziert, oder sie kann in diese übergeordnete Maschinensteuerung integriert sein.
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Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass durch die im jeweiligen Bereich erfolgende Druckmessung - also durch die Erfassung der Regelgröße - Daten zur Verfügung stehen, die nicht nur für die eigentliche Druckregelung genutzt, sondern außerdem für andere Zwecke verwendet werden können.
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Außerdem kann beispielsweise für jeden Evakuierungs- und/oder Begasungsprozess der tatsächliche zeitliche Druckverlauf aufgezeichnet werden. Aus diesen Ist-Kurvenverläufen können z.B. automatisch durch geeignete Algorithmen die unterschiedlichsten Auswertungen abgeleitet werden, um beispielsweise Aussagen über die aktuell gegebene Dichtigkeit des Vakuumsystems treffen oder unerwünschte Schwankungen der Schutzgasversorgung erkennen zu können.
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Des Weiteren lassen sich beispielsweise Grenzwertvorgaben und Trendanalysen realisieren, mit denen nach entsprechender Auswertung beispielsweise dem Bedienpersonal erforderliche Wartungstätigkeiten angezeigt oder Fehlermeldungen generiert werden können.
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Die mit der Erfindung verbundene Datenerfassung und -verarbeitung kann über die Druckregelung hinaus für andere Zwecke wie z.B. Fernwartung und Ferndiagnose der Siegelstation genutzt werden. Zudem können die Siegelstation und die Verpackungsmaschine in vorhandene und zukünftige Vernetzungslösungen eingebunden und insbesondere für alle denkbaren „Industrie-4.0“-Anwendungen bereit gemacht werden.
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Des Weiteren hat die durch die Erfindung geschaffene Möglichkeit, Ventile oder andere Einrichtungen zur Durchflussveränderung gezielt ansteuern zu können, den Vorteil, dass auch bestimmte Schaltzeitpunkte zum Öffnen und Schließen vorgegeben werden können.
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Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht es ferner, bestimmte Druckwerte vorzugeben, beispielsweise einen Mindestdruck und einen Maximaldruck für einen jeweiligen Bereich der Packung bzw. der Siegelstation. Diese vorgegebenen Werte können gespeichert werden, so dass die erfindungsgemäße Regelung in Abhängigkeit von dem jeweiligen Regelungskonzept darauf zugreifen kann. In Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten können diese vorgegebenen Werte verändert werden, um so die Evakuierungs- und/oder Begasungsprozesse an die jeweiligen Umstände anpassen zu können. Die vorgegebenen Werte können beispielsweise in Abhängigkeit von Eigenschaften der Packung, von Eigenschaften des verpackten Produktes sowie von Eigenschaften der verwendeten Folien verändert werden. Mögliche Eigenschaften wie beispielsweise das Volumen der Packung, die Strömungsempfindlichkeit des Produktes sowie die Foliendicken wurden vorstehend bereits erwähnte, worauf hier verwiesen wird.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Siegelstation für eine Verpackungsmaschine, insbesondere für Lebensmittelprodukte, und zwar eine Siegelstation, wie sie in dem auf die Verpackungsmaschine gerichteten unabhängigen Anspruch definiert ist. Insbesondere ist diese Siegelstation dafür ausgelegt, mit einer Regeleinrichtung zusammenzuwirken, die dazu ausgebildet ist, beim Evakuieren und/oder beim Begasen den Druck innerhalb eines jeweiligen Bereiches der Siegelstation zu regeln. Alternativ können zumindest Teile der Regeleinrichtung, insbesondere Drucksensoren, ein Bestandteil der Siegelstation sein. Für eine solche Siegelstation wird auch separat Schutz beansprucht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.
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Vorzugsweise umfasst die Regeleinrichtung eine Druckmesseinrichtung zum Messen des Drucks innerhalb des jeweiligen Bereiches, eine mit dem jeweiligen Bereich über zumindest eine Leitung in Verbindung stehende Vakuum- und/oder Gasquelle, eine ansteuerbare Einheit zum Verändern des Durchflusses durch die Leitung, insbesondere zumindest ein durch Ansteuern betätigbares Ventil, sowie eine mit der Druckmesseinrichtung, der Vakuum- und/oder Gasquelle und der ansteuerbaren Einheit verbundene Steuereinheit.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, kann in dem Fall, dass die Regelgröße der Druck im Produktbereich ist, als Führungsgröße ein vorgegebener zeitlicher Solldruckverlauf vorgesehen sein. Mit anderen Worten ist die Regeleinrichtung bevorzugt dazu ausgebildet, zumindest den Druck im Produktbereich in Abhängigkeit von wenigstens einem vorgegebenen oder vorgebbaren zeitlichen Solldruckverlauf zu regeln.
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Auch die Regelung des Drucks im Bereich oberhalb der Oberfolie und/oder des Drucks im Bereich unterhalb der Unterfolie kann grundsätzlich in Abhängigkeit von vorgegebenen zeitlichen Solldruckverläufen erfolgen. Alternativ kann als Führungsgröße für den Druck im Bereich oberhalb der Oberfolie (im Folgenden einfach „der obere Druck“) und/oder im Bereich unterhalb der Unterfolie (im Folgenden einfach „der untere Druck“) der tatsächlich gemessene Druck im Produktbereich dienen. Mit anderen Worten kann die Regeleinrichtung dazu ausgebildet sein, den oberen Druck und/oder den unteren Druck in Abhängigkeit von dem Druck im Produktbereich zu regeln.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Stellglied der Regelung von einer ansteuerbaren Einheit zur Durchflussveränderung gebildet wird, insbesondere von wenigstens einem durch Ansteuern betätigbaren Ventil.
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Wenn beim Evakuieren und/oder beim Begasen der Druck in einem jeweiligen Bereich, insbesondere im Produktbereich, in Abhängigkeit von einem zeitlichen Solldruckverlauf geregelt wird, dann kann vorgesehen sein, dass dieser Solldruckverlauf nicht-linear ist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Evakuieren und/oder das Begasen eine Anfangsphase und eine sich an die Anfangsphase anschließende Arbeitsphase aufweist, wobei der Solldruck in der Anfangsphase langsamer geändert wird als in der Arbeitsphase. Hierdurch lassen sich schlagartige Druckveränderungen und damit einhergehende hohe Gasströmungen vermeiden. Alternativ oder zusätzlich kann der Solldruck auch in einer sich an die Arbeitsphase anschließenden Endphase langsamer geändert werden als in der Arbeitsphase.
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Wenn beim Evakuieren und/oder Begasen der obere Druck und/oder der untere Druck in Abhängigkeit von dem Druck im Produktbereich geregelt wird, dann folgt bevorzugt der obere bzw. untere Druck dem Druck im Produktbereich. Dabei kann der obere bzw. untere Druck dem Druck im Produktbereich entweder zeitlich nacheilen oder vorauseilen. Diese Druckdifferenz kann entweder zeitlich konstant sein oder zeitlich variieren. Insbesondere ist die Druckdifferenz vorgegeben oder vorgebbar.
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Ein solches Konzept ermöglicht es, durch eine Druckdifferenz gezielt Einfluss auf die Bewegungen der Unterfolie und der Oberfolie zu nehmen. Beispielsweise lässt sich hierdurch eine Kraft vorgeben, mit welcher Oberfolie und Unterfolie auseinander gedrückt werden. Ein weiteres Beispiel für eine Einflussnahme auf die Folien ist die hierdurch ermöglichte Einstellung eines jeweils gewünschten Abstands zwischen Oberfolie und Unterfolie.
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Wie bereits an anderer Stelle erwähnt, ermöglicht es die Erfindung, die Vorgabe eines festen Druckwertes oder eines bestimmten zeitlichen Verlaufs des Drucks in einem jeweiligen Bereich für alle Packungen einheitlich zu wählen oder die Vorgaben zu variieren, beispielsweise von Packung zu Packung oder - wenn die Verpackungsmaschine und somit auch die Siegelstation mehrspurig ausgebildet ist - von Packungsreihe zu Packungsreihe.
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Dementsprechend kann gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass für nacheinander in die Siegelstation gelangende Packungen oder Gruppen von Packungen die Druckregelung einheitlich erfolgt oder in Abhängigkeit von jeweiligen Vorgaben unterschiedlich erfolgt.
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Wenn - wie in der Praxis meist üblich - der Arbeitsablauf z.B. einer Tiefzieh-Verpackungsmaschine getaktet erfolgt und dabei in jedem Arbeitstakt ein Vorzug erfolgt, d.h. von der oder den Folien jeweils eine vorgegebene Folienlänge abgezogen und längs der Verpackungsmaschine transportiert wird, dann kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen sein, dass die Druckregelung für jeden Vorzug individuell erfolgt.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Daten, welche die Druckregelung einer Produktcharge betreffen, z.B. Mess- und Einstellwerte, bei der Festlegung der Daten für die Druckregelung bei einer oder mehreren nachfolgenden Produktchargen berücksichtigt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Seitenansicht eine mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Verpackungsmaschine,
- 2 bis 4 jeweils schematisch in einer senkrecht zur Transportrichtung einer Verpackungsmaschine geschnittenen Ansicht eine erfindungsgemäße Siegelstation zur Erläuterung von in erfindungsgemäßer Weise geregelten Evakuierungs- und Begasungsprozessen, und
- 5 bis 9 mögliche zeitliche Druckverläufe beim Evakuieren und Begasen bestimmter Bereiche der Siegelstation.
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Eine Verpackungsmaschine, wie sie insbesondere zum Verpacken von Lebensmittelprodukten eingesetzt wird und beispielhaft in 1 dargestellt ist, umfasst typischerweise eine Vielzahl von Arbeitsstationen 13, 15, 19, 21, die entlang einer Arbeits- oder Transportrichtung T aufeinanderfolgend angeordnet sind.
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In einer derartigen Verpackungsmaschine werden häufig die Produkte nicht nur verpackt, sondern es werden die Packungen überhaupt erst hergestellt. In sogenannten Tiefzieh-Verpackungsmaschinen, die zum Verpacken von Lebensmittelprodukten sehr häufig eingesetzt werden, werden die Packungen aus wenigstens zwei Materialbahnen, insbesondere Folienbahnen hergestellt, nämlich einer Unterfolie 25 und einer Oberfolie 27. Typischerweise wird an einer im Anfangsbereich der Maschine gelegenen Tiefziehstation 13 eine Umformung der von einer Vorratsrolle 41 abgezogenen Unterfolie 25 mittels eines Tiefziehvorgangs durchgeführt, um beispielsweise ein schalenförmiges Unterteil einer jeweiligen Packung 23 herzustellen.
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An einer sich anschließenden Einlegestation oder Produktauflagestation 15 werden die Produkte in die zuvor gebildeten Packungsunterteile eingelegt. Anschließend kann die ebenfalls von einer Vorratsrolle 43 abgezogene Oberfolie 27 zugeführt werden, die auf die mit den Produkten gefüllten Verpackungsunterteile, also auf die Unterfolie 25, gelegt wird, woraufhin die beiden Folien in einer Siegelstation 21 versiegelt werden, um die Packungen zu verschließen.
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Den Betrieb der Verpackungsmaschine 11 steuert eine zentrale Steuereinrichtung 39. Insbesondere dann, wenn die Siegelstation 21 erfindungsgemäß ausgebildet ist bzw. in erfindungsgemäßer Weise hinsichtlich des Evakuierens und/oder Begasens geregelt wird, dann kann die entsprechende Steuereinheit für die Siegelstation 21 in die zentrale Steuereinrichtung 39 integriert sein.
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Eine erfindungsgemäße Siegelstation 21 und eine erfindungsgemäße Regelung dieser Siegelstation 21 werden nachstehend in Verbindung mit den 2 bis 4 näher beschrieben. Abweichend von der vorstehend in Verbindung mit 1 erläuterten Verpackungsmaschine 11 wird dabei die Siegelstation 21 anhand einer Anwendung beschrieben, bei der keine Mittelfolie zugeführt und somit keine Mehrlagenpackung hergestellt wird, sondern die Packungen 23 lediglich von einer tiefgezogenen Unterfolie 25 und einer die Packungen 23 verschließenden Oberfolie 27 gebildet werden. Des Weiteren zeigen die 2 bis 4 lediglich beispielhaft eine Siegelstation für einen zweispurigen Betrieb, d.h. für eine zweispurige Verpackungsmaschine, bei der folglich in jeder sich quer zur Transportrichtung erstreckenden Packungsreihe zwei Packungen 23 nebeneinanderliegen, die am Ende des Arbeitsprozesses durch geeignete Schneideinrichtungen der Packungsmaschine 11 vereinzelt werden.
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In den 2 bis 4 der Einfachheit halber nicht dargestellt sind die grundsätzlich bekannten Transportketten der Verpackungsmaschine, die an einem jeweiligen sich in Transportrichtung T (vgl. 1) erstreckenden Rahmenelement eines Maschinenrahmens der Verpackungsmaschine 11 abgestützt sind und dazu dienen, die Unterfolie 25 durch die Verpackungsmaschine 11 und somit auch durch die Siegelstation 21 zu transportieren.
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Aufbau und Funktionsweise einer Verpackungsmaschine und insbesondere einer Tiefzieh-Verpackungsmaschine sowie Aufbau und Funktionsweise einer Siegelstation einer Verpackungsmaschine insbesondere für Lebensmittelprodukte sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass hierauf nachstehend nicht näher eingegangen zu werden braucht.
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Gemäß 2 umfasst die Siegelstation in einem oberen Gehäuse 54 ein im Folgenden auch einfach als Oberwerkzeug bezeichnetes oberes Siegelwerkzeug 55 sowie in einem unteren Gehäuse 56 ein im Folgenden auch einfach als Unterwerkzeug bezeichnetes unteres Siegelwerkzeug 57. Die beiden Werkzeuge 55, 57 wirken zusammen, um an quer zur Transportrichtung beabstandeten Siegelstellen 71 die Oberfolie 27 und die Unterfolie 25 miteinander zu versiegeln. Zwei Siegelstellen 71 befinden sich an den beiden seitlichen Randbereichen der Folien 27, 25. Die dritte Siegelstelle 71 befindet sich zwischen den beiden Packungen 23.
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In einem Produktbereich 29 einer jeweiligen Packung 23 befindet sich ein zu verpackendes Produkt 51. Im unteren Gehäuse 56 sind zu den Produktbereichen 29 führende Kanäle 59, zu Bereichen 31 oberhalb der Oberfolie 27 führende Kanäle 63 sowie zu Bereichen 33 unterhalb der Unterfolie 25 führende Kanäle 61 ausgebildet.
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Der Gasaustausch mit den Produktbereichen 29 erfolgt durch die übereinander liegenden Randbereiche der beiden Folien 25, 27 hindurch, und zwar über im Randbereich der Unterfolie 25 ausgebildete, in Transportrichtung T der Verpackungsmaschine 11 (vgl. 1) verteilte Öffnungen (nicht dargestellt), mit denen die Kanäle 59 ausgerichtet sind. Diesbezüglich wird auch auf die Ausführungen im Einleitungsteil verwiesen.
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Nachfolgend wird anhand der 3 und 4 ein Evakuierungs- und Begasungsprozess beschrieben, der jeweils für eine Packungsreihe, also für die beiden nebeneinander liegenden Packungen 23, alle Bereiche mit einbezieht, also den jeweiligen Produktbereich 23 sowie den jeweiligen oberen Bereich 31 und den jeweiligen unteren Bereich 33. Das Begasen der unteren und oberen Bereiche 31, 33 erfolgt durch Atmosphärenluft und wird daher auch als Belüften bezeichnet. Der Begriff „Begasen“ wird verwendet, da für die Produktbereiche 23 ein Schutzgas verwendet wird. Als Schutzgas dient beispielsweise Stickstoff oder Kohlendioxid oder eine Mischung dieser beiden Gase. Der Einfachheit halber wird im Folgenden das Belüften der oberen und unteren Bereiche 31, 33 ebenfalls als Begasen bezeichnet. Der nachfolgend beschriebene Prozess wird auch als „Gasaustausch“ oder als „Verpacken unter Schutzatmosphäre“ bezeichnet.
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Wie 3 zeigt, sind an alle Bereiche 29, 31, 33 der Siegelstation Vakuumleitungen VL angeschlossen, die mit einer gemeinsamen Vakuumpumpe 35 verbunden sind. In jeder Leitung VL ist ein als Drosselventil ausgebildetes Vakuumventil W angeordnet, dem ein mittels der Steuereinheit 39 ansteuerbarer Servomotor M zugeordnet ist, um den Strömungsquerschnitt des betreffenden Ventils W und somit den Durchfluss durch die betreffende Leitung VL verändern zu können.
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Beim vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 in den 5 bis 9 dauernden Evakuieren der Produktbereiche 29 erfolgt die Regelung des Drucks p in den Produktbereichen 29 unter Verwendung eines in der Steuereinheit 39 abgespeicherten zeitlichen Solldruckverlaufs V als Führungsgröße, wie er prinzipiell in 6 dargestellt ist. Der Druck p in dem Produktbereich 29 als Regelgröße wird mittels des Drucksensors PP erfasst. Der Verlauf V zeichnet sich dadurch aus, dass sich in einer zum Zeitpunkt t0 beginnenden Anfangsphase A der von einem Anfangsdruck p0 ausgehende Druck vergleichsweise langsam ändert, um hierdurch starke Gasströmungen in dem Produktbereich 29 zu vermeiden. Nach einer steileren Arbeitsphase W wird die Solldruckkurve V wieder flacher, d.h. auch in einer sich an die Arbeitsphase W anschließenden, zum Zeitpunkt t1 bei einem jeweiligen Vakuumdruck pv endenden Endphase E wird durch eine relativ langsame Änderung des Drucks vermieden, dass der Aufbau der Produkte 51 in dem Produktbereich 29 gestört wird.
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Zum Vergleich zeigt 5 einen zeitlichen Druckverlauf, wie er sich in den Produktbereichen 29 beim Evakuieren ohne die erfindungsgemäße Regelung ergeben würde, und zwar in Abhängigkeit von den jeweiligen strömungstechnischen Gegebenheiten, wie z.B. der Saugleistung der Vakuumpumpe und den Strömungswiderständen der betreffenden Leitungen. Ohne die erfindungsgemäße Regelung würde sich folglich zu Beginn t0 des Evakuierungsprozesses eine schlagartige Druckänderung ergeben, welche die Produkte 51 beeinträchtigen könnte.
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Vorzugsweise werden nicht nur die Produktbereiche 29 evakuiert, sondern auch der obere Bereich 31 und der untere Bereich 33. Die Druckregelung für diese beiden Bereiche 31, 33 erfolgt dabei in Abhängigkeit von dem in den Produktbereichen 29 gemessenen Druck als Führungsgröße, wobei die Regelung derart eingestellt ist, dass entsprechend der in 7 dargestellten Kurvenschar VP (Druck in den Produktbereichen 23), VU (Druck im unteren Bereich 33) und VO (Druck im oberen Bereich 31) eine zeitlich zumindest im Wesentlichen konstante Druckdifferenz zwischen den einzelnen Drücken eingehalten wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Druck im oberen Bereich 31 jeweils unterhalb des Drucks im unteren Bereich, der wiederum unterhalb des Drucks im Produktbereich 29 liegt. Wie im Einleitungsteil bereits erwähnt, kann hierdurch der Abstand zwischen Unterfolie 25 und Oberfolie 27 während des Evakuierungsprozesses gezielt vorgegeben werden. In Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten können die einzelnen Druckverläufe auch anders als in 7 relativ zueinander angeordnet sein, d.h. der Druck im oberen Bereich 31 und/oder der Druck im unteren Bereich 33 können dem Druck in dem Produktbereich 29 jeweils sowohl vorauseilen als auch nacheilen.
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Was den Solldruckverlauf G beim vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 in den 5 bis 9 dauernden Begasen bzw. Belüften anbetrifft, so zeigen die 6 und 7 jeweils einen linearen Druckanstieg für alle Bereiche 29, 31, 33, wie er sich in Abhängigkeit beispielsweise von der Saugleistung der Vakuumpumpe und den Strömungswiderständen der betreffenden Leitungen ohne eine erfindungsgemäße Druckregelung einstellen würde.
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Wie der Druckverlauf für die Bereiche 29, 31, 33 während des Begasens bzw. Belüftens gemäß 8 zeigt, kann abweichend von einem sich von selbst einstellenden linearen Druckanstieg gemäß den 6 und 7 beim Begasen bzw. Belüften auch eine Regelung entsprechend einem vorgegebenen, zeitlich nicht-linearen Solldruckverlauf stattfinden. Um wiederum schlagartige Druckänderungen vor allem in den Produktbereichen 29 zu vermeiden, kann ein geregeltes Einströmen des Schutzgases in die Produktbereiche 29 gemäß der in 8 dargestellten Kurve G als Führungsgröße bei gleichzeitiger Erfassung des Drucks p in den Produktbereichen 29 als Regelgröße erfolgen. An eine zum Zeitpunkt t1 beginnenden Anfangsphase A mit vergleichsweise geringer Änderungsrate des Drucks p schließt sich eine Arbeitsphase W mit zunehmender Druckänderungsrate an.
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Bei geschlossenen Vakuumventilen W (vgl. 3) wird hier der Servomotor MGP für ein Gasventil GVP mittels der Steuereinheit 39 angesteuert, um in einer Gasleitung GL, welche die Produktbereiche 29 mit einer Schutzgasquelle 37 verbindet, den Gasdurchfluss entsprechend der Vorgabe der Regelung einzustellen (vgl. 4).
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Gleichzeitig mit dem Begasen der Produktbereiche 29 erfolgt das Belüften des oberen Bereiches 31 sowie des unteren Bereiches 33, und zwar durch Ansteuern entsprechender Servomotoren MGO bzw. MGU, die einem Gasventil GVO bzw. GVU zugeordnet sind, welches in einer zum oberen Bereich 31 bzw. zum unteren Bereich 33 führenden Gasleitung GL angeordnet ist.
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Wie die für den Begasungs- bzw. Belüftungsprozess in 9 dargestellte Kurvenschar zeigt, kann entsprechend dem für das Evakuieren vorgesehenen Konzept gemäß 7 der Druck p im oberen Bereich 31 und im unteren Bereich 33 derart in Abhängigkeit von dem gemessenen Druck in den Produktbereichen 29 geregelt werden, dass sich für den oberen Bereich 31 und den unteren Bereich 33 Druckverläufe GO bzw. GU ergeben, wonach - wie gezeigt - der Druck jeweils niedriger ist als in den Produktbereichen 29. Auch hier kann aber in Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten sowohl für den Druck im oberen Bereich 31 als auch für den Druck im unteren Bereich 33 wahlweise sowohl ein Vorauseilen als auch ein Nacheilen gegenüber dem Druck in den Produktbereichen 29 vorgegeben werden.
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Am Ende des Begasungs- bzw. Belüftungsprozesses zum Zeitpunkt t2 ist der Gasaustausch in den Produktbereichen 29 abgeschlossen, so dass die Unterfolie 25 und die Oberfolie 27 durch Zusammenwirken von Unterwerkzeug 57 und Oberwerkzeug 55 der Siegelstation in grundsätzlich bekannter Weise an den erwähnten Siegelstellen 71 miteinander versiegelt und somit die betreffenden Packungen 23 verschlossen werden können.
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Dabei wird in an sich bekannter Weise über einen im oberen Gehäuse 54 ausgebildeten Druckluftkanal 73 eine Siegelmembran 75 beaufschlagt, die wiederum das auch als Siegelplatte bezeichnete Oberwerkzeug 55 mit seinen hierfür vorgesehenen Siegelabschnitten an den Siegelstellen 71 auf die Folien 25, 27 presst. Nicht dargestellt sind Produktschutzplatten, die jeweils zwischen dem Oberwerkzeug 55 und der Oberfolie 27 zwischen den Siegelstellen 71 angeordnet sein können und dann dazu dienen, die jeweilige Packung 23 vor der hohen Temperatur des Oberwerkzeugs 55 zu schützen.
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Die erwähnten Vakuumleitungen VL und Gasleitungen GL münden jeweils nebeneinander liegend in den jeweiligen Bereich 29, 31, 33 bzw. in einen zum jeweiligen Bereich 29, 31, 33 führenden Kanal des betreffenden Gehäuses 54, 56. Dies ist so nur der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt: Während 3 lediglich die Vakuumleitungen VL zeigt und die Gasleitungen GL weggelassen sind, ist dies in 4 umgekehrt.
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Wie dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist, erfolgt der Arbeitsablauf in einer wie vorstehend beschrieben arbeitenden Tiefzieh-Verpackungsmaschine getaktet. In jedem Arbeitstakt wird von der Oberfolie 27 und der Unterfolie 25 jeweils eine vorgegebene Folienlänge abgezogen und längs der Verpackungsmaschine 11 transportiert (vgl. 1). Dabei entspricht folglich ein Arbeitstakt zumindest einer Packung 23 oder - wenn wie hier die Verpackungsmaschine 11 zweispurig oder allgemein mehrspurig ausgebildet ist - zumindest einer quer zur Transportrichtung T der Verpackungsmaschine 11 verlaufenden Packungsreihe mit einer der Anzahl der Spuren entsprechenden Anzahl von Packungen 23.
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Alternativ kann bei entsprechend gestalteten Werkzeugen in der Siegelstation 21 in jedem Arbeitstakt auch ein Packungsformat bearbeitet werden, welches mehrere unmittelbar aufeinanderfolgende Packungsreihen umfasst und auch als Formatsatz bezeichnet wird.
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Der vorstehend erläuterte, dem eigentlichen Versiegelungsvorgang vorgeschaltete Evakuierungs- und Begasungsprozess wiederholt sich folglich, sobald mit dem nächsten Arbeitstakt der Verpackungsmaschine 11 die nächste Packungsreihe oder der nächste Formatsatz in die Siegelstation 21 transportiert worden ist.
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Unabhängig von ihrer konkreten Ausgestaltung können für eine erfindungsgemäße Siegelstation oder Verpackungsmaschine und damit auch für die vorstehend beschriebene Siegelstation 21 die nachfolgend genannten Parameter für einen Arbeitstakt gelten:
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Die Dauer der Evakuierungsphase kann zwischen 0,3 Sek. und 4,0 Sek. liegen. Das Begasen kann zwischen 0,2 Sek. und 2,0 Sek. dauern. Die Zeitspanne für den eigentlichen Siegelvorgang kann zwischen 0,6 Sek. und 3,0 Sek. betragen. Der Prozess des Evakuierens, Begasens und Versiegelns einer Packung, einer Packungsreihe oder eines Formatsatzes liegt meistens zwischen etwa 1 Sek. und 7 Sek. Dabei sind Ausreißer nach oben durchaus möglich.
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Zu den vorgenannten Prozesszeiten addieren sich bei Betrachtung des gesamten Arbeitstaktes noch das Öffnen und Schließen der Werkzeuge, was zwischen 0,2 Sek. und 1,0 Sek. pro Öffnungs- bzw. Schließvorgang dauert. Der Folientransport nimmt etwa zwischen 0,8 Sek. und 2,5 Sek. in Anspruch.
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In der Summe ist für einen Arbeitstakt folglich eine Zeitspanne etwa zwischen 3,0 und 10,0 Sek. zu veranschlagen, was also in Taktleistungen von 6 bis 20 Takten pro Minute resultiert. Bei der Mehrzahl der in der Praxis eingesetzten Verpackungsmaschinen liegt die Taktleistung lediglich im Bereich von 8 bis 14 Takten pro Minute.
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In Einzelfällen können die Verpackungsmaschinen auch noch deutlich langsamer betrieben werden. Dies ist insbesondere bei Anwendungen mit Großpackungen der Fall, deren Gewicht bis zu 40 kg betragen kann. Bei einem solchen Produktgewicht spielt eine Beeinflussung der Gasströmungen insbesondere im Sinne einer Vermeidung von Störungen des Produktaufbaus in der Praxis kaum mehr eine Rolle.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Verpackungsmaschine
- 13
- Tiefziehstation
- 15
- Produktauflagestation
- 21
- Siegelstation
- 23
- Packung
- 25
- Unterfolie
- 27
- Oberfolie
- 29
- Produktbereich
- 31
- oberer Bereich
- 33
- unterer Bereich
- 35
- Vakuumquelle
- 37
- Gasquelle
- 39
- Steuereinrichtung
- 41, 43
- Vorratsrolle
- 51
- Produkt
- 54
- oberes Gehäuse
- 55
- Oberwerkzeug
- 56
- unteres Gehäuse
- 57
- Unterwerkzeug
- 59
- Kanal für Produktbereich
- 61
- Kanal für unteren Bereich
- 63
- Kanal für oberen Bereich
- 71
- Siegelstelle
- 73
- Druckluftkanal
- 75
- Siegelmembran
- T
- Transportrichtung
- W
- Vakuumventil
- VL
- Vakuumleitung
- GV
- Gasventil
- GL
- Gasleitung
- M
- Stellmotor für Ventil
- P
- Druckmesseinrichtung
- V
- Solldruckverlauf beim Evakuieren
- G
- Solldruckverlauf beim Begasen
- ...O
- ... des oberen Bereiches
- ... U
- ... des unterer Bereiches
- ...P
- ... des Produktbereiches
- p
- Druck
- t
- Zeit
- p0
- Anfangsdruck
- pv
- Vakuumdruck
- A
- Anfangsphase
- W
- Arbeitsphase
- E
- Endphase
