CT-Trendbericht: Entwicklungen bei Schüttgutdosierern

Dosierer an die Leine

11.05.2007 Während es in der Pharmaindustrie auf immer schnellere Rezepturwechsel bei immer geringeren Dosiermengen ankommt, geht der Trend in der Kunststoffproduktion zu immer flexibleren Dosierern. Dazu kommen auch immer höhere Anforderungen an die Kontrolle und Reproduzierbarkeit der Wäge- und Dosierprozesse. Die Vernetzung und Visualisierung der Gesamtanlage bis zur vollständigen Integration in eine übergeordnete Steuerung sind weitere Themen, die Anbieter und Betreiber gleichermaßen beschäftigen.

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Das Handling von Schüttgütern birgt allerhand Fußangeln – Dosiervorgänge sind hiervon nicht ausgenommen. So müssen Produkte mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie beispielsweise Dichte, Fließ- oder Verfestigungsverhalten, innerhalb der Prozesse optimal behandelt werden. Es gilt, nicht nur immer höhere Genauigkeiten zu erreichen, sondern auch häufig wechselnde Produkte mit meist problematischen Eigenschaften sicher zu beherrschen. Das hat zur Folge, dass bei modernen Dosierern eine ganze Reihe konstruktiver Kniffe angewendet werden, damit sie flexibler eingesetzt werden können.

Dem Wunsch der Betreiber, die Rüstzeiten so gering wie möglich zu halten, entsprechen die Anbieter heute mit einem immer höheren Automatisierungsgrad. Dabei rückt die Integration in die gewünschte Automatisierungsstruktur bzw. in die Prozessleittechnik verstärkt in den Mittelpunkt. Auf der mechanischen Seite geht es darum, die Reinigungsabläufe so zu vereinfachen, dass teure Handarbeit und Stillstände weitgehend minimiert werden. In der Feinchemie und Pharmaindustrie müssen die eingesetzten Geräte darüber hinaus hermetisch dicht sein und auch ohne Gefährdung des Personals demontiert und gereinigt werden können. Betreiber gehen dazu über, ganze Dosierwaagen bei anfallendem Rezepturwechsel komplett auszutauschen. Das versetzt sie in die Lage, je nach Chargensituation die jeweils optimale Anlagenkonfiguration zusammenzustellen. Die Geräte müssen auch hier entsprechend einfach zu demontieren und wieder zu installieren sein. Tri-Clamp, V-Bandklemmen oder andere Schnellverbindungssysteme werden dafür meist eingesetzt. Großer Wert wird auch auf Modularität gelegt. Damit lassen sich die Geräte mit wenigen Handgriffen miteinander kombinieren und sich flexibel an die individuellen Bedürfnisse der Betreiber anpassen.

Meilensteine bei Mikrodosierer

Problematisch bleibt nach wie vor die Kleinstmengendosierung von weniger als ein Kilogramm pro Stunde. Hier sind herkömmliche Geräte wie Differentialdosierwaagen oder Schneckendosierer meist nicht verwendbar, da durch pulsierende Ströme im kontinuierlichen Betrieb die erforderlichen Dosiergenauigkeiten nicht eingehalten werden können. Es sind Sonderlösungen gefragt und einige Anbieter sind bereits auf den Zug aufgesprungen. Dies verwundert nicht, denn die weltweite Nachfrage nach Mikrodosiergeräten ist in den letzten Jahren deutlich angestiegen. „Die größten technologischen Fortschritte wurden in den letzten drei Jahren bei der Kleinmengendosierung gemacht“, so Richard Poole, Leiter Verkauf EMEA bei K-Tron. „Da Mikrodosierer meist bei Anwendungen mit sehr teuren Produkten zum Einsatz kommen, wurde großen Wert auf die Rückgewinnung der Restmenge gelegt. Es dürfen quasi keine Rückstände mehr an Trichter und Rührflügel übrig bleiben.“ Erreicht wurde dies unter anderem durch geeignete Trichtergeometrien, den Einsatz von sehr glatten Werkstoffen sowie neue Rührwerksgeometrien. „Der Wunsch nach einer reproduzierbaren Produktqualität führt zur Forderung nach höherer Genauigkeit bei der Kleinstmengendosierung“, verdeutlicht Dirk Leister, Key Industry Manager Pharma bei Schenck Process. Erst kürzlich wurde ein neues Dosierprinzip für Kleinstmengen vorgestellt, das die Ungenauigkeiten weiter eliminieren soll. Das Gerät, das sich insbesondere zur kontinuierlichen, gravimetrischen Kleinstmengendosierung von Pulvern eignet, basiert auf einer drehzahlgeregelten keramischen Räumscheibe, die am Boden eines zylindrischen Behälters rotiert und als Austragorgan wirkt. (Siehe auch Artikel „Von klein bis groß“ auf Seite 28 in diesem Heft).

In der Kunststoffindustrie geht der Trend zu immer flexibleren Dosiergeräten. Einerseits kommen Anlagen für die Herstellung von Primärkunststoffen mit bis zu 90Tonnen pro Stunde zum Einsatz. Andererseits werden für die Zugabe von teuren Masterbatch-Granulaten und Additiven Geräte mit einer Dosierkonstanz von 0,5Prozent und weniger gefordert. Die Dosierleistung kann auch hier deutlich weniger als ein Kilogramm pro Stunde betragen. „Neben Materialeinsparung ist vor allem eine einfache Bedienbarkeit, Prozesssicherheit und die Möglichkeit der Prozessdokumentierung gefragt“, so Rolf Welsch, Leiter Vertrieb und Marketing bei Brabender Technologie. „Hier sind gravimetrische Differentialdosierwaagen unabdingbar, denn Qualität und Kontrolle lassen sich mit der volumetrischen Dosiertechnik nicht realisieren.“ Außerdem erlaube die hohe Standardisierung und der Preisverfall auf dem Gebiet der Lastzellenfertigung ein mittlerweile relativ preisgünstiges Upgrading von volumetrischer auf gravimetrische Dosierung.
Dennoch werden immer noch volumetrische Geräte eingesetzt. Der Grund: Die Investitionskosten sind zwar wichtig, im Vordergrund stehen aber immer noch die Gerätepreise und die Betriebskosten. Und da sind volumetrische Dosierer eben günstiger. Denn Investitionen müssen bei den Betreibern entweder durch Kosteneinsparungen oder durch bessere Qualität gerechtfertigt werden. Wenn Betreiber eine Investition in die Dosiertechnik tätigen, dann entscheiden sie sich meist auf Grund der Erfahrungen, die sie mit der Produktion in der Vergangenheit gemacht haben. Darüber hinaus spielt auch der Service der Hersteller eine wichtige Rolle. Der Kunde erwartet von seinen Lieferanten, dass dieser ihn bei der Auswahl und Auslegung der Geräte mit seinem Knowhow unterstützt. Deshalb stehen gerade Systemlieferanten hoch im Kurs. Und so haben viele der Dosierhersteller mittlerweile auch Mischer und Peripheriesysteme, wie beispielsweise pneumatische Saug- oder Druckförderer oder Filteranlagen im Portfolio. „Das Zusammenspiel der Dosierer und Mischer ist insbesondere bei kontinuierlichen Mischanlagen ein zentraler Punkt“, so Dr. Matthias Kruse, Geschäftsführer von Gericke. „Von unseren Kunden werden perfekt aufeinander abgestimmte Komponenten und eine passende Steuerungstechnik mit ausgefeilter Prozesskontrolle gefordert. Nur so können schnelle An- und Abfahrvorgänge, gewünschte Durchsatzleistungen und Qualität der Mischungen erreicht werden. Zudem müssen die Dosier- und Mischsysteme optimal auf die nachfolgenden Maschinen wie z. B. Extrusions- oder Abfüllanlagen abgestimmt werden. Ein durchaus übliches betriebsbedingtes Stoppen und Wiederanfahren einer kontinuierlichen Dosieranlage darf die Mischqualität nicht negativ beeinflussen.“

Messwerte müssen reproduzierbar sein

Der Trend zu kontinuierlichen Dosierverfahren verlangt ein übersichtliches Automatisierungssystem mit möglichst wenig Schnittstellen. An die Wägeelektronik wird unter anderem die Anforderung gestellt, eine hohe Dynamik bei kleinen und kleinsten Durchsätzen zu erreichen bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit der Messwerte. Hinsichtlich der eingesetzten Steuerungshardware werden von Seiten der Betreiber verstärkt Standardprodukte gefordert. Hier bietet Standardhardware den Vorteil, Komponenten kostengünstig und schnell miteinander zu verbinden. Außerdem fordern Verarbeiter eine zentrale Bedienung, an der alle einzelnen Komponenten der Anlage kontrollierbar sind. Als Bedienstation für die Dosiertechnik haben sich Touch Panels durchgesetzt. Moderne Bedien-Interfaces zeigen Prozessinformationen in einer sich schnell anpassenden Grafik je nach Anlagenzustand mit Trendprognosen und Aufzeichnungsfunktionen. Es lassen sich meist auch mehrere Dosiergeräte in einer Prozesslinie regeln.

Die Zeiten, in denen Dosierer in verfahrenstechnischen Anlagen unbehelligt und unkontrolliert vor sich hinarbeiteten, sind längst vorbei. Insbesondere durch die Verschärfung der Produkthaftungsgesetze rückt auch das Thema Rückverfolgbarkeit in der Fertigung immer stärker in den Blickpunkt. Um der häufig geforderten lückenlosen Nachweispflicht gerecht zu werden, ist es notwendig, dass alle Komponenten einer Anlage sich in Steuer- und Regelsysteme integrieren lassen. Dosierer bilden hier keine Ausnahme. Ihre Steuerungen haben eine ganze Reihe von Funktionen zu erfüllen: Rezepturen und Produktionsvorgaben sind in exakte Dosierungen, sichere Prozesse und effiziente Abläufe zu übersetzen. Zu diesem Zweck kommen leistungsfähige Automatisierungskomponenten zum Einsatz. Doch die Anforderungen gehen über eine zuverlässige Ablaufsteuerung weit hinaus, da Funktionalitäten der industriellen IT nahtlos zu integrieren sind. Bei vielen Betreibern sorgen beispielsweise MES-Plattformen dafür, dass Produktionsdaten und Materialverbrauch lückenlos erfasst werden, die Anlagenbetreiber stets über den Zustand der Anlage informiert sind und die Rückverfolgung aller eingesetzten Rohstoffe lotgenau sichergestellt wird. Und die Dosierer müssen über ihre elektronischen Schnittstellen dafür die Daten liefern.

Integration in Regelsysteme ist voll im Gang

Selten ist ein Dosiergerät allein. Meist sind mehrere Dosieranlagen in den Produktionsprozess integriert und meistens über Feldbus mit der SPS vernetzt. Außerdem müssen noch weitere Peripheriegeräte wie beispielsweise Mischer, Fördereinrichtungen oder Zuführung in die Steuerung integriert werden können. Dabei spielen Betriebssicherheit und Verfügbarkeit eine herausragende Rolle. „Auf Grund der immer komplexeren Steuerungstechnik wird es für den Anlagenbetreiber immer aufwändiger, die Anlagen zu betreuen“, so Herbert Peter, Geschäftsführer bei GEL Verfahrenstechnik. „Deshalb übernehmen mittlerweile viele Dosiertechnik-Zulieferer diese Funktion. Der Servicegedanke steht bei Betreibern eben hoch im Kurs.“

Beim Betrieb von Batch-Anwendungen, kontinuierlichen Dosiergeräten, aber auch bei Bandwaagensteuerungen kommen immer mehr miniaturisierte Webserver zum Einsatz, die mit Ethernet-Schnittstellen einen Zugriff auf Waagensteuerungen haben und eine Ferndiagnose von Hard- als auch Software erlauben. Im Alarmfall können außerdem SMS oder E-Mail-Nachrichten versendet werden.

Fazit: Je nach Automatisierungswunsch der Betreiber werden die Anforderungen zur Anbindung der Steuerungen, über Vernetzung und Visualisierung der Gesamtanlage bis hin zur vollständigen Integration in eine übergeordnete Steuerung, immer wichtiger. Technologische Quantensprünge in der Dosiertechnik werden nach den jüngsten Entwicklungen in naher Zukunft aber kaum zu erwarten sein. Neuentwicklungen sind eher in der Vernetzbarkeit der unterschiedlichen Gerätesteuerungen zu erwarten mit der Möglichkeit, die Geräte zentral zu bedienen und zu überwachen, Rezepturen und Materialverbrauchsdaten effektiver zu verwalten und Produktionsdaten kostengünstig für die Betreiber zu dokumentieren.

„Die größten technologischen Fortschritte wurden in den letzten drei Jahren mit den Kleinmengendosierern gemacht“
Richard J. Poole, Leiter Verkauf EMEA bei K-Tron
„Neben Materialeinsparung ist vor allem eine einfache Bedienbarkeit, Prozesssicherheit und die Möglichkeit der Prozessdokumentierung gefragt“
Rolf Welsch, Leiter Vertrieb und Marketing bei Brabender Technologie
„Der Wunsch nach einer reproduzierbaren Produktqualität führt zur Forderung nach höherer Genauigkeit bei der Kleinstmengendosierung“
Dirk Leister, Key Industry Manager Pharma Light Industry Schenck Process
„Ein durchaus übliches betriebsbedingtes Stoppen und Wiederanfahren einer kontinuierlichen Dosieranlage darf die Mischqualität nicht negativ beeinflussen“
Dr. Matthias Kruse, Geschäftsführer Gericke

Heftausgabe: Mai 2007

Über den Autor

Thomas Röhl , Redaktion
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