Hochdynamische Antriebe kompensieren Schlupf

Doppelschraubenpumpen sind klassische Prozesspumpen und haben sich in zahllosen Anwendungen bewährt. Konstruktionsbedingt galten sie aber bisher für präzise Dosieraufgaben als eher ungeeignet. Das hat sich inzwischen geändert. Dank leistungsfähiger Antriebstechnik lassen sie sich jetzt so ansteuern, dass der Schlupf zwischen Förderschrauben und Gehäuse das Dosierergebnis nicht mehr beeinträchtigt. Ein Nachtropfen – beispielsweise bei der Beutelabfüllung viskoser Medien – wird zuverlässig verhindert. Von der Weiterentwicklung können vor allem Anwender profitieren, deren Anlagen häufig gereinigt werden, denn im Vergleich zu Kolbenpumpen vereinfachen sich Reinigungsprozesse deutlich. Die Reinigung wird effizienter und häufige Produktwechsel auf der gleichen Abfüllanlage sind keine Herausforderung mehr.

Die Fristam Pumpen KG mit Stammsitz in Hamburg gilt heute weltweit als anerkannter Spezialist für Pumpen, die sich für die unterschiedlichsten Förderaufgaben eignen: von Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie bis hin zu Chemieanwendungen. Seine Wurzeln hat das Unternehmen in der Molkereiindustrie. Kein Wunder also, dass Anwendungen mit hohen hygienischen Anforderungen im Fokus der Pumpenspezialisten stehen. Die Doppelschraubenpumpen der Baureihe FDS liefern dafür ein gutes Beispiel. Sie bestehen aus hochwertigem Edelstahl, sind leicht zu reinigen und setzen in der Doppelschraubentechnik gleich in mehrerer Hinsicht neue Maßstäbe.

Höhere Effizienz bei Reinigungsprozessen

Das Funktionsprinzip wurde von Grund auf überdacht und bekannte Schwachstellen eliminiert. Die Konstruktion wurde so lange verfeinert, bis alle Aspekte wie Laufruhe, Temperaturstabilität, Instandhaltung und Wartung optimiert waren. „Zudem ist es uns bei dieser Weiterentwicklung gelungen, mit perfekt auf die Pumpen abgestimmten Antriebssystemen den Mehrwert für die Endanwender deutlich zu steigern“, berichtet René Linck, Produktmanager bei Fristam. „Die Doppelschraubenpumpen sind jetzt auch für Dosieraufgaben bei viskosen oder thixotropen Medien eine ideale Lösung. Gleichzeitig können sie die Reinigung bei CIP-Prozessen mit Drehzahlen bis zu 3.600 min–1 übernehmen.“ Dies macht den Einsatz einer zusätzlichen Pumpe für Reinigungsprozesse überflüssig. Im Gegensatz zu Kolbenpumpen, die bisher für solche Dosieraufgaben meist üblich sind, laufen CIP-Prozesse dadurch zügiger ab, zumal weder die Pumpe  noch die Dosierschläuche oder Rohre sowie die Düsen zerlegt oder demontiert werden müssen. „Das rechnet sich vor allem dort, wo wegen häufiger Produktwechsel die Anlagen in kurzen Intervallen gereinigt werden müssen, zum Beispiel wenn mit derselben Dosiereinheit in der ersten Schicht Beutel mit Ketchup und in der nächsten mit Mayonnaise oder Senf abgefüllt werden.“

Antriebstechnische Herausforderung

Die Herausforderung bei der Weiterentwicklung war es jedoch, das Nachtropfen bei der Beutelabfüllung zu verhindern. Der konstruktionsbedingte Schlupf zwischen Schrauben und Gehäuseinnenwand lässt sich nicht verhindern. Ein gewisses Spaltmaß muss immer gewährleistet sein, damit die berührungslos arbeitende Pumpe funktioniert und die Oberfläche der Schrauben und des Gehäuses nicht beschädigt wird. Um zum Beispiel die Schrauben bei Kompressoren abzudichten, wird der Spalt daher mit einem Einspritzöl abgedichtet. Bei Doppelschraubenpumpen  übernimmt das geförderte Medium selbst die Aufgabe. Daher kommt es aber zu dem beschriebenen „Schlupf“. Je nach Viskosität des Mediums verändert sich dadurch das Fördervolumen pro Umdrehung unterschiedlich. Bei den Doppelschraubenpumpen ließ sich das Problem elegant lösen: Ein feinfühlig zu regelndes, gleichzeitig aber hochdynamisches Antriebssystem verhindert hier ein Nachtropfen. Dazu läuft der Pumpenantrieb am Ende jedes Abfüllprozesses für eine definierte Zeit kurz rückwärts, was ein genaues Dosieren und einen sauberen Abfüllprozess garantiert.

Für die eingesetzte Antriebslösung ist das eine anspruchsvolle Aufgabe, denn unterschiedliche Medien verlangen jeweils angepasste Beschleunigungs-, Brems- und Rücklauframpen. Hinzu kommen kurze Zykluszeiten, da die Pumpen pro Minute bis zu  80 Beutel befüllen. Hohe Dynamik ist deshalb unabdingbar. „In enger Zusammenarbeit mit unserem langjährigen Partner Yaskawa ließ sich eine perfekt auf diese Anforderungen angepasste Antriebslösung realisieren“, freut sich Linck.

Kompletter Antriebsstrang aus einer Hand

Treibende Kraft der Doppelschraubenpumpen sind Sigma-7 Servomotoren mit den passenden Verstärkern. Die reaktionsschnellen AC-Servoantriebe überzeugen durch hohe Auflösung (integrierter 24-bit Absolut-Encoder) sowie hohe Dynamik und eignen sich für anspruchsvolle Positionieraufgaben. Sie können Vibrationen und Maschinenresonanzfrequenzen im Betrieb automatisch unterdrücken. Zudem sind sie für eine lange Lebensdauer ausgelegt und arbeiten bei Umgebungstemperaturen zwischen 0 und 55 °C ohne zusätzliche Kühlung. Dank kompakter Abmessungen benötigen sie wenig Einbauplatz und lassen sich an den Dosiereinheiten, die in den Abfüllanlagen üblicherweise an Rundtakttischen eingesetzt werden, gut montieren. Hinzu kam bei der Projektierung die große Auswahl. Die hochdynamischen AC-Servomotoren decken bei Versorgungsspannungen von 200 bzw. 400 V und Leistungen von 50 W bis 15 kW ab bei überzeugend ruhigem Lauf.

Die Ansteuerung der Servoachse der Dosierarbeit übernimmt ein kompaktes Yaskawa Steuerungssystem aus der VIPA SLIO-Serie. Dieses lässt sich komfortabel in Siemens Step7 programmieren und durch seinen modularen Aufbau gut an die Anwendung anpassen. Um den Dosierprozess komfortabel bedienen zu können, wurde die Steuerung von Yaskawa mit einem Smart-HMI ausgestattet. Dessen 7-Zoll-Display ermöglicht nicht nur eine menügeführte Bedienung, sondern dient auch der Visualisierung der Dosiereinheit. Die hochwertigen Komponenten gepaart mit der persönlichen und kompetenten Unterstützung bei der Anpassung an die speziellen Bedürfnisse machten Yaskawa zum idealen Partner. „Damit haben wir für unsere Dosiereinheit eine funktionale Komplettlösung aus einer Hand“, so Linck zufrieden.