Vakuumgreifer hält nicht: die neue Kartonage als Ursache

Ein Vakuumgreifer produziert nach dem Wechsel der Kartonage plötzlich Fehlgriffe. Die Ursache ist fast immer dieselbe: Die neue Oberfläche dichtet schlechter ab oder lässt mehr Luft durch. Das bisherige Vakuumsystem baut dann nicht mehr genug Haltekraft auf. Porosität, Beschichtung und Steifigkeit der Wellpappe entscheiden, ob der Vakuumgreifer noch zur Verpackung passt.

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Warum die neue Kartonage den Greifer stoppt

Die kurze Antwort auf die Titelfrage: Ein Vakuumgreifer ist ein Endeffektor, der Kartons per Unterdruck hält. Der Unterdruck im Sauger mal der abgedichteten Fläche erzeugt eine Kraft, die das Kartongewicht übersteigt. Fällt der Unterdruck durch Leckage ab, fällt die Haltekraft mit. Genau das passiert, wenn ein Lieferantenwechsel oder eine neue Verpackung die Oberfläche verändert.

3 Eigenschaften der neuen Kartonage sind die üblichen Auslöser:

1. Porösere Wellpappe. Luft strömt durch das Material nach. Die Leckage steigt, der Unterdruck bricht ein. Recyclingkarton ohne Beschichtung ist typischerweise poröser als beschichteter Karton und gilt als schwierig greifbar.
2. Andere Beschichtung. Ein Lack oder eine Versiegelung kann einen schwierigen Karton plötzlich gut greifbar machen. Fehlt eine gewohnte Beschichtung, gilt das Gegenteil: Aus einem dichten Karton wird ein poröser.
3. Veränderte Steifigkeit. Eine weichere Deckschicht zieht sich beim Ansaugen in den Sauger, verformt sich und öffnet Leckage-Stellen am Rand der Dichtlippe.

Leckage ist der Luftstrom, der durch poröses Material oder undichte Stellen in den Sauger nachströmt. Entscheidend für den Schichtbetrieb: Die Leckage variiert von Karton zu Karton, selbst innerhalb derselben Qualität. Darum funktioniert die Anlage im Test und streikt später im laufenden Betrieb.

Poröse Kartons brauchen Volumenstrom, nicht Unterdruck

Der Volumenstrom ist die Luftmenge pro Minute, die die Vakuumerzeugung bewegt. Der wichtigste Denkfehler bei Fehlgriffen ist die Annahme, mehr Unterdruck würde mehr Haltekraft bringen. Auf poröser Wellpappe stimmt das nicht: Ein höheres Soll-Vakuum erzeugt keine zusätzliche Haltekraft, weil die Leckage das erreichbare Level begrenzt. Sobald Luft durch den Karton nachströmt, muss die Vakuumerzeugung diesen Volumenstrom ersetzen, um das Level überhaupt zu halten.

Piab beschreibt als Grundsatz, dass poröse Materialien einen hohen Volumenstrom statt eines tiefen Unterdrucks brauchen. OnRobot empfiehlt für Wellpappe ausdrücklich ein niedriges Vakuum-Level, zum Beispiel 20 %, weil ein hohes Level keine zusätzliche Hubkraft erzeugt.

Eine Feldmessung an Anlagen für Wellpappen-Handling, die Piab beschreibt, ergab bis zu 43 % Überdimensionierung der Vakuumerzeugung, weil konventionell auf den ungünstigsten Fall ausgelegt wird. Die Erzeugung ist damit relativ zum Durchschnittskarton überdimensioniert und bleibt trotzdem der Flaschenhals beim undichtesten. Die Größenordnungen zeigen, warum. Ein Kompaktejektor wie der SCPLi von Schmalz liefert bis zu 1.140 Liter pro Minute Saugvermögen. Ein Greifer mit integrierter elektrischer Erzeugung wie der VGP20 von OnRobot kommt auf 48 Liter pro Minute. Je poröser der Karton, desto mehr Saugvermögen muss die Erzeugung bereitstellen.

Die Leckage-Wirkung lässt sich baulich senken, ohne den Karton zu ändern:

• Kürzere Leitungen. Die Vakuumerzeugung direkt am Sauger eliminiert Strömungsverluste in langen Schläuchen.
• Größere Querschnitte. Der Pneumatikhersteller SMC empfiehlt bei permeablen Werkstücken großzügigere Leitungsquerschnitte und Ejektoren mit hohem Saugvermögen.
• Abschaltbare Saugkreise. Ein Strömungsventil ist ein Ventil, das einen undichten Sauger automatisch sperrt. Modelle wie das SVK von Schmalz oder piSAVE sense von Piab trennen jeden Sauger, der nicht dichtet. Ein einzelner undichter Sauger am Kartonrand lässt dann das Gesamtvakuum der Fläche nicht mehr einbrechen.

3 Stellschrauben: Sauger, Dichtung, Vakuumerzeugung

Wenn der Vakuumgreifer nach dem Kartonwechsel Fehlgriffe erzeugt, stehen 3 Stellschrauben zur Verfügung. Die Reihenfolge ist Absicht: Zuerst die billige Komponente, zuletzt die Erzeugung.

1. Der Sauger. Die Dichtlippe ist der weiche Rand des Saugers, der die Auflagefläche gegen den Karton abdichtet. Balgsauger kompensieren Höhenunterschiede und unebene Oberflächen, weil der Balg sich anlegt, bevor die Dichtlippe abdichtet. Ein Praxisfall aus der Verpackungsindustrie zeigt die Wirkung. Bei Smurfit Kappa verlor die Bestandsanlage perforierte Kartonagen sporadisch, und die Balgensauger nutzten stark ab. Die Lösung des Saugerspezialisten Fipa: Balgsauger mit weicher Dichtlippe und stabilem Korpus, kombiniert mit Ejektorboxen hoher Saugleistung. Für das Kartonhandling spezialisierte Balgsauger wie der BCP von Piab arbeiten mit einem Hub von etwa 25 mm, der Höhenvariationen ausgleicht. Die Lippe mit etwa 40 mm Durchmesser dichtet auch auf leicht staubigen Oberflächen.

2. Die Dichtung. Ein Flächengreifer ist ein Vakuumgreifer mit einer großen Auflagefläche und Dichtschaum statt einzelner Saugnäpfe. Er deckt wechselnde Kartongrößen mit einem Werkzeug ab. Der Dichtschaum passt sich der Oberfläche an und dichtet kleine Unebenheiten ab. Die Flächengreifer-Baureihe FMP von Schmalz ist explizit für stark poröse Werkstücke ausgelegt. Welche Wirkung das in der Praxis hat, zeigt die Palettierzelle bei Seeberger. Der dortige Flächengreifer FXCB von Schmalz deckt alle vorkommenden Kartongrößen mit einem einzigen Werkzeug ab. Details stehen in der Case Study zu Seeberger.

3. Die Vakuumerzeugung. Reichen Sauger und Dichtung allein nicht aus, braucht die Anlage mehr Saugvermögen oder eine dezentrale Erzeugung am Greifer. Mehrstufige Ejektoren nach dem COAX-Prinzip von Piab liefern bis zu 3-mal mehr Vakuumfluss als konventionelle Systeme. Als Nebeneffekt sinkt der Energieverbrauch mit dem Niveau: Das Absenken des Unterdrucks von −65 auf −55 kPa spart nach Herstellerangabe 25 bis 30 % Energie.

So testest du die neue Kartonage vor der Umstellung

Ein Greifversuch ist ein Ansaugtest an der realen Anlage mit dem realen Karton. Ein belastbarer Greifversuch folgt 5 Regeln. Der Greifversuch gehört vor jede Umstellung der Produktion auf eine neue Kartonage. Der Pneumatikhersteller SMC schreibt für permeable Werkstücke einen Ansaugtest an der realen Anlage mit dem realen Werkstück zwingend vor. Grund: Je nach Erzeugung wird das Soll-Vakuum im Betrieb nicht erreicht. OnRobot formuliert es kürzer: Der einfachste Weg zu prüfen, ob ein Karton dicht genug ist, ist der Test mit dem Greifer.

1. Teste mit der neuen Kartonage, nicht mit der alten. Musterkartons des neuen Lieferanten anfordern, bevor die Charge in der Produktion steht.
2. Teste gealterte Kartons. Frische Muster sind glatter und steifer als Kartons nach Wochen im Lager. Greifversuche mit neuen Mustern übersehen genau die Eigenschaften, die später Fehlgriffe erzeugen.
3. Teste am Rand des Spektrums. In den Versuch gehören der schwerste Karton, die weichste Charge und die ungünstigste Greifposition. Das Durchschnittsteil reicht als Testkarton nicht aus.
4. Leckage messen statt nur Ergebnis. Greifer mit IO-Link-Anbindung (serielle Sensorschnittstelle) geben die Leckagerate aus und machen den Verschleiß der Sauger und Undichtigkeiten sichtbar, bevor Kartons fallen.
5. Dokumentiere die Grenzen. Welche Kartonvarianten der Greifer sicher hält, gehört in die Anlagendokumentation. Der nächste Verpackungswechsel wird dann gegen eine Liste geprüft statt gegen das Bauchgefühl.

Manche Anbieter unterstützen solche Versuche mit Leih-Komponenten. Piab stellt nach eigener Darstellung Testkomponenten für Kundenprojekte bereit. Bei der Auswahl neuer Greifer hilft der Blick in das Sortiment: 35 Vakuumgreifer stehen im Marktplatz, von Balgsaugern bis zu Flächengreifern mit Dichtschaum. Was die Bauformen kosten, beantwortet der Beitrag zu den Preisen guter Robotergreifer.

Haltekraft und Sicherheitsfaktor richtig auslegen

Die statische Haltekraft folgt der Formel F = Δp × A mit 2 Größen: Differenzdruck in Pascal mal wirksamer Saugerfläche in Quadratmetern ergibt die Kraft in Newton. Für bewegte Zyklen mit Beschleunigung und Querkraft erweitert Schmalz die Rechnung. Masse, Erdbeschleunigung und Beschleunigung kommen dazu, ebenso ein Reibwert zwischen Sauger und Karton. Den Reibwert muss ein Versuch liefern, Tabellen geben nur Richtwerte. SMC nennt 0,1 für geölte Oberflächen, 0,2 bis 0,3 für nasse, 0,5 für Holz, Metall und Glas und 0,6 für raue Oberflächen.

Der Sicherheitsfaktor ist ein Multiplikator auf die gerechnete Haltekraft, der Staub, Alterung und Chargenschwankungen abfedert. Beim Sicherheitsfaktor widersprechen sich die Hersteller:

Die Empfehlungen reichen damit je nach Quelle und Lastfall von 1,5 bis 4,0, in der Geräteauswahl von SMC bei vertikalem Heben bis 8,0. Für poröse Werkstücke nennen Schmalz und SMC mindestens 2,0. Maßgeblich ist die Dokumentation des jeweiligen Greiferherstellers. Wer mit dem kleinsten zulässigen Faktor auslegt, hat im Schichtbetrieb keine Reserve für Staub, Alterung der Dichtlippe und weiche Chargen. Die Zusammenhänge zwischen Greifer, Takt und Anlagenleistung beleuchtet der Beitrag zum Durchsatz von Palettierrobotern.

Häufige Fragen

Warum hält ein Vakuumgreifer auf Recyclingkarton schlechter?

Recyclingkarton ohne Beschichtung ist typischerweise poröser als beschichteter Karton. Luft strömt durch das Material nach, die Leckage steigt und der Unterdruck im Sauger bricht ein.

Bringt mehr Unterdruck mehr Haltekraft bei Wellpappe?

Nein. Bei porösen Kartons begrenzt die Leckage das erreichbare Vakuumlevel, ein höheres Soll-Vakuum bringt deshalb keine zusätzliche Haltekraft. Entscheidend ist ein hohes Saugvermögen der Vakuumerzeugung, das die Leckage ersetzt. OnRobot empfiehlt für Wellpappe ausdrücklich niedrige Vakuum-Level, zum Beispiel 20 %.

Was ist der Unterschied zwischen Balgsauger und Flächengreifer?

Ein Balgsauger ist ein einzelner flexibler Sauger, dessen Balg Höhenunterschiede und unebene Oberflächen ausgleicht. Ein Flächengreifer kombiniert eine größere Auflagefläche mit Dichtschaum und handhabt wechselnde Kartongrößen mit einem Werkzeug. Für einzelne Kartons mit wechselnden Positionen eignen sich Balgsauger, für gemischte Formate und volle Lagen Flächengreifer.

Muss der Greifer bei jedem Kartonwechsel angepasst werden?

Nicht bei jedem. Bleibt die neue Kartonage innerhalb der Grenzen, für die Sauger, Dichtung und Vakuumerzeugung ausgelegt sind, reicht ein Greifversuch zur Bestätigung. Komponenten werden erst getauscht, wenn Porosität, Beschichtung oder Gewicht außerhalb dieser Grenzen liegen. Ein dokumentierter Greifversuch pro Kartonvariante beantwortet die Anpassungsfrage vor der Umstellung.

Kann ich die Haltekraft meines Greifers selbst berechnen?

Die statische Haltekraft berechnet sich als Differenzdruck mal wirksamer Saugerfläche, F = Δp × A. Für bewegte Zyklen kommen Masse, Beschleunigung, Reibwert und ein Sicherheitsfaktor dazu, den die Hersteller unterschiedlich angeben. Die Rechnung ersetzt den Ansaugtest am realen Karton nicht, sie dimensioniert nur den Startpunkt.

Wann reicht eine Anpassung, wann muss der Greifer getauscht werden?

Eine Anpassung reicht, wenn die neue Kartonage mit den 3 Stellschrauben wieder sicher greifbar wird: anderer Sauger, andere Dichtung, mehr Saugvermögen. Getauscht wird der Greifer, wenn selbst das nicht reicht, etwa weil die Bauform nicht zur Kartongröße oder zum Gewicht passt. Der Greifversuch mit Musterkartons zeigt, welche Stufe nötig ist.