Bedingt durch den hohen Kosten- und Rationalisierungsdruck in der Holz- und Möbelindustrie - sowie dem zugehörigen Maschinenbau - gewinnt die Optimierung peripherer Anlagenteile, wie die vollautomatische Be- und Entladung von Durchlaufmaschinen, immer mehr an Bedeutung.

Häufig stellt dabei die Maschinenzuführung das "Nadelöhr" dar welches verhindert, dass die - in den letzten Jahren auf Hochleistung getrimmten - Bearbeitungsmaschinen (z.B. Säge-, Hobel-, Fräs-, ... Maschinen) mit voller Kapazität und Produktivität gefahren werden können.

In hochindustrialisierten Ländern sind Unternehmen der Holzindustrie auf dem globalem Markt gegen Konkurrenz aus Niedriglohnländern nur dann wettbewerbsfähig und erfolgreich, wenn sie innovative Konzepte verfolgen und ihre Produktionsprozesse konsequent automatisieren. Dies haben die letzten Jahre deutlich gezeigt.

Als natürlich gewachsener Rohstoff stellt die Handhabung von Holz, und der auf Holzbasis gewonnenen Produkte, dabei besonders hohe Anforderungen an die Vakuumgreiftechnik.

Zu denken ist in diesem Zusammenhang zum Beispiel an Porosität (Luftdurchlässigkeit) in einem großen Streubereich, unterschiedlichste Oberflächengüten (von glatt bis sehr rau), Astlöcher, Risse, Brettverwindung, verschiedenste Abmessungen, undefinierte Position bei der Werkstückaufnahme, scharfe Kanten sowie erschwerende Rahmenbedingungen wie ungleichmäßiges Stapelbild, Verschmutzung durch Staub oder Harz etc. (Siehe Bild 3 und Bild 4)

Der nachfolgende Artikel beschäftigt sich mit dem lageweisen Heben von Brettern, Leisten und Bohlen mittels eines kompletten Vakuumgreifsystem (VacuBox), wobei die Arbeitsbedingungen unter anderem durch auftretende Brettverwindung (z. B. wegen zunehmend verkürzter Trocknungsprozesse) und Verschmutzung durch Staub erschwert sind.
Gleichzeitig werden jedoch höchste Anlagenverfügbarkeit (i.d. Regel Mehrschicht- bis rund-um-die-Uhr-Betrieb), Schnelligkeit und Betriebssicherheit gefordert.

Die mechanische Zuführung einer Bearbeitungsmaschine wird konventionell durch eine sogenannte Kippentstapelung vorgenommen. Dabei werden die auf Holzpaletten gestapelten Bretter gekippt und nach oben gefahren. Überschreitet die oberste Lage eine Kante, rutscht diese schwerkraftbedingt auf ein Förderband ab, welches der Bearbeitungsmaschine die Bretter einzeln zuführt.

Nachteilig an diesem - relativ kostengünstigen - Verfahren sind häufig auftretende Anlagenstörungen beim Abrutschvorgang.
Sägeraue und verwundene Bretter neigen bei diesem Verfahren zum Verkanten, so dass die Bretter kreuz und quer liegen und von zusätzlichem Bedienpersonal erst manuell entwirrt werden müssen. Neben Zeit- und Produktivitätsverlust stellt dieser Vorgang auch eine potentielle Verletzungsgefahr für die Arbeiter dar.
Als weitere kritische Punkte beim mechanischen Verfahren sind Brettbeschädigungen sowie der hohe Platzbedarf zu nennen. (Siehe Bild 5 und Bild 6)

Die Handhabung per VacuBox zeichnet sich hingegen dadurch aus, dass die bereits vorhandene Ordnung nicht zerstört wird, sondern beim Transport beibehalten wird ("intelligente Handhabung durch lageweisen Transport"). Dies bedingt eine hohe Prozesssicherheit und Anlagenverfügbarkeit, die zusätzlichen Personalbedarf unnötig macht, und einen in aller Regel beschädigungsfreien Transport.

Grundsätzlich können Werkstücke mit variablen Abmessungen bzw. undefinierter Position auch von einem "Sauggreiferteppich" gegriffen werden, wobei viele einzelne Sauggreifer in einem, je nach Anwendung zu projektierenden Abstand, verwendet werden. (Siehe Bild 7)

Der Anwendbarkeit dieses Verfahrens sind jedoch bei rauen Werkstück-Oberflächen Grenzen gesetzt, da die Dichtlippe der Gummi-Sauggreifer hier nur bedingt abzudichten vermag.

Vorteile eines Flächengreifers mit Verwendung einer Schwammgummimatte liegen in der deutlich besseren Abdichtfunktion des Schwammgummimaterials auch auf sehr rauen und strukturierten Oberflächen.

Des weiteren spielen Standarisierungs- und damit Kostengesichtpunkte eine Rolle, da "Sauggreiferteppiche" in aller Regel einzeln projektiert und angefertigt werden müssen.

Basis des Flächensauggreifsystem VacuBox ist ein modulares Standard-Baukastenkonzept mit folgenden Komponenten: (siehe Bild 8)

1. Ventil- und Speicherkammer

Hauptaufgabe: Schnelles Ansaugen und Ablegen der zu hebenden Bretterlage, um kurze Zykluszeiten zu realisieren.

Nebenbedingungen: Strömungstechnische Optimierung bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Kosten- und Gewichtsaspekten.

Durch die Aufteilung der VacuBox in eine Speicher- und Ventilkammer wird ein extrem hoher Volumenstrom während des kritischen Ansaugprozesses erzielt. Dadurch werden auch stark verwundene Bretter an die VacuBox "gerissen" und können sicher transportiert werden.
Das Ablegen der Bretterlage erfolgt mittels atmosphärischer Belüftung. Bei extrem kurzen Taktzeitforderungen kann der Ablegvorgang durch optionales Einblasen von Druckluft beschleunigt werden.

2. Ventiltechnik

Hauptaufgabe: Werkstücke unterschiedlicher Abmessungen und undefinierter Lage (auch mit Aussparungen z.B. Astlöcher) müssen gegriffen und gehoben werden.

Nebenbedingungen: 

• Minimierung der erforderlichen Saugleistung/Energieverbrauch des Vakuumerzeugers
• Maximierung der Haltekraft durch höchstmöglichen Systemunterdruck
• Verschmutzungssicherheit
• Die Ventile dürfen auch bei stark verwundenen Brettern nicht zu schnell schließen, um zu vermeiden, dass die Saugkammer inaktiv schaltet und die Werkstücke nicht aufgenommen werden.

Die genannten Forderungen werden durch Verwendung leckagefreier, selbstständig schließender Flugkörperventile (Strömungsventile) mit patentierter Technik erreicht, deren Aufbau einen Selbstreinigungseffekt und damit Verschmutzungsunempfindlichkeit gewährleistet. Die Ventile schließen selbsttätig, wenn die zugehörige Kammer nicht bedeckt ist und sichern dadurch die Aufrechterhaltung des Vakuums im System.

3. Gebläse

Hauptaufgabe: Bereitstellen des erforderlichen Volumenstroms und Unterdrucks

Nebenbedingungen: 

• Hoher Volumenstrom beim Ansaugvorgang um die (verwundenen) Bretter an die VacuBox zu ziehen.
• Hoher maximaler Unterdruck, um höchstmögliche Haltekraft für das Heben schwerer Bretter bereitzustellen.
• Robustheit

Das verwendete Vakuumgebläse ("Schmalz Blower") ist als direktgetriebenes Gebläse hinsichtlich Volumenstrom/Unterdruckkennlinie sowie Robustheit auf die genannten Forderungen hin optimiert worden.

Um Langlebigkeit zu gewährleisten, wird das Vakuumgebläse werkseitig durch ein Druckbegrenzungsventil (öffnet z.B. bei Dauerlauf gegen maximales Vakuum bei unbeabsichtigtem Anlagestillstand) sowie einen Filter (zum Schutz vor eingesaugtem Staub) geschützt.

4. Dichtmatte

Hauptaufgabe: Dichtfunktion bei anspruchsvollen Oberflächen (rau, staubig, scharfkantig, schräg), um den "Unterdruck auf das Brett zu bringen".

Nebenbedingungen: 

• Weich und anschmiegsam.
• Gleichzeitig verschleißfest, um hohe Standzeit zu gewährleisten.
• Möglicht geringe Leckage durch das Dichtmattenmaterial hindurch, um mit einer kleinstmöglichen Vakuumerzeugung auszukommen.

Um die genannten Forderungen erfüllen zu können, wurden speziell für diesen Einsatzfall hin optimierte Dichtmatten mit hoher Verschleißfestigkeit aus Schwammgummimaterial entwickelt. Diese sind standardmäßig mit einer Lochrasterung versehen, um alle in diesem Bereich gängigen Brettformate heben zu können.

Wegen der besonderen Bedeutung der Dichtmatte für das Gesamtsystem VacuBox (insbesondere hinsichtlich der Kostensituation), soll auf diesen Punkt noch etwas detaillierter eingegangen werden.

Wie bereits oben erwähnt, hat die Luftundurchlässigkeit der Dichtmatte erheblichen Einfluss auf die erforderliche Größe des Vakuumerzeugers. Mehr Leckage bedeutet mehr abzusaugende Luft --> bedeutet größerer Vakuumerzeuger --> bedeutet höhere Investitions- und Betriebskosten.
Die Luftundurchlässigkeit der Dichtmatte soll bei der auftretenden Walkbelastung über die Lebensdauer möglichst lange konstant niedrig bleiben.

Kostensituation

Dazu zur Veranschaulichung ein kleines Rechenbeispiel: (siehe Bild 9)

• Anschaffungskosten für eine low-cost Dichtmatte:   50€
• Anschaffungskosten für eine hochwertigen Dichtmatte:  150€

Wegen höherer Luftdurchlässigkeit der low-cost Dichtmatte ist zur Kompensation der auftretenden Leckage ein größeres Gebläse erforderlich.

• Erf. Gebläseleistung bei Saugkasten mit low-cost Dichtmatte:  7,5kW
• Erf. Gebläseleistung bei VacuBox mit hochwertiger Dichtmatte:  4,0kW

Energiekosten bei 1/4 Jahr Betriebszeit (70 Arbeitstage, 10 Stunden/Tag, 0,1€/KWh)

• Energiekosten mit low-cost Dichtmatte:  70 x 10 x  7,5 x 0,1 = 525€
• Energiekosten mit hochwertiger Dichtmatte: 70 x 10 x 4,0 x 0,1 = 280€

Trotz des beträchtlichen Unterschieds bei den Anschaffungskosten der Dichtmatte, bedarf es zur Amortisation der höherwertigen Dichtmatte in diesem Fall lediglich einen Zeitraum von etwas mehr als einen Monat.

Bei dieser Betrachtung wurde noch nicht berücksichtigt, dass das größere Gebläse in der Anschaffung (Preisunterschied zwischen 4kW und 7,5kW-Gebläse ca. 2.500€) und Instandhaltung wesentlich teurer ist, als das kleinere Gebläse.
Zusätzlich weist die hochwertige Dichtmatte eine deutlich längere Lebensdauer auf. Die Wiederbeschaffungs- und Arbeitskosten fallen daher bei der low-cost Dichtmatte ebenfalls deutlich höher aus.

Wettbewerbs-Dichtmatten

Teilweise versuchen Wettbewerbsfirmen diesen erheblichen Nachteil dadurch zu mindern, indem sie die Zellenkammern der Dichtmatten von Hand mit einer Silikonschicht einstreichen.
Zwar wird dadurch die auftretende Leckage durch die Dichtmatte (anfänglich) eingeschränkt. Dies geht jedoch auf Kosten von geringerer Anpassungsflexibilität, undefiniertem Abplatzen der Silikonschicht und damit schlagartigem Funktionsverlust sowie selbstverständlich der deutlich höheren Kosten für den zusätzlichen Arbeitsschritt "Einstreichen mit Silikon".                     (Siehe Bild 10 und Bild 11)

Der Einsatz moderner Dichtmatten ermöglicht also die Verwendung immer kleinerer Vakuumerzeuger und hat damit erheblichen Einfluss auf die Kosten des Gesamtsystems.

Modulares Flächengreifsystem FX

Wegen der konsequenten Weiterentwicklung der Dichtmattentechnologie können teilweise bereits heute für schwierige Anwendungsfälle Flächengreifer ohne Zusatzspeicher verwendet werden. Hier sei nur am Rande auf das umfangreiche, modulare Flächengreifsystem Type FX verwiesen:
Der Aufbau des FX-Greifers entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der VacuBox. Jedoch sind die FX-Greifer ohne Vakuumspeicher aufgebaut, was einen deutlichen Einfluss insbesondere auf Gewicht und Kosten hat und auch die Verwendung von kostengünstigen, druckluftbetriebenen Vakuumerzeugern (Ejektoren) statt Vakuumgebläsen möglich macht. (Siehe Bild 12 und Bild 13)

Tendenziell wird der FX-Greifer eher bei Anwendungen verwendet, die bezüglich Abmessungen, Gewicht, Verwindungsgrad und Oberflächenrauhigkeit der zu hebenden Bretter weniger anspruchsvoll sind, als bei typischen VacuBox-Anwendungen.

Die Abgrenzung, welche Lösung für den jeweiligen Anwendungsfall ideal ist, ist jedoch - insbesondere wegen der dynamischen Weiterentwicklung von Dichtmatten und Ventiltechnik in diesem Bereich - in der Regel Aufgabe des Fachmanns.

Abschließend sei noch kurz auf einen Zusammenhang hingewiesen, der auf den ersten Blick nicht unmittelbar schlüssig erscheint.

Typischer Bedarfsfall:

Die typische Anwendung der VacuBox ist die Handhabung von Brettern, Leisten und Bohlen variabler Abmessungen.
Die Brettbreite liegt dabei in der Regel in einem Bereich von b = 50 - 200mm, die Breite der Lage zwischen B = 1.000 - 2.000mm (in Europa häufig 1.200mm) und die Bretterlänge l = 3.000 - 6.000mm, wobei Lagen mit gemischten Brettlängen zwar vorkommen, jedoch sehr selten sind. Innerhalb einer Lage sind die Abmessungen der Bretter in der Regel sortenrein. (Siehe Bild 14)

Lösung 1: Eine zentrale VacuBox
Bei der Handhabung unterschiedlicher Brettlängen, ist bei Verwendung einer zentralen Box in aller Regel eine mechanische Verfahreinrichtung zur zentrischen Positionierung der Box zwingend erforderlich, um größere einseitige Werkstücküberhänge, die die Funktion und Dichtmattenlebensdauer beeinträchtigen können, zu vermeiden.
Dies macht die zusätzliche Installation von Antriebsmotor, Getriebe, Führung, Steuerung, etc. sowie deren regelmäßige Wartung erforderlich. (Siehe Bild 15 und Bild 16)

Lösung 2: Zwei kleine VacuBoxen
Bei Verwendung mehrerer kleiner VacuBoxen können diese fix aufgehängt werden, was zu Investitions- und Betriebskosteneinsparungen führt, da auf die mechanische Verfahreinrichtung verzichtet werden kann. (Siehe Bild 17 und Bild 18)

Weitere Vorteile des "Mehrboxenkonzepts":

Vorteile

• Boxen können individuell abgeschaltet werden (z.B. wenn längere Zeit nur kürzere Bretter gehoben werden sollen). 
• Kleinere Boxen mit kleinerer Auflagefläche. 
• Speicher kann auf höheren Vakuumwert "vorgespannt" werden. 

Nutzen

• Energie- und Betriebskosteneinsparung. Flexible Anpassung auf den individuellen Bedarfsfall.
• In der Regel bessere Anpassungsfähigkeit bei verwundenen und gebogenen Brettern.
• Besseres Ansaugverhalten. Kürzere Zykluszeit.
  

Neben den oben genannten Aspekten sind die Anschaffungskosten für eine große Box mit großem Vakuumerzeuger in der Regel gleich oder nur geringfügig günstiger, als mehrere kleine Boxen mit kleinen separaten Vakuumerzeugern.

Zu erwähnen ist, dass bei den größeren Zentralboxen aus Fertigungs-, Flexibilitäts- und Modularitäts-Gesichtspunkten die VacuBox als "Balkenversion" bevorzugt wird (Balken mit Ventilen werden an den Speicher angeflanscht), während bei den kleineren "Mehrboxen" in der Regel die funktionsintegrierte Variante (Ventile, Ventilkammer und Speicher in einem Gehäuse untergebracht) vorteilhaft ist.

Zusammenfassend kann man zu diesem Punkt sagen, dass sowohl aus technischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht häufig der Grundsatz gilt: "Mehr VacuBoxen = besser und günstiger". Wobei hier stets das komplette Handhabungssystem inklusive der Mechanik ganzheitlich betrachtet werden muss.

Je nach spezifischen Anforderungen gibt es jedoch auch Fälle, bei denen der Einsatz einer Zentralbox sinnvoll ist.

Eine sichere Aussage, welches System für einen bestimmten Anwendungsfall optimal ist, kann in der Regel nur der Fachmann treffen. Wobei häufig - wegen der bereits erwähnten Qualitätsstreuung bezüglich Porosität und Oberflächenrauhigkeit der Werkstücke ("Holz ist nicht gleich Holz") - zunächst Versuche mit Original-Musterwerkstücken empfehlenswert sind, um eine sichere Funktion und ein optimales Preis-/Leistungsverhältnis zu gewährleisten.

Ein erhebliches Potenzial zur Wirtschaftlichkeits- und Produktivitätssteigerung von Durchlaufmaschinen der Holzbearbeitung sowie bei Stapel- und Entstapelvorgängen liegt in der intelligenten Automatisierung des Werkstückhandlings.

Dabei setzen sich Vakuumgreif- und Handlingssysteme, insbesondere in der Serienproduktion, immer mehr durch, da die Kostenvorteile der Automatisierung durch hohe Prozesssicherheit und dem dadurch möglichen mannlosen Betrieb, in vollem Umfang genutzt werden können.

Bei der VacuBox handelt es sich um ein komplettes Vakuumgreifsystem, das auf die komplexen Anforderungen der Holzindustrie, nämlich zum vollautomatischen, lageweisen Handhaben von Brettern, Leisten und Bohlen, für den Dauerbetrieb optimiert ist und die entsprechenden Anwendungen rationell löst.

Besondere Bedeutung kommt dabei der Dichtmatte zu, bei deren Entwicklung es in letzter Zeit erhebliche technologische Fortschritte gegeben hat, die zu einer Reduzierung bei den Investitions- und Betriebskosten geführt haben.

Bei Berücksichtigung aller relevanten Aspekte in Bezug auf Investitionsvolumen, Flächenverbrauch, Energiebilanz, Personalkosten, Verbrauchs- und Wartungskosten, Taktzeiten sowie beschädigungsfreier Transport zeichnet sich eine Lösung mit Vakuum - gegenüber mechanischen Lösungen - insbesondere durch eine höhere Prozesssicherheit und eine Verringerung der Maschinenstillstandzeiten aus.