Extrusion

Dynamisches Duo

Steuerungs- und Antriebssystem für Monofilament-Wickler. Ein hoch dynamischer Steuerungs-Antriebsverband ermöglicht die Weiterverarbeitung von Monofilamenten direkt aus dem Extruder. Für den Verarbeiter bedeutet dies einfachere und kosteneffizientere Abläufe, weil mehrere Zwischenschritte entfallen. Kürzere, reproduzierbare Zykluszeiten führen zudem zu einer präziseren Synchronisation von Abläufen und dadurch zu besserer, konstant hoher Qualität. Der Maschinenbauer oder Automatisierer profitiert von der Durchgängigkeit des Gesamtsystems beim Engineering, während der Inbetriebnahme und im Service.

Gesamtanlage mit Teilen der Extrusionslinie – mit durchgängiger Steuerungs- und Antriebstechnik kommen Monofilamente erstmals direkt aus dem Extruder verarbeitet werden.

Borsten für Pinsel, Bürsten und Besen sind neben Sieben, Saiten für Tennisschläger, Angelleinen, Seilen und Netzen typische Anwendungen für Monofilamente. Die vielseitigen Kunststofffäden werden endlos aus Viellochplatten extrudiert, abgekühlt, in temperierten Bädern stufenweise gereckt und dabei gezielt verfestigt. Bei hohen Extrusionsgeschwindigkeiten war es bislang unumgänglich, den kontinuierlichen Herstellungsprozess zu unterbrechen und die gebündelten Fasern für die weitere Verarbeitung auf Spulen aufzuwickeln und zwischenzulagern. Mit entsprechend hohem Aufwand für das Handling.

Den Schwesterunternehmen Motech und Reimotec aus Abtsteinach bei Heidelberg ist es jetzt erstmals gelungen, die der Extrusion folgenden Produktionsschritte Aufwickeln auf Spulen, Umwickeln mit Folie, Schneiden auf Vorlängen und Ablegen in ein Magazin zu integrieren und derart dynamisch zu gestalten, dass die Fasern bei voller Produktionsgeschwindigkeit auch im Dreischichtbetrieb zuverlässig ohne Zwischenpuffer direkt aus der Extrusionslinie verarbeitet werden können.

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Nonstop-Betrieb aus dem Extruder

Die gemeinsam von beiden Unternehmen entwickelte, an unterschiedlichen Extrusionslinien einsetzbare Konstruktion kann erheblich mehr als herkömmliche Wickler. Erster Schritt ist auch daran das Aufwickeln der endlosen Faserbündel auf jeweils eine von zwei Spulen im fliegenden Wechsel. Die mit einem Durchmesser von 2420 Millimeter und einem Umfang von 7600 Millimeter bisher größten Spulen aus Abtsteinach changieren während der Drehbewegung seitlich, um ein optimales Wickelbild zu erreichen, ein Tänzer sorgt für konstante Spannung. Das fertige Faserbündel wird an der Oberseite der Wickelspule gegriffen, unten mittig getrennt, nach oben aus dem Wickler abgezogen und dabei mit Schutzfolie umwickelt. Ein XY-Portal verfährt den so gefestigten und ausreichend stabilen Strang schließlich über die Schneideinrichtung, in der beim Verfahren nach unten praktisch beliebi-ge, frei programmierbare Längen geschnitten werden können. Der Erstanwender der neuen Anlage teilt den Strang in drei Nutzlängen auf, die zur manuellen Entnahme kontrolliert nebeneinander in einem Magazin abgelegt und von dort händisch in Kartons verpackt werden.

Möglich geworden ist das durch die Kombination einer Simatic Technologie-CPU 317T-2 DP mit Antrieben der modularen Familie Sinamics S120. Weil damit die Schnittstellen zwischen SPS, Motioncontrol und Antriebstechnik komplett entfallen. Zudem verkürzen die integrierte Motion-Control-Funktionen der gewählten Steuerung sowie das optimierte Zusammenspiel der Antriebssystem die Zykluszeiten drastisch – von zuvor mehr als 40 Millisekunden auf nun etwa 5 Millisekunden. Das ermögliche eine exaktere Synchronisation der verschiedenen Anlagenteile untereinander und somit konstantere Qualität auf hohem Niveau, die sich unter anderem in Form reproduzierbarer, präziserer Schnittlängen und weniger Verwicklungen der Monofilamente ausdrückt. Gleichzeitig ließen sich potenzielle Abstimmungsfehler eliminieren, die bei derart hohen Abzugsgeschwindigkeiten mit der früheren Technik bis zur Zerstörung mechanischer Komponenten führen konnten, etwa beim Spulenwechsel. Die neue Automatisierungslösung bildet eine in sich geschlossene, schon vom Hersteller aufeinander abgestimmte, damit hochdynamische Einheit aus Steuerung und Antrieben, um Kommunikationswege muss man sich keine Gedanken machen. Es kann wie gewohnt strukturiert programmiert werden, Softwaremodule lassen verändern, ergänzen, diese flexibel miteinander kombinieren oder voneinander trennen. Das geschieht auf einer einzigen Plattform (Step7), was die Handhabung vereinheitlicht und dank integrierter Datenhaltung sowie Kommunikation das Engineering deutlich verkürzt.

Abgesehen davon lassen die elektronischen Einzelantriebe den in der Entwicklungsphase immer notwendigen Spielraum für Veränderungen und Variationen zu. Damit wird man flexibler, eine Maschine kann mechanisch den Erfordernissen entsprechend aufgebaut, die Antriebe auch noch in einem sehr späten Stadium ausgelegt und verändert werden. Andererseits sind die Kommunikationsmechanismen aufeinander abgestimmt, standardisiert und erprobt, so dass nichts mehr neu erfunden werden muss, was erfahrungsgemäß zeitaufwändig und fehlerträchtig ist.

Integriert koordiniert

Die Technologie-CPU bietet vielfältige SPS-, Technologie- und Motion-Control-Funktionen ohne spezielle Zusatz-Hardware. Nach einer kurzen Einweisung haben die Automatisierer fast das gesamte Repertoire an Motion-Control-Funktionalität des Controllers genutzt, vom Gleichlauf über das Ein-/Auskoppeln und die Druckmarkensynchronisation bis zum Positionieren. Zur Visualisierung sind zwei Touch Panel installiert, die Anbindung an eine überlagerte Liniensteuerung ist möglich. Die Sensorik und Aktorik in der Maschine sind per ASi-Bus angebunden.

Hochdynamisch und präzise umgesetzt werden die Bewegungen von Antrieben der jüngsten Generation Sinamics S120 und derzeit zwölf Servomotoren mit Getrieben. Die Umrichter für die vergleichsweise niedrigen Anschlussleistungen von 0,79 bis 3,3 Kilowatt waren schnell montiert. Weil fast ausschließlich Doppelachs-Motormodule mit der Breite von Einachs-Modulen eingesetzt werden konnten, baut der gesamte Antriebsverband sehr kompakt, was die Schaltschrankfläche gegenüber anderen Lösungen um rund 30 Prozent reduziert. Die Installation habe in diesem Fall nur etwa die Hälfte der üblichen Zeit in Anspruch genommen, sagt der Anlagenbauer.

Dazu hat auch der automatische Austausch der Antriebsparameter mit den drei Control Units über elektronische Typenschilder und die digitale Systemschnittstelle Drivecliq beigetragen. Zeitaufwändiges und fehlerträchtiges Eingeben von Antriebsdaten erübrigt sich damit. Das gilt auch im späteren Betrieb beim Austausch eines Moduls, was bei dieser Anwendung besonderes wichtig ist, da bei längeren Unterbrechungen die gesamte Extrusionslinie gestoppt und wieder angefahren werden müsste.

Überhaupt kommt der präzisen und schnellen Synchronisation der diversen Bewegungsabläufe besondere Bedeutung zu, da bei derart hohen Produktionsgeschwindigkeiten schon Schwankungen im Bereich weniger Millisekunden Probleme bringen. Nicht so mit der neuen Lösung, mit der die zyklische Abfrage sämtlicher Antriebe über den taktsynchronen Profibus nicht mehr als 2 Millisekunden dauert. Ohne diese von Ausrüster prognostizierte Performance hätte man erst gar nicht den Versuch unternommen, Monofilamente ohne Zwischenpuffer direkt aus dem Extruder zu verarbeiten, so der Leiter der Konstruktion bei Reimotec, Gerd Viniol.
Maschinenbauer und Automatisierer sind mit der jetzigen, inzwischen auch im rauen Praxisbetrieb bewährten Steuerungs- und Antriebstechnik zufrieden. Lediglich die fliegende Übergabe zwischen den beiden Wickelspulen soll mit Hilfe eines Linearmotors, der sich einfach in den Verband integrieren lässt, noch präziser als auf dem bisher pneumatischen Weg werden.

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