Vollelektrische Maschinenkonzepte richtig umsetzen

Servo-dynamisch in allen Achsen

Ausschließlich von Servomotoren angetrieben soll eine neue Reihe von Thermoformmaschinen einige Vorteile gegenüber konventionell aufgebauten Maschinen bieten – hinsichtlich möglicher Produktqualität, Zykluszeiten, Einrichtung im Tagesbetrieb und Energieverbrauch. Dabei seien die Investitionskosten kaum höher.

Mit der Baureihe T10 rüstet das oberfränkische Unternehmen Geiss die Thermoformmaschine bereits in der Basisausführung vollständig und in allen Achsen mit Servoantriebstechnik aus. (Quelle: Geiss)

Mit der Baureihe T10 hat das Unternehmen Geiss aus dem oberfränkischen Seßlach die nach eigenen Angaben erste, standardmäßig in allen Achsen von hochdynamischen Servomotoren angetriebene Thermoformmaschine vorgestellt. Mit der Neukonstruktion wurde auch das gesamte Automatisierungskonzept überarbeitet. Die Automatisierungstechnik kommt wie bisher vorwiegend von Siemens und bringt bewährte Prozessabläufe auf den neuesten Stand der Steuerungs- und Antriebstechnik. Das Steuerungs- und Antriebskonzept integriert unter anderem eine fehlersichere Steuerung mit neuer Peripherie, einen robusten Industrie-PC mit Solid State Disc (SSD), ein Industrial Flat Panel mit kombinierter Touch- und Tastenbedienung sowie Servomotoren der zweiten Generation.

Die vorerst mit Presskräften von 40 und 60 Kilonewton lieferbaren Maschinen sind bei gleicher verarbeitbarer Plattengröße rund einen halben Meter kürzer als ihre Vorgänger und sparen damit wertvolle Stellfläche. Der neue vollelektrische Ansatz habe gegenüber dem pneumatischen eine Reihe von Vorteilen. Der Bedarf an energieintensiv und somit teuer erzeugter Druckluft sinkt. Die bei gleichzeitigem Bedarf großer Luftmengen mitunter mögliche Beeinträchtigung mehrerer Maschinen an einer zentralen Druckluftversorgung entfällt. Außerdem können pneumatische Maschinen in der Umformachse nur positionsgeregelt verfahren, weshalb anspruchsvollere Tiefziehbewegungen mit großen Ziehtiefen schon bisher mit Servoantrieben als Sonderausstattung ausgerüstet wurden. Dank der systematischen, detaillierten Neukonstruktion sei die komplett elektrisch angetriebene Maschine erheblich kostengünstiger, als die bisherigen, nachträglichen Sonderkonstruktionen. Die Herstellkosten sind laut Anbieter etwa vergleichbar mit denen der bisherigen Maschinen – bei deutlich höherer Effizienz in praktisch jeder Hinsicht.

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Flexibel und präzise durch Einzelantriebe
Anders als bei elektrischen Maschinen mit Zentralantrieb treibt an der T10 von Geiss jeweils ein Servomotor Simotics S-1FK7 jede Einheit vollkommen unabhängig von den anderen an. In der Grundmaschine sind das

  • vier Achsen für die Tischverstellung,
  • vier Achsen für die Spannrahmenverstellung,
  • zwei Achsen für die Oberstempelverstellung.
Dynamische Servomotoren der zweiten Generation an allen Achsen ermöglichen simultane Abläufe, was zu deutlich kürzeren Taktzeiten und höherer Ausbringung führt.

Hinzu kommen jeweils ein Servomotor zum Verfahren der Ober- und Unterheizung. Eine Besonderheit ist der bei einem Netzausfall aus dem Zwischenkreis des Antriebssystems gepufferte Notfallbetrieb. Dabei stellt ein Control Supply Module (CSM) aus dem Sinamics-Baukasten eine einstellbare Spannung aus dem Zwischenkreis zur Verfügung, womit die Servoachsen für die Heizung noch solange versorgt werden, dass sie aus dem Arbeitsbereich gefahren werden können. So wird verhindert, dass sich bei Spannungsausfall das Material weiter erwärmt und in die Unterheizung tropft. Außerdem erspart diese Lösung eine separate, deutlich teurere USV, weil damit auch der Microbox-PC gepuffert oder kontrolliert heruntergefahren werden kann. Ist eine automatisierte Beschickung zum Be- und Entladen der Maschine vorgesehen, kommen zwei weitere elektrische Verfahrachsen dazu.

Jede servomotorische Achse lässt sich in Lage, Geschwindigkeit und Druck regeln – wahlweise separat oder elektronisch gekoppelt im Verbund. Das schafft hohe Freiheit und Flexibilität in der Prozessführung und ermöglicht zum Beispiel Warte- oder Nachdruckphasen. Der Prozess wird, so der Hersteller, besser beherrschbar und wiederholgenauer, die Qualität konstanter. Zudem können Prozessschritte, die bislang nur nacheinander ausgeführt werden konnten, jetzt simultan und überlagert realisiert werden, wodurch sich die Taktzeiten deutlich verkürzen. Schon an der ersten Maschine seien die Umformzeiten halbiert und die Rüst- und Nebenzeiten bei jedem Takt um zwei Drittel reduziert worden. Das bedeutet eine drastische Erhöhung der Ausbringung.

Völlig neu gestaltet wurde das Steuerungs- und Antriebskonzept der Thermoformanlagen auf Basis von Siemens-Komponenten.

Die neue Ausrüstung unterstützt alle bisher möglichen Optionen der Geiss-Maschinen. So ist auch damit das Twin-sheet-Verfahren zur Herstellung komplexer Hohlkörper aus zwei Kunststoffplatten möglich. Auch dabei werde die neue Antriebstechnik zu einer weiteren Optimierung des Verfahrens beitragen, ist sich Wolfgang Daum, Konstruktionsleiter Thermoformmaschinen bei Geiss, sicher.

Mit neuester Automatisierung zu Höchstleistungen
Im Zentrum des runderneuerten Automatisierungskonzepts steht die fehlersichere Steuerung Simatic S7-1500F mit der CPU S7-1516F. Sie steuert den Prozess und übernimmt alle sicherheitsrelevanten Aufgaben wie die Überwachung von Not-Halt-Tastern und Lichtschranken. Dadurch konnte die bislang separate Sicherheitssteuerung entfallen. Die Kommunikation läuft über Profinet und das Profisafe-Protokoll.

Ebenfalls über schnelle Profinet-Verbindungen sind ein Industrie-PC (Microbox-PC) für die Bedienung und Visualisierung sowie drei Control Units des modularen Antriebssystems Sinamics S120 angebunden. Letztere kommunizieren über den digitalen Systembus Drivecliq mit den neuen Servomotoren der zweiten Generation. Diese sind im Standard mit Drivecliq-fähigen Absolutwertgebern ausgerüstet, die der Anwender im Störungsfall selbst tauschen kann.

16-Achsen Sinamics-Leistungsmodule sind platzsparend im Schaltschrank untergebracht.

Alle Verfahrbewegungen und Achskopplungen mit Hilfe des Optionspakets Drive Control Chart (DCC) realisiert. Das Paket ermöglicht grafisches Projektieren und Erweitern der Gerätefunktionalität über frei verfügbare Regelungs-, Rechen- und Logikbausteine. Damit lassen sich technologische Funktionen für das Antriebssystem Sinamics S120 Weise im Projektierungs-Tool Starter frei projektieren.

Neu beim Engineering im Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) sind unter vielen anderen Möglichkeiten die des Know-how- und Kopierschutzes. Auch die Seßlacher schützen ihre System-Software damit vor unautorisierten Zugriffen.

Automatisiert für den Weltmarkt
Mit der frühzeitigen Nutzung neuer Hard- und Software will der Maschinenbauer einerseits seine technologische Position festigen. Er kann die neuen Technologien länger als Späteinsteiger nutzen und darauf basierend seine Maschinen und Verfahren weiter optimieren und vorantreiben. Die Ersatzteilversorgung ist wieder über viele Jahre hinaus gesichert – üblicherweise zehn Jahre nach Produktabkündigung.

Im Zuge der Neukonstruktion wurde auch Heizungssteuerung überarbeitet, die jetzt via Profinet mit der Maschinensteuerung kommuniziert.

Der Einsatz von Siemens-Komponenten gewährleiste zudem die lokale und somit schnelle Verfügbarkeit von Ersatzteilen weltweit und also auch überall dort, wo Geiss seine Absatzmärkte hat.

Die erste Maschine wurde direkt nach der Messepremiere auf der Fakuma 2014 in Friedrichshafen an einen Lohnfertiger geliefert und nahm dort schnell die Produktion auf. Die zweite Maschine wurde im November auf der Euromold in Frankfurt ausgestellt. Daran war auch schon die Heizungssteuerung HCS4200 zu sehen, die nun ebenfalls über Profinet mit der Steuerung kommuniziert.

Die T10 wird in absehbarer Zeit die Vorgängerreihe vollständig ablösen, Geiss wird also ausschließlich „vollelektrische“ Maschinen weiterentwickeln. Die seit Jahren praktizierte „parametrische Konstruktion“ ermögliche auch fast jede Maschinengröße ohne feste Rasterung. Bisher wurden Maschinen für Teile bis zu 5700 mm × 2200 Millimeter und 1500 Millimeter maximaler Ziehtiefe gebaut. Die Materialbeschickung ist wahlweise per Hand, automatisch vom Plattenvorrat oder von der Rolle möglich, ebenso eine automatische Entladung.

Mit Drive Control Chart (DCC) lassen sich technologische Funktionen für das Antriebssystem im Projektierungs-Tool Starter frei gestalten.

Liefereinsatz ist seit Frühjahr 2015, nachdem Geiss den Umbau und die Neuausstattung seiner Fertigung in Seßlach abgeschlossen hat. Der Maschinenbauer hat nach eigenen Angaben mehr als zehn Millionen Euro investiert, um auch in dieser Hinsicht weiterhin den entscheidenden Schritt voraus sein zu können.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Jakob Einwag, Siemens AG, Bayreuth.


Hintergrund: Drive Control Charts (DCC)
Idee der Sinamics Drive Control Charts ist es, Funktionen für das Antriebssystem Sinamics S120 schnell und einfach im Starter-Tool frei zu projektieren. So lässt sich die Applikation individuell und schnell für spezifische Antriebsaufgaben einer Maschine auslegen. Mit DCC stehen in einer Bibliothek standardisierte Regel-, Rechen- und Logikbausteine, sogenannte Drive Control Blocks (DCB), für die Projektierung zur Verfügung. Im DCC-Editor können diese multiinstanzfähigen Bausteine grafisch per Drag-and-Drop zur Festlegung der Steuerungs- und Regelungsfunktionalitäten verknüpft werden. Dabei hat DCC keine Beschränkung hinsichtlich der Anzahl der verwendbaren Funktionen, diese ist nur von der Leistungsfähigkeit der Zielplattform begrenzt. Die Variablen der DCC können als Sinamics-Parameter veröffentlicht werden und mit Bico (Binektoren-Konnektoren)-Technik an beliebiger Stelle in die Regelungsstruktur eingekoppelt werden.

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