Materialversorgung mit Industrie 4.0

Anlagenwechsel im laufenden Betrieb bei P&G Braun

Das Braun Werk Walldürn der Procter & Gamble Manufacturing produziert die Rasierer und Epilierer der Marke Braun. Das Produktspektrum wächst weiter und damit die Anzahl der Design- und Funktionsteile aus Kunststoff, die auf über 70 Spritzgießmaschinen entstehen.

Kern der automatischen Materialerteilung bei P&G Braun – vier zusammengeschaltete Materialleitsysteme Navigator. © Koch-Technik

Verarbeitet werden dabei hauptsächlich ASA, ABS, PC, PC-PET, PA, PBT, POM, PPS und PP. Um als die Versorgung der Maschinen mit den vielen verschiedenen Materialien flexibler und prozesssicher zu gestalten wurde in eine neue zentrale Materialversorgung und Granulattrocknung investiert. Der Umbau lief ohne Stillstand der 24-Stunden-Produktion.

Bereits seit 1954 werden in Walldürn Rasierer der Marke Braun produziert. „In unserer Kunststoffteilefertigung produzieren wir mit hoher Fertigungstiefe alles, was bei P&G mit elektrischer Rasur und Epilation zu tun hat. Daraus resultiert eine hohe Qualität, was durch Testsiege unserer Geräte bei Stiftung Warentest belegt wird“, erklärt Frank Breunig, als Projektingenieur bei P&G Braun für die Umstellung der Materialversorgung verantwortlich. In der 24/7 Produktion wird auf über 70 Spritzgießmaschinen Schließkräften zwischen 500 und 3000 Kilonewton produziert. Die gespritzten Design- und Funktionsteile sind mit 0,5 bis 50 Gramm eher leicht, aber die Vielzahl der verwendeten Materialien, zum Teil auch faserverstärkt, ist hoch. Täglich werden mehr als drei Tonnen Granulat in Oktabins und als Sackware verarbeitet.

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„Jedes Material auf jeder Maschine, innerhalb kürzester Zeit, reproduzierbar und unterhalb der maximal zulässigen Restfeuchte bereitstellen“, umreißt Frank Breunig die wichtigsten Vorgaben. Und neben der zentralen Förderung sollte auch die Materialverteilung automatisiert ablaufen. Da sehr viele Materialien in kleinen Mengen verarbeitet werden, sollten Sicherungsmechanismen schon bei der Materialaufgabe falsches Material verhindern. Weiterhin erschien es angebracht, die Technik der Granulattrocknung zu erneuern und im Zuge dessen alle Optionen zur Energieeinsparung auszuschöpfen. Ganz wichtig war, auch im Hinblick auf die digitale Transformation im Unternehmen P&G Braun, die Möglichkeit der zentralen Überwachung der gesamten Materialversorgung, inklusive Trocknung, verbunden mit der Option zur Einbindung in das interne GRP-System. Eine weitere, entscheidende Anforderung: Der Umbau sollte zeitgleich mit der auf Volllast laufenden Produktion ‒ möglichst ohne Stillstandzeiten ‒ über die Bühne gehen.

Konzept mit Industrie 4.0

Koch-Technik plante eine komplett neue Materialversorgung auf Basis von Saugförderung mit zentral erzeugtem Permanentvakuum. Das System hat eine Vakuum- und mehrere Förderleitungen. Ausgelegt ist das System auf Granulate mit Korngröße zwischen 2 und 4 Millimeter und 0,6 bis 0,8 kg/dm³ Schüttgewicht. Die gesamte Anlage besteht aus fünf Einzelsystemen: Das erste versorgt die Trocknungsbehälter und über die vier anderen Systeme ist es möglich, jedes vorgetrocknete Material zu jeder Bedarfsstelle in der Spritzerei zu transportieren. Die Planung nach Bedarfsstellen ist nötig, weil viele Funktionsteile in Mehrkomponentenspritzguss gefertigt werden und die Spritzgießmaschine dementsprechend über mehrere Bedarfsstellen verfügt. Folglich wird jeder Bedarfsstelle ein Förderabscheider zugeteilt, der direkt auf der Spritzgießmaschine das Material ansaugt und von der Förderluft trennt. Eine erneute Befeuchtung hygroskopischen Materials im Leitungssystem verhindert die doppelte Leersaugung. Im Bereich der Materialaufgabe sind Oktabin-Stellplätze und Container zur Sackaufgabe vorgesehen und mit einer Materialverifizierung über Barcode-Scann abgesichert. Vier automatisierte Materialleitsysteme vom Typ Navigator verteilen das Material, ausgehend von der Granulattrocknung, auf die Spritzgießmaschinen. Alle Steuerungen der Anlagen werden in der Visualisierung von Koch zusammengeführt ‒ eine Software zur Überwachung der Materialversorgung und Einbindung in das interne GRP System.

Die zentrale Granulattrocknung ist auf einer Bühne installiert. Bühne und Anordnung der Komponenten mussten aufgrund des speziellen Hallenzuschnitts und der Dachkonstruktion individuell konfiguriert werden. Drei Trockenlufttrockner vom Typ CKT mit Öko-Anlagensteuerung versorgen 38 Trocknungsbehälter taupunktgesteuert mit insgesamt maximal 1600 m³/h Trockenluft. Diese Art der Trocknung bietet laut Anlagenbauer gegenüber Systemen die in festen Zeitintervallen umschalten geringeren Energieverbrauch und gleichbleibende Trocknungsqualität. Die patentierte Koch-Anlagensteuerung erkennt, ob das Material die zur Verarbeitung notwendige Restfeuchte erreicht hat und nimmt dann den Behälter aus den Trocknungskreislauf bzw. schaltet ihn bei Bedarf wieder zu. Neben dem Schutz vor Übertrocknung bringt das eine Energieeinsparung. Auch die frequenzgeregelten Gebläse tragen zur energiesparenden Granulattrocknung.

Automatische Materialverteilung

Die Materialverteilung über einen Kupplungsbahnhof schien zu unflexibel. Die Materialverteilung via Navigator von Koch sei hochflexibel, sicher, frei von Verunreinigungen und spare die Zeit des Umkuppelns – ideal für eine Produktion mit vielen Materialien und teils mehreren Materialwechsel pro Maschine und Tag. Bis zu 40 eingehende Material- und weiterführende Maschinenleitungen kann der Navigator verwalten. Werden zusätzliche Ein- oder Ausgänge gebraucht, können mehrere Navigatoren eingesetzt werden, wie bei P&G Braun: Vier Navigatoren mit durchschnittlich 32 Materialeingänge versorgen jede Bedarfsstelle in der Spritzerei mit jedem vorbereiteten Material. Die Leitungen werden für die Dauer des Materialtransports automatisch verbunden. Jeder Fördervorgang wird registriert und in der von Koch Technik installierten Visualisierung dokumentiert.

Auf dem Monitor können alle Stationen des Materials, wie Materialspeicher, Granulattrocknung, Navigatoren und Förderabscheider in Echtzeit visuell verfolgt und bei Bedarf angepasst werden. Darüber hinaus werden alle Aktivitäten wie Materialwechsel, Trocknungstemperaturen, Benutzeraktionen der Anlage aufgezeichnet und zertifizierungssicher gespeichert. So lässt sich jede Materialcharge bis zur Materialaufgabe zurückverfolgen. Zudem bietet die Visualisierung die entscheidende Schnittstelle zum GRP-System von P&G Braun, um auftragsbezogen produzieren zu können und ebnet damit den Weg zu einer digitalen Gesamtlösung in Richtung Industrie 4.0.

Die Visualisierung setzt beim Punkt Materialsicherheit ganz vorn an, bei der Materialaufgabe. Über Barcode-Scans und einem Datenabgleich wird ein Einfüllen von falschem Material schon bei der Materialaufgabe, also dem Eingang zur gesamten Materialversorgungsanlage, unterbunden. Vor dem Einfüllen des Granulats in einen der 28 Sackaufgabebehälter wird der Code des Materials gescannt und dann der Barcode des Containers. Die eingelesenen Daten werden sofort in der Visualisierung abgeglichen. Der Container öffnet sich erst, wenn die Daten übereinstimmen, also wenn das Granulat in den dafür vorgesehenen Container geplant ist. Gleiches gilt für die zehn gesicherten Stellplätze, von denen das Granulat aus Oktabins angesaugt wird. Hier wurden die Plätze durch Sensoren gesichert, die eine Belegung oder einen Tausch jedes Oktabins registrieren. Auch hier wird eine Saugstelle erst freigegeben, wenn bei Neubelegung das Material im Oktabin verifiziert wurde.

Installation ohne Stillstandzeiten

Die Installation sollte ohne Stillstandzeiten in der Fertigung laufen. Es wurden die Trocknungsanlage auf der Bühne, Materialspeicher, vier Navigatoren und etwa 6,3 Kilometer Förder- und Saugleitungen installiert. 84 Kleinstmengenabscheider vom Typ A2 mit 5 kg/h Förderleistung wurden für die Spritzgießmaschine vorgesehen. Im gesamten Versorgungssystem sorgen Drehkolbenvakuumpumpen für ein gleichbleibendes Permanentvakuum zum Materialtransport. Sie arbeiten frequenzgeregelt, was einerseits den Energieverbrauch senkt und andererseits, neben dem Geräuschpegel, den Verschleiß in der materialführenden Verrohrung mindert. Jede Pumpe wird von einem Zentralfilter Typ Sa3 vor Verunreinigungen in der Förderluft geschützt. Die Sicherheitsfilter reinigen die staubbeladene Luft von allen Fremdpartikeln größer 3 Mikrometer. Die Pumpen sind eingehaust, um den Lärm zu reduzieren.

In der letzten Installationsphase wurden die Förderabscheider in der Spritzerei an die neuen Leitungen angeschlossen. Die Förderabscheider wurden im laufenden Betrieb getauscht. Jeder neue Abscheider ging sofort in Betrieb, so dass es keine Unterbrechung beim Wechseln gab. Seitdem laufe die Anlage rund. Neben gestiegener Prozesssicherheit und unkomplizierter Materialverteilung sei die Verarbeitung flexibler und energieeffizienter geworden. Laut P&G weist das neue System gegenüber der alten Anlage nach einem halben Jahr Echtbetrieb einen um 55 Prozent geringeren Energieverbrauch auf.

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