Die Produktion von Deckeln mit Durchmessern von 80 bis 110 Millimeter für Nahrungsmittel-Behälter scheint auf den ersten Blick banal. Ist es aber nicht. Eine unabdingbare Vorgabe war es, den von WPP vorgegebenen Return of Investment zu erreichen, welcher in erster Linie auf der vorgegebenen Ausbringung basierte; diese wiederum beruhte auf einer vom Lieferanten garantierten Zykluszeit und einem vom Käufer fixierten Einkaufspreis. Und grundsätzlich steckt in dem Prozess, wie so häufig beschworen, der „Teufel im Detail“. Die völlige Verzugsfreiheit musste sichergestellt werden, und zwar sowohl bei der Entnahme und Handhabung als auch der lagegerechten, eng gepackten Stapelung der Teile im Karton. Dies war eine Vorbedingung für eine dauerhaft störungsfreie Verarbeitung der Deckel. Das Verschließen der Nahrungsmittelbehälter erfolgt nämlich mit einer Geschwindigkeit von 230 Deckeln pro Minute; Null-Fehler-Teile (100% maß- und formhaltig) sind somit die Bedingung für den störungsfreien Ablauf. Weiterhin musste die gesamte Anlage so konstruiert und vorgerüstet werden, dass eine spätere Verwendung als In-Mould-Labeling-Anlage lediglich durch einfache Nachrüstung – ohne wesentliche Umbauten – sowohl im Bereich der Mechanik als auch der Steuerungs- und Programmiertechnik möglich ist. Diese Erweiterung durfte jedoch keinen Einfluss auf die oben erwähnte, garantierte Zykluszeit haben. Diese und eine Reihe weiterer Vorgaben der Ausschreibung stellten die Projektingenieure und Konstrukteure der Wittmann Robot Systeme in Schwaig vor die eine oder andere Herausforderung. Für WPP gab es allerdings gute Gründe, diese Aufgabe an Wittmann zu vergeben. Nach den Worten von Maurizio Conte, Operations Manager bei WPP, lag dies an der „modernen Technologie, Servicenähe und einer guten Kommunikationsbasis, gepaart mit einem ausgewogenen Preis-/Leistungsverhältnis“. „Ebenfalls wichtig war für uns“, so Conte weiter, „dass unser Schwesterwerk in Hockenheim seit gut zwei Jahren nur positive Erfahrungen mit Wittmann gesammelt hatte und eine ähnlich konzipierte Anlage dort sehr gute Ergebnisse aufweist.“

Das Produktionskonzept und die Werkzeugkühlung

Die gesamte Produktionsanlage besteht aus einer vollelektrischen Spritzgießmaschine, einem 8-Kavitäten-Werkzeug nach WPP-Spezifikation und einer Automatisierungszelle von Wittmann Robot Systeme mit einem W737-Hochgeschwindigkeits Roboter, einem W732-Vierachs-Servo-Roboter und einer Sortier- und Umsetzeinheit zur Verpackung der Deckel im Karton. Den Einsatz von vollelektrischen Spritzgießmaschinen begründet Thorsten Sturm, Betriebsleiter des Werkes in Zwenkau, mit „einer fünfzigprozentigen Energieersparnis gegenüber den bisher eingesetzten vollhydraulischen Maschinen und einer wesentlich geringeren Kontaminierungsgefahr der Produkte, die darauf für die Nahrungsmittelindustrie hergestellt werden“. Auch die durchgehende Handhabung der Teile durch die Automatisierung hat gegenüber dem bisherigen freien Fall der Deckel aus dem Werkzeug und dem nachfolgenden Orientieren in der Sortiereinrichtung den Vorteil der geringstmöglichen Kontaminierung durch Fremdeinflüsse. Weidenhammer hat außerdem im Werk Zwenkau eine permanente Energieerfassung beziehungsweise Energiekontrolle eingeführt und legt sehr hohen Wert auf die kontinuierliche Reduzierung des Energieverbrauchs im gesamten Werk.
Die zu produzierenden Deckel haben je nach Größe und Ausformung ein Verhältnis von Wanddicke des Deckels zu Durchmesser von bis zu 0,5 mm mal 104 mm und neigen sowohl bei der Produktion (Kühlung im Werkzeug) als auch dem nachfolgenden Schrumpfen zum Verzug. Verzug bei Kühlung verhindert eine Kühltechnik, die eine ex-trem kurze Zeit für das Einspritzen und Kühlen erlaubt. Verzugsfreiheit beim Schrumpfen wird durch schnelles Handhaben und die sichere, stabile Lagerung im Karton erreicht. Das schnelle und verzugsfreie Erstarren des PP, das einen hohen Schmelzindex hat, verlangt eine Kühlung, die den Werkzeugstahl der Kavitäten permanent auf der ein-gestellten niedrigen Temperatur hält, das heißt
die von der Schmelze zugeführten Wärme umgehend abführt. Dies wird unter anderem durch eine sehr geringe Wanddicke zwischen den Kühlkanälen und der Kavität und einer sehr effizienten Energieabführung mit auf 12 °C gekühltem Wasser erreicht.

Die Deckelentnahme erfolgt mit 7 g Höchstbeschleunigung

Die Entnahme der im Achtfach-Werkzeug hergestellten Deckel erfolgt durch einen seitlich einfahrenden W737-Sonderroboter mit einem speziell für solche Entnahmevorgänge konzipierten Hochgeschwindigkeitsantrieb. Dieser basiert auf der bewährten und im Eigenbau gefertigten Antriebstechnik W-Drive. Die für solche speziellen Fälle optimierte Technik erlaubt dann Beschleunigungswerte von 7 g. Die Fahrstrecke beträgt für den Ein- und Ausfahrhub jeweils 800 mm. Dennoch wird trotz sehr steiler Beschleunigungsrampen die Höchstgeschwindigkeit nur sehr kurzzeitig erreicht, bevor der Roboter über eine ebenso steile Bremsrampe wieder zum Stillstand bei der Teileentnahme gebracht wird. Für die Entnahme der Deckel ist kein Entnahmehub notwendig; die Vakuumsauger, die während des Einfahrens vorauseilen, sind bereits in Position und die Deckel werden vom Auswerfer dem bereits aufgebauten Vakuum übergeben. Auf diese Art und Weise wird eine Entnahmezeit von
0,6 sec erreicht, gemessen vom Signal „Form ist offen“ bis zum Signal „Form ist geschlossen“. Eine solche Entnahmetechnik ist im Software Modul „SmartRemoval“ von Wittmann als Standard verfügbar und ermöglicht dem Bediener „mit einem Knopfdruck“ die kürzeste Entnahmezeit zu erreichen. Weiterhin ist beim Greifer ein extremer Leichtbau bei sehr hoher Steifigkeit zwingend notwendig, der durch eine genau berechnete Aluminiumkons-truktion erreicht wird. Auch für den Hochgeschwindigkeitsroboter (W737) war die Vorgabe, die bewegten Massen sehr gering zu halten, eine der Voraussetzungen für die so erreichte hohe Beschleunigung. Die Übergabe der gespritzten Teile erfolgt an eine Greif- und Umsetzeinrichtung, deren Kinematik einfachste Antriebstechnik mit schnellem Bewegungsablauf verbindet. Innerhalb von zwei Sekunden werden die in zwei Reihen mit je vier Deckeln übernommenen Teile auf vier parallel laufende Bahnen verteilt; in dieser Zeitspanne wird auch die Übernahme des neuen Schusses vorbereitet. Eine Überwachung durch schnelle, farbunabhänige Sensoren prüft die korrekte Lage und Anzahl der Teile nach dem Ablegen im Karton. Die nun in Führungsschienen auf Sortierbändern abgelegten Teile werden aufgestaut und orientiert, so dass sie von einem Standardroboter W732 mit vier Servoachsen entnommen und im Karton gestapelt werden können. Der Entnahmegreifer passiert auf dem Weg aus dem Werkzeug vor der Teileübergabe einen Ionisierstab und der Umsetzgreifer einen weiteren. Die auf den Teilen vorhandene elektrische Aufladung wird somit durch ionisierte Luft vollständig abgebaut. Dies reduziert die Kontaminierung der Teile durch Partikel in der Luft; ebenso ermöglicht die Entladung ein genaues und dauerhaft stabiles Ablagemuster im Karton, ohne dass die Teile sich gegenseitig abstoßen und das Lagebild zerstören. Das Lagebild ist für die verzugsfreie Abkühlung während des damit verbundenen Schrumpfungsprozesses ausschlaggebend. Sollten die Deckel, bedingt durch die extrem schnelle Übernahme im Werkzeug, einen Versatz zum theoretischen Mittelpunkt aufweisen wird diese Abweichung durch die Kontur der Führungsschienen über den Sortierbändern ausgeglichen. Durch das Prinzip der Arbeitsteilung zwischen den drei Grundeinheiten wurde der vorgegebene und garantierte Gesamtzyklus von vier Sekunden erreicht.
Die gesamte Konstruktion, bestehend aus Schnellentnahme, Umsetzeinheit und Sortierbändern, ist auf einem Grundrahmen als Einheit zusammengefasst. Diese ausgereifte Baukastentechnik erlaubt nicht nur die schnelle und präzise Teileübergabe, sondern auch das Programmieren und Teachen der einzelnen Greifpositionen bereits während der Herstellung im Werk von Wittmann.

Kurze Inbetriebnahmezeiten reduzieren die Kosten zweifach

Diese Einheit wurde dann bei dem Verpackungshersteller auf den Nullpunkt des Werkzeuges ausgerichtet, dann fixiert, und war somit betriebsbereit. Dies war eine Grundvoraussetzung, wodurch die gesamte Automatisierungsanlage vor Ort schnell in Betrieb genommen werden konnte, und dadurch auch zu deutlichen Kos-teneinsparung führte. Zum einen durch die reduzierten Montagekosten, die sich im Verkaufspreis niederschlagen; der minimierte Stillstand der Produktionsanlage war ein weiterer positiver Faktor für WPP. Diese schnelle Inbetriebnahme der Anlage hat jedoch noch eine weitere Ursache. Sie beruht auf der Programmstruktur und die Steuerungsverbindung der Roboter, die auch im weiteren Betrieb der Gesamtanlage deutliche Vorteile für die Bediener bringt. Der Betrieb der Geräte erfolgt im so genannten „Handshake“-Verfahren. Das ermöglicht es den W737-Roboter als „Master“ einzusetzen, der die Steuerung der Grundfunktionen des zweiten Roboters W732 sowie der Umsetz- und Sortiereinheit mit übernimmt. Programmfunktionen wie Start/Stop, Grundstellungsfahren, Satzstop und Not-Aus können von einer Teachbox aus für die gesamte Anlage abgerufen werden.
Die Technik und die gesamte Umsetzung dieser Automatisierungszelle ist bei WPP offenbar gut angekommen. Maurizio Conte: „Eine weitere, prinzipiell baugleiche Anlage von Wittmann ist bei uns gerade im Aufbau.“

Kosteneffizienz
Schnelle Zykluszeiten fordern die Robotik heraus

Werden die Zykluszeiten kürzer, beispielsweise weil das Werkzeug konturnah gekühlt wird, dann muss auch die Robotik an der Spritzgießmaschine einen Gang zulegen. Beispiel: Weidenhammer Plastic Packaging. Dort beträgt die Zykluszeit für die Herstellung von PP-Deckeln in einem Achtfach-Werkzeug mit konturnahen Kühlkanälen vier Sekunden. Die Automationszelle zur Entnahme der Deckel und Stapelung im Karton muss dabei nicht nur dem schnellen Takt folgen, sondern muss auch alles so machen, dass die Deckel zu 100 % maß- und formhaltig sind und bleiben. Denn bei der Weiterverarbeitung der Deckel (dem Verschließen der Boxen) sind Störungen absolut unerwünscht. Zu den wichtigen Vergabepunkten für dieses Automationsprojekt gehörte auch, dass die Technik ein ausgewogenes Preis-/Leistungsverhältnis hat. Diese und andere wichtige Punkte hat der Robotik-Hersteller Wittmann offenbar erfüllt, denn bei Weidenhammer wird bereits die zweite Anlage dieser Art gebaut. Zusätzlich profitierte der Verpackungshersteller von der kurzen Inbetriebnahmezeit, sprich geringen Montagekosten, denn das Programmieren und Teachen der einzelnen Greifpositionen wurde bereits im Werk des Roboter-Herstellers vorgenommen.

 

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Walter Klaus