Bis zu 40 % reduzierte Maschinenkosten im Direktdruck

Die innovative Druckmaschine Tesseract begann als Skizze auf einer Serviette, nachdem die Ingenieure von Norwalt Automation eine Demo des XPlanar-Systems von Beckhoff gesehen hatten: Magnetisch schwebende Mover positionieren die Druckteile mit sechs Freiheitsgraden in der Bewegung. So kann eine Maschine eine Vielzahl von Geometrien abdecken, und die Umstellung auf andere Produkte kann schnell und einfach per Software erfolgen.

Die Norwalt Automation Group besteht seit fünf Jahrzehnten als Familienunternehmen in der dritten Generation und bedient mit Standorten in Randolph, New Jersey, und Tampa, Florida, verschiedene Branchen; darunter Digitaldruck, Verpackung, Pharmazeutika sowie Lebensmittel und Getränke. Die Kernkompetenz des Unternehmens liegt in komplexer, kundenspezifischer Automatisierung für große CPG-Kunden (Consumer Packaged Goods), die oft zu den 50 umsatzstärksten Unternehmen weltweit zählen. Besonders die großen Markenhersteller wünschen sich zunehmend schnellere regionale Produkteinführungen, saisonale Waren und ein reduziertes Lagerrisiko.

Vom Etiketten- zum Direktdruck

Herkömmliche Druckverfahren mit Kunststoff- und Papieretiketten sind mit langen Rüstzeiten, häufigen manuellen Eingriffen und größeren Mengen an Materialabfällen aufgrund von Fehldrucken oder ineffizienter Umrüstung verbunden. Markenhersteller, die mit limitierten Auflagen, regionalen Designs oder schnellen Werbekampagnen experimentieren wollten, mussten bisher meist kleinere Auflagen an Vertragsverpacker auslagern oder hohe Kosten und lange Wartezeiten in Kauf nehmen.

Daher beschloss Norwalt, die Konstruktion von Etikettendruckmaschinen komplett zu überdenken – hin zu Lösungen, die den Druck beschleunigen, den Ausschuss minimieren und die Kosten senken. Das Ergebnis ist der Direktdruck auf Objekte. „Oftmals sind die Kosten im Konsumgütermarkt exorbitant, wenn man große Etikettenrollen bestellen, diese in einem klimatisierten Raum lagern und dafür viel Platz aufwenden muss, der für andere Produktionszwecke genutzt werden könnte“, so Technical Sales Director Kyle Seitel. „Wenn man auf den Direct-to-Object-Druck umsteigt, ersetzt man im Grunde genommen die Etikettenrollen durch Tinte. Das senkt die Kosten, denn eine Flasche Tinte reicht für lange Zeit und muss nicht in speziellen Räumen gelagert werden.“

Viele Direktdrucksysteme sind jedoch auf eine einzige Geometrie beschränkt und können ohne umfangreiche mechanische Vorrichtungen keine konischen, unregelmäßigen oder komplexen Formen verarbeiten. Ziel von Norwalt war es, eine flexible Maschine zu entwickeln, die eine Vielzahl von Geometrien unterstützt, schnelle softwaregesteuerte Umstellungen ermöglicht und es erlaubt, den Durchsatz durch das bedarfsgerechte Hinzufügen von Modulen vor Ort zu skalieren.

Drucken mit sechs Freiheitsgraden

Die von Norwalt entwickelte Lösung für den Direktdruck auf Objekte – heute als Tesseract bekannt – ist eine modulare Maschine, die auf dem intelligenten Transportsystem XPlanar und der PC-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff basiert. In der Geometrie bezeichnet ein Tesserakt einen Hyperwürfel, der ein 2D-Quadrat und einen 3D-Würfel in vier Dimensionen erweitert und komplexe Eigenschaften aufweist, insbesondere, wenn er gedreht wird. Norwalts ebenso fortschrittlicher Tesseract begann als Konzeptskizze auf einer Serviette in einer Bar, nachdem die Ingenieure eine Demo der mechatronischen Bewegungsmöglichkeiten des XPlanar-Systems gesehen hatten: Sie wollten die über magnetische Felder gesteuerten Mover dafür verwenden, die Druckteile mit sechs Freiheitsgraden dynamisch zu positionieren, sodass eine Druckmaschine allein viele verschiedene Geometrien abdecken könnte. Sie validierten das Konzept schrittweise, indem sie eine kleine Fläche von 3 x 3 XPlanar-Kacheln mit einem einzigen Druckkopf testeten und dann nach Bedarf durch das Hinzufügen weiterer Kacheln und Druckköpfe skalierten. Der modulare Ansatz ermöglicht es Norwalt, die Kapazität vor Ort mit minimalem Nachbearbeitungsaufwand schnell zu erhöhen. „Das ist das Schöne an XPlanar – wenn uns der Platz ausgeht, fügen wir einfach weitere Kacheln hinzu“, so Kyle Seitel.

Die schwebenden XPlanar-Mover und die Software TwinCAT, die auf einem Embedded-PC CX2062 läuft, ermöglichen die flexible, softwaregesteuerte und adaptive Teilehandhabung, die Norwalt suchte. Die Mover können Teile um 360° drehen, sie in X- und Y-Richtung verschieben und sogar in Z-Richtung um bis zu 5 mm anpassen. Somit können auch Produkte mit komplexen Geometrien optimal um die Druckköpfe herumbewegt und mit einer hochwertigen Etikettierung versehen werden. Denn mit sechs Freiheitsgraden in der Bewegung ermöglicht XPlanar ein konsistentes Druckergebnis im Submillimeterbereich. Die Behälter werden von einem Roboterarm auf die schwebenden XPlanar-Mover geladen und wieder entladen.

Die Bewegungsprofile werden per Software gesteuert, sodass die Änderung des Bahnverlaufs von kreisförmig zu linear oder die Anpassung von Verweilpunkten über das HMI per Knopfdruck erfolgt und keine aufwendige mechanische Umstellung erforderlich ist.

Zusätzlich steuern Servoklemmen ELM7212 über Servomotoren AM8100 die Positionierung der Druckköpfe und anderer Achsen, die hohe Präzision erforderten. Die ultrakompakten Antriebe sind über EtherCAT vernetzt, um eine Ansteuerung mit geringer Latenz und eine gleichmäßige Überlagerung mehrerer Tintenfarben zu gewährleisten. EtherCAT ermöglicht deterministische Hochgeschwindigkeitskommunikation über alle I/O-Module des Tesseract hinweg und so eine äußerst genaue systemweite Synchronisation. Und dank der Diagnosefunktionen von EtherCAT können Ingenieure einfach das Netzwerk scannen und schnell alle angeschlossenen Geräte identifizieren, anstatt Stunden mit der Zuweisung von IP-Adressen und der Suche nach Verdrahtungsfehlern zu verbringen. Sie können auch die genaue Position von Verkabelungsproblemen lokalisieren, wodurch sich die Inbetriebnahme- und Wartungszeiten von Tagen auf Minuten reduzieren können. Die Maschinensicherheit ist über TwinSAFE-Klemmen und Safety over EtherCAT (FSoE) integriert.

Die Software TwinCAT HMI enthält eine PackML State Machine und wird auf Multitouch-Control-Panels der Serie CP22xx und Panel-PCs der Serie CP3xxx visualisiert. Die Automatisierungssoftware TwinCAT wurde zur einheitlichen Entwicklungsumgebung für XPlanar, SPS, die Bewegungssteuerung, HMI, Maschinensicherheit und übergeordnete PC-Aufgaben. Die Ingenieure von Norwalt nutzten Structured Text und objektorientierte Programmierung in TwinCAT, um modulare, wiederverwendbare Funktionsblöcke, Eigenschaften und Methoden sowie standardisierte Bewegungsprofile zu erstellen, die sie maschinenübergreifend anwenden können. Der textbasierte Workflow ermöglichte es Norwalt außerdem, standardmäßige Praktiken zur Softwareversionskontrolle einzuführen – Verzweigungen, Commits und Merges –, was die Entwicklung beschleunigt und Rollbacks und Audits vereinfacht.

Dies reduzierte die Programmierzeiten erheblich. Was früher stundenlange sorgfältige manuelle Arbeit erforderte, ist jetzt durch standardisierte Software-Workflows in wenigen Minuten erledigt. Diese Produktivität führt zu schnelleren Maschineniterationen, schnellerer Fehlerbehebung vor Ort und besser vorhersehbaren Lieferterminen.

Durch die enge Zusammenarbeit mit dem Special Projects Team (SPT) und dem technischen Support von Beckhoff USA konnten die Steuerungsingenieure von Norwalt die Lernkurve schnell absolvieren und erhielten praktische Hilfe bei komplexen Integrationen. „Ich hätte mir keine besseren Mitstreiter wünschen können, damit ich die Projekte jetzt auch selbst übernehmen und durchführen kann“, sagte Michael Forte, Steuerungsingenieur bei Norwalt.

Der Beweis liegt im Druck

Das Tesseract-Projekt lieferte mehrere gute Ergebnisse. Der sichtbarste Effekt ist die Flexibilität im Betrieb: Durch den Direktdruck auf Objekte entfallen große Etikettenrollen und der damit verbundene Abfall, Lagerkosten werden drastisch gesenkt und Unternehmen können Waren je nach Bedarf produzieren.

Zudem konnte Norwalt die mechanische Komplexität verringern, denn XPlanar ersetzt viele herkömmliche mechanische Komponenten und Getriebe. „Das reduziert die Kosten einer Maschine um 30 bis 40 % und spart Hunderttausende von Dollar“, sagte Keith Harman, Executive Business Director bei Norwalt. Der geringere Platzbedarf für Mechanik reduziert zudem Größe und Stellfläche der Maschine und weniger mechanische Teile bedeuten auch weniger Ausfälle. „Bei allen Fehlern, die dennoch auftreten, können 95 % aller Reparaturen per Fernzugriff durchgeführt werden, da kein mechanischer Eingriff nötig ist“, so Keith Harman.

Auch Produktqualität und Druckleistung haben sich verbessert. Die präzise Steuerung und exakt synchronisierte EtherCAT-Kommunikation ermöglichen mehrere Farbdurchgänge mit der für hochwertige Ergebnisse erforderlichen Registergenauigkeit. Das Ergebnis ist ein System und Verfahren, das dem Ziel des Unternehmens entspricht, CPG- und Pharmaunternehmen mit anpassungsfähiger, zukunftsorientierter Automatisierung und Mechatronik die Fabrik der Zukunft zu liefern.