Softwarebasierte Produktmanipulation on-the-fly
In hochdynamischen Verpackungslösungen entscheiden Sekundenbruchteile über die Rentabilität. Deshalb ersetzt die schwedische 3Button Group starre Mechanik durch softwaredefinierte Bewegungsführung – auf Basis des XTS von Beckhoff. Damit wird ein neues Stapel- und Verpackungssystem zur kompakten Highspeed-Anlage, die empfindliche In-Mould-Labelling-Produkte bei hohem Durchsatz inspiziert, präzise handhabt und rund um die Uhr verfügbar hält.
Die härteste Währung bei Fast Moving Consumer Goods, die in Millionenauflagen produziert werden, ist eine hohe Gesamtanlageneffektivität (OEE). Die 3Button Group, die sich als Systemintegrator in den Bereichen Kunststoff, Lebensmittel und Pharma etabliert hat, stellt sich den hohen Ansprüchen der Endanwender: Maschinen müssen nicht nur schnell und zuverlässig laufen, sondern auch so intuitiv bedienbar sein, dass sie schnell in Betrieb genommen werden können. „Unsere Kunden betreiben ihre Verpackungslinien nonstop“, erklärt Johan Enander, Leiter Forschung und Entwicklung sowie Nachhaltigkeit bei der 3Button Group. „Sobald eine Maschine stehen bleibt, läuft die Kostenuhr.“ Deswegen setzt der schwedische Systemintegrator mit der 3-Button-Denkweise auf ein Bedienkonzept, das lediglich Start, Stopp und Reset vorsieht. Dahinter verbirgt sich jedoch komplexe Technik. Denn um die Bedienung möglichst einfach zu halten, muss die Maschine im Hintergrund umso intelligenter agieren. Das zeigt sich eindrucksvoll bei einer Lösung zur Inspektion, Stapelung und Verpackung von Kaffeebecherdeckeln.
Geschwindigkeit und Geometrie
Die große Herausforderung bei der Handhabung solcher Kunststoffdeckel liegt in der Kombination aus hoher Geschwindigkeit und empfindlichem Material. Das gilt insbesondere beim In-Mould-Labelling (IML), bei dem ein vorbedrucktes Etikett direkt in die Gussform eingelegt wird, noch bevor der flüssige Kunststoff eingespritzt wird. Ein IML-Deckel ist leicht, empfindlich und darf an den Sichtflächen nicht beschädigt werden. In klassischen Anlagen kollidieren diese Anforderungen meist: Um den Durchsatz von jährlich rund 100 Millionen Einheiten zu erreichen, werden oft mechanische Förderbänder eingesetzt, die jedoch wenig Flexibilität bieten und im Highspeed-Betrieb zu Produktbeschädigungen, Staus und Ausfällen führen können.
„In der Verpackungsphase treffen Geschwindigkeit und Präzision aufeinander“, analysiert Johan Enander die Situation. „Wenn der Durchsatz sehr hoch ist und Produkte eine außergewöhnliche Form haben, ist der Einsatz von herkömmlicher Fördertechnik sehr aufwendig.“ Ein konventionelles System bräuchte eine Vielzahl von Servoantrieben, Pneumatikzylindern, Sensoren und komplexer Mechanik, um die Deckel zu vereinzeln, auszurichten und zu stapeln. Das hätte nicht nur den Platzbedarf der Anlage massiv erhöht, sondern auch die Wartungsanfälligkeit gesteigert – ein Risiko, das bei einer geforderten Verfügbarkeit von über 99 % nicht akzeptabel war. „Ein herkömmliches Fördersystem wäre zu komplex und kostspielig gewesen“, resümiert Johan Enander. „Deswegen lag die Lösung für uns im Verzicht auf starre Mechanik zugunsten eines softwarebasierten Ansatzes.“
Paradigmenwechsel im Materialfluss
Das Herzstück der neu entwickelten Anlage, das XTS von Beckhoff, bildet eine Bahn, auf der sich 14 unabhängige Mover bewegen. Im Gegensatz zu Kettenförderern, bei denen das Produkt passiv transportiert wird und an den Takt der Kette gebunden ist, agieren die Mover als aktive, servoelektrisch gesteuerte Einheiten. Jeder Mover kann individuell beschleunigt, gebremst und positioniert werden. Ein leistungsstarker Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6032 fungiert als zentrale Steuerungseinheit, die nicht nur die Logik (SPS), sondern auch Motion Control und Bildverarbeitung in einer Laufzeitumgebung vereint. Per EtherCAT-Kommunikation werden die Positionen der Mover mit einer Zykluszeit im Mikrosekundenbereich aktualisiert. „Das ermöglicht eine Synchronisierung zwischen den Movern und den externen Prozessstationen, die mit rein mechanischen Lösungen unerreichbar wäre“, betont Johan Enander. „Mit XTS steuern wir jedes Produkt individuell und positionieren es mit hoher Geschwindigkeit genau dort, wo wir es brauchen.“ In der Praxis bedeutet das: Die Deckel werden von der Spritzgießmaschine übernommen, von den Movern einzeln gegriffen und dynamisch an den verschiedenen Stationen vorbeigeführt. Da sich die Mover unabhängig voneinander bewegen, können Prozessschwankungen sehr gut ausgeglichen werden. Muss ein Deckel länger inspiziert werden, verlangsamt sich nur dieser eine Mover, während nachfolgende Einheiten aufschließen – der Puffer ist bereits im Transportsystem integriert.
Integrierte Inline-Bildverarbeitung
Ein kritischer Aspekt bei IML-Produkten ist die Qualitätskontrolle. Das Etikett muss perfekt sitzen, darf keine Blasen werfen oder Kratzer aufweisen. Die 3Button Group nutzt an dieser Stelle die nahtlose Integration von Vision-Systemen in die Automatisierungsplattform von Beckhoff. Da TwinCAT 3 sowohl die Bewegung der XTS-Mover als auch die Bildverarbeitung steuert, ist keine aufwendige Synchronisierung notwendig. Das System kennt zu jedem Zeitpunkt die Position des Movers im Submillimeterbereich. Die Kamera wird exakt dann getriggert, wenn sich der Deckel im optimalen Fokus befindet – während der Bewegung. Das eliminiert Totzeiten, die bei einem Stop-and-Go-Betrieb entstehen würden. Fehlerhafte Produkte werden sofort identifiziert und als Ausschuss ausgeworfen, ohne den kontinuierlichen Materialfluss zu unterbrechen.
Ein weiterer Vorteil der PC-basierten Steuerungsarchitektur ist die Möglichkeit der Simulation. Noch bevor das erste Mechanikteil der Anlage gefertigt wurde, konnte die 3Button Group das Verhalten der XTS-Mover und das Zusammenspiel mit den Robotern in der Anlage simulieren. Denn TwinCAT 3 ermöglicht es, den Steuerungscode in einer virtuellen Umgebung zu testen. Kollisionsprüfungen, Taktzeitberechnungen und die Optimierung der Bewegungsabläufe erfolgten also bereits im Engineering. Für den Endkunden bedeutet das eine drastisch verkürzte Inbetriebnahmezeit vor Ort. Eventuelle Engpässe im Materialfluss wurden bereits in der Simulation erkannt und behoben. Zudem ermöglicht die Software-Architektur schnelle Formatwechsel. Soll zukünftig ein anderer Deckel produziert werden, muss die Mechanik nicht umgebaut werden. Es genügt ein Parameter-Update in der Software, um die Bewegungsprofile der Mover an die neue Produktgeometrie anzupassen.
Mehr OEE, mehr Wirtschaftlichkeit
Technologische Finesse schießt am Ziel vorbei, wenn sie sich nicht rechnet. Doch gerade hier spielt die Lösung des schwedischen Integrators ihre Stärken aus. Der Verzicht auf komplexe Mechanik reduziert den Wartungsaufwand erheblich. Das XTS arbeitet nahezu verschleißfrei, da die Mover magnetisch gehalten werden und keine schleifenden Kontakte oder Kabelketten benötigen. Gleichzeitig reduziert die kompakte Bauweise des XTS den Footprint der Anlage. Die Mover laufen auf einer geschlossenen Bahn, sodass Hin- und Rückweg für den Transport genutzt werden können. In Produktionshallen, wo der Platz rar ist, ein gewichtiges Argument. Der entscheidende Faktor bleibt jedoch der Durchsatz. „Wenn man im 24/7-Betrieb nur einige Zehntelsekunden pro Zyklus einspart, ist die Produktionssteigerung auf Dauer erheblich“, bekräftigt Johan Enander.
Durch die 100-Prozent-Prüfung und das sanfte Handling wird Ausschuss minimiert und Reklamationen vorgebeugt. Entsprechend liefert die Anlage nicht nur Quantität, sondern auch gesicherte Qualität. Für den Kunden verschiebt sich die Investitionsrechnung: Der Fokus liegt nicht auf den initialen Maschinenkosten, sondern auf der Total Cost of Ownership (TCO). Die Entscheidung für Beckhoff war für die 3Button Group auch eine strategische Wahl gegen proprietäre Black-Box-Systeme. Schließlich erlaubt es die Offenheit von PC-based Control, unterschiedliche Technologien und Standards einzubinden. Sei es die Anbindung an übergeordnete MES/ERP-Systeme über OPC UA oder die Integration von Drittanbieter-Komponenten. „Wir schätzen die Offenheit und Durchgängigkeit sehr“, bestätigt Johan Enander. „So können wir uns darauf konzentrieren, unseren Kunden einen Mehrwert zu bieten, anstatt uns mit technologischen Grenzen auseinanderzusetzen.“
Partnerschaft für die Zukunft
Die erfolgreiche Umsetzung des IML-Verpackungssystems ist ein weiterer Schritt in der Zusammenarbeit mit Beckhoff, die seit 2019 besteht. Durch rund zehn ausgelieferte XTS hat der Integrator bereits viel Erfahrung in diesem Bereich und plant für das laufende Jahr die Auslieferung weiterer Maschinen. „Wir wollen künftig auch XTS- und XTS-Ecoline-Motormodule kombinieren, um Maschinen genau an die Bedürfnisse des Kunden anzupassen“, erklärt Johan Enander. So lassen sich kostenoptimierte Hybrid-Lösungen realisieren, bei denen Hochleistungs-Segmente dort eingesetzt werden, wo Prozessgeschwindigkeit kritisch ist, und Ecoline-Module auf den Transportstrecken dazwischen. Damit erhält die 3Button Group eine Basis, die nicht nur den steigenden Anforderungen an Geschwindigkeit und Präzision gerecht wird, sondern auch die Flexibilität bietet, auf zukünftige Markttrends schnell zu reagieren.
