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PC-Control ermöglicht hochwertige Kunststoffverarbeitung

Thomas Kosthorst ist Branchenmanager für Kunststoffmaschinen bei der Beckhoff Automation GmbH in Verl

Servomotor AM8000 mit One Cable Technology

Effizienz, Präzision und Reproduzierbarkeit sind elementare Forderungen in der Kunststoffverarbeitung. Im Vorfeld der Messe K 2013 in Düsseldorf sprach die etz-Redaktion mit Thomas Kosthorst, Branchenmanagement Kunststoffmaschinen, über die Wettbewerbsvorteile, welche die PC- und Ethercat-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff in diesem Zusammenhang bietet.

Welche Technologiethemen kennzeichnen derzeit den Kunststoffmaschinenbau?
T. Kosthorst: Ein sehr wichtiger Aspekt – schon seit es Kunststoffmaschinen gibt – ist die Temperaturregelung. Dieses Thema ist mitnichten trivial, da hierzu relativ große Zylinder mit entsprechend hoher thermischer Trägheit zu erwärmen sind. Diese thermische Trägheit muss softwaretechnisch möglichst gut beherrscht werden, wozu unser PC-based Control prädestiniert ist. Einer der zentralen Kunststoffanwendungsbereiche ist die Verpackungstechnik. Diese ist durch die Massenfertigung von Cent-Artikeln prädestiniert und erfordert daher extrem produktive und kompakte Anlagen. Für die Kunststoffindustrie bedeutet dies vor allem das Vermeiden sogenannter Nebenzeiten, beispielsweise zum Öffnen der Kunststoffformen oder zum Kühlen. Auch die Reduzierung dieser Zeiten lässt sich mit einer leistungsfähigen Steuerungstechnik erreichen. Es verlangt allerdings, insbesondere für das Handling, auch eine entsprechend schnelle Aktorik, sprich Antriebstechnik.

Spielen auch Entwicklungen bei den Endprodukten eine Rolle?
T. Kosthorst: Aus den wachsenden Ansprüchen der Endverbraucher entstehen ebenfalls Trends. So hat sich zum Beispiel die Zahnbürste in den letzten Jahrzehnten von einem simplen Kunststoffteil zu einem hinsichtlich Farbe, Design und Funktion sehr komplexen Produkt entwickelt. Ähnliches gilt für PET-Flaschen, bei denen zunehmend auf ein genaues Mischungsverhältnis der Kunststoffe und damit auf eine möglichst geringe geschmacksverändernde Ausgasung geachtet wird. Dass die Ansprüche an Kunststoffteile immer höher werden, zeigt deutlich das Beispiel der TV-Geräte. Um hier die modernen Rahmen mit Klavierlack-Anmutung herzustellen, muss eine sehr hohe Reproduzierbarkeit und extreme Präzision gegeben sein. Konsequent umsetzbar ist dies nur mit einer PC-basierten Steuerungstechnik, die ausreichend schnell auch komplexe Algorithmen abarbeiten kann und außerdem die heute geforderten Dokumentationsmöglichkeiten bietet.

Für welche Bereiche der Kunststofftechnik bieten Sie Automatisierungslösungen an?
T. Kosthorst: Unsere flexible PC und Ethercat-basierte Steuerungstechnik ergibt optimale Automatisierungslösungen für Spritzgieß-, Blasform- und Extrusionsmaschinen sowie Handhabungssysteme. Die durchgängige Plattform integriert neben PLC-, Motion-Control- und Robotik-Funktionalitäten auch die Sicherheits- und Messtechnik. Zudem erleichtert und beschleunigt eine Turnkey-Lösung für Kunststoffmaschinen den Entwicklungsprozess. Die Branchenkompetenz von Beckhoff gewährleistet dabei die schnelle und präzise Regelung zeitkritischer Prozessgrößen wie Geschwindigkeit und Druck sowie die Regelung hydraulischer, elektrischer und hybrider Antriebssysteme. Die Servomotoren und -verstärker aus eigener Fertigung eignen sich insbesondere für energieeffiziente Maschinenkonzepte. Hinzu kommt das breite Spektrum an Ethercat-Klemmen zur Energiedatenerfassung, zum Beispiel für das Netzmonitoring, deren Informationen zusammen mit entsprechenden Funktionen der Automatisierungssoftware Twincat ein leistungsfähiges Energiemanagement ermöglichen.

Welchen Stellenwert hat heute die elektrische gegenüber der hydraulischen Antriebstechnik?
T. Kosthorst: Die meisten Kunststoffmaschinen, also die Spritzgießmaschinen, sind nach wie vor hydraulisch angetrieben, da sich damit hohe Kräfte mit relativ wenig Aufwand erzeugen lassen. Allerdings spricht der Trend hin zu mehr Präzision, Reproduzierbarkeit und Energieeffizienz klar für die elektrische Antriebstechnik. In Bereichen, bei denen es auf hohe Präzision bzw. Hygiene ankommt, ist dies ohnehin schon seit Langem zu erkennen. Außerdem gibt es noch einen zweiten Aspekt: die Servohydraulik, das heißt mit Servomotor angetriebene Hydraulikpumpen. Im Vergleich zu der Kombination aus Asynchronmotor und hydraulischer Verstellpumpe lässt sich mit solchen Servopumpen durch ihre bessere Regelbarkeit – zum Beispiel für den Stopp in einer Kühlphase – viel Energie sparen. Für all diese Anwendungen bieten wir passende Lösungen an.

Von besonderer Bedeutung ist das Handling rund um die Kunststoffmaschine. Was zeichnet hier das Beckhoff-Portfolio aus?
T. Kosthorst: Eine besondere Innovation, vor allem im Motion-intensiven Handlingbereich, stellen unsere hochdynamischen Servomotoren der Serie AM8000 mit der One Cable Technology (OCT) dar. Bei dieser Einkabellösung werden die Feedback-Signale störsicher über eine digitale Schnittstelle direkt und gemeinsam mit der Spannungsversorgung über das Motoranschlusskabel übertragen. Da sowohl motor- als auch reglerseitig Leitung sowie Steckverbinder entfallen, reduzieren sich die Komponenten- und Inbetriebnahmekosten. Zudem lassen sich kleinere und kostengünstigere Schleppketten verwenden. Mit den Servomotoren AM8100 steht OCT sogar für die kompakte Antriebstechnik zu Verfügung, die einen vollständigen Servoverstärker in die Ethercat-Klemme EL7201-0010 integriert. Höhere Leistungen bis 170 A liefert die Servoverstärker-Baureihe AX5000. Hochproduktive Fertigungszellen, zum Beispiel für In-Mold-Labeling, benötigen schnelle Entnahmesysteme. Hierfür bietet Twincat mit seinen NC-Funktionen praxisgerechte Lösungen, die auch auf der Messe K gezeigt werden. Dies führt zu deutlich kostengünstigeren, kompakteren und vor allem flexibleren Anlagen.

Robotik ist ein wichtiger Teil der Kunststoffverarbeitung. Inwieweit reduziert PC-Control hier den Aufwand?
T. Kosthorst: Die Software Twincat Kinematic Transformation integriert die Robotersteuerung nahtlos in die Automatisierungssuite Twincat und damit in die Standardsteuerungstechnik. Im Rahmen unserer Scientific Automation können die Funktionen SPS, Motion Control, HMI, Messtechnik und Robotik gemeinsam auf einem Industrie-PC ausgeführt werden. Die Konfiguration und die Programmierung erfolgen einheitlich in Twincat, sodass sowohl spezielle Robotik-Tools und -Sprachen als auch eine Robotiksteuerung entfallen kann. Zudem reduziert sich der Engineeringaufwand deutlich. Als Kinematiken sind beispielsweise kartesisches Portal, Knickarm und Scara enthalten. Zusätzlich bietet die Twincat Kinematic Transformation auch Tracking-Funktionalitäten, um den Roboter auf ein bewegtes Objekt zu synchronisieren. Die nahtlose Integration wird zudem von der Hardware unterstützt: Die robusten IP67-IO-Komponenten sind direkt vor Ort im Robotik-Umfeld einsetzbar. Besondere Vorteile bietet hier beispielsweise die direkt auf bewegten Roboterelementen installierbare Ethercat Box EP1816-3008, die mit 16 digitalen Eingängen binäre Steuersignale erfasst und zudem über zwei 3-Achs-Beschleunigungssensoren verfügt.

Wie wichtig ist die Ethercat-Kommunikation für innovative Kunststoffmaschinen?
T. Kosthorst: Hier gibt es zwei Aspekte: Zum einen profitiert der Hersteller von Kunststoffmaschinen von der Offenheit und der Verbreitung des Standards Ethercat. Neben dem breiten Beckhoff-Portfolio steht ihm eine schier unüberschaubare Auswahl an Komponenten von Drittanbietern zur Verfügung. Zum anderen schafft die hohe Leistungsfähigkeit der Ethercat-Kommunikation Raum für Innovationen, vor allem als Extreme-Fast-Control-Technology (XFC). Diese basiert auf einer optimierten Steuerungs- und Kommunikationsarchitektur, die aus einem modernen Industrie-PC, schnellen Ethercat-Klemmen, dem Ethercat selbst sowie der Automatisierungssoftware Twincat besteht. Mit diesem abgestimmten Gesamtsystem lassen sich IO-Response-Zeiten unter 100 μs realisieren und dementsprechend neue Möglichkeiten zur Prozessoptimierung erschließen. So benötigt man beispielsweise beim Einspritzen des Kunststoffes in die Form sehr schnelle Algorithmen, um genau zum richtigen Zeitpunkt vom Einspritzen in den Nachdruck umzuschalten. Mit XFC lässt sich die zugehörige Druckkurve exakt auflösen; durch das sogenannte Oversampling sogar noch deutlich unter der minimalen IO-Response-Zeit sowie mithilfe der verteilten synchronisierten Uhren (Distributed-Clocks) zu genau definierten Zeitpunkten. Hieraus ergeben sich eine genaue Prozesskontrolle, eine exakte Reproduzierbarkeit und damit letztendlich eine hohe Qualität sowie ein minimierter Rohstoffverbrauch. Diese herausragenden Eigenschaften von XFC sind auch im praktischen Einsatz an Spritzgießmaschinen nachgewiesen worden.

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