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Flexible Druckmaschine für Event-Trinkbecher – unterstützt durch Siemens-Software : Ausgabe 01/2017, 19.04.2017

Simulation statt Prototyp

Eventorganisatoren benötigen oft noch kurzfristig Trinkbecher mit abgestimmtem Eventmotivaufdruck. Die Digitaldruckmaschine Digiround druckt bis zu 250 Becher pro Minute – je nach Anzahl Farben, Umfang und Höhe des Substrats. Die Druckmaschine ist produktiv, flexibel, präzise und benötigt keine Offsetplatten. Das Druckmotiv lässt sich bei laufender Produktion ändern und das Becherformat in 30 Minuten anpassen.

Bilder: Siemens

Braucht es für einen Event kurzfristig noch bedruckte Trinkbecher, lässt sich das mit einer klugen Maschine leicht bewerkstelligen.

Polytype, der Hersteller einer solchen Anlage, setzt dazu auf Siemens-Produkte. «Wir haben stets mit Siemens-Produkten gearbeitet. Vor einigen Jahren verglichen wir Systeme verschiedener Hersteller, und Simotion war für uns die beste Lösung», erklärt Eric Charlot, Leiter Automation bei Polytype.

Von der Vorbehandlung bis zum ­fertigen Becher via 18 Stationen

An der Druckmaschine Digiround führt eine Servo-Hebevorrichtung den zu bedruckenden Becher auf die erste von achtzehn Stationen eines Drehtisches, wo er von einer Drehspindel angesaugt wird. Danach dreht ein Torquemotor den Drehtisch in 100 ms um 20 ° zur Vorbehandlung auf Station 2. Während der Drehtisch steht, macht die direkt angetriebene Drehspindel eine Umdrehung. Dabei wird der Becher mit einer Flamme vorbehandelt, was der Oberfläche jene Spannung verleiht, welche die Drucktinte optimal haften lässt.

Der Drehtisch dreht einen Schritt weiter und führt den Becher zur nächsten Station, wo, falls erforderlich, eine weisse Grundschicht aufgedruckt wird. Da eine Druckkopflänge höchstens die halbe Becherlänge abdeckt, hat Polytype zwei Farbstationen vorgesehen: eine für die obere Hälfte und eine für die untere Hälfte des Bechers. Die Drehspindel wird mit einer solch hohen Präzision positioniert, dass die Übergangsstelle von blossem Auge nicht erkennbar ist. Danach indexiert der Torquemotor zur nächsten Position 5: Drehung der Drehspindel zur Vortrocknung der Grundschicht mittels LED. Auf den nächsten 8 Stationen wird jeder Becher jeweils um die eigene Achse gedreht und mit den Farben Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz bedruckt. «Die Druckköpfe können zwischen 0 und 3 Tropfen mit 14 Picolitern Inhalt auf denselben Punkt spritzen. Wir sprechen hier von einer visuellen Auflösung von 720 dpi», erklärt Philippe Cotting, Leiter Digitaltechnik. Bei den Stationen 14 und 15 dreht sich der Becher wieder um sich selbst und wird in einen UV-Ofen eingeführt, der mit Servo-Schutzklappen ausgerüstet ist. Hier wird der Becher endgültig getrocknet. Nach einer freien Station werden auf Position 17 Becher mit Fehldruck erkannt und ausgeworfen. Auf der letzten Station 18 wird der Becher ausgeschoben.

Dynamiksimulation mit finiten Elementen

Mit einem klassischen Maschinenaufbau lassen sich die Anforderungen an höchste Achsdynamik kombiniert mit mikrometergenauer Positionierung von Drehtisch und Drehspindel nicht vereinen. «Wir sind von einer Lösung mit einem direkten Torquemotor, mit einem im Ständer integrierten Stator und dem Rotor am Drehtisch ausgegangen», so Cotting.

Nach der 3D-Maschinenmodellierung baute Polytype keinen Prototypen, sondern schickte die Maschinenmodelle an den Mechatronik-Support von Siemens zur Simulation. Dieser belastete die Modelle mit der vorgegebenen Produktionsdynamik und berechnete so die auf die Maschinenelemente einwirkenden Belastungen, Drehmomente, Beschleunigungen sowie Kräfte und ermittelte die Deformationen an den Maschinenstrukturen. Um die Positioniergenauigkeit des Tintenstrahls mikrometergenau berechnen zu können, müssen alle Strukturen der Maschine dynamisch angeregt werden. Ein vereinfachtes Modell würde die Frage nach der Vereinbarkeit der geforderten Maschinenkadenz mit der nötigen Tintenstrahlgenauigkeit nicht beantworten.

Keine Nachbesserungen

Ergebnis: Der ursprüngliche Stator war zu steif und die Bodenstabilität ungenügend. Das Mechatronik-Supportteam empfahl einige Konstruktionsänderungen. Polytype passte die Konstruktion an und modifizierte damit das Übertragungsverhalten der Maschinenstruktur. Erst als Siemens grünes Licht gab, wurde die erste Digiround gebaut. Der erste Prototyp erreichte die Vorgaben von Polytype auf Anhieb. Zeitintensive und teure Nachbesserungen konnten so vermieden werden. 

Infoservice

Siemens Schweiz AG
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Tel. 0848 822 844
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Eine kluge Maschine bedruckt auch kurzfristig noch Becher für Events – alle Maschinenachsen werden durch das modulare Umrichtersystem Sinamics S120 geregelt

Details zur Technik

Ein 1FW6-Einbau-Torquemotor mit einem Speziallager und einem induktiven Messsystem dreht den horizontalen Drehtisch in 18 Positionen. Nach jeder Indexierung drehen 18 1FK7-Servomotoren die Becher-Trägerspindeln unter den Druckköpfen, den LED- oder UV-Lampen um eine Umdrehung. Ein Umrichtersystem Sinamics S120 steuert die Maschinenachsen an, das die Bewegungskoordination von Simotion D-445-2 übernimmt. Die Bremsenergien der Drehachsen werden mittels Active-Line-Module (ALM) energieoptimal ins Netz zurückgespeist. Netzoberwellen werden durch ein Active-Interface-Module (AIM) minimal gehalten. Die Kommunikation zwischen Simotion D-445-2, Sinamics S120 und den 450 I/Os geschieht über Profinet.