Digitaler Flaschendruck fordert Antriebstechnik

Schon heute kommen in der Getränkeindustrie in modernen Etikettierern verschiedene Etikettiermodule für Kaltleim-, Heißleim- oder Selbstklebeetiketten zum Einsatz. Der Anwender kann diese Module je nach seiner besonderen Anforderung flexibel in seine Maschine integrieren. So erhält er jederzeit optimal beklebte Flaschen und Verpackungen, ordentlich ausgerichtet und klare Markenbotschafter. Doch damit ist es heute allein nicht mehr getan. Individualität ist Trumpf. So stehen beispielsweise spezielle Etiketten für Marketingzwecke auf dem Wunschzettel vieler Marketingstrategen ganz oben. Der Verbraucher geht heutzutage ins Internet und bestellt dort täglich personalisierte Produkte aller Art. Dies betrifft zukünftig auch das Etikett auf Flaschen oder anderen Verpackungen. Das Anforderungsprofil der Maschine erweitert sich jetzt durch den Wunsch nach kundenspezifischen Etiketten mit kleinsten Auflagen.

Damit kommen aber jetzt Hersteller und Getränkeabfüller in Bedrängnis. Denn der Preis gedruckter Etiketten ist stark stückzahlabhängig. Ein Sonderwunsch beispielsweise für spezielle Marketingzwecke kann für Werbetreibende in einer kleinen Auflage schnell zu einer äußerst teuren Angelegenheit werden. Denn Erstellung, Druckplattenerzeugung und Druck sind aufwendig und erfordern spezielles Know-how. Daher geben Abfüller von PET-Flaschen das Bedrucken von Etiketten regelmäßig außer Haus, um so Kosten zu senken.

Durch das direkte Drucken auf die Flasche könnte sich das ändern. Die modularen Druck- und Härtestationen lassen sich – ähnlich wie heute die Etikettiermodule – direkt in die Maschine integrieren. Ein am PC neu entworfenes Etikett bzw. eine Flaschenbeschriftung für den Direktdruck kann der Produzent umgehend auf Flasche, Dose oder Kanister aufbringen, ohne den bisherigen, langwierigen Prozess über Entwurf, Etikettendruck, Lieferung und Kleben zu gehen. Und das ohne Mindestauflage. Kurzfristige Modifikationen, Sonderausführungen bis Stückzahl Eins oder Änderungswünsche können flexibel und schnell jederzeit umgesetzt werden.

Neben den bekannten Vorschriften zur Hygiene stellt diese Technologie natürlich auch spezielle Anforderungen an die Antriebstechnik. So müssen die Antriebe äußerst schnell, hochpräzise und robust sein. Diese Anforderungen erfüllen am ehesten dezentrale Servoantriebe wie beispielsweise die Serien VLT Integrated Servo Drive ISD 410 und ISD 510 von Danfoss.

Darüber hinaus unterliegen Getränkeanlagen strengen Reinigungsrichtlinien, die den Einsatz unterschiedlicher Reinigungsmedien erfordern. Um diesen Medien standzuhalten, verfügen die ISD-Antriebe über ein spezielles Design, eine hohe Schutzklasse bis IP 67, Vibra- tionssicherheit und weisen eine hohe chemische Beständigkeit auf.

Zusätzlich stellt der neue Digitaldruck erhöhte Ansprüche hinsichtlich Genauigkeit und Dynamik an den Antrieb. Um auch hier zu punkten, müssen dafür ausgelegte dezentrale Antriebe mit High-Resolution-Absolutwertgebern ausgestattet sein. Bei den ISD-Modellen sind dies 19-bit-BiSS-Absolutwertgeber. Die digitale, bidirektionale und offengelegte BiSS-Schnittstelle ermöglicht das schnelle und sichere Auslesen von Sensordaten. Zusätzlich bietet das BiSS-Interface eine gute Fehlererkennung und eine sehr hohe Übertragungsrate.

Der Begriff Genauigkeit charakterisiert bei elektrischen Antrieben die Bewegungsqualität. Je nach Produkt wird im Antrieb eine Kurvenscheibe hinterlegt, die der Antrieb in Abhängigkeit des Tischwinkels, also dem Leitwert präzise abfahren muss. In vielen Anwendungen sind mehrere Etiketten vertikal ausgerichtet oder in Abhängigkeit zu einer Marke aufzubringen bzw. zu drucken. Deshalb sind die Qualität des Posi- tionssignals und die Leistungsfähigkeit des Servoreglers von entscheidender Bedeutung. Im Detail muss ein großes Augenmerk auf die Auflösung, Abtastzeit und die verwendeten Regelalgorithmen gelegt werden. Vorteilhaft ist dafür eine kaskadierte Regelung von Motorstrom, Motordrehzahl und Motorposition, wie sie ISD 410 und ISD 510 einsetzen. Zusätzlich erhöht eine Beobachterfunktion die Bandbreite der Regelkreise und somit die Prozessqualität. Die Beobachterfunktion ist ein intelligenter Algorithmus zur Filterung des Feedbacksignals. Er beruht auf einem mathematischen Modell der Regelstrecke und einer automatischen Nachregelung, falls die gemessene Position von der im Beobachter geschätzten Position abweicht. Der Beobachter liefert einen Schätzwert des selektierten Feedbacksignals und kann so auf Störungen beziehungsweise und oder Ungenauigkeiten reagieren. Die zuvor beschriebenen Eigenschaften und Funktionalitäten sorgen für einen exakten Druck und letztendlich für eine sehr hochwertige Optik.

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Danfoss bietet mit den ISD-Plattformen den Anwendern Produkte mit offener Steuerungsarchitektur an. Bereits mit dem VLT Integrated Servo Drives ISD 410 steht eine auf CAN-basierende, flexible und hochpräzise Lösung für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie bereit. Die Antriebe basieren auf Synchronmotoren mit Permanenterregung, wobei Motor und Elektronik in einem Gehäuse zusammengefasst sind. Ein Versorgungsmodul im Schaltschrank generiert die 300-V(DC)-Spannung. Diesem Modul ist eine Verteilerbox nachgeschaltet, von der aus die Ansteuerung der ISD-410-Antriebe mittels Hybrid- Einspeisekabel erfolgt. Eine Geberbox zur Verwendung eines Maschinenleitwertgebers rundet das ISD-410-System ab.

Die nächste Stufe dezentraler Servoantriebe ist der VLT Integrated Servo Drive ISD 510. Auch dieses System basiert auf offenen Steuerungsarchitekturen, hier die Ethernet Realtime Systeme EtherCAT und Powerlink. Die Speisung der ISD-510-Antriebe übernimmt eine Servo Access Box (SAB) im Schaltschrank, die eine 600-V(DC)-Spannung generiert und somit eine noch höhere Leistungsdichte gewährleistet. Je nach Applikation können Maschinen- und Anlagenbauer an zwei separaten Ausgangslinien jeweils bis zu 32 Antriebe anschließen. Eine SAB kann also maximal 64 Antriebe mit Daten und Energie versorgen. Somit ist nur ein Gerät im Schaltschrank notwendig, was den Platzbedarf weiter reduziert.

Beide Systeme versorgen den ersten Antrieb durch ein Hybrid-Einspeisekabel, das Versorgungsspannung, Steuerspannung, Safe Torque Off (STO) und den Antriebsbus enthält. Loop-Kabel schleifen die Signale dann von Motor zu Motor weiter (Daisy Chain), sodass sich Kabel und Verdrahtungsaufwand erheblich reduzieren. Zur Steigerung der Flexibilität und Wettbewerbsfähigkeit trägt auch die Realisierung einer herstellerunabhängigen, offenen Steuerungsarchitektur bei. So lassen sich, ohne Änderungen an der Antriebstechnik, verschiedene Steuerungen verwenden, um z. B. den Betriebsmittelvorschriften des Endkunden gerecht werden zu können. Danfoss setzt im Engineering auf den Programmierstandard nach IEC61131-3 und bietet so ein offenes System mit umfangreichen Bibliotheken mit Funktionen für Kurvenscheiben, Synchronisationen und Motion-Funktionalitäten an.