So geht Verpackungsmaschinendesign der Zukunft

Autor Hans Michael KrauseErstellt am 2 KommentareKategorien Connected Automation

Die Maschine crasht beim Testen. Kein Problem, wenn es sich nur um die virtuelle Inbetriebnahme handelt. Welche gravierenden Vorteile modellbasiertes Engineering und Simulation mit Hardware-in-the-Loop bringen, zeigt der internationale Verpackungshersteller WestRock.

Im Maschinenbau beginnt der Designprozess traditionell mit der Konstruktion. Dann geht es streng der Reihe nach: Die Mechaniker übergeben an die Elektroniker, die Antriebe und Motoren dimensionieren. Danach wird die Steuerung programmiert. Ob die Routinen funktionieren, zeigt sich erst beim Test. Schlimmstenfalls knallt es, weil ein Schritt übersehen wurde oder die Kinematik krankt. Die Fehlerbeseitigung an der realen Maschine ist riskant, teuer und gefährdet den Projekterfolg. Gibt es eine Alternative? Dem US-amerikanischen Verpackungshersteller WestRock ist es mithilfe von Bosch Rexroth gelungen, Testrisiken zu minimieren und mit simultanen Workflows die Time-to-Market drastisch zu verkürzen.

 

In Rekordzeit zur maßgeschneiderten Verpackungslinie. Kein geringeres Ziel hatte sich der in 30 Ländern vertretene Verpackungshersteller WestRock gesteckt, zu dessen Portfolio auch der individualisierte Anlagenbau gehört. Der Grund: Im Getränkehandel buhlen laufend neue Verpackungen um die Gunst der Käufer. Je ansprechender das Design, desto höher die Kaufwahrscheinlichkeit. Doch die Taktzahlen von Coca Cola und Co. sind hoch, die maßgeschneiderten Verpackungslinien müssen so schnell wie möglich geplant, entwickelt und in Betrieb genommen werden. Inzwischen eilt WestRock der Konkurrenz voraus, denn das Unternehmen setzt bei der Entwicklung auf modellbasiertes Engineering und Simulation – und das nicht nur bei den Verpackungslinien selbst, sondern von der Verpackungsidee bis zum Transport im LKW.

Verpackungsdesign mit Plausibilitätscheck

Was am Ende im Regal stehen könnte, testen die Designer von WestRock noch vor der Produktion mithilfe eines virtuellen Supermarkts. Sie platzieren verschiedene Gebindevarianten in Regalen und Einkaufswagen, ermitteln das optimale Gewicht für die Käufer und ziehen daraus Rückschlüsse für das Produktdesign. Bevor WestRock dem Getränkehersteller die neue Umverpackung im virtuellen Supermarkt präsentiert, überprüft die Arbeitsvorbereitung die Daten mithilfe der Simulationssoftware und unterzieht sie einem Plausibilitätstest. Dabei wird unter anderem geprüft, ob, mit welchem Aufwand und zu welchen Stückkosten sich die neue Verpackung auf der Anlage herstellen lässt.

Wertschöpfung mit durchgängig digitalem Workflow

Bei WestRock fließen vom ersten CAD-Mausklick an sämtliche Konstruktionsdaten in die 3DEXPERIENCE Plattform von Dassault Systèmes ein. Mithilfe von Simulation lässt sich das Steuerungsprogramm neben allen Antrieben und Kinematiken bereits testen und optimieren, ehe ein Monteur den Schraubendreher in die Hand nimmt und die ersten Teile der Fertigungslinie montiert. Die jeweiligen 3D- und Verhaltensmodelle seiner Komponenten wie Servomotoren und –antriebe liefert Automatisierungspartner Bosch Rexroth standardmäßig mit, sodass in wenigen Arbeitsschritten vollständige virtuelle Abbilder der verbauten Komponenten zur Verfügung stehen. Alle am Designprozess beteiligten Abteilungen können nun frühzeitig ihr Know-how in ein gemeinsames digitales Modell, dem digitalem Zwilling, überführen und an diesem arbeiten.

Virtuelle Inbetriebnahme: Pixel statt Stahl crashen

Hat der Kunde das Produktdesign abgesegnet, geht es an die Feinarbeit. Und selbst dann werden noch keine Maschinenmodule montiert. Denn zunächst überprüfen und optimieren die Ingenieure die Achsbewegungen in ihrem digitalen Modell, welches die Maschinenphysik inklusive der Dynamiken 1:1 abbildet. Weil die später in der Maschine verwendete Motion Logic Control als „Hardware-in-the-Loop“ auch das simulierte Modell steuert, lässt sich die Anlage mittels 3DEXPERIENCE sogar virtuell in Betrieb nehmen. Dadurch fallen anders als beim konventionellen Vorgehen langwierige Abstimmungsprozesse während der Testphase weg. Synchronität und Grenzbereiche lassen sich gefahrlos testen, ohne die Konstruktion dem Risiko einer Beschädigung auszusetzen. Lieber Pixel als Stahl crashen, lautet die Devise. Die aus der virtuellen Inbetriebnahme gewonnen Erkenntnisse wenden die WestRock-Ingenieure zur Optimierung des Steuerungsprogramms direkt in der Engineering-Umgebung IndraWorks an.

Offen für Simulationsergebnisse

Die Voraussetzungen für die virtuelle Inbetriebnahme und die damit einhergehende Verkürzung des Entwicklungsprozesses werden mit Open Core Engineering geschaffen. Das dazugehörige Open Core Interface verbindet die reale Steuerung mit dem digitalen Zwilling der 3DEXPERIENCE Plattform, sodass sie Daten und Befehle aus der Simulation interpretieren und korrekt umsetzen kann. Wird die Maschine später beim Kunden von den Technikern in Betrieb genommen, sind zeitaufwändige Optimierungen überflüssig. Auf diese Weise reduziert WestRock nicht nur die Entwicklungszeit spürbar, sondern senkt auch die Herstellkosten.

Umrüsten per Mausklick

Damit sich die von WestRock produzierten Verpackungslinien möglichst schnell und flexibel auf die immer kürzeren Produktlebenszyklen und kleineren Losgrößen einstellen lassen, verlagert das Unternehmen immer mehr Funktionen von der Mechanik in die Software. Unter Verwendung von IndraWorks und den offenen Schnittstellen und Standards von Open Core Engineering lässt sich die Software hierfür genauso modular aufbauen wie die Hardware. Zur Programmierung nutzt WestRock SPS-Sprachen nach IEC 61131 und PLCopen Bausteine. Darüber hinaus stehen durch das Open Core Interface aber auch Hochsprachen zur Verfügung.

Vordefinierte Technologiefunktionen

Um auch komplexere Funktionen schnell und einfach umsetzen zu können, müssen vordefinierte Technologiefunktionen mitgeliefert werden, welche die Ingenieure nicht mehr selbst programmieren, sondern lediglich zu parametrieren brauchen. Die Palette reicht von Nockenschaltwerken, einfacher Ansteuerung von Schrittmotoren bis hin zu flexiblen elektronischen Kurvenscheiben FlexProfile. Wird ein Parameter geändert, passen sich sämtliche Antriebe des betreffenden Antriebsverbundes im Modell automatisch an.

Über 80 schaltschranklose Servoantriebe

Einen weiteren Trend zeigt WestRock mit einer neuen Verpackungslinie, die über 80 intelligente und schaltschranklose Servoantriebe der Reihe IndraDrive Mi einsetzt. Diese sparen Bauraum und reduzieren den Verkabelungsaufwand. Zukünftig sollen auch die Stromversorgung und Netzanschaltung der Antriebstechnik schaltschranklos werden. Damit wird erheblich Platz im Schaltschrank gespart. Mit „Safety on board“ werden zusätzliche intelligente Sicherheitsfunktionen in den Antrieben die Linie noch sicherer und einfacherer bedienbar machen. Dies zeigt WestRock auf der drinktec in Halle A2 Stand 502 zusammen mit Bosch Rexroth in einem Demonstrator. Die Steuerung der Servomotoren und weiterer Module übernehmen mehrere IndraMotion MLC mit SafeLogic-Funktionen. Sie sind über Sercos Echtzeit-Querkommunikation miteinander verbunden, was in der gesamten Linie eine hohe Synchronität gewährleistet.

 

  

Fazit

Mit seinem durchgängig digitalen Workflow auf Basis des modellbasierten Engineerings mit Bosch Rexroth und Dassault Systèmes gelang es WestRock, die Entwicklungszeit deutlich zu reduzieren und die Kundenanforderungen somit noch gezielter und schneller zu erfüllen. Neben verringerten Herstellkosten ergeben sich auch im täglichen Betrieb monetäre Vorteile. Die Konstrukteure können nun von Beginn an auch Servomotoren und Achsbewegungen modellieren. Die Steuerlogik entsteht parallel dazu und wird nahtlos zur virtuellen Inbetriebnahme in das Modell des digitalen Zwillings integriert. Das Ergebnis einzelner Kommandos wird sofort in der 3D-Simulation sichtbar. Weil auch die Arbeitsvorbereitung die späteren Produktionsabläufe vorab simulieren und kalkulieren kann, hat WestRock nur noch sehr wenig Aufwand, um nach Auftragserteilung mit der Produktion der Verpackungsanlage zu beginnen. Ein eklatanter Vorteil in einer Branche, in der jeder gesparte Tag bis zur Produkteinführung zählt.

Über den Autor:

ist der Leiter des Markt- und Produktmanagements PLC and IoT Systems bei der Bosch Rexroth AG in Lohr am Main. Er ist Diplom-Ingenieur für Elektrotechnik und Master of Science in Industrial Management. Seine Karriere startete er in Argentinien mit seinem Ingenieurbüro für Automatisierungstechnik. Seit 2007 arbeitet er bei Bosch Rexroth zunächst mit Maschinenbaukunden und FMCG Endkunden im Marktsegment der Verpackungsmaschinen, seit Juli 2017 verstärkt im Bereich der SPS und IoT Lösungen.

2 Kommentare bei “So geht Verpackungsmaschinendesign der Zukunft

  1. Nikos Morenos

    Sehr geehrter Herr Krause,

    wir sind eine kleine Robotintegratorfirma, mit Sitz in Thessaloniki, Griechenland und bauen maßgeschneiderte Verpackungsmaschinen. Wie werden sogar auf der kommenden interpack, unseren eigenen Stand haben (Halle 15, E59), wo Sie auch unsere „Entwürfe“ sehen können.

    Wir hätten Interesse an die Simulationssoftware, wie ich in Ihrem Bericht gelesen habe. Konnten Sie uns vielleicht mehr Unterlagen darüber schicken?

    Vielen Dank im Voraus für Ihre Mühe!

    Dipl.-Ing. Nikos Morenos

    Antworten

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