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Spritzgießen von Grund auf

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In einer einfachen, modularen Konstruktion erzieltdie 300-Tonnen Hybrid-Spritzgießmaschine Energieeinsparungenund integrierte Sicherheit mit deraktuellsten Servo-Technologie von B&R.

In der wachsenden und stark auf Wettbewerb ausgerichteten Spritzgieß-Branche wird es zum Überleben immer wichtiger, dass Maschinenhersteller sich mit innovativen und effizienten Designs zur Reduktion von Herstell-und Betriebskosten unterscheiden.

Als Robert D. Schad 2008 den kanadischen Spritzgießmaschinenhersteller Athena Automation gründete, erhob er die höchsten Ansprüche an die Effizienz, Flexibilität und Leistungsfähigkeit seiner neuen Generation hybrider Spritzgießmaschinen. Das bedeutete, jeden Gesichtspunkt einer Spritzgießmaschine neu zu betrachten, von der Mechanik bis zum Steuerungssystem. Athena verbrachte sechs Monate damit, sorgfältig verschiedenste Steuerungssysteme zu evaluieren. Ziel war, nicht nur die eine Lösung zu finden, die Athena erlauben würde, all ihre Ziele zu erreichen und einiges mehr, sondern auch einen Partner mit der besten Fachkompetenz in der Spritzguss- Branche. Am Ende dieses äußerst gründlichen Entscheidungsprozesses landete B&R bei der Wahl des künftigen Partners an der Spitze.

„Das Steuerungssystem sollte hydraulische und elektrische Achsen ebenso unterstützen wie verteilte Ein- und Ausgänge, objektorientierte Programmierung, die aktuellste Servo-Technologie, offene Netzwerktechnik und das fortschrittliche HMI, das wir entwickeln wollten“, merkt Athena-Steuerungsteamleiter Marc Ricke an. „Ebenso war uns die Verfügbarkeit von lokalem Support zur Unterstützung bei Entwicklung und Inbetriebnahme wichtig.“

Modular und flexibel an allen Fronten

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Die B&R Power-Panel-Technologie, gekoppelt mit ACOPOSmulti-Antrieben, reduziert die Anzahl der erforderlichen Komponenten und spart Schaltschrankraum.Das führt zu einem sehr übersichtlichen Schaltschrank-Layout.

Eines der wesentlichsten Entwicklungsziele war für Athena bei dieser Neuentwicklung ein modulares und flexibles Maschinenkonzept, das Kunden in die Lage versetzt, aus einer Vielzahl von vorbereiteten Maschinenoptionen auszuwählen und dabei trotzdem Zusammenbau und Wartung der Maschine einfach und effizient zu halten. Das war eine spannende Herausforderung sowohl für die Software als auch für die Elektrokonstruktion.

Um diese Vision in die Realität überzuführen, bediente sich Athena der Power Panel - Technologie von B&R, die SPS, Visualisierung und Bewegungssteuerung in einer einzigen Einheit kombiniert und über das Ethernet-basierte Echtzeit-Protokoll POWERLINK direkt mit den Zweiachs-Modulen des kompakten Mehrachs-Antriebssystems ACOPOSmulti und mit den hochkompakten I/O-Modulen des X20-Systems kommuniziert.

Diese Lösung erlaubte Athena, nicht nur die Anzahl der Komponenten zu reduzieren und dadurch Schaltschrankraum einzusparen, sondern zugleich den sehr übersichtlichen und einfach aufgebauten Schaltschrank direkt im Sockel der Maschine unterzubringen. Für Maschinenoptionen benötigte zusätzliche Antriebe oder I/Os können sehr einfach hinzugefügt werden. Die Maschinensoftware erkennt sie und aktiviert selbsttätig die erforderlichen Funktionen. Mit einer wassergekühlten Montageplatte für die Servoantriebe wird das Schaltschrankinnere ohne Bedarf an zusätzlichen Klimageräten kühl gehalten. Das Ergebnis für Athena ist zusätzlich zur Energieeinsparung eine Kostenreduktion.

Einfachheit und Modularität ziehen sich als Konzept bis in die Gestaltung der Software, da in Automation Studio unterschiedliche Funktionen und Optionen der Maschine in Form unabhängiger Programmmodule realisiert wurden. „Das verkürzt die Entwicklungszeit und erlaubt uns, Module bereits zu testen, bevor wir sie in die Standardmaschine laden. So entsteht ein stabileres Produkt“, erklärt Ricke. „Die zeitgerechte Lieferung der Hardware war nur ein kleiner Teil des Beitrages von B&R. Dank der großartigen technischen Unterstützung, die wir einschließlich eines auf uns zugeschnittenen Trainingsprogramms erhielten, konnten wir den ersten Prototypen exakt im engen Zeitplan in Betrieb nehmen“, ergänzt er.

Energieeffizienz

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„Mit der flexiblen und leistungsfähigen Automatisierungslösung von B&R und der starken Partnerschaftkonnten wir alle unsere Entwicklungsziele sogar noch übertreffen.“ Robert Schad, Gründer und Vorstandsvorsitzendervon Athena Automation

Angesichts fortwährend steigender Energiepreise war die Energieeffizienz ein weiteres wichtiges Entwicklungsziel für die Hybrid-Spritzgießmaschine von Athena. Typischerweise geht ein großer Teil des Energieverbrauchs einer Maschine auf das Konto ihres Hydrauliksystems. Statt einen Asynchronmotor zu verwenden, um damit unabhängig vom aktuellen Druckbedarf eine Hydraulikpumpe mit konstanter Geschwindigkeit anzutreiben, nutzte Athena das Servohydraulik-Konzept von B&R, bei dem die Hydraulikpumpe von einem Servomotor angetrieben wird – bedarfsgesteuert, d.h. nur, wenn Ölfluss und Druck benötigt werden. Zusätzlich zu der damit erzielten Energieeinsparung konnte Athena durch diese Umstellung auch die teuren Servoventile eliminieren.

Auch das ACOPOSmulti-Antriebssystem mit seinen Energierückgewinnungsmöglichkeiten und einem geregelten 750 V Gleichstrom- Zwischenkreis half, dieses Ziel zu erreichen. Während Bremsenergie in das Netz zurück gespeist werden kann, gestattet die höhere Zwischenkreis-Spannung den Betrieb der Motoren mit höherer Geschwindigkeit. Durch sorgfältige Abstimmung der Motoren und Antriebe auf die Mechanik konnte Athena kleinere Motoren mit geringeren Trägheitsmomenten einzusetzen und so zusätzlich Energie und Kosten zu sparen.

„Die 150-Tonnen-Hybridmaschinen mussten sich dem Vergleich mit einer führenden vollelektrischen Maschine stellen“, berichtet Robert Schad. „Sie bietet bei höherem Ausstoß in etwa die gleiche Energieeffizienz.“

Betrieb und Wartung so leicht wie nie zuvor

Mit dem Programmpaket Visual Components in Automation Studio entwickelte Athena ein Visualisierungssystem, das durch eine besonders intuitive und durchgängige Design- Philosophie die Lernkurve wesentlich verkürzt und zugleich bei Navigation und Maschineneinstellung die Effizienz auf ein neues Niveau hebt. Ein interaktives, webbasiertes Hilfe-System stellt dem Maschinenführer bedarfsgerecht Informationen zur Unterstützung im Betrieb oder zur Problembehebung zur Verfügung.

Mühelose Ferndiagnose aller Aspekte der Maschine wird durch die Verbindung von Athenas Assistenz- und Diagnosesystem mit dem integrierten web-basierten System Diagnostics Manager von B&R erreicht. Einfaches Service, eine kurze Bauzeit und eine einfache, flexible Konstruktion verhelfen der Athena-Maschine zu einem Vorsprung gegenüber anderen Spritzgießmaschinen.

Flexibel aber sicher

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Das Echtzeit-Ethernet POWERLINK ist deterministisch und nicht auf proprietäre Hardware angewiesen. Das gibt Athena Automation nicht nur volle Flexibilität und Unabhängigkeit von Lizenzen und bestimmten Lieferanten, sondern führte auch zu einer wesentlichen Reduktion des Verdrahtungsaufwandes als Folge des integrierten Safety-Systems.

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„B&R erwies sich nicht nur als Lieferant, sondern als echter Partner.” Marc Ricke, Steuerungs-Teamleiter beiAthena Automation

In Bezug auf die Flexibilität stößt eine hart-verdrahtete Sicherheitsschaltung sehr rasch an ihre Grenzen. Speziell die Berücksichtigung sämtlicher möglichen Maschinenoptionen gelingt kaum ohne drastische Vergrößerung der Komplexität oder dem Eingehen von Kompromissen bezüglich der Sicherheit. Mit dem integrierten Safety-Konzept von B&R konnte Athena bei Einhaltung des höchsten Niveaus der Maschinensicherheit die benötigte Flexibilität implementieren. Ein Hauptvorteil der integrierten Sicherheits-Steuerungstechnik von B&R ist der Entfall nicht benötigter Verkabelung und externer Überwachungsmodule für die Sicherheitstechnik. Die sicheren Daten werden per virtueller Verdrahtung über das Feldbussystem der Maschine mittels eines eigensicheren Protokolls namens openSAFETY übertragen. Dieses ermöglicht eine unaufwändige Datenkommunikation mit dem Steuerungssystem und verhindert zuverlässig Rückwirkungen.

Die Tatsache, dass POWERLINK deterministisch, aber nicht auf proprietäre Hardware angewiesen ist, gewährleistet echte Flexibilität und Unabhängigkeit von Lizenzen und bestimmten Lieferanten. Der Verdrahtungsaufwand wurde als Folge der Verwendung des i8ntegrierten Safety-Systems und der Verteilung der sicheren Ein- und Ausgänge mithilfe sicherer I/O-Module in IP67 reduziert.

„Statt nur Lieferant zu sein, erwies sich B&R als echter Partner. Heute arbeiten wir auch auf der betrieblichen Seite sehr eng zusammen. Unsere vorkonfigurierten Teile werden für spezifische Maschinen bestellt und kommen gar nicht erst in das Lager. Die nächsten Schritte zur Verbesserung von Logistik, Montage und Technologie sind in Planung. B&Rs starke lokale Fachkompetenz wird uns helfen, unsere zukünftigen Ziele zu erreichen“ schließt Ricke.

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