Engineering & horizontale Integration
03.09.2012

Cut and go

Beitrag aus openautomation 4/2012 Die Maschinenbau und Konstruktion GmbH Elmshorn (MuK) entwickelt und baut Systeme zum Schneiden faserverstärkter Verbundwerkstoffe im Ultraschall-Schneidverfahren...

Beitrag aus openautomation 4/2012

 

Die Maschinenbau und Konstruktion GmbH Elmshorn (MuK) entwickelt und baut Systeme zum Schneiden faserverstärkter Verbundwerkstoffe im Ultraschall-Schneidverfahren. Diese zeichnen sich durch ihre hohe Schnitt­geschwindigkeit bei höchster Präzision aus. Dabei setzt das Unternehmen auf Servoantriebstechnik aus dem Haus SEW-Eurodrive, das zugleich Unterstützungsarbeit beim ­Software-Engineering leistete.

Die bewegliche Schneideinrichtung mit der Ultraschalleinheit (oben), dem Elektrozylinder (rechts daneben) und der Energiekette. Im Hintergrund sind weitere Cutterbrücken zu sehen

Die bewegliche Schneideinrichtung mit der Ultraschalleinheit (oben), dem Elektrozylinder (rechts daneben) und der Energiekette. Im Hintergrund sind weitere Cutterbrücken zu sehen

Der Sondermaschinenbauer MuK wurde 1980 gegründet und erwirtschaftet heute mit etwa 50 Mitarbeitern einen Umsatz von rund 10 Mio. €. Das Unternehmen hat sich auf kundenspezifische Lösungen für die Intralogistik und Produktionsautomatisierung spezialisiert. Das Fertigungsprogramm umfasst unter anderem Regallager und Bediengeräte für große Werkstückträger, Großformat-Schneideanlagen mit Ultraschallmessern, Roboter-Palettieranlagen, Prüfstände für die Luftfahrt sowie Strahlenschutzkabinen für die zerstörungsfreie Materialprüfung. Dabei sind die Zielbranchen sehr vielfältig: Sie erstrecken sich von Automotive über die Luft- und Raumfahrt bis hin zur Windenergie. Wellpappe und Baustoffe gehören ebenso dazu wie Lebensmittel und Kosmetika.

 

Vertrauensvolle Zusammenarbeit

Die Firma MuK verfügt über eine eigene Mechanik- und Elektrokonstruktion sowie Softwareentwicklung. Sie führt fast alle Arbeiten im eigenen Haus durch, darunter Schweißen, Zerspanen und Lackieren. Die Blechverarbeitung erfolgt bei Partnerunternehmen. Überhaupt spielt der Partnergedanke eine wichtige Rolle. „Um bei Bedarf kurzfristig unsere Engineering- und Fertigungskapazitäten erhöhen zu können, pflegen wir Netzwerke und strategische Partnerschaften“, erläutert Geschäftsführer Heiko Schlüter. Ein Beispiel ist die Firma SEW-Eurodrive. Das Produkt- und Dienstleistungsportfolio des Bruchsaler Antriebsautomatisierers deckt die meisten anfallenden Antriebsaufgaben bei MuK ab. Die Zusammenarbeit besteht schon seit etwa zwei Jahrzehnten. In den letzten Jahren wurde sie noch einmal intensiviert. Dabei werden die Elmshorner jederzeit direkt vom Technischen Büro in Hamburg ­unterstützt.

 

Kernkompetenz Ultraschallschneiden

Die Anschlusskabel des Ultraschall­konverters werden durch das Getriebe des Drehantriebs durchgeführt. Hierfür kam beim BSBF-Getriebe ein Flanschblock mit Hohlwellenbohrung zum Einsatz, eine Sonderanfertigung von SEW-Eurodrive für MuK

Die Anschlusskabel des Ultraschall­konverters werden durch das Getriebe des Drehantriebs durchgeführt. Hierfür kam beim BSBF-Getriebe ein Flanschblock mit Hohlwellenbohrung zum Einsatz, eine Sonderanfertigung von SEW-Eurodrive für MuK

„Eine unserer Kernkompetenzen ist das Ultraschallschneiden“, erklärt H. Schlüter. Das Unternehmen stellt Großformat-Cutter für Faserverbundwerkstoffe her. Die Ultraschalltechnik hat sich schon seit Längerem in der Luftfahrt etabliert. So setzt die Luftfahrtbranche seit über zehn Jahren dieses Schneidverfahren ein. Hier werden auf MuK-Großcutteranlagen Zuschnitte aus dem Rohmaterial CFK (kohlefaserverstärkter Kunststoff) angefertigt. Auf Vakuumtischen, die bis zu 30 m lang und 7,50 m breit sind, können beliebige Konturen geschnitten werden, beispielsweise aus CFK-Prepreg. Dazu wird eine Ultraschall-Schneide­einrichtung mithilfe eines Portals verfahren.

 

Die Ultraschalleinheit besteht aus einem Konverter sowie einer Sonotrode, einem Titanium-Element, das durch den Konverter zum Schwingen angeregt wird. Hier wird die Schneidklinge eingeschraubt. Der Ultraschallgenerator befindet sich in einem Schaltschrank. Er erzeugt die Ansteuersignale für den Konverter. Die Schneidklinge schwingt hochfrequent in vertikaler Richtung. MuK verwendet Ultraschall-Präzisionsmesser aus eigener Fertigung. Sie führen bis zu 20 000 Hübe je Sekunde aus. Durch diese hohe Frequenz wird die benötigte Schnittkraft reduziert und das Anhaften des Materials an der Klinge vermieden. Um eine gleichbleibend hohe Schnittqualität zu erzielen, werden die Hartmetallklingen überwacht und nach einer bestimmten Standzeit nachgeschliffen. Weil man beim Schneiden einen Gegenpart benötigt, liegt die Fasermatte auf einen Polyurethan-Gurt, in den die Messer hineinschneiden. Dieses Material hat die Eigenschaft, dass sich vorhandene Schnitte und Risse nicht weiter fortsetzen. Somit haben diese Cutter-Matten eine hohe Standzeit und müssen nur in größeren Abständen ausgetauscht werden.

 

High-Speed-Cutter für die Windenergiebranche

Das kompakte Mehrachs-Servo­verstärkersystem Moviaxis bildet das Herzstück der Antriebstechnik. Der Achsverbund besteht bei den Fixcutterbrücken aus sechs Achsmodulen MXA81A, die gemeinsam durch ein 10-kW-Einspeisemodul MXP81 über die Zwischenkreisverschienung mit Energie versorgt werden. Beim Flexcutter kommt ein Achsmodul für den Längsantrieb hinzu

Das kompakte Mehrachs-Servo­verstärkersystem Moviaxis bildet das Herzstück der Antriebstechnik. Der Achsverbund besteht bei den Fixcutterbrücken aus sechs Achsmodulen MXA81A, die gemeinsam durch ein 10-kW-Einspeisemodul MXP81 über die Zwischenkreisverschienung mit Energie versorgt werden. Beim Flexcutter kommt ein Achsmodul für den Längsantrieb hinzu

Eine weitere zukunftsträchtige Branche ist die Windindustrie. Anlagen im 3-MW-Leistungsbereich haben einen Rotordurchmesser von etwa 110 m, Tendenz steigend. Als Material für die Rotorblätter wird glasfaserverstärkter Kunststoff verwendet. Diese GFK-Materialien sind ein hochwertiger und dabei kostengünstiger Verbund aus einem Kunststoff und Glasfasern. Noch größere materialtechnische Vorteile hat die Kohlefaser. Daher kommen heute in ersten Ansätzen auch schon CFK-Materialien für Windenergieanlagen zum Einsatz.

 

Die Rotorblattfertigung wird bei den meisten Herstellern in einem diskontinuierlichen Produktionsprozess geschnitten. Bislang kam hierfür ein stationäres Verfahren zum Einsatz. Dabei wird das Material in die Anlage eingefahren, fixiert und mit Stichelmessern geschnitten. Eine Effizienzsteigerung durch Automatisierung des mehrschichtigen Schneidens ist kaum möglich, weil sich die einzelnen Lagen ineinander verhaken würden. Jedoch kann man den Schneidprozess auf Basis des einlagigen Schneidens automatisieren. Hierfür baute MuK im Herbst 2010 den Prototyp einer neuartigen Schneidanlage für glasfaser- und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe.

 

Unterschiedliche Schneidverfahren

Auf seiner neuen, patentierten Anlage setzt das Elmshorner Unternehmen auf zwei verschiedene Schneidverfahren. Lange Zuschnitte bearbeitet ein Fixcutter im Durchlaufverfahren, kompliziertere Formen werden mit einem Flexcutter bei still stehendem Material geschnitten. Fixcutter bestehen aus mindestens zwei hintereinanderliegenden, fest montierten Cutterbrücken, die mit je zwei Schneideinrichtungen ausgestattet sind. „Wir können die Fixcutter in einem Verbund laufen lassen und somit mehrere Konturen nebeneinander schneiden“, erläutert H. Schlüter. Das Anlagenkonzept sieht vor, dass der Tisch auch auf die doppelte Breite ausgelegt sein kann. „Somit können wir bis zu acht Fixcutter einsetzen“, ergänzt er. Der Flexcutter dagegen kann beliebige Konturen schneiden und – anders als der Fixcutter – auch in Richtung des Bandes verfahren. Er schneidet das Verbundmaterial bis zu Bandgeschwindigkeiten von 2 m/s. Das Material wird in diesem Fall nicht per Vakuum fixiert, stattdessen halten Rollen das Material nieder.

 

Anspruchsvolles Software-Engineering

„Als Ausgangsbasis für den Schnitt liefert uns der Kunde eine Auto-CAD-Schnittvorlage. Ein Konvertierungs-Tool erzeugt einen NC-Maschinencode, sogenannte G-Code-Dateien. Die SEW-Steuerung Movi-PLC mit dem Kinematik-Softwarepaket verarbeitet die Dateien, und mit Servo-Antriebstechnik von SEW-Eurodrive wird die Bewegung hochdynamisch umgesetzt“, erklärt der Geschäftsführer. Als technische Herausforderung bei der Ultraschall-Schneidanlage nennt er, dass alle Achsen gemeinsam synchronisiert werden mussten.

 

Präzision und Dynamik mit Servoantriebstechnik

Jeder Fixcutter wird durch drei Antriebe von SEW-Eurodrive bewegt: den Hub-, Dreh- und Fahrantrieben. Der Elektrozylinder CMS50S ist zuständig für das Eindringen des Messers in das Material. Als Drehantrieb für das Messer kommt ein Servomotor CMP50S mit direkt angebautem Servowinkelgetriebe BSBF202 zum Einsatz. Ein weiterer Servomotor mit direkt angebautem, spielarmem Planetengetriebe vom Typ PSF321CMP71S sorgt über einen Zahnriemen für die Positionierung quer zur Bandrichtung. Auf einer Schneidbrücke sind jeweils zwei Schneidköpfe angebracht; daher werden hier insgesamt sechs Motoren eingesetzt. Bis hierhin ist die Bauweise des Flexcutters identisch. Weil dieser jedoch zusätzlich in Längsrichtung des Bandes verfährt, ist er mit einem weiteren Servogetriebemotor KH57/T CMP100S ausgestattet.

 

Geringere Verluste und weniger Abwärme

Das Herzstück der Antriebstechnik bildet das kompakte Mehrachs-Servoverstärkersystem Moviaxis. Der ­Achsverbund besteht bei den Fixcutter-Brücken aus sechs Achsmodulen MXA81A, die gemeinsam durch ein 10-kW-Einspeisemodul MXP81 über die Zwischenkreisverschienung mit Energie versorgt werden. Dadurch sinkt nicht nur der Installa­tionsaufwand, sondern dank der Energiezwischenspeicherung sinken gleichzeitig die Verluste und Abwärme. Energien, die die Speicherkapazität des Einspeisemoduls übersteigen, baut ein integrierter Bremswiderstand ab. Bei dem Flexcutter kommt ein Achsmodul für den Längsantrieb ­hinzu.

 

Hohlwelle als Sonderwunsch

Bei der Entwicklung der Anlage ergab sich die Notwendigkeit, die Anschlussleitungen des Ultraschallkonverters durch das Getriebe des Drehantriebs hindurchzuführen. Hierfür war eine spezielle Ausführung erforderlich. Dabei kam bei dem Getriebe der Baureihe BSBF ein Flanschblock mit Hohlwellenbohrung zum Einsatz. Oliver Pieper, SEW-Vertriebsingenieur im technischen Büro in Hamburg: „Unsere Großserienprodukte bieten eine gute Basis, um projektbezogene Kundenwünsche zu ­realisieren.“

 

Komplettlösung aus einer Hand

Bei der anspruchsvollen Entwicklung des High-Speed-Cutters bekam der Maschinenbauer Unterstützung durch die Wirtschafts- und Technologieförderung Schleswig-Holstein. Hier hatte er im Juli 2009 erfolgreich einen Antrag auf Finanzierung gestellt und wurde aus dem europäischen Fond (EFRE) gefördert. Im Herbst 2010 war der Prototyp „Speed Cutter“ fertig, den MuK in der Folge weiterentwickelte. Doch nicht nur die Durchlauf-Schneidanlage an sich, sondern auch Folgemaschinen mussten für die ersten realisierten Projekte konstruiert werden. Sie dienen dazu, das Material aufzuwickeln, zu sortieren und entsprechend der nachgelagerten Prozesskette einzulagern. Auch das Abwickeln des Materials von der Rolle – also vor der Schneidemaschine – ist nicht trivial, denn es muss gerade und symmetrisch zur Mittellinie den Cutter durchlaufen. Hierfür baute MuK eine geeignete Abrolleinheit.

 

Die Elmshorner liefern an ihre Kunden den Cutter und die zugehörige Peripherie. O. Pieper erläutert: „Der Anteil der Handfertigung wird erheblich reduziert. Erst wenn alle erforderlichen Schnittmuster einlagig präsentiert werden, kann der nachfolgende Prozess automatisiert werden.“ MuK-Geschäftsführer H. Schlüter ergänzt: „Die Kunden, die sich für einen automatisierten High-Speed-Cutter entscheiden, können den Automatisierungsgrad ihrer Produktion deutlich erhöhen.“

 

Christof Völkel

Christof Völkel ist im Product Engineering bei der SEW-Eurodrive GmbH & Co. KG in Bruchsal tätig.

 

Weitere Informationen unter www.sew-eurodrive.de.

 

Einen Slideshow-Podcast (eine animierte und vertonte Fotostrecke) über den High-Speed-Cutter gibt es auf Youtube unter youtu.be/oifkPvuMScw.

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Copyright © VDE VERLAG GMBH, zuletzt aktualisiert am 17.04.2014