Maskenproduktion „Made in Germany“

20.05.2021

Flexible Automatisierungstechnik für den Sondermaschinenbau

Mit dem Beginn der Corona-Pandemie ist der Bedarf an FFP2-Atemschutzmasken massiv angestiegen. Zunächst fehlten allerdings die Produktionskapazitäten. Im Laufe des Jahres 2020 hat sich das schnell geändert. Versierte Maschinenbauer haben rasch reagiert und konnten innerhalb erstaunlich kurzer Zeit effiziente Lösungen „Made in Germany“ anbieten. Einer dieser Anbieter, der innerhalb kürzester Zeit ein Maschinenkonzept in Zusammenarbeit mit dem Automatisierungsspezialisten Yaskawa realisiert hat, ist der Sondermaschinenbauer Unimatic Automationssysteme GmbH aus Grub am Forst nahe Coburg. Leistungsfähige Antriebs- und Steuerungstechnik von Yaskawa sowie eine gute Zusammenarbeit zwischen beiden Partnern bildeten dafür die Basis.

Als die Regierung im März 2020 feststellte, dass es einen Mangel an medizinischer Schutzausrüstung gibt, beauftragte sie deutsche Unternehmen diese herzustellen. Allerdings hatten die meisten kein entsprechendes Equipment. So erreichte die Unimatic Automationssysteme GmbH die Anfrage eines Kunden, ob es innerhalb kurzer Zeit möglich wäre, eine Produktionsanlage für FFP2-Atemschutzmasken zu konstruieren. Der Sondermaschinenbauer zögerte nicht lange und sagte zu. Er zog die Kollegen von Unimatic China hinzu, die bereits wertvolle Vorkenntnisse hatten. „Das Anlagenkonzept wurde von uns gemeinsam mit unserem chinesischen Joint Venture entwickelt und an die Standards des europäischen Marktes angepasst“, berichtet Dr. Robert Kahlau, Abteilungsleiter Robotics bei Unimatic. „Der Kunde hat dann zunächst vier Anlagen bestellt. Schlussendlich erhielten wir den Auftrag für insgesamt acht Produktionslinien.“

Vollautomatische Montageanlage für FFP2-Schutzmasken

Die Montageanlagen sind für die vollautomatische Produktion von FFP2- bzw. KN95-Masken mit Kopfbefestigungsbändern ausgelegt. Die Anlagen bauen mit 10m Länge, 1,5m Breite und 2m Höhe sehr kompakt und können pro Minute 40 Masken fertigen. Der Maschinenausstoß der Masken ist mechanisch bedingt durch die langen Gummibänder limitiert. Das mehrlagige Material aus dem die Masken gefertigt werden, ist zudem nicht einfach zu verarbeiten. Es wird deshalb mit gleichbleibender Geschwindigkeit durch die Anlage transportiert. Die Ultraschall-Schweißsysteme laufen als „fliegende Sägen“ mit. Die speziellen Materialeigenschaften stellen besondere Anforderungen an diesen Herstellungsprozess, die unter anderem nur durch leistungsfähige, exakt synchronisierte Antriebstechnik erfüllt werden kann.

Die Anlage innerhalb weniger Monate auf den Markt zu bringen war eine sportliche Leistung. Die Terminschiene war eng und der Maschinenhersteller musste den Auftrag zudem parallel zum Tagesgeschäft abwickeln. Auch Geschwindigkeit, Flexibilität und Programmierkapazitäten waren echte Herausforderungen. „Im Zusammenhang mit der Maskenproduktion mussten wir uns zudem mit den drei technisch durchaus anspruchsvollen Themen „fliegende Säge“, der Ultraschallbearbeitung der Prägekontur und der Schneidtechnik auseinandersetzen“, erinnert sich Dr. Kahlau. „Um trotzdem zügig und sicher zu einer effizienten Lösung zu kommen, holten wir uns kompetente Partner ins Boot, die uns mit dem entsprechenden Knowhow unterstützten. Wir haben voll auf die Flexibilität gerade bei notwendigen kurzfristigen Entscheidungen und auf die Kooperationsbereitschaft des gesamten Teams intern als auch bei involvierten Partnern – vertraut, um das Projekt innerhalb kürzester Zeit zu realisieren.“

Automatisierungstechnik für den „fließenden“ Produktionsprozess

Wie in den meisten ihrer Anlagen setzten die Konstrukteure von Unimatic in der Maskenproduktionsanlage als Maschinensteuerung eine SPS von Siemens ein. Bei der Suche nach der passenden Lösung für die „fließende“ Maskenproduktion stießen die Techniker dann schnell auf Yaskawa, deren Maschinensteuerung MP3300iec und Sigma-7-Servoantriebe sich bereits in vielen ähnlichen Anwendungen bewährt haben und auch hier die Maschinenbauer überzeugten. Die Maschinensteuerung hat Funktionsbibliotheken zur Kurvenscheiben-Steuerung bereits integriert, womit u. a. die Funktion ‚Fliegende Säge‘ komfortabel umgesetzt werden kann. Die Servo-Serie steht für Eigenschaften wie schnelle Inbetriebnahme, hohe Produktionsleistung und maximale Betriebssicherheit, von denen die Konstrukteure der Maskenproduktionsanlage ebenfalls profitieren konnten. Hinzu kam die große Auswahl. Zur Serie gehören schmale Einzel- und Doppelachs-Verstärkermodule für 200V oder 400V. Die reaktionsschnellen AC-Servomotoren decken bei Versorgungsspannungen von 200V bzw. 400V Leistungen von 50W bis 15kW ab und überzeugen mit äußerst kompakten Abmessungen sowie sehr ruhigem Lauf. Sie bieten eine hohe Auflösung (integrierter 24-bit Absolut-Encoder), hohe Dynamik und Funktionen wie Vibrationsunterdrückung, Ausblendung von Maschinen-Resonanzfrequenzen und Tuning-less-Funktion für die einfache Inbetriebnahme. Durch die Integration dieser Funktionen in den Servoverstärkern wird deren Leistungsfähigkeit nicht durch übergeordnete Steuerungen oder Bus-Zykluszeiten limitiert.

„Die Lösung hat uns aber nicht nur technisch überzeugt“, ergänzt Kahlau. „Die Zusammenarbeit mit Yaskawa verlief ausgesprochen reibungslos und angenehm. Die kompetente Unterstützung der Automatisierungsspezialisten bei der Antriebsauslegung, dem Steuerungskonzept und der Anbindung an die SPS hat unser Projekt deutlich beschleunigt, und wenn es zur ein oder Herausforderung kam, ließen die sich schnell bewältigen. Qualität und Kompetenz zeigen sich eben besonders im Servicefall.“

Sechs Servoachsen und eine Maschinensteuerung für perfekte Synchronisation

Insgesamt sind in jeder Maskenproduktionsanlage sechs Sigma-7-Servoachsen (200V) im Einsatz. Die Motorleistungen liegen zwischen 200W und 1,5kW. Der größte ist der Hauptantrieb, der die Walzen für den Materialtransport treibt. Zwei Motoren sorgen für die dynamische Bewegung der „fliegenden Sägen“, in diesem Fall also der Ultraschallwerkzeuge, die die Masken schweißen und prägen. Zwei weitere Servoachsen arbeiten in der Materialbereitstellung des Drahtbügels für den Nasenclip. Hier, wo die Kopfbänder und Nasenclips zugeführt werden, kommt es besonders auf hohe Positioniergenauigkeit und äußerst präzisen Gleichlauf mit dem Vlies an.

Die Synchronisation der Servoachsen in der Maskenproduktionsanlage ließ sich mit der Maschinensteuerung MP3300iec einfach realisieren. Sie kommuniziert über den Echtzeit-Ethernet-Bus MECHATROLINK-III mit den Servoachsen. Die hoch-performante Schnittstelle ist insbesondere für Motion Anwendungen konzipiert. Dabei sind Baudraten bis zu 100Mbps und Zykluszeiten bis zu 125µs möglich, so dass sich auch deutlich komplexere Synchronisationsaufgaben als bei der Maskenproduktionsanlage lösen lassen. Die Programmierung erleichtert das Softwaretool MotionWorks IEC mit Standard-PLCopen- und Yaskawa-spezifischen Funktionsblöcken (z. B. Kurvenscheiben und elektronische Getriebe etc.), die kostenlos verfügbar sind und die Anlagenprogrammierung wesentlich vereinfachen. Zum Funktionsumfang der MotionWorks IEC gehören neben PLCopen-Funktionsblöcken auch die Integration der Visualisierung, die Einbindung von Kamerasystemen, das Conveyor-Tracking (Fördererverfolgung) und eine Group Toolbox zur Unterstützung von G-Code. Die Funktionsböcke erlauben in Verbindung mit der Maschinensteuerung auch die Ansteuerung von Delta-Kinematiken und Mehrachsrobotern.

Mit der SPS der Maskenproduktionsanlage ist die Yaskawa-Maschinensteuerung über Profinet verbunden. Die übergeordnete SPS hat jedoch mit der Synchronisation nichts zu tun, wird also deutlich entlastet. Die Maschinensteuerung, die u. a. auch die Pneumatik und Safety steuert, fungiert als Master, gibt den Ablauf und den Takt der Antriebe vor. Während die Produktion läuft, setzt sie die Triggerpunkte. Kommt es beispielsweise an einer Stelle zu einer Verzögerung, passt sich die Synchronisation daran an und es gibt keine Unterbrechung. Im praktischen Einsatz hat sich die Lösung bewährt. Mittlerweile wurden bereits acht Maskenproduktionsanlagen ausgeliefert und in Betrieb genommen.