Hydraulik Digital geregelte Hydraulikachsen erhöhen die Reproduzierbarkeit

Reproduzierbarkeit und Validierung heißen die Forderungen moderner Produktionsabläufe. Vor diesem Hintergrund ersetzt kocher-plastik die ,Schwarz-Weiß-Hydraulik’ der Hauptbewegungsachsen durch eine digitale Regelhydraulik.

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CADFEM Germany GmbH

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

MDESIGN group

Parker Hannifin GmbH

Kocher-plastik stellt für die selbst entwickelte BFS-Methode (Blasen, Füllen, Verschließen in einem Arbeitsschritt) die dazu notwendigen bottelpack-Anlagen her. Jährlich verlassen rund 25 BFS-Taktmaschinen, die beispielsweise Infusionsflaschen herstellen können, das Werk.

Das Herz solcher Anlagen bilden die Schließeinheiten im Zusammenspiel mit der Dorneinheit, die die drei Vorgänge Blasen, Füllen und Verschließen in einem Arbeitsgang durchführen. Dabei kommt es auf höchste Reinheit an, weil die darauf produzierten Produkte zum Großteil für medizinische Zwecke sind und somit steril sein müssen. Durch die zunehmende Verschärfung der Dokumentationspflicht ist es notwendig, diese Produktionsprozesse datentechnisch eindeutig erfassbar und damit exakt reproduzierbar zu gestalten. Aus diesem Grund hat sich kocher-plastik dazu entschlossen, die Maschinen mit einer neuen Digitalhydraulik auszurüsten.

Reproduzierbare Positioniergenauigkeit unter 30 µm

Alternativ zur bisher verwendeten Schalthydraulik für die Dorneinheit und die beiden Achsen für die Formhälften haben sich die Verantwortlichen für eine hochmoderne Regelhydraulik – bestehend aus dem Regelventil DFplus von Parker Hannifin und deren Achsregler Compax 3F – entschieden. Helmut Schneider, Leiter der Steuerungstechnik bei kocher-plastik berichtet: „Mit unserer neuen Lösung erreichen wir eine reproduzierbare Positioniergenauigkeit der Dorneinheit zwischen 20 und 30 Mikrometer – das ist hervorragend.“ Gleichzeitig wurde die Aufgabenstellung, eine Positioniergenauigkeit unter 0,1 mm zu erreichen, weit übertroffen.

Ein zusätzlicher Vorteil der neuen Antriebslösung ist, dass die Dorneinheit neu konstruiert werden konnte und damit zusätzliches Einsparpotenzial bot. Bisher musste nämlich das Tauchrohr im Blasdorn nach dem Aufsetzen der Dorneinheit separat hochfahren und dabei stets unter der Oberfläche des Füllmediums bleiben. Damit dieser Vorgang hundertprozentig steril ablief, wurde Sperrdampf zwischen Tauchrohr und Blasdorn eingesetzt. Das Tauchrohr musste deshalb hartverchromt sein und die Dichtungen erforderten aufgrund der hohen Temperaturbelastung einen zeitaufwändigen Wechsel im Abstand von etwa acht Wochen. In Zukunft gibt es das nicht mehr.

Elektrohydraulische Achsregelung mit Ratiopotenzial

Weil das Regelventil in Verbindung mit dem Achsregler extrem präzise arbeitet, fährt nun die gesamte Dorneinheit den Weg von etwa 150 mm nach einem definierten Verfahrprofil zur Blasform. Damit fallen der häufige Dichtungswechsel sowie die zusätzliche Hartverchromung, zwei Zylinderachsen sowie ein Schaltventil – und nicht zu vergessen der Sperrdampf weg, sodass unter dem Strich trotz Einsatz der elektrohydraulischen Achsregelung eine Einsparung von 1.500 Euro pro Bewegungsachse erzielt werden konnte.

Bezüglich der Hydraulik war nur ein kleiner,Eingriff’ notwendig. Auf den vorhanden Steuerblock wurden die Schaltventile einfach durch die DFplus ersetzt; das Bohrbild ist identisch. Lediglich ein zusätzliches Sitzventil wurde als Absperrorgan integriert, um ein Absinken des Blasdorn bei augeschalteter Regelung zu verhindern.

Bei der neueren Maschinengeneration befindet sich der Hydraulikblock auf der Rückseite (Dark-Side), die bewusst vom aseptischen Produktionsbereich (White-Side) entkoppelt worden ist. Dadurch verlängern sich die Hydraulikleitungen auf etwa sieben Meter. „Obwohl die Flüssigkeitssäule damit sehr lang wird, lassen sich die damit verbundenen steuerungstechnischen Nachteile ohne weiteres regelungstechnisch kompensieren“, erklärt Helmut Schneider. Selbst den Temperatureinfluss des Öls zwischen dem Anfahren der Maschine und Dauerbetrieb korrigieren die Achsregler Compax 3F von Parker Hannifin.

Der Wechsel zur digitalen Hydraulik hat sich gelohnt. Bisher mussten die Prozesse ,erfahrungsgemäß’ über Drosseln oder Stromregler richtig für jedes Produkt und für jeden neuen Werkstoff eigens justiert werden. Heute geschieht das Laden der entsprechenden Daten in den Achsregler Compax 3F softwareseitig direkt über die Steuerung.

Oszilloskop-Funktion erleichtert den Umgang mit Regelhydraulik

Ein Highlight der Achsreglersoftware Servo-Manager ist die Oszillogramm-Darstellung für vier Kanäle gleichzeitig. Damit lassen sich einzelne Kurven grafisch übereinander legen wie Achsgeschwindigkeit, Position, Stellgröße und Schleppfehler. „Damit haben wir den Umgang mit der Regelachse schnell gelernt“, betont Helmut Schneider. Und auch bei Serviceeinsätzen ist dieses Feature von unschätzbarem Wert. „Es gibt Kunden, die zwar Spezialisten in ihrer Prozesstechnik sind, aber sich nur wenig um die Antriebstechnik kümmern. In solchen Fällen ist die Oszillogramm-Funktion des Servo-Manager wirklich klasse.“

Das Hydrauliksystem in den BFS-Maschinen arbeitet mit rund 90 bar, die eine Flügelzellenpumpe erzeugt. Obwohl das Druckniveau nicht besonders hoch ist, muss die Regelung für die etwa 300 kg schweren Schließhälften des Werkzeugs eine hohe Dynamik aufweisen, um auch hier reproduzierbar unter 0,1 mm Positioniergenauigkeit zu liegen. Diese fahren mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,1 m/s zusammen.

Neben der eingangs angesprochenen Wiederholgenauigkeit ist natürlich auch der synchrone Gleichlauf der beiden Hydraulikzylinder jeder Formhälfte wichtig. Diesen übernimmt der Compax 3F ebenfalls. Nach rund 0,9 Sekunden ist die Form geschlossen und die Dorneinheit bewegt sich abwärts. Ein gesamter Vorgang für das Formen der Flasche, das komplette Füllen und das anschließende Verschließen dauert etwa fünf Sekunden. Die Grenzen liegen dabei nicht in der Antriebs- oder Steuerungstechnik, sondern in der Prozesstechnik, die bei dieser Taktrate bereits vollkommen ausgereizt ist.

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