Die Kosten in Schach halten

Fertigungsautomation

Sensoren - In den Membranfilter-Wickelmaschinen von Industrieservice Schach kommt modernste Sensortechnik zum Einsatz – unter anderem hochpräzise Dicken- und Positionssensoren, optoelektronische Detektions- und rotative Wegmesssensoren, integrationsfreundliche Druck- und Temperaturfühler sowie sicherheitszertifizierte Schutztürschalter und Lichtvorhänge. Hier zahlt sich die Zusammenarbeit mit Sick als One-Stop-Supplier technologisch und wirtschaftlich aus – bessere Prozesse bei geringerem Sensorkostenanteil.

15. Oktober 2018
Bild: Sick
Bild 1: Die Kosten in Schach halten (Bild: Sick)

Was ein breites und technologisch innovatives Sensorportfolio der Automatisierungs- und Sicherheitstechnik bewirken kann, zeigt sich an den Maschinen und Anlagen zur Fertigung tubulärer Membrane von Industrieservice Schach: »Mithilfe von Sick konnten wir nicht nur einige Applikationen in der Maschine technisch besser lösen, sondern auch durch eine bessere Produktauswahl den Sensorikkostenanteil der Maschine insgesamt um etwa 75 Prozent reduzieren«, erklärt Hans Schach, der Inhaber des Unternehmens.

»Da ist die neue Sicherheitstechnik noch nicht berücksichtigt. Zudem kommt jetzt alles aus einer Hand. Die Beratung erfolgt dementsprechend ganzheitlich für alle Automatisierungsfunktionen der Maschine, ermöglicht zum Teil wesentliche Optimierungen und reduziert die liefertechnischen Risiken deutlich.«

Höchste Ansprüche

Die Zuverlässigkeit der Sensoren ist für Schach ein weiterer entscheidender Pluspunkt, denn die Herstellung von tubulären Filterelementen, wie sie beispielsweise zur Trübstofffiltration in der Abwasserbehandlung oder in der Getränkeherstellung eingesetzt werden, ist ein Prozess mit höchsten Ansprüchen an die Qualität des Endproduktes.

Bei Industrieservice Schach in Nürtingen gehen Konstruktion und Umsetzung Hand in Hand. Das Leistungsportfolio reicht von Siegelwerkzeugen, Exzenterspannern oder Montagevorrichtungen über Füge-, Dichtigkeitsprüf- und Montageautomaten bis zu Maschinen und Komplettanlagen der Spiralwickeltechnik.

Besonderes Know-how

Im letztgenannten Bereich hat das Unternehmen ein besonderes Know-how aufgebaut: die Konstruktion und Fertigung von Anlagen zur Herstellung von tubulären Stützkörpern aus Vliesstoffen für die Membranfiltertechnik. Im Mittelpunkt steht dabei die Wickelmaschine, auf der Vliesbahnen von 0,1 bis 0,3 Millimeter Stärke und zwölf bis 25 Millimeter Breite ein- und doppellagig verarbeitet werden können.

Der tubusförmige Stützkörper – möglich sind Durchmesser von fünf bis 25 Millimeter – wird entlang eines Wickeldorns geformt. Daraufhin wird auf den Körper fein dosiertes, erwärmtes Membran-Polymer appliziert, getrocknet und die sich überlappenden Vliesbahnen mit Ultraschall verschweißt und der Filter-Tubus im Ablängmodul mit einem fliegenden Messer auf eine individuell einstellbare Grundlänge geschnitten. 

»Beim Hersteller der Filterelemente für die Prozessanlagen werden etwa 380 Filter-Tuben mit fünf Millimeter Durchmesser bündelweise in Zehn-Zoll-Rohre aus GFK eingebracht«, sagt Schach. »Wenn nur ein Tubus dabei defekt ist, ist das gesamte Cross-Flow-Filtermodul nicht funktionsfähig und damit Ausschuss.« Daher legt er neben der automatisierten Fertigung der Tuben auch auf eine automatisierte und dokumentierbare Qualität der Maschinenprozesse und des fertigen Endproduktes Wert.

»Besonders kritisch ist zum Beispiel die Einhaltung einer konstanten Vliesstärke oder auch die präzise Regelung von Druck und Temperatur beim Polymerauftrag«, so Schach. »Neben der möglichen Integration von Berstdruck- oder Zug-Prüfständen kommt daher verschiedenen Sensoren schon im Prozess eine qualitätssichernde Funktion zu.« Gleichzeitig gilt es, verschiedene Detektions-, Positionier- und Messaufgaben zu lösen, die eine automatische Anpassung der Maschine an das zu fertigende Produkt ermöglichen – sodass am Ende fast ein Dutzend Sensoren unterschiedlicher Wirkprinzipien und Funktionen in der Maschine zum Einsatz kommen. 

Semipermeable Membran

Das Herausfiltern von Partikeln, Fremd- und Trübstoffen aus Flüssigkeit mithilfe von Membranfiltern basiert auf dem Prinzip der Osmose. Die in der Maschine produzierte Membran ist semipermeabel und nur für bestimmte Stoffe durchlässig. Dabei beeinflusst unter anderem die Stärke des Vliesstoffes als Träger der Membran das Diffusionsverhalten. »Daher nehmen wir im Materialeinlauf der Wickelmaschine eine Überwachung des Vliesmaterials auf Dick- oder Dünnstellen vor, um die betreffende Schadstelle vor Erreichen der Wickeleinheit automatisch auszuschneiden«, verdeutlicht Schach. 

Zur Detektion der Materialstärke kommen Displacementsensoren der Produktfamilie OD Mini zum Einsatz. Sie sind in der Lage, die Vliesbahn mit einer Messfrequenz von zwei Kilohertz und einer Auflösung von sechs Mikrometer abzutasten. Dadurch wird die Materialstärke sehr genau überwacht – und eine mögliche Schadstelle kann so genau lokalisiert werden, dass beim Herausschneiden kein unnötiger Materialverlust entsteht.

»Die zuvor eingesetzte Lösung eines anderen Herstellers war um den Faktor zehn teurer und weder so präzise noch so integrationsfreundlich«, blick Schach zurück. »Hier hat sich die Optimierung der Produktauswahl nach der anwendungstechnischen Beratung durch Sick besonders gelohnt.« 

Optische Gabelsensoren

Im weiteren Verlauf der Verarbeitung nehmen optische Gabelsensoren WFM30 an den Sonotroden eine Wickelüberwachung vor. Innerhalb von 125 µS Ansprechzeit erkennen sie submillimetergenau, ob sich Material bei Abzug vom Wickeldorn zusammenschiebt oder verdrillt – also dicker wird – und dadurch von den Sonotroden nicht verschweißt werden kann und als Schadstelle herausgeschnitten werden muss.

Die Wickelmaschinen produzieren die Tubus-Membranen mit einer Geschwindigkeit von bis zu acht Metern pro Minute. Um einen kontinuierlichen mehrstündigen und autarken Betrieb zu ermöglichen, sorgt ein Rollenspeicher mit automatischer Anspleisung für den notwendigen Nachschub. Sobald sich eine Rolle dem Materialende nähert, wird dies von einem Reflexionslichttaster (GTB6) im platzsparenden Quadergehäuse erkannt – dank Hintergrundausblendung sehr zuverlässig ohne Störungen aus dem Maschinenumfeld. Das Signal des optischen Tasters aktiviert den Anspleisvorgang. Hierzu werden die Materialbahnen beider Rollen geklemmt, geschnitten und verschweißt.

Einfache Montage

Die Positionserfassung des Klemmzylinders – ein- oder ausgefahren – erfolgt durch C-Nut-Zylindersensoren der Produktfamilie MZC1 im hochfesten Vistal-Spezialkunststoff. Schach lobt die einfache Montage und sichere Fixierung dieser Sensoren: »Der Sensor kann per Drop-in in die Nut eingesetzt werden– ohne Demontage der Zylinderendkappe und auch dann, wenn der Zylinder schon eingebaut ist. Zudem gewährleistet die unverlierbare Exzenter-schraube eine schock- und vibrationsfeste Verriegelung des MZC1 in der Nut.«

Mit den induktiven Sensoren IME12 hat er die Endlagenüberwachung und Positionserfassung der Tänzerwelle im Vliesstoffzulauf gelöst. Während der Dauer des automatischen Rollenwechselns und des Verspleisens der neuen mit der alten Vliesstoffbahn stellt das Puffermodul die in dieser Zeit benötigte Vliesstoffzufuhr sicher. »Für die IME12 sprachen die platzsparende, metrische Kurzbauform, die bündige Einbaumöglichkeit in Metall sowie der Schaltabstand von vier Millimetern«, hebt Schach hervor. »Dadurch konnten wir die Detektionsaufgabe mit maximaler Performance bei minimalem Platzbedarf lösen.«

Keine Referenzfahrt nötig

Auf den Wickelmaschinen können Vliesstoffbahnen unterschiedlicher Breite und Materialstärke verarbeitet werden. Hierfür ist es erforderlich, den Winkel des Vlieseinlauf- und des Wickelriemenmoduls der Maschine automatisch anzupassen. Zur Wegmessung und Positionierung werden Singleturn-Absolut-Encoder der Produktfamilie ACS36 eingesetzt. Mit ihrer Auflösung von 2.979 Schritten ermöglichen sie eine präzise Einstellung der Module für eine optimale Zuführung und Verarbeitung der Vliesbahnen.

Hinzu kommt, dass die Steuerung auch nach einem Wiedereinschalten der Maschine die genaue Einstellung von Vlieseinlauf und Wickelriemen kennt – eine Referenzfahrt ist nicht erforderlich. Zur Längenmessung der membranbeschichteten Stützkörper nach dem Ultra-schallschweißen erfolgt durch einen Inkre-mentalencoder (DBS60) mit auf der Vollwelle fixiertem Reibrad.

Das System erfasst die Vorschubgeschwindigkeit des fertigen Filter-Tubus und steuert das fliegende Messer an, mit dem das Material auf eine flexibel einstellbare Grundlänge geschnitten wird. Die Geschwindigkeit und Qualität der Membranproduktion hängt verfahrenstechnisch unmittelbar von der Temperatur, dem Druck und der Dosierung des eingesetzten Polymers ab. Je nach Polymertyp sind Verarbeitungstemperaturen in einem Bereich zwischen 20 und 60 Grad Celsius optimal.

Der jeweils für den Prozess ideale Wert wird mit einem TSP-Widerstandsthermometer überwacht. Parallel zum Temperatursensor wird der Polymerdruck durch einen ebenfalls kompakten und einbaufreundlichen Drucksensor (PTB) erfasst. Zusammen mit dem besonderen Dosierprinzip der Wickelmaschine wird so eine gleichbleibend hohe Verarbeitungsqualität des Endproduktes erreicht. 

Sicherheitsaspekte

Sowohl die Wickelmaschine selbst als auch der angeschlossene Rollenspeicher weisen potenzielle Unfallgefahren für Personen durch gefahrbringende Bewegungen auf. Bei der Wickeleinheit kommt eine trennende Schutzeinrich-tung zum Einsatz. Die Zugangstür, durch die die Maschine zur Fehlerbeseitigung oder Wartung zugänglich ist, ist mit einem berührungslosen Transponder-Sicherheitsschalter (STR1) ausgerüstet.

Dieser erfüllt die höchsten sicherheitstechnischen Anforderungen SIL3 nach IEC 61508 und SILCL3 nach EN 62061 sowie PL e nach EN ISO 13849. Zudem ist er durch seine eindeutige Kodierung wirkungsvoll gegen Manipulationsgefahren geschützt. Aus Gründen einer einfachen und ergonomischen Bedienung ist am Rollenspeicher ein Sicherheits-Lichtvorhang (detec4) mit 1,35 Metern Höhe installiert, der die genannten Normen ebenfalls erfüllt.

Durch den Einsatz von zwei Umlenkspiegeln werden alle drei zugänglichen Seiten berührungslos überwacht. Der Abstand der Überwachungsstrahlen beträgt 30 Millimeter. Diese Auflösung gewährleistet nicht nur einen sicheren Handschutz im Falle eines unberechtigten Eingreifens in die laufende Maschine, sondern ermöglicht es auch, die Vliesstoffbahn zwischen zwei Einzelstrahlen hindurch zur Maschine abzuziehen, ohne dass die Sicherheitseinrichtung anspricht.

Wichtige Zukunftsthemen

Die Maschinen und Komplettanlagen zur Fertigung tubulärer Membranen von Industrieservice Schach stoßen in der Abwassertechnik auf großes Interesse. Zudem hat das Nürtinger Unternehmen bereits zwei wichtige Zukunftsthemen im Visier: zum einen die Umsetzung einer Schichtdicken-Innenmessung in den Tuben, die das Qualitätskonzept vervollständigt; und zum anderen die Verarbeitung neuer Polymere zu Membranen, mit denen erstmals auch Hormone und Antibiotika aus Abwässern herausgefiltert werden können. Die passende Maschinentechnik – mit der technisch und wirtschaftlich optimalen Sensorik – steht zur Verfügung und muss nur noch adaptiert werden. 

Vision: Halle 1, Stand 1A36

Erschienen in Ausgabe: 06/2018

Schlagworte