Hochwertige dekorative Beschichtungen von Teilen aus Kunststoff, Metall, Keramik oder Glas sind in vielen Anwendungen gefragt. Typische Beispiele sind Verpackungen für Kosmetika, wie Lippenstifte oder Mascara. Da es in der Regel um hohe Stückzahlen geht, müssen Anlagen, die solche dekorativen Beschichtungen aufbringen, einen entsprechend hohen Durchsatz haben. Außerdem soll der Personalaufwand möglichst gering sein, die Anlagen müssen also vollautomatisch arbeiten.
Mit den Anlagen der Serie Decoline II bietet Singulus eine solche Lösung an, die alle Prozessschritte der Beschichtung in einem Inline-Verfahren vollautomatisch erledigt. Dies beginnt mit der Beladung von Substratträgern mit auf Linearachsen montierten Greifern. Diese setzen die Substrate auf spezielle Substratträger ab, die je nach Größe bis zu 18 Bauteile fassen. Anschließend werden die Oberflächen unter deionisierter Atmosphäre mit Rotationsdüsen gereinigt, um eventuell vorhandene Staubteilchen zu entfernen. Bevor die erste Lackschicht aufgebracht wird, sorgt eine Beflammung dafür, dass die Oberfläche optimal vorbereitet ist. Die Grundierung, die in der nächsten Station aufgebracht wird, besteht aus einem UV-härtenden Lack. Nachdem der Lack ausgehärtet ist, gelangen die Substratträger über eine Schleuße in das Herzstück der Anlage – den Polycoater. Dort wird unter Vakuum die Oberfläche der Substrate mit einem Metall oder einer Metalllegierung beschichtet.
Als Verfahren dient die Kathodenzerstäubung im Vakuum (Sputterdeposition), bei der eine Plasmaentladung Atome aus einem Target herausschlägt, die sich dann auf der Oberfläche des Werkstücks niederschlagen. Auf diese Weise entsteht eine hauchdünne und sehr homogene Metalloberfläche. Nach dem Sputtern verlässt der Substratträger die Vakuumkammer über eine zweite Schleuße. Und es erfolgt die zweite UV-Lackierung. Hierbei können auch farbige Lacke verwendet werden; Die Gestaltungsmöglichkeiten sind dadurch extrem vielfältig.
Automatisierungskonzept aus einem Guss
Die Anlagen der Serie Decoline II sind modular aufgebaut und laufen ohne Bedienereingriff vollautomatisch. „Bei der Bedienung unserer Anlagen machen wir es dem Anwender generell so einfach wie möglich“, sagt Kilian Kruse, der als Director of Surface Refinement Coatings bei Singulus für diese Anlagen zuständig ist.
Als Hauptlieferant für die Automatisierungstechnik hat sich Singulus schon Ende der 1990er Jahre für Mitsubishi Electric entschieden. Das umfangreiche Portfolio leistungsfähiger Steuerungen und Antriebstechnik zusammen mit einem hervorragenden technischen Support hatten damals den Ausschlag gegeben. So kommt auch bei der Decoline II eine SPS aus der Serie Melsec iQ-R zum Einsatz, die für die Steuerung von Maschinen und Anlagen mit Servoantriebstechnik konzipiert ist. „Jedes Modul der Anlage ist mit einem separaten I/O-Knoten ausgestattet, die untereinander über Profinet kommunizieren“, erläutert Kruse. Auch die Servomotoren und die entsprechenden Servoverstärker, kommen von Mitsubishi Electric. In der ersten Version waren die Lackieranlagen mit statischen Achsen realisiert. Die Bauteile rotieren dabei auf den Spindelwagen und bewegen sich vertikal an den Sprühköpfen vorbei. „Eine qualitativ hochwertige Lackierung ist mit dieser Konfiguration natürlich nur bei zylindrischen Teilen möglich“, nennt Kilian Kruse eine Einschränkung: „Uns hat sich die zentrale Frage gestellt: Wie kann man dreidimensionale Strukturen optimal lackieren?“
Roboter lackieren schnell und perfekt
Die Lackierung von komplex geformten Bauteilen lässt sich am besten mit Industrierobotern umsetzen. Lackierroboter, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie verwendet werden, ahmen dabei die Bewegung eines menschlichen Arms nach, um ein qualitativ hochwertiges Ergebnis zu erzielen. „Da wir bisher sämtliche Automatisierungstechnik von Mitsubishi Electric bezogen haben und damit auch sehr zufrieden waren“, so Kilian Kruse, „lag es für uns auf der Hand, auch die Roboter von diesem Lieferanten zu beziehen.“
Mitsubishi Electric bietet u.a. vertikale Knickarmroboter aus der Serie RV-FR an, die mit einer Reichweite von rund einem m und einer Maximallast von 7 Kilogramm perfekt für die Aufgabe geeignet sind. Die fehlende Atex-Zertifizierung für Zone 1 und 2, die für eine Lackieranlage zwingend notwendig ist, wurde aufgrund der hohen Flexibilität des technischen Supports von Mitsubishi Electric in die Wege geleitet. Da die Roboterkinematik die technischen Voraussetzungen für eine Atex-Zertifizierung bereits erfüllte, konnte die Zertifizierung innerhalb kurzer Zeit abgeschlossen werden.
Rezepturverwaltung ermöglicht kurze Rüstzeiten
Nachdem der passende Sechsachs-Roboter zur Verfügung stand, konnte das Team von Singulus die Programmierung der Automatisierungstechnik in Angriff nehmen. Ein großer Vorteil zeigte sich dabei sehr schnell, wie Kilian Kruse berichtet: „Unsere Spezialisten waren mit der Programmierung von Steuerungs- und Antriebstechnik von Mitsubishi vertraut. Da wir umfassende Unterstützung vom technischen Support erhalten haben, machte auch die Programmierung der Roboter keine großen Schwierigkeiten.“ Insbesondere die Schnittstellen zwischen Steuerungs- und Antriebstechnik auf der einen und Roboter auf der anderen Seite sind sehr komfortabel.
„Trotz der Verwendung der Roboter in den Lackierstationen sollte die Bedienung der Maschine so einfach wie möglich sein“, betont Kruse. Ziel war es, dass ein Anwender die Maschine bedienen kann, ohne lange Schulungen absolvieren zu müssen. Um dies zu ermöglichen, wurde eine Rezepturverwaltung programmiert. Der Anwender kann darin neue Geometrien definieren, ohne dass ein neues Roboter-Programm erstellt werden müsste – es müssen lediglich Parameter eingegeben werden. Die Bedienung der Anlage mit sämtlichen Prozessen sowie die Definition der Parameter für die Geometrie der Teile erfolgen über das HMI der Maschine. „Die Entwicklung dieses Bedienkonzepts inklusive des generischen Roboterprogramms hat etwa ein halbes Jahr Entwicklungszeit gekostet“, berichtet Kilian Kruse weiter: „Die Rüstzeit für das Umstellen auf eine andere Bauteilgeometrie ist dadurch aber extrem kurz.“
Bis zu 80 Millionen Teile pro Jahr beschichten
Die Anwendungen der Decoline II bedienen Märkte mit hohen Stückzahlen. Dementsprechend ist es wichtig, dass die eingesetzten Maschinen automatisiert und mit hohem Durchsatz arbeiten. Und genau dies gewährleistet Singulus mit dem Konzept der Maschinen, die auf dem umfangreichen Knowhow in der Beschichtungstechnik basieren. Einen wichtigen Anteil daran hat auch die Automatisierungstechnik. „Unser Ziel bei der Entwicklung war immer ein Sechs-Sekunden-Takt“, betont Kilian Kruse. Damit können bis zu 80 Millionen Teile pro Jahr beschichtet werden. In der neuesten Version der Maschine ist es sogar möglich, zwei Sechsachsroboter in einer Lackierzelle einzusetzen.
Zweifarbige Lackierungen im Sechs-Sekunden-Takt
Damit lassen sich etwa zweifarbige Lackierungen herstellen, oder die beiden Roboter teilen sich die Aufgabe, um die Zykluszeit von sechs Sekunden auch bei komplexeren Geometrien zu erreichen. Die Herausforderung besteht dabei darin, dass die beiden Roboter nicht kollidieren dürfen. „Und auch diese Aufgabe haben wir mit der sogenannten Collision-Avoidance-Funktion lösen können“, sagt Kruse. Natürlich wieder mithilfe der Automatisierungstechnik von Mitsubishi Electric.
