Maschinenkonzept Weites Drehzahlspektrum und hohe Regelgüte

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Die Herstellung von Metallfasern ist eine besondere Herausforderung – vor allem an Software, Antriebe und Steuerung. Die TU Dresden hat sie gemeinsam mit Industriepartnern angenommen.

Das Deutsche Metallfaserwerk Dr. Schwabbauer GmbH & Co. KG aus dem baden-württembergischen Neidenstein stellt seit über 70 Jahren Metallfasern für technische Anwendungen her. Unter der Marke Stax produziert das Unternehmen Metallfasern und Metallfaserprodukte, die in vielen Bereichen zur Anwendung kommen, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, dem Anlagenbau, dem Leichtbau oder der Bauindustrie. Um in Zukunft die Produktpalette weiter auszubauen und neue Kundensegmente zu erschließen, hat das Deutsche Metallfaserwerk gemeinsam mit dem Institut für Textilmaschinen und textile Hochleistungswerkstoffe (ITM) der Technischen Universität Dresden und Baumüller eine Maschine entwickelt, die Metall­fasern zu Metallfasergarn verarbeiten kann.

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„In einer Maschine und in einer Software alle Komponenten der Garnherstellung miteinander zu verbinden, das war die Herausforderung“, erklärt Alexander Obst, Geschäftsentwicklung Deutsches Metallfaserwerk. Neben der Möglichkeit, Garn aus diversen metallischen Werkstoffen wie zum Beispiel Edelstahl oder Aluminium zu produzieren, war es Stax wichtig, unterschied­liche Garnstärken produzieren zu können. Das heißt, die Maschine muss nicht nur rundlaufen, sondern auch die Schnittstelle zwischen Software, Bedienung und Antriebskonzept muss stimmen. Nur wenn alle Parameter exakt eingehalten werden, ist diese Vielfalt möglich.

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Was die Rolle der Antriebstechnik verstärkt

Daher setzt das Unternehmen beim Garnwickler auf ein Komplettsystem von Baumüller Nürnberg GmbH. Das ganzheitliche Konzept besteht aus einer B-Maxx-PCC-04-Steuerung inklusive Touchpanel, einem Netzgleichrichter, drei Doppelachs-Servoreglern, sechs DSD2-Servoantrieben und einer anwendungsoptimierten Software-Lösung.

Herauszufinden, wie die Übersetzung der einzelnen Antriebsmodule im Zusammenspiel der Spule mit dem Garn am besten funktioniert, war eine der mathematischen Kernaufgaben in Kooperation mit der TU Dresden: „Herausfordernd war, dass die Maschine kompakt und mobil sein sollte. Und das in kleinem Maßstab. Generell war die Umsetzung eine große Herausforderung, da sich Metallfasern ganz anders als Textilfasern verhalten. Dies wurde von ITM maschinen- und steuerungstechnisch umgesetzt und war sehr spannend“, berichtet Dr. Mahmud Hossain aus dem Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM).

Software-Lösung auf Anwendung optimiert

Als Basis der Software wurde ein Baumüller-Template verwendet und an die Anwendung angepasst, wodurch auch die Entwicklungszeit deutlich reduziert werden konnte: „Dem Kunden war eine intuitive und leicht bedienbare Benutzeroberfläche wichtig. Ziel war es, jederzeit den Maschinen-Status im Blick zu haben und alle wichtigen Maschinenparameter einstellen zu können. All diese Anforderungen wurden von Baumüller erfolgreich umgesetzt“, berichtet Axel Hohmann, Applikationsingenieur bei Baumüller. Die Maschine überwacht nicht nur den Produktionsprozess, sondern schaltet bei Erreichen der gewünschten Produktionsmenge automatisch ab. Die Achsen können im Tippbetrieb (Hand-Betrieb) einzeln oder als Gruppe betrieben werden: „Das ist sinnvoll, wenn beispielsweise die Spule gewechselt wird. Damit der Faden automatisch aufgelegt werden kann, muss die Spule richtig zum Fadenaufleger (Finger) positioniert sein.“ Das Rezept-Handling ist eine Art Kochbuch, in dem produktspezifische Parameter für verschiedenste Garnstärken und -längen hinterlegt werden, um jeweils schnell und sicher in die Produktion gehen zu können. Der Reiter „Alarme“ enthält eine Fehler-Historie und meldet sich bei Störungen zu Wort.

Servomotoren liefern konstante Drehzahlen

Zum Einsatz kommen luftgekühlte DSD2-Servomotoren, die für hochdynamische Anwendungen mit höchsten Anforderungen an Beschleunigungsvermögen und beste Start-Stopp-Qualitäten konzipiert wurden. Das
Verhältnis der Drehzahlen unter den einzelnen Motoren muss beim Garnwickler konstant sein, um präzise
Ergebnisse zu erzielen. Die DSD2-Antriebe haben sehr gute Rundlaufeigenschaften und ermöglichen im
Zusammenspiel zwischen den Servoantrieben und den luftgekühlten B-Maxx-Reglern eine hohe Positions- und Geschwindigkeitsgenauigkeit. Die Auslegung wurde optimal auf die Motion-Control-Anwendung hin entworfen. Das heißt, die Komponenten arbeiten perfekt zusammen und sind sehr energieeffizient, da sie sich im Zwischenkreisverbund Energie teilen.

Sollte ein Maschinenbediener den Zugang zum Arbeitsraum öffnen, wird die Sicherheitsfunktion STO kontrolliert zeitverzögert ausgelöst, um die Antriebe schnell, aber noch geregelt, herunterfahren zu können. Nach Ablauf der Zeit werden die Antriebe momentenlos geschaltet. Die Maschine verfügt über Sensoren zur Fadenrissüberwachung, um bei einem Fehler den Produktionsprozess zu unterbrechen. Der Garnwickler ist höchst variabel und ermöglicht ein Fadengewicht von bis zu circa 2.500 tex (tex = Anzahl an Gramm pro 1.000 Meter Garn, d. h., 1.000 Meter des Garns wiegen 2.500 Gramm).

Software und Antriebstechnik im Verbund überzeugen

Bei der Entwicklung des Garnwicklers arbeiteten Stax und ITM mit Baumüller als kompetenten Partner zusammen. Baumüller hat mit seinem Konzept, die Software und Antriebstechnik im Verbund anzubieten, überzeugt. Das technische Know-how im Zusammenspiel mit den theoretischen Berechnungen der TU Dresden half dabei, eine einzigartige, neue Maschine zu konzipieren, die effizient Metallfasergarn nach Kundenwunsch herstellt.

Der partnerschaftlich entwickelte Garnwickler ist sehr variabel. Mit ihm lassen sich extrem feine, aber auch sehr dicke Metallfasergarne aus unterschiedlichsten Materialien fertigen. Dies wird durch ein weites Drehzahlspektrum und eine sehr gute Regelgüte ermöglicht. In Zusammenarbeit mit Baumüller und der TU Dresden ist eine kompakte, transportable Maschine zur Herstellung von Metallfasergarn entstanden. Das Komplettsystem besteht aus einer Steuerung mit Touchpanel, Antrieben, Reglern und einer anwendungsoptimierten Software-Lösung. Diese ermöglicht durch eine leicht bedienbare Benutzeroberfläche sowie einem Rezept-Handling mit einer einfachen Parametereingabe eine flexible und effiziente Produktion.

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