Marktführer in der Fabrik- und Prozessautomatisierung nutzt Mechatronics Concept Designer in der Entwicklung flexibler Verpackungsmaschinen für die Kosmetikindustrie

Bereitstellung flexibler Transportlösungen

Wenn Kosmetikhersteller Dr. Kurt Wolff seine Alpecin-Flaschen als kleines Extra zum Sommer zu 20 Prozent mehr befüllen will, muss er die Produktionslinie nicht mehr für eine Umrüstung anhalten. Mit dem Multi-Carrier-System (MCS®), das gemeinsam von Festo und Siemens PLM Software entwickelt wurde, geht dies nun auf Knopfdruck. Mit dem Software-Modul Mechatronics Concept Designer™ entwickelt Festo diese flexiblen Transportlösungen nach den Anforderungen der Kunden in nur wenigen Minuten.

Der Mechatronics Concept Designer ist eine von Siemens Digital Industries Software entwickelte und auf dem CAD-System NX™ desselben Herstellers basierende Lösung für die mechanische Konstruktion, die kinematisch-physikalische Simulation und die virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen einschließlich Motoren, Aktoren und Sensoren. Es handelt sich um eine interdisziplinäre Anwendung für Systems Engineering: Mechanik-, Elektrik- und Softwareentwickler sowie Automatisierungsexperten können damit ihre Maschinenkonzepte ausgehend von den Anforderungen in einer gemeinsamen Systemumgebung entwickeln und validieren, und auch schnell alternative Konzepte untersuchen. Ingenieure dieser Disziplinen können mit dem Mechatronics Concept Designer simultan an Projekten arbeiten, was die Entwicklungszeit um bis zu 30 Prozent reduziert.

Mit dem Mechatronics Concept Designer können mechatronische Konzepte ausgehend von 3D-CAD-Modellen schnell entwickelt und validiert werden. Die Software kombiniert 3D-Modellierung mit der Konzeptvalidierung, der Mehrkörper-Simulation und präziser Automatisierung. Statt teure Prototypen zu erstellen, können Maschinen und Systeme über eine reale Steuerungssoftware simuliert und virtuell betrieben werden.

Die Software ermöglicht es Festo, einen digitalen Zwilling der Maschine oder des Systems zu erstellen und virtuell in Betrieb zu nehmen. Dazu wird das Maschinenmodell mit der realen Maschinensteuerung verbunden, um die Funktionsweise der gesamten Anwendung zu testen. Dank dieser Funktionen können die Mechatronikingenieure die Inbetriebnahme der realen Maschinen deutlich beschleunigen.

Mechatronics Concept Designer erweitert die klassischen Konstruktionsfunktionen von NX um eine realistische Simulationsumgebung, in der die physikalischen Kräfte und beweglichen Objekte angezeigt und simuliert werden können. Mechatronics Concept Designer verwendet die Bullet Physik Engine, eine Open-Source-Software für die Simulation physikalischer Eigenschaften von starren und nicht-elastischen Körpern. Bewegungsabläufe werden mit Hilfe einer virtuellen Kurvenscheibe definiert und können in einem Gantt-Diagramm visualisiert und optimiert werden.

„Wir nehmen die Bauteile aus NX und hauchen ihnen Leben ein“, sagt Stefan Blaschke, der als Projektleiter des Multi-Carrier-Systems arbeitet, das Festo und seine Kunden weltweit bei der Implementierung von Transportlösungen unterstützt. Mit dem Mechatronics Concept Designer kann die Bewegung der einzelnen Carrier entlang des gesamten Fertigungsprozesses simuliert werden.

Gemeinschaftsentwicklung von Festo und Siemens

MCS® wurde gemeinschaftlich von Festo und Siemens mit dem Ziel entwickelt, Verpackungsmaschinen für die Kosmetikindustrie mit einem Maximum an Flexibilität auszustatten. Eine wesentliche Kundenanforderung in dieser Branche ist es, unterschiedliche Produkte und Formate auf einer einzigen Produktionslinie zu füllen und zu verpacken. Hersteller erreichen diese Flexibilität mit MCS, indem sie die Behälter auf kleinen, von Linearmotoren angetriebenen Carriern zu den einzelnen Stationen transportieren, wo sie befüllt, etikettiert oder verpackt werden.

Das Transportsystem wird im Fertigungsprozess nur dort eingesetzt, wo Flexibilität und Intelligenz erforderlich sind. Die MCS-Streckenabschnitte in der Produktionslinie sind, einschließlich der Rückführung der Carrier, über ein kostengünstiges, konventionelles Transportsystem verbunden.

Mit Blick auf Industrie 4.0 und die digitale Fabrik ist die flexible Transportlösung auch für andere Branchen und Anwendungen wie z. B. die Planung von Montagelinien interessant. Deshalb haben Festo und Siemens begonnen, das MCS einem breiteren Kundenkreis anzubieten. Damit entstand die Notwendigkeit, die Transportlösung schneller auszulegen, ohne das Rad ständig neu zu erfinden.

„Es gab zwei wesentliche Ansatzpunkte für den Einsatz des Mechatronics Concept Designers“, sagt Blaschke. „Zum einen wollten wir prüfen können, ob wir die Anforderungen der Kunden in punkto Taktzeiten, Durchsatz usw. erfüllen und dies den Kunden auch gleich zeigen. Der Mechatronics Concept Designer ermöglicht das Anzeigen von Bewegungsabläufen individueller Carrier oder Carrier-Gruppen auf leicht verständliche Weise. Zum anderen benötigten wir ein zuverlässiges Simulationstool, um das Multi-Carrier-System unter Berücksichtigung der auftretenden Kräfte physikalisch korrekt auslegen zu können.“

Bibliothek mit kinematischen CAD-Modellen

Mechatronics Concept Designer bietet die Möglichkeit, Bauteile und Baugruppen aus NX oder aus anderen CAD-Systemen einzulesen und mit kinematisch-physikalischen Eigenschaften und Zwangsbedingungen zu versehen. Die Modelle können dann in einer Bibliothek abgelegt und mitsamt den Eigenschaften wiederverwendet werden. So hat Festo beispielsweise alle wesentlichen Bestandteile von MCS im Mechatronics Concept Designer abgebildet, was die Auslegung neuer Anlagen enorm beschleunigt.

MCS® bietet maximale Flexibilität bei der Fertigung, indem die Werkstücke frei und synchron zu den einzelnen Stationen der Produktionslinie transportiert werden. Festo entwickelt die mechatronischen Komponenten des MCS wie Linearmotoren, Carrier, Sensoren, Leitungen und Montagematerial, während Siemens Digital Industries Software die Elektronik und Software für die Steuerung und Inbetriebnahme der Transportlösung liefert. Vermarktet wird das flexible Transportsystem von Festo und Siemens gemeinsam. Es ist frei konfigurierbar, einfach in die vorhandene Intralogistik integrierbar und lässt sich flexibel mit vorhandenen Transportlösungen kombinieren.

„Wenn wir die Kundenanforderungen erfasst haben, können wir innerhalb von wenigen Minuten ein erstes Ergebnis erzeugen, das anschließend natürlich noch optimiert werden muss“, so Blaschke. „Dadurch, dass wir in den NX-Modellen kinematische Eigenschaften hinterlegt haben, verkürzt sich der Zeitaufwand für die Auslegung enorm.“

Die Kundenparameter (Zykluszeiten, Beschleunigung usw.) werden über eine kundenspezifische Anwendungsschnittstelle an ein Mechatronics Concept Designer-Template übergeben. Die Parameter erfassen das notwendige Rahmenkonzept für die Transportlösung hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften. Sie können sich das wie ein generisches kinematisches Modell vorstellen, dessen dynamisches Verhalten durch die Parameter bestimmt wird. Wie die Anlagenkonfiguration konkret aussieht, definieren die Projektingenieure in Abhängigkeit von Kundenapplikation, Layout der Produktionslinie etc.

Videoanimation als Mehrwert für den Kunden

Das Verhalten der kundenspezifischen Transportlösungen wird mit Hilfe der Parameter in 3D simuliert und kann in Form einer Videoanimation aufgezeichnet und dem Kunden gezeigt werden.

„Diese Möglichkeit ist auf dem Markt einzigartig. Sie bietet unseren Kunden bereits in der Angebotsphase die Sicherheit, dass Ihre Anwendung funktionieren wird“, sagt Blaschke.

Der Mechatronics Concept Designer bietet aber nicht nur animierte Bilder – die Simulationsdaten können für jede Millisekunde ausgelesen werden, um beispielsweise die Auslastung der einzelnen Motorensegmente zu prüfen.

„Der Mechatronics Concept Designer ermöglicht enorme Zeiteinsparungen bei der Auslegung von Maschinen und Anlagen“, betont Blaschke.

Allerdings müsse der Anwender erst etwas Zeit investieren, um dieses Einsparpotenzial auszuschöpfen. Einzelne Komponenten lassen sich im MCD zwar relativ schnell aufbereiten, wie Blaschke weiter ausführt, aber die Abbildung einer kompletten Anlage mit allen physikalischen Eigenschaften in der Bibliothek erfordert eine längere Vorbereitungszeit.

Für die Anwender der Simulationsanwendung von Siemens Digital Industries Software soll es künftig noch einfacher werden, Anlagen mit Antriebskomponenten von Festo auszulegen. Das Unternehmen hat vor, seinen Kunden in Zusammenarbeit mit CADENAS 3D-Bauteilkataloge mit kinematisch aufbereiteten Linearmotoren und anderen Komponenten zum Download bereitzustellen. Ein Grund mehr für den Einsatz der Festokomponenten, weil die Käufer vor der Bestellung ausprobieren können, ob sie in ihrer Anwendung die gewünschte Funktion erfüllen.