Chromleisten sind heute auf Kunststoff geprägt


Heissprägemaschine

Software-Bausteine erleichtern die Programmierung der Heissprägemaschine

Innerhalb von fünf Monaten entwickelten und bauten die Mitarbeitenden der Firma Madag Printing Systems AG eine neue Heissprägemaschine für Kunststoffteile aus der Automobilindustrie. Sie griffen auf die Erfahrungen mit Baugruppen von Maschinen für die Kosmetikbranche zurück, um die Komponenten des Fahrzeuginterieurs mit Prägefolien zu veredeln.

Chromleisten und Rahmen verleihen einem Autointerieur ein edles Aussehen. Aussenteile glänzen dezent, ebenso die Lüftungslamellen in der Fahrgastzelle. Echte Chromleisten werden aber immer häufiger durch alternative Veredelungsverfahren ersetzt wie das Heissprägen mit Folien: Eine dünne Metallschicht wird auf die Kunststoffteile gepresst, um den hochwertigen Touch zu erhalten.

Die Metallschicht aufzubringen ist nicht trivial. In der Regel wurde die Metallisierung bisher auf den Kunststoff aufgedampft: In einer Vakuumkammer schlägt sich der eingebrachte Metalldampf auf dem Bauteil nieder. Bereiche, wo kein Metall sichtbar sein soll, müssen mit einer Maske abgedeckt werden. Das Verfahren ist insgesamt recht aufwändig und teuer. Des Weiteren müssen die Firmen auch strenge Auflagen hinsichtlich des Umweltschutzes erfüllen.

Bisher in der Kosmetik

In der Kosmetikindustrie, wo die Tuben, Verschlüsse, Flaschen oder auch Cremedosen ebenfalls mit einem metallischen Look veredelt werden, setzte sich das Prägeverfahren mit Folien durch: Ein heisser Stempel drückt die Metallschicht von einer Folie auf den Kunststoff. Die Firma Madag in Fahrweid bei Dietikon/Zürich entwickelt entsprechende Heissprägemaschinen. Im Frühling 2015 präsentierte Xaver Stöckli, Geschäftsleiter der Madag, das neue Konzept einer modularen Hubprägemaschine einem Kunden aus der Automobilindustrie. „Bestehende Heissprägemaschinen für grosse Teile wurden bisher fast ausschliesslich pneumatisch oder hydraulisch ausgeführt. Wir setzten nun auf Servomotoren und verzichten ganz auf die Pneumatik“, sagt Stöckli.

Die Ingenieure begannen die Entwicklung auf der grünen Wiese. Sie besprachen mit dem Kunden, was er genau braucht. Trotzdem musste die Maschine innerhalb von fünf Monaten entwickelt und gebaut werden – nur so konnte die Kundenanforderungen erfüllt werden. „Vor Jahren hätte eine solche Entwicklung viel länger gedauert“, sagt er. “Heute verwenden wir sowohl für die Steuerung als auch für die Mechanik ein bewährtes Grundkonzept, weshalb wir nun viel schneller agieren können und die ‚time to market‘ entscheidend verkürzt werden kann.“ Anstelle verschiedener Steuerungen installiert Madag konsequent die Motion Control Steuerung Simotion D und Sinamics-Antriebe. Als Motoren werden nur Servomotoren eingesetzt, auch um die Instandhaltung und Wartung zu vereinfachen. Schrittmotoren wären auf den ersten Blick für einzelne Funktionen günstiger. Stöckli widerspricht aber: „Längerfristig, wenn man auch den Support und die Fernwartung beachtet, ist ein integriertes System immer günstiger.“

Erste Maschine ausgeliefert

Zum gewünschten Datum war die Heissprägemaschine termingerecht fertiggestellt. Die Kunststoffteile werden von Hand in die Teileaufnahmen auf einem Drehtisch eingelegt. Auf dem Weg zum Prägestempel wird zuerst mit einem Zeilensensor kontrolliert, ob das Werkstück korrekt in der Aufnahme liegt. Dann entfernt ein Strahl ionisierter Luft allfälligen Staub von der Oberfläche – nun ist das Kunststoffteil bereit für das Heissprägen: Ein aufgeheizter Prägestempel aus Silikon überträgt die Metallschicht der Folie auf die Teileoberfläche. Mit bis zu vier Tonnen Druck, die mit einer Spindel über einen Servomotor erzeugt werden, wird die Metallschicht auf den Kunststoff gedrückt und die Trägerfolie daraufhin abgezogen.
Für das Finish braucht es einen weiteren Schritt: Die zurzeit verwendete Spezialfolie hinterlässt am Rand der Metallisierung feine Fuseln. Diese müssen entfernt werden. Dazu wird ein Klebeband auf das Werkstück gedrückt und die Fuseln sauber abgezogen. Xaver Stöckli: „Natürlich arbeiten die Folienhersteller an neuen Produkten um die Fuselbildung zu minimieren und im besten Fall zu eliminieren. Aber vorerst muss dieser Reinigungsschritt noch durchgeführt werden.

Bestehende Softwarebausteine

Die Software für die Steuerung programmierte Guillermo Modena, Entwickler bei Madag, innerhalb von zwei Wochen: „Da wir immer dieselbe Hardware einsetzen, konnte ich bestehende Softwaremodule von anderen Maschinen nutzen wie auch die Softwarebausteine von Siemens, beispielsweise die Temperaturregelung für den Prägestempel oder die Torque-Regelung für das Prägen.“ Damit kann die Kraft auf den Stempel exakt limitiert werden – der Antrieb regelt die Werte über den Servomotor. „Üblich wird der Stempel pneumatisch oder hydraulisch heruntergedrückt – einfach von Anschlag bis Anschlag“, so Modena. Durch den Einsatz von Servomotoren wird der Stempel nicht nur präziser geführt, er wird im laufenden Betrieb auch lediglich knapp über die Folie zurückgezogen und fährt nur für längere Pausen ganz zurück in die Parkposition. Letzteres ist nötig, um die Folie durch die Wärme nicht zu beschädigen.

Ein weiterer Softwarebaustein, den Guillermo Modena nutzte, ist der „Simotion Winder“ für das Handling der Folie. Dieser berechnet automatisch die Durchmesser der Rollen, um den exakten Vorschub und den richtigen Zug einzustellen. Hinzu kommt, dass die Folie während dem Prägen entspannt auf dem Werkstück liegen muss und erst nachher wieder angezogen wird. „All diese Funktionen waren bereits im Softwarebaustein enthalten, was die Implementation wesentlich erleichterte“, so Modena.

Folie sparen

Die Folie ist das kostentreibende Element beim Heissprägeprozess. Sie kann bis zu 70 % der Kosten ausmachen. Entsprechend sollte die Fläche der Folie bestmöglich ausgenutzt werden. Nun ist es aber so, dass die zu prägenden Stellen auf dem Werkstück weit auseinanderliegen können. Grosse Bereiche der Folie würden nun ungenutzt wieder aufgerollt und entsorgt. In den Maschinen von Madag können deshalb zwei Folienbänder eingespannt werden sowie der Prägekopf in die optimale Lage geschwenkt werden. Liegen zwei Bereiche weit auseinander, decken die zwei Folienbänder je einen Bereich ab, was einen effizienten und kostensparenden Einsatz der Folie möglich macht.

Motion-Plattform

Die Servo-Achsen werden von einer Simotion D gesteuert. Sämtliche Motion-Funktionen sowie die ganze Applikationssoftware werden von dieser Steuerung bearbeitet. Über den Antriebsbus Drive-Cliq werden die Sollwerte an die Sinamics S120 Antriebe geleitet. Um das Mengengerüst von 13 Achsen zu meistern, wurde die Simotion D mit zwei Controller Extensions CX32-2 erweitert. Das Active Line Module versorgt den Antriebsverbund mit Spannung und speist je nach Betriebsmodus die überschüssige Energie zurück ins Netz.
Die Zykluszeit des Controllers ist bei dieser Heissprägemaschine nicht kritisch – die Bauteile werden von Hand eingelegt. Es wäre aber möglich, den Arbeitsplatz mit einem Roboter zu beschicken, womit die Stückzahl auf rund 30 Teile pro Minute hochgefahren werden könnte. Der limitierende Faktor ist die Folie, die nach dem Prägen zuerst abkühlen muss, bevor sie abgezogen werden kann.

Präzise Mechanik

Die mechanischen Bauteile der Maschine lässt Madag bei externen Zulieferern fertigen. Hier ist Präzision gefragt, denn der Drehtisch muss die Position auf den Hundertstelmillimeter treffen, damit der Stempel die Folie immer genau am richtigen Ort auf das Werkstück drückt – und das bei Kräften von bis zu vier Tonnen Druck. Die mechanischen Aufnahmen für das Werkstück und der Stempel sind so gestaltet, dass die Maschine einfach und in sehr kurzer Zeit für andere Bauteile umgerüstet werden kann. In der Software sind die entsprechenden Rezepte gespeichert. Bevor die Maschine anläuft, identifiziert sie die Werkzeuge und holt sich das dazugehörige Rezept. Generell erkennt die Software, welche Hardware installiert ist. „Wir entwickeln pro Maschinentyp nur eine Software, die alle Produktvarianten abdeckt. Das vereinfacht die Wartung und die Pflege der Software über die Lebensdauer der Maschinen“, so Modena.
In Fahrweid in den Hallen von Madag wird mittlerweile schon die zweite Maschine montiert. Xaver Stöckli ist zuversichtlich, dass das Unternehmen schon bald mehrere solcher Maschinen verkaufen wird.

Technik in Kürze

Die Sinamics S120 Antriebe mit den Simotics S Servomotoren werden von einem Simotion D445-2 Controller gesteuert, der mit zwei Extensions CX-32-2 erweitert wurde. Bedient wird die Heissprägemaschine über ein 15 Zoll Comfort Panel. Sowohl das Touch Panel als auch die Ein-/Ausgabemodule werden über Profinet angesteuert. Die Sicherheitsfunktionalität wird über die integrierte Safety gelöst. Die Software wurde in der Simotion Scout Plattform programmiert.


Dieser Beitrag wurde freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Siemens Schweiz AG.

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