Bedruckte Fahrzeugscheibe: Myriaden von Einzelpunkten werden als Punktmuster zu schwarzen Flächen.

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Myriaden präziser Scheibenpunkte Hochperformante Antriebsregelung für Drucksystem

15.09.2020

Hohe Dynamik für schnelle Linearachsen und kurze Taktzeiten, besondere Präzision für die Erstellung anspruchsvoller Druckmuster und für Überdruckungen sowie integrierte funktionale Sicherheit zum Schutz des Bedienpersonals – all diese Anforderungen müssen Servoregler bei Laser-Digitaldruck-Systemen erfüllen; beispielsweise beim Bedrucken von Fahrzeugglas.

Meistens schaut man hindurch, aber manchmal lohnt auch der Blick darauf: gemeint ist die Windschutzscheibe eines Autos. Was man zunächst als dunkle Flächen am Scheibenrand oder rund um die Frontkamera wahrnimmt, sind in Wirklichkeit Myriaden von einzelnen, schwarzen Punkten. Erstellt werden sie im Siebdruckverfahren, bei dem pigmentierte Farbpaste mit Hilfe von Schablonen und Sieben auf das flache Scheibenglas aufgebracht wird.

Im industriellen Umfeld ist dies für große Stückzahlen ein sehr wirtschaftliches Verfahren, das aber kaum technisch und wirtschaftlich effiziente Möglichkeiten einer individualisierenden Bedruckung bietet. Das Gleiche gilt für den Fall, dass nur eine kleine Charge – oder gar Losgröße 1 – bedruckt werden soll. Diese Möglichkeiten hingegen eröffnet der Laserdruck. Mit der neuen Technologie des Laser Transfer Printing – kurz LTP – ist es den Entwicklern und Konstrukteuren bei LPKF SolarQuipment gelungen, die Vorteile klassischer Siebdruckverfahren mit der Präzision und Flexibilität des Laser-Digitaldrucks zu vereinen.

Dadurch können mit dem LTP-Drucksystem Callisto auch hochgefüllte Druckfarben in einer bisher nicht gekannten Genauigkeit im Mikrometerbereich auf flache Substrate wie beispielsweise Fahrzeugglas übertragen werden – auch im Mehrfachdruck für große Schichtdicken in Kombination mit feinen Strukturen.

„Auf diese Weise können funktionale Schichtsysteme wie Antennen, Heizleiter oder auch elektrische Schaltungen aufgebaut werden“, erklärt Sebastian Kühn, Leiter Elektronik­entwicklung bei LPKF. „Darüber hinaus ist es mit Callisto möglich, individualisierende Kennzeichnungen für die Serialisierung und Rückverfolgbarkeit von Produkten ebenso effizient umzusetzen wie das Bedrucken kleiner Chargen oder einzelner Produkte.“

Antriebsregelung für 70 kg schweren Druckkopf

Die Lasersysteme von LPKF Laser & Electronics in Garbsen bei Hannover sind für die Herstellung von Leiterplatten, Mikrochips, Automobilteilen, Solarmodulen und vielen anderen Komponenten von entscheidender Bedeutung. Die Tochtergesellschaft LPKF Solar­Quipment Laser Transfer Printing in Suhl entwickelt Lasersysteme für das digitale Verdrucken hochgefüllter Druckfarben sowie die Strukturierung von Dünnschicht-Solarmodulen.

Mit den Erfahrungen aus der schnellen und hochpräzisen Bearbeitung solcher glasbasierten Module hat das Unternehmen das erste LTP-System Callisto für das Bedrucken von Fahrzeugglas entwickelt. Die Maschinenbasis ist je nach Glasgröße skalierbar, baut aber immer auf dem gleichen Konstruktionsprinzip auf.

Wesentliches Element ist jeweils ein anwendungsspezifisch auslegbarer Laser-Druckkopf mit integriertem Farbwerk und scannerbasierter Laserstrahlführung. Die gesamte Einheit kann eine Masse von bis zu 70 kg erreichen und wird beim Druckvorgang durch ein Antriebssystem in Gantry-Bauweise über das Substrat verfahren – und dies über einen Verfahrweg von drei Metern sowie mit hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten von bis zu 250 mm/s, um kürzest mögliche Taktzeiten zu erreichen.

Bei der Bewegung des Druckkopfes über den Druckweg treten dynamische Lastverlagerungen auf. Diese mussten ergänzend zur Synchronisierung der Gantry-Antriebe ebenfalls berücksichtigt werden, um das gesamte Gantry-Portal höchst präzise verfahren zu können. „Zudem hat höchste Präzision beim Positionieren von Gantry und Druckkopf auch deshalb absolute Priorität, damit beispielsweise filigrane Muster wie miniaturisierte Barcodes und 2D-Codes gedruckt oder im Überdruckverfahren bis zu 100 µm feine Linien hergestellt werden können“, erläutert Sebastian Kühn. Bei allen sich hieraus ableitenden Anforderungen an die regelungstechnische Performance galt es auch, den Aspekt der Personensicherheit bei Arbeiten am Drucksystem zu berücksichtigen, um beispielsweise Einricht- oder Wartungsarbeiten gefahrlos durchführen zu können.

Hochperformante Antriebsregelung

Performance, Personensicherheit und Partnerschaft waren die drei wesentlichen Faktoren für die erfolgreiche Umsetzung der regelungs- und sicherheitstechnischen Aufgabenstellung bei LPKF. Die Servoregler der Baureihe ServoOne von Keba zeichnen sich durch schnelle Zykluszeiten aus, die zugleich eine sehr dynamische und präzise Antriebsregelung ermöglichen. So bietet ServoOne auch als Mehrachssystem für jede Achse ein eigenes Antriebs-ASIC mit integrierten 32 bit-Mikrocontroller. Hohe Abtastfrequenzen bis 16 kHz ermöglichen eine optimale Motorsteuerung.

Die motor- und abtriebsseitige Wegmessung mit Encodern schließt Fehler in der mechanischen Strecke aus. Funktionen zur Kompensation von Geberfehlern, Phasenverzögerungen oder Reib- und Rastmomenten gewährleisten eine hohe Messgenauigkeit und Regelungsgüte. Gleichzeitig führt die prädiktive Vorsteuerung zu einer Reduzierung von Schleppfehlern und Vibrationseinflüssen sowie zu einer präzisen Bahntreue.

Für die Anwendung in den Laser-Digitaldruck-Systemen Callisto von LPKF bedeuten diese Eigenschaften, dass die Positionen, die jeweils aktuelle Last, die Lastabweichungen zu den Referenzgebern und die erforderlichen Leistungskorrekturen in kürzesten Taktzyklen erfasst, berechnet und regelungstechnisch umgesetzt werden können. Dies gewährleistet zugleich eine hohe Präzision und Prozessdynamik beim digitalen Laserbedrucken von Substraten wie Fahrzeugscheiben, Architekturglas, elektronischen Schaltungen oder Displays.

Vollwertige Sicherheitssteuerung integriert

Zur Umsetzung sicherheitstechnischer Anforderungen für den Einricht- und den Wartungsbetrieb benötigte LPKF kein separates, Safety-zertifiziertes Automatisierungssystem. Der Servoregler ServoOne FS (Functional Safety) besitzt bereits eine vollwertige integrierte Sicherheitssteuerung, die mit Hilfe zertifizierter Funktionsbausteine und Safety-Sonderfunktionen die Umsetzung sicherer Antriebs- und Automatisierungslösungen bis SIL3 und PL e direkt im Regler ermöglicht. Die Fast-Channel-Abschaltung stellt dabei selbst im Mehrachsbetrieb Reaktionszeiten von weniger als sechs Millisekunden sicher.

„Die integrierte Lösung hat für uns einige Vorteile“, fasst Sebastian Kühn zusammen: „Viele wesentliche Zustandsinformationen kommen direkt von den Motoren und Achsen und können mit ServoOne FS schneller und direkter ausgewertet werden als in einer separaten Sicherheitssteuerung. Zudem können Safe-Stopp-, Safe-Motion- und Safe-Position-Funktionen direkt im Regler eingerichtet werden, ohne sonstige Anpassungen oder Protokollumsetzungen. Und schließlich bietet die integrierte Lösung natürlich auch Platzvorteile im Schaltschrank.“

Antriebstechnische Expertise

Mit der Callisto hat LPKF eine zukunftsweisende Lösung zur Digitalisierung beim Bedrucken unterschiedlichster Substrate und Formate entwickelt. Ob es um die Regelungs- oder die Sicherheitstechnik ging – möglich wurde die ingenieurtechnische Pionierleistung durch die enge Partnerschaft von LPKF und Keba Industrial Automation Germany über das gesamte Projekt hinweg.

„Wir hatten mit Keba Germany ein Unternehmen mit hoher Expertise an Bord, das sich in unser Maschinenkonzept hineingedacht hat und eigene Erfahrungen und Vorschläge in die Neuentwicklung eingebracht hat“, stellt Sebastian Kühn fest. „Dadurch konnten wir die verschiedenen Herausforderungen rund um die Antriebstechnik in der Maschine technisch optimal, wirtschaftlich effizient sowie maschinen- und zukunfts­sicher lösen.“

LPKF setzt mit ServoOne auf das Ein- und Mehrachs-Reglersystem, das durch seine Systemstruktur, Modularität und Flexibilität eine effiziente und schnelle Realisierung von Projekten und Sonderlösungen erlaubt. Kurze Beschleunigungszeiten, hohe Geschwindigkeiten, präzises Positionieren und Softwarefunktionen für das Motion Control sind für viele Maschinen und Applikationen die entscheidenden Merkmale für eine leistungsfähige High-Performance-Motorregelung. Die integrierte funktionale Sicherheit in ServoOne FS gewährleistet zuverlässigen Personenschutz direkt im Antriebsregler und sorgt – zusammen mit der kompakten Baugröße der Module – für eine schlanke und zugleich smarte Automatisierung.

Bildergalerie

  • Der Druckkopf des Callisto-Drucksystems mit Farbwerk und Laserstrahlführung muss beim Drucken der Punktmuster extrem präzise und dicht über das Substrat geführt werden.

    Bild: LPKF Laser & Electronics

  • Die Sicherheitsfunktionen von ServoOne FS gewährleisten höchste Personensicherheit bei Einricht- oder Wartungsarbeiten am Drucksystem.

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  • Die Laserenergie löst einen Tintentropfen vom Farbband ab und überträgt ihn auf das Substrat.

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