Produktkennzeichnung Automatische autarke Etikettieranlage für Bremsventile

Autor / Redakteur: Jens Müller / Dipl.-Betriebswirt (FH) Bernd Maienschein

Bei Kraftfahrzeug-Bremsventilen gelten klare Anforderungen bezüglich ihrer Zuverlässigkeit und Produktkennzeichnung. Zur typ- und serienspezifischen Kennzeichnung wurde eine Automatisierungslösung mit gedruckten Etiketten entwickelt, die als Typenschilder fungieren.

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Bremsventile für Kraftfahrzeuge sind sicherheitsrelevante Komponenten ihrer Bremssysteme. Obwohl sie in Großserien gefertigt werden, gelten stringente Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit und Produktkennzeichnung. Im vorliegenden Fall war äußerste Prozess-Sicherheit gefordert: Drucken und Applizieren der als Typenschilder fungierenden Etiketten sollten als autarker Prozess auf einer bestehenden Fertigungslinie implementiert werden.

Etikettierautomat in bestehende Fertigungs- und Prüflinie eingegliedert

Die automatische Etikettierung anstelle der bisherigen manuellen Applikation gestaltete sich schwierig, weil der Zugriff räumlich beschränkt ist und das Werkstück eine gewölbte Oberfläche aufweist. Dazu entwickelte Brady eine spezifische Kundenlösung.

Zur typ- und serienspezifischen Kennzeichnung von Bremsventilen — mit durchgehender Seriennummervergabe — wurde von Knorr Bremse AG, dem Weltmarktführer für Bremssysteme in Schienen- und Nutzfahrzeugen, eine Lösung für ein komplexes Teilproblem verlangt: Automatisierung der Kennzeichnung von Bremsventilen mit gedruckten Etiketten, die als Typenschilder fungieren. Der Auftrag für diese Sonderentwicklung ging an die Firma Brady Europe, die sich im industriellen Bereich mit maßgeschneiderten Sonderlösungen für die Produktkennzeichnung profiliert hat.

Der Etikettierautomat für Knorr Bremse sollte in eine bestehende Fertigungs- und Prüflinie eingegliedert werden, die in ihrer Grundstruktur nicht verändert werden sollte (Bild 1). Bisher wurden die Etiketten am Ende der Fertigungslinie von Hand aufgebracht. Dies sollte zur erhöhten Prozess- und Produktsicherheit auf eine automatische Lösung umgestellt werden (Bild 2), die autark neben der übergeordneten Steuerung (Siemens-SPS) arbeitet.

Die Aufgabenstellung, sagt Prozessentwickler Michael Krug von Brady, lautete somit, die händische Etikettierung durch eine automatische Lösung zu ersetzen. Dies ist kein Standard-Prozessschritt, sondern ein mechanisch komplexer Vorgang – unter anderem wegen des beschränkten Zugangs zum Werkstück, das per Förderband die Prüf- und Fertigungsstationen durchläuft und zur Bearbeitung jeweils aus dem Werkstückträger herausgehoben wird.

Druck- und Etikettiervorgang nimmt keinen Rückgriff auf die übergeordnete Steuerung

Bei der Einrichtung der Fertigung vor etwa zwölf Jahren, so Krug, war die Etikettierungstechnik nicht so weit ausgereift, dass eine automatische Lösung sinnvoll und ökonomisch gewesen wäre. Der Prozess ist anspruchsvoll, weil die Oberfläche des Bremsventils gewölbt ist mit weiteren, halbkreisförmigen Ausformungen. Beim Kleben auf gewölbten Oberflächen muss das Etikett entweder flach aufgebracht und in einer oder mehreren Richtungen angebürstet werden – was auf einen manuellen Prozess hinausläuft. Alternativ wird das Etikett mit einem passend gekrümmten Vakuumwerkzeug oder Stempel vollflächig angedrückt. Dabei müssen sich beide Wölbungen geometrisch exakt entsprechen.

Eine weitere Komplikation war die autarke Eingliederung der Druck- und Etikettierstation in die nicht veränderbare Fertigungslinie. Die Linie sollte weiterhin von der etablierten globalen Steuerlösung mit Siemens-SPS betrieben werden. Der Druck- und Etikettiervorgang muss also ohne Rückgriff auf die übergeordnete Steuerung ablaufen. Auch dies wegen der geforderten Prozesssicherheit. Diese komplexen Anforderungen, die zum Teil erst während der Entwicklung der Etikettierstation und des Probebetriebs definiert wurden, führten zu der von Brady vorgeschlagenen und mit weiteren Zulieferern erstellten autarken Lösung.

Der aktuelle Lösungsansatz basiert darauf, dass die Ablaufsignalisierung aller Sondermaschinen in der Fertigungslinie – im Unterschied zu den standardisierten Schnittstellen der Elektronikfertigung mit dezentralen Handshake-Signalen von Station zu Station – hier zentral von der Siemens-SPS übernommen wird. In diesen Ablauf sollte nicht eingegriffen werden. Lediglich das Hinzufügen der automatischen Etikettierstation war vom Kunden zugelassen.

„Schlechte“ Bremsventile erhalten kein Etikett

Auf der bestehenden Linie werden mehr als 20 unterschiedliche Typen von Bremsventilen gefertigt, für unterschiedliche Fahrzeuge und Abnehmer. Die Losgrößen erfordern (bei drei Schichten) zwei bis drei Wechsel in der Etikettierung pro Tag. Die Wechsel werden von der übergeordneten Steuerung – wegen der Bedingung der Prozesssicherheit — nicht an den Etikettierautomaten gemeldet.

Die bei Brady erarbeitete Bereitstellung der notwendigen Werkstück-Information bezieht die Kennung des jeweils zur Etikettierung anstehenden Werkstücks von einem in der Linie vorausgehenden Prüfautomaten. Auch das Gut-schlecht-Kriterium gehört dazu: „Schlechte“ Bremsventile sollen kein Etikett erhalten, um sie am Ende der Linie per visueller Kontrolle auszumustern. Diese erst während der Entwicklung von Brady erarbeitete Lösung, sagt Krug, wird somit integraler Teil der Anlage.

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RFID-Speicherchip stellt Werkstück-Information bereit

Zur Bereitstellung der Werkstück-Information wird ein RFID-Speicherchip, der in jeden Werkstückträger integriert ist, genutzt. Dessen Daten werden vom Prüfautomaten vor dem Etikettierer eingeschrieben und an der Etikettierstation ausgewertet. Dazu ist dem von Brady eingesetzten Drucker (CAB Hermes A4R) ein bauseitig gestellter RFID-Chipkartenleser von Pepperl & Fuchs zugeordnet (Bild 3). Das Lesegerät stellt keine besonderen Anforderungen hinsichtlich Miniaturisierung, es kommuniziert über eine serielle Schnittstelle (RS232) mit dem Drucker.

Zum Aufbringen des Etiketts wird der Werkstückträger angehalten und das Bremsventil herausgehoben – während das Band weiterfährt. Dies ist eine relativ einfache, von der übergeordneten Steuerung absolvierte Funktion. Befindet sich ein Bremsventil im Werkstückträger, wird der RFID-Chip gelesen und geprüft, ob wirklich neue Daten vorliegen oder ob aus irgendeinem Grunde bereits gelesene Daten erscheinen. In einem solchen Fall darf kein Etikett gedruckt und appliziert werden, um mehrfache Seriennummern zu vermeiden.

Bei valider Information erledigt der Drucker alles Weitere autonom: Er fordert vom Lesegerät die notwendigen Daten an, wählt anhand einer intern gespeicherten Liste die Produktdaten und druckt sie in das jeweils vorgesehene Etiketten-Layout ein. Anschließend wird von einer angebauten Schwenkvorrichtung das Etikett über dem Bremsventil positioniert und pneumatisch aufgebracht.

Produkt und Etikett müssen zu 100% übereinstimmen

Der Drucker arbeitet mit einem bei Brady entwickelten Programm, dessen Basic-Dialekt spezifische Befehle und Parameter verwendet, die Bradys Drucker-Know-how entstammen. Auch dies trägt der Vorgabe Rechnung, dass Produkt und Etikett zu 100% übereinstimmen — ohne Gefahr von Bedienfehlern. Der Drucker darf auch beim Los- und Typenwechsel der Bremsventile nicht „hängen bleiben“. Dies war, wegen der zahlreichen involvierten Steuerinstanzen und deren Hierarchie, ein intensiver Optimierungsprozess.

Eine wesentliche Leistung der vorliegenden Kundenlösung ist die Schwenkvorrichtung, die den Standard-Applikator des cab-Hermes-4A-Druckers ersetzt. Die in mehreren Freiheitsgraden bewegliche Schwenkvorrichtung mit pneumatisch gesteuerter Applikation stammt von Festo. Sie wurde nach Vorgaben von Brady von der Firma Barth Maschinen- und Anlagenbau gestaltet und zugeliefert.

Die Komplexität der Schwenk- und Applizieranlage besteht in einer präzisen Sequenz von Dreh- und Kippbewegungen mit zusätzlichem Vor- und Rückwärts-Verfahrweg. Diese Bewegungssequenz muss dem Bremsventil mit seiner Wölbung und Anordnung oberhalb des Werkstückträgers sowie der Positionierung des Etiketts und dessen Leserichtung gerecht werden (Bild 4). Das Etikett wird von hinten, entgegen der Vorschubrichtung des Werkstückträgers, aufgebracht, weil alle anderen Zugangsrichtungen versperrt sind.

Das verwendete Etikettenmaterial muss, so lautete die Vorgabe, zu 100% automatisiert verarbeitbar sein. Es dürfen keine Probleme durch Klebstoffbluten oder Stanzfehler auftreten. Es werden weiße, hochglänzende Polyester-Etiketten eingesetzt mit stark haftendem Klebstoff. Konsistenz und Haltbarkeit der verwendeten Tinte entsprechen den Vorgaben des Kunden.

Größe und Format der Etiketten sind mit etwa 18 mm × 30 mm nicht kritisch. Die eingedruckten Daten bestehen aus: Firmenlogo, Typnummer, Erzeugnis-Bestellnummer als Barcode, Bestellnummer mit maximal 13 Stellen, Gerätemerkmal mit maximal sieben Stellen, dreistelligem Prüfzeichen, Kunden-Bestellnummer, Werkskennzahl, Firmen-/Warenzeichen und Herstelldatum.

Trotz dieser Rahmenbedingungen und einigen aus Optimierungsgründen erfolgten Modifikationen konnten die Kosten für die automatische Etikettierung der Bremsventile in einem günstigen, niedrigen fünfstelligen Bereich gehalten werden.

Jens Müller ist Key Account Manager bei der Brady GmbH in 63329 Egelsbach.

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