Simulation Fabriksimulation: Mit dieser Software effizient in 3D simulieren

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Für einen Kunden aus der Möbelindustrie entwickelte Wächter Packautomatik eine ausgeklügelte Verpackungslösung mit 15 Industrierobotern. Um den gesamten Entwicklungsprozess zu verbessern und zu beschleunigen, entschied sich der Anlagenbauer, bei der Planung und Fabriksimulation die Simulationssoftware von Visual Components einzusetzen.

Möbel waren früher überwiegend teure, handwerklich hergestellte Einzelstücke, die teilweise über Generationen genutzt wurden. Heute werden die meisten Möbel in Massen- und Serienproduktion aus MDF- oder Spanplatten hergestellt. Oft auch als Baukasten, die von den Kunden selbst zusammengebaut werden.

Bei dieser Art der modernen Möbelproduktion geht es um sehr große Stückzahlen: So müssen Verpackungsanlagen etwa 20 Schränke pro Minute mit allen dazugehörigen Einlegeteilen verpacken – eine Aufgabe für Verpackungsspezialisten wie Wächter Packautomatik. Das Unternehmen aus der Nähe von Paderborn ist ein weltweit agierender Hersteller für Sondermaschinen im Bereich Sekundär-Verpackung.

Hohe Stückzahlen und viele Produktvarianten

Wegen der hohen Zahl an Möbelvarianten dürfen die Verpackungsanlagen nicht auf einzelne Formate beschränkt sein, sondern müssen sämtliche Schrankvarianten von minimaler bis maximaler Größe abdecken. Dabei beschränkt sich die Aufgabe nicht nur auf das reine Verpacken der Schränke; die Anlagen führen auch das Aufrichten und Verschließen der Kartons und das Palettieren der fertigen Pakete durch.

Verpackungslösung mit 15 Industrierobotern

Ein namhafter Möbelhersteller, der seine Produkte zum selbstständigen Zusammenbauen für zuhause anbietet, hat bei Wächter Packautomatik eine Lösung zum Verpacken von Möbeln angefragt. Ein interdisziplinäres Team aus Vertrieb, mechanischer und elektrischer Konstruktion und Automatisierung bei Wächter Packautomatik hat daraufhin eine Verpackungslösung mit Hilfe von Industrierobotern angeboten, da nur Roboter die notwendige Flexibilität und hohe Verfügbarkeit ermöglichen.

So ist ein Konzept aus 15 Robotern, aufgeteilt in 7 einzelne Zellen, entstanden. Ergänzt wird die Verpackungslinie durch zwei Kartonaufrichter am Anfang, welche aus einem flachen Kartonzuschnitt einen Tray falten, und zwei Deckler am Ende der Linie, die den befüllten Karton verschließen. Anschließend erfolgt die Palettierung der fertigen Ware.

Zunächst wurde eine Verpackungszelle mit zwei Robotern als Prototyp aufgebaut, um Prozesse und Funktionen real testen zu können. Nachdem dieser Prototyp alle Tests bestanden und die Erwartungen des Kunden vollständig erfüllt hat, konnte mit den gewonnenen Erkenntnissen die Planung der gesamten Linie begonnen werden.

Fabriksimulation: Digitaler Test ist schneller als physischer Test

Eine Herausforderung war die große Vielfalt der Produkt- und Prozessvariationen. Es wäre sehr mühsam und zeitraubend gewesen, sämtliche Varianten in der realen Roboterzelle zu testen. Also wurde eine Lösung für Fabrikplanung und -simulation gesucht, mit der ein digitaler Zwilling der Verpackungsanlage modelliert und analysiert werden konnte. Ein digitaler Zwilling verhält sich wie eine reale Anlage; so können viel Zeit und Kosten in der Entwicklung, Optimierung und Inbetriebnahme eingespart werden.

Wladimir Krieger, der bei Wächter Packautomatik in der Automatisierungsabteilung tätig ist und sich um die softwaretechnische Inbetriebnahme und Optimierung von Maschinen und Robotern kümmert, hat sich bei Fabriksimulation und -planung für die Lösung Visual Components entschieden.

Mit der Software können Produktionsanlagen mithilfe einer Bibliothek von mitgelieferten, vorgefertigten Fabrikkomponenten entworfen, geplant und simuliert werden. Außerdem können damit digitale Zwillinge erstellt werden – von einzelnen Produktionszellen bis zu kompletten Fabriken. Ein solcher digitaler Zwilling ermöglicht die präzise Planung und Optimierung der Produktion und sogar eine virtuelle Inbetriebnahme.

So kommen die Schränke in die Kartons

Das zu verpackende Material, also die Wände, Türen und Böden der Schränke, ist auf Paletten gestapelt und wird über ein komplexes Fördersystem vollständig automatisiert den Roboterzellen von zwei Seiten her zugeführt. Die Palettenplätze sind links und rechts der zentral verlaufenden Verpackungslinie angeordnet. Die beiden Roboter entnehmen eine definierte Anzahl an Produkten und platzieren sie auf einem Ausrichttisch oberhalb der Kartons, von wo aus sie mit dem anderen Roboter abgenommen und in den aufgerichteten Karton eingesetzt werden.

Mit diesem Aufbau und zwei nebeneinander parallel befüllten Kartons kann die Anlage 20 Boxen pro Minute verpacken, vom kleinen Regal bis hin zum großen Schrank. Dabei kann eine Seite des Verpackungsmoduls für das folgende Format vorbereitet werden, ohne den laufenden Verpackungsprozess auf der gegenüberliegenden Seite zu unterbrechen. Formatwechsel sowie Folierung, Etikettierung und Abtransport der Restteile sind somit ohne Zeitdruck möglich.

„Unsere Verpackungsanlage erreicht eine auf dem Markt bisher nicht dagewesene Flexibilität und Automatisierung. Die Software für Fabriksimulation von Visual Components vereinfachte die Machbarkeitsanalyse und beschleunigte die Modellierungsabläufe. Dank der Modellierung konnten wir zahlreiche Einstellungen direkt am digitalen Modell ausprobieren. Und quasi als Bonus konnten wir die Bediener bereits vor der Fertigstellung der realen Anlage schulen, was die Inbetriebnahme beschleunigt hat“, stellt Krieger fest.

Wegen der Variantenvielfalt und dem hohen Durchsatz mit der entsprechend kurzen Taktzeit musste Wächter Packautomatik ein neuartiges Konzept für die Verpackungsmaschine entwickeln. Visual Components wurde dabei zunächst verwendet, um dem Kunden das neue Konzept zu vermitteln und zu erklären. Später, parallel zu den ersten Prototypen, konnte dank Visual Components mit sehr geringem Aufwand eine zuverlässige Planung von Materialfluss, Roboterbewegungen und Zykluszeiten durchgeführt werden.

Deutlich kürzere Testzeiten durch Fabriksimulation

Für Wächter Packautomatik, aber auch für den Kunden ist der digitale Zwilling ein großer Gewinn, denn die einzelnen Prozesse und ihre Zusammenhänge können digital sehr einfach verdeutlicht und verständlich dargestellt werden. Mit wenigen Mausklicks kann das zu verpackende Produkt und die entsprechende Roboterzelle auf eine andere Variante umgestellt werden. Das spart viel Zeit beim Testen, Optimieren und Vorführen der einzelnen Verpackungsprozesse. Auch Testzeiten können deutlich verkürzt und wertvolle Ressourcen eingespart werden. 

„Anders als bei bisherigen Entwicklungsprojekten mussten die Prozesse nicht länger an der physischen Anlage geklärt werden, sondern selbst die komplexesten Prozesse wurden zuverlässig und schnell digital dargestellt. Auch die Einstellungen für die unterschiedlichen Formate haben wir über Visual Components simuliert“, berichtet Krieger, der auch für die Kundenschulung vor Ort verantwortlich ist. „Ein weiterer Vorteil ist die Schulung des Bedienpersonals am digitalen Modell. Die Maschinenbediener kannten frühzeitig die Einstellmöglichkeiten der Anlage und konnten direkt starten. Das war dem Modell in Visual Components zu verdanken.“

Lösung für die zunehmende Komplexität

Wächter Packautomatik wird Visual Components auch weiterhin als wichtiges Tool in den Bereichen der Fabriksimulation sowie Prozessplanung, -validierung und -visualisierung einsetzen. Wegen der wachsenden Anforderungen des Marktes werden Verpackungsanlagen in Zukunft noch komplexer werden. Mit Visual Components wird es deutlich einfacher, diese Komplexität in der Entwicklung abzubilden und im Vertrieb zu präsentieren.

Wolfgang Lynen ist freier Autor im Bereich Robotics und Automation.