Was bringt Mechatronik im Maschinenbau?

Mechatronik - Sie bringt neue funktionale Möglichkeiten im Druckmaschinenbau. Aufgrund höherer Komplexität und durch die Veränderungen von Wertschöpfungsketten birgt Mechatronik auf der anderen Seite auch Risiken für Funktionssicherheit und Qualität. Wie sind die Risiken zu beherrschen?

09. August 2005

Bogenoffsetmaschinen sind modular aufgebaute Anlagen, in denen nachgeschaltet verschiedene Produktionsschritte aufeinander aufbauend laufen. In den einzelnen Modulen wird z. B. zur Veredelung eine Lackschicht aufgetragen, die im nächsten Modul getrocknet werden muss. In jeder einzelnen Druckeinheit wird jeweils ein Farbaufzug aufgetragen, der auf einer konkret belichteten Platte hinterlegt ist. Wie aus der Farbtheorie bekannt ist, kann aus den drei Grundfarben Magenta, Cyan und Yellow der gesamte Farbenraum dargestellt werden. Spezialeffekte wie Goldlackierung oder Spoteffekte bedürfen einer jeweils eigenen Druckeinheit, die diese Farbe aufbringen. Danach kann eine Oberflächenveredelung, z. B. Lackieren mit anschließender Trocknung, erfolgen. Am Ende des Prozesses werden die einzelnen Bögen wieder auf dem Stapel sauber ausgelegt. Die einzelnen Module in einer Druckmaschine können je nach verfahrentechnischer Anforderung beliebig kombiniert werden. Der Bau der Bogenoffsetmaschinen erfolgt in drei Linien: Kleinformat 50 x 70; Mittelformat 70 x 100 und Großformat 100 x 180 mm. Die verwendeten Bedruckstoffe variieren bis über 1 mm Papier, Folie, leichte Kartonagen und schwere Kartonagen.

Netzwerk der Druckmaschinen

Ein Netzwerk verbindet die einzelnen Druckmaschinen untereinander sowie mit dem Druckereimanagement und der Vorstufe. Dort werden die einzelnen Farbauszüge entsprechend der Vorgabe der Verlage vorbereitet. Auch die Farbmesstechnik ist ein Teil dieses Netzwerkes. Dieses Netzwerk funktioniert in einem mechatronischen Zusammenhang. Zunächst werden konkrete Einstellungen für die Druckmaschine vorgenommen. Diese haben Auswirkungen auf die einzelne Maschine, die entsprechend den Vorgaben aus der Vorstufe - z. B. Färbungen oder Stückzahl - aus dem Druckereimanagement voreingestellt werden.

Der mechatronische Zusammenhang wirkt, sobald an der Maschine Funktionen verändert werden, da die Logik des Netzwerkes zu berücksichtigen ist. An einer Bogenoffsetmaschine werden diverse Druckerzeugnisse hergestellt. Hierbei handelt es sich um Verpackungen, Geschäftsberichte, Werbebroschüren, Kataloge, Kalender, Landkarten und Bücher. Der qualitative Anspruch an diese Produkte ist sehr hoch. Praktisches Beispiel: Wenn wir im Supermarkt ein entsprechendes Produkt kaufen und die Verpackung ist in ihrem farblichen Eindruck oder in ihrer ausgeführten Qualität nicht gut, schließt man automatisch auf eine schlechte Qualität des Produktes zurück. Auch im Bereich der Kosmetik sind an die Verpackung hohe Ansprüche gestellt. Hier liegen diese besonders in der farblichen Gestaltung.

Forderung an die Funktion

Welche Anforderungen bestehen nun an die Funktion der Bogenoffsetmaschine? Der Kunde erwartet von Bogenoffsetmaschinen viele Funktionen, was eine möglichst hohe Automatisierung voraussetzt. Von Herstellerseite wird eine Vielfalt von Anwendungen und Märkten angestrebt, um einen möglichst breiten Markt zu erhalten. Aufgrund immer größer werdender Automatisierungen und Spezialisierungen werden auch zunehmend für Kunden Einzelwünsche umgesetzt, die entsprechend im Spannungsfeld mit der Produktion von Serienmaschinen liegen. Auch Präzision und Dynamik einer solchen Maschine sind erheblich. Der Bogenlauf geht in die Richtung von 5 Metern pro Sekunde und die entsprechende Präzision der Farbauszüge liegt im Bereich von 10 µ. Eine zunehmend bessere Ausnutzung erfolgt oftmals durch den Betrieb der Bogenoffsetmaschinen im Dreischichtbetrieb und häufig auch an sieben Tagen in der Woche. Dies setzt hohe Verfügbarkeit und beste Qualität der einzelnen Automatisierungsschritte in der Maschine voraus. Der globale Markt macht eine große Anzahl von Sprachen notwendig, auch Chinesisch und Japanisch, die als 16-Bit-Sprachen sehr komplex sind.

Mechatronisch verbunden

Eine Druckmaschine gilt als langlebiges Investitionsgut. Deshalb fordern Kunden häufig auch nach vielen Jahren die Möglichkeit von neuen Funktionen und Software-Updates im Sinne ihrer Investitionssicherung.

Im Sinne der Mechatronik sind an hochautomatisierten Druckmaschinen folgende Fakultäten mit maßgeblich beteiligt:

Die Verfahrenstechnik: Hierbei handelt es sich um die Verfahrenstechnik in der Maschine. Sie ist verantwortlich für Färbung, Feuchtung, chemische Zusammenhänge und auch die Führung des Naturmaterials Papier durch die Maschine.

Die Mechanische Konstruktion: Gemeint sind der ›klassische‹ Maschinenbau sowie die Sensorik, Elektronik- und Automatisierungstechnik, die Antriebstechnik und die Software. Mechatronik wird häufig aus den Begriff en Elektronik, Automatisierung und Antriebstechnik und deren Plattformen hergeleitet. Aus Sicht von MAN Roland ist diese Definition zu eng. Die verbindende Grundlage ist die Verfahrenstechnik, sie fehlt in vielen Beschreibungen. Entscheidend ist ferner, dass sich Mechanik, Sensorik, Elektronik und Antriebstechnik am Stand der Technik im High End-Bereich orientieren. Die Software verbindet die Elemente und ist quasi in letzter Instanz für die Funktionalität verantwortlich. Sie nimmt eine Schlüsselstellung ein, da sie Aufgaben aus all diesen Teilgebieten erfüllt.

Projekt ›Direct Drive‹

Ein typisches mechatronisches Projektes ist ›Direct Drive‹. Dort geht es darum, Rüstzeiten zu verkürzen - durch parallelen Platteneinzug der Druckplatten mit den jeweiligen Farbauszügen. Dazu wird ein Direct-Drive-Motor unmittelbar am Plattenzylinder angekoppelt, während diese Funktion aus dem mechanischen Räderzug ausgekoppelt wird. So werden durch Automatisierung die Rüstzeiten verkürzt. Außerdem hat der Anwender mehr Einfluss auf die Druckqualität. Typisch für dieses mechatronische Projekt ist, dass an dieser Stelle ein Teil der Wertschöpfung aus dem mechanischen Prozess an die Antriebstechnik und Software übergegangen ist.

Im Sinne des Verständnisses der Mechatronik von MAN Roland gewinnt die Verfahrenstechnik dadurch neue Möglichkeiten und mehr Know-how. Zudem wird die Mechanik vereinfacht, da der Räderzug entfällt. Gleichzeitig gewinnen Sensorik, Elektronik und Antriebstechnik neue Funktionen. Die Anforderungen der Kunden nach hoher Verfügbarkeit und Genauigkeit, wie z.B. 10 µ auf den Umfang bezogen, einzuhalten setzt voraus, dass permanent am Stand der Technik gearbeitet wird.

Projekt-Know-how gefragt

Um derartige Projekte managen zu können, ist ein Projektleiter von übergreifender Kompetenz unabdingbar. Er muss im Bereich der Verfahrenstechnik, Mechanik, Sensorik, Elektronik, Antriebstechnik und Software entsprechendes Verständnis haben, um die einzelnen Dinge bestmöglich zu managen und die erwartete Genauigkeit und Verfügbarkeit auch erreichen zu können. Die praktische Erfahrung zeigt, dass besonders die Antriebstechnik und die Software wichtigere Rollen spielen.

Fazit aus dem Projekt: Durch die Verschiebung von Wertschöpfungsprozessen, wie z. B. mechanischer Räderzug in elektrische Antriebstechnik, muss auch die Serviceorganisation mehr leisten. Ebenso ergeben sich im Bereich der technischen Entwicklung sowie der Produktion der Maschinen und im Lifecyclemanagement neue Anforderungen an die Ausbildung von geeignetem Personal.

Da mechatronisch organisierte Projekte zunehmen, wird auch die Koordination in der Gesamtorganisation immer anspruchsvoller. Durch veränderte Wertschöpfungsketten, birgt Mechatronik auch neue Risiken in Bezug auf Funktionssicherheit und Qualität. Eine Methode, diese Risiken zu beherrschen, sind z. B. Quality Gates.

Zielkontrolle durch ›Quality Gates‹

Quality Gates führen an geeigneten Stellen wie Entwicklungs- und Produktionsprozessen die Aktivitäten der einzelnen Fakultäten zusammen. Sie prüfen den Stand im Sinne der Gesamterreichung des Zieles. Die Verantwortung für die Quality Gates liegt beim zentralen Qualitätswesen und ist übergreifend im Unternehmen installiert. Dies bewirkt höhere Transparenz, verringert technische und kaufmännische Risiken sowie Aufwände in den Projekten. Es dient auch als ein Frühwarnsystem bei der Abgleichung in den Projekten und sorgt für eine höhere Kundenzufriedenheit durch ein reiferes Produkt. Das jeweilige Quality Gate erfolgt in einer bereichsübergreifenden Besprechung. Aufgrund der erhöhten Komplexität in der Software gibt es einen untergelagerten und einen nebengelagerten Quality-Gates-Prozess für Software. Dieser gleicht dem logischen Zusammenhang des bekannten V-Modells für Softwareentwicklung. Auch hier gelten die gleichen Vorgehensweisen: Produktplanung, Konzept- und Realisierungsphase. Von besonderer Wichtigkeit ist, dass das Thema Test und Testbarkeit bereits in der Konzeptphase mit berücksichtigt wird. Zum Abschluss der Realisierungsphase erfolgen ein entsprechender System- und ein Akzeptanztest der User.

Abläufe und Organisation anpassen

Wie die erfolgreiche Vorgehensweise des Projekts Direct Drive nahelegt, sind künftige Projekte mit mechatronischem Charakter in gleicher Weise zu behandeln. Da man aber nicht beliebig viele Projektteams bilden kann, muss man schrittweise Abläufe und Organisation an diese Anforderungen anpassen. Quality Gates sowie systematische Erstellung von Spezifikationen (z. B. VDMA-Leitfaden Spezifikation) sind erste Schritte. In Bezug auf Zulieferindustrie und Hochschule bedeutet das, dass dort mit den Anforderungen der Hersteller im Maschinenbau Schritt gehalten werden muss. Für die Ausbildung des entsprechenden Personals zu Montage, Aufstellung und Betrieb der Maschinen müssen die einzelnen Hersteller selber sorgen. Bei MAN Roland ist die Ausbildung des Mechatronikers ein erfolgreich praktizierter Ausbildungsgang.

Albrecht Völz, MAN Roland Druckmaschinen AG

DRUCKMASCHINEN

Die MAN Roland Druckmaschinen AG setzt sich aus den Standorten Offenbach und Augsburg zusammen. Am Standort Offenbach werden gemeinsam mit dem Produktionsstandort Mainhausen Bogenoffsetmaschinen hergestellt. Am Standort Augsburg werden gemeinsam mit dem Produktionsstandort Plauen Rollenoffsetmaschinen und Zeitungsmaschinen hergestellt.

Einige Zahlen zur Technik

- 2.500 I/O-Punkte

- 500 Positioniermotore

- 20 Schnittstellen zu Fremdaggregaten der Vor- und Nachverarbeitung

- 120 Bedienmasken

Hierbei hat ein Bedienleitstand mit Vernetzung wie schon ausgeführt ca. 15.000 Dateien und 220.000 effektive Code-Zeilen.

Vernetzung

- 1.000 vernetzte Druckereien - im Markt vor allem für die Internationalisierung des Unternehmens verantwortlich, das heute auf allen Kontinenten vertreten ist.

Erschienen in Ausgabe: 05/2005