Ionisator als Baugruppe der eigenen Maschine: statische Aufladung im Sondermaschinenbau einplanen

Wann der Ionisator ins Maschinenprojekt kommt

Der günstigste Zeitpunkt ist das Konzept. In einem internen Sondermaschinenbau entscheidet die Elektrokonstruktion über die Sensorik einer neuen Handhabung, die Substrate durch einen Ofen führt. Nach dem Ofen bleiben geladene Substrate hängen oder verdrehen sich, und die Frage nach der Entladung liegt deshalb schon vor dem Bau auf dem Tisch. Ähnlich ein Maschinenbauer, der neue Anlagen entwickelt, in denen Klebefolie transportiert wird: In zwei von drei geplanten Maschinen soll die Folie an zwei Stellen entladen werden, Druckluft ist dort nicht erwünscht.

Der zweite Einstieg ist die Konstruktion selbst, wenn sich eine erste Idee nicht unterbringen lässt. Der dritte kommt nach der Auslieferung: Die Maschine produziert beim Endkunden, und erst dort zeigen Material, Raumklima und Takt die Aufladung. Dieser Fall ist der teuerste, weil Bauraum, Versorgung und Verdrahtung schon festliegen. Wer im Lastenheft schon Einbaustelle, Spannung, Druckluft und die gewünschten Signale festhält, erspart sich diese Runde.

Das geladene Objekt bestimmt oft einen eigenen Schwerpunkt. Bahnen, Etiketten und Bögen in Verpackungsmaschinen behandelt der Beitrag zur Verpackung und Rollenverarbeitung, den Schutz elektronischer Baugruppen der Beitrag zum ESD-Schutz. Reinigungsstationen, in denen entladen, abgeblasen und abgesaugt wird, haben einen eigenen Artikel in diesem Themenbereich.

Einbauort und Bauform im Bauraum der Maschine

Bei der Planung einer Anlage für zugeschnittene Sichtscheiben war die erste Idee ein Gebläse, das von oben in die Maschine gehängt wird. Im Lauf der Planung wurde daraus der Wunsch nach einem Stab, der in einen Tunnel über dem rund 800 mm breiten Band integriert werden soll, und zwar ohne Druckluft. Ein Stab im Tunnel wirkt über die ganze Bandbreite und braucht keinen Platz über der Maschine.

In einer anderen Planung sah die halbautomatische Station zunächst sechs Stäbe vor, die vollautomatische Ausbaustufe vier weitere. Während der Konstruktion wurde die Anzahl halbiert, Positionen und Montagewinkel wurden überarbeitet. Das zeigt, was in die Konstruktionsphase gehört: Anzahl, Abstand und Winkel sind Entwurfsgrößen, keine Zubehörfrage.

Große Teile verlangen Reichweite. Ein Glasverarbeiter beschreibt Scheiben von mehreren Metern, die von etwa 1,7 m oberhalb entladen werden sollen; an kleinem Glas war kaum Ladung messbar, höchstens etwa 3 kV. Für solche Abstände nennt der Katalog beim Multi-Sensor Ionisator der Modellreihe SJ-F700 eine Entladungsreichweite bis zu 3 m. Ob die Ansteuerung je Format und Teilgröße passt, ist vor der Auswahl zu prüfen.

Bei knappem Bauraum entscheidet der Mindestabstand. Ein Präziser High-Speed Stabionisator der Modellreihe SJ-Q lässt sich laut Katalog ab 10 mm Abstand montieren, ein Kompaktes Entladungsgebläse der Modellreihe SJ-LF ab 50 mm. Für eine Polycarbonatscheibe an einem Elektroprüftisch sieht ein Sondermaschinenbauer eine Entladungspistole vor; die naheliegende Bauform dafür ist die Druckluft-Ausblaspistole mit Entladungsfunktion der Modellreihe SJ-LG.

Versorgung festlegen: Spannung, Netzteil und Druckluft

Die Versorgung wird in der Maschine festgelegt, nicht beim Ionisator. Laut Katalog arbeitet die Modellreihe SJ-Q mit 24 bis 36 V DC, ein Druckluftfreier Stabionisator der Modellreihe SJ-H laut Anleitung ebenfalls mit 24 bis 36 V DC. Das Kompakte Entladungsgebläse SJ-LF und ein Kompakter Düsen-Ionisator der Modellreihe SJ-LM arbeiten mit 24 V DC oder mit 12 V DC über ein KEYENCE-Netzteil, die Ausblaspistole SJ-LG mit 12 V DC über das KEYENCE-Netzteil. Bei Gebläse und Düsen-Ionisator gilt eine Einschränkung: Werden sie über das Netzteil versorgt, sind Steuereingang und Steuerausgänge laut Katalog nicht nutzbar. Wer die Signale in der Steuerung braucht, plant die Versorgung deshalb aus dem Schaltschrank.

Druckluft ist die zweite Festlegung. Der Stabionisator SJ-Q hat einen Druckluftanschluss, das Entladungsgebläse SJ-LF braucht laut Katalog keine Druckluft. Auf einer neuen Keramiklinie, auf der nach dem Schneiden der Kanten Staub an Teil und Greifer haftet, soll ein Kompressor neben der Maschine die Ionisierung versorgen; vor einem Versuch sind dort Anpassungen an der Maschine nötig. Für das Projekt eines Integrators mit Ionisatoren an der Decke ist ein Konzept mit Stäben und Druckluft festgehalten, rund 300 mm Abstand, ausgehend von etwa 30 kV mit dem Ziel um 10 kV; Verdrahtung und Netzteil gehören zu diesem Paket. Schläge an Personen sind dort der Anlass.

Stoppeingang, Alarmausgänge und Daten: den Ionisator in die Steuerung einbinden

Steht die Maschine, soll die Entladung nicht weiterlaufen. Die Modellreihe SJ-Q hat dafür laut Katalog einen Steuereingang, der die Entladung stoppt, wahlweise über NPN-Open-Collector oder potenzialfreien Kontakt. Beim Entladungsgebläse SJ-LF ist der Stoppeingang zwischen potenzialfreiem Eingang und Spannungseingang umschaltbar.

Für die Wartung zählen die Ausgänge. SJ-Q und SJ-H haben drei Alarmausgänge. Laut Katalog des SJ-Q meldet der Ionenpegel-Alarm nachlassende Leistung durch verschmutzte oder abgenutzte Elektroden, der Status-Alarm Einflüsse der Einbauumgebung und der Alarm einen Kurzschluss oder eine anormale Entladung, bei der die Hochspannung abgeschaltet wird. Über die externen Ausgänge lassen sich mehrere Ionisatoren zentral überwachen. Wo ein Ionisator oben in einer Maschine sitzt, die rund um die Uhr produziert, ist jede Reinigung von Hand ein Stillstand. Der Multi-Sensor Ionisator SJ-F700 reinigt laut Katalog Elektroden und Bürsten automatisch und überwacht sich dabei selbst.

Die Ausgänge des SJ-Q sind NPN-Open-Collector. Viele Steuerungen in Europa erwarten PNP; der Katalog führt dafür eine PNP-Konverterbox als Zubehör. Beim Entladungsgebläse SJ-LF sind die Ausgänge zwischen NPN und PNP umschaltbar. Die Stückliste einer Prüfvorrichtung, die ein Ingenieurdienstleister plant, zeigt, was dabei zusammenkommt: E/A-Kabel, Konverterbox, drehbare Endeinheit und Fernbedienung beim Stab, Netzteil, Montagehalterung und Feedback-Sensor beim Multi-Sensor Ionisator.

Wer mehr als Schaltsignale braucht, findet beim Multi-Sensor Ionisator SJ-F700 laut Katalog eine Ethernet-Verbindung (TCP/IP) zur SPS mit den prozessrelevanten Gerätedaten, einen Alarm für die Lüfterdrehzahl und eine Passwortsperre, die Luftstrom, Ionenbalance und das Ein- und Ausschalten vor Ort gegen Verstellen schützt. Herkömmliche Ionisatoren mit reinem Ein/Aus-Kontakt bieten das nicht. Ein Konzept für eine Pilotanlage zur Corona-Vorbehandlung von Folie geht weiter: Drei Messköpfe über der breiten Bahn sollen etwa 300 mm vor dem Ionisator bis etwa 2 kV erfassen und eine Pilotsteuerung mit Daten versorgen. Wie Messkopf und Ionisator verbunden werden, ist dort noch zu klären. Für solche Messstellen ist der Kopf des Inline-Elektrostatik-Messgeräts der Modellreihe SK laut Katalog klein genug für knappen Platz in einer Anlage und liefert Bewertungsausgänge sowie einen Analogausgang.

Von der ersten Maschine zur Wiederholmaschine

Funktioniert eine Lösung, soll sie in die nächste Maschine wandern, ohne neu konstruiert zu werden. In einer dokumentierten Anfrage braucht ein Automatisierer für denselben Endkunden wieder eine Einheit wie einige Jahre zuvor, das Förderband ist nun 500 mm breit. Bleibt die Aufgabe gleich, muss vor allem die Stablänge zur neuen Bandbreite passen.

Im Prototyp lohnt es sich, entlang der Maschine zu messen. An einer Prototyppresse für Papierkapseln wurden vor der Presse etwa minus 0,5 kV, während des Pressens 2 bis 3 kV und am Vakuumrohr 7 bis 10 kV gemessen. Geplant sind zwei Stäbe je Einheit über mehrere Linien. Dabei sind zwei Fragen offen, die jeder Maschinenbauer kennt: ob sich benachbarte Stäbe gegenseitig beeinflussen und welcher Adapter den Steckverbinder der Maschine aufnimmt. Beides gehört in den Prototyp, nicht in die dritte Linie.

Hersteller von Zuführeinheiten, die in Stückzahlen gebaut werden, fragen nach einem Ionisator für ihre Baureihe, und ein Prüfanlagenbauer überlegt, den Ionisator seinen Kunden künftig als Option anzubieten. Dann gehört die Optionsbeschreibung mit Versorgung und Signalen in die Unterlagen der Baureihe.

Nachrüsten an der ausgelieferten Maschine

Ein Maschinenbauer soll ein Aufladungsproblem bei seinem Endkunden lösen; drei ausgelieferte Anlagen sollen nachgerüstet werden. Das Zuführband lädt sich auf, obwohl es leitfähig und geerdet ist. Erdung leitet Ladung aus leitenden Teilen ab, ein isolierendes Gut auf dem Band behält seine Ladung trotzdem. Für diese Stelle kommt ein Stab über dem Band in Frage, etwa ein Stabionisator der Modellreihe SJ-H.

Beim Nachrüsten darf der Ionisator die Funktion der Maschine nicht stören. In einer optischen Messmaschine eines anderen Herstellers liegen Dichtringe von etwa 10 mm Außendurchmesser auf einer Bahn und dürfen weder verschoben noch weggeblasen werden. Ein Gebläse muss dort so sanft arbeiten, dass die Ringe liegen bleiben; das lässt sich nur an der Maschine selbst prüfen. Mit dem Elektrostatik-Messgerät der Modellreihe SK-H lässt sich vor und nach dem Einbau prüfen, wie schnell die Ladung abgebaut wird.

Wer bestellt und wer montiert, wird je Projekt geklärt: mal der Betreiber, der die Stäbe beschafft und den Maschinenbauer einbauen lässt, mal der Maschinenbauer selbst. Bei einem Hersteller von Trays ist die Ionisierung als Teil einer kompletten Reinigungslinie geplant.

Häufige Fragen

Weiterführende Artikel

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