Auslegung der Tintenversorgung einer industriellen Ink-Jet- Druckmaschine mittels Simscape Matlab Expo 2018 Dr. Nicklas Norrick,

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1 Auslegung der Tintenversorgung einer industriellen Ink-Jet- Druckmaschine mittels Simscape Matlab Expo 2018 Dr. Nicklas Norrick,

2 Agenda 1. Vorstellung Heidelberger Druckmaschinen AG 2. Grundlegendes zu Ink-Jet-Druckmaschinen 3. Modellierungsansatz 4. Beispielhafte Aufgaben und Ergebnisse 5. Zusammenfassung Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 2

3 Heidelberg. Kennzahlen und Fakten weltweit Mitarbeiter an 250 Standorten in 170 Ländern 85% Exportanteil Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 3

4 Heidelberg. Maschinenübersicht Bogenoffsetdruckmaschinen - Verpackungen - Akzidenzdruck industrieller Digitaldruck - Verpackungen - Etiketten Digitaldruck auf dreidimensionale Objekte - Bälle - Helme - Autoteile - Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 4

5 Agenda 1. Vorstellung Heidelberger Druckmaschinen AG 2. Grundlegendes zu Ink-Jet-Druckmaschinen 3. Modellierungsansatz 4. Beispielhafte Aufgaben und Ergebnisse 5. Zusammenfassung Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 5

6 Ink-Jet-Druckmaschinen Druckbild wird pixelweise aufgebaut Tropfengröße ~ Picoliter Jedes Pixel wird durch eine Druckdüse angesteuert Düsengröße ~ Micrometer Bei 1200 dpi, 1000 mm Bahnbreite und 7 Farben arbeiten Düsen mit einer Jetting-Frequenz von 30 khz im Akkord Bogen oder Bahn wird in der Regel unter dem stehenden Kopf vorbeigeführt Der Prozess stellt hohe Anforderungen an die Versorgung der Druckköpfe mit Tinte bezüglich Temperatur Reinheit (kein Schmutz, keine Luft) Druck Volumenstrom Quelle: Fujifilm Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 6

7 Ink-Jet-Druckmaschinen In der Regel als Kreislauf ausgeführt, vergleichbar mit dem Common-Rail-Prinzip beim Dieselmotor Die Tintenversorgung ist ein mechatronisches System aus Hydraulik, Pumpen, Sensoren und Regelung Auslegung, Vergleich von Varianten, Testen von Regelparametern nur noch mittels Simulation beherrschbar Quelle: Fujifilm Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 7

8 Agenda 1. Vorstellung Heidelberger Druckmaschinen AG 2. Grundlegendes zu Ink-Jet-Druckmaschinen 3. Modellierungsansatz 4. Beispielhafte Aufgaben und Ergebnisse 5. Zusammenfassung Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 8

Modellierungsansatz Klassische Vorgehensweise: Aufstellen der Differentialgleichungen Neue Vorgehensweise: Physikalische Modellierung Aufbau mit

9 Modellierungsansatz Klassische Vorgehensweise: Aufstellen der Differentialgleichungen Neue Vorgehensweise: Physikalische Modellierung Aufbau mit Simulink-Blöcken, eigenen Bibliotheken reines Simulink Simscape Vorteile: Hohes Verständnis der beschreibenden Gleichungen Maximale Flexibilität Nachteile: Zeitaufwand Fehler z.b. durch falsche Einheiten Vorteile: Schneller Einstieg durch vorhandene Blöcke Physikalische, einheitenkorrekte Verbindungen Nachteile: eingeschränkte Flexibilität bei Standardblöcken Fehler durch mangelndes physikalisches Verständnis Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 9

10 Modellierungsansatz in Simscape Trennung der Zeitskalen Dynamisches Verhalten von Drücken Zeitskala ca. 10 ms Bibliotheken: Hydraulic und Mechanical Druckregelung über Simulink-Blöcke mit abgebildet Eigene Blöcke für Spezialkomponenten Numerische Strömungssimulation zur detaillierten Parameterermittlung Temperaturverhalten Zeitskala ca. 1 s Bibliothek: Thermal Liquid Temperatur- und Druckregelung über Simulink-Blöcke mit abgebildet Eigene Blöcke für Spezialkomponenten Numerische Strömungssimulation inklusive thermischem Zeitverhalten zur detaillierten Parameterermittlung Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 10

Syntax Internes Teilen von Blöcken über gemeinsam genutzte

11 Modellierungsansatz Custom Block Library Einbindung zusätzlicher Funktionen mit der Simscape Language Einfache Syntax Internes Teilen von Blöcken über gemeinsam genutzte Library Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 11

12 Modellierungsansatz Detaillierte Simulation von Einzelkomponenten mittels CFD (ANSYS Fluent) Überprüfung von Annahmen, analytischen Rechnungen und Datenblattangaben Feine Auflösung von komplexen Strukturen Modellreduktion Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 12

13 Modellierungsansatz Detaillierte Abbildung der Reglerstruktur Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 13

14 Modellierungsansatz Workflow 1. Modellaufbau in Simulink /Simscape (aktuell teils Handarbeit, teils skriptbasiert) alle Parameter als Variablen Run-Time Parameter (sinnvoll) wählen 2. m-file zur Parametrierung 3. Modellaufruf je nach Untersuchungszweck (z.b. Optimierung) Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 14

15 Agenda 1. Vorstellung Heidelberger Druckmaschinen AG 2. Grundlegendes zu Ink-Jet-Druckmaschinen 3. Modellierungsansatz 4. Beispielhafte Aufgaben und Ergebnisse 5. Zusammenfassung Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 15

16 Schema der Tintenversorgung Aufbau analog zum Common-Rail-Prinzip beim Dieselmotor. Je nach Fragestellung kann der Einfluss verschiedener Komponenten vernachlässigt oder vereinfacht werden. Regelung Kapazitäten Verteiler Pumpen Filter Kopf Tank Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 16

17 Beispielhafte Aufgaben 1. Dimensionierung einzelner Komponenten Pumpen Rohrleitungen und Schläuche hydraulische Kapazitäten 2. Prognose von Systemverhalten und -robustheit, z.b. Verstopfung eines Filters Unterschiedliche Stoffwerte (Tintenchargen) Unterschiedliche Umgebungsbedingungen (Temperatur) 3. Testen neuer Regelstrategien, Optimierung von Regelparametern Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 17

18 Beispielhafte Ergebnisse Anregung: Tintenentnahme durch Druckjob: Vor Optimierung Kapazität Nach Optimierung Kapazität Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 18

19 Beispielhafte Ergebnisse Anregung: Tintenentnahme durch Druckjob: Validierung anhand von Versuchsdaten: Simulation als Ergänzung und Unterstützung der Messung: - Auswahl geeigneter Messstellen - Entwurf von Versuchsplänen - Sensitivitätsanalyse - Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 19

20 Agenda 1. Vorstellung Heidelberger Druckmaschinen AG 2. Grundlegendes zu Ink-Jet-Druckmaschinen 3. Modellierungsansatz 4. Beispielhafte Aufgaben und Ergebnisse 5. Zusammenfassung Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 20

21 Zusammenfassung - Simscape als effektives Werkzeug zur Beschreibung komplexer mechatronischer Systeme - Steile Lernkurve durch physikalische Modellierung - Die frühe Einbindung der Simulation in den Produktentwicklungsprozess spart Zeit und Versuchskosten - Simulation als Ergänzung und Unterstützung von Messungen - Ausblick: automatische Modellerzeugung für Variantenbildung Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 21

22 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Heidelberger Druckmaschinen AG Tintenversorgung Simscape 22

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