La necesidad de responder con mayor rapidez a lanzamientos regionales, productos de temporada y tiradas promocionales ha llevado a replantear algunos procesos tradicionales de impresión y etiquetado. En este contexto, Norwalt Automation Group desarrolló Tesseract, una máquina de impresión directa sobre objetos que utiliza el sistema de transporte XPlanar de Beckhoff para trabajar con diferentes geometrías y realizar cambios de formato mediante software.
Durante cinco décadas, Norwalt Automation Group ha desarrollado maquinaria de automatización a medida para sectores como impresión digital, embalaje, farmacéutico y alimentos y bebidas. La empresa familiar, con instalaciones en Randolph, Nueva Jersey, y Tampa, Florida, se especializa en resolver necesidades de automatización para grandes fabricantes de bienes de consumo envasados (CPG).
Para este tipo de fabricantes, la capacidad de adaptar rápidamente una producción a diferentes mercados o temporadas es cada vez más relevante. Los sistemas tradicionales de impresión con etiquetas de papel o plástico, sin embargo, pueden implicar tiempos de preparación, intervención manual y desperdicio de material, especialmente cuando se requieren tiradas pequeñas o cambios frecuentes.
De las etiquetas a la impresión directa
Norwalt identificó la necesidad de desarrollar una alternativa que permitiera reducir tiempos y residuos y, al mismo tiempo, ofrecer mayor flexibilidad. La propuesta fue trasladar la impresión directamente al objeto.
Además de eliminar la necesidad de almacenar grandes rollos de etiquetas, este enfoque permite reducir el espacio destinado a inventario y facilita la producción de artículos personalizados o de tiradas más pequeñas. La tinta sustituye en este caso a los rollos de etiquetas y puede almacenarse sin requerir las mismas condiciones de espacio que estos materiales.
El reto estaba en desarrollar una máquina capaz de trabajar con una variedad amplia de geometrías. Muchos sistemas de impresión directa están diseñados para una forma específica y presentan limitaciones cuando deben procesar objetos cónicos, irregulares o complejos.
Norwalt buscaba una plataforma que permitiera realizar cambios rápidos mediante software y ampliar la capacidad de producción agregando módulos en el lugar de trabajo.
Seis grados de libertad
El resultado fue Tesseract, una máquina modular basada en el sistema de transporte XPlanar y en la tecnología de control basada en PC de Beckhoff.
El concepto surgió después de que los ingenieros de Norwalt observaran una demostración de XPlanar. A partir de sus capacidades de movimiento, plantearon utilizar los movers magnéticos para posicionar las piezas de impresión con seis grados de libertad, de manera que un único cabezal pudiera trabajar con diferentes geometrías.
La idea se validó inicialmente con una pequeña matriz de tres por tres losetas XPlanar y un solo cabezal de impresión. Posteriormente, el sistema se amplió incorporando módulos y cabezales adicionales según las necesidades de producción. Este diseño modular permite incrementar la capacidad sin realizar modificaciones importantes en la instalación.
Los movers de XPlanar y el software TwinCAT, ejecutado en una PC embebida CX2062, permiten controlar el movimiento de las piezas mediante software. Los elementos pueden girar 360 grados, desplazarse en los ejes X e Y y ajustar su altura en el eje Z hasta 5 milímetros.
Estas posibilidades permiten adaptar el movimiento a geometrías complejas y mantener una impresión uniforme. El sistema alcanza una precisión inferior al milímetro y los contenedores son cargados y descargados de los movers mediante un brazo robótico.
Los perfiles de movimiento también se gestionan mediante software. De esta manera, modificar una trayectoria circular por una lineal o cambiar los puntos de parada puede realizarse desde la interfaz hombre-máquina, sin requerir una modificación mecánica del equipo.
Para el control de movimiento adicional, Norwalt utiliza terminales para servomotores ELM7212 y servomotores AM8100 conectados mediante EtherCAT. La red permite sincronizar los distintos componentes y mantener una comunicación de baja latencia en el sistema.
Las capacidades de diagnóstico de EtherCAT también facilitan la identificación de dispositivos y problemas de cableado durante la puesta en marcha. La seguridad de la máquina se integra mediante terminales TwinSAFE y Safety over EtherCAT (FSoE).
Un entorno de control unificado
TwinCAT funciona como entorno de desarrollo para XPlanar, el PLC, el control de movimiento, la HMI, la seguridad de la máquina y las tareas de PC de nivel superior. Norwalt aprovechó las capacidades de texto estructurado y programación orientada a objetos para desarrollar bloques de funciones y perfiles de movimiento reutilizables.
Este enfoque también permitió incorporar prácticas de control de versiones, como ramificaciones, confirmaciones y fusiones, que facilitan el desarrollo y las auditorías. De acuerdo con la experiencia de la empresa, tareas de programación que anteriormente podían requerir horas de trabajo manual ahora pueden realizarse en minutos mediante flujos de software estandarizados.
El desarrollo contó además con el apoyo del Equipo de Proyectos Especiales y del servicio de soporte técnico de Beckhoff USA, particularmente durante las primeras etapas de integración de la tecnología.
Flexibilidad en producción
Uno de los principales resultados del proyecto ha sido la flexibilidad operativa. La impresión directa elimina la necesidad de utilizar grandes rollos de etiquetas, reduce los residuos asociados y disminuye los requerimientos de almacenamiento. También abre la posibilidad de producir artículos personalizados bajo demanda.
La incorporación de XPlanar redujo además la complejidad mecánica del equipo al sustituir diversos componentes y cajas de engranajes tradicionales. Norwalt estima que esta reducción puede representar entre 30% y 40% menos costo mecánico en la máquina.
El menor número de componentes mecánicos también contribuye a simplificar el mantenimiento. De acuerdo con la empresa, aproximadamente 95% de las incidencias pueden resolverse de manera remota al no requerir correcciones mecánicas.
En cuanto al proceso de impresión, el control preciso del movimiento y la sincronización mediante EtherCAT permiten realizar múltiples pasadas de color manteniendo el registro necesario para obtener resultados consistentes.
Con Tesseract, Norwalt plantea una aproximación a la automatización de la impresión que busca combinar flexibilidad, modularidad y control de software, especialmente para aplicaciones de bienes de consumo y farmacéuticas que requieren adaptarse a diferentes productos y volúmenes de producción.
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