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Digitales Dekorieren

Prämierter FoodJet-Drucker mit Visionsystem und Matrox Imaging Smartkamera

  • The FoodJet printer deposits materials like icing onto food substrates at up to 30 dpi. The accuracy of the printer with the Matrox Imaging smart camera is better than +/-1mm. Source: De Grood Innovations

  • The printer's vision system uses a Matrox Iris GT smart camera (1). Additional reservoirs contain liquid that can be dispensed within minutes if a switch is needed (2). The HMI provides the operator with information on choice of product, pressure and shutter times of valves (3). Printing heads (4). Source: De Grood Innovations

  • The FoodJet's vision system is based on a Matrox Iris GT smart camera. The application was developed with Matrox Design Assistant, an integrated development environment bundled with the camera. The software allowed De Grood to create a flow chart of the application instead of coding programs or scripts. Source: Matrox Imaging

  • The Dutch-language operator screen reveals fondant supply (aanvoer) and pump activation. The HMI also allows the operator to choose product, pressure and shutter times of valves. Source: De Grood Innovations

  • While the physical placement of the printer heads offer a lot of possible configurations, other variables like nozzles, pressure and dispensing time also increase the printing possibilities. Source: De Grood Innovations

  • Changing the angle between the printer head and the conveyor's direction of movement changes resolution (at the expense of coverage). Source: Matrox Imaging

  • Positioning printer heads behind one another permits multi-color printing (1). Placing heads next to each other allows for greater coverage (2). Source: Matrox Imaging

  • De Grood Innovations FoodJet printer was nominated for a 2009 Food Valley award. It is a prize awarded each year by Food Valley, a Dutch agro-food organization. The FoodJet printer won second prize. Source: Food Valley

De Grood Innovations (Nijmegen, Niederlande) ist ein in Familienbesitz befindliches und privat geführtes Unternehmen, das sich auf die Herstellung von Produkten aus Edelstahl, Eisen, Nichteisenmetallen und Kunststoffen für die Medizin, Industrie und Lebensmittelbranche spezialisiert hat. Der Managing Direktor Pascal de Grood hat vor vier Jahren, kurz nachdem er in das Unternehmen eingetreten ist, eine Party besucht und von einem Gast erfahren, dass dieser auf der Suche nach einem Drucker für das Bedrucken von Schokolade und Gebäck ist.

De Grood hatte zuvor für ein holländisches Forschungsinstitut gearbeitet und Druckköpfe für industrielle Anwendungen entwickelt. Aufgrund seiner bisherigen Erfahrungen im Bereich der Drucktechnik hat er die Entwicklung eines derartigen Druckers für möglich gehalten. Er begann an einem Prototypen zu arbeiten, der speziell geformte, verzehrbare und sehr zähflüssige Verzierungen auf Lebensmittel aus Massenproduktion digital drucken kann. Dieser Drucker für Lebensmittel sollte auch schnell und ohne längere Stillstandszeiten von einer Dekoration bzw. einem Design auf ein anderes umschalten können.

Unternehmergeist

Zunächst arbeitete de Grood ein Jahr lang in seiner Freizeit an der Entwicklung des Druckkopfes. Nach der Fertigstellung eines gut funktionierenden Druckerprototypen verbrachte er zwei Jahre mit der Optimierung des Systems. Während dieser Zeit hat de Grood in Europa und Nordamerika verschiedene Patente für seine Technologie angemeldet.

De Grood Innovations hat die Entwicklung des Druckers finanziell voll unterstützt. Pascal de Grood erläutert: "Wir haben drei Jahre investiert und viel Geld in diese Technologie gesteckt. Das war für ein kleines Unternehmern nicht einfach. Aber wir haben es geschafft und für unsere ersten Maschinen interessierten sich viele potentielle Kunden."

Der FoodJet-Drucker von De Grood Innovations BV ist aufgrund des geringen Wartungsaufwandes, der leichten Reinigung und des niedrigen Preises pro Verbrauchstropfen ideal für die Lebensmittelindustrie geeignet. Zielmärkte sind Bäckereien und Hersteller von Eiscreme und Milchprodukten.

Der Drucker kann eine Vielzahl von dickflüssigen verzehrbaren Stoffen wie Glasuren, Joghurt oder Saucen präzise auf Lebensmittel aufbringen. Ein System mit mehreren pneumatischen Düsen platziert kleine Tropfen auf den durchlaufenden Lebensmitteln. Die Tropfen bilden ein digitales Bild in Form der Verzierung oder bedecken die gesamte Oberfläche. Für Verzierungen werden eine höhere Auflösung und kleinere Tropfen benötigt, beim flächigen Bedrucken sind große Tropfen und eine niedrige Auflösung ausreichend.

Ein konfigurierbares Drucksystem

Der FoodJet-Drucker besitzt eine flexible, modulare Architektur, die an jeden Produktionsprozess angepasst werden kann und somit eine Vielzahl von Anwendungen abdeckt. Eine andere Auflösung erreicht man durch die Veränderung des Winkel zwischen Druckkopf und Bewegungsrichtung des Förderbandes. Mit dem Einsatz von mehreren Druckköpfen in Reihe kann ein "Mehrfarbendruck" erfolgen, bei dem Farben in verschiedenen Schichten übereinander aufgetragen werden. Werden die Druckköpfe nebeneinander angeordnet, kann der Arbeitsbereich erweitert werden. Der Drucker wird somit durch eine veränderte Anordnung der Druckköpfe, die Einstellung der Düsen, des Druckes oder der Aufbringungszeit konfiguriert.

Der FoodJet-Drucker verfügt über zwei SPS-Steuerungen. Der Mechanismus für die Programmierung der verschiedenen Auftragsmuster sei eine Eigenentwicklung, erläutert de Grood. Für die Ausrichtung werden Sensoren wie Näherungsschalter und Fotozellen verwendet. Die Geschwindigkeit des Druckers hängt von der Auflösung ab und beträgt bis zu 30 m/min bei Auflösungen von 30 dpi. Die Reaktionszeit des Systems beträgt 200 μs. Bei Verwendung der Kamera ist die Systemgenauigkeit höher als +/-1 mm. Über eine Benutzerschnittstelle kann der Operator das Produkt, den Druck und die Verschlusszeiten der Ventile einrichten, nur die Kamera arbeitet eigenständig.

Der Nachtmodus

In der Lebensmittelindustrie werden normalerweise viele Produkte ohne Stillstandszeiten produziert, denn sobald der Produktionsprozess gestoppt wird, muss die Maschine heruntergefahren und gesäubert werden, weil sich die Produkte abkühlen und hart oder trocken werden. "Der FoodJet-Drucker ist ein geschlossenes System, das die Produkte davor schützt auszutrocknen oder abzukühlen." erläutert de Grood. "Das bedeutet, dass es unproblematisch ist, wenn die Maschine stundenlang oder sogar über Nacht stillsteht."

Traditionell werden Lebensmittel manuell dekoriert oder automatisch mit Hilfe von Markierungen und mechanischen Einrichtungen. Die gesamte Oberfläche wird dekoriert, indem eine flüssige Masse aufgetragen wird, unter der die Produkte auf einem Förderband mit Drahtgeflecht bewegt werden. Ein andere Methode besteht darin, die Produkte teilweise unterzutauchen.

Diese Prozesse erfordern eine intensive Reinigungsprozedur, sobald zwischen den Produkten gewechselt wird, z. B. beim Wechsel zu einer anderen Glasurfarbe oder beim Umschalten von Milchschokolade zu dunkler Schokolade. Beim Wechsel der Produkte im geschlossenen System des FoodJet-Druckers wird der Behälter mit dem neuen Produkt in den Drucker eingesetzt. Er flutet dann das System, bevor ein Rückfluss zum Behälter erfolgen kann. "Ein geschlossenes System verhindert, dass sich die Produkte vermischen oder dass die Umgebung verunreinigt wird. Damit wird die bestmögliche Hygiene und Lebensmittelqualität gewährleistet." sagt de Grood. "Einer unserer Kunden hat die Zeit für den Wechsel auf ein anderes Produkt um 90 % reduziert, da er nicht mehr vier oder fünf Stunden mit Reinigungsarbeiten an der Maschine zubringen musste. Die Übergangszeit mit dem FoodJet-Drucker dauert jetzt nur noch einige Minuten."

Industrielle Bildverarbeitung

Die Erweiterung mit einer Bildverarbeitungsoption für den FoodJet-Drucker ist entstanden, als ein Kunde eine spezielle Anwendung benötigt hat, bei der es nahezu unmöglich war, die Produkte mechanisch auszurichten.

"Ohne die Bildverarbeitungsoption des FoodJet-Druckers könnte eine Vielzahl von Bäckereiprodukten nicht bearbeitet werden", erläutert de Grood. "Diese empfindlichen Produkte zerbrechen bei zu fester mechanischer Behandlung und haben keine gleichmäßigen Formen. Mit Hilfe der Bildverarbeitung werden die exakte Position und Größe des Produktes bestimmt."

Ein anderer Vorteil beim Einsatz eines Bildverarbeitungssystems ist die Flexibilität. Der FoodJet-Drucker mit dem Visionsystem kann ultraschnell zwischen den Produkten wechseln. Dabei müssen keine mechanischen Vorrichtungen oder andere Sensoren gewechselt werden, um ein größeres oder anders geformtes Produkt zu bearbeiten.

Das FoodJet-Visionsystem basiert auf einer Smartkamera Matrox Iris GT. Die Anwendung wurde mit dem Matrox Design Assistenten entwickelt, einer integrierten Entwicklungsumgebung, die zur Kamera gehört. Mit Hilfe der Software konnte de Grood ein Ablaufdiagramm der Anwendung erstellen, ohne Code oder Scripte mit den üblichen Programmiersprachen Visual Basic, C, C++ oder C# zu programmieren.

De Grood hat einige der Werkzeuge des Design Assistenten und Schritte des Ablaufdiagramms verwendet. Die Bestimmung von Position und Größe der Produkte und die Kalibrierung des System wurden mit Bildverarbeitungsfilter, Teilchenanalyse und Mustererkennung möglich. "Das Ablaufdiagramm haben wir mit dem Design Assistenten konfiguriert und getestet, einem interaktiven Designwerkzeug, das auf einem PC läuft und dann auf die Kamera geladen wird." erklärt de Grood.

Mit dem Matrox Design Assistenten wird eine Anwendung durch die Erstellung eines Ablaufdiagramms entwickelt, das fertige oder kundenspezifische Werkzeuge bereits enthält, ohne herkömmlichen Programmcode zu schreiben, sagt Fabio Perelli, Produktmanager bei Matrox Imaging für die Produktsparte Smartkameras. "Ist die Entwicklung abgeschlossen, wird das Projekt oder das Ablaufdiagramm auf die Matrox Iris GT Smartkamera geladen und dort gespeichert. Die Anwendung wird dann auf der Smartkamera ausgeführt, unabhängig von einem PC und in diesem Fall über eine SPS-Steuerung überwacht und gesteuert."

DVC, der holländische Vertriebspartner für Produkte von Matrox Imaging, entwickelte eine kundenspezifische Einheit für die Kommunikation mit der SPS-Steuerung. Ein Merkmal der Umgebung des Matrox Design Assistenten ist die Möglichkeit, kundenspezifische Schritte zu erstellen und eine spezielle Logik einzufügen. Bei diesem Schritt wird die von DVC erstellte .exe-Datei aufgerufen, die mit der SPS-Steuerung kommuniziert. Kritisch war die Kommunikationzeit zwischen der Smartkamera Iris GT und der SPS-Steuerung. "Es dauerte ein Weilchen, Kamera und SPS zu synchronisieren, aber nach einem Tag des Probierens funktionierte die Kommunikation reibungslos." sagt de Grood.

De Grood hat verschiedene Smartkameras für das Visionsystem des Druckers getestet. Matrox hatte zugesagt, dass die Anwendung möglich sei und der Preis für die Iris GT war günstiger als andere Alternativen, erläutert de Grood. Außerdem wird der Formfaktor IP67 unterstützt, den de Grood wollte. "Das IP67-konforme Gehäuse war willkommen, denn dadurch wurde die Integration in das System erleichtert. Es wurden keine zusätzlichen Schutzmaßnahmen gegen Feuchtigkeit benötigt" sagt er. "Damit das System so kompakt wie möglich ist, wollte er Kamera und Verarbeitung zusammen in einem Paket haben." Die Drucker sind auch in das Firmensystem eingebunden, so dass es möglich ist, weltweit Remote-Unterstützung zu leisten.

Eine Zukunft jenseits der Lebensmittel

De Grood betont, dass der FoodJet-Drucker nicht nur in der Lebensmittelindustrie, sondern auch in anderen Industriezweigen eingesetzt werden kann. "Jede Produktionsmethode, der bei der zähflüssige, hochviskose Flüssigkeiten verwendet werden, stellt einen potentiellen Markt dar. Einige Einsatzbereiche sind das Dekorieren von Keramikfliesen, das Auftragen von komplexen Klebstoffmustern auf Leiterplatten, integrierte Schaltungen, Komponenten für Flachbildschirme etc. oder das Drucken von Firmenlogos auf Kosmetikcremes, um den Kunden zu zeigen, dass sie ein Markenprodukt gekauft haben und keine billige Fälschung. Die Möglichkeiten sind endlos."

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Der FoodJet-Drucker von De Grood Innovations BV wurde 2009 für den Preis von Food Valley nominiert. Diese Auszeichnung wird jedes Jahr von Food Valley, einer holländischen Agri-Food-Organisation vergeben. Am 08. Oktober 2009 wurden die Gewinner bekanntgegeben. Der FoodJet-Drucker hat den zweiten Preis erhalten.

Eine gekürzte Version dieses Artikels mit dem Titel "Food Printer Adds Vision System to Handle Delicate Pastries" erschien 2010 in der Februarausgabe von Control Design. Verwendung mit freundlicher Genehmigung.

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