(Bildquelle: Wittmann Battenfeld)

(Bildquelle: Wittmann Battenfeld)

Die Weiterentwicklung der Verfahrenstechniken hat nach wie vor das Ziel, eine effizientere Produktion zu erreichen und damit die Stückkosten zu reduzieren, wie Arburg, Loßburg, darlegt. Wege dahin werden von allen Firmen aufgezeigt. Es geht darum, „Produktivität, Prozesssicherheit, Verfügbarkeit und Teilequalität zu erhöhen und das bei steigenden Anforderungen an die Kunststoffverarbeitung, wie etwa kleiner werdende Losgrößen, Funktionsintegration, Multi-Material-Design oder Leichtbau“, wie Arburg weiter ausführt. Als Beispiel anführt das Unternehmen ein neues physikalisches Schäumverfahren an, bei dem „im Gegensatz zu bisher üblichen Verfahren das Kunststoffgranulat bereits mit Treibfluid in einer Granulatschleuse vor der Spritzeinheit angereichert wird. Die Plastifiziereinheit kann dadurch mit einer normalen Drei-Zonen-Schnecke arbeiten und ist jederzeit auch für andere Spritzgießaufgaben nutzbar.“

Billion, Söchtenau, geht auf das Montagespritzgießen ein, für das „die Ausrüstungen immer weiter perfektioniert werden bis hin zur völligen Funktionsintegration in die Spritzgieß­maschine.“ Dabei „wird nun den servomotorischen Index-Dreheinheiten Aufmerksamkeit gewidmet. Es geht da neben der mechanischen Funktion um Weiterentwicklungen der Software, da Rotationsantriebe durch die Maschinensteuerung kontrolliert werden.

Auch Dr. Boy, Neustadt-Fernthal, geht auf Zwei-Komponenten-Spritz­gießen ein und berichtet, dass der Trend zu diesen Bauteilen weiterhin verstärkt vorhanden ist. Um diesem Trend zu entsprechen, „können bestehende Maschinen zu Multikomponenten-Maschinen erweitert werden.“ Dazu werden „beispielsweise Zusatz-Spritzaggregate einfach und flexibel an eine Standard-Spritzgießmaschine beziehungsweise Werkzeug angedockt.“ Weitere verfahrenstechnische Maßnahmen sind laut Dr. Boy die Reduzierung der „Problematik Verweildauer“, die „durch die Verwendung thermisch empfindlicher Materialien für kleinste Bauteile“ entsteht. Dieser Problematik wird durch „eine 8-mm-Plastifizierschnecke“ begegnet, die „eine hohe Anzahl von Materialien mit Standard-Granulatgröße“ verarbeiten kann. Dem „durch die geforderte Leichtbauweise häufig entstehenden größeren Fließweg-Wanddicken-Verhältnis“ wird durch „höhere Schneckenvorlauf-Geschwindigkeit der Universal-Spritzeinheiten“ entsprochen.

(Bildquelle: Engel)

(Bildquelle: Engel)

Engel, Schwertberg, Österreich, beobachtet, „dass weltweit die Nachfrage nach integrierten Systemlösungen steigt. Neben innovativen Prozesstechnologien und intelligenter Steuerungstechnik sind maßgeschneiderte Fertigungskonzepte mit einem hohen Prozessintegrations- und Automatisierungsgrad ein wesentlicher Schlüssel“ für die eingangs angesprochene effizientere Produktion. Krauss Maffei, München, berichtet von einer weiter entwickelten adaptiven Prozessführung, die „Schwankungen im Fertigungsprozess beim Spritzgießen noch genauer und schneller kompensiert.“ Dabei ist eine hinterlegte Material­datenbank hilfreich, „die genau Aufschluss über das Verhalten der Schmelze liefert.“ Hierdurch „reagiert die Maschine noch unempfindlicher auf äußere Einflüsse und generiert somit perfekte Formteile.“ Auch für Sonderanwendungen, wie das Kaskadenspritzgießen, ist die adaptive Prozessführung mit hinterlegter Material­datenbank prädestiniert, da „der Verlauf der Schmelzefront abhängig von Druck und Viskosität errechnet und die Kaskadenöffnungspunkte automatisch exakt angepasst werden.“

„Der Trend hinsichtlich eines möglichst effizienten Materialeinsatzes ist“ laut Netstal, Näfels, Schweiz, „nachhaltig. Durch geschickte Modifikation der Teilegeometrien und Wandstärken kann bei dennoch ausreichender Qualität der Formteile eine deutliche Materialeinsparung erreicht werden.“ Für die Spritzgießmaschinen sind die Folgen dieser Trends „deutlich höhere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Präzision. Vor allem die Einspritzeinheit muss den stetig steigenden Anforderungen mit einer sehr hohen Dynamik bei gleichzeitig hoher Regelgenauigkeit und Reproduzierbarkeit gerecht werden.“ Auch Sumitomo (SHI) Demag, Schwaig, und Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Österreich, weisen zur Verfahrenstechnik auf die Trends hin. Erstere sieht eine Zunahme der Bediener-Unterstützung und selbst optimierender Systeme, während nach zweiterer „der Trend hin zu leichteren Bauteilen nach wie vor anhält beziehungsweise spürbar angestiegen ist. Der Einsatz der Gasinjektions-Technologie GIT beziehungsweise die Herstellung von geschäumten Bauteilen mit chemischen und physikalischen Treibmitteln wächst stetig.“ Außerdem gewinnen nach Wittmann Battenfeld, die „Inline Prozesskontrolle und Dokumentation des Herstellprozesses immer mehr an Bedeutung.“

Industrie 4.0 in der Kunststoffteile-Herstellung

Die Bedeutung der Dokumentation des Herstellprozesses erläutert Wittmann Battenfeld dahingehend, dass „meist hohe Stückzahlen produziert werden und daher die Nachvollziehbarkeit der Qualitätsbeeinflussenden Prozesse und die Individualisierung sehr wichtig sind. Voraussetzung dafür ist eine Vereinheitlichung der Kommunikationsplattformen“, um Industrie 4.0 zu realisieren. Diese Plattformen sind in Form eigener Entwicklungen der Maschinenhersteller oder mit OPC UA (Open Connectivity Unified Architecture) verfügbar beziehungsweise bereits etabliert. Auch Sumitomo (SHI) Demag benennt OPC UA als Schnittstelle für die Integration der Peripherie und zur Automatisierung des Spritzgießprozesses.

Industrie 4.0 wird auch von allen anderen vorstehend genannten Firmen angesprochen. Netstal schreibt dazu, dass „wir ganz am Anfang der vierten industriellen Revolution stehen, in welcher die Vernetzung sowie die Erfassung und Auswertung von Produktionsdaten eine zentrale Rolle spielen werden. Schon heute zeichnet sich ein großes Nutzenpotential ab. Hauptziel ist das Erreichen einer vollständigen Produktionssicherheit bei null Fehlern.“ Billion spricht im Zusammenhang von Industrie 4.0 von „intelligenten Maschinen, die mit immer mehr Software-Funktionen“ das Einstellen „leichter und komfortabler machen.“ Der zusammenfassende Begriff bei Dr. Boy ist „kollaborierende Automation“ und Krauss Maffei spricht von „Vernetzung nach Maß.“

(Bildquelle: Sumitomo (SHI) Demag)

(Bildquelle: Sumitomo (SHI) Demag)

Zu der mit Industrie 4.0 bezeichneten fortschreitenden informationstechnischen Vernetzung erläutert Arburg anhand einiger Beispiele eine Reihe zu erwartender Vorteile. Auf der Basis eines modernen Echtzeit-Ethernets wird zwischen der „Maschinensteuerung und den Komponenten der Spritzgießmaschine, angefangen von den Antriebs- und Messsystemen bis hin zu Robot- und Peripheriegeräten ein schneller, offener und sicherer ­Datenaustausch möglich. Für Ladungsverstärker zur Werkzeug-Innendruckmessung lassen sich so beispielsweise sehr kurze Reaktionszeiten und damit eine noch präzisere Nachdruck-Umschaltung realisieren.“ Es ist die „selbst konfigurierende Produktionszelle“ möglich, bei der alle Funktionsbaugruppen nicht mehr fest mit der Maschine verdrahtet sind. Vielmehr werden diese über Stecker mit der Maschinensteuerung verbunden und beim Einstecken auch während des laufenden Betriebs automatisch identifiziert. Dabei werden die komplette Gerätespezifikation und die zugehörigen Bedienfunktionen übernommen. „Die Einbindung funktioniert damit ohne zusätzlichen Aufwand. Gleichzeitig sind die Funktionsbaugruppen nicht mehr fest an eine Maschine gebunden, sondern flexibel einsetzbar.“

Engel sieht die Entwicklung von Industrie 4.0 „in eine Reifephase kommen.“ Dabei sind „zahlreiche Lösungen schon seit langem verfügbar und kontinuierlich kommen neue Produkte und Dienstleistungen hinzu“, wie die „zustandsbasierte, prädikative Instandhaltung, die es dem Anwender ermöglicht, die Lebensdauer kritischer Komponenten in der Spritzgießmaschine vollständig auszunutzen, ohne das Risiko eines ungeplanten Anlagenstillstands eingehen zu müssen.“ Die „voranschreitende Digitalisierung der Fertigung“ lässt auch die Steuerungen der Spritzgießmaschinen immer intelligenter werden. Engel berichtet dazu, dass „dezentrale, direkt in der Maschine eingesetzte Assistenzsysteme den Verarbeiter darin unterstützen, die Produktivität und Qualität zu steigern, ohne dass sich der Maschinenbediener Spezialwissen aneignen muss.“

Intelligente Kombinationen steigern Effizienz

Zur Maschinentechnik und hier vor allem zur Antriebstechnik sind in der Vergangenheit schon grundsätzliche Aussagen gemacht worden, die auch diesmal weitgehend unverändert vertreten werden. Nach wie vor ist das Ziel die Steigerung der Energieeffizienz und damit die Verringerung des Energiebedarfs. In diesem Zusammenhang setzt sich nach Wittmann Battenfeld der Trend zum „Einsatz von Servo­antriebs-Technologie fort, wobei diese Technologie in immer größere Schließkraftbereiche vordringt, da hier noch große Einsparpotenziale zu heben sind.“ Sowohl Sumitomo Demag als auch Engel bezeichnen Servoantriebe beziehungsweise Servohydraulik als Standard oder Stand der Technik. Laut Engel „verstärkt sich der Trend zu servoelektrisch angetriebenen Spritz­aggregaten.

(Bildquelle: Netstal)

(Bildquelle: Netstal)

Weiterhin gilt, dass die Anwendung über die Antriebstechnik entscheidet. Hydraulisch, hybrid oder vollelektrisch ist nicht eine Frage der Unternehmensphilosophie oder allein der Energieeffizienz, sondern der individuellen Anforderungen des Verarbeitungsprozesses und der jeweiligen Teileklasse. Was zählt, ist die Gesamteffizienz. So ist für die Produktion technischer Teile nach wie vor die hydraulische Maschine die erste Wahl, allerdings ausgestattet mit einer energieeffizienten Antriebstechnik. Hier geht der Trend eindeutig von der Regelpumpen-Hydraulik weg zur modernen Servopumpen-Antriebstechnik. Bei der Herstellung technischer Teile wird hierbei oft bereits das Niveau von vollelektrischen Maschinen erreicht.“

Auch Arburg sieht zur „exakten Anpassung an den individuellen Einsatzfall“ den weiteren Ausbau der „Modularität der Antriebstechnik.“ „Die intelligente Kombination von verschiedenen Antriebstechnologien in vielen Anwendungsbereichen“ wird auch von Netstal als „zielführender Ansatz“ bezeichnet. Weiter führt Netstal aus, dass „vollelektrische Lösungen oft den Nachteil haben, dass sie in Bezug auf das Leistungspotenzial limitiert sind. Moderne Hybridtechnologie schafft es, diesen Zielkonflikt zu lösen. Jede Bewegungsachse der Maschine wird mit der jeweils ideal geeigneten Antriebstechnologie umgesetzt. Intelligentes Energiemanagement sowie dezidierte digitale Regelungstechnik helfen mit, die Gesamteffizienz solcher Hybrid-Systeme soweit zu optimieren, dass der Energieverbrauch praktisch auf dem gleichen Niveau wie bei vollelektrischen Lösungen gehalten werden kann, dies jedoch mit deutlich höherem Leistungspotenzial und zu deutlich geringeren Kosten.“

Dies bestätigt Dr. Boy mit der Aussage, dass „der Trend beziehungsweise die Nachfrage nach hoch effizienten servomotorischen Pumpenantrieben sich weiter verstärkt hat. Sumitomo Demag ergänzt, dass „intelligente Ventiltechnik Parallelfunktionen mit einem Antrieb ermöglicht.“

Dagegen bleibt laut Billion die „Entwicklung vollelektrischer Maschinen weiterhin in Schwung.“ Diese „Technologie entspricht immer mehr den Anwendungen, die bisher mit hydraulischen Spritzgießmaschinen produziert wurden. Das gilt auch vermehrt für Anwendungen, die als Domäne der Speicherhydraulik angesehen wurden. Diese Technologie erobert mehr und mehr den Verpackungsbereich. Ziel ist, eine Maschine anzubieten, die die Vorteile der elektrischen Baureihe, wie Präzision und Energieeinsparung, mit den Vorteilen der hydraulischen Baureihe, wie Geschwindigkeit und Spritzkapazitäten, kombiniert.“ Durch den zunehmenden Kostendruck durch steigende Energiepreise werden daher „frequenzgeregelte Pumpen für die hydraulischen Baureihen sowie servoelektrische Schneckenantrieb bei allen hydraulischen Baureihen“ eingesetzt, ergänzt Billion.

Neue Verwendungen des Spritzgießverfahrens

Leichtbau ist nach wie vor das im Vordergrund stehende Thema hinsichtlich neuer Felder der Kunststoffverarbeitung. Arburg, Engel und Krauss Maffei gehen hierzu auf schon früher angesprochene Verfahren ein, die Hybridteile erzeugen durch Kombination spritzgeformter Thermoplaste mit verstärkten Halbzeugen wie Organo­blechen und geschäumten Werkstoffen, durch deren Schäumung oder durch In-situ-Polymerisation. Hybrid-Bauteile sind auch bei Wittmann Battenfeld ein Thema, die aus Kunststoff, Textil und Elektronik erzeugt werden.

Billion spricht das Erzeugen von „Marmoreffekten und farbigen Intervallsequenzen im Rahmen des Sandwich-Spritzgießens auch im Dünnwandbereich für Wandstärken bis mindestens 0,7 mm“ an. Weitere Felder sind bei Krauss Maffei das Erzeugen von Bauteilen mit Hochglanz-Oberflächen und das Zuführen von Feststoff-Silikon ohne Lufteinschlüsse zur gekühlten Plastifiziereinheit.

Im Rahmen einer „immer größer werdenden Nachfrage nach einer effizienten Teileproduktion in kleinen Stückzahlen“ geht Dr. Boy auf „die additive Fertigung von Bauteilen“ ein. „Neben einer reinen Fertigung von gedruckten Bauteilen aus einem 3D-Drucker hat sich das Spritzgießen von Kleinserien oder Prototypen auf 3D-gedruckten Formeinsätzen bewährt. Hier stehen besonders kleine Spritzgießmaschinen im Vordergrund, auf denen die schnell und kostengünstig gedruckten Werkzeuge oder Werkzeugeinsätze (Werkstoff: Rigur) unkomplizierter und einfacher eingesetzt werden können.“

Reinraumfertigung wird zunehmend gefordert

Medizintechnik wird von nahezu allen Firmen als Grund für die Notwendigkeit der Reinraumfertigung genannt und so finden sich die entsprechend ausgerüsteten Maschinen im Angebot eben dieser Firmen. Aber auch andere Bereiche wie Kunststoff-Optiken, von Arburg zusätzlich genannt, oder Verpackungsindustrie und auch Automobil- und Spielzeugindustrie, von Wittmann Battenfeld zusätzlich genannt, fordern zunehmend eine entsprechende Ausstattung der Maschinen und ihrer Umgebung. Dazu gehören unter anderem Reinluftmodule mit Ionisierung über der Schließeinheit und den Arbeitsbereichen von Robot-Systemen, Filtersysteme, Laminarflow-Einheiten und Absaugvorrichtungen sowie vernickelte Aufspannplatten mit abgedeckten Bohrungen und Verkleidungen zur Erleichterung der Reinigung, wie Arburg und Netstal darlegen, bis hin zu GMP-gerechten (Good Manufacturing Practice) Peripheriegeräten, wie Engel ergänzt.

Boy verweist darauf, dass „die Kosten zur Erzielung einer gewünschten Reinraumklasse umso geringer“ sind, „je kleiner der Reinraum“ ist. Daher eignen sich Maschinen mit Zweiplatten-Schließsystemen besonders gut für die Integration in Reinraumlösungen. Nach Wittmann Battenfeld „zeichnet sich ein Trend dahingehend ab, dass nicht nur entweder spezielle Reinraummaschinen oder herkömmliche Standard­maschinen nachgefragt werden, sondern schon die Standardmaschinen mit Features für höhere Reinraum-Eignung ausgestattet werden müssen. Die gesteigerten Reinheitsanforderungen an Maschinen sind eine Folge der Vielzahl an Audits, mit denen sich Spritzgießer auseinandersetzen müssen.“ Da ist es hilfreich, „integrierte Systemlösungen“ anzubieten, zu denen auf Wunsch auch „die gesamte GMP-Dokumentation“ mitgeliefert wird, wie Engel darlegt.

Über den Autor

Prof. Dr.-Ing. Werner Hoffmanns

ist freier Mitarbeiter des Plastverarbeiter.

office@hoffmanns-texte.de