Das intelligente Werkzeug kommt

Zur Fakuma 2017 präsentiert sich der Werkzeugbau in Deutschland in einer robusten Verfassung. 75 Prozent der Betriebe sehen die wirtschaftliche Lage positiv. Dies geht aus dem auf der Plattform Werkzeug-Formenbau.de publizierten Konjunkturbarometer für den Monat September 2017 hervor. Zwar hat sich die positive Einschätzung gegenüber dem Vormonat um drei Prozentpunkte verringert, insgesamt bleibt die Branche aber optimistisch. 13 Prozent betrachten die Lage des eigenen Unternehmens als sehr gut, 62 Prozent als gut, 22 Prozent als zufriedenstellend. 38 Prozent der Betriebe verzeichnen einen Auftragsbestand, der für die nächsten 3 Monate reicht, 13 Prozent haben ausreichend Arbeit für die nächsten sieben bis neun Monate, und 6 Prozent verfügen sogar über ein Auftragspolster für ein Jahr und mehr. Auch an Neuaufträgen herrscht kein Mangel. 67 Prozent der Betriebe beurteilen den Auftragseingang als gut oder sehr gut, 30 Prozent als zufriedenstellend. Die Sorge, dass der gute Geschäftsgang bald ein Ende haben könnte, ist gering. Nur 6 Prozent der deutschen Werkzeug- und Formenbauer rechnen mit einer Verschlechterung in den nächsten zwölf Monaten. Demgegenüber erwarten 11 Prozent eine Verbesserung, und 83 Prozent gehen von einer gleichbleibenden Entwicklung aus. Gut ein Drittel der Betriebe plant in den nächsten Monaten eine größere Investition.

So gut die aktuelle Lage und die mittelfristigen Prognosen auch sind – die Zahlen können nicht verdecken, dass die deutschen Werk- und Formenbauer vor großen Herausforderungen stehen. Die Ansprüche der Kundenindustrien verändern sich, und die Konkurrenz aus dem Ausland, etwa aus Asien, hat technologisch aufgerüstet. Deshalb muss die Branche in Deutschland neue Geschäftsmodelle entwickeln, wie Professor Thomas Seul, Präsident des Verbands Deutscher Werkzeug- und Formenbauer (VDWF) und Prorektor der Hochschule Schmalkalden, in einem Vortag auf der Moulding Expo 2017 erläuterte.

Werkzeugtechnik für zunehmende Bauteil-Varianz

Wie sehr sich das industrielle Umfeld verändert, skizzierte Seul an der steigenden Varianz unter anderem im Automobilbau. Quasi jedes Fahrzeugmodell ist heute in mehreren Grundversionen erhältlich, und die Anzahl der möglichen Sondervarianten steigt in Richtung Unendlich. Der Bedarf an unterschiedlich ausgelegten Werkzeugen nimmt deshalb deutlich zu, wobei sich die Autoindustrie ihren Variantenreichtum aber möglichst wenig kosten lassen will. Gleichzeitig werden immer komplexere Werkzeuge und Formen verlangt. Der Mehr-Komponentenspritzguss gilt heute bereits als Standardverfahren. Zudem steigen die Anforderungen unter anderem an Form, Farbgebung und Präzision der Spritzgussteile. Dabei gilt die Faustregel, dass die geforderten Toleranzen am Bauteil vom Werkzeug noch einmal um einen Zehnerfaktor unterschritten werden müssen. Die hierfür erforderlichen Formtechnik können sich Kunststoffverarbeiter oftmals auch im Ausland beschaffen, beispielsweise in China, dessen Werkzeugbauer neben einem hohen technologischen Standard mit deutlich geringeren Lohnkosten im globalen Wettbewerb punkten. Auch innerhalb Europas sind die deutschen Unternehmen mit starker Konkurrenz konfrontiert. So setzen die ausschließlich auf Export ausgerichteten portugiesischen Formenbauer nicht nur auf Qualität, sondern vertieften auch die Zusammenarbeit mit den Kunden. Als Beispiel nannte  Seul das Unternehmen TJ Moldes im portugiesischen Marinha Grande, das kürzlich eine 1.600-Tonnen-Spritzgießmaschine ausschließlich für die Erstbemusterung von großen Fahrzeug-Exterieurteilen installiert hat (PLASTVERARBEITER 5/2017).

Guter Service und intensive Kooperation mit den Kunden sind Unterscheidungsmerkmale, die auch die deutschen Werkzeug- und Formenbauer in die Waagschale werfen können – und müssen. Die Kleinstrukturiertheit der Branche – rund 80 Prozent der Betriebe beschäftigen weniger als 20 Mitarbeiter – sei dabei kein Hindernis, sondern eine Chance, sagt Seul.  Denn kleine Betriebsgrößen ermöglichen die notwendige Flexibilität im Umgang mit den Anwendern. „Wir müssen als Problemlöser der Kunden auftreten“, so der VDWF-Präsident.  Dazu müssten die Merkmale des Kunststoffverarbeiters, etwa dessen Produktionsbedingungen sowie seine Ansprüche an Prozesssicherheit und  Qualität genau erfasst werden. Idealerweise ist der Werkzeugbauer bereits in die Entwicklungsphase eines neuen Produkts involviert. Der hierfür notwenige Daten-Transparenz setzt wiederum  ein belastbares Vertrauensverhältnis zwischen Verarbeiter und Formenbauer voraus. Seul ermuntert die mittelständigen deutschen Werkzeugmacher darüber hinaus zu einer verstärkten Zusammenarbeit, beispielsweise um Großprojekte mit vereinten Kompetenzen durchführen zu können.

Intelligente Monitoring-Systeme

Ein beherrschendes Thema ist zudem die Digitalisierung in der Kunststoffverarbeitung. Hier will Seul die Formenbaubranche möglichst in der Schrittmacherrolle sehen. Durch den weit fortgeschrittenen Automatisierungsgrad seien die deutschen Betriebe gut gerüstet für Werkzeugbau 4.0, betont der VDWF-Präsident. Es bleibt aber genügend Raum für Visionen. So könnten etwa im Werkzeug eingebettete Diagnosesysteme (EDS) prozessrelevante Daten erfassen, auswerten und dem Anwender aufzeigen, ob der Prozess im optimalen  Betriebsfenster läuft oder davon abweicht. Derartige Monitoring-Systeme werden an der Hochschule Schmalkalden unter dem Projektnamen „Powermoulds“ untersucht. Dabei konfiguriert sich das EDS quasi selbst. In einem statistischen Versuchsablauf entwickelt das System über einen entsprechenden Algorithmus ein optimales Klassifikationsmodell, mit dem  „gute“ und „schlechte“ Bauteile unterschieden werden können. In einem solchen Anlernprozess werden diejenigen Prozessparameter, die zu optimalen Bauteil-Merkmalen führen, als Referenzgrößen festgelegt. Diese werden während der Produktion mit den tatsächlichen Prozessdaten in Echtzeit abgeglichen.

Selbstoptimierende Prozesse im Visier

Die Sensorik muss für eine solche intelligente Diagnostik nicht neu erfunden werden. Die Forscher um Professor Seul verwenden auf dem Markt erhältliche Sensoren, zum Beispiel für Werkzeuginnendruck. Korrelierende Prozessparameter sind zum Beispiel die Heißkanal-Temperatur, die Temperiermittel-Temperatur oder auch die Viskosität der Schmelze. Der richtige Zeitpunkt für das Anlernen des EDS ist gemäß Seul die Erstbemusterung des Bauteils. So kann nicht nur die Abmusterung beschleunigt werden, sondern der Kunststoffverarbeiter erhält zusammen mit dem Werkzeug ein zuverlässiges  Assistenzsystem zur Stabilisierung seiner Prozesse. Im Verlauf  des Forschungsprojekts sollen Schnittstellen zur Maschine realisiert werden, mit dem Ziel, sich selbst regelnde und optimierende Prozesse auf Basis intelligenter Werkzeuge zu ermöglichen.

Man darf gespannt sein, welche neuen Lösungen die Hersteller auf der Fakuma in Hinblick auf Werkzeug 4.0 anbieten. Kistler, Winterthur, Schweiz, beispielsweise hat sein Prozessmonitoring-System Como Neo durch neue Funktionen für den 2K-Spritzguss und das RTM-Verfahren erweitert. Im 2K-Spritzguss müssen die charakteristischen Werkzeuginnendruck-Kurven separat erfasst und ausgewertet werden. Die neue Version des Monitoring-Systems ermöglicht die Überwachung von bis zu vier Komponenten. Durch einen Software-Update kann Como Neo zudem ein breiteres Spektrum von RTM-Anwendungen überwachen. Die von den Sensoren des Schweizer Messtechnik-Spezialisten erfassten Kennwerte werden in einem zentralen Datencenter gespeichert und stehen für weitere Analysen zur Verfügung.

Auch abgesehen von der Prozess- und Qualitätsüberwachung werden auf der Fakuma eine Vielzahl von Neuheiten und Erweiterungen rund um das Thema Spritzgießwerkzeug präsentiert. Sie reichen von modifizierten Werkstoffen, die dem Trend zu höheren Schussgewichten und kürzeren Zyklen Rechnung tragen, über neue Heißkanallösungen und Normalien, Reinigungsverfahren bis hin zu den erweiterten Möglichkeiten für den Werkzeug- und Prototypenbau mittels additiver Fertigung.