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16.12.2011

Über kurz oder lang

Energieeffizienz in der Spritzgieß-Fertigung

Die Bundesregierung plant ab 2012 im Rahmen ihrer Energie- und Umweltpolitik den flächendeckenden Einsatz von Energiemanagement-Systemen nach DIN EN 16001. Die damit verbundenen Maßnahmen sind in den Unternehmen unmittelbar, mittelfristig als auch langfristig umzusetzen und nicht zwangsläufig an große Investitionen gebunden.

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Alleine das Nutzen regenerativer Energiequellen reicht nicht aus, um eine langfristige Versorgungssicherheit sowie die damit verbundene Wettbewerbsfähigkeit des Industriestandorts Deutschland zu ermöglichen. Ziel der von der Bundesregierung geplanten Energiemanagementsysteme ist es, die in den Unternehmen vorhandenen Potenziale zur Verbesserung der Energieeffizienz, und damit der Betriebskosten, zu ermitteln und zu dokumentieren. Alle Maßnahmen haben einen gemeinsamen Nenner: Sie setzen eine energiebewusste Grundeinstellung im Unternehmen mit qualifiziertem, engagiertem Personal voraus. Das Kunststoffzentrum in Leipzig (Kuz) bietet Unternehmen der Branche mit Weiterbildungs- und Dienstleistungsangeboten entsprechende Unterstützung an.

Bedarfsgerechte Maschinenauswahl

Bei der Maschinenauswahl spielen zwei Aspekte eine wesentliche Rolle: Zum einen steht der Schließkraftbedarf neben den erforderlichen Einbaumaßen für das Werkzeug, zum anderen das erforderliche Dosiervolumen, um die Kavität zu füllen. In diesem Zusammenhang ist die resultierende Verweilzeit des Kunststoffs im beheizten Plastifizierzylinder zu beachten. Ist das geforderte Dosiervolumen im Verhältnis zum maximalen Hubvolumen der Spritzgießmaschine zu klein, besteht das Risiko der thermischen Schädigung des Materials. Ist es zu groß, entsteht das Risiko, dass das Aufbereiten der Schmelze nicht so erfolgt, dass diese stofflich und thermisch homogen zur Verfügung steht. Beide Extreme sind möglichst auszuschließen, da eine korrekt aufbereitete Schmelze eine wesentliche Voraussetzung für einen erfolgreichen Spritzgießprozess ist.
Liegt das erforderliche Dosiervolumen beziehungsweise der Dosierweg in den zulässigen Grenzen, dann sollte unter dem Gesichtspunkt der energetischen Optimierung bereits in der Phase der Produktionsplanung folgender Umstand Berücksichtigung finden: Die Effizienz der Spritzgießmaschine steigt mit der Prozessauslastung der Spritzeinheit. Ist also das Verhältnis zwischen Dosierweg und maximalem Hub relativ groß, sinkt der spezifische Energieverbrauch.

Energieoptimierte Maschineneinstellungen

In der Praxis stehen das Vermeiden von Fehlern und das Sichern der Qualität an erster Stelle. Ein gezieltes energetisches Optimieren der Prozesse, sei es aus Zeitgründen oder aus dem nicht vorhandenen Bewusstsein über diesbezügliche Potenziale, findet in der Regel nicht statt. Die Ansatzpunkte dafür wurden systematisch in einem Projekt des Kuz mit Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie untersucht. Die beteiligten Wissenschaftler erarbeiteten eine Handlungsanleitung für Einrichter zur energetischen Optimierung des Spritzgießprozesses und testeten diese in der Praxis.
Nach Definition der Verhaltensmodelle für die Teilprozesse Dosieren, Einspritzen, Verdichten in der Nachdruckphase, Kühlen, Werkzeug- und Auswerferbewegungen, Schließkraftaufbringung und Düsenaggregat-Bewegungen analysierten die Mitarbeiter in Versuchsreihen den Einfluss der prozessrelevanten Parameter auf den Energiebedarf in den einzelnen Teilprozessen sowie den Gesamtprozess. Als Parameter, über deren Variation eine signifikante Energieeinsparung zu realisieren ist, kristallisierten sich dabei in der Erprobungsphase folgende heraus:

  • Zylinder- und Heißkanal-
  • temperaturen,
  • Werkzeugtemperaturen,
  • Restkühlzeit,
  • Schließkraft und
  • Schneckendrehzahl beziehungsweise Schnecken-Umfangs-
  • geschwindigkeit.

Bei fast allen externen Erprobungen konnten die Forscher Optimierungspotenziale in der Plastifizierphase aufzeigen. Durch Kombination der energetisch günstigsten Parameterkonstellationen in den einzelnen Teilprozessen betrugen die Energieeinsparungen für den Gesamtprozess bei dreiviertel der untersuchten Prozesse über 5 Prozent. Bei hydraulisch angetriebenen Spritzgießmaschinen lagen die erzielten Energieeinsparungen tendenziell höher.
Allerdings: Der Zeitaufwand für umfassende systematische Änderungen kann Verarbeiter abschrecken, konkrete Versuche nahmen bis zu fünf Stunden in Anspruch. Dieser Zeitaufwand reduziert sich aber durch fachkompetente Maschineneinrichter deutlich, wenn diese ihr Wissen um die prinzipiellen energetischen Zusammenhänge beim Spritzgießen mit dem Fokus auf die genannten Parameter bereits beim Einrichten der Spritzgießmaschine nutzen. Damit verlegt sich der Optimierungsaufwand auf die Einrichtphase, verkürzt sich insgesamt und ist damit zu rechtfertigen.
Auch kann der Einsatz von Software zur Arbeitspunktoptimierung helfen, die Verbesserungen effektiver vorzunehmen. Im Rahmen des Projektes kam das Programm Stasa QC der Stasa Steinbeis Angewandte Systemtechnik zum Einsatz. Nach Definition der relevanten Einstellgrößen und Qualitätsmerkmale, einschließlich Energieverbrauch, sind praktische Versuche nach einem von der Software vorgegebenen Versuchsplan vorzunehmen. Auf Grundlage der resultierenden Ergebnisse generiert die Software dann ein auf die konkrete Produktionsaufgabe zugeschnittenes Prozessmodell. Abhängig vom gesetzten Optimierungsziel liefert das Programm dem Bediener diverse Kombinationen für die im Modell erfassten Einstellparameter, die beim praktischen Umsetzen die beabsichtigte Arbeitspunktoptimierung zur Folge haben sollten. In den untersuchten Fällen lagen die gemessenen Einsparpotenziale nach softwaregestützter Optimierung in den Spritzgießprozessen zwischen 2 und 7 Prozent, wobei sich der Zeitaufwand gegenüber einer konventionellen Optimierung reduzierte.
Die konventionelle Herangehensweise können Unternehmen kurzfristig einführen, doch neben der Verfügbarkeit von Zeit und Fachpersonal benötigt man dafür, wenn nicht in der Maschinensteuerung angezeigt, entsprechende Messtechnik zum Erfassen der Leistung. Die Investition in Software ist eine grundsätzliche und daher mittel- bis langfristige Entscheidung im Unternehmen, die sich bei entsprechenden Stückzahlen in der Produktion lohnt.

Vermeiden von Wärmeverlusten durch Zylinderisolierung

Um erhebliche Wärmeverluste im Spritzgießprozess zu vermeiden bietet es sich an, die vorhandenen und noch nicht mit Isoliermanschetten ausgestatteten Spritzgießmaschinen nachträglich aufzurüsten. Messungen im Auftrag der Firma Rex Industrie-Produkte ergaben, dass hierdurch, abhängig vom verarbeiteten Kunststoff, Heizenergie-Einsparungen von fast 50 Prozent möglich sind. Daraus resultierten letztlich Gesamtenergie-Einsparungen von über 28 Prozent.

Präventives Instandhalten

An den TÜV und ASU für das Auto denkt jedermann. Doch auch im Spritzgießbetrieb sichern vorbeugende, zyklisch durchgeführte Instandhaltungen und sorgfältiger Umgang mit Maschinen und Technik einen zuverlässigen Betrieb. Beispielsweise empfiehlt die Richtlinie VDMA 24470 das Kalibrieren von Spritzgießmaschinen nach jeweils 7500 Stunden beziehungsweise einmal jährlich. Neben dem Überprüfen der Planparallelität der Werkzeug-Aufspannplatten ist dabei unter dem Gesichtspunkt der energetischen Prozessoptimierung dem Kalibrieren der Zylindertemperaturen, der Schneckendrehzahl, der Einspritzgeschwindigkeit, der Dichtwirkung der Rückstromsperre und der Schließkraft besondere Aufmerksamkeit zu schenken.

Kosteneffizienz
Produktion überdenken

Durch den Einsatz von Energiemanagement-Systemen nach DIN EN 16001 sollen Unternehmen zukünftig ihre Betriebe energieeffizienter gestalten. Rund um das Thema bietet das Kunststoff-Zentrum Leipzig umfassende Beratungsdienstleistungen an: Angefangen bei der Auswahl der Produktionsmaschinen, über Einstellungsmöglichkeiten sowie präventiver Instandhaltung bis hin zum Vermeiden von Wärmeverlusten.

 

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