Effizientes Spritzgießen

Spritzgießen Die Entwicklungstrends in diesem Jahr entsprechen in erheblichen Teilen denen im vergangenen Jahr. Sie können daher immer noch als aktuell angesehen werden.

Effizienzsteigerung durch Verfahrenskombination

Zur Verfahrenstechnik des Spritzgießens verweist Arburg auf den Trend, „die Effizienz der Spritzteilproduktion durch Kombination mit anderen Verfahren zu steigern. Dazu zählen zum Beispiel das PUR-Schäumen oder das Inline-Bedrucken mit Digitaldruck. Für das Verketten der einzelnen Produktionsschritte ist vielfach Automation gefragt. So lassen sich teure Zwischenlager sparen und komplexe Produkte in nur einem Prozess in hoher Teilequalität herstellen." Dies sieht auch Krauss Maffei so, die sich mit kombinierten Prozesslösungen beschäftigt, um eine „Effizienzsteigerung" in der Produktion zu erzielen.

Aus dem Wegfall ganzer Fertigungsschritte ergeben sich logistische Vorteile und durch die Kombination verschiedener Verfahren, beispielsweise von Spritzgieß-, Extrusions- und Reaktionstechnik können neue Bauteil-Eigenschaften in einem Fertigungsschritt erzeugt werden. Auch abgestimmte Automationslösungen tragen dazu bei, große Sprünge in der Produktions-Effizienz umzusetzen." Auch für Ferromatik Milacron „ist die Kombination unterschiedlicher Sonderverfahren zur Lösung von Produktionsanforderungen ein wichtiger Schritt." Es werden mit dieser Technik, wie Arburg kommentiert, „neue Materialien miteinander kombiniert, um einbaufertige Teile herzustellen, die bereits bestimmte Funktionen enthalten, zum Beispiel in Bezug auf Haptik, Beweglichkeit, aber auch Steifigkeit, Dichtigkeit oder Leitfähigkeit."

Leichtbau boomt

„Einen regelrechten Boom erfuhren Lösungen für Leichtbauteile", berichtet KraussMaffei, „wobei sich auch ein Trend zu Composites mit thermoplastischer Matrix abzeichnet. Das Umformen und Hinterspritzen von Organoblechen, die „FiberForm"-Technologie zur Herstellung langglasfaserverstärkter Spritzgussteile sowie die „MuCell"-Technik mit physikalischem Schäumen stehen hier im Mittelpunkt."

Auch gewinnt das Thema Leichtbau hinsichtlich einer Effizienz-Steigerung an Bedeutung. „Langfaser-Direktspritzgießen" ermöglicht, durch Inline-Zuführung, noch längere Fasern zu verarbeiten und so leichte Spritzteile mit geringeren Wanddicken und hoher Festigkeit herzustellen. Verstärkte Kunststoffe ermöglichen zudem die Substitution von metallischen Werkstoffen. Dies gilt auch für Duroplaste. Darüber hinaus lassen sich mit dem „Partikelschaum-Verbund-Spritzgieß"-Verfahren (PVSG) zukünftig geschäumte Teile mit Kunststoff kombinieren. Dabei verbinden sich die beiden Komponenten, so dass nachgeschaltete Montageschritte entfallen." Ein weiterer Trend ist nach Arburg das Verarbeiten von Festsilikon (HTV), das „eine individuelle Einstellung der gewünschten Materialeigenschaften ermöglicht."

Zur Verfahrenstechnik werden weitere neue Trends berichtet. So weist Billion auf Sandwich-Spritzgießen für „Wanddicken bis minimal 1,4 mm hin, wobei die Kernschicht circa 0,7 mm dick und für die Verpackungsindustrie interessant ist. Bei einem konkreten Produkt werden dabei 45 % Recyclat verwendet." „Strukturschaumtechnik mit physikalischer Begasung der Kunststoffschmelze in Kombination mit variothermer Temperaturführung am Spritzgießwerkzeug" führt nach Darstellung von Wittmann Battenfeld zu „Hochglanz-Oberflächen trotz geschäumter Bauteilstruktur."

Ferromatik Milacron sieht einen weiteren Trend in der Entwicklung intelligenter Werkzeugkonzepte auf der Basis der „Würfel- und Doppelwürfeltechnik", die durch Kühlung und Entnahme im laufenden Zyklus zur Zykluszeitreduktion führt. Für das Verarbeiten von verunreinigten Mischkunststoffen und Recyclaten berichtet Ettlinger von der Integration eines Hochleistungs-Schmelzefilters in eine Spritzgießmaschine, wodurch die bei „verunreinigten Polymeren üblicherweise getrennten Verfahrensschritte „Extrusion/Regranulierung" und „Spritzgießen" auf einer einzigen Maschine zusammengeführt werden." Möglich wird dies durch zweistufige Spritzeinheiten mit jeweils separatem Extruder als Plastifizier-Einheit und separatem Kolbenspeicher als Einspritz-Einheit. Zwischen beiden Einheiten wird der Schmelzefilter angeordnet, der von der Schmelze durchströmt wird und diese vor Eintritt in den Kolbenspeicher reinigt. Als Anwendungsbeispiel wird das Herstellen von Kunststoffpaletten aus verunreinigten Recyclaten genannt.
Boy berichtet von Erfahrungen, wonach „aktuell die schnelle Anpassbarkeit an sich ändernde Marktgegebenheiten ein wichtiges Ziel ist.

Dies wurde ausgelöst durch „geringe Seriengröße, kürzere Produktzyklen und größere Variantenvielfalt. Das Verwenden standardisierter Maschinentechnik führt zu spürbarer Kostenreduktion. In Bezug auf „steigende Sicherheitsanforderungen in allen technischen Bereichen und die Entwicklung immer kleinerer Bauteile wird das Schützen von Elektronik-Bauteilen und Sensoren durch Umspritzen mit Schmelzklebern oder duroplastischen Formmassen bedeutsam", führt Boy weiter aus. Ein weiteres aktuelles Thema ist in der 2K-Silikonverarbeitung das Fertigen von Linsen für optische Anwendungen, ermöglicht durch hochtransparente Materialien.

Modularität ist weiterhin gefragt

Modularität der Maschinentechnik ist derzeit bei allen Anbietern ein Thema. Sie wird zunehmend ausgebaut, um eine individuelle und ganz exakt für die jeweilige Anwendung passende Auslegung zu ermöglichen. Dies betrifft die vollhydraulische Standardmaschine bis hin zur voll ausgestatteten Hybrid-Anlage mit Zusatzpumpenantrieb für simultane Bewegungen und servoelektrischem Schneckenatrieb. Ferromatik Milacron weist darauf hin, dass „unterschiedlichste und vor allem schnell wechselnde Anforderungen an die Maschinentechnik in der laufenden Produktion flexible und nachrüstbare Modulsysteme benötigen." KraussMaffei hat eine neue Baureihe als „hochflexible Modulplattform ausgeführt." Im Trend liegen nach Arburg auch „komplexe Fertigungszellen mit einer zentralen Steuerung, die als Einstell- und Kontrollsystem für den gesamten Spritzgießprozess fungiert und auch die Programmierung von integrierten Robot-Systemen und Peripheriegeräten umfasst. Moderne Steuerungen unterstützen die Einrichter, damit sich Arbeitsabläufe effizienter gestalten lassen, und das ohne Detailkenntnisse der Steuerung."

Für automatisierte Produktionszellen besteht nach KraussMaffei ein steigender Bedarf, dem durch Ausweitung von Roboter-Baukästen Rechnung getragen wird. Die kompakte Bauweise dieser Lösungen spart gegenüber herkömmlichen Lösungen bis zu 25 % Aufstellfläche. Bei den Mehrkomponentenmaschinen wird von KraussMaffei ein anhaltender Trend zu Wendeplatten-Maschinen gesehen, da diese Vorteile für die Werkzeug- und Prozesstechnik bieten.

Erhebliche Einsparungen durch Servotechnik

Servoelektrische Antriebe werden von allen Firmen, soweit sie sich zur Antriebstechnik geäußert haben, als Trend bezeichnet. Drehzahl veränderbare oder Frequenz geregelte Antriebe für Hydraulikpumpen, wie von Arburg und Billion angesprochen, eignen sich, den zunehmenden Kostendruck durch steigende Energiepreise zu kompensieren. Der Trend zu servoelektrisch angetriebenen Hydraulikpumpen ist teilweise massiv (Wittmann Battenfeld), hilft er doch, circa 20 % Energie einzusparen, wie KraussMaffei ausführt. Boy beziffert diese je nach Anwendung und Zykluszeit auf etwa 50 %. Hinzu kommen reduzierte Rohrleitungs-Verluste, die Ferromatik Milacron und KraussMaffei ansprechen, was letztere durch strömungsoptimierte Querschnitte und kurze Leitungen erreicht. Weitere Vorteile servoelektrischer Antriebe in hydraulischen Maschinen sind Geräuscharmut und Präzision, wie Wittmann Battenfeld darlegt und KraussMaffei mit um drei dB(A) verringerter Lautstärke präzisiert. Darüber hinaus bieten diese Antriebe eine hohe Dynamik für schnelle Bewegungen und dienen nicht nur der „Geschwindigkeits-Regelung, sondern auch der Druck-Regelung" im „closed loop". Boy verweist darauf, dass die bewährte Technik hydraulischer Antriebe einfach zu warten ist und die Ersatzteilkosten niedriger sind.Arburg hebt hervor, dass auch bei der Antriebstechnik Modularität gefragt ist.

Das Erhöhen der Energie-Effizienz der Maschinen und „die sie umgebende Peripherie" hat ebenso Priorität. So kommen, wie schon dargestellt, servo- und drehzahlregelbare Antriebe bei allen Herstellern zum Einsatz. Bei hydraulischen Maschinen sind dies Motoren der höchsten Wirkungsgrad-Klasse IE2. Über das Optimieren bestehender Produktions-Systeme hinaus ist für KraussMaffei „ein ganzheitlicher Ansatz entscheidend." So lässt sich mit einer einstufigen Direktverarbeitung die Zykluszeit verkürzen und das mehrfache Aufheizen und Plastifizieren der Werkstoffe vermeiden. Daneben werden qualitative Vorteile erreicht durch ein Reduzieren des thermischen Material-Abbaus und Schonung von Fasern und Füllstoffen. Weiterhin reduzieren sich Arbeitsschritte wie Handling, Zwischenlagerung und -reinigung der Produkte. Die gesamte Fertigungs-Organisation und vor allem die Zykluszeiten haben einen großen Einfluss auf die Stück-Kosten und damit auf die Effizienz der Spritzteilproduktion. Da Servomotoren einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und die Energie-Rückgewinnung bei Bremsvorgängen ermöglichen, wächst der Markt für hybride sowie vollelektrische Maschinen entsprechend.

Neben der individuellen und anwendungsspezifischen Auslegung der Maschinen, die durch Modulbauweise bei allen hierzu genannten Maschinenherstellern zum Optimieren der Energieeffizienz eingesetzt wird, sind Details wie flüssigkeitsgekühlte Maschinen-Elemente (Arburg) oder isolierte Plastifiziereinheiten (Arburg, KraussMaffei) hilfreich.

Bedienerunterstützung zur Effizienzsteigerung

Der menschliche Einfluss auf die Maschineneinstellung darf nicht vernachlässigt werden. Hier hilft eine in die Maschinensteuerung integrierte Energiemessung (Wittmann Battenfeld), um die energetischen Auswirkungen bei Prozess-Änderungen sofort feststellen zu können. Bei Ferromatic Milacron ermöglicht das Visualisieren des Energieverbrauchs das Sensibilisiere des Bedieners und die gezielte Prozess-Optimierung im Hinblick auf die Verbrauchswerte. Bei KraussMaffei kann „auf Knopfdruck die energetisch optimale Maschineneinstellung vorgenommen werden."

Entwicklungstrends

Kombination steigert Effizienz

Durch das Zusammenfassen von Fertigungsschritten in automatisierten Fertigungszellen werden Effizienz-Verbesserungen des Spritzgießverfahrens erzielt. Dabei kommen auch andere Kunststoff-Verarbeitungsverfahren zum Einsatz. Die mit Servoantrieben erzielbaren Verbesserungen des Energie-Einsatzes werden zunehmend sowohl in hydraulischen als auch in mechanischen Maschinen genutzt. Bediener erhalten durch die Steuerungen Unterstützung beim Optimieren der Maschinen-Einstellung.