Dezentrale elektrische Antriebe, die bei vollelektrischen und hybriden Spritzgießmaschinen zum Einsatz kommen, sind in der Regel Synchron-Servomotoren. In dieser Gruppe gibt es aber deutliche Unterschiede, die Auswirkungen auf Energieverbrauch und Produktivität der Spritzgießmaschine haben. So genannte High-Torque-Direktantriebe arbeiten im Gegensatz zu herkömmlichen Synchron-Servomotoren bereits in einem niedrigeren Drehzahlbereich mit hohem Drehmoment (High-Torque). Wirkungsgradmindernde Getriebe, die sich negativ auf Energieverbrauch, Dynamik, Präzision und Reproduzierbarkeit der Maschinen auswirken, entfallen. Die minimale Trägheit verbunden mit direkter Kraftübertragung sorgt für hohe Dynamik, Spielfreiheit und hohe Systemsteifheit. Durch den Entfall von Getrieben ist der Antriebsstrang nahezu wartungsfrei und hat damit eine sehr hohe Verfügbarkeit.

Am Beispiel des Dosierantriebes werden die Vorteile bezüglich der Energieeffizienz dieser Antriebe deutlich. Der Dosierantrieb ist in der Regel der größte Energieverbraucher der Spritzgießmaschine. Eine Effizienzsteigerung dieser Achse wirkt sich damit sehr stark auf die Effizienz der Gesamtmaschine aus. Kommen hier High-Torque-Direktantriebe zum Einsatz, entfallen die bei Standard-Synchron-Servomotoren notwendigen Übersetzungen von Drehzahl und Drehmoment mittels Riementrieb oder Planetengetriebe und damit auch die Verluste dieser Komponenten. Der Wirkungsgrad des größten Verbrauchers der Spritzgießmaschine erreicht so Werte über 90 Prozent.
Noch deutlicher macht sich der Vorteil des optimierten Antriebsstranges im Vergleich zu hydraulisch angetriebenen Dosierantrieben bemerkbar. Hydraulisch angetriebene Dosierachsen bestehen in der Regel aus einer ganzen Reihe von Elementen. Ein Motor treibt eine Pumpe an, die das Öl durch Schläuche fördert. Über ein Ventil gelangt dieses zum Hydromotor, der dann die benötigte rotatorische Bewegung erzeugt. Die Wirkungsgrade dieser Elemente multiplizieren sich und der Gesamtwirkungsgrad liegt im Betrieb auf Spritzgießmaschinen selten über 50 Prozent.
Auch bei den weiteren Achsen wie dem Einspritzen, der Werkzeugbewegung oder dem Auswerfer, die lineare Bewegungen benötigen, sind High-Torque-Direktantriebe im Vorteil. Hier kann ebenfalls auf eine Übersetzung von Drehzahl und Drehmoment verzichtet werden, denn die benötigten Werte werden direkt vom Antrieb bereitgestellt. Riementriebe, Planetengetriebe oder andere mechanische Übersetzungen entfallen, was sich positiv in der Massenträgheit des Antriebsstranges bemerkbar macht. Die Dynamik, die Systemsteifheit und die Reproduzierbarkeit der Achsen verbessern sich, was wiederum eine hohe Dynamik mit Reduzierung der Zykluszeit mit sich bringt und damit ebenfalls die Effizienz der Maschine steigert.
Der Kniehebel ist ein gutes Beispiel für eine Technologie, die sowohl zur Reduzierung des Energieverbrauchs als auch zur Erhöhung der Produktivität beiträgt und damit nicht nur den Aufwand, sondern auch den Ertrag positiv beeinflusst. Die optimale Kraft- Geschwindigkeits-charakteristik ermöglicht schnelle Verfahrbewegungen. Die ebenfalls sehr dynamische Ver- und Entriegelung reduziert die Trockenlaufzeiten einer Spritzgießmaschine. Die mechanische Verriegelung ermöglicht ein konstantes Halten der aufgebrachten Schließkraft ohne weitere Energiezufuhr. Da die Verriegelung rein mechanisch ist und sich keine Ölsäule im Kraftverlauf befindet, ist eine Kniehebelschließeinheit zudem sehr steif.

Kniehebel verringert den Energieverbrauch

Eine Renaissance erlebt die Kniehebeltechnologie aktuell durch den Einsatz in vollelektrischen Spritzgießmaschinen. Aber nicht nur hier, sondern auch im Einsatz auf hydraulisch angetriebenen Schließeinheiten trägt der Kniehebel zur Steigerung der Effizienz bei. Hinzu kommen bei hydraulisch angetriebenen Kniehebeln die hohe Verfügbarkeit und die geringen Wartungskosten.

Die Erhöhung der Produktivität ist neben der Verringerung des Energieverbrauchs die zweite wesentliche Stellschraube bei der Verbesserung der Effizienz einer Maschine. Vermeidung von Stillstandszeiten und Verringerung von Ausschuss sind daher erklärte Ziele bei der Entwicklung neuer Produkte. In diese Richtung zielt beispielsweise der Einsatz eines neuartigen Kühl- und Filterkonzepts für das Hydrauliköl der Spritzgießmaschinen. Bei diesem System – von Sumitomo (SHI)Demag unter dem Namen Active Cool + Clean im Angebot – existiert neben dem eigentlichen Druckkreis der Maschine ein weiterer Hydraulikkreis, welcher durch eine kleine, energieeffiziente Flügelzellenpumpe im Niederdruckbereich betrieben wird und ausschließlich den Ölfilter und -kühler versorgt. Dieser zusätzliche Hydraulikkreis arbeitet unabhängig von den anderen Hauptdruckkreisen und erlaubt so die Nutzung eines Ölfeinstfilters. Ein laminarer Ölfluss ohne Pulsation auch während der zyklusbedingten Pausezeiten ermöglicht eine Ölstandszeit von 40000 Stunden. Die Lebensdauer von Pumpen, Ventilen, Zylindern und Dichtungen erhöht sich durch das sehr saubere Öl. Dadurch werden wartungsbedingte Stillstände weitestgehend reduziert. Die Verfügbarkeit und damit die Effizienz der Maschine verbessern sich. Die kontinuierliche Kühlung mit optimalem Wärmeübergang ermöglicht höhere Kühlervorlauftemperaturen, was aufwändige Kühlsysteme überflüssig macht.
Zur Erhöhung der Verfügbarkeit in der Produktion von Spritzgießteilen ist ein schonender Umgang mit dem Spritzgießwerkzeug unerlässlich. Passende Lösungen hierfür sind beispielsweise Linearführungen mit Rollenwälzkörpern für die bewegliche Werkzeugaufspannplatte. Eine solide Konstruktion der Gesamtmaschine ermöglicht Plattenparallelitäten, die deutlich über den Empfehlungen der Euromap liegen. Der Verschleiß der Werkzeuge wird damit deutlich reduziert. Gleichzeitig sorgt ein reduzierter Reibwiderstand in den Führungen ebenfalls für geringere Verluste und damit eine Steigerung der Energieeffizienz.
Ein weiteres System zum Schutz von Spritzgießwerkzeugen ist ActiveQ. Dabei wird der Kraftverlauf beim Schließen des Werkzeugs aufgezeichnet. Auf diese gespeicherte Masterkurve kann in einem frei einstellbaren Achsabstand eine Kontrollkurve gelegt werden. Schneidet nun beispielsweise wegen eines in der Trennebene hängenden Teils bei einer Schließbewegung der aktuell gemessene Kraftverlauf die Kontrollkurve, stoppt die Maschine aktiv die Schließbewegung. Da das System im Gegensatz zu den herkömmlichen Werkzeugschutzsystemen selbst bei voller Verfahrgeschwindigkeit zuverlässig funktioniert, werden kürzeste Werkzeugbewegungszeiten erreicht. Das System sorgt daher nicht nur für einen sicheren Schutz der Spritzgießwerkzeuge sondern auch für eine Reduzierung der Zykluszeit. Die Effizienz des Produktionssystems steigt.

Vermeidung von Ausschuss erhöht die Effizienz

Mit vollelektrischen Spritzgießmaschinen wurden in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte bezüglich Präzision und Reproduzierbarkeit gemacht. Ein Schwachpunkt stellt bei hochpräzisen Teilen jedoch nach wie vor die Rück-stromsperre dar. Hier kommen immer noch Systeme zum Einsatz, die sich nicht aktiv ansteuern lassen. Das Schließverhalten bei herkömmlichen Rückstromsperren – egal ob Ring- oder Kugelrück-stromsperren – ist von verschiedenen Prozessparametern wie zum Beispiel Staudruck, Dekompression, Schmelzehomogenität und Einspritzbewegung abhängig. Erst der durch das Einspritzen entstehende Schmelzedruck schiebt den Sperrring oder die Kugel der Rückstromsperre nach hinten und verschließt diese dadurch. Bis dahin fließt allerdings ein Teil der plastifizierten Schmelze über die Rückstromsperre zurück. Durch übliche Prozess- oder Materialschwankungen variiert auch das Schließverhalten der Rückstromsperre und dadurch die Menge an zurückfließendem Material. Dies sorgt für Schwankungen im Massepolster und beim Schussgewicht, was wiederum zu schwankender Qualität der Spritzgießteile und zu Ausschuss führen kann.

Die schaltbare Rückstromsperre setzt an diesem Punkt an. Ein aktives Schließen der Rückstromsperre am Ende des Dosiervorgangs sorgt für erhöhte Prozesskonstanz. Eine definierte Schließbewegung durch das zurückdrehen der Schnecke und damit das aktive Schließen der Rückstromsperre sorgt für absolut konstantes und aktiv beeinflussbares Schließverhalten. Die Prozesskonstanz wird erhöht, die Schwankungen im Massepolster und im Schussgewicht werden reduziert und die Gefahr von Ausschuss minimiert. Diese neue Technologie kann bei Anwendungen mit höchsten Anforderungen an die Präzision auf vollelektrischen Maschinen zum Einsatz kommen, denn auch die Vermeidung von Ausschuss erhöht die Effizienz.

Kosteneffizienz
Effiziente Spritzgießmaschinen

Vor der Herausforderung, ihre Produkte möglichst effizient herzustellen, stehen Kunststoffverarbeiter nicht erst seit wenigen Jahren. In den letzten Jahren ist aber der Energieverbrauch der Spritzgießmaschinen verstärkt in den Fokus der Anwender gerückt. Energieeffiziente Lösungen sind heute daher Grundlage einer modernen Produktion. Die Effizienz hängt aber nicht alleine vom Energieverbrauch der Spritzgießmaschine ab. Um das Gesamtsystem der Maschine inklusive Werkzeug effektiv zu betreiben, muss neben den Energiekosten auch die Produktivität des Systems betrachtet werden. Eine Maschine, die Ausschuss produziert, ist nicht effizienter als eine Maschine, die wegen Wartungsarbeiten oder Werkzeugschäden nicht produzieren kann.

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Thomas Brettnich, Leiter Technologieentwicklung, Sumitomo (SHI) Demag, Schwaig, thomas.brettnich@dpg.com