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Übereinstimmend bestätigen die Firmen Arburg, Ferromatik Milacron und KraussMaffei den schon im vorigen Jahr sich abzeichnenden Trend beim Spritzgießen, Verfahren zu kombinieren. Dazu schreibt Arburg, ein Trend sei, „die Effizienz der Spritzteil-Produktion durch Kombination mit anderen Verfahren weiter zu steigern. Dazu zählen zum Beispiel Compoundieren, PUR-Schäumen, Bedrucken oder UV-Lackieren. Für das Verketten der einzelnen Produktions-Schritte ist vielfach Automation gefragt. Neben linearen Robot-Systemen kommen dabei verstärkt Sechs-Achs-Roboter zum Einsatz, die sich durch eine große Bewegungsfreiheit und eine kleine Aufstell-fläche auszeichnen. Dadurch lassen sich unter anderem teure Zwischenlager sparen und komplexe Produkte in nur einem Prozess zuverlässig und in hoher Teilequalität herstellen. „Ferromatik Milacron sieht nach wie vor in der „Kombination unterschiedlicher Sonderverfahren einen wichtigen Schritt zur Lösung von Produktions-Anforderungen. Dies zeigt sich gerade im Zusammenhang mit der Mehrkomponenten-Technik.“ „Mit kombinierten Prozess-Lösungen, so genannten Einstufen-Prozessen, können Anwender“ nach KraussMaffei „enorme Effizienz-Steigerungen erzielen“. Erreicht wird dies „durch die Kombination von Spritzgieß-, Extrusions- und Reaktions-Technik sowie eine darauf abgestimmte Automation auf der Prozess-Seite“. Daneben ergeben sich durch diese Kombination logistische Vorteile. So wird als Beispiel eine Produktions-Zelle zur einstufigen Herstellung komplexer Drei-Komponenten-Bauteile
mit erweiterten Funktionen angeführt, in der eine Wendeplatten-Spritzgießmaschine, eine Hochdruck-PUR-Misch- und Dosier-Einheit, ein Industrie-Roboter, eine Beschnitt-Einheit und eine Montage-Station zusammengefasst sind.

Intelligente Werkzeug- und
Kontrollkonzepte

Auf die Integration zusätzlicher Verfahrens-Schritte in den Spritzgießprozess verweist Männer, und führt die optische Kontrolle der Teile unter Nutzung der festen Position im Werkzeug an. Wird dazu ein umlaufendes Werkzeug-System verwendet, beeinflusst der Kontrollvorgang nicht die Zykluszeit, die sich sogar verkürzt, da Abkühlung und Entformung außerhalb des Formschlusses erfolgen. Dieses Prinzip erlaubt auch die variotherme Betriebsweise mit ihren auf die Teilequalität bezogenen Vorteilen ohne Zykluszeit-Relevanz infolge der außen liegenden Abkühlung. Nutzung „intelligenter Werkzeug-Konzepte“ wird als Trend auch von Ferromatik Milacron berichtet. Dieser wird durch die „Würfel- und Doppelwürfel-Technik“ gesetzt und ermöglicht die Zykluszeit-Reduzierung durch „Kühlung und Entnahme im laufenden Zyklus“, also parallel zum nächsten Schuss. Gleiches wird nach Wittmann Battenfeld auch mit Tandemwerkzeugen erreicht, bei denen in einem Werkzeug noch die Kühlung erfolgt, während in das zweite gegebenenfalls für ein anders geformtes Teil eingespritzt wird. Kameragestützte, vom Betrachter unabhängige Inspektionssysteme zur Qualitätskontrolle beziehungsweise zur Nachregelung des Spritzgießprozesses werden als verfahrenstechnischer Trend von Wittmann Battenfeld mitgeteilt. Die Anwendung eines solchen Systems dient einerseits der 100-prozentigen Qualitätssicherung einschließlich automatischer Gut-/Schlechtteil-Erkennung mit Selektion. Andererseits kann es zum Beispiel in die Regelung der Werkzeug-Temperatur eingreifen und so die Prozess-Stabilität sicherstellen.

Materialkombinationen steigern Wert

Wie bei den Verfahren erfolgt auch die Kombination neuer Materialien miteinander, um einbaufertige Teile herzustellen, berichtet Arburg. Diese Teile „enthalten bereits bestimmte Funktionen in Bezug auf Haptik, Beweglichkeit oder auf Steifigkeit, Dichtigkeit oder Leitfähigkeit. Dabei wird vermehrt das Montage-Spritzgießen zum Einsatz kommen.“ Nach wie vor stellen Material-Modifikationen Anforderungen an das Spritzgießverfahren, wie Ferromatik Milacron ausführt. Dies betrifft die Umsetzung von Produkten mit Biopolymeren oder natürlichen Werkstoffen, wozu auch WPC als „naturstoffgefülltes“ Polymer gehört. Arburg sieht diese Anforderungen gegeben durch die Erweiterung des Einsatz-Spektrums langfaserverstärkter oder keramikgefüllter Kunststoffe, die beispielsweise aufgrund ihrer Stabilität auch in sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt werden können, wie als tragendes Element im Motorraum oder im Innenraum als Ersatz von Stahl im Autositz. Ebenfalls als „weitere Trends sind derzeit Hybrid-Bauteile als Kunststoff-Metall-Verbund-Teile sowie das Mikro-Spritzgießen und allgemein die Miniaturisierung von Bauteilen, ob nun in der Elektronik-, der Automobil- oder der Medizin-Branche“ zu nennen sowie das Spritzpräge-Verfahren, das für eine besonders hohe Formgenauigkeit und Teilequalität zum Beispiel bei der Herstellung von Hybrid-Optiken sorgt.
Im Bestreben, Zykluszeiten und Energieverbrauch zu verringern, verweist Boy auf die Notwendigkeit, Entfall oder Minimierung des Angusses zu erreichen. Für das Fertigen von Mikroteilen wird nach Männer zunehmend die Kolben-Einspritzung verwendet, da hiermit eine höhere Präzision und reproduzierbare Schuss-Gewichte im Milligramm-Bereich erzielt werden.

Modularer Maschinenaufbau

Zur Maschinentechnik stellt Ferromatik Milacron fest, dass aus ihrer Sicht „das klassische Denken in Maschinen-Baureihen veraltet ist. Unterschiedlichste und vor allem schnell wechselnde Anforderungen an die Maschinentechnik in der laufenden Produktion benötigen flexible und nachrüstbare Modul-Systeme. Es gibt also in naher Zukunft keine klassischen vollelektrischen oder hydraulischen Maschinen mehr, sondern vielmehr frei zusammenstellbare, meist hybride Konzepte. Ein weiterer Schwerpunkt sind energieeffiziente Antriebe, gepaart mit einer intelligenten Maschinen-Steuerung zur Vermeidung unnötiger Verbrauchs-Spitzen und fehlerhafter Maschinen-Einstellungen.“ Dem entspricht auch die Mitteilung von Arburg, wonach „die Modularität von Maschinen und Anlagen zunehmend ausgebaut wird, um eine individuelle und ganz exakt für die jeweilige Anwendung passende Auslegung zu ermöglichen.“
Weiterhin „liegen komplexe Fertigungszellen im Trend mit einer zentralen Steuerung, die als Einstell- und Kontrollsystem für den gesamten Spritzgießprozess fungiert und auch die Programmierung von integrierten Robot-Systemen und Peripherie-Geräten umfasst. Moderne Steuerungen unterstützen die Einrichter, angefangen vom menügeführten Werkzeug- Aus- beziehungsweise -Einbau bis zum Teachen des gesamten Produktions-Ablaufs. Damit lassen sich Arbeitsabläufe effizienter gestalten, und das ohne Detail-Kenntnisse der Steuerung.“
KraussMaffei verweist auf einen anhaltenden Trend zu Wendeplatten-Maschinen für das Mehrkomponenten-Spritzgießen, „da diese viele Vorteile für die Werkzeug- und Prozess-Technik bieten.“ Ebenfalls wird ein steigender Bedarf an automatisierten Produktions-Zellen gesehen infolge der weiter steigenden Nachfrage nach Automations-Lösungen. Die Kunden haben „zunehmend den Mehrwert einer optimierten Fertigungszelle mit einfacher Steuerungsintegration erkannt.“ Durch entsprechende Vorarbeit mit frühzeitigem Abstimmen von Spritzgießmaschine und Roboter wird die „Konstanz im nachfolgenden Herstellungsprozess erhöht, was wiederum reduzierte Kosten auf der Produzenten-Seite zur Folge hat.“ Gegenüber herkömmlichen Lösungen lassen sich so bis zu 40 % an Aufstellungsfläche einsparen. Auch Boy verweist auf moderne Steuerungstechnik, die bedienerfreundlich und präzise arbeitet, optimale Qualitätskonstanz, Dokumentation und Information liefert und „in punkto Effizienz viel erreichen kann.“ Durch Verwendung einer Hardware-Komponente zusätzlich zum Industrie-PC ist es möglich, die Zykluszeit zu verkürzen und gleichzeitig die Zyklus-Konstanz von 50 % zu erhöhen. Bei hydraulischen Maschinen wird die Dynamik von Fahrbewegungen verbessert durch ein erhöhtes Pump-Volumen sowie den Einsatz von so genannten Eilgang-Kolben.
Neben der zunehmenden Automatisierung in der Maschine, die Wittmann Battenfeld anführt, verweisen KraussMaffei und Windsor auf den Trend der zunehmenden Verbreitung vollelektrischer Maschinen, nach ersterer im unteren und mittleren Schließkraft-Bereich, während letztere auch hohe Schließkraft-Bereiche mit einschließt.
Auch in der Antriebstechnik ist nach Arburg Modularität gefragt, „von voll-elektrisch bis vollhydraulisch und das zusätzlich in jeweils unterschiedlichen Leistungs-Klassen.“ Unabhängig davon setzen sich laut Arburg künftig verstärkt servoelektrische Antriebe durch. „Neben ihrer energieeffizienten Arbeitsweise spricht für sie die hohe Positionier-Genauigkeit und eine entsprechend hohe Reproduzierbarkeit und Teile-Qualität. Schnelle und gleichzeitige Bewegungen sorgen außerdem gegenüber hydraulisch angetriebenen Maschinen für eine deutliche Zykluszeit-Reduktion“. Auch Windsor hebt diese Vorteile servoelektrisch angetriebener Maschinen hervor. Hohe Leistungen und Beschleunigungen sind auch bei Großmaschinen mit exakt synchronisiert arbeitenden Doppel-Antrieben zu erreichen.
Vor allem für Pumpen-Antriebe bei hydraulischen Maschinen kommen Servomotoren und drehzahlgeregelte Antriebe verstärkt zum Einsatz, wie Boy, Ferromatik Milacron, KraussMaffei und Wittmann Battenfeld hervorheben, was die Effizienz dieser Maschinen hinsichtlich des Energieverbrauchs wesentlich steigert, da wie Ferromatik Milacron ausführt, die Pumpen nur Energie verbrauchen, wenn Leistung gefordert wird. Weitere Vorteile ergeben sich, wie Boy darstellt, durch gesteigerte Präzision und Dynamik sowie verringerte Geräusch-Emission. Boy sieht sogar die Möglichkeit, dass diese „Technologie die Energieeffizienz von elektromechanisch angetriebenen Maschinen übertrifft, ohne deren Nachteile in Bezug auf den Verschleiß der mechanischen Komponenten hinnehmen zu müssen“ und erklärt dies im wesentlichen damit, „dass alle Maschinenfunktionen über nur einen Antrieb und nur einen Umrichter gesteuert werden.“
Neue Anwendungen für die Maschinen werden vielfältig benannt. Dazu zählen LED-Lampen in der Beleuchtungstechnik, die herkömmliche Glühbirnen ersetzen und hybride Leichtbauteile (Arburg) sowie Struktur-Leichtbauteile mit Organo-Blechen und Leichtbauteile mittels Direkt-Compoundieren (KraussMaffei), die dem Trend zur Elektro-Mobilität in der Automobil-Industrie entgegen kommen. Herstellung kratzfester Bauteile durch Beschichten im Werkzeug (KraussMaffei), Hochglanz-Formteile mittels Variotherm-Technologie (Männer, Wittmann Battenfeld) und verstärkt Formteile, die mittels „Power Injection Molding“ gefertigt werden (Boy, Wittmann Battenfeld), wozu Wittmann Battenfeld ausführt, dass diese Formteile aus metallischen und keramischen Formmassen in immer komplexerer Form und immer höheren Stückzahlen benötigt werden und das reine mechanische Fertigen dieser Teile unrentabel ist. Der allgemeine Trend zur Miniaturisierung verlangt zunehmend spritzgegossene Mikroteile (Boy, Männer); mit schnell laufenden Maschinen hoher Steifigkeit und Dynamik werden Konsum- und Verpackungsteile in Dünnwand-Technik gefertigt (Boy, Ferromatic Milacron) und für Strukturschaum-Teile erfolgt die Begasung der Kunststoff-Schmelze physikalisch (Wittmann Battenfeld).

Energierückgewinnung durch Antriebe

Energie-Effizienz hängt auch vom Verhalten der Betreiber ab. Folgerichtig visualisieren Maschinen-Hersteller den Energieverbrauch, um so wie Ferromatik Milacron schreibt, „eine Sensibilisierung des Bedieners und die gezielte Prozess-Optimierung im Hinblick auf die Verbrauchswerte“ zu erreichen. Die Energie-Messung und Darstellung in grafischer und numerischer Form sprechen auch Fanuc, KraussMaffei und Wittmann Battenfeld an, um energetische Auswirkungen bei Prozess-Änderungen sofort und direkt an der Maschine feststellen zu können. KraussMaffei schließt die Peripherie im Maschinen-Umfeld in diese Betrachtung mit ein. Der Einsatz von Servomotoren hilft, Energiekosten zu senken, da diese Antriebe hohe Wirkungsgrade aufweisen und die Energierückspeisung bei Abbrems-Vorgängen zulassen, wie Arburg, Fanuc, Windsor und Wittmann Battenfeld angeben. Fanuc konkretisiert, dass die rückgespeiste Energie aus dem Abbremsen beim Schließen des Werkzeugs und dem Öffnen des Werkzeugs nach der Zuhaltung generiert wird. Die so erzeugte Energie beträgt etwa 10 % der insgesamt eingesparten Energie. Dazu muss von mindestens 40 bis 60 % an Energie-Ersparnis beim Einsatz elektrischer Maschinen gegenüber hydraulischen Maschinen ausgegangen werden. Aber auch bei diesen erfolgen Maßnahmen zur Energie-
Einsparung, wie der schon angesprochene Einsatz drehzahlgeregelter Antriebe der Pumpen und der ausschließliche Einsatz von Motoren der höchsten Wirkungsgrad-Klasse EFF1, wie Arburg mitteilt. Bei allen Maschinen findet man isolierte Plastifizier-Einheiten zur Verminderung des Energie-Einsatzes, wie Arburg, Boy und KraussMaffei angeben.

Entwicklungstrends
Werkzeugfunktionen verbessern das Spritzgießverfahren

Rotierende Werkzeug-Systeme oder hintereinander angeordnete Werkzeuge verbessern das Spritzgießverfahren dahingehend, dass mit höheren Werkzeug-Temperaturen gearbeitet werden kann zur Erzielung besserer Teile-Qualität, ohne dafür die Zykluszeit zu verlängern. Die Abkühlung erfolgt außerhalb des Formschlusses beziehungsweise von der Düsenseite abgewandt, während ein neues Teil schon eingespritzt wird. Bei normaler Betriebsweise lassen sich mit diesen Werkzeugen Zykluszeiten erheblich verkürzen. Das Verwenden der Modulbauweise bei den Baugruppen der Spritzgießmaschinen erlaubt zukünftig, die Maschinen für den jeweiligen Anwendungsfall optimal zu konfigurieren. Damit wird neben anderen Maßnahmen auch der Forderung nach geringstmöglichem Energie-Aufwand entsprochen. Zunehmend werden aus diesem Grund elektrische Servoantriebe eingesetzt, die auch elektrische Energie aus entsprechenden Maschinen-Funktionen zurückspeisen. Bei hydraulischen Maschinen nehmen drehzahlregelbare Pumpenantriebe zu.

 

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Prof. Werner Hoffmanns