Auf insgesamt 100 m2 wurde die gesamte Spritzteilfertigung unter dem Aspekt Energieeffizienz detailliert betrachtet: Vom Produktdesign bis hin zur Produktionsplanung. Als anschauliches Praxisbeispiel zeigte eine vergleichende Fertigung mit zwei verschiedenen Kunststoffen von BASF, Ludwigshafen, wie sich die Energieeffizienz durch angepasste Materialauswahl steigern lässt. Dazu produzierte eine Spritzgießmaschine vom Typ elektrischer Allrounder 370 E von Arburg, Loßburg, zum Vergleich Testbauteile aus einem Standardkunststoff und einem Material, das speziell bezüglich des Fließverhaltens verbessert wurde. Die Funktion „Energiemessung“ der Selogica-Maschinensteuerung zeichnete den Energiebedarf des jeweiligen Prozesses auf. Das Werkzeug für die Maschine lieferte das Unternehmen Formenbau Glittenberg, Frankenberg/Wangershausen.

Höhere Energieeffizienz durch
optimiertes Material

Der Vergleich zeigte, wie ein optimierter Gesamtprozess zu deutlichen Energieeinsparungen im Spritzgieß-Prozess beitragen kann. Abhängig von Bauteilgröße und Geometrie resultieren aus geringeren Verarbeitungstemperaturen und kürzeren Zykluszeiten eine höhere Energieeffizienz und damit geringere Stückkosten. Bei dem neuen Rohstoff handelt es sich um das fließverbesserte Ultramid B3WG6 High Speed (PA 6 mit 30 Prozent Glasfasern). Dieser Thermoplast ermöglicht durch die verbesserte Fließfähigkeit zum Beispiel eine geringere Verarbeitungstemperatur, was zu mehreren Vorteilen hinsichtlich Zeit-, Kosten-, und Energieersparnis führt.
Die verbesserte Fließfähigkeit lässt sich auch auf andere Arten nutzen. Filigrane Strukturen und dünnwandige Teile sind leichter und sicherer zu füllen, die Ausschussquote sinkt, vor allem bei komplexen Geometrien. Der deutlich reduzierte Spritzdruck führt dazu, dass die Werkzeuge weniger starkem Verschleiß ausgesetzt sind. Damit steigen die Betriebszeiten und die Instandhaltungskosten sinken. Durch leichteres Fließen sinkt gerade bei großen Bauteilen der notwendige Spritz- beziehungsweise Fülldruck. Dadurch reduziert sich die Zuhaltekraft und die Verarbeiter können auf kleineren Maschinen produzieren. Zudem werden bei den Werkzeugen weniger Anspritzpunkte oder Heißkanaldüsen benötigt. Trotz dünner Wände lassen sich sogar Bauteile mit vergleichsweise hohem Glasfaseranteil herstellen.

Kältere Schmelze verringert Zykluszeit

Eine besondere Eigenschaft des fließverbesserten Kunststoffes ist auch die Ausbildung einer sehr guten Bauteil-
oberfläche. Die mechanischen Eigenschaften des neuen Materials wie Steifigkeit und Festigkeit liegen in der Größenordnung des Standardkunststoffs.
Bezüglich Energieeffizienz reduziert sich durch das neue Material zunächst die Aufschmelzarbeit der Spritzgießmaschine, die einen Großteil des Gesamtenergiebedarfs ausmacht. Versuche des Ludwigshafener Unternehmens haben gezeigt, dass sich die Zykluszeit durch die um 40 Grad Celsius kältere Verarbeitung um bis zu 30 Prozent verringern kann, was zu einer weiteren Energiereduktion führt. So ließ sich bei den Versuchen, die für viele Standardanwendungen repräsentativ sind, eine auf die Anzahl der hergestellten Teile bezogene Energieeinsparung von insgesamt bis zu 30 Prozent erzielen.

Energieeffiziente Maschinentechnik

Darüber hinaus trägt der elektrische Allrounder 370 E der Baureihe Edrive zur Energieeffizienz der Spritzteilproduktion bei. Diese elektrischen Spritzgießmaschinen zeichnen sich zum Beispiel durch den hohen Wirkungsgrad der servoelektrischen Antriebe und der Kniehebel-Schließeinheit aus. Die Energierückspeisung der Servomotoren beim Abbremsen wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf den Energiebedarf der Maschine aus. Zusammen ergeben diese Faktoren abhängig von der Anwendung eine Verringerung des Energieverbrauchs zwischen 25 und 50 Prozent gegenüber herkömmlichen hydraulischen Standardmaschinen. Als Kennzeichen für die energieoptimierte Arbeitsweise tragen die Maschinen der Edrive-Baureihe das Arburg-Energieeffizienz-Label „e²“.

 

Nachgehakt
Disziplinübergreifende Zusammenarbeit zahlt sich aus

Zu den Hintergründen der Sonderschau, ihrer Zusammenarbeit und den Zukunftsthemen, die sich aus solchen Projekten ergeben, befragte Plastverarbeiter die Verantwortlichen der energieoptimierten
Produktionsanlage: Herbert Kraibühler von Arburg seitens des Maschinenherstellers, Dr. Reinhard Jakobi und Dr. Anka Bernnat vom Materialhersteller BASF. Die Fragen zur Werkzeugtechnik beantwortete Torsten Glittenberg, Formenbau Glittenberg.

Plastverarbeiter: Was war der Ausgangspunkt der Idee zur Sonderschau Energieeffizienz von BASF und Arburg?
Dr. Jakobi:
Beide Firmen arbeiten schon lange an diesem Thema. Es passt sehr gut zu einer unserer strategischen Leitlinien „Wir helfen unseren Kunden, noch erfolgreicher zu sein“. Wenn wir also zeigen können, wie der Verarbeiter energieeffizienter produzieren kann, sind wir dabei.
Kraibühler: Auch unser Leitsatz „Arburg für effizientes Spritzgießen“ spiegelt den hohen Stellenwert des Themas wider. Als Maschinenhersteller liegt es nahe, die Maschine und ihre Möglichkeiten zu betrachten. Bei der Energieeffizienz stehen natürlich elektrische Maschinen bzw. elektrische Antriebe im Vordergrund. Je tiefer man sich an der Maschine mit der Thematik auseinandersetzt, umso eher kommt man zu einer gesamtheitlichen Betrachtung. Und diese haben wir auf der Sonderschau anhand eines „Spinnennetzes“ dargestellt, das den jeweiligen Einfluss der Bereiche Produktdesign, Werkzeugtechnik, Maschinentechnik, Peripherietechnik, Auslegung, Prozessintegration, Prozesssteuerung und Produktionsplanung aufzeigt. Passend dazu hatte auch das beispielhafte Produkt die Form eines Spinnennetzes.

Plastverarbeiter: Wie kam es zu dieser Zusammenarbeit?
Dr. Jakobi:
Wir betreiben einen regelmäßigen Austausch über die Trends bei den Maschinen, bei den Kunststoffen und auch über die Perspektiven des Kunststoffmarktes insgesamt. Das Thema Energieeffizienz betrifft uns beide. Wir hatten auf der letzten Kunststoffmesse ein Highspeed-Polyamid vorgestellt und gezeigt, dass es einen Beitrag zur Energieeffizienz leisten kann.
Kraibühler: Dieser Aspekt ist in der Tat eine neue Richtung in unserer Zusammenarbeit, die schon seit vielen Jahren besteht und mit der Sonderschau nur verstärkt in den Fokus gerückt wird.

Plastverarbeiter: Werden Sie diese Zusammenarbeit forcieren?
Kraibühler:
Wir werden sie intensiv pflegen und weiterbetreiben. Bei neuen Kunststoffprodukten werden wir diese Kooperation noch stärker ausbauen. Ziel ist, dass wir schon in einem relativ frühen Stadium der Produktentwicklung eingreifen und Verbesserungen vornehmen können, um letztlich das Zusammenspiel zwischen Material und Maschine für den Verarbeiter weiter zu optimieren.
Dr. Bernnat: Für ein optimales Bauteil müssen alle Elemente der Prozesskette aufeinander abgestimmt sein: das Material und seine Vorbereitung, die Maschine mit ihrer Schnecke, das Werkzeug, die Konstruktion des Bauteils. Wenn an einer Stelle in dieser Kette ein grober Fehler ist, kann das Teil nicht gut werden. Wir binden daher in Projekten möglichst früh alle Beteiligten ein. Es ist wichtig, dass man immer alle am Tisch hat, vom Heißkanalhersteller über den Maschinenhersteller, den Werkzeugbauer, den Teilekonstrukteur und uns als Rohstofflieferanten.

Plastverarbeiter: Welche Zielsetzung steckte hinter dieser Aktion auf einer der wichtigsten Kunststoffmessen?
Kraibühler:
Wir wollen neben der Energieeffizienz auch eine neue Größe in den Blickpunkt der Verarbeiter rücken, die wir als Produktionseffizienz bezeichnen. Hier steckt mehr dahinter als nur der reine Energieverbrauch. Hinzu kommt die Optimierung von Zykluszeiten und der gesamten Fertigungsorganisation, um letztendlich die Stückkosten zu reduzieren.

Plastverarbeiter: Sehen Sie sich als Wort- oder Technologieführer bei der Energie- oder Produktionseffizienz?
Kraibühler:
Ich denke schon, dass das, was wir hier gemeinsam tun und zeigen, wegweisend ist. Ziel der Sonderschau war jedoch nicht, uns in den Vordergrund zu stellen, sondern das komplexe Thema anschaulich und praxisnah darzustellen und der Fachwelt nahezubringen.
Dr. Bernnat: Wichtig war uns, unter Produktionsbedingungen glaubhaft zu zeigen, dass wir wirklich solche Optimierungsmöglichkeiten haben. Jeder Besucher kann sich mit der Stoppuhr an die Maschine stellen und es nachmessen.

Plastverarbeiter: Welche Energieeinsparungen mit diesem Kunststoff sind auch mit hydraulischen Maschinen möglich?
Kraibühler:
Auf der Messe haben wir eine Energieeinsparung von 15 Prozent ermittelt. Eine Reduzierung in dieser Größenordnung ist auch bei hydraulischen Maschinen möglich. Dann ist zwar der absolute Energieverbrauch etwas höher, aber der Effekt ist, prozentual gesehen, in etwa ähnlich.
Dr. Bernnat: Mit anderen Werkzeugen beziehungsweise einem anderen Produkt konnten wir auch bereits bis zu 30 Prozent messen. Zu berücksichtigen ist natürlich auch immer das Alter und die Technologie der hydraulischen Maschine.

Plastverarbeiter: Gibt es möglicherweise weitere Eigenschaften bei Thermoplasten, die hinsichtlich Energieeffizienz optimiert werden könnten? Wenn ja, gibt es bereits Entwicklungen oder Überlegungen dazu?
Dr. Jakobi:
Für uns als Materialhersteller hört das Thema Energieeffizienz nicht mit dem fertigen Produkt auf, sondern es geht weiter: Wofür wird das Bauteil eingesetzt? Im Automobilbau beispielsweise spielt das Gewicht des Bauteils – Stichwort Leichtbau – eine wesentliche Rolle bei der Energieeffizienz. Wenn wir das Thema Energieeffizienz über die gesamte Lebensdauer aufgreifen, dann kommen viele Dinge hinzu.

Plastverarbeiter: Herr Kraibühler, wie sehen die Spritzgießmaschinen der Zukunft aus?
Kraibühler:
Genau betrachtet bestimmt der Prozess die Maschine. Und ich sehe in Zukunft keine wesentlichen Prozessveränderungen. Das Grundprinzip des Spritzgießens wird bestehen bleiben. Ein Schritt in die Zukunft sind elektrische Maschinen und Antriebe. Eine Sache, die wir zum Beispiel zur letzten K-Messe zusammen mit Siemens aufgegriffen haben, ist das Hochgeschwindigkeits-Spritzgießen. Das haben wir mit einem Linearmotor umgesetzt, der ein geregeltes Einspritzen mit extrem hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten von bis zu 2.000 mm/s ermöglicht. Das eröffnet neue Möglichkeiten bei Dünnwandanwendungen. Hierbei ist es mir jedoch wichtig zu betonen, dass nicht immer eine elektrische Maschine die beste Lösung ist. Vielmehr gilt es, die Maschine anwendungsspezifisch zu konfigurieren und dabei auch Antriebskonzepte so zu kombinieren, dass eine
effiziente Spritzgießlösung entsteht.

Plastverarbeiter: Können Sie einen Trend hin zu großen Maschinen beobachten?
Kraibühler:
Diesen Trend gibt es durchaus. Ein Grund ist, dass sich die Prozesstechnik in Verbindung beispielsweise mit Mehrfachkavitäten verbessert hat. Das gilt zum einen für die Maschine, aber auch für die Werkzeugtechnologie.

Plastverarbeiter:     Wo liegen die Herausforderungen für den Werkzeugbau? Was ist heute möglich, was möglicherweise in der Zukunft?
Glittenberg:
Spritzgießwerkzeuge müssen zunehmend im Hinblick auf das zu verarbeitende Material konzipiert werden. Hierbei sind rheologische und thermische Auslegung von enormer Bedeutung. Durch Simulationen kann man schon heute viele Potenziale in der Konstruktionsphase erkennen und ausschöpfen. Eine Simulation die noch mehr Einflussgrößen, als derzeit möglich, korrekt berücksichtigen kann, wird wahrscheinlich zukünftig helfen, auch Wirkungsgrade im Hinblick auf Energieeffizienz früh zu optimieren.

Plastverarbeiter:     Wie sehen die Werkzeuge der Zukunft aus? Welche Eigenschaften können noch optimiert werden?
Glittenberg: Spritzgießwerkzeuge werden weiter an Komplexität zunehmen, da mit den Herstellungsmöglichkeiten und der wachsenden Vielfalt an Verfahren auch die Anforderungen an die Werkzeuge steigen. In Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit von gehärteten abrasionsbeständigen Stählen besteht auch in Zukunft sicherlich noch Entwicklungsbedarf. Die Weiterentwicklung bezüglich der Werkzeugtechnik und einzelner Komponenten ist unsere kontinuierliche Aufgabe.

Plastverarbeiter: Welche Rolle spielt der Heißkanal für leicht fließende Materialien, Stichwort Schussvolumen?
Glittenberg:
Durch den Einsatz leicht fließender Materialien ist es möglich, Querschnitte im Heißkanalsystem zu verringern. Hierdurch sinken das Massevolumen im Heißkanal und die damit verbundene Heizleistung. Bereits in der Vergangenheit haben wir beim Heißkanalhersteller Witosa Konzepte erarbeitet die eine optimierte Ausnutzung der Energieeffizienz von leicht fließenden Materialien gewährleisten.
Dr. Jakobi: Auf den ersten Blick braucht der Heißkanal zusätzlich Energie. Auf der anderen Seite spart er aber viel Angussmaterial. Wenn Sie dann die energetische Betrachtung dahingehend erweitern, dass dieses Material wieder eingeschmolzen oder anderweitig verwertet werden muss, spielt der Heißkanal als solcher eine ganz wichtige Rolle.

Plastverarbeiter: Welchen Einfluss hat das Werkzeug auf die Energieeinsparung?
Kraibühler:
Einen ganz Entscheidenden, beispielsweise im Hinblick auf die Prozessstabiliät. Wir als Maschinenhersteller können den Werkzeugbereich zwar nur indirekt beeinflussen, geben jedoch die Informationen und Erfahrungen, die wir aus den Energiebetrachtungen gewinnen direkt an unsere Partner aus dem Werkzeugbau weiter.
Glittenberg: Sie haben Recht, es hat einen hohen Einfluss auf die mögliche Energieeinsparung, da im Spritzgießwerkzeug sämtliche Anforderungen an Produkt und Prozess zur Energieeinsparung umsetzbar sein müssen. Ohne optimale Temperierung, Entlüftung und Isolation an den notwendigen Stellen ist eine Energieeinsparung nicht oder nur sehr begrenzt umsetzbar.
Dr. Bernnat: Ja, aber Einfluss hat nicht nur die Werkzeug-, sondern auch die Bauteilkonstruktion an sich. Eine Dickstelle im Werkzeug, wo die Wärme nur mühsam abgeführt werden kann, verlängert die Zyklen und macht viele Bemühungen schnell zunichte. Also ist es wesentlich, dass die Geometrie des Teils ebenfalls auf schnelle Zyklen und hohe Energieeffizenz ausgelegt ist.

Plastverarbeiter: Ist eine weitere Steigerung der Energieeffizienz in disziplinübergreifenden Projekt-Kooperationen möglich?
Kraibühler:
Bei der gesamtheitlichen Betrachtung und Optimierung der Energieeffizienz sind wir noch nicht am Ende.
Glittenberg: Ich gehe sogar noch weiter: Ohne diese Kooperationen wird man künftig keine wirklich zufriedenstellende Lösung erreichen können. Denn wer nicht alle Einflussgrößen betrachtet, kann nie die optimale Lösung für seine Komponente im Gesamtsystem finden.

Plastverarbeiter: Welche Rolle spielt der Werkzeughersteller in der „Energie-Kette“ Spritzgießmaschinenhersteller – Materialhersteller – Produktdesigner?
Glittenberg:
Nun, für alle Beteiligten gilt: Das schwächste Glied bestimmt die maximale Energieeffizienz. Dieser Herausforderung muss sich der Werkzeugmacher ebenso wie die anderen Prozessbeteiligten stellen.

Plastverarbeiter: Wie hoch ist die mögliche Einflussnahme des Werkzeugherstellers auf das Produktdesign?
Glittenberg:
Der Einfluss ist in den letzten Jahren stark gestiegen, da in vielen Bereichen die Werkzeugkonzepte, Funktionen und Spritzprozesse derart komplex geworden sind, dass die Designer gerne auf die Unterstützung des Werkzeugherstellers zurückgreifen. Ferner sehen wir die Form als Negativabdruck des Artikels und haben daher zumeist durch diese andere Denkweise die Möglichkeit ungenutzte Verbesserungspotenziale hinsichtlich Herstellbarkeit, Energieeffizienz und anderer Aspekte schon in der Phase des Artikeldesigns auszuschöpfen.

Plastverarbeiter: Die Energieeffizienz war einer der Innovationstreiber der letzten Jahre. Was kommt nach Energieeffizienz?
Dr. Jakobi:
Das Thema dünnwandige Teile beschäftigt uns heute schon für morgen. Dabei geht es um Materialeffizienz. Außerdem beschäftigen mich als Leiter eines Technikums auch neue Verarbeitungsverfahren für solche Teile. Ein Stichwort dabei ist die variable Temperierung, denn auch hier spielt die Energieeffizienz eine große Rolle.
Dr. Kraibühler: Wie erwähnt ist Energieeffizienz der erste Schritt in Richtung Produktionseffizienz, die bei künftigen Entwicklungen immer im Fokus stehen wird.

Plastverarbeiter: Das heißt, im Spritzgießprozess gibt es beim Materialverbrauch durchaus noch Optimierungspotenzial?
Kraibühler:
Ja. Nicht in der Breite, aber in speziellen Fällen werden wir in der Zukunft durchaus in der Lage sein, Teile herzustellen, die wir bisher noch nicht herstellen konnten. Bezogen auf die Maschine wird hier vor allem das Hochgeschwindigkeitsspritzgießen neue Möglichkeiten eröffnen.

Plastverarbeiter: Und aus Sicht des Werkzeugbaus? Welches Thema wird zukünftig Einfluss auf die Stückkostenminimierung nehmen?
Glittenberg:
Die Prozessüberwachung und -regelung anhand von Messwerten die im Spritzgießwerkzeug in der Kavität oder kavitätsnah ermittelt werden, ist ein Thema das schon heute sehr viel Beachtung findet. Durch Reduktion von PPM-Quoten, Verbesserung der Prozessüberwachung und Regelung kann der Aufwand für die eigentliche Qualitätskontrolle stark minimiert werden, wodurch zukünftig hohe Einsparpotenziale möglich sind.

 

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Georg Sposny/Christine Koblmiller