Fitnesskur für Spritzgießmaschinen

Der Spritzgieß-Maschinen-Hersteller Sumitomo (SHI) Demag, Schwaig, hat mit dem neuen Pumpenantrieb smartDrive eine Möglichkeit entwickelt, jede Zyklusphase einzeln einzustellen und somit die dynamische Leistungsanpassung des Pumpenantriebsmotors zu verbessern. Das Nachrüsten der Maschine mit dem drehzahlgeregelten Pumpenantrieb ist ein einfacher Weg zu einem deutlich geringeren Energieverbrauch und folglich zu mehr Wirtschaftlichkeit. Denn es genügt, einen Frequenzumrichter vor den asynchronen Pumpenantriebsmotor zu installieren, um dessen Drehzahl regeln zu können.

Frequenzumrichter an jede Prozessphase anpassen

Die Funktionen des nachgerüsteten Antriebs lassen sich über die NC4-Steuerung der Maschine bedienen. Mit einem Programmschalter wird die Maschine vom Standardbetrieb in den Energiesparmodus geschaltet. Jede Prozessphase und jede Maschinenachse kann anschließend vom Bediener flexibel in die Energiesparfunktion des Antriebs hinzu- oder weggeschaltet werden. Beispielsweise kann während des Spritzgießprozesses die Einspritzphase im Standardbetrieb, die Nachdruckphase im Energiesparmodus gefahren werden. Die Funktion „Hohe Dynamik“ ermöglicht die dynamische Drehzahlanhebung des Pumpenantriebs vor dem eigentlichen Start einer Maschinenachse. Die angezeigten Zeitwerte der Ruhe- und der aktiven Phasen, bezogen auf die Gesamtzykluszeit, ermöglichen dem Bediener eine exakte energetische Zyklusanalyse. Da der Anwender flexibel die Energiesparfunktion den einzelnen Maschinenachsen und Prozessphasen zuordnen kann und nicht auf den kompletten Zyklus wirken lassen muss, bietet diese Technik Vorteile gegenüber Frequenzumrichtern, die nach anderen Konzepten arbeiten. Zumal es Funktionen gibt, bei denen Umrichter zu langsam reagieren würden und somit zum Beispiel Zykluszeit, Prozesssicherheit oder Produktqualität verloren gehen könnten. Möchte ein Betreiber auf seiner Spritzgieß-Maschine bestimmte Teile bei ausgeschaltetem Energiesparmodus fertigen, ist auch dies möglich.

Je nach Einstellung der bedienbaren Umrichtersteuerung passt sich die Motordrehzahl automatisch den zyklusbedingten Erfordernissen an und hält für jede Zyklussequenz nur die Leistung bereit, die die Maschine benötigt. Durch dieses dynamische Abstimmen auf alle Phasen des Spritzgießzyklus lassen sich bestmögliche Wirkungsgrade bei minimalen Verlusten erreichen. Das gilt vornehmlich für den Teillast- und Leerlauf-Betrieb sowie für Werkzeug-, Rüst- und Einrichtvorgänge. Bei einer längeren Umlaufphase im Zyklus sinkt der Gesamtverbrauch zusätzlich, da in dieser Stufe prozentual höhere Einsparungen auftreten. Weitere Vorteile des drehzahlgeregelten Antriebs sind ein geringerer mechanischer Verschleiß des Pumpenantriebs und der Pumpen, weil der Motor in vielen Phasen mit niedrigerer Drehzahl läuft. Zudem kommt das Hydrauliksystem wegen des meist kleineren Pumpendrucks mit weniger Ölkühlung aus. Die neue Technik reduziert die Geräuschentwicklung der Maschinen.

Einsparpotenzial von bis zu 40 Prozent

Das Einsparpotenzial liegt beispielsweise bei einer Automotive-Anwendung (Zykluszeit 61 Sekunden) bei 18 Prozent elektrischer Energie, bezogen auf den Gesamtverbrauch am Motor. Bei einer Consumer-Produktion sind bei einem Zyklus von 30 Sekunden sogar 26 Prozent möglich. Die Unterschiede in der Energieeinsparung der beiden genannten Beispiele basieren auf den verschiedenen Zykluszeiten und Prozessen und darauf, dass das Reduzieren der Drehzahl in den betreffenden Phasen nicht möglich ist. Infolgedessen ist das Einsparpotenzial, das nach Erfahrungen des Herstellers zwischen 15 und 40 Prozent variiert, in dem Fall kleiner. Im Allgemeinen greift das Senken des Kilowattstunden-Verbrauchs bei Zyklusphasen ab 15 Sekunden Länge, in denen die Pumpe nicht in Voll-Last arbeitet. Vor der Entscheidung für einen neuen Pumpenantrieb lässt sich der Energieverbrauch des Spritzgießprozesses und der Zyklusphasen messen. Aus den Informationen hinsichtlich des tatsächlichen Energieverbrauchs für die einzelnen Produktionsteile lässt sich ableiten, wie viel Energie der Anwender durch das Nachrüsten des drehzahlgeregelten Pumpenantriebs sparen würde.

Im Praxiseinsatz bewährt

Das neue System bewährt sich mittlerweile bei vielen Anwendern in der Praxis. So etwa bei Mann+Hummel, Ludwigsburg, Entwicklungspartner und Serienlieferant der internationalen Automobil- und Maschinenbauindustrie. Der Hersteller arbeitet mit einer Spritzgieß-Maschine Ergotech 500 System, die über 5.000 kN Schließkraft verfügt und mit einer NC4-Steuerung ausgestattet ist. In einem Projekt, das auf einen reduzierten CO2-Ausstoß abzielt, hat man einen drehzahlgeregelten Antrieb in die Maschine integrieren lassen. Dr.-Ing. Alrun Spennemann, Projektleiterin im Leitteam Spritzgießen und Schweißen beim Ludwigsburger Unternehmen ist mit dem Resultat der Modernisierungsmaßnahme zufrieden: „Das Nachrüsten hat gut funktioniert. Innerhalb eines Tages war die Spritzgieß-Maschine komplett umgerüstet. Mit dieser dynamischen Leistungsanpassung konnten wir bei einem unserer Dauerläufer den Energieverbrauch am Motor um 18 Prozent senken. Wir sind mit der Lösung sehr zufrieden und haben deshalb bereits eine zweite Ergotech, mit 8.000 kN Schließkraft nachrüsten lassen.“

Ergänzende Maßnahmen

Während eines Retrofits lassen sich noch weitere Vorkehrungen treffen, um weniger Strom zu verbrauchen. Als Beispiel dafür sind vor allem reduzierte Stromlast-Spitzen zu nennen. Hinzu kommen die Isolierung der Zylinderheizung, eine Blindstrom-Kompensation und eine geringere Stromlast beim Ölvorwärmen. Außerdem ist es möglich, mit kürzerer Einschaltdauer aufzuheizen, nach einer Zyklusunterbrechung im Automatikbetrieb zweistufig abzusenken und eine Schnittstelle für ein externes Stromlast-Überwachungsgerät einzurichten.

Darüber hinaus profitieren die Betreiber davon, dass der Frequenzumrichter beim Retrofit in einem externen Schaltschrank installiert wird. Somit können der Schaltschrank und der Umrichter nach der ökonomisch sinnvollen Nutzungsdauer der betreffenden Maschine am nächsten Modell wieder verwendet werden. Vor diesem Hintergrund dürfte es auch lukrativ sein, ältere Maschinen umzurüsten, selbst wenn wegen einer wahrscheinlich kurzen Restlaufzeit keine Amortisation der Investition, bezogen auf diese Maschine, zu erwarten wäre.

Neue Technologien

Drehzahlregelung

Das Nachrüsten eines drehzahlgeregelten Pumpenantriebs für hydraulische Spritzgieß-Maschinen kann bei einem Retrofit zu Energieeinsparungen bis zu 40 Prozent führen. Der Spritzgieß-Maschinen-Hersteller Sumitomo (SHI) Demag belegt dies mit dem Frequenzumrichter Smartdrive. Diese Technik reagiert schnell und flexibel auf die Eingaben des Bedieners. Jede Prozessphase und jede Maschinenachse kann in die Energiesparfunktion des Antriebs hinzu- oder weggeschaltet werden. Die angezeigten Zeitwerte der Ruhe- und der aktiven Phasen, bezogen auf die Gesamtzykluszeit, ermöglichen dem Bediener eine exakte energetische Zyklusanalyse. Der Pumpenantriebsmotor und die Pumpen verschleißen weniger aufgrund dass der Motor in vielen Phasen mit niedrigerer Drehzahl läuft. Das Hydrauliksystem kommt wegen des meist kleineren Pumpendrucks mit weniger Ölkühlung aus. Die neue Technik reduziert zudem die Geräuschentwicklung der Maschinen.

„Innerhalb eines Tages war die Spritzgieß-Maschine umgerüstet.“
Dr.-Ing. Alrun Spennemann, Mann+Hummel