Das Unternehmen Häfner & Krullmann aus Leopoldshöhe bei Bielefeld entwickelt, konstruiert und produziert seit über 60 Jahren Formteile aus thermoplastischen Kunststoffen, darunter hautpsächlich Spulen und Behälter für den Umweltschutz. Damit das in einem anspruchsvollen Wettbewerbsumfeld auch in Zukunft so bleibt, arbeitet das mittelständische Unternehmen ständig daran, seine technische Kompetenz zu verbessern und gleichzeitig Kosten zu senken, wozu nicht zuletzt die Energiekosten der Spritzgießmaschinen zählen. So stand die Modernisierung zweier mechanisch noch gut erhaltener, steuerungs- und antriebstechnisch aber nicht mehr zeitgemäßer Spritzgießmaschinen mit Schließkräften von 2.500 KN und 3.200 KN auch im Zeichen der Energieeffizienz.

Durch vergleichbare Retrofit-Projekte aufmerksam geworden, hatten sich die Verantwortlichen gleich auf die Hydraulikaggregate konzentriert. Neue, prozessgerecht geregelte Servomotoren von Siemens an ebenfalls neuen Hydraulikpumpen von Voith Turbo H + L Hydraulic sollten die nicht mehr zeitgemäßen Schwenkwinkel- bzw. Konstantpumpen mit Asynchronmotoren der über 20 Jahre lang bewährten Spritzgießmaschinen ersetzen.

Retrofits aus einem Guss

Mit der Umsetzung betraut wurde International Industry Service, ein junger Systemintegrator aus Meinerzhagen bei Dortmund, der sich unter anderem auf umfassende elektrische Retrofits an Spritzgießmaschinen spezialisiert hat. In Absprache mit den Herstellern wurden für beide Maschinen geeignete Kombinationen aus je einer Zahnradpumpe der Baureihe IPVP und einem wassergekühlten Kompakt-Synchronmotor des Typs 1PH8 spezifiziert. Die Motoren sind eine der jüngsten Entwicklungen des Konzerns und damit in energetischer Hinsicht auf dem neuesten Stand der Technik, ebenso die für den Betrieb mit Servomotoren optimierten Zahnradpumpen.

Betrieben werden die Servomotoren über je einen Umrichter der Antriebsfamilie Sinamics S120 mit der für Einzelachsen maßgeschneiderten Sinamics Control Unit CU310. Letztere setzt die Sollwerte der ebenfalls runderneuerten Spritzgießmaschinensteuerung in die erforderliche Pumpendrehzahl (= Druck oder Volumenstrom) um. Die Schließ-/Öffnungs- und Dosierwege werden über neue, berührungslos arbeitende Ultraschallweggeber erfasst.

Prozessgerechter Energieeinsatz

Die modernisierten Systeme verbrauchen generell nur so viel Energie, wie es der Spritzgießprozess in den verschiedenen Phasen (Schließen, Einspritzen, Nachdruck, Dosieren, Kühlen, Öffnen, Auswerfen) erfordert. Am größten ist der Einspareffekt in Kühl- und Pausenzeiten, weil dann die servogetriebene Pumpe quasi stillsteht und nur sehr wenig Energie verbraucht, während die bisherige Kombination immer mit verminderter Leistung (15 – 20 Prozent) weiterlaufen musste. Häfner verarbeitet auf den umgerüsteten Maschinen keine ausgesprochenen „Schnellläuferteile“, sondern Teile mit üblichen Kühl- und Pausenzeiten, sodass der genannte Einspareffekt voll greift. Um die Einsparung zu überprüfen, wurde über Profibus ein Leistungsmessgerät eingebunden. Dieses unterstützt auch den Einrichter, der damit unmittelbar die Auswirkungen bestimmter Maschineneinstellungen nachvollziehen und so ein Gespür für energieeffizienteres Spritzgießen entwickeln kann.

Im Produktionsalltag gemessen: Einsparung zwischen 30 und 50 Prozent

Die vorab überschlagenen Einsparpotenziale von 30 bis 35 Prozent wurden deutlich übertroffen. „Nach einer gewissen Einarbeitung und Optimierung haben wir bei bestimmten Teilen im regulären Produktionsbetrieb eine Energieeinsparung an der Hydraulik von annähernd 50 Prozent ermittelt“, sagt Klaus Lange, Betriebsingenieur und Umweltbeauftragter bei Häfner. Eine weitere Energieeinsparung bringt der Einsatz von hochwertigem Energiesparöl mit 32er Viskosität von ExxonMobil, deren Einsatz in dieser Kombination erstmals getestet wurde. Gleichzeitig ist eine Hydrauliköltemperatur von ca. 35 °C, statt vorher 45 °C, durch den Servobetrieb möglich geworden. Im bedarfsgerechten Servobetrieb wird damit der Energieeintrag in das Hydrauliköl reduziert, sodass kaum noch gekühlt werden muss. Positiver Folgeeffekt: Die Standzeiten der bei Häfner generell eingesetzten Feinstfilter erhöhen sich durch das Leichtlauföl drastisch.

„Durch die Kombination all dieser Maßnahmen amortisiert sich der Umbau voraussichtlich innerhalb weniger Jahre und wir können auch bei weiter steigenden Energiekosten kosteneffizient arbeiten und wettbewerbsfähig bleiben“, so der Betriebsingenieur. Nicht mehr benötigte Hydraulikkomponenten wurden nicht nur stillgelegt, also auf Durchfluss geschaltet, sondern komplett entfernt. Das reduziert die Zahl potenzieller Störquellen und Leckagen deutlich und vereinfacht auch die Wartung, Instandhaltung und Ersatzteilhaltung. Ein weiterer positiver Nebeneffekt ist die merklich reduzierte Geräuschemission beider Maschinen.

Etablierte Standards schaffen Produktionssicherheit

Ausschlaggebend für die Modernisierung der beiden Maschinen war die nicht mehr gesicherte Verfügbarkeit von Ersatzteilen für die Steuerungen. Die über 20 Jahre alten Systeme waren längst abgekündigt und wurden von den Herstellern nicht mehr unterstützt. Häfner hat deshalb beizeiten gehandelt, um seine Produktionssicherheit und damit auch seine Lieferfähigkeit sicher zu stellen.

Die von IIS in vergleichbarer Form schon mehrmals realisierte Lösung basiert auf weltweit verfügbaren Standard-Komponenten des Ausrüsters. Herzstück ist das „Kunststoffpaket“ IMH 3300, ein Komplettsystem für hydraulische Spritzgießmaschinen, bestehend aus Steuerung, I/O-Peripherie und Bediengerät mit vorgefertigter Bedienoberfläche für das Spritzgießen. Der Integrator arbeitet intensiv mit dem Automationsanbieter zusammen und hat auch bei diesem Projekt die komplette elektrische Ausrüstung einschließlich Kabelbaum und Schaltschrank neu aufgebaut. Damit ist die Zuverlässigkeit wie auch die Verfügbarkeit von Ersatzteilen wieder über Jahre hinaus gesichert. Für eine durchgängige Lösung sprachen die hohe, auch bei dem Produzenten von Kunststoffspulen an verschiedenen Stellen innerhalb der Produktion erwiesene Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der eingesetzten Produkte. Die zuvor schon über 300-mal an unterschiedlichsten Spritzgießmaschinen verbauten Retrofit-Paket erwiesen sich als gute Referenzen.

Augenfälligste Neuerung beider Maschinen ist ein Simatic Multi Panel MP377 WinAC MP mit 12-Zoll-Touchscreen, hier im Bundle mit einer leistungsfähigen und robusten Soft-SPS, dem etablierten Visualisierungssystem Simatic WinCC flexible und darauf aufsetzender, vorgefertigter Bedienoberfläche für praktisch alle Aufgaben beim Spritzgießen. Die Soft-SPS ist kompatibel zur Steuerung Simatic S7 300, funktional vergleichbar mit einer CPU S7 317 und damit von nahezu jedem SPS-Programmierer zu beherrschen. Bei höheren Anforderungen kann alternativ auch eine Controller-basierte Simatic-CPU eingesetzt werden. Der Systemintegrator hat die von Siemens entwickelte Standard-Bedienoberfläche exakt an die Bedürfnisse der Häfner-Maschinen angepasst und unter anderem die Ansteuerung dreier Kernzüge, bis zu acht sind möglich, realisiert. Teileprogramme können auf dem Multi Panel abgespeichert, bei Bedarf abgerufen und angepasst werden.

Qualitätsdaten lassen sich über die USB- oder Ethernet-Schnittstelle exportieren. Hier wurde die integrierte Ethernet-Schnittstelle des Multi Panels zur Einbindung in das PPS -System des Verarbeiters und in die Fernwartung via VPN vorgezogen. Schnittstelle zwischen Spritzgießmaschine und Steuerung sind in zahllosen Anwendungen auch in der Kunststoffverarbeitung bewährte, über Profibus kommunizierende Ein-/Ausgabebaugruppen von Siemens. Darüber werden beispielsweise Heizbänder angebunden. Die Maschinen des Spulenspezialisten konnten auf diesem Weg einfach um einen bislang fehlenden Staudruckregler erweitert werden.

„Bei entsprechender Vorarbeit und Organisation auch seitens des Betreibers dauert ein solches Retrofit zwei bis drei Wochen“, weiß Detlev Dahl, Geschäftsführer von IIS, aus Erfahrung. Dass sich der Aufwand lohnt und auszahlt, zeigen dieses Beispiel sowie weitere zufriedene Anwender.

 

Kosteneffizienz

Spritzgusskosten senken

Nicht immer muss in eine komplett neue Maschine investiert werden, um die Energieeffizienz von Anlagen zu steigern. Am Beispiel einer Spritzgussanlage des Kunststoffverarbeiters Häfner & Krullmann zeigt sich, wie sich der Energiebedarf durch den Austausch der Antriebstechnik bei hydraulisch betriebenen Spritzgießmaschinen deutlich senken lässt. Mit einer um etwa 48 Prozent gesenkten Wirkleistung ließen sich im Ergebnis die Energiekosten annähernd halbieren.

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Wolfgang Radermacher