Die Verfahrenstechnik des Spritzgießens erfährt fortlaufend Weiterentwicklungen, die durch das Bestreben zur Effizienzsteigerung einerseits, aber auch durch äußere Einflüsse andererseits initiiert werden. So schreibt Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Österreich, dass „aufgrund der Sensibilisierung der Gesellschaft hinsichtlich Kunststoffabfällen eine Tendenz zur Verarbeitung biologisch abbaubarer Kunststoffe beziehungsweise Alternativmaterialien als Substitut für das Erdölprodukt Kunststoff erkennbar ist.“

Ein weiterer „Treiber für Weiterentwicklung der Spritzgießtechnologie ist“ nach Wittmann Battenfeld „klar die Ressourcenschonung. Zum einen steht die Reduktion der eingesetzten Materialien durch Verfahren wie dem Thermoplast-Schaumspritzguss (TSG) oder Gasinjektionstechnik (GIT) im Fokus. Zum anderen gibt es Bestrebungen, durch alternative Konzepte Fülldrücke zu senken, was reduzierten Energiebedarf auf der einen Seite, beziehungsweise die Möglichkeit der Wandstärkenreduktion auf der anderen Seite mit sich bringt.“

Weiterhin ist „eine Tendenz in Richtung Autonomisierung der Spritzgießanlagen zu verzeichnen. So werden die Maschinen intelligenter, um beispielsweise Bauteile aus Rezyklat-/Regranulatanteil mit gleichbleibender Bauteilqualität herzustellen. Darüber hinaus wird mit verstärkter Nutzung von Sensorik an der Selbstoptimierung des Spritzgießprozesses durch Nutzung von intelligenten Algorithmen gearbeitet.“

Auch Billion, Oyonnax Cedex, Frankreich, berichtet, dass „Kunststoff-Verarbeiter und Verbrauchsgüter-Hersteller zunehmend recyceltes Material und Biomaterial verarbeiten. In diesem Zusammenhang nimmt die Anwendung des Sandwich-Prozesses zu.“

An Werkstoffe angepasstes Maschinendesign

Veränderten Werkstoffen passt sich das Spritzgießverfahren an, wie auch der Mitteilung von Arburg, Loßburg, zu entnehmen ist: „Waren naturfaserverstärkte, biobasierte Kunststoffe bislang eher im Extrusionsbereich beheimatet, wird auch das Spritzgießen dieser Materialien, etwa für den Automotive-Sektor, zunehmend interessanter. Die Materialien kombinieren Vorteile wie allgemeine Verfügbarkeit und CO2-Neutralität mit einem hohen ökologischen Anspruch und einer Preisstabilität im Vergleich zu Erdölprodukten. Über einen unterschiedlichen Kunststoffanteil lassen sich Materialeigenschaften wie Festigkeit, Wasseraufnahme oder Schlagzähigkeit gezielt beeinflussen. Hinzu kommt, dass sich naturfaserverstärkte biobasierte Kunststoffe fast wie herkömmliche Kunststoffe auf Spritzgießmaschinen verarbeiten lassen. Abhängig ist das Spritzgießen lediglich von dem Füllstoffanteil des jeweiligen Werkstoffs. Dementsprechend müssen Geometrie, Kompressionsverhältnis und der Durchlass der Rückstromsperre an den eingesetzten Spritzeinheiten abgestimmt sowie entsprechend optimiert sein. In Abhängigkeit von Bauteilgeometrie und den daraus resultierenden Wandstärken müssen Wärmehaushalt und Restkühlzeit an die Anforderungen des Produkts angepasst werden.“

Leichte Bedienung komplexer Prozesse

Engel, Schwertberg, Österreich, spricht als treibende Kraft für die Weiterentwicklung des Verfahrens „Prozessintegration, Automatisierung und die generell steigenden Anforderungen“ an, die „dazu führen, dass die Verarbeitungsprozesse und entsprechend die Fertigungszellen immer komplexer werden. Damit steigen die Anforderungen an die Steuerungstechnik und die Human/Machine-Interfaces massiv an. Auch ein komplexer Prozess muss einfach und sicher zu bedienen sein, ohne den Funktionsumfang der Maschinen und Anlagen zu reduzieren.

Die Weiterentwicklungen spiegeln diesen „Simplicity“-Trend wider, ebenso die steigende Nachfrage nach intelligenten Assistenzsystemen, wie zum Beispiel iQ weight control oder iQ flow control. Die intelligente Assistenz ermöglicht es, dass sich die Spritzgießmaschine kontinuierlich selbst optimiert und dabei Umgebungseinflüsse ausgleicht, um eine konstant hohe Qualität zu produzieren. Assistenzsysteme gewinnen darüber hinaus angesichts des sich verschärfenden Fachkräftemangels an Bedeutung. Auch ein angelernter Mitarbeiter, der noch nicht viel Erfahrung mit Spritzgießprozessen hat, kann beim Einsatz von Assistenzsystemen eine hohe Produktivität und Qualität erzielen.“

Arburg teilt zu diesem Gesichtspunkt mit, dass „ein Entwicklungsschwerpunkt die „smarte“ Maschine betrifft. Übernimmt heute vielfach noch der Bediener den aktiven Part, wird dieser in Zukunft mehr und mehr zum Bedienten werden – genauso wie es statt „ich fahre Auto“ in Zukunft heißen wird „ich werde vom Auto gefahren“. Dazu werden Assistenzsysteme und Simulationsmöglichkeiten in die Maschinensteuerung implementiert, die die Bediener zunehmend unterstützen und führen.“

Effiziente Technik und Industrie 4.0 bestimmen Spritzgießen

Engel führt weiter aus, dass „von Fahrzeugen bis zu elektronischen Geräten immer mehr Produkte in immer vielfältigeren Designvarianten angeboten werden. Für die Herstellung bedeutet dies sinkende Losgrößen, die neue effiziente und zugleich hochflexible Spritzgieß-Konzepte erfordern. Auch hierfür ist Industrie 4.0 ein wichtiger Baustein. Hinzu kommen je nach Anwendungsbereich prozesstechnische Lösungen wie zum Beispiel In Mould Labeling oder Werkzeugschnellwechsel-Konzepte.“

Klöckner Desma Elastomertechnik, Fridingen, und Billion heben die Bedeutung von Industrie 4.0 ebenfalls hervor. Klöckner Desma stellt für die Elastomer-Verarbeitung fest, dass die „Vernetzung von Spritzgießmaschinen und peripheren Systemen mithilfe generischer Schnittstellen und Systeme zur Steigerung der Effizienz und Verfügbarkeit der gesamten Prozesskette“ beiträgt. Dies resultiert „in einer Individualisierung und Nachverfolgbarkeit von Produkten in der immer flexibler werdenden Produktion.“ Kunststoffverarbeiter schauen nach Materialien mit hohen mechanischen Eigenschaften und wettbewerbsfähigen Verarbeitungskosten, berichtet Billion und führt als Beispiel für diesen Trend die Entwicklung einer neuen horizontal oder vertikal arbeitenden Presse für die BMC Produktion an, die den Prozess vereinfacht.

Wittmann Battenfeld teilt zur Maschinentechnik mit, dass „der Trend zur Integration sich fortsetzt. Nach ersten Schritten der Maschinenhersteller in diese Richtung werden die aus der Integration resultierenden Probleme zum Beispiel hinsichtlich IT-Security erkennbar und müssen Lösungen zugeführt werden. Auch in den nächsten Jahren werden Entwicklungen von der Smart Machine hin zur Smart Workcell, Smart Services bis letztlich zur Smart Production im Fokus stehen.“

Nach Arburg „liegt ein Fokus bei der Weiterentwicklung von Spritzgießmaschinen auf den Plastifizier- und Dosiersystemen zur Fertigung von Mikro- und Makrobauteilen. So wird es beispielsweise mit einer speziellen LSR-Mikrospritzeinheit möglich, auch kleinste Silikonbauteile mit Schussgewichten unter einem Gramm herzustellen.“

Engel berichtet, dass „die Flächenproduktivität als Effizienzkennzahl immer wichtiger wird.“ Daher „sind kompakte Maschinen und Fertigungszellen gefragt.“

Servoantriebe bestimmen die Zukunft

„Die Antriebstechnik entwickelt sich“, wie Wittmann Battenfeld berichtet, „hin zu 100-Prozent-servohydraulischen oder -servoelektrischen Lösungen. Die rein hydraulisch-mechanischen Lösungen werden mittelfristig vom Markt verschwinden. Der Grund dafür liegt zum einen in der deutlich höheren Energieeffizienz dieser Antriebssysteme, zum anderen können damit die Emissionswerte hinsichtlich Lärm und Temperaturabstrahlung deutlich verringert werden.“

Die „Nachfrage nach energieeffizienter Antriebstechnik wächst kontinuierlich“, berichtet auch Arburg. „Entsprechend wächst der Markt für hybride und elektrische Maschinen. Bei hydraulischen Maschinen kommen zunehmend drehzahlveränderbare Pumpenantriebe zum Einsatz.“ Auf diese Entwicklung geht Engel mit dem Hinweis ein, „dass sich die energieeffiziente servohydraulische Antriebstechnik als Standard in hydraulischen Maschinen immer stärker durchsetzt.“

Leistungsangepasste Wartung

„Mit der zunehmenden digitalen Vernetzung von Maschinen und Komponenten wird eine vorausschauende Instandhaltung (Predictive Maintenance) und eine Echtzeit-Überwachung von Zuständen wichtiger Bauteile (Condition Monitoring) möglich“, schreibt Arburg. Diese „vorausschauende, zustandsbasierte Instandhaltung gewinnt“ nach Engel „an Bedeutung“ und steht schon heute „für Plastifizierschnecken, Kugelgewindetriebe und die permanente Überwachung des Hydrauliköls und der Hydraulikpumpen“ zur Verfügung. Arburg benennt als „Beispiel für die vorausschauende Wartung die leistungsabhängige Schmierung. Schmierintervalle werden hier nicht mehr einfach aufgrund der Anzahl der Zyklen definiert, sondern abhängig von eingestellten Kräften, Geschwindigkeiten, Wegen und Zeiten für jede Anwendung individuell berechnet.“

Neue Anwendungen für den Automobilbau

Zu neuen Feldern der Kunststoffverarbeitung, die durch die Spritzgießtechnik erschlossen werden, berichtet Engel, dass „im Bereich Leichtbau Thermoplast basierte Compounds zunehmend in den Fokus rücken“ und „es erste Serienanwendungen im Bereich Automobil gibt.“ Konkreter geht Arburg auf diese Thematik ein und schreibt: „Elektrische Ein-Achs-Antriebsstränge für die Massenmärkte Elektromobilität oder den Maschinenbau erfordern innovative Serienfertigungs- und Leichtbautechnologien, um die Motoren wirtschaftlich einsetzen zu können.“ Dazu wird „an Produktionstechniken für effiziente Leichtbaumotoren für Elektrofahrzeuge gearbeitet.“ Dieses Projekt „beschäftigt sich unter anderem mit der Massenfertigung von Teilen aus metallgefüllten Polymerwerkstoffen. Im Zwei-Komponenten-Spritzgießverfahren werden Rotorscheiben von Elektroantrieben produziert.“

Billion berichtet von einem “herausragenden Trend, der die Fertigung von Dichtungssystemen für die Automobilindustrie betrifft. Märkte für Dichtungen für Fahrzeugtüren und -fenster, Motorhauben und Heckklappen oder Schiebedachsysteme wachsen und Spritzgießen ersetzt häufig die Extrusion für diese Anwendungen“. Hintergrund für diese Entwicklung ist, dass die „meisten dieser seltsam aussehenden unregelmäßig geformten Teile aus einem größeren harten und einem wesentlich geringeren weichen Anteil bestehen. Diese Produkte erfordern große Werkzeuge, verbunden mit geringem Schussvolumen. Die Zunahme dieser Fertigung macht Mehr-Komponenten-Maschinen bevorzugt geeignet.“

„Flüssigsilikon gewinnt als Werkstoff weiter an Bedeutung“, ergänzt Engel seine Hinweise auf neue Anwendungen. Dieser Werkstoff „erschließt sich weitere Anwendungsbereiche wie die Beleuchtungstechnik.“

Reinraumeignung wird Normalzustand

Zur Reinraumeignung verweist Engel darauf, dass „der sichere Einsatz von Spritzgießmaschinen im Reinraum state-of-the-art ist.“ Nach Billion „sind vollelektrische Maschinen für diese Anwendung sehr geeignet, da sie hohe Präzision, Zuverlässigkeit und Sauberkeit garantieren.“ Wittmann Battenfeld stellt fest, „dass generell versucht wird, die Maschinen von Grund auf so zu gestalten, dass sie zunehmend sauberer werden und weniger Emissionen abgeben, sodass jede Maschine in einen Reinraum gestellt werden kann.“ Dazu sind aber, wie Arburg anmerkt, „regelmäßiges Reinigen und Desinfizieren des Reinraums sowie aller Fertigungseinrichtungen unabdingbare Voraussetzungen zur Aufrechterhaltung einer sauberen Produktionsumgebung. Hierfür ist Spritzgießtechnik gefragt, die sich leicht reinigen lässt und das Arbeiten entsprechend effizient macht. Eine Schließeinheit in Edelstahlausführung sorgt etwa für beste Reinigungsbedingungen hinsichtlich GMP A und ISO 5.“

Wege zur Nachhaltigkeit und zu höherer Wertschöpfung

Der „sich verstärkende Nachhaltigkeitstrend“, dem Engel „neuen Schub für das Thema Energie-Effizienz“ zuschreibt, rückt auch die „Circular Economy noch stärker in den Fokus und führt dazu, dass verstärkt bereits bei der Produkt- und Prozessentwicklung der gesamte Lebenszyklus inklusive Recycling/Entsorgung mitgedacht wird. Dieser Trend führt dazu, dass die Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette noch enger zusammenarbeiten. Die Gründung von Business to Business-(B2B-)Marktplätzen wird diese Zusammenarbeit in Zukunft noch leichter machen und der Kreislaufwirtschaft weiteren Schub verleihen.“

Arburg geht abschließend auf die „digitale Transformation“ ein, mit der „es möglich wird, Produktionsprozesse zu integrieren, die flexibel auf Änderungen reagieren und sich weitestgehend selbst steuern. Das führt zu einer höheren Wertschöpfung von Produkten. Gleichzeitig lassen sich aber auch völlig neue Geschäftsmodelle erschließen, zum Beispiel durch die direkte Einbindung von Kundenwünschen in den Fertigungsprozess. Gefragt sind zunehmend auf den Einzelfall zugeschnittene Turnkey-Anlagen, bei denen Systeme die Gesamtprozesse visualisieren und die zugehörigen Daten erfassen. Diese Datensammler bilden wiederum die Basis für Big-Data-Analysen.“

Über den Autor

Prof. Dr. Werner Hoffmanns

ist freier Mitarbeiter des Plastverarbeiter.

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