Zur Lackiervorbehandlung der in GID-Technik gefertigten Türgriffe kommt die Schneestrahlreinigungslösung zum Einsatz – hier ein typischer Griff vor und nach dem Lackieren. (Bildquelle: Witte Automotive)

Zur Lackiervorbehandlung der in GID-Technik gefertigten Türgriffe kommt die Schneestrahlreinigungslösung zum Einsatz – hier ein typischer Griff vor und nach dem Lackieren. (Bildquelle: Witte Automotive)

Mit insgesamt 5.200 Mitarbeitern und Werken in Deutschland, Tschechien, Bulgarien und Schweden zählt Witte Automotive zu den Technologieführern im Bereich mechatronischer Schließsysteme für Autos. Das 1899 gegründete Familienunternehmen investiert kontinuierlich in die Entwicklung innovativer Systemlösungen für Türen, Klappen, Interieur und Sitze. Das Ergebnis der Ingenieursarbeit sind anspruchsvollste Produkte, die Mechanik, Elektrik und Elektronik verbinden – und sich in allen bekannten Automarken wiederfinden.

Das 2016 im nordböhmischen Ostrov neu eröffnete Witte-Werk ist im Fertigungsverbund mit dem 20 km entfernten Werk Nejdek auf die Herstellung von Türgriffeinheiten samt den damit verbundenen Technikmodulen spezialisiert. In Ostrov liegen die Schwerpunkte dabei insbesondere auf Kunststoff-Spritzgießen, Lackierung und Montage.

Die Konzeption des neuen Werks in Ostrov bot auch den Anlass, dort und auch im bestehenden Werk Nejdek neue Verfahren zur Kunststoffverarbeitung einzuführen. Denn die Anforderungen an die Qualität der produzierten Kunststoffteile sind extrem hoch. Zudem arbeitet Witte kontinuierlich daran, die Prozesseffizienz zu steigern und so die Produktionskosten zu minimieren.

Technologiepartner für gasebasierte Verfahren

Nicht zuletzt aufgrund der guten Erfahrungen am deutschen Produktionsstandort Bitburg entschieden sich die Verantwortlichen bei dem Automobilzulieferer auch bei den Innovationsprojekten in Tschechien für den Industriegas-Lieferanten Linde als Technologiepartner. Zudem sprach die umfassende anwendungsspezifische Gesamtkompetenz für das Industriegase- und Engineering-Unternehmen: Unter der Dachmarke Plastinum bündelt

Das Kernstück der Gas- Injection-Moulding genannten Technologie im Werk Ostrov: der Hochdruckverdichter, der mit flüssigem Stickstoff aus einer Tankanlage versorgt wird. (Bildquelle: Linde)

Das Kernstück der Gas-Injection-Moulding genannten Technologie im Werk Ostrov: der Hochdruckverdichter, der mit flüssigem Stickstoff aus einer Tankanlage versorgt wird. (Bildquelle: Linde)

der Anbieter ein breites Portfolio an Verfahren, Anlagen und Services für gasebasierte Prozesse in der Kunststoffindustrie, die erhebliche Effizienzsteigerungen sowie entscheidende Qualitätsverbesserungen ermöglichen. Ob Gasinnendrucktechnik, Kühlen, Schäumen oder Reinigen: Die Anwendungsmöglichkeiten von technischen Gasen wie Stickstoff (N2) und Kohlendioxid (CO2) in der Kunststoffindustrie sind ausgesprochen breit gefächert. Für jeden Verarbeitungsprozess bietet Linde ausgereifte technische Lösungen und das entsprechende Know-how. Das verwendete CO2 stammt aus chemischen Prozessen, bei denen es als Nebenprodukt entsteht. Um die globale Erwärmung nicht weiter zu verstärken, betreibt Linde keine Neogenese (Neubildung) von CO2.

Konkret ging es in Ostrov darum, die Produktion von Türaußengriffen optimal zu gestalten. In Nejdek standen hingegen Lösungen rund um spritzgeschäumte Lagerbügel im Fokus. Die Anforderungen charakterisiert David Svoboda, Bereichsleiter Spritzgussproduktion bei Witte Nejdek folgendermaßen: „Für uns war insbesondere wichtig, mit den neuen Verfahren und Anlagen den hohen Qualitätsanforderungen unserer Kunden – OEMs wie auch Tier 1 – gerecht zu werden und gleichzeitig eine sehr hohe Effizienz in der Produktion zu gewährleisten, vor allem in Hinblick auf kurze Zykluszeiten und möglichst geringen Ausschuss.“

Bis heute realisierte der Gasanlagenbauer in diesem Zuge insgesamt drei Verfahren und Systeme für die gasebasierte Kunststoffverarbeitung: Gasinnendruck-Technologie mit N2 und CO2-Schneestrahlreinigung in Ostrov sowie in Nejdek Werkzeugkernkühlung mit CO2. Außerdem übernimmt Linde im Werk Nejdek die Versorgung der Mucell-Schaumspritzguss-Produktion mit N2-Bündeln.

Gas-Innendruck-Technologie mit Gas-Injection-Moulding

Ein Großteil der Griffe, die in Ostrov produziert werden, wird durch Nutzung der Gas-Innendruck-Technik – abgekürzt GID, englisch Gas-Injection-Moulding, GIM – als Hohlkörper gefertigt. Dieses Verfahren hat sich insbesondere bei dickwandigen Bauteilen, komplexen Konturen und hochwertigen Oberflächen bewährt. Gas wird unter hohem Druck in die Kunststoffschmelze injiziert, verdrängt die Schmelze aus dem Kern des Bauteils und drückt sie an die Formwandung. Nach dem Erstarren wird das Gas aus dem Bauteil abgelassen. Ein so erzeugtes Kunststoffbauteil bietet dank des Hohlraums im Kern gegenüber einem massiven Bauteil Vorteile: Rohstoffverbrauch und Produktgewicht sind deutlich geringer. Dabei weist das Bauteil eine große Stabilität sowie höhere Maßhaltigkeit auf. Zudem entstehen keine Einfallstellen an Orten mit Materialanhäufungen.

Als Injektionsgas kommt bei der Gas-Innendruck-Technik standardmäßig N2 zum Einsatz. Neue Ansätze zeigen aber auch große Potenziale von CO2 als Injektionsgas. Denn CO2 hat eine deutlich bessere Kühlwirkung als Stickstoff und ermöglicht dadurch geringere Zykluszeiten. Gegenüber Wasserinjektionstechnik zeichnet es sich zudem dadurch aus, dass die Teile nicht getrocknet werden müssen und leckagenbedingte Probleme im Werkzeug ausgeschlossen sind. Zahlreiche Kunststoffverarbeiter setzen die Gas-Innendruck-Technik mit CO2 bereits serienmäßig ein. Witte entschied sich dennoch für die konventionelle Technik mit N2, da das Unternehmen in Deutschland schon langjährige Erfahrung damit hat.

Ein energie- und wartungsarmes Konzept

Linde lieferte an das Witte-Werk in Ostrov ein speziell für die Gas-Innendruck-Technik optimiertes, sehr energie- und wartungsarmes Konzept zur Versorgung mit dem erforderlichen Hochdruck-Stickstoff. Das Konzept garantiert einerseits eine hohe Stickstoffreinheit für eine niedrige Ausschussrate der produzierten Teile und andererseits minimale Reinigungszeiten, etwa zur Säuberung der Gasinjektoren.

Das Kernstück der Plastinum Gas Injection Moulding (GID) genannten Technologie ist der Hochdruckverdichter Presus N10, der mit flüssigem Stickstoff aus einer Tankanlage versorgt wird. Die Druckerhöhungsanlage verdichtet den flüssigen Stickstoff vor der Verdampfung durch einen hydraulisch angetriebenen, sich langsam bewegenden Hubkolben. Dabei benötigt sie bis zu 90 % weniger Energie als herkömmliche Gaskompressoren. Gleichzeitig ist die Fördermenge mindestens fünfmal höher als bei Standardverdichtern. Und aufgrund des ölfreien Betriebs der medienberührten Komponenten sind Verunreinigungen des Gases durch Kohlenwasserstoffe ausgeschlossen. Die komplette Installation des Druckerhöhungssystems inklusive Verdampfer und Pufferbehälter erfolgt außerhalb des Betriebsgebäudes in der Nähe der Tankanlage.

Schonende CO2-Schneestrahlreinigung

Zur Lackiervorbehandlung der in GID-Technik gefertigten Türgriffe kommt die Schneestrahlreinigungslösung Cryoclean Snow zum Einsatz, die tiefkaltes, festes CO2, sogenanntes Trockeneis, als hocheffizientes Reinigungsmittel nutzt. Dabei geht der CO2-Schnee vom festen in den gasförmigen Zustand über – er sublimiert. Flüssiges Kohlendioxid wird in speziellen Düsen zu Trockeneisschnee expandiert. Mit Hilfe von Druckluft wird der Schnee auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt und auf die zu reinigende Oberfläche gestrahlt. Diese „Mikroexplosionen“ tragen die Verunreinigungen schonend ab. Die starke Kälte des Trockeneises begünstigt das Reinigen durch Versprödung der Verschmutzung und durch unterschiedliche thermische Ausdehnung von Grundwerkstoff und Verunreinigung.

Im Unterschied zu anderen, teilweise aggressiven Verfahren, wie beispielweise Power-Wash oder Abwaschen mit Isopropanol, verflüchtigt sich das CO2 nach der Reinigung rückstandsfrei. Da weder chemische Lösemittel noch Wasser für die Reinigung benutzt werden, ist eine Reinigung mit CO2 besonders umweltfreundlich. Das Verfahren kann für die Lackiervorbereitung ebenso genutzt werden wie für die Entgratung von Bauteilen und die Reinigung von Spritzgussformen. Der besondere Vorteil: Die Formen müssen nicht mehr demontiert werden und lassen sich im heißen Zustand reinigen.

Die für das Schneestrahlreinigen erforderliche gleichmäßige Versorgung mit Hochdruck-Flüssig-Kohlendioxid übernimmt eine Druckerhöhungsanlage Presus C50. Redundante Systeme und der Betrieb mit Druckluft machen diese Druckerhöhungspumpen extrem zuverlässig. Gleichzeitig arbeitet die Anlage sehr flexibel, denn der Massendurchfluss passt sich automatisch an den jeweils aktuellen Bedarf an. Und nicht zuletzt erfordert ihre Versorgung nur eine einfache Stichleitung, wodurch sich die Aufstellungskosten im Vergleich zu Konzepten mit Ringleitung deutlich reduzieren.

CO2-Werkzeugkernkühlung

Ein Lagerbügel, wie ihn Witte Automotive im Werk Nejdek mit einer Stückzahl von 5 Mio. Teilen pro Jahr auf mehreren Spritzgussmaschinen herstellt. (Bildquelle: Witte Automotive)

Ein Lagerbügel, wie ihn Witte Automotive im Werk Nejdek mit einer Stückzahl von 5 Mio. Teilen pro Jahr auf mehreren Spritzgussmaschinen herstellt. (Bildquelle: Witte Automotive)

In Nejdek werden Lagerbügel im Mucell-Schaumspritzgussverfahren hergestellt. Den Stickstoff für die entsprechenden Dosiergeräte liefert der Anlagenbauer in Flaschenbündeln. Konkret arbeiten zwei Spritzgussmaschinen parallel, an welche die nachfolgende Montagelinie direkt anschließt. Deshalb sind hier neben einer gleichbleibend hohen Produktqualität insbesondere auch sehr hohe Durchsätze und damit kurze Kühlzeiten gefordert. Ein entscheidender Faktor hierfür ist eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Werkzeugwand. Gewöhnlich wird die Temperatur von Formen für die thermoplastische Verarbeitung mit Hilfe von Wasser geregelt, das durch entsprechende Kanäle geleitet wird. Doch an Stellen, an denen der Platz für Kühlkanäle eingeschränkt ist, stößt die konventionelle Wasserkühlung an ihre Grenzen: Besonders die Kühlung von langen und dünnen Kernen sowie anderer, schwer zu erreichender Bereiche, erweist sich als problematisch. In diesen Bereichen lassen sich keine oder nur sehr dünne Kühlkanäle, die sich mit Ablagerungen zusetzen können, realisieren. Dies kann zu hohen Temperaturen an der Werkzeugwand führen. Die Folgen sind Schwierigkeiten beim Entformen, Oberflächenschäden oder Verformungen des Bauteils sowie lange Kühlzeiten.

Diesen unerwünschten Effekten wirkt die Technologie Plastinum Mould Spot Cooling entgegen, die Linde gemeinsam mit dem Kunststoffinstitut Lüdenscheid entwickelt hat. Dieses patentierte Verfahren nutzt zur Kühlung dünner Werkzeugkerne flüssiges CO2. Generell lassen sich Kühl- und Zykluszeiten dadurch um bis zu 50 % und noch weiter reduzieren.

Bei Witte in Nejdek werden die Lagerbügel in einem 4-Kavitäten-Werkzeug mit zwei dünnen beweglichen Werkzeugkernen pro Kavität für die Formung von Schraubdomen im Bauteil hergestellt. Hier bestand die Herausforderung darin, dass die Schraubdome starke Verformungen aufwiesen. Darüber hinaus sollte die Zykluszeit signifikant verkürzt werden. Mit der Implementierung von Plastinum Mould Spot Cooling wurden in den Werkzeugkernen feine Kühlkanäle für die CO2-Kühlung gelegt. Im Ergebnis konnte die Verformungen eliminiert und zudem die Zykluszeit um 14 % verkürzt werden.

Die Anlagentechnik besteht im Wesentlichen aus speziellen Kapillarröhrchen, die in das Werkzeug eingeführt werden, einem CO2-Steuergerät, CO2-Magnetventilen, einer Flüssig-CO2-Tankversorgung sowie einem Presus C-Hochdruckverdichter.

Reibungsloser Projektablauf und störungsfreier Betrieb

Kunststoff-Projektteam von Witte Nejdek: Jaroslav Houska, Martin Vanek, David Svoboda, Kamil Husek und Karel Zuska. (Bildquelle: Witte Automotive)

Kunststoff-Projektteam von Witte Nejdek: Jaroslav Houska, Martin Vanek, David Svoboda, Kamil Husek und Karel Zuska. (Bildquelle: Witte Automotive)

Durch den innovativen Einsatz von Stickstoff und Kohlendioxid erfüllt Witte Automotive bei der Produktion von Kunststoffteilen in den Werken Ostrov und Nejdek höchste Anforderungen an Produktqualität und Prozesseffizienz. Die Voraussetzung dafür schafft Linde mit gleich mehreren Verfahren bzw. Systemen für die gasebasierte Kunststoffverarbeitung.

Die Praxiserfahrungen vor Ort sind nach rund drei Jahren Betrieb weiterhin durchweg positiv: „Die Anlagen laufen absolut störungsfrei und bringen die erwarteten Ergebnisse“, resümiert David Svoboda von Witte Nejdek. „Unsere Entscheidung für Linde fiel aufgrund der hohen technologischen Kompetenz des Unternehmens für Kunststoffprozesse inklusive abgestimmter Gasversorgungskonzepte. Das hat sich absolut bestätigt. Und wir haben darüber hinaus eine gute, länderübergreifende Zusammenarbeit, eine reibungslose Projektabwicklung und nicht zuletzt eine immer angenehme Kommunikation erlebt.“

Über den Autor

Andreas Praller

ist Senior Expert Plastics Industry – Application Technology EMEA – Market Segment Chemistry and Environment bei Linde,  Linde Gases Division, Unterschleißheim