Spritzgießen mit nachhaltigem Materialeinsatz

Umweltverträglichkeit und Ressourcenschonung sind die herausragenden Gründe hinter den Trends, die nahezu alle Firmen in Bezug auf das Spritzgießen ansprechen. So schreibt Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Österreich, dass „das gestiegene gesellschaftliche Umweltbewusstsein eine gesteigerte Nachfrage nach ökologisch verträglicheren Lösungen und Ressourcenschonung bedingt.“ Die Innovation werde hier von verschiedenen Säulen getragen. „Einerseits werden Materialien mit Post-Consumer Recyclinganteilen eine Rolle spielen, andererseits ist die Suche nach alternativen Materiallösungen aus nachwachsenden Quellen weiterhin voll im Gange. Für die Umsetzung einer geschlossenen Kreislaufwirtschaft wird es erforderlich sein, Kunststoffprodukte recyclinggerecht zu designen, zu fertigen und aufzubereiten“, schreibt Wittmann Battenfeld weiter. Diese Sicht vertritt auch Engel Austria, Schwertberg, Österreich: „Der Aufbau einer Kreislaufwirtschaft stellt die Branche vor neue Herausforderungen und zugleich neue Chancen.“ Es gelte, „nachhaltiger zu produzieren und Produkte zu entwickeln, die am Ende ihrer Nutzungsdauer in die Stoffkreisläufe zurückgeführt werden können.“ Im Fokus stehen laut Engel dabei vor allem drei Themen: die weitere Steigerung der Prozess-Stabilität als Voraussetzung, Rezyklate in einem breiteren Spektrum und auch für höherwertige Anwendungen einsetzen zu können, die Steigerung des Rezyklatanteils in Sandwich-Bauteilen sowie das Thema Design for Recycling, was bedeutet, dass die Anforderungen des Recyclingprozesses bereits bei der Produktentwicklung im Produktdesign und in der Materialwahl Berücksichtigung finden.

Naturfaserverstärkte Biokunststoffe werden interessant

Schon im vergangenen Jahr wies Arburg, Loßburg, darauf hin, dass „das Spritzgießen naturfaserverstärkter biobasierter Kunststoffe etwa für den Automobilsektor zunehmend interessanter wird“, weil dabei „Vorteile wie allgemeine Verfügbarkeit und CO₂-Neutralität mit einem hohen ökologischen Anspruch und einer Preisstabilität im Vergleich zu Erdölprodukten kombiniert“ werden und „sich naturfaserverstärkte biobasierte Kunststoffe fast wie herkömmliche Kunststoffe auf Spritzgießmaschinen verarbeiten lassen“. Abhängig sei das Spritzgießen lediglich von dem Füllstoffanteil des jeweiligen Werkstoffs. „Dementsprechend“, schreibt Arburg weiter, „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.“

Materialsparende Produkteigenschaften realisieren

Eine Turnkey-Anlage produziert Gehäusevarianten. Sechs-Achs-Roboter stellen die zu umspritzenden Schrauben bereit. (Bildquelle: Arburg)

Auch Stork IMM, Hengelo, Niederlande, weist auf den verstärkten Einsatz von bio-abbaubaren und bio-basierten Kunststoffen hin. Mit der Reduzierung von Kunststoff in Produkten, zum Beispiel durch Dünnwandigkeit, wird ein weiterer Weg der eingangs angesprochenen Ressourcenschonung von Stork IMM aufgezeigt. Auf diesen Weg geht auch Krauss Maffei High Performance, Näfels, Schweiz, in ausführlicher Weise ein und teilt mit, dass „der Trend hinsichtlich eines möglichst effizienten Materialeinsatzes nachhaltig ist“. Durch geschickte Modifikation der Teilegeometrien und Wandstärken könne bei dennoch ausreichender Qualität der Formteile eine deutliche Materialeinsparung erreicht werden. „Dies wirkt sich dementsprechend auch auf das gesamte Produktionsequipment aus. Die Folge sind deutlich höhere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Präzision der Spritzgießmaschinen. Vor allem die Einspritzeinheit muss den stetig steigenden Anforderungen mit einer sehr hohen Dynamik bei gleichzeitig äußerst hoher Regelgenauigkeit und Reproduzierbarkeit gerecht werden. Auch verschiedene Verfahrensvarianten wie beispielsweise das Spritzprägeverfahren oder physikalische Schäumverfahren helfen mit, den Materialbedarf weiter zu optimieren. Auch daraus ergeben sich veränderte Anforderungen an die Spritzgießmaschinen, welche sich ähnlich wie vorstehend beschrieben charakterisieren.“

Schnelle Gummiverarbeitung im Trend

In Bezug auf den Gummispritzguss sieht LWB-Steinl, Altdorf, im wesentlichen zwei Trend-Treiber – einerseits Innovationen zur Verkürzung der Vulkanisationszeiten und damit der Gesamtzykluszeiten, andererseits Innovationen, die den Angussabfall und damit das pro Zyklus umgesetzte Schussvolumen reduzieren. „Zur Zyklusverkürzung“, schreibt LWB weiter, „kommen vermehrt schnellvernetzende Gummimischungen auf den Markt. Zur Reaktions-Beschleunigung konventioneller Mischungen kann aber auch eine speziell darauf ausgerichtete Maschinentechnik eingesetzt werden, wie die patentierte EFE-Spritztechnik, die während des Einspritzvorgangs gezielt und einstellbar durch Scherung zusätzlich Wärme im Einspritzstrom erzeugt und dadurch die Vernetzungsreaktion schneller in Gang bringt, als es die ausschließliche Wärmeübertragung durch die geheizte Form ermöglicht. Zur Reduktion des Angussabfalls, vor allem bei Multikavitäten-Werkzeugen, besteht ein starker Trend zum Einsatz von Kaltkanal-Anspritzsystemen bei der Gummiverarbeitung beziehungsweise Heißkanälen bei der TPE-Verarbeitung.“

Assistenzsysteme erleichtern die Arbeit

Assistenzsysteme ermöglichen Prozessanpassungen während eines Zyklus. (Bildquelle: Engel)

„Intelligente Assistenz hat sich in vielen Anwendungsbereichen fest etabliert“, stellt Engel Austria zur Maschinentechnik fest. „Lassen sich mit Assistenzsystemen bislang einzelne Arbeitsschritte des Spritzgießprozesses, wie Einspritzen oder Kühlen, optimieren, behält neu entwickelte Software über das vollständige Fertigungslos den Gesamtprozess im Blick. Veränderungen im Prozess lassen sich auf diese Weise besonders früh erkennen und die Ursachen schneller ermitteln und beheben.“ Auch gemäß Arburg liegt „ein Fokus bei der Weiterentwicklung von Spritzgießmaschinen auf der Implementierung von Assistenzsystemen in die Maschinensteuerung“. Ziel sei es einerseits, Arbeitsaufwände zu reduzieren. So kann laut Arburg mit einem Füllassistenten zum Beispiel das Einrichten erleichtert werden, indem sich der Füllgrad des Bauteils in Relation zur aktuellen Position der Schnecke als 3D-Grafik in Echtzeit animieren lässt. Andererseits gehe es um Assistenzsysteme, die helfen, Qualitätsschwankungen im Material auszugleichen und so etwa auch die Verarbeitungsfähigkeit von Post-Consumer-Rezyklaten (PCR) zu verbessern. „Ein weiterer Entwicklungsschwerpunkt“, fährt Arburg fort, „betrifft die ´Connectivity´ der Maschine. Dazu schafft die Kommunikationsplattform OPC UA mit ihrer hersteller- und sprachenunabhängigen Technologie beste Voraussetzungen. Einerseits wird OPC UA der EUROMAP-Standard für einen hoch effizienten Datenaustausch innerhalb einer Spritzgießzelle. Für Spritzgießer bedeutet das mehr Bedienkomfort, etwa durch einen gemeinsamen Datensatz für Maschine, Robot-System und Peripheriegeräte. Andererseits geht es zunehmend darum, die Prozessinformationen der Maschinensteuerung auch übergeordneten Software-Tools und Plattformen bereitzustellen. Beispiele sind Manufacturing Execution Systeme (MES) oder der Remote Service, aber auch Kundenportale. Für entsprechende Datensicherheit sorgen IIoT-Gateways mit integrierter Firewall.“

Den „Trend in der Maschinentechnik hin zu zunehmend mehr Sensorik und Algorithmen in der Maschine“ sieht auch Wittmann Battenfeld. Dies unterstütze den Bediener bei Grundeinstellungen, Fehlerbehebung, Optimierung und dem Ausgleich von Schwankungen. „Damit wird die Maschine immer intelligenter, energiesparender, leistungsfähiger und zunehmend selbstüberwachend.“

Billion, Oyonnax Cedex, Frankreich, führt zur Maschinentechnik „smarte Produktion und unbegrenzte Rückverfolgbarkeit“ als Eigenschaften an, die Kunststoffverarbeiter suchen. „Ob Echtzeit-, tägliche oder globale Übersicht, Industrie 4.0 fördert die Transparenz in der Produktion. Intelligente Maschinen und leistungsfähige Steuerungen sind wesentliche Punkte für eine effiziente Technik.“ Ein Beispiel hierfür ist das Messen der Materialviskosität in Echtzeit, um so auf Variationen von Batch zu Batch zu reagieren, für Prozess-Stabilität zu sorgen und Fertigung von Ausschuss zu reduzieren.

Bedarfsgerecht optimierte Maschinen

„Das Design der verschiedenen Maschinenkomponenten bedarfsgerecht zu optimieren, machen die heute zur Verfügung stehenden Engineering Tools möglich“, wie Krauss Maffei High Performance ausführt. „Bei der Auslegung wird daher zunehmend wichtig, den jeweiligen Einsatzzweck einer Spritzgießmaschine in den verschiedenen Anwendungssegmenten genau zu analysieren. Die Maschine kann so gezielt auf das Anforderungsprofil zugeschnitten werden. Das übergreifende Ziel auch hier ist die stetige Verbesserung der Gesamteffizienz.“ Da Spritzgießmaschinen sehr oft im Verbund mit Werkzeug, Automatisation und weiteren Peripheriekomponenten stehen, ist es laut Krauss Maffei enorm wichtig, deren Zusammenspiel zu verstehen und zu optimieren. „Intelligente Schnittstellen und vereinheitlichte Kommunikationsprotokolle – diese Elemente werden bereits heute unter dem Stichwort Industrie 4.0 genannt – werden hier in Zukunft eine wichtige Schlüsselrolle spielen.“

Hybrid-Antriebe sind effizienter

Spritzgegossene Transportkisten für Zuchchamignons. (Bildquelle: Wittmann Battenfeld)

Zur Antriebstechnik der Spritzgießmaschinen teilt Wittmann Battenfeld mit, dass „der Trend zu servohydraulischen und servoelektrischen Lösungen anhaltend ist, da diese Antriebssysteme deutlich energieeffizienter sind als rein hydraulisch-mechanische Lösungen. Gleichzeitig sind Lärm und Temperaturabstrahlung bei servohydraulischen und servoelektrischen Lösungen deutlich niedriger.“ Auch Engel Austria stellt fest, dass „sich die energieeffiziente servohydraulische Antriebstechnik als Standard in hydraulischen Maschinen weiter durchsetzt.“ Krauss Maffei High Performance berichtet dagegen, dass „im Markt zunehmend erkannt wird, dass die intelligente Kombination von verschiedenen Antriebstechnologien in vielen Anwendungsbereichen der zielführende Ansatz ist. Vollelektrische Lösungen haben laut Krauss Maffei oft den Nachteil, dass sie in Bezug auf das Leistungspotential limitiert sind. „Moderne Hybridtechnologie schafft es, diesen Zielkonflikt zu lösen. Jede Bewegungsachse der Maschine wird mit der jeweils ideal geeigneten Antriebstechnologie umgesetzt. Intelligentes Energiemanagement sowie dedizierte digitale Regelungstechnik helfen mit, die Gesamteffizienz solcher Hybrid-Systeme soweit zu optimieren, dass der Energieverbrauch praktisch auf dem gleichen Niveau wie bei vollelektrischen Lösungen gehalten werden kann. Dies jedoch mit deutlich höherem Leistungspotenzial und zu deutlich geringeren Kosten.“

Stork IMM gibt im Hinblick auf elektrische Lösungen konkrete Hinweise auf die Ausstattung verschiedener Achsen. So sei elektrisches Dosieren heute Standard. „Elektrisches Öffnen und Schließen“, schreibt Stork, „wird in fünf Jahren Standard sein, auch bei höheren Schließkräften. Für lineare Bewegungen mit hohen Kräften und Geschwindigkeiten reichen Standardkomponenten bezüglich Lebensdauer und Belastbarkeit nicht aus. Hier sind spezielle Lösungen notwendig, wie zum Beispiel Getriebe mit Zahnstangen.“

Arburg erwartet eine zunehmende digitale Vernetzung der Maschinenkomponenten. Die dadurch mögliche „Echtzeitüberwachung von Zuständen wichtiger Bauteile ermöglicht so auch eine vorausschauende Wartung und leistungsabhängige Schmierung. Das reduziert den Wartungsaufwand und spart Schmierstoffe. Predictive Maintenance führt damit auch immer zu mehr Ressourcen-Effizienz.“

Spritzgießtechnik auf neuen Wegen

Neue Anwendungen der Spritzgießtechnologie werden von Arburg, Engel, LWB-Steinl und Wittmann Battenfeld mitgeteilt. Arburg berichtet von einem „neuen Ansatz für die wirtschaftliche Produktion hybrider Faserverbund-Bauteile“. Gemeint „sind modular konfigurierbare Produktionsanlagen, wie sie im Projekt MoPaHyb – ein Projekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung mit dem Titel Modulare Produktionsanlagen für hochbelastbare Hybridbauteile – untersucht wurden“. Ziel sei es, neue Maschinenkonzepte und innovative Leichtbautechnologien einfach zu einer Anlage zu kombinieren. So wurde zum Beispiel eine Dieffenbacher Hydraulik-Presse zum lastgerechten Legen von Carbonfaser-Tapes mit einer Arburg Faser-Direkt-Compoundier-Einheit zum Spritzgießen von Befestigungselementen kombiniert. Gemäß Engel Austria gewinnen Mehrkomponentenprozesse weiter an Bedeutung. „Zum Teil kommen hier ganz neue Materialien ins Spiel, mit denen die Spritzgießtechnik in neue Anwendungen vorstößt“, schreibt das Unternehmen. Als Beispiel nennt Engel amorphe Metalle, die in einem Zweikomponenten-Prozess mit Silikon“ kombiniert werden. Wittmann Battenfeld berichtet von sich aktuell am Markt abzeichnenden Lösungen zu multifunktionalen Bauteilen. „Durch Kombination von Hinterspritzen von Dekorfolien und elektronisch-aktiven Elementen wie flexiblen Bildschirmen erweitern sich das Einsatzspektrum und die Designfreiheit von Bauteilen ungemein“, berichtet das Unternehmen. „So können beispielsweise Bedienpaneele von Haushaltsgeräten in die Abdeckung integriert werden. Diese Entwicklung ist als Evolution aus dem Inmould-Decoration-Verfahren (IMD) zu sehen.“ LWB-Steinl teilt mit, dass „beim Elastomer-Spritzguss eine Verschiebung von Anwendungsfällen vom Gummi zu thermoplastischen Elastomeren zu beobachten ist“. Dies ziehe spezifische Ausführungsunterschiede bei der Plastifizier- und Spritztechnik sowie der Formentemperierung nach sich.

Gesamtprozess unterliegt der Effizienzbetrachtung

Fertigung von dekorierten PP-Deckeln. (Bildquelle: Ralf Mayer/Redaktion Plastverarbeiter)

„Die Energieeffizienz ist und bleibt das zentrale Thema in der gesamten Effizienzbetrachtung“, schreibt Krauss Maffei High Performance und ergänzt, dass „die Bedeutung der Energie-Effizienz zudem aufgrund der stetig steigenden Energiekosten auch in Zukunft weiter zunimmt“. Betrachte man die Energie-Effizienz einer gesamten Produktionsanlage, die neben der Spritzgießmaschine auch Werkzeug, Automation und zusätzliche Peripherie beinhaltet, so könne man feststellen, dass die Spritzgießmaschine schon aufgrund der prozesstechnischen Vorgänge einen signifikanten Anteil einnimmt. „Aber auch die weiteren Systemkomponenten“, so Krauss Maffei weiter, „tragen nicht unwesentlich zum Gesamtenergieverbrauch bei. Um nun die Gesamteffizienz nachhaltig zu verbessern, ist es also wichtig, alle Systemkomponenten im Verbund zu betrachten. Ebenso ist es elementar, sämtliche Energieträger und nicht nur den Verbrauch an elektrischer Energie in die Gesamtbetrachtung mit einzubeziehen. Dem Kühlwasser oder der Druckluft wird derzeit noch zu wenig Beachtung geschenkt. Hier ist noch viel Potenzial verborgen.“ Diese Einschätzung teilt auch Wittmann Battenfeld. Danach „ist Energie-Effizienz weiter ein wesentlicher Trend in der Maschinentechnik, wobei mit der zunehmenden Digitalisierung verstärkt der Gesamtenergieverbrauch der Fertigungszelle eine Rolle spielt“. Durch die Integration von Peripheriegeräten und Robotern in die Maschinensteuerung muss gemäß Wittmann Battenfeld nicht nur die Maschine, sondern auch die angeschlossene Peripherie bis hin zum Werkzeug unter dem Aspekt der Energieeffizienz betrachtet werden. Auch Arburg, Engel Austria und Stork IMM sprechen von einer zunehmenden Bedeutung der Energie-Effizienz, wobei diese laut Engel „durch den Aufbau einer Kreislaufwirtschaft weiteren Schub erhält“. Gemäß Stork IMM sind nicht nur die Reduzierung der Kosten, sondern auch Entscheidungen auf EU-Ebene verantwortlich für die steigende Bedeutung der Energieeffizienz

Auch technische Produkte erfordern Reinheit

Die Reinraumtauglichkeit von Spritzgießmaschinen ist, wie Engel Austria schon im vergangenen Jahr feststellte, „state-of-the-art.“ Krauss Maffei High Performance hebt hervor, dass diese „Tauglichkeit von Produktionssystemen ein äußerst wichtiger Faktor gerade in der Medizintechnik ist.“ Zu den hier maßgebenden Elementen gehört, dass die Maschine möglichst wenig Emissionen erzeugt, leicht zu reinigen ist und mit verschiedenen Zusatzeinrichtungen für den Einsatz im Reinraum optimiert wird. Das Unternehmen sieht hier aber „keinen einheitlichen Trend, sondern vielmehr eine zunehmende Individualisierung der Lösungsansätze, basierend auf den unterschiedlichen Kundenanforderungen.“ „Zunehmend werden saubere Produktionsbedingungen auch für technische Produkte interessant“, teilt Arburg mit und nennt als Beispiel das Film Insert Moulding (FIM), für das eine Spritzgießtechnik gefragt ist, die sich leicht reinigen lässt und das Arbeiten entsprechend effizient macht. „MES-Systeme, zugeschnitten auf die Kunststoffindustrie, gewinnen mit der Euromap 77-Schnittstelle auch im Reinraumbereich zunehmend an Bedeutung“, berichtet Wittmann Battenfeld. „Ein weiteres Thema ist die Reduzierung der durch den Spritzprozess in die Maschine eingebrachten Wärmelast, das heißt, die Abwärme, die durch die Antriebe und Spritzaggregate entsteht, soll möglichst gering gehalten werden. Marktseitig ist ein zunehmender Trend in Richtung servoelektrische beziehungsweise vollelektrische Maschinen zu beobachten.“