Demag, Witmann Battenfeld, Engel) (Bild: Arburg, Sumitomo (SHI)
(BIldquelle: Engel)
Demnach sind deren Auslöser in der Regel Forderungen des Marktes, die sich daraus ergeben, dass Anwender der Maschinen durch deren gewünschte verbesserte Eigenschaften Kotensenkungen erzielen wollen. Dieses Argument führt aber auch bei den Maschinenherstellern dazu, von sich aus Verbesserungen zu realisieren, aus denen sich Wettbewerbsvorteile ergeben. Beide Auslöser sind in den Entwicklungstrends deutlich erkennbar, über die nachfolgend auf der Basis von Firmenmitteilungen berichtet wird.
Bei der Weiterentwicklung der Verfahren ist Leichtbau eine der treibenden Kräfte. So schreibt Wittmann Battenfeld, dass „altbewährte Verfahren in Kombination mit neuen Werkstoffen wie Faserverbundwerkstoffen wieder häufiger zum Einsatz kommen, zum Beispiel mit Verwendung von Regenerat im Bauteilkern, um Herstellkosten zu senken“ oder der „geschäumte Kern zur Reduzierung des Bauteilgewichts.“ Hierzu führt Krauss Maffei das Mucell-Verfahren an, das „sich mittlerweile erfolgreich als Technologie etabliert hat, vor allem im Fahrzeugbau sowie für technische Bauteile. Der Trend geht jedoch ganz klar dahin, das Verfahren auch für hochwertige Oberflächen in Sichtbauteilen einzusetzen.“ Für Arburg gewinnt Leichtbau auch im Hinblick auf Effizienz-Steigerung „weiter zunehmend an Bedeutung. Ein Ansatz ist die Substitution von metallischen Werkstoffen durch verstärkte Kunststoffe. So ermöglicht beispielsweise das neue physikalische Schäumverfahren „Profoam“ die Verarbeitung faserverstärkter Kunststoffe ohne zusätzliche Scherung. Denn im Gegensatz zu bisher üblichen Verfahren wird bereits das Kunststoffgranulat mit Treibfluid in einer Granulatschleuse vor der Spritzeinheit angereichert. Damit bietet dieses Verfahren das Potenzial, leichtere Spritzteile mit dünneren Wandstärken und hoher Festigkeit herzustellen. Ein weiteres interessantes Verfahren für den Leichtbau ist das „Faser-Direkt-Compoundieren (FDC)“. Durch Inline-Zuführung wird es möglich, noch längere Fasern als bisher zu verarbeiten. Einen Schritt weiter geht die gezielte Kombination verstärkter Kunststoffe mit Organoblechen zu hochbelastbaren Composite-Bauteilen.“ Das bestätigt auch Krauss Maffei. Diese Firma sieht bei dieser Art des Leichtbaus mit faserverstärkten Kunststoffen einen „ungebremsten Trend.“ Das hierzu verwendete Verfahren mit der Bezeichnung „Fiberform“ „kombiniert das Spritzgießen mit dem Thermoformen von Organoblechen, um so das Festigkeitsniveau faserverstärkter Kunststoffe weiter anzuheben. Im Ergebnis erlaubt die Kombination aus werkstofflichem und konstruktivem Leichtbau die Fertigung neuer faserverstärkter thermoplastischer Bauteile mit besonders hohen Festigkeiten“, ergänzt KraussMaffei. Derart „komplexer aufgebaute Kunststoff-Compounds mit hohem Grad an Füllstoffen und Glasfasern erfordern durchgehend höherwertige Plastifiziereinheiten“, vermerkt Wittmann Battenfeld hierzu und ergänzt, dass „dies offensichtlich ein nachhaltiger Trend ist, der sich weiter verstärkt.“
(Bildquelle: Arburg)
Im Rahmen der aktuellen Rohstoff-Preisentwicklung spielt das Sandwich-Spritzgießen für Wanddicken bis mindestens 0,7 mm eine immer größere Rolle, berichtet Billion. „Allgemein ist ein klarer Trend hinsichtlich eines effizienten Materialeinsatzes erkennbar“, stellt auch Netstal fest und führt weiter aus, dass „durch geschickte Modifikation der Teilegeometrie und Wandstärken bei dennoch ausreichender Qualität der Formteile eine deutliche Materialeinsparung erreicht werden kann. Dies wirkt sich sprechend auch auf das gesamte Produktions-Equipment 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 Spritzpräge-Verfahren oder physikalische Schäumverfahren helfen mit, den Materialbedarf weiter zu optimieren“, woraus ähnliche Anforderungen an die Spritzgießmaschinen resultieren, wie vorstehend benannt.
Selbstanpassende Prozessführung
Konstante Bedingungen beim Spritzgießen sind Voraussetzung für eine gleichbleibend gute Qualität der produzierten Teile. Sowohl Engel als auch Krauss Maffei berichten von adaptierten Systemen, mit denen die Prozessführung den Gegebenheiten unmittelbar angepasst werden kann. Schwankungen der Umgebungsbedingungen und im Rohmaterial werden automatisch erkannt und noch im selben Schuss ausgeglichen. Dies hat sich laut Engel inzwischen mit mehr als 600 elektrischen Spritzaggregaten als sehr erfolgreich herausgestellt. Daran anknüpfend wird nun von Engel ein adaptierendes System vorgestellt, das „vollautomatisch und ohne Vorgaben durch den Einrichter die für das jeweilige Werkzeug erforderliche Schließkraft ermittelt. Als Basis für die schnelle und objektive Bestimmung der Schließkraft dient die Analyse der Werkzeug-Atmung. Da diese durch den Auftreibdruck in der Kavität entsteht, eignet sie sich – ähnlich wie der Form-Innendruck – für die Prozess-Optimierung. Im Gegensatz zum Form-Innendruck steht dieses aussagekräftige Signal allerdings ohne zusätzliche Sensorik zur Verfügung. Durch die Überwachung der Werkzeug-Atmung lässt sich das Risiko von Qualitätsmängeln, wie zum Beispiel Gratbildung, deutlich reduzieren und das Werkzeug zuverlässig vor Überspritzen schützen. Selbst wenn sich die Prozessbedingungen ändern, hält die Software die Werkzeug-Atmung durch die automatische Anpassung der Schließkraft konstant.“
(Bildquelle: Wittmann Battenfeld)
Funktionsintegration durch Vernetzung
Der Begriff „Funktionsintegration“ findet sich direkt oder umschrieben in nahezu allen Antworten der Firmen wieder. Arburg bezeichnet ihn als „sich weiter verstärkenden Trend.“ Wittmann Battenfeld und Billion verbinden mit ihm „hochautomatisierte Produktionsanlagen“ beziehungsweise die „Reduzierung von Montageaufwand.“ Als Hintergründe für den sich weiter verstärkenden Trend sieht Arburg „einerseits einen effizienten Herstellprozess, um etwa durch das Verketten einzelner Produktionsschritte direkt zu einbaufertigen Artikeln zu gelangen, und andererseits funktionelle Produkte, um etwa durch Mehrkomponententechnik gezielt Materialien und Eigenschaften miteinander zu kombinieren.“ Hierzu führt Krauss Maffei Beispiele an wie Bauteile aus Silikon, die rein oder in Verbindung mit gebräuchlichen Thermoplasten vor allem die Medizintechnik und die Automobilindustrie wegen der herausragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften des Silikons interessieren. Ein weiteres Beispiel ist das Auftragen von Lack-Systemen auf Bauteile direkt im Werkzeug. Billion berichtet von der werkzeugfallenden Herstellung von komplexen Hohlkörpern, die ohne nachträgliche Montage oder Schweißvorgänge einsatzfertige Bauteile sind. Dies erfordert die „nahtlose Integration sämtlicher beteiligten Systemkomponenten“, worin Netstal „einen weiteren Trend“ sieht. Nötig sind „geeignete Kommunikations-Protokolle sowie standardisierte Schnittstellen“, die diese Integration zukünftig vereinfachen. Hauptziel ist diesbezüglich das Erreichen einer vollständigen Produktionssicherheit bei null Fehlern.“ Netstal sieht die Branche „ganz am Anfang der vierten industriellen Revolution stehen, in welcher die Vernetzung sowie die Erfassung und Auswertung von Produktionsdaten eine zentrale Rolle spielen werden. Schon heute zeichnet sich ein großes Nutzenpotenzial bei der Verwertung dieser Daten ab, jedoch sind die zukünftigen Möglichkeiten noch schwierig abzuschätzen.“
(Bildquelle: Sumitomo (SHI) Demag)
Flexible Maschinentechnik
„Speziell in Europa wird der Trend zur Individualisierung immer größer“ stellt Wittmann Battenfeld fest. Das bedeutet, dass „es zunehmend mehr erforderlich ist, für den jeweiligen Kunden, das jeweilige Produkt beziehungsweise die jeweiligen Anforderungen eine maßgeschneiderte Lösung anzubieten“, was auf die Basismaschine bezogen bedeutet, ob diese hydraulisch, elektrisch oder hybrid angetrieben wird oder Mehrkomponentenfertigung ermöglicht. Dazu kommen spezielle Automatisierungen bis hin zum Bereich Software und Bedienung. Im Rahmen der Industrie 4.0 bedeutet dies „die Vollintegration der kompletten Peripherie mit automatischer Erkennung und Bedienung über eine zentrale Einheit. Alle Geräte müssen mit eigenen IP-Adressen ausgestattet sein, um aktiv kommunizieren zu können.“ Diese Entwicklung beschreiben in gleicher Weise auch Netstal, Engel und Krauss Maffei. Damit eine „exakte Anpassung an den individuellen Einsatzfall“ erfolgen kann, wird nach Arburg „die Modularität von Maschinen und Anlagen zunehmend ausgebaut. Die Funktionalität der Steuerungen nimmt weiter zu. Dabei fungiert sie mehr und mehr als zentrales Einstell- und Kontrollsystem für den gesamten Spritzgießprozess“ einschließlich Robot-Systemen und Peripheriegeräten. Auch nach Dr. Boy „steht ein höherer Automatisierungsgrad von Kunststoff verarbeitenden Maschinen verstärkt im Focus. Dabei sind individuell auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Lösungen für den Anwender das Maß aller Dinge. Standard-Automatisierungen, die nur sehr aufwändig an die erforderlichen Bedingungen vor Ort angepasst werden können“, sind nicht mehr gefragt.
Aufgabengerechte Antriebstechnik
„Im Markt wird zunehmend erkannt, dass die intelligente Kombination von verschiedenen Antriebstechnologien in vielen Anwendungsbereichen der zielführende Ansatz ist“, schreibt Netstal und führt weiter aus, dass „vollelektrische Lösungen den Nachteil haben, dass sie in Bezug auf das Leistungspotenzial limitiert sind. Moderne Hybridtechnologie schafft es, diesen Konflikt zu lösen. Jede Bewegungsachse der Maschine wird mit der jeweils ideal geeigneten Antriebstechnologie umgesetzt. Intelligentes Energiemanagement sowie dedizierte digitale Regelungstechnik helfen, die Gesamt-Effizienz solcher Hybrid-Systeme soweit zu optimieren, dass der Energieverbrauch auf dem gleichen Niveau wie bei vollelektrischen Lösungen gehalten werden kann. Dies jedoch mit deutlich höherem Leistungspotenzial und zu deutlich geringeren Kosten.“ Diese Ansicht wird von den meisten Anbietern geteilt. So setzen Arburg, Billion, Dr. Boy, Engel, Krauss Maffei und Wittmann Battenfeld im Falle hydraulisch betriebener Maschinenfunktionen servohydraulische oder drehzahlveränderbare Pumpenantriebe ein. Damit werden die Pumpenleistung stufenlos dem tatsächlichen Bedarf angepasst und Leerlaufverluste ausgeschlossen. Neben Maschinenfunktionen werden „servoelektrische Antriebe zunehmend auch für Peripherie- und Werkzeugfunktionen eingesetzt“, schreibt Arburg, weil „ihre hohe Positioniergenauigkeit und Schnelligkeit einerseits und ihre hohe Bedien- und Rüstfreundlichkeit andererseits dazu beitragen, die Produktions-Effizienz zu erhöhen.“
„Auch die Entwicklung vollelektrischer Maschinen erfolgt weiterhin auch für größere Schließkräfte bis 4000 kN“, merkt Billion an und ergänzt, dass „diese Technologie an Boden gewinnt.“ Die „Anwendung dieser Maschinen entspricht immer mehr denen, die bisher mit hydraulischen Maschinen produziert wurden.“ Nach Wittmann Battenfeld ist „der Trend in Richtung Servo-Antriebstechnik und hier sowohl Servo-Elektrik als auch Servo-Hydraulik weiterhin ungebrochen. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis eine vollständige Ablösung der Drehstromantriebe erfolgt.“
Vom Großserienteil zum individuellen Einzelteil
Neben dem sich verstärkenden Trend zu Mehrkomponenten-Anwendungen verzeichnet Dr. Boy erhöhte Anfragen nach der Möglichkeit zur Verarbeitung von Hochleistungsthermoplasten bis hin zu sehr temperatursensiblen Materialien. Ebenso sieht diese Firma den Trend zur „Individualisierung der Produkte durch Oberflächen-Effekte, Materialkombinationen oder Kennzeichnung“, letzteres um Design-Variationen, eine Personalisierung oder die Rückverfolgbarkeit eines Artikels zu ermöglichen.“ Auch Arburg berichtet von der „zunehmenden Anforderung, individuelle Kundenwünsche in den Produktionsprozess einzubinden. Hier ermöglicht die industrielle additive Fertigung den kostengünstigen Schritt von der spritzgegossenen Großserie zum additiv veredelten Einzelteil.“ Sowohl Billion als auch Arburg gehen auf den Einsatz von Copolyester-Materialien (COP) in den Bereichen Nahrungsmittel, Kosmetik und Medizin ein. Damit werden, wie Billion anmerkt, Bisphenol A enthaltende Materialien wie Polycarbonat ersetzt. Arburg verweist als Beispiel auf „COP als Glasersatz für vorgefüllte Spritzen“ und sieht darin wie auch in anderen Anwendungen in der Medizintechnik beispielsweise „durch die demographische Entwicklung in vielen westlichen Ländern ein steigendes Potential für die Kunststoffverarbeitung.“
„Mit Blick auf kleine Losgrößen bis hin zu hochwertigen Teilen in Losgröße 1 oder individualisierte Großserienprodukte wird die industrielle additive Fertigung“ nach Arburg „eine entscheidende Rolle spielen. Kunststoffprodukte oder individuelle geometrische Features entstehen dabei auf Basis von 3D-CAD-Daten durch einen schichtweisen Materialauftrag. Werkzeuge zur Formgebung wie beim Spritzgießen können entfallen. Damit ist die schnelle und kostengünstige Fertigung beispielsweise von Geometriemodellen sowie Erprobungsbauteilen aber auch von Funktionsbauteilen im Originalwerkstoff möglich.“
Transparenz bei der Energie-Effizienz
Mit Euromap 90/Euromap 60.1 wird eine Möglichkeit zur Klassifizierung der Energie-Effizienz von Spritzgießmaschinen geboten. Hieraus resultierende Ergebnisse sind auch für die aktuelle Online-Marktübersicht erfragt und in die Tabelle eingestellt worden. Servo-Antriebstechnologie und weiterentwickelte Plastifiziertechnologie haben nach Dr. Boy zur Senkung der erforderlichen Energie zur Herstellung von Kunststoffteilen um 70 Prozent und zur Klassifizierung einer Maschine mit 9+ nach Euromap geführt. Derart energiesparende Servo-Hydraulik wird von Engel bei einigen neuen Maschinen als Standard angeboten. Krauss Maffei sieht bei hydraulischen Maschinen durch ein aktives Speichermanagement ein weiteres Energie-Einsparpotential von bis zu 15 Prozent. Vor allem für schnell laufende Maschinen sollte nach Billion weitere Entwicklungsarbeit zur Energie-Einsparung erfolgen. In Verbindung mit vereinheitlichter CNC-Steuerungstechnik kann nach Fanuk der Energiebedarf der Servo-Antriebstechnik weiter optimiert werden. Der Einsatz der Servo-Technologie hat nach Ansicht von Wittmann Battenfeld den Energieverbrauch der Spritzgießmaschinen auf ein so niedriges Niveau gebracht, „dass keine größeren Einsparungen mehr möglich sind. Ein größtes Potential liegt hier im Bereich der Peripheriegeräte, speziell zum Kühlen und Heizen der Werkzeuge.“ Diese Sicht haben auch Arburg und Netstal. Nach letzterer ist es zur nachhaltigen Verbesserung der Gesamt-Effizienz wichtig, „alle Systemkomponenten im Verbund zu betrachten“ und sämtliche Energieträger und nicht nur den Verbrauch elektrischer Energie in die Gesamtbetrachtung mit einzubeziehen. Dem Kühlwasser oder der Druckluft wird derzeit noch zu wenig Beachtung geschenkt.“ Netstal sieht „hier noch viel Potential verborgen.“ Darüber hinaus ist Arburg der Ansicht, dass „die alleinige Betrachtung der Energie-Effizienz nicht weit genug greift. Auch die Organisation der gesamten Fertigung und vor allem die Zykluszeiten haben einen großen Einfluss auf die Stückkosten und damit auf die Effizienz der Spritzteilproduktion.“
