Spritzgussmaschinen: Viele Wege führen zur Nachhaltigkeit

Die Entwicklung drehzahlvariabler Pumpenantriebe hat den Energieverbrauch hydraulischer Antriebe in Spritzgießmaschinen bereits deutlich verringert“, sagt Dirk-Walter Herold, Leiter Vertrieb Branche Kunststoff- und Druckgießmaschinen bei Bosch Rexroth. Laut Herold ist der nächste Schritt, die Kosteneffizienz durch die Drehzahlerhöhung bei Antrieben zu steigern. Auch die Kombination von drehzahlvariablem Antrieb mit Verstellpumpen biete hier weitere Möglichkeiten.

Auch bei der servohydraulischen Smartpower-Maschine von Wittmann-Battenfeld ist die hohe Energieeffizienz primär auf die Kombination eines reaktionsschnellen, drehzahlgeregelten, luftgekühlten Servomotors mit einer robusten Konstantpumpe, dem sogenannten ‚Drive-on-Demand‘-System zurückzuführen. Bei diesem System wird die Antriebseinheit nur dann aktiviert, wenn Bewegungen und die Druckerzeugung dies erfordern. Während der Kühlzeiten und der Zykluspausen zur Formteilmanipulation ist der Servoantrieb abgeschaltet, was der Energieverbrauch im Vergleich zu modernen Regelpumpensystemen um bis zu 35 % senkt.

Durch die geringere Wärmeentwicklung, die sich beim Einsatz dieser Antriebstechnologie ergibt, ist auch weniger Kühlleistung erforderlich, was zusätzlich Energie eingespart. Das hat des Weiteren eine geringere Belastung des Hydrauliköls zur Folge, wodurch die Ölqualität länger erhalten bleibt und der Wartungsaufwand verringert wird.

Um Energieverbrauch und Ressourcen weiter zu reduzieren, setzt der Hersteller aus Österreich auf die Kreislaufwirtschaft innerhalb der Maschine. So wandelt das für die Ecopower entwickelte KERS (Kinetic Energy Recovery System) bei Bremsvorgängen kinetische Energie in elektrische Energie um. Diese wird zum Teil gespeichert für die Nutzung in den Hydraulikachsen, in die Zylinderheizung eingespeist und zur Erzeugung der Steuerspannung herangezogen. Wiederverwendet wird auch das Material: Mit dem Ingrinder hat Wittmann-Battenfeld das Recycling der Angüsse integriert.

Bei der Ingrinder-Lösung wurden ein Angusspicker, eine Mühle und ein Saugförderer in einer Zelle zusammengefasst, um die Angüsse als Rezyklat umgehend an die Maschine zurückführen zu können. Der kostensparende Nebeneffekt: hygroskopische Materialien haben dadurch keine Zeit, Wasser aufzunehmen, weshalb sie nicht erneut getrocknet werden müssen. Zum Ausgleich von Viskositätsschwankungen, die durch das rezyklierte Material entstehen, kommt das Anwendungs-Softwarepaket HiQ Flow zum Einsatz. Damit lassen sich während der Einspritzphase detektierte Viskositätsschwankungen im selben Schuss aktiv korrigieren. HiQ Flow zählt ebenso wie HiQ Melt, eine Methode zur Überwachung der Materialqualität, zu den intelligenten Assistenzsystemen zur Ausschussminimierung. Diesen Weg zu mehr Nachhaltigkeit schlagen auch andere Hersteller ein.

Seine intelligenten Assistenzsysteme der IQ-Produktfamilie bietet Engel Austria neuerdings auch für servohydraulische Maschinen an. IQ Weight Control zum Beispiel analysiert kontinuierlich qualitätsrelevante Prozessparameter und passt das Einspritzprofil, den Umschaltpunkt und den Nachdruck Schuss für Schuss an. Auf diese Weise wird selbst bei Schwankungen in den Umgebungsbedingungen oder in den Rohmaterialien ein konstantes Einspritzvolumen sichergestellt und damit eine gleichbleibend hohe Qualität produziert. Die Softwarelösung ist auch der Schlüssel für einen stärkeren Einsatz von Rezyklaten aus Post-Consumer-Materialien, da die Materialqualität naturgemäß stärkeren Schwankungen unterliegt.

„Die Digitalisierung ist hier nicht nur ein wichtiger Wegbegleiter für die Kreislaufwirtschaft, sie ist auch die Grundvoraussetzung für Nachhaltigkeit“, stellt Stefan Engleder fest, CEO der Engel Gruppe. Mit der Software Sim Link lassen sich bereits beim Bauteildesign die Weichen für eine ressourcenschonende Herstellung und ein späteres Recycling stellen: Die in der Simulation ermittelten Einstellungen werden an die Spritzgießmaschinensteuerung übertragen, was die Musterung des Werkzeugs sowie die weitere Optimierung der Verarbeitungsparameter beschleunigt. Umgekehrt lassen sich auch die Prozessparameter und Messergebnisse aus der Maschine in die Simulation übertragen.

Darüber hinaus hat auch Engel vor kurzem ein neues Verfahren vorgestellt, das es ermöglicht, Kunststoffabfälle direkt nach dem Vermahlen als Flakes im Spritzguss zu verarbeiten. Der energieintensive Prozessschritt der Granulierung entfällt durch die Aufteilung von Plastifizieren und Einspritzen in zwei voneinander unabhängige, aufeinander abgestimmte Prozessschritte. In der ersten Stufe wird das Rohmaterial, zum Beispiel aus Post-Consumer-Sammlungen stammende Kunststoffflakes, in einer herkömmlichen Plastifizierschnecke aufgeschmolzen. Die Schmelze wird an eine zweite Schnecke übergeben, um sie in der zweiten Prozessstufe in die Kavität einzuspritzen. Der zweistufige Prozess macht es möglich, auf der Spritzseite der Spritzgießmaschine einen Schmelzefilter und eine Entgasungseinheit zu integrieren, sodass auch aus verunreinigten Kunststoffflakes Produkte mit einer konstant hohen Qualität entstehen.

Mit der Sandwich-Spritzgießtechnologie hat das Unternehmen Billion bereits vor längerer Zeit eine Methode entwickelt, um Materialkosten durch die Verwendung von Rezyklaten einzusparen. Der Clou dahinter: die Produktion eines Bauteils aus unterschiedlichen Materialien für Kern und Haut. Abhängig von der Teilegeometrie und dem verwendeten Material ist es möglich, mehr als 50 % Kernmaterial zu spritzen und damit zudem Faktoren wie Stabilität, Gewicht oder Farbe des Bauteils zu beeinflussen. Ein Anwendungsbeispiel sind wiederverwendbare Kaffeebecher, deren Haut aus einem nachwachsendem Basismaterial besteht, der Kern zusätzlich noch 50 % Sonnenblumenschalen enthält. Diese reduzieren nicht nur die Materialkosten, sie sind auch thermisch isolierend.

Für diese Spritzgießtechnologie hat der französische Spezialist für Mehrkomponententechnik zwei Spritzeinheiten durch eine Sandwich-Düse verbunden. Diese wurde speziell für eine schnelle, verlustarme Spülung des Kernmaterials entwickelt und der Materialwechsel lässt sich regeln. Dabei ist die Zykluszeit gleich oder besser als im konventionellen Prozess. Rückschlagventile gewährleisten die Trennung der beiden Materialien im Spritzvorgang. Zudem kann jede der beiden Spritzeinheiten alternativ für beide Materialien verwendet werden. Auch Kern- und Hautmaterial können getauscht werden.

Für Thermoplaste gibt es derzeit also verschiedene Ansätze, diese als Rezyklat wiederzuverwenden. Elastomere stellen hier die weitaus größere Herausforderung dar, da sie beim Einspritzen in eine heiße Form ihre Chemie ändern. Sie vernetzen und dieser Prozess lässt sich nicht rückgängig machen. „Deshalb liegt bei Freudenberg FTI ein Schwerpunkt auf Materialeffizienz“, erklärt Stefan Kaul, Scientific Director für Prozesstechnik.

Das heißt zum einen, möglichst wenig Ausschuss produzieren und zum anderen das Material, das in der Spritzgießmaschine bereitgestellt wird, ohne Abfall in die Form zu bringen. „Wir nennen die Technologie dahinter Kaltkanäle. Dabei wird das Material kalt bis zur Form gebracht und die chemische Umwandlung des Elastomers findet erst in der Form statt“, erläutert Kaul das Prinzip. Um eine Über- oder Unterfüllung der Kavität zu verhindern, kommt unter anderem eine Regelung zum Einsatz, die den Innendruck trotz Varianzen im Material stabil hält.

In der Optimierung der Form und Angüsse durch die Verbesserung der Kaltkanäle sowie in den Regelkonzepten sieht auch sein Kollege Clemens Behmenburg, Leiter der Abteilung Prozesstechnik bei Freudenberg FTI, die beiden Trends: „Wir versuchen den Prozess so stabil auszuregeln, dass wir am Ende immer ein Gutteil haben, selbst unter schwankenden Eingangsbedingungen. Dafür erfassen wir mit geeigneter Sensorik zum Beispiel Schwankungen der Umgebungstemperatur und können aufgrund dieser Daten innerhalb sehr kurzer Zeit aktiv in den Spritzgussprozess eingreifen.“

An vielen Stellen der Maschine kann Sensorik genutzt werden, um Prozessschwankungen auszugleichen, wie zum Beispiel durch die Erfassung des Schneckendrehmoments. Freudenberg nutzt diese Information, korreliert sie mit einer messbaren Qualität und erhält dadurch neue Einstellparameter für die Maschine, um die Qualität zu verbessern. „Unser Ziel ist es, auch bei den Elastomeren zu einem selbstregelnden Prozess zu gelangen“, sagt Behmenburg, für den die Digitalisierung dafür natürlich ein entscheidender Hebel ist.

Für eine hohe Qualität der Spritzgussteile setzt auch Arburg auf das Duo aus Hard- und Software. Um die Schmelze präzise und reproduzierbar in die Form einzubringen, entwickelte das Unternehmen AXW Control Screwpilot: Dabei spielen Antriebstechnik und intelligente Regelungstechnik zusammen und regeln den Einspritzverlauf. Der stabile Füllvorgang ergibt sich zum einen durch eine präzise Regelung der Position der Schnecke und aktives Bremsen, zum anderen durch Kompensation von Schwankungen während des Einspritzprozesses. Bei den elektrischen Spritzgussmaschinen des Herstellers ist diese Technik im Standard enthalten. Vor allem aber in hydraulischen Maschinen lässt sich mit damit die Füllpräzision verbessern.

Dennoch schlummert auch in den Grundlagen der Hydraulik immer noch viel Potenzial, wie Dirk-Walter Herold ausführt: „Die Optimierung der Viskosität, die Reduktion der Druckverluste in Steuerblöcken durch 3D-Druck oder die Erhöhung des Nenndurchflusses bei Ventilen sind nur einige Beispiele. Additive Fertigungsverfahren erlauben die Herstellung von Steuerblöcken mit individueller Innengeometrie ohne rechtwinklige Umlenkungen, die optimale Strömungsbedingungen aufweisen. So lassen sich Druckverluste, Kavitation und Geräuschemissionen auf ein Minimum beschränken. Die Gewichtsersparnis von 30 % und die damit einhergehende Bauraumeinsparung ermöglicht ein kompakteres Maschinendesign, weil sich der Steuerblock optimal in den vorhandenen Bauraum einfügt.“