Wie sich Resilienz auf die Produktion übertragen lässt

„Störungen sind der Normalzustand in der Produktion.“

„Störungen sind der Normalzustand in der Produktion.“ Der Wirtschaftsinformatiker Professor Wolfgang Maaß vom DFKI – Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz, von dem dieses zunächst etwas irritierende Zitat stammt, hat derzeit eine spannende Aufgabe.

Unter seiner Leitung untersucht ein Expertenteam im Rahmen des Forschungsprojekts Spaicer, wie sich Unternehmen vorausschauend besser vor Störungen schützen können. Ein Faktor erschwert das Ganze allerdings: Störungen können, wie wir gerade in der jüngeren Vergangenheit (wieder) gelernt haben, viele unterschiedliche Gesichter haben. Seien es die Auswirkungen einer Pandemie, politischer Verwerfungen oder von Extremwetterereignissen, die eine Lieferkette zum Reißen bringen, oder technische Defekte, die Maschinenstillstände oder Ausschussteile in der Produktion provozieren – wie soll man so unterschiedliche Szenarien vorhersehen und deren Folgen wirksam abmildern?

Klar ist zweierlei: Wer Krisen früher kommen sieht und also rechtzeitig gegensteuern kann, hat einen enormen Wettbewerbsvorteil. Und kein Krisenstab der Welt kann dies ohne Hilfe bewältigen. Daher entwickeln die DFKI-Experten zusammen mit 14 namhaften Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft digitale Tools, die auf künstlicher Intelligenz basieren und für die sehr viele automatisiert verarbeitete Daten mit einer Plattform verknüpft werden. Diese „Smarten Resilienz Services“ (SRS) erfassen mithilfe von Algorithmen sich anbahnende interne und externe Veränderungen und leiten daraus Handlungsempfehlungen ab, mit denen Entscheider ihr Unternehmen stabilisieren können.

Dies gilt sowohl für die Mikro-Ebene einzelner Produktionsmaschinen als auch für die Meso-Ebene von Unternehmen inklusive der zugeordneten Lieferketten; ebenso für die Makro-Ebene nationaler und globaler Produktionssysteme, die Auswirkungen politischer Entscheidungen und wie auch immer gearteter Katastrophen berücksichtigt. Vorteil: Auf dem Weg zur Produktionsresilienz müssen die Nutzer weder selbst zu KI-Experten werden noch ihre Datenhoheit aufgeben. Dass so etwas grundsätzlich funktioniert, haben einige Kunststoffmaschinenbauer bereits früher gezeigt: mit digitalen Helfern, die lange vorher anzeigen, wann der Verschleiß eines Bauteils bedrohlich wird.

Dr. Clemens Doriat [<a href="mailto:clemens.doriat@hanser.de">clemens.doriat@hanser.de</a>]

Editorial - Doriat

Doriat, Clemens, Dr.

Grote + Brocksieper bietet seinen Kunden eine Kombination aus Kunststoffverarbeitung und internem Werkzeugbau. Das ERP-System MoldManager von IKOffice ist dabei ein wichtiger Baustein, um die Performance hoch zu halten.

Grote + Brocksieper bietet seinen Kunden eine Kombination aus Kunststoffverarbeitung und internem Werkzeugbau – seit mittlerweile über 80 Jahren. Um sich in den Branchen Automotive und Elektronik zu behaupten, werden die internen Prozesse immer wieder auf den Prüfstand gestellt. Das ERP-System MoldManager von IKOffice ist dabei seit Jahren ein wichtiger Baustein, um die Performance hoch zu halten.

Von den 90 Mitarbeitern, die in zwei Werken beschäftigt sind, arbeiten allein 25 Mitarbeiter im Werkzeugbau. „Wir fertigen hier praktisch ausschließlich Werkzeuge im Kundenauftrag für die eigene Kunststoffproduktion“, erklärt Jörg Becker, Geschäftsführender Gesellschafter von Grote+Brocksieper. „Transparenz“ heißt das Zauberwort bei dem traditionsreichen Kunststoffverarbeiter.

„Es hakte in der Vergangenheit schon allein an der Stelle, wenn ein Werkzeug für eine Spritzgießmaschine eingeplant war, dieses sich aber noch in der Wartung befand. Das bedeutete Maschinenstillstand und verursachte in der Folge natürlich hohe Kosten“, macht Jörg Becker deutlich. Es lag auf der Hand, dass eine getaktete Kunststofffertigung nur im Einklang mit dem Werkzeugbau optimal und ohne Ressourcenverschwendung funktioniert. Das sorgt für eine optimierte interne Auftragsabwicklung und senkt signifikant die Kosten. Grote+Brocksieper beliefert neben der Automobilindustrie weitere Industriebranchen wie die Aerosol- und Pumpenindustrie, die Elektro- und Lichttechnik sowie die Haushaltsbranche und Medizintechnik. Gefertigt werden Funktions-, Präzisions- und designorientierte Bauteile aus Kunststoff. Im integrierten Werkzeugbau werden mit hoher Fertigungstiefe Einfachwerkzeuge, Mehrkavitäten- und Mehrkomponentenwerkzeuge bis hin zu Werkzeugen mit komplexen Geometrien gefertigt. Auch das Abmustern der Teile erfolgt auf Kundenwunsch am Stammsitz im südwestfälischen Kierspe.

Der Computertomograph ist fester Bestandteil der QS-Abteilung

Um den hohen Qualitätsanspruch der Kundschaft jederzeit sicherzustellen, verfügt Grote+Brocksieper über eine eigene Abteilung für Messtechnik, deren Ausstattung sowohl 3D-Messmaschinen, als auch 3D-Scanner und einen Computertomographen umfasst. Die Größe der Werkzeuge werden durch das Teilegewicht der Artikel definiert, das die Breite von 0,03 bis 600 g abdeckt.

„Im Vorfeld haben wir uns intensiv mit der Digitalisierung unseres Werkzeugbaus beschäftigt. Erste Kontakte zu IKOffice hatten wir auf diversen Fachmessen“, erinnert sich Jörg Becker. Schnell ist dann im Hause die Erkenntnis gewachsen, dass die Anschaffung der Softwarelösung MoldManager von IKOffice der nächste Schritt ist, der zwingend zu gehen sei. „Uns hat vor allem die Expertise von IKOffice im Bereich des Werkzeugbaus überzeugt“, erklärt Becker. Der Softwarehersteller aus Oldenburg hat sich mit seinen Programmen und Softwarepaketen ganz auf die Branche des Werkzeugbaus fokussiert. Sie werden mittlerweile in ganz Europa von Werkzeug- und Formenbauern eingesetzt.

Täglich werden bis zu zehn neue Werkzeugaufträge angelegt

„Wir wissen aus mehr als 20 Jahren Branchenerfahrung, was ein interner Werkzeugbau an digitaler Unterstützung für die täglich anstehenden Aufgaben benötigt“, erklärt IKOffice-Geschäftsführer Ingo Kuhlmann. Der MoldManager löst klassische Aufgaben, wie die kaufmännischen und organisatorischen Erfordernisse, der Kalkulation und Nachkalkulation oder der Anlage eines Neu- oder Wartungsauftrages. Zudem unterstützt der IKOffice MoldManager bei der Organisation der wesentlichen Werkstattvorgänge in einem internen Werkzeugbau.

Bei Grote+Brocksieper werden nunmehr täglich zwischen sechs und zehn Werkzeugaufträge angelegt. Jeder Mitarbeiter, der im Werkzeugbau tätig ist, bucht jede einzelne Stunde seiner Tätigkeit in das System ein, die dann einem definierten Werkzeugprojekt zugeordnet werden. Weil die entsprechenden Stundensätze bereits im System hinterlegt sind, schafft der IKOffice MoldManager an dieser Stelle viel Transparenz. Das hilft Fabian Crummenerl, Technischer Leiter bei Grote+Brocksieper, bei der Kalkulation von Werkzeugen genauso wie bei der Nachkalkulation von Werkzeugprojekten. Die Projektierung eines Werkzeuges wird mit der steigenden Anzahl von Datensätzen optimiert und Fehler oder Fehlkalkulationen minimiert. „Der Lerneffekt ist softwaregestützt und schreitet mit jedem Projekt immer weiter voran“, versichert Fabian Crummenerl.

Jederzeit erhält man den Status quo zu jedem Werkzeug

In Kierspe laufen aktuell 49 Maschinen, auf denen je ein Werkzeug verbaut ist. Fabian Crummenerl betont: „Uns ist es wichtig, wie der Status quo jedes einzelnen Werkzeugs ist, das bei uns bereits gebaut wurde oder sich gerade im Werkzeugbau in der Herstellung befindet.“ Für Werkzeuge, die repariert und gewartet werden müssen, wird vom System ein entsprechender Wartungsauftrag hinterlegt. An dieser Stelle unterstützt die Software den Anwender ebenfalls, denn frühzeitig können Schwachstellen oder Verschleiß im Werkzeug detektiert werden. Ein Austausch samt Beschaffung des Ersatzteils erfolgt rechtzeitig vor dem Serienstart auf der Spritzgießmaschine. Nur so gelingt es, dass ein Werkzeug auch tatsächlich bereitsteht, wenn es auf der Spritzgießmaschine eingerüstet werden muss – das gilt für Neuwerkzeuge genauso wie für zu wartende Bestandswerkzeuge. Durch die Software ist jederzeit eine Statusabfrage als Soll/Ist-Vergleich möglich.

Eine Software ist bekanntlich nur so gut, wie der Anwender diese auch pflegt. Neben den erwähnten Stundensätzen sind im MoldManager bei Grote+Brocksieper weitere wichtige Eckdaten hinterlegt. Wichtig sind die Materialien, aber auch Werkzeuggröße und -gewicht. Sind die grundsätzlichen Eingaben einmal gemacht, lässt sich die Software intuitiv bedienen und startet jeden Auftrag mit der Erstellung einer Arbeitskarte. Fabian Crummenerl: „Die Software bietet aktuell weitaus mehr Möglichkeiten, als wir nutzen. Der nächste Schritt wird die noch intensivere Nutzung der Kapazitätsplanung sein.“

Ingo Kuhlmann: „Wer seine Ressourcen punktgenau einsetzt, gewinnt an Schlagkraft.“

Um eine Spritzgießmaschine pünktlich umrüsten zu können, muss das fertige Werkzeug zur Verfügung stehen. Planung und Organisation werden über die Softwarelösung abgewickelt.

Eine übersichtliche Softwareoberfläche macht die Verwendung einfach. Daten können an verschiedenen Arbeitsplätzen eingegeben werden.

Name - Hauptartikel

Volker Gogoll ist Inhaber des Redaktionsbüros vogomedia in Meinerzhagen; <a href="mailto:gogoll@vogomedia.de">gogoll@vogomedia.de</a>

Grote + Brocksieper GmbH + Co. KG <a href="http://www.grote-brocksieper.com" target="_blank">www.grote-brocksieper.com</a>

IKOffice GmbH <a href="http://www.ikoffice.de" target="_blank">www.ikoffice.de</a>

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Werkzeugbau

Dienstleistungen

Werkzeug-, Formen- und Modellbau

Verbandsreise bietet Einblicke in Politik und Hightech-Labore

Austausch mit Politikern, Besuch beim 3D-Drucker-Hersteller BigRep und Einblicke in die Forschungslabore des Fraunhofer IPK.

Rund 30 Teilnehmer folgten Anfang April 2022 der Einladung des Verbands Deutscher Werkzeug- und Formenbauer (VDWF) nach Berlin. Highlights der Veranstaltung waren ein Austausch mit Politikern, der Besuch beim 3D-Drucker-Hersteller BigRep und Einblicke in die Forschungslabore des Fraunhofer IPK. Im Mittelpunkt stand aber auch der persönliche Austausch untereinander.

Anfang April reiste eine Abordnung des VDWF im Rahmen des Geschäftsführer-Treffs „voll wild“ nach Berlin. Dort wurde sie zu einem gemeinsamen Mittagessen in der Deutschen Parlamentarischen Gesellschaft von sechs Abgeordneten empfangen. „Diese Gespräche sind ein wichtiger Schritt hin zu mehr Sichtbarkeit für die Branche – sowohl was ihren wichtigen Stellenwert in Deutschland als auch ihre Sorgen und Nöte betrifft“, sagt VDWF-Geschäftsführer Ralf Dürrwächter.

Austausch und Einblicke ins politische Zentrum Berlins

Das Mittagessen dauerte etwa zwei Stunden: Auf mehrere Tische verteilt saßen die Abgeordneten Thomas Bareiß (CDU), Reginald Hanke (FDP), Carl-Julius Cronenberg (FDP), Hagen Reinhold (FDP), Manfred Todtenhausen (FDP) und Gerald Ullrich (FDP) mit Vertretern des VDWF zusammen und sprachen über die Themen, die die Branche bewegen: „Von Förderungsmodellen über die Problematik der Energiepreise – es wurde intensiv diskutiert“, so Dürrwächter.

In die Wege geleitet wurde das Treffen mit Unterstützung der Abgeordneten Thomas Bareiß und Gerald Ullrich, die beide selbst bereits Bezugspunkte zur Branche hatten: Bareiß arbeitete in der Vergangenheit in einem mittelständischen Unternehmen und kennt deshalb die besonderen Herausforderungen. Ullrich absolvierte an der Hochschule Schmalkalden den Studiengang zum Produktionsmanager für Kunststofftechnik und ist selbst Gesellschafter der Plasttechnik Hohleborn, die er auch bis 2017 als Geschäftsführer leitete.

„Wir werden weiterhin regelmäßig in den Dialog mit der Politik treten“, sagt VDWF-Präsident Prof. Thomas Seul. „Wir sind Spitzenreiter bei Präzision, Digitalisierung und Qualität – und die Politik kann uns helfen, damit das auch so bleibt.“ Es gelte schließlich, nicht weniger als die repräsentative Stellung und die Vorreiterrolle bei Technologie- und Produktionsthemen des deutschsprachigen Raums zu bewahren und weiter auszubauen.

Während des anschließenden Rundgangs durch Paul-Löbe-Haus und Reichstagsgebäude gab es Einblicke hinter die Kulissen des Bundestags und das politische Treiben im Regierungsviertel, in dem rund 7000 Personen tätig sind.

BigRep: Vom Kreuzberger Start-up zur Firma mit 70 Mitarbeitenden

Mitten in Kreuzberg befindet sich der Stammsitz eines international tätigen 3D-Drucker-Herstellers: BigRep. Das Unternehmen hat sich auf den industriellen und präzisen 3D-Druck in großem Maßstab spezialisiert – und zwar recht erfolgreich. Die Anlagen, die in drei Ausführungen zur Verfügung stehen, verarbeiten Kunststofffilamente, die gemeinsam mit Werkstoffherstellern entwickelt werden, darunter PA6, PA66, ABS und PET-CF. Die VDWF-Gruppe besichtigte Büroräume und das Technologiezentrum mit Livevorführungen. BigRep punktet bei seinen Kunden vor allem durch einen Service mit intensiver Beratung.

Fraunhofer IPK: Ultrapräzision, Mikrospritzguss und Biopolymere

Eine große Packung Forschungswissen gab‘s beim Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) in Theorie und Praxis. Die Anregungen, die im Hörsaal zum Thema „Wettbewerbsvorteile für den Werkzeug- und Formenbau durch Innovation“ erklärt wurden, ließen sich beim Rundgang an den einzelnen Stationen live erleben.

Neben einem Ultrapräzisions-, einem Hochpräzisions-, einem Erodier- und einem Lasermaterialbearbeitungslabor mit moderner Messtechnik beeindruckte ein Biolabor mit Reinraumtechnik. Geforscht wird dort unter anderem an der Entwicklung antimikrobieller Strategien auf Basis alternativer Wirkstoffe, der Funktionalisierung medizintechnischer Produkte oder der mikrobiologischen Herstellung von Biopolymeren. In der sogenannten „heiligen Halle“ findet sich ein beeindruckender Maschinenpark für Zerspanung, die additive Fertigung und Automatisierung.

Zum Auftakt der Reise stand ein Politiktalk bei der Deutschen Parlamentarischen Gesellschaft auf der Agenda.

Verband Deutscher Werkzeug- und Formenbauer (VDWF)

<a href="http://www.kunststoffe.de/onlinearchiv">www.kunststoffe.de/onlinearchiv</a>

Kunststofferzeuger mit deutlich  höheren Umsätzen

Die Kunststoffproduktion und die Umsätze der Hersteller sind im vergangenen Jahr deutlich gewachsen. Das erklärte der Verband der deutschen Kunststofferzeuger Plastics Europe Deutschland am Rande seiner Jahrestagung. Gewählt wurde dort außerdem ein neuer Vorstandsvorsitzender.

Die deutschen Kunststofferzeuger blicken auf ein erfolgreiches Jahr 2021 zurück. Sowohl Umsatz als auch Produktion stiegen deutlich im Vergleich zum Vorjahr. Das gab der Verband der deutschen Kunststofferzeuger Plastics Europe Deutschland (PED) auf der Wirtschaftspressekonferenz am Rande seiner Jahrestagung am 5. Mai 2022 in Hamburg bekannt. Demnach produzierten die Hersteller hierzulande im vergangenen Jahr 21,3 Mio. t an Kunststoffen. Ein Plus von 17,2 % im Vergleich zu 2020. Noch größer fiel der Sprung beim Gesamtumsatz der Unternehmen aus. Dieser stieg um 33,8 % auf insgesamt 31 Mrd. EUR. Produktion und Umsätze übertrafen damit wieder das Niveau von vor der Pandemie. Grund für die deutliche Erhöhung waren neben den höheren Verkaufsmengen auch Preissteigerungen bei Kunststoffen.

Angesichts dieser Zahlen zeigte sich Dr. Michael Zobel, der scheidende Vorstandsvorsitzende des Verbands, zufrieden. Die Branche habe ihre Resilienz angesichts der schwierigen Pandemiesituation, Lieferengpässe und steigenden Energiepreise unter Beweis gestellt. Ein wichtiger Faktor für die guten Umsatzzahlen war ihm zufolge, dass die Hersteller die gestiegenen Kosten für Energie und Rohstoffe an ihre Kunden weitergeben konnten. Die Firmen hätten in der angespannten Lage außerdem sehr flexibel agiert und ihre Kunden etwa mit Produktalternativen versorgt, bei denen eine höhere Liefersicherheit gegeben war.

Zobel warnte jedoch davor, die guten Zahlen überzubewerten. Die Umsatzsteigerungen bedeuteten nicht entsprechend höhere Gewinne bei den Unternehmen. Ein Großteil würde durch höhere Kosten aufgezehrt. Beispielsweise seien die Energiepreise um 15 % gestiegen. Das betreffe sowohl Öl und Gas als auch das für die Kunststoffindustrie wichtige Naphtha. Außerdem belaste der Krieg in der Ukraine die Unternehmen und setze die anspannten Lieferketten zusätzlich unter Druck. Zu den Engpässen bei Transportcontainern und den Staus in chinesischen Häfen seien nun auch teilweise Transportrouten über Land unterbrochen. Wegen der Sperrung von Lufträumen ist Zobel zufolge außerdem der Frachtverkehr per Flugzeug beeinträchtigt.

Aufgrund dieser Schwierigkeiten verzichtete der Verband auf Prognosen für die wirtschaftliche Entwicklung in diesem Jahr. Fraglich sei etwa, ob die Hersteller die Kostensteigerungen auch 2022 an ihre Kunden weitergeben könnten. Große Sorgen bereiten den Kunststofferzeugern Zobel zufolge die hohen Energiekosten. Sollten sie langfristig auf demselben Niveau bleiben oder gar weiter steigen, könnte das die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen und der deutschen Kunststoffindustrie stark beeinträchtigen. Problematisch für die Kunststoffhersteller könnte sich PED zufolge außerdem die stark gestiegene Inflation erweisen.

Mit Hinblick auf den Ukrainekrieg warnte Zobel außerdem eindringlich vor den Folgen eines Gasembargos gegen Russland: „Wir fordern einen Verzicht auf ein Gasembargo. Gut 44 % des gesamten Energieverbrauchs der Kunststofferzeuger entfallen auf Erdgas, vor allem als Energieträger für Großanlagen. Bei einem Gasembargo würden Teile der Produktion zum Stillstand kommen, da unsere Unternehmen diese Großanlagen abschalten müssten. Diese Anlagen können nicht einfach aus- und anschließend wieder eingeschaltet werden. Daher ist unsere Haltung ein klares Nein zu einem Gasembargo.“ Ein Gasembargo hätte dabei laut Zobel nicht nur Auswirkungen auf die Kunststoffhersteller, sondern generell auf die gesamte chemische Industrie. Davon wären im Anschluss viel weitere Wirtschaftszweige betroffen, da sie chemische Produkte einsetzten. Ihm zufolge betrifft das bis zu 90 % der restlichen deutschen Industriebranchen.

Gesucht wurde auf der Jahrestagung außerdem ein Nachfolger für Zobel als Vorstandsvorsitzender von PED. Die Mitgliederversammlung wählte Dr. Ralf Düssel in das Amt (Bild 1). Neben seiner neuen Position ist er Senior Vice President von Evonik Operations und verantwortet dort das globale Geschäft mit Hochleistungspolymeren. Der studierte Chemiker ist seit 2005 für Evonik tätig und arbeitete davor 15 Jahre für das Vorgängerunternehmen Degussa. Er ist außerdem Mitglied des Steering Boards in der europäischen PED-Dachorganisation Plastics Europe.

Trotz der sehr guten Wirtschaftszahlen der Kunststofferzeuger riet Dr. Michael Zobel (Mitte) dazu, nicht in Euphorie zu verfallen.

Bild 1. Dr. Ralf Düssel ist neuer Vorstandsvorsitzender von Plastics Europe Deutschland.

KU 6-22_PED_fs - Hauptartikel

Ein Interview mit Dr. Michael Zobel zu den Wirtschaftszahlen finden Sie auf Seite 8 dieser Ausgabe und eine längere Version unter: <a href="http://www.kunststoffe.de/a/article-2412189" target="_blank">www.kunststoffe.de/a/article-2412189</a>

Verbände, Institutionen, Messen

Kunststoff Werkstoffe

Unternehmen sind aufgrund der Chemikalienverordnung REACH verpflichtet, mitarbeitergefährdende Produkte zu ersetzen. In Teil 2 der Serie geht es um den Ersatz von Methylenchlorid, Aceton und das Entfernen von Isocyanat.

Unternehmen sind aufgrund der Chemikalienverordnung REACH verpflichtet, mitarbeitergefährdende Produkte durch anwender- und umweltfreundliche Alternativen zu ersetzen. Die Färber & Schmid GmbH stellt eine Reihe von Ersatzprodukten vor, die die klassischen Lösemittel ersetzen. Im zweiten Teil der Serie geht es um den Ersatz von Methylenchlorid, Aceton und das Entfernen von Isocyanat.

Durch die verschärften Einstufungen und Kennzeichnungen der etablierten Lösemittel durch REACH sind viele Anwender und Verarbeiter auf der Suche nach funktionellen Alternativen. Neben der technischen Funktion stehen eine geringe Giftigkeit, gute ökologische Eigenschaften sowie arbeitsplatzrelevante Faktoren im Vordergrund. Färber & Schmid bietet eine Produktpalette an Reinigungsmitteln, die Alternativen zu den kritischen Stoffen darstellen.

Der Versand von Methylenchlorid im Flugzeug ist heute ein No-Go

Ein Anbieter von Verschleißschutzbeschichtungen aus Polyurethan für Muldenkipper und technische Bauteile im Bereich Fördertechnik verwendete Methylenchlorid für das Lösen von Isocyanat in einem Reparatur-Kit, welches an Kunden verschickt wird, die Schadstellen innerhalb einer Beschichtung reparieren wollen. Da das Kit viele internationale Kunden nutzen, stand die Einstufung von Methylenchlorid als reproduktionstoxisch dem weltweiten Versand per Flugzeug im Wege. Nach eingehender Diskussion mit dem Anwendungstechniker vor Ort beim Kunden fiel die Empfehlung auf Resin-Clean HPT-D1. Dieses Spezialprodukt ist kennzeichnungsfrei und gehört zu einer neuen Generation von umweltfreundlichen Lösemitteln. Nach erfolgreichen Schnelltests und umfangreichen Langzeittests inklusive Haftungsstudien hat das Produkt seine endgültige Freigabe erhalten und macht nun den weltweiten Einsatz des Reparatur-Kits unproblematisch möglich.

Ein Verarbeiter von Polymerbeton auf Basis von Polyesterharz benutzte in der Vergangenheit Methylenchlorid für das Spülen seiner Schneckenmischer. Da Methylenchlorid nicht entflammbar ist, konnte es bisher auch bei Anlagen ohne EX-Schutz eingesetzt werden. Im Zuge der neuen Regulierungen musste der Kunde eine funktionelle Alternative finden, welche das Thema EX-Schutz berücksichtigt, jedoch auch die Reinigungsanforderungen komplett erfüllt. In enger Zusammenarbeit mit dem Maschinenhersteller der betroffenen Anlage wurde mit Resin-Clean EXP-3/M-V2 ein effizienter Spezialreiniger implementiert, der alle Kundenanforderungen abdeckt. In der Anlage wurde die bestehende Schneckenmischer-Vergussanlage um ein Zirkulation-Tank-System erweitert. Damit konnte der Verarbeiter die Reinigungsleistung noch steigern und die Kosten senken. Im Vergleich zur Verwendung von Methylenchlorid wird nun nur noch ein Bruchteil an Chemie für das regelmäßige Reinigen der Anlage eingesetzt (Bild 1).

 Ersatz von Aceton – aber bitte ohne Wechselwirkungen

Ein Hersteller von Duroplast-Halbzeugen wollte bei der Neuprojektierung einer großen Vergussanlage für Harze auf Basis Polyester und Epoxid den Mehraufwand für die Auslegung der Anlage mit EX-Schutz einsparen und stand nun vor der Problematik, das bisher eingesetzte Aceton ersetzen zu müssen. Auch aus Gründen der hohen diffusen Emissionen im Zusammenhang mit dem Einsatz großer Jahresmengen an Aceton ergab sich hier ein erhöhter Handlungsbedarf. Die Anforderungen an die Reinigungsleistung waren an der Stelle sehr hoch, denn Aceton ist allgemein als sehr gutes Lösemittel bekannt und wird nach wie vor sehr breit in der harzverarbeitenden Industrie eingesetzt. Da auch in diesem Fall die Kosteneffizienz eine wesentliche Rolle gespielt hat und man geplant hatte, den zukünftigen Reiniger durch Destillationsverfahren wieder aufzubereiten, musste das neue Spülmittel so ausgelegt werden, dass es zum einen destillationsfähig ist und es zum anderen auch keine Wechselwirkungen zwischen Reiniger und Harzen beim Reinigen und anschließenden Lagern und Destillieren gibt. Mit Resin-Clean HPT-PU 05 wurde ein Produkt platziert, welches alle Anforderungen erfüllt. Die Anlage wird heute in einer EX-Schutz freien Zone zur Zufriedenheit des Anwenders betrieben. Das Resin-Clean HPT-PU 05 wird in einem kontinuierlichen Prozess auf einer eigenen Vakuumdestillationsanlage laufend aufbereitet. Der Verbrauch und die damit verbundenen Emissionen konnten stark reduziert werden, was auch dazu führte, dass im Bereich Rohstoffeinsatz und Logistik deutlich Kosten reduziert werden konnten.

Entfernen von Isocyanat im nächtlichen Bewegungsbad

Ein Produzent im Bereich der Bauchemie hatte in der Vergangenheit aus Mangel an Alternativen seine Isocyanat-Behälter entweder gar nicht oder nur sporadisch manuell gereinigt. Die unzureichende Reinigung hat über die Jahre dazu geführt, dass ein erheblicher Schichtaufbau stattfinden konnte. Im Rahmen eines Projektgesprächs im Bereich einer Behälterreinigungsanlage für mobile Produktionsbehälter kam in einem Nebengespräch dann die Problematik im Bereich der stationären Isocyanat-Behälter in den Vordergrund. Da es auch bei vielen PUR-Verarbeitern immer mal wieder Reinigungsthemen im Bereich von Isocyanat-Verschmutzungen in der Vergangenheit gegeben hatte, hatte sich bereits für diese Reinigungsaufgabe ein sehr erfolgreiches Produkt etabliert. Resin-Clean HPT-73/DB konnte in der Praxis schon mehrfach beweisen, dass es auch mithilfe von abgestimmter Reinigungschemie möglich ist, ausgehärtete Isocyanat-Verschmutzungen chemisch zu entfernen. Der Produktionsbehälter wurde mit einem IBC (1000 kg) Resin-Clean HPT-73/DB geflutet und über Nacht in Bewegung gehalten. Im Anschluss daran lösten sich die Isocyanat Verunreinigungen großflächig von der Behälteroberfläche ab. Die Reinigungsleistung von Resin-Clean HPT-73/DB kann durch Erwärmen erhöht, die Einwirkzeiten entsprechend verkürzt werden. Der Anwender reinigt mittlerweile in regelmäßigen Abständen den Behälter, sodass es zu keinem Materialaufbau mehr kommen kann. Der Reiniger kann für diese Anwendung mehrfach eingesetzt werden, somit werden die Kosten für die Unterhaltsreinigung in einem sehr geringen Maß gehalten.

Bild 1. Win-win-Situation: Die Schneckenmischer dieser Polymerbeton-Anlage werden heute mit einem Spezialreiniger gespült. Er spart Kosten und schützt die Mitarbeiter. Im Vergleich zu vorher wird außerdem nur noch einen Bruchteil an Chemie benötigt.

Dipl.-Ing. Holger Schlüter ist als Bereichsleiter bei der Färber & Schmid GmbH tätig.

Färber & Schmid GmbH <a href="http://www.faerber-schmid.de" target="_blank">www.faerber-schmid.de</a>

Im ersten Teil der Serie geht es vor allem um die Reinigung von Anlagen in der PUR-Verarbeitung. <a href="https://www.kunststoffe.de/a/fachartikel/ersatz-von-problemloesemitteln-2044576" target="_blank">Den Artikel aus Kunststoffe 5/2022 finden Sie hier.</a>

Werkzeugreinigung, Kunststoffe

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Reinigung

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Prozessfenster und Qualität über Parameter-Limits einfach festlegen

Das neue Feature Parameter-Limits von Engel unterstützt die Spritzgießer dabei, die Parameter innerhalb eines Prozessfensters konstant zu halten.

Voraussetzung für einen stabilen Produktionsprozess und eine konstant hohe Produktqualität ist die richtige Einstellung sämtlicher Prozessparameter an der Spritzgießmaschine. Immer wieder passieren dabei aber auch Fehler. Das neue Feature Parameter-Limits von Engel schafft Abhilfe. Es unterstützt die Spritzgießer dabei, die Parameter innerhalb eines Prozessfensters konstant zu halten.

Die Qualität der Bauteile entscheidet wesentlich über die Wettbewerbsfähigkeit eines Spritzgießunternehmens. Dabei fordert eine moderne Interpretation des Qualitätsbegriffs einen ganzheitlichen Blick auf das Thema. Wichtig ist nicht nur die messbare Produktqualität des Bauteils, sondern zusätzlich eine integrierte Qualitätssicherung sowie ein umfassendes Qualitätsmanagement (Bild 1). Qualität steht für die Qualität aller Prozesse, die zur Herstellung des Bauteils führen, beginnend mit der Erhebung der Kundenanforderungen, der Bauteilentwicklung und Werkzeugkonstruktion über die Organisation der Produktionsprozesse bis zur kontinuierlichen Prozessoptimierung.

Der Zusammenhang zwischen Spritzgießprozess und Bauteilqualität ist physikalisch begründet. Die Komplexität dieses Prozesses erlaubt jedoch kaum einfache Korrelationen zwischen einzelnen Prozessparametern und den Qualitätskriterien des Bauteils. Zudem muss berücksichtigt werden, dass der laufende Spritzgießprozess von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Hierzu gehören Schwankungen der Rohmaterialeigenschaften, Verschleiß im Werkzeug und an der Spritzgießmaschine sowie Veränderungen der Umgebungsbedingungen [1]. Die Folgen sind Abweichungen, sowohl im Prozess als auch bei der Bauteilqualität. Dabei korrelieren in der Regel verschiedene Prozessparameter mit den Qualitätsdaten des Bauteils. Zum Beispiel wird der Verzug eines Bauteils unter anderem durch die Einspritzgeschwindigkeit, den Nachdruck, die Massetemperatur und die Werkzeugtemperatur bestimmt, und auch die Bauteilgeometrie und das Material entscheiden darüber, wie stark sich die Prozesseinstellungen auf den Verzug des Bauteils auswirken.

Methoden, um eine konstant hohe Qualität sicherzustellen

Um beim Spritzgießen eine konstant hohe Qualität sicherzustellen, stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Die älteste ist die Kontrolle von definierten Qualitätskriterien am Bauteil. Für manche Anwendungen wird vom Kunden oder Gesetzgeber eine 100-%-Kontrolle vorgeschrieben. Die Kontrolle des fertigen Bauteils ist zwar eine sehr zuverlässige Methode, hat aber zahlreiche Nachteile. So können nicht alle Aspekte der Bauteilqualität geprüft werden; zudem ist die Methode teuer, weil entweder eine aufwendige Automatisierung oder ein hoher Personalaufwand notwendig ist. Hinzu kommt, dass sich Qualitätsprobleme erst feststellen lassen, wenn bereits Schlechtteile produziert wurden, was sich nicht mit der Forderung nach einer nachhaltigen, energie- und ressourcenschonenden Produktion vereinbaren lässt.

Eine weitere Methode, die seit vielen Jahren eingesetzt wird, ist die Überwachung der Ist-Werte des Produktionsprozesses. Diese Methode ist kostengünstig, liefert schnell Informationen über die aktuelle Prozessqualität und ermöglicht es, die Zusammenhänge zwischen Spritzgießprozess und Bauteilqualität besser zu verstehen. Mit dem Prozessdatenprotokoll bietet zum Beispiel Engel hierfür eine seit vielen Jahren bewährte Möglichkeit. Ein Nachteil ist jedoch, dass sich auf diese Weise nur schwer ein quantitativer Bezug zwischen Prozess-Ist-Werten und Bauteilqualität herstellen lässt, da die Prozessparater oftmals – und wenn, nicht linear – nicht mit der Bauteilqualität korrelieren [1, 2].

Zu den jüngeren Methoden zählt das aktive Ausgleichen von Prozessschwankungen durch die adaptive Regelung des Spritzgießprozesses. So bietet Engel mit dem Assistenzsystem iQ weight control die Möglichkeit, durch die Anpassung des Einspritzprofils, des Umschaltpunkts und des Nachdrucks das Schussgewicht von Zyklus zu Zyklus konstant zu halten. Auf diese Weise lassen sich Schwankungen der Rohmaterialeigenschaften und der Umgebungsbedingungen sowie Einflüsse durch den Werkzeug- und Maschinenverschleiß kompensieren [2].

Eine neue Methode zielt auf die Basis der Prozesseinstellung, die voreingestellten Sollwerte des Spritzgießprozesses. Sie stellt mithilfe des Features Parameter-Limits sicher, dass die Sollwerte zu jeder Zeit innerhalb eines definierten Prozessfensters liegen und damit auch die Qualitätskriterien des Bauteils die spezifizierten Grenzen nicht verlassen. Diese Methode kann einfach mit der Istwert-Überwachung sowie der vollständigen Produktprüfung kombiniert werden.

Ein Prozessfenster beschreibt den Bereich, in dessen Grenzen der Prozess ablaufen muss, um die vom Kunden geforderte Bauteilqualität zu erzielen. Bei der Optimierung des Spritzgießprozesses werden die Sollwerte an der Spritzgießmaschine gesetzt, um möglichst nah an das Qualitätsoptimum (100 %) zu gelangen (Bild 2). Die viel einfachere Methode wäre die Definition eines konkreten Prozesspunkts, jedoch hat sich dies als nicht praktikabel erwiesen. Durch kontinuierliche Veränderungen zum Beispiel im Rohmaterial und in den Umgebungsbedingungen müssen die Prozesswerte oftmals angepasst werden, um die Qualität sicherzustellen. Solange diese Anpassungen innerhalb eines Prozessfensters geschehen, können in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle die hohen Anforderungen an die Qualität gewährleistet werden.

Quantitativ kann der Zusammenhang zwischen Sollwerten und Bauteilqualität über eine statistische Versuchsplanung (DoE, Design of Experiment) ermittelt werden. Dabei werden die Sollwerte einzelner Prozessparameter systematisch variiert und die resultierende Bauteilqualität erfasst. Über eine statistische Auswertung wird ermittelt, ab welchen Werten die Bauteilqualität nicht mehr der geforderten Spezifikation entspricht. In Bild 2 zum Beispiel ist dies der Fall, wenn die Qualitätskriterien unterhalb von 95 % liegen. Das Prozessfenster ergibt sich dann aus dem unteren und oberen Sollwert eines Parameters, mit dem die geforderte Bauteilqualität noch erreicht wird.

Präzise Vermessung des Prozessfensters und der erlaubten Toleranz

In der Praxis wird bei der Konstruktion des Bauteils definiert, welche maßlichen Abweichungen tolerierbar sind, um die funktionalen und ästhetischen Anforderungen noch zu erfüllen. Darauf aufbauend wird das Spritzgießwerkzeug oftmals mit einer gewissen geometrie- und materialabhängigen Vorhaltung konstruiert, um den zu erwartenden Verzug auszugleichen. Ist der Verzug an einer Stelle des Bauteils ein kritisches Qualitätskriterium, wird in der DoE ermittelt, welche Parameter wie viel Einfluss darauf nehmen. Jene Parameter, die aufgrund der Erfahrung und des physikalischen Prozessverständnisses den größten Einfluss haben, werden systematisch variiert und die produzierten Bauteile vermessen. Daraus wird das Prozessfenster für die in der DoE betrachteten Parameter berechnet. Eine DoE ist das Herzstück einer Prozessvalidierung, wie sie zum Beispiel in der Medizintechnik vorgeschrieben ist und auch in anderen Branchen zunehmend gefordert wird.

Ist das Prozessfenster definiert, muss diese Information zum Produktionsstart an der Spritzgießmaschine verfügbar sein. Herkömmlicherweise liegen die Grenzwerte dem Bedienpersonal – wenn überhaupt – als Ausdruck oder in digitaler Form außerhalb der Steuerung der Spritzgießmaschine vor. Nicht immer ist es dem Maschinenbediener bewusst, wo die Grenzen des Prozessfensters aktuell liegen. So kann es trotz der aufwendigen Vorarbeit vorkommen, dass über längere Zeit unbemerkt Ausschuss produziert wird.

Engel hat als Lösung hierfür das Feature Parameter-Limits entwickelt, um das Prozessfenster direkt an der Spritzgießmaschine einzugeben und sicherzustellen, dass die Grenzwerte beim Bedienen der Maschine in der Produktion sicher eingehalten werden. Für bis zu 150 individuell auswählbare Prozessparameter kann mithilfe der Software im CC300-Bedienpanel der Engel-Spritzgießmaschinen ein Prozessfenster festgelegt werden. In Frage kommen alle numerischen Prozessparameter, deren Sollwerte der Maschinenbediener verändern kann.

Alle ausgewählten Parameter werden dem Maschinenbediener auf einer Übersichtsseite angezeigt (Bild 3). Sie sind analog zu den Phasen des Spritzgießprozesses in vier Gruppen gegliedert, wobei individuelle Gruppen hinzugefügt werden können. Zu jedem Parameter wird der aktuell eingestellte Sollwert angezeigt. Zudem wird der aus der Prozessoptimierung bzw. -validierung erhaltene Wert eingetragen, bei dem die bestmögliche Bauteilqualität erzielt wurde. Dieser Wert dient als Referenz für die erlaubten Abweichungen, die als absolute oder prozentuale Toleranz eingetragen werden. Alternativ lassen sich direkt ein oberer und unterer Grenzwert eingeben, wonach die Toleranz automatisch berechnet wird. Somit hat der Bediener das gesamte Prozessfenster, die aktuell eingestellten Werte sowie den dazugehörigen Referenzwert im Blick.

Prozessfenster im Einstelldatensatz speichern

Das Feature lässt sich über das Setzen eines Häkchens leicht aktivieren. Die Prozessparameter können dann nicht mehr auf einen Wert außerhalb des Prozessfensters gesetzt werden. Alle getroffenen Einstellungen werden im Teiledatensatz gespeichert. So stehen die Prozessfenster beim erneuten Rüsten des Werkzeugs in der Spritzgießmaschinensteuerung sofort wieder zur Verfügung.

Parameter-Limits kann nur von autorisiertem Personal aktiviert bzw. deaktiviert werden. Damit verknüpft das Feature die Qualität der Produktionsorganisation mit der Qualität des Bauteils. Ist es aktiviert und die Änderung eines Sollwerts notwendig, wird dem Maschinenbediener über ein Dialogfenster der Bereich angezeigt, in dem der Sollwert geändert werden kann (Bild 4). Änderungen des Prozessfensters sind ebenfalls nur durch autorisiertes Personal möglich.

Die Steuerungsfunktion überwacht die Einstellung von Sollwerten und reduziert das Risiko von Bedienfehlern. Damit trägt sie dazu bei, die Produktion von Ausschuss zu verhindern und energie- und ressourcenschonend zu arbeiten, insbesondere dann, wenn die Sicherstellung des Prozessfensters mit einer Istwert-Überwachung über das Prozessdatenprotokoll kombiniert wird.

Mit Parameter-Limits bietet Engel eine weitere Möglichkeit, die Bauteilqualität über die Prozessqualität abzusichern und mit der Qualität der Produktionsorganisation zu verbinden. Die Qualität des Spritzgießprozesses bildet einen Schwerpunkt der Entwicklungsarbeit von Engel, was auf der K 2022 im Oktober in Düsseldorf einmal mehr deutlich werden wird.

[1] Kilian, J.; Müller, N.: Injection moulding process window @ industry 4.0. 29th Leoben-Conference on Polymer Engineering and Science, Leoben 10/2021

[2] Pillwein, G.; Gießauf, J.; Steinbichler, G.: Einfaches Umschalten auf konstante Qualität. Kunststoffe 102 (2012) 9, S. 31

[3] Haman, S.: Prozessnahes Qualitätsmanagement beim Spritzgießen. Dissertation, Technische Universität Chemnitz, Chemnitz 2003, S. 6

[4] Jaroschek, C.: Spritzgießen für Praktiker. Carl Hanser Verlag, München 2013, S. 33

Mit dem neuen Feature Parameter-Limits können direkt in der Maschinensteuerung Toleranzbereiche für bis zu 150 Prozessparameter fest eingestellt werden. Eine Änderung der ausgewählten Sollwerte ist dann nur innerhalb des definierten Prozessfensters möglich.

Bild 1. Entwicklung der Qualitätssicherung: Nach heutigem Qualitätsverständnis wird bereits im Produktionsprozess die Bauteilqualität abgesichert [3].

Bild 2. Die Grenzen, zwischen denen die Prozessparameter eingestellt werden, lassen sich aus den Qualitätsanforderungen des Bauteils ableiten.

Bild 3. Die ausgewählten Prozessparameter werden auf einer eigenen Seite in der CC300-Steuerung übersichtlich dargestellt.

Bild 4. Ist eine Änderung eines Sollwerts, zum Beispiel des Dosiervolumens, notwendig, wird dies dem Maschinenbediener über ein Dialogfenster angezeigt.

Dr. Ruth Markut-Kohl ist Teamleiterin in der Entwicklung smart production bei der Engel Austria GmbH in Schwertberg/Österreich; <a href="mailto:ruth.markut-kohl@engel.at">ruth.markut-kohl@engel.at</a>

Dipl.-W.-Ing. (BA) Hannes Fritz leitet das Produktmanagement Steuerung bei Engel; <a href="mailto:hannes.fritz@engel.at">hannes.fritz@engel.at</a>

Dr. Johannes Kilian ist Bereichsleiter der Entwicklung Prozesstechnologien bei Engel; <a href="mailto:johannes.kilian@engel.at">johannes.kilian@engel.at</a>

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Weiterentwicklung des GITBlow-Verfahrens mit spritzgießtypischen Bauteilgeometrien

Mit höchster Präzision im Spritzgießwerkzeug aufgeblasen

Im Spritzgieß-Sonderverfahren GITBlow wird ein Formteil in einem zweistufigen Prozess innerhalb eines Spritzgießzyklus aufgeblasen. Das ist auch mit teilkristalline Materialien möglich.

Im Spritzgieß-Sonderverfahren GITBlow wird ein Formteil in einem zweistufigen Prozess innerhalb eines Spritzgießzyklus aufgeblasen. Durch eine Kombination aus Simulation und analytischer Berechnung eines Feder-Dämpfer-Modells der vorherrschenden Temperatur- und Ausgangsbedingungen und mit einem definierten Werkzeughandling ist es möglich, auch teilkristalline Materialien mit einem sehr schmalen Umformtemperaturbereich im Werkzeug aufzublasen.

Die Bedeutung leichtgewichtiger Bauteilstrukturen nimmt bei industriell gefertigten Produkten einen immer größeren Stellenwert ein. Anstiege der Energie- und Materialpreise zwingen die Industrie zudem zu einem effizienteren Umgang mit Ressourcen. Das an der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) entwickelte Spritzgieß-Sonderverfahren GITBlow [1] kann hierzu durch eine besondere Art der Prozessführung einen Beitrag leisten. Es erlaubt die Herstellung leichtgewichtiger Strukturen, die durch großvolumige, komplexe Hohlräume und geringe Wanddicken gekennzeichnet sind. Hierzu werden die Einzelprozesse Gasinjektionstechnik (GIT) und Blasformen (Blow) in einem Verfahrensschritt kombiniert, indem zwei aufeinanderfolgende Gasinjektionen und zwei unterschiedlich große Kavitäten in einem Werkzeug genutzt werden.

Bauteile, die das GIT-Verfahren und Blasformen allein  jeweils nicht hergeben

Die Herstellung eines GITBlow-Bauteils (Bild 1) beginnt mit dem Spritzgießen des Preforms und der nachfolgenden ersten Gasinjektion. Dazu wird das aus der Gasinjektionstechnik bekannte Nebenkavitätenverfahren eingesetzt. Die Hauptkavität mit den spritzgießtypischen Funktionselementen wird zunächst vollständig mit Schmelze gefüllt. Ein hydraulischer Kernzug öffnet anschließend den Zulauf zur Nebenkavität, sodass der flüssige Schmelzekern durch die anschließende Gasinjektion aus dem Bauteil in die Nebenkavität geleitet wird (Schritte 1 und 2). Während der Gashaltezeit wird die Schwindung des abkühlenden Preforms durch einen anhaltenden Gasdruck im Hohlrauminneren ausgeglichen.

Da der Preform im GITBlow-Prozess zwischenzeitlich nicht wieder erwärmt wird, gilt es die Restkühlzeit materialspezifisch so auszulegen, dass die Restwärme für die nachfolgende Handlingphase und den Aufblasvorgang ausreicht. In der Handlingphase fährt das Werkzeug auf, wobei der Preform in der Kavität auf der beweglichen Auswerferseite verbleibt. Mithilfe eines Drehtellers wird die Werkzeughälfte anschließend um 180° gedreht, sodass der Preform auf die Position der zweiten, düsenseitig größeren Aufblaskavität transportiert wird, aus der das Endprodukt aus dem Parallelzyklus soeben entformt wurde (Schritte 3 und 4). Nach Ablauf einer definierten Handlingzeit schließt das Werkzeug und der Hohlraum des Preforms wird infolge der zweiten Gasinjektion expandiert (Schritt 5).

Der so in zwei Teilschritten entstehende, geschlossene und dünnwandige Hohlraum (Bild 2) lässt sich mit reiner Gasinjektionstechnik nicht in dieser Größe herstellen. Beim Blasformprozess hingegen ist die Designfreiheit hinsichtlich der Fertigungstoleranzen beschränkt, weil hier die Wanddicke prozessbedingten Schwankungen unterworfen ist. Das GITBlow-Verfahren eliminiert diese Nachteile und ermöglicht die Produktion von Bauteilen mit lokalen, dünnwandigen Hohlräumen und angebundenen funktionalen Geometrien mit spritzgießtypischer Maßgenauigkeit.

Drei aufeinander aufbauende Simulationsschritte

Vorangegangene Arbeiten [2 – 5] konzentrierten sich auf die Analyse des Prozessverhaltens amorpher Materialien. Dabei wurde das Verfahren durch verschiedene Berechnungsschritte beschrieben und experimentell validiert. Ziel einer Simulation ist es, die resultierenden Wanddicken der Bauteile im Vorhinein berechnen zu können. Dies bedeutet, dass drei aufeinander aufbauende Simulationsschritte durchgeführt werden, die sich am Ablauf des Verfahrens orientieren. Diese sind im Einzelnen:

<ul><li>die Preformproduktion im GIT-Verfahren – Simulation mittels FEM und der Software Autodesk Moldflow;</li><li>der Temperaturausgleich durch Wärmetransport – Simulation mittels FEM und der Software Abaqus (Dassault Systèmes);</li><li>das Aufblasen mit der zweiten Gasinjektion – Simulation mittels Feder-Dämpfer-Modell.</li></ul>

Die erste Prozessphase im GITBlow-Verfahren ist die von rheologischen Fließprozessen dominierte Einspritz- und Gasinjektionsphase. Hier wird durch eine CFD-Simulation mit der Software Autodesk Moldflow untersucht, welche Parameter die Wanddickenverteilung beeinflussen.

Die Temperaturverteilung zum Zeitpunkt des Aufblasens ist der wichtigste direkte Einflussfaktor für das Aufblasverhalten und kann durch verschiedene Verfahrensparameter beeinflusst werden. Die Temperatursimulation dient bei der Modellierung des GITBlow-Prozesses als Ausgangspunkt für die nachfolgende Berechnung des Feder-Dämpfer-Modells, indem das Temperaturprofil als Eingangsgröße für die Aufblassimulation genutzt wird. Ausgangspunkt für die Simulation der Temperaturentwicklung im Querschnitt des GITBlow-Preforms ist die Wanddickenverteilung, die aus der Simulation der Gasinjektion hervorgeht.

Beim GITBlow-Prozess tritt im Gegensatz zum artverwandten Streckblasformen eine rein planare Verstreckung auf, da sich die Verformung auf die Ebene des Bauteilquerschnitts beschränkt und die Bauteilabmessungen in Längsrichtung konstant bleiben. Dies ermöglicht die modelltheoretische Abbildung durch ein Feder-Dämpfer-Modell, mit dem die Wanddickenhomogenität des aufgeblasenen Bauteils berechnet werden kann. Das Modell nutzt materialspezifische mechanische Kennwerte, verknüpft die viskosen und viskoelastischen Aspekte des Kunststoffs über eine Parallelschaltung, schließt damit die Simulation des Verfahrens ab und ist für amorphe Thermoplaste experimentell validiert.

Um ein allgemeingültiges Prozessverständnis aufzubauen, sind die Eigenschaften amorpher und teilkristalliner Materialien gleichermaßen im Prozess zu untersuchen. Die Ausgestaltung der Fertigteilgeometrie ist durch den Aufblasvorgang im Spritzgießwerkzeug nur geringfügig eingeschränkt, jedoch muss die maximale Dehnung des Bauteilbereichs geringer sein als die Bruchdehnung des eingesetzten Kunststoffs. Die Bruchdehnung des Materials ist stark von der vorliegenden Temperatur abhängig und weist für amorphe sowie teilkristalline Thermoplaste variierende Charakteristika auf (Bild 3).

Es ist festzuhalten, dass mit Erhöhung der Temperatur ab dem Zeitpunkt der Materialerweichung die Bruchspannung sinkt und die Bruchdehnung steigt. Die erhöhte Bruchdehnung besteht dabei bis zum Übergang in den schmelzeförmigen Bereich und der Überschreitung in den Fließbereich [6]. Gegenüber den teilkristallinen Materialien ist der Temperaturbereich mit erhöhter Bruchdehnung bei den amorphen Thermoplasten jedoch bedeutend größer. Dies ist für das Streckverhalten im GITBlow-Verfahren relevant, was wiederum bedeutend für die Prozessführung im Hinblick auf die Temperaturhomogenität ist.

Aufblasbereich mit ausreichend hoher Bruchdehnung

Der vollständige Aufblasbereich des Preforms muss zum Zeitpunkt der zweiten Gasinjektion eine ausreichend hohe Bruchdehnung aufweisen, damit die Preformwand auf keinen Fall aufplatzt. Um teilkristalline Thermoplaste im GITBlow-Prozess verwenden zu können, ist eine hohe Verstreckung nur in einem kleineren Temperaturbereich realisierbar. Alternativ kann in Anbetracht des Bruchdehnungsverlaufs auch eine geringe Verstreckung in einem breiteren Temperaturbereich erfolgen, was jedoch die mögliche Geometrievielfalt des Verfahrens einschränkt. Die Materialanhäufungen im Querschnitt, die aus den angebundenen Funktionselementen resultieren, sorgen für eine ungleichmäßige Temperaturverteilung, sogenannte Hotspots (Nr. 3 in Bild 4).

Durch Variation verschiedener Verfahrensparameter kann die Temperaturverteilung jedoch beeinflusst werden. Prinzipiell ist eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Querschnitt bzw. ein Temperaturausgleich das Ziel der Handlingphase. Zum Zeitpunkt der zweiten Gasinjektion müssen alle Bereiche des Preforms über einen möglichst gleichförmigen Verformungswiderstand verfügen, um eine homogene Verstreckung zu erzielen. Dafür muss im geöffneten Werkzeug ausreichend Zeit für den Temperaturausgleich berücksichtigt werden.

Bei freier Konvektion gleichen sich als Folge der Wärmeleitung des Kunststoffs die Temperaturen der Hotspots an die weiteren Bauteilbereiche an. Analytische Berechnungen ergeben, dass beispielsweise eine Handlingzeit von 12 s bei Verwendung von PP zu einem ausreichend homogenen Temperaturprofil mit einer maximalen Temperaturdifferenz von 14 K in den aufblasrelevanten Bauteilbereichen führt. Diese ist gering genug, um ein vollständig aufgeblasenes Bauteil zu erhalten. Die Herausforderung liegt darin, ein ausreichend hohes Temperaturniveau für den materialspezifischen Umformtemperaturbereich zu erhalten, bei gleichzeitig ausreichender Handlingzeit für den Temperaturausgleich, um die Temperaturdifferenzen zwischen Flanken und Dach auszugleichen.

Mithilfe von Temperatursimulationen und Wärmebildanalysen der vorherrschenden Temperaturniveaus im Preform konnte eine hohe Präzision in dem zweistufigen Herstellungsprozess realisiert werden. Bauteile aus PP, PA6 und PA12 lassen sich trotz des nur minimalen Umformtemperaturbereichs prozesssicher herstellen.

So weist das Muster eines vollständig aufgeblasenen Bauteils aus PP (Titelbild) im Querschnitt eine homogene Wanddicke auf. Deren Analyse erfolgt automatisiert in einem Bildanalyse-Tool. Darin wird zunächst der Mittelpunkt des aufgeblasenen Bauteilbereichs ermittelt, sodass anschließend in Umfangsrichtung an 15 Messpunkten die jeweilige Wanddicke berechnet wird (Titelbild, unten rechts). Die Berechnung erfolgt anhand der Kontrastunterschiede von Bauteil zu Hintergrund und der Anzahl der Pixel, die innerhalb der Bauteilwand ermittelt wird. Somit ist anhand des Querschnitts und der automatisch berechneten Wanddickenhomogenität eine schnelle Beurteilung des Bauteils möglich.

Das Prozessverhalten des zweistufigen GITBlow-Verfahrens lässt sich unter besonderer Berücksichtigung von nicht rotationssymmetrischen Bauteilgeometrien durch die Simulation vollständig beschreiben. Das Feder-Dämpfer-Modell zur Berechnung des Aufblasverhaltens wird derzeit auch für die Verwendung teilkristalliner Materialien angepasst. Auch die Fertigung von GITBlow-spezifischen Strukturen auf im Spritzgießwerkzeug umgeformten Organoblechen wird derzeit untersucht.

[1] Heim, H.-P.; Ridder, H.: Funktionskanäle im Spritzgießwerkzeug aufblasen. Kunststoffe 95 (2005) 2, S. 48–50; Ridder, H.; Schnieders, J.; Potente, H.; Schäfers, M.; Heim, H.-P.: Blasformen im Spritzgießwerkzeug. Kunststoffe 98 (2008) 9, S. 73–77

[2] Landgräber, B.: Experimentelle und modellbasierte Analysen der Prozessphasen des Spritzgießsonderverfahrens GITBlow. Dissertation, Universität Paderborn 2019

[3] Seidel, S.: Prozessphasenoptimierte Simulation und Optimierung des Spritzgießsonderverfahrens GITBlow. Dissertation, Universität Paderborn 2016

[4] Plugge, T.: Herstellung komplexer polymerer Hohlkörperstrukturen – Ganzheitliche Prozessanalyse und -optimierung des Spritzgießsonderverfahrens „GITBlow“. Dissertation, Universität Paderborn 2014

[5] Schäfers, M.: Beitrag zur Entwicklung des Spritzgießsonderverfahrens „GITBlow“. Dissertation, Universität Paderborn 2009

[6] Biglione, J.; Béreaux, Y.; Charmeau, J.-Y.: Numerical Simulation of the Injection Blow Molding Single Stage Process. International Polymer Processing 31 (2016) 4, S. 442–453

Das funktionalisierte, vollständig aufgeblasene GITBlow-Bauteil aus PP weist laut Messung und Bildanalyse eine homogene Wanddicke auf. 

Bild 1. Prozessablauf des zweistufigen GITBlow-Verfahrens [2]. Dabei werden zwei aufeinanderfolgende Gasinjektionen und zwei unterschiedlich große Kavitäten genutzt.

Bild 2. Gegenüberstellung des Preforms (links) und des Fertigteils (rechts) inklusive der dazugehörigen Querschnitte.

Bild 3. Qualitative Darstellung der Umformtemperaturbereiche von amorphen und teilkristallinen Thermoplasten [3]. Die Bruchdehnung der Materialien weist jeweils variierende Charakteristika auf. 

Bild 4. Simulierte Temperaturhomogenität im Querschnitt eines Preforms. Die Temperatur im Flankenbereich (Punkte 3 und 4) ist aufgrund von Materialanhäufungen höher als im Dachbereich (Punkte 1 und 2).

Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer ist Professor der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) an der Universität Paderborn; <a href="mailto:elmar.moritzer@ktp.upb.de">elmar.moritzer@ktp.upb.de</a> Michael Kröker, M. Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der KTP.

Dieses Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt und finanziert.

Spritzgießwerkzeuge

Spritzgießsimulation

Simulation

Blasformen

Das Arburg-Leitrechnersystem als Basis für höhere Produktivität und Produktqualität

Prozessakten für die Patientensicherheit

Wie bringt man 65 Spritzgießmaschinen und diverse Montagelinien – den Großteil der Fertigungszellen im Reinraum – und dazu demnächst noch eine Vielzahl an Peripheriegeräten unter ein digitales Dach? Ein Erfahrungsbericht.

Wie bringt man 65 Spritzgießmaschinen und diverse Montagelinien – den Großteil der Fertigungszellen im Reinraum – und dazu demnächst noch eine Vielzahl an Peripheriegeräten unter ein digitales Dach? Erfahrungsbericht über das hochgradig komplexe Projekt der Einführung eines Leitrechnersystems, das sehr geerdet durchgezogen wurde und Röchling Medical auf mehreren Ebenen zu deutlichen Leistungsfortschritten verholfen hat.

Wir sind einer der wenigen Kunden aus der Medizintechnik, die das Leitrechnersystem ALS nutzen.“ Daniel Tobien, Produktionsleiter der Röchling Medical Waldachtal AG, legt die Messlatte gleich zu Beginn des Gesprächs fest, das Kunststoffe via Videoschaltung mit ihm führt. Wenn man im Lauf der folgenden Stunde von ihm hört, dass es gelungen ist, damit nicht nur die eigene Produktivität in der Kunststoffverarbeitung, sondern auch die Patientensicherheit zu erhöhen, mag dieser Befund zunächst erstaunlich sein.

Das Kürzel ALS steht für Arburg-Leitrechnersystem, das Produktionsmanagement-Tool des Spritzgießmaschinenherstellers aus dem Schwarzwald, das durch seinen modularen Aufbau an die Bedürfnisse des Fertigungsbetriebs angepasst werden und mit der Größe der Produktion und deren Anforderungen mitwachsen kann. Mit ihm lässt sich die gesamte Fertigung managen – in Richtung einer hohen Produktqualität und möglichst geringer Stillstandszeiten der Maschinen. Jederzeit abrufbare Kennzahlen zu laufenden Aufträgen, Prozessen oder zur Gesamteffektivität der Produktion versetzen die Anwender in die Lage, Schwachstellen zu identifizieren sowie Prozesse und Abläufe nachhaltig zu verbessern.

Hohe Anforderungen, strenge Dokumentationspflichten

Die Sparte Medical ist mit einem Umsatz von 164 Mio. EUR die kleinste der drei Divisionen im Röchling-Konzern, dessen Gesamtumsatz mit den beiden starken Säulen Automotive und Industrial 2020 bei knapp über 2 Mrd. EUR lag. Produkte für die Medizintechnik werden an insgesamt sechs Standorten in Deutschland, den USA und China produziert. 2018 kam der Standort in Waldachtal dazu, den Röchling von der Frank plastic AG übernahm und an dem Daniel Tobien alle Phasen der ALS-Einführung koordinierte.

Dass die Anforderungen und Dokumentationspflichten bei der Herstellung von Medizinprodukten besonders hoch und streng sind, ist bekannt. Warum das so ist – oder besser: sein muss –, wird beim Blick auf das Produktspektrum von Röchling Medical sofort klar. Das Unternehmen agiert vorwiegend in drei Marktsegmenten (Medizintechnik, Diagnostics und Pharma), die Spanne reicht hier von glasklaren Bauteilen für Oxygenatoren, die bei Herzoperationen das Blut des Patienten außerhalb des Körpers filtrieren und mit Sauerstoff versorgen, über Petrischalen für die Diagnostik sowie verschiedene pharmazeutische Primärverpackungen und Verabreichungssysteme bis zu ophthalmologischen Instrumenten für die Augenchirurgie oder endoskopischen Lösungen für die minimal invasive Chirurgie.

„Die Bauteile, die wir in Waldachtal fertigen, sind zu 85 Prozent hochkomplexe Anwendungen“, berichtet Tobien. Dabei gehe es um eine Präzision, die, wenn überhaupt, oft nicht auf den ersten Blick sichtbar sei. Der ausgebildete Maschinentechniker verweist zum einen auf geometrische und maßliche Anforderungen beispielsweise in Nadeldurchführungen mit 0,2 mm Durchmesser oder in blutführenden Komponenten, deren Kanten und Öffnungen gratfrei verrundet sein müssen, damit die Blutkörperchen beim Durchfluss nicht geschädigt werden. Zum anderen erwähnt er die hohen optischen Anforderungen: „Wie sollen Ärztinnen und Pfleger unterscheiden, ob schwarze Punkte in Glasklarteilen unkritische Einschlüsse im Material sind oder doch lose Fremdkörper?“ Dazu komme ein seit Jahren steigender Anteil an Baugruppen sowie an fertig montierten, verpackten und sterilisierten Single-Use-Produkten.