Bei den Kunststoffherstellern ist einiges in Bewegung.

Ende Mai verkaufte DSM seine technische Kunststoffsparte für 3,7 Milliarden Euro an ein Joint Venture von Lanxess und des Finanzinvestors Advent. Die Niederländer ziehen sich damit komplett aus dem Kunststoffbereich zurück. Das Geschäft ist der letzte Schritt des Konzernumbaus. Erst im April hatte DSM sich von seinem Fasergeschäft getrennt. Es wechselt zu Avient. Bereits 2020 wurde die Beschichtungssparte an Covestro veräußert. Künftig möchte sich das Unternehmen ganz auf Medizin-, Nahrungs- und Biotechnologien konzentrieren.

Die Transaktion ist der zweite große Coup im technischen Kunststoffbereich in diesem Jahr. Im Februar hatte DuPont seine Sparte für 11 Milliarden US-Dollar an den Konkurrenten Celanese verkauft. Und die Konsolidierungen in dem Bereich könnten weitergehen. Denn auch wenn Lanxess nun als Käufer im DSM-Deal auftritt – ausgemacht ist es noch nicht, dass der Chemiekonzern langfristig weiter technische Kunststoffe produziert. Einige Parameter des Kaufs klingen eher nach Abschied. Das Unternehmen bringt etwa sein eigenes PA- und PBT-Geschäft in das Joint Venture mit Advent ein, erhält aber nur eine Minderheitsbeteiligung daran. Und Lanxess hat die Option, seine Anteile nach drei Jahren komplett an Advent zu verkaufen. Die Kölner haben in letzter Zeit außerdem stark in andere Chemiesektoren investiert. Lanxess-CEO Matthias Zachert möchte den Konzern weniger abhängig von Konjunkturschwankungen machen.

In diesem Punkt hatte den Kunststoffherstellern in letzter Zeit die Automobilindustrie große Sorgen gemacht. Die schwachen Verkaufszahlen der Fahrzeughersteller stellten gerade die Erzeuger von technischen Kunststoffen vor Probleme. Die Autobranche ist schließlich einer ihrer größten Absatzmärkte. Hinzu kommt die Unsicherheit durch den Wechsel zur Elektromobilität. Das macht den Markt für technische Kunststoffe noch unberechenbarer. Zu unberechenbar für Lanxess? In drei Jahren wissen wir mehr.

Florian Streifinger [<a href="mailto:Florian.Streifinger@hanser.de">Florian.Streifinger@hanser.de</a>]

Editorial Streifinger

Streifinger, Florian

Teil 9 der Serie: Konsistente Datenstrukturen für nachhaltigen Zugriff auf gesichertes Wissen

Das Plastics Innovation Center 4.0 am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Aachen initialisiert ein Forschungsdatenmanagement in Verbindung mit einer Prozessdatenerfassung, um einen langfristigen Zugang zu vollständigen und kontextualisierten Versuchsdaten zu gewährleisten.

In Produktion und Forschung werden Prozessdaten und zuvor definierte Qualitätswerte nachgehalten, um Optimierungsmodelle zu ermitteln und ein konsistentes Qualitätsmanagement zu betreiben. Daten, die im konkreten Anwendungsfall nicht relevant sind, werden dagegen selten erfasst. Einen langfristigen Zugang zu vollständigen und kontextualisierten Versuchsdaten zu gewährleisten, setzt ein Forschungsdatenmanagement in Verbindung mit einer Prozessdatenerfassung voraus. Dies wird im Rahmen des Plastics Innovation Center 4.0 am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Aachen initialisiert.

Die (statistische) Versuchsplanung und -analyse ist ein zentrales Werkzeug in den Ingenieurswissenschaften. In der Forschung wie auch in industriellen Einrichtprozessen kann mit geringem Versuchs- und Messaufwand der Einfluss gezielter Maschineneinstellungen auf Prozess- und Qualitätsgrößen untersucht werden. Auf Basis von Forschungsfragen und Hypothesen werden hierzu Überwachungsgrößen festgelegt, wie zum Beispiel Kennwerte zum Einspritzdruck oder der maschinenseitigen Anfahrkurven der Schnecke. Reale oder simulierte Versuchsreihen evaluieren anschließend die Hypothese. Wenngleich dabei valide Ergebnisse im Versuchsraum erzeugt werden, die eine Aussage über die Ausgangshypothese zulassen, ermöglichen die erfassten Daten ebenso die Analyse einer Vielzahl weiterer Korrelationen und Abhängigkeiten, die im konkreten Fall meist nicht im Fokus stehen. Die Forschungsinfrastruktur des Plastics Innovation Center 4.0 (PIC 4.0) zeigt nun, wie mithilfe einer strukturierten Datenerfassung und digitaler Services bei der Versuchs- und Produktionsplanung die Konsistenz von Prozessdaten gewährleistet werden kann.

Welche Bedeutung konsistente Daten und verlässliche Datenformate haben, wird meist erst im Nachgang eines Prozesses deutlich. Einerseits liegen Daten wie das Sensorsignal eines Werkzeuginnendrucksensors, die Schneckenposition eines Einspritzaggregats oder der simulierte Verlauf einer Fließfrontgeschwindigkeit vor, die es zunächst zu synchronisieren und zu korrelieren gilt [1]. Hierbei können in den jeweiligen Systemen unterschiedliche Zyklenzähler oder Zeitstempel vorliegen. Andererseits gibt es auch Stammdaten zur Maschine, dem Werkzeug und dem Material, einen aktuellen Konfigurationszustand der Anlagentechnik sowie mit Papier und Stift festgehaltene Notizen, die für die Aussagekraft oder die Rekonstruktion der Versuchsreihe relevant sind.

Zwischen Hypothesen und gesichertem Wissen

Gehen diese Informationen ganz oder teilweise verloren, lassen sich die Ergebnisse außerhalb der spezifischen, im Fokus stehenden Forschungsfrage bislang nur bedingt wiederverwenden. Versuchsreihen mit demselben Werkzeug und demselben Material selbst auf derselben Maschine müssen im Zweifel wiederholt werden, weil zum Beispiel der Schneckenvorschub in früheren Untersuchungen nicht relevant war und daher nicht erfasst wurde oder Unklarheit über einzelne Einstellwerte herrscht. Dem beugt die Datenerfassung im PIC 4.0 durch die Festlegung eines Standard-Datensatzes vor, der parallel zu fokussierten Versuchsreihen abgespeichert wird.

Auch für Methoden des maschinellen Lernens sind konsistente Daten wichtig. Unvollständige Datensätze oder solche, die sich nicht eindeutig zuordnen lassen, schränken die direkte Einsetzbarkeit in der industriellen Produktion häufig ein oder resultieren in einer Ungenauigkeit der abgeleiteten Modelle [2]. Eine ziellose Datenerfassung führt dagegen zu ungenutzten Datenfriedhöfen. Anfahrprozesse eröffnen hierzu eine gute Analogie zu den forschungsseitigen Versuchsplänen.

Ziellose Datenerfassung, ungenutzte Datenfriedhöfe

Wertvolle Einblicke, wie die Einstellgrößen an den Produktionsmaschinen voneinander abhängen, ermöglichen eine modellbasierte Einrichtunterstützung zur konsistenten Qualitätssicherung. Die Herausforderung besteht jedoch zunächst darin, die Datenerfassung zielgerichtet aufzusetzen und Daten für statistische oder datengetriebene Modelle aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz auch lange nach der ursprünglichen Versuchsreihe zur Modellvalidierung zur Verfügung zu stellen. Hierfür müssen Vollständigkeit und die eindeutige Zuordnung von Qualitäts- zu Einstellgrößen gewährleistet sein.

Das Forschungsdatenmanagement umfasst ein breites Themenfeld. Es erstreckt sich von der effizienten Datenerfassung heterogener Systeme über die schnelle und einfache Verarbeitung von Daten zu Informationen bis zur langfristigen Sicherung von generiertem Wissen bei gleichzeitiger Verknüpfung der relevanten Daten (Titelbild) [3]. Für das Daten- und Informationsmanagement einer Forschungsinfrastruktur wie der des PIC 4.0 bedeutet dies vor allem, Daten aus Versuchsreihen konsistent nachzuhalten und über das initiale Forschungsprojekt hinaus, zum Beispiel zur Modellvalidierung in anderen Projekten, abrufen zu können.

Die Herausforderung besteht darin, alle zur verlässlichen Rekonstruktion der Versuchsdaten notwendigen Prozesseinstellungen nachzuhalten sowie alle Versuchsreihen versuchsplan- und projektspezifisch zuzuordnen. Im Funktionsablauf müssen hierzu zwei Szenarien unterschieden werden (Bild 1). Einerseits muss eine proaktive Festlegung ausgehend von der projektspezifischen Versuchsplanung erfolgen und andererseits eine retrospektive Datenbankabfrage aus Historiendaten.

Erhöhte Effizienz durch standardisierte Versuchsplanung

Eine im Rahmen des Projekts entwickelte Service-Plattform auf Basis von Open-Source-Technologien (ikv-services) unterstützt Anwender bereits dabei, statistische Versuchspläne (Design of Experiments, DoE) standardisiert zu generieren [4]. Ein weiteres Modul ermöglicht es, den Datenerfassungs-Client (Connector) durch Auswahl der für die jeweilige Versuchsreihe gewünschten Überwachungsgrößen zu konfigurieren (Bild 2). Der Connector fragt die überwachten Größen ab und sendet die numerischen Werte in ein internes Broker-Netzwerk, wo sie unter anderem in eine Datenbank abgelegt werden.

Neben den individuell spezifizierbaren Zielgrößen wird das Set der Überwachungsgrößen um eine grundlegende Auswahl erweitert, die alle relevanten Prozesseinstellungen und hilfreiche Messdiagramme zur Schneckenbewegung umfasst, auch wenn diese im konkreten Projekt nicht im Fokus der Untersuchungen stehen. Beim Starten des Connectors wird schließlich eine Prozess-ID generiert, die es erlaubt, Datenspuren verschiedener Geräte auch retrospektiv einem Projekt zuzuordnen. Ebenso können dadurch im Nachgang analoge und unstrukturierte Datenpakete, zum Beispiel handschriftliche Versuchsnotizen oder Fehlerprotokolle, der Versuchsreihe zugeschrieben werden.

Das zweite Anwendungsszenario betrifft die Datenbankabfrage zu in der Vergangenheit durchgeführten Prozessen. Hierzu kann die Datenbank nach den Messgrößen durchsucht werden; zielführender ist es jedoch, die Datenspuren zu den gesuchten Einstellkombinationen zusammenzustellen. Das im Exzellenzcluster „Internet of Production“ erarbeitete Konzept des digitalen Schattens kann zur Kontextualisierung der Daten innerhalb des PIC 4.0 umgesetzt und anwendungsnah demonstriert werden [5]. In Form eines weiteren Service für die zur Verfügung stehende Plattform wird derzeit eine Funktionalität entwickelt, die basierend auf festzulegenden Einstellkombinationen des Prozesses die Datenspuren der Prozesshistorie ermittelt und ausgibt (Digital-Shadow-Caster).

Mit Bezug auf die zu den Prozessen generierten Metadaten, wie auch der Prozess-ID, können korrespondierende Geräte und Anlagen zunächst als Datenquellen (Assets) ausgewählt werden. Aus diesen soll ein Nutzer die einzubeziehenden Datenquellen festlegen. Anschließend sollen die verfügbaren Parameter angezeigt werden; die Grundkonstellation wird dabei durch das Versuchsplanungsszenario gewährleistet. Im Anschluss lässt sich per automatisiertem Datenbank-Filterbefehl eine relevante Teilmenge der Datensätze exportieren, die für die angestrebte Analyse oder Modellvalidierung geeignet ist.

Die Notwendigkeit intelligenter Filtertechniken ergibt sich aus den verschiedenen Datenbanken und Datenbankstrukturen, die beim Aufsetzen der Datenerfassung und insbesondere für die semantische Verknüpfung einzelner Datenspuren bedient werden. Während zyklusbezogene numerische Werte oder Zeichenketten in eine relationale Datenbank geschrieben werden können, werden Metadaten (zum Beispiel Stammdaten) zur genutzten Maschinen- und Anlagentechnik oder zur Prozesskonfiguration in nicht-relationalen Datenbanken abgelegt. Da jede Produktionsanlage als Datenquelle eigene Datenspuren erzeugt, können diese in relationalen Datenbanken jeweils in eigenen Tabellen, die dazugehörigen Stammdaten in der nicht-relationalen Datenbank in Kollektionen gespeichert werden. Die Verknüpfung von Datenspuren und Metadaten kann dann nur über eindeutige Identifier wie einer Auftragsnummer in einer industriellen Produktion oder der hier eingeführten Prozess-ID erfolgen.

Während das grundsätzliche Erfassen, Speichern und Archivieren auch großer Datenmengen kein technisches Problem mehr darstellt, ist es bis zu einer zielgerichteten Verarbeitung und einem gegebenenfalls monetären Mehrwert oft noch ein weiter Weg. Mit den vorgestellten Szenarien beim Aufsetzen einer projektbezogenen Datenerfassung wie auch dem retrospektiven Korrelieren von Historiendaten soll ein langfristiger Mehrwert erzeugt werden. Dieser äußert sich neben der gesteigerten Transparenz und Abrufbarkeit auch in einer gesicherten Konsistenz und Vollständigkeit der Daten – dazu werden zu den bereits bestehenden weitere Software-Services entwickelt. Damit sollen Daten auch für die Beantwortung weiterführender Fragestellungen wie etwa bei der Übertragbarkeit von Forschungsansätzen auf unterschiedliche Maschinen- und Anlagen oder bei der Verarbeitung weiterer Materialien verwendbar gemacht werden.

[1] Hopmann, C.; Bibow, P. Aus dem Schatten ins Licht. Wie der digitale Schatten im PIC 4.0 den Prozess belichtet. Kunststoffe 111 (2021) 12, S. 14–16

[2] Boureanu, L. Erfolgreiches Machine Learning dank Datenkonsistenz. Digitale Welt 4 (2021) 3, S. 68–70

[3] Schmitt, R. H.; Anthofer, V.; Auer, S.; Baskaya, S.; Bischof, C.; Bronger, T.; Claus, F.; Cordes, F.; Demandt, E. I.; Eifert, T.; Flemisch, B.; Fuchs, M.; Fuhrmans, M.; Gerike, R.; Gerstner, E.-M.; Hanke, V.; Heine, I.; Huebser, L.; Iglezakis, D.; Jagusch, G.; Klinger, A.; Krafczyk, M.; Kraft, A.; Kuckertz, P.; Küsters, U.; Lachmayer, R.; Langenbach, C.; Mozgova, I.; Müller, M. S.; Nestler, B.; Pelz, P.; Politze, M.; Preuß, N.; Przybylski-Freund, M.-D.; Rißler-Pipka, N.; Robinius, M.; Schachtner, J.; Schlenz, H.; Schwarz, A.; Schwibs, J.; Selzer, M.; Sens, I.; Stäcker, T.; Stemmer, C.; Stille, W.; Stolten, D.; Stotzka, R.; Streit, A.; Strötgen, R.; Wang, W. M.: NFDI4Ing the National Research Data Infrastructure for Engineering Sciences. Zenodo research shared 2020 (2020), S. 1–116

[4] Hopmann, C.; Bibow, P.; Seifert, L.; Liu, B. Wandlungsfähige Strukturen für mehr Innovation. Flexible Infrastrukturen erleichtern den Zugriff auf innovative Services. Kunststoffe 112 (2022) 5, S. 16–18

[5] Hopmann, C.; Schmitz, M.; Bibow, P. Das PIC 4.0 im Internet of Production. Kunststoffe 111 (2021) 3, S. 16–18

Struktur und Vernetzung entlang der Informationspyramide erzeugen aus Sensorsignalen letztlich Wissen.

Bild 1. Die zwei Szenarien der zielgerichteten Datenzuordnung: perspektivisch aus der Versuchsplanung heraus (links) oder retrospektiv per Datenbankabfrage (rechts).

Bild 2. In der Bediener-Oberfläche zur manuellen Connector-Konfiguration (Auszug) können projektspezifische Überwachungsgrößen individuell zusammengestellt werden.

Name - Hauptartikel

Qualitätsmanagement in der Kunststoffverarbeitung | Datenmanagement | Digitaler Schatten | Serie, Teil 9

Digitalisierung am Plastics Innovation Center 4.0 am IKV

Der digitale Schatten ist das Kernkonzept des Exzellenzclusters „Internet of Production“. Er beschreibt eine semantische Aggregation relevanter Datenspuren verschiedener Quellen, um das Verhalten eines Objekts (Assets) in der Produktion datentechnisch abzubilden.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann ist seit 2011 Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung und Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen.

Pascal Bibow, M. Sc. RWTH beschäftigt sich am IKV mit intelligenten Produktionssystemen und ist seit 2020 Geschäftsführer des Plastics Innovation Center 4.0 am IKV; <a href="mailto:pascal.bibow@ikv.rwth-aachen.de">pascal.bibow@ikv.rwth-aachen.de</a>

Dipl.-Ing. Mauritius Schmitz ist seit 2019 Wissenschaftlicher Direktor für Digitalisierung und Industrie 4.0 am IKV und hauptverantwortlicher Koordinator der Aktivitäten des IKV im Exzellenzcluster „Internet of Production“.

Die Errichtung des Plastics Innovation Center 4.0 wird gefördert durch Mittel des Landes NRW und aus dem Europäischen Fond für Regionale Entwicklung (EFRE).

Das PIC 4.0 steht vor der Fertigstellung und der Einzug der Maschinen- und Anlagentechnik ist terminiert. Lesen Sie im letzten Beitrag der Serie von den installierten Möglichkeiten, die Ihnen das PIC 4.0 und seine Forschungsfelder in Zukunft bieten. Der Beitrag erscheint in Heft 11/2022.

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Messdatenerfassung und -verarbeitung

Software

Qualitätsmanagement

Machine Learning

Datenanalyse

Datenbanken

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Big Data für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

IoT-Plattformen für die Kunststoffverarbeitung

Endlich wieder persönlich! Mitte Mai begrüßte Ewikon rund 100 Teilnehmer in Frankenberg (Eder) zum 18. Heißkanal-Forum.

Endlich wieder persönlich! Mitte Mai begrüßte Ewikon rund 100 Teilnehmer in Frankenberg (Eder) zum  18. Heißkanal-Forum. Auch wenn Corona noch nicht ganz vorbei ist, sollte es bei der zweitägigen Veranstaltung nicht um die Vergangenheit gehen, sondern vor allem um die Zukunft – von Ewikon selbst  und der Kunststoffindustrie.

Ganz Hessen feierte am 18. Mai 2022 den Triumph von Eintracht Frankfurt; das Team gewann am Vorabend das Finale der Europa League mit 5 : 4 im Elfmeterschießen. Ganz Hessen? Nein! Denn in Frankenberg (Eder) ging es nur am Rande um Fußball. Ewikon hatte zum 18. Heißkanal-Forum eingeladen und knapp 100 Gäste waren der Einladung gefolgt. Dabei wurde eines schnell deutlich: Auch die Kunststoffindustrie versteht sich als Team – vom Rohstofferzeuger über die Maschinen- und Werkzeughersteller bis hin zum Verarbeiter müssen alle Mitspieler an einem Strang ziehen, um die hochgesteckten Ziele in Sachen Nachhaltigkeit tatsächlich zu erreichen.

Aber zunächst sorgte der Gastgeber selbst für Neuigkeiten. Für Geschäftsführer Dr. Martin Wilhelmi war es das letzte Forum, er geht im Herbst in den Ruhestand und nutzte die Veranstaltung zur Übergabe des Staffelstabs an seinen Nachfolger Ingo Born, aktuell kaufmännischer Leiter. Die Zukunft für Ewikon scheint gesichert, aber gilt das auch für die Kunststoffindustrie? Wobei die Frage wohl eher lauten müsste: Wie geht es mit der Kunststoffindustrie in Zukunft weiter? Sowohl die Corona-Pandemie als auch der Krieg in der Ukraine hinterlassen Spuren. Kaum ein Marktteilnehmer möchte sich derzeit auf Prognosen festnageln lassen. Es sind schwierige Zeiten, die auch die Referenten und Zuhörer in Frankenberg sichtlich beschäftigten.

Hinzu kommt, dass die Kunststoffindustrie seit einigen Jahren ein massives Imageproblem hat. Dieses zu verbessern, ist bei weitem keine Aufgabe für einzelne Helden. „Daran sollten wir alle arbeiten“, betonte Dr.-Ing. Stefan Eimeke, ebenfalls Geschäftsführer bei Ewikon und Moderator des Heißkanal-Forums.

„Kunststoffe – Fluch oder Segen“: Der Vortrag des ersten Redners, Prof. Dr.-Ing. Martin Bastian, Institutsdirektor am SKZ, sollte bei den Teilnehmern lange nachhallen. Denn Bastian machte deutlich, dass der Imageschaden nicht nur auf Halbwissen und schlechter Presse beruht. Probleme wie Mikroplastik und fehlende Kreisläufe sind real und verlangen auch von der Industrie Lösungen. „Wir übernehmen als Produkterzeuger zu wenig Verantwortung“, so Bastian. Diese gäbe man nur allzu gerne an den Verbraucher ab. Der Aufruf war deutlich: Recyclingfähiges Design, neue Materialien sowie eine klimaneutrale Produktion sind Aufgaben, die die Industrie selbst und vor allem zeitnah stemmen muss.

Die Stimmung vor, während und nach den Vorträgen war angenehm entspannt. Da musste beziehungsweise durfte sogar die zuvor angekündigte Maskenpflicht weichen. Den Teilnehmern kam das sichtlich entgegen; nach über zwei Jahren Pandemie freuten sich alle, endlich wieder Gesichter zu erblicken. Ganz ohne Maske ging es dann doch nicht, aber zum Glück nur im Rahmen eines Vortrags. Lukas Gröning, Technical Sales Manager bei Sigma Engineering, erklärte dem Publikum, wie es seinem und anderen Unternehmen gemeinsam gelang, in einer dramatischen Phase des Infektionsgeschehens dank umfassender Simulation äußerst zügig Schutzmasken zu produzieren. „Schnell ist während einer Pandemie ja relativ“, so Gröning. Dennoch kann sich das Ergebnis sehen lassen: Vom ersten virtuellen Gespräch bis zur realen Serienproduktion waren es 41 Tage.

Die Stimmung blieb auch während der Werksbesichtigung und der Abendveranstaltung konstant gut. Vor allem Jonathan Franke, Geschäftsführer von Enesty, rührte in launigen Gesprächen kräftig die Werbetrommel für seinen Vortrag am zweiten Veranstaltungstag. Und Franke sollte nicht enttäuschen. Das lag zum einen an seinem Bühnentalent und zum anderen – und das ist noch viel wichtiger – an dem Inhalt seines Vortrags.

Gemeinsam mit seinem Kollegen Dr.-Ing. Michael Süß, Leiter Forschung und Entwicklung, sprach er über das Spritzgießen von Biokunststoffen. Sie gingen dabei insbesondere auf die Herausforderungen in der Werkzeugtechnik und Prozessführung ein. Denn trotz aller Vorteile eignen sich Biokunststoffe eigentlich nicht für die Verarbeitung im Heißkanal. Das liegt zum einen an der Wasseraufnahme, was bei vielen Werkstoffen eine Vortrocknung nötig macht, und zum anderen an ihrer hohen Viskosität. Die Sachsen lösten die Materialprobleme, indem sie Stützstrukturen einbrachten, die den Materialfluss begünstigen. Das Ergebnis ist eine kleine, aber feine Palette an spritzgegossenen Produkten aus Biokunststoffen, die sich mehrfach verwenden und anschließend tatsächlich kompostieren lassen.

Neben der Nachhaltigkeit stand in Frankenberg (Eder) vor allem die Digitalisierung im Fokus. Was beispielsweise die Heißkanaltechnik in der vernetzten Spritzgießproduktion erreichen kann, darüber sprach Sebastian Brockhaus, Leiter Entwicklung bei Ewikon. Obwohl es sich dabei um eine hochsensible Komponente im Spritzgießprozess handelt, dessen einwandfreie Funktion und Abstimmung eine entscheidende Rolle für die Prozesssicherheit und -effizienz sowie für die Qualität der produzierten Teile spielt, wurde der Heißkanal lange Zeit kaum bis gar nicht in die „Spritzgießproduktion 4.0“ eingebunden.

Das änderte Ewikon mit der Einführung von Smart Control. Dabei handelt es sich um ein Prozessüberwachungs- und Diagnosesystem, welches das Heißkanalsystem erfolgreich in die vernetzte Spritzgießproduktion integriert. Durch Nutzung des OPC UA Kommunikationsprotokolls, ist Smart Control in der Lage mit allen OPC-UA-fähigen Maschinen und Geräten zu kommunizieren – unabhängig vom Hersteller. Über die Ethernet-Schnittstelle werde das System leicht in Firmennetzwerke eingebunden.

Ab Herbst bietet der Heißkanalhersteller ein Zusatzmodul für Smart Control an. Energy Monitor soll die Energieeffizienz transparenter machen, indem es noch mehr Informationen bietet. „Kunden wollen grün produzieren, das gilt für alles Schritte und somit auch für Zulieferer“, sagte Dr.-Ing. Stefan Eimeke, der in seinem Vortrag zudem noch einen Blick in die Zukunft wagte. Dafür benötigte er jedoch keine Glaskugel; Eimeke reichte der Messekalender: Vom 19. bis 26. Oktober öffnet die K 2022 in Düsseldorf ihre Pforten. Das heißt, wir sehen uns in Düsseldorf (wieder)!

Aller guten Dinge sind drei: Ewikon-Geschäftsführer Dr.-Ing Stefan Eimeke begrüßte die Gäste, moderierte das Heißkanal-Forum und hielt selbst einen Vortrag.

Blick ins Technikum: Highlight am ersten Veranstaltungstag war eine Führung durch die Produktionshallen in Frankenberg.

Rund 100 Gäste informierten sich beim 18. Ewikon Heißkanal-Forum über aktuelle Entwicklungen in den Bereichen Nachhaltigkeit und Digitalisierung.

Nachbericht Ewikon HKF 2022 - KU 2022-07

Welche Herausforderungen entstehen für die Heißkanaltechnik durch neue Kunststoff-Werkstoffe? Wie lässt sich Nachhaltigkeit beim Spritzgießen erreichen?

Ewikon: Heißkanal-Forum 2022

Simulation

Biokunststoffe

Kunststoff Werkstoffe

Ehrhardt, Melanie

Heißkanalsysteme

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Heißkanaltechnik

Messtechnik

Messung von Umgebung (Klima)

Kunststoffe hat bei Farbmittelherstellern nachgefragt, was die Trendfarben im kommenden Jahr sein werden. Eine der spannenden Erkenntnisse: Die gegenwärtigen Lieferengpässe haben Auswirkungen auf die Farbauswahl.

Farben machen aus Kunststoffprodukten echte Hingucker. Eine falsche Farbauswahl kann sich hingegen negativ auf die Verkaufszahlen auswirken. Und hat Auswirkungen auf die Recyclingfähigkeit der Produkte. Kunststoffe hat bei Farbmittelherstellern nachgefragt, was die Trendfarben im kommenden Jahr sein werden. Eine der spannenden Erkenntnisse: Die gegenwärtigen Lieferengpässe haben Auswirkungen auf die Farbauswahl.

Das dritte Jahr in Folge prägt die Covid-19-Pandemie die Farbtrends bei Kunststoffen. Wie im vergangenen Jahr sind weiterhin Farben hoch im Kurs, die für ein Ende von Mobilitäts- und Freiheitsbeschränkungen stehen. Gefragt sind laut Jessica Knoch, Marketingleiterin bei dem Masterbatchhersteller Lifocolor, knallige Farbtöne: „Im kommenden Jahr feiern nach Phasen der pandemiebedingten Lockdowns und Beschränkungen knallige Farbtöne ein starkes Comeback. Nun wird eine neu erlebte Lebensfreude, ein empfundenes Freiheitsgefühl und auch die Begeisterung am Erleben und Präsentieren von Farben regelrecht zelebriert.“

Das umfasst ihr zufolge vor allem Türkis-, Violett-, Orange-, Blau- und Rottöne. Eine wichtige Rolle spielen dabei Einflüsse aus der Mode und von Designern. Diese würden Farben und Stilelemente aus den 80er- und 90er-Jahren aufgreifen. Hinzu kommen laut Knoch erdige und natürliche Töne wie Khaki-Grün, Dunkelgrau und warmes Rotbraun. Auch diese Trends leiten sich ihr zufolge ab aus der Pandemie und zusätzlich aus dem von vielen Verbrauchern empfundenen großen Wandel in der Welt. Beides rufe bei den Kunden den Wunsch nach mehr Ursprünglichkeit, Rückbesinnung und einem Gefühl von Heimat hervor. Auch das Bedürfnis nach einem verstärkten Umweltschutz spielt laut Knoch eine Rolle.

Bei der Identifizierung der gegenwärtigen Farbtrends arbeitet Lifocolor eng mit Renolit zusammen. Der Kunststofffolien- und -produktehersteller erstellt jedes Jahr zusammen mit Trendforschungsinstituten und Experten den Trendfarbenausblick „Colour Road“. Denn Farbtrends bei Kunststoffen stehen nie für sich alleine, sondern ergeben sich aus den Kundenwünschen in besonders aufmerksamstarken Abnehmerindustrien. „In der Kunststoffbranche geben in der Regel die Farben den Ton an, die internationale Trendforscher, Farbexperten und Designer aus und für zukunftsorientierte Konsumgüterbereiche erarbeiten und identifizieren, zum Beispiel Mode, Automobil, Kosmetik oder Architektur“, erklärt Knoch.

Beeinflussen die Rohstoffengpässe  die Farbauswahl?

Einen weiteren Faktor für die Farbauswahl spricht Dirk Schmitz, Head of Coloristic bei Lanxess Performance Materials, an. Wegen den gegenwärtigen Lieferengpässen spielen ihm zufolge Farbtrends im Augenblick bei vielen Entwicklungsprojekten eine geringere Rolle, als das in der Vergangenheit der Fall war. Er sieht aufgrund der aktuellen Lage nicht auffällige, sondern eher schlichte Farben im Kommen: „Schlichte Farben wie Grau, Blau und Grün sind zunehmend gefragt. Das scheint ein Effekt der Verfügbarkeitsproblematik zu sein, da die hierzu benötigten Farbmittel noch ausreichend verfügbar sind.“ Bei Lanxess geht man außerdem von einer künftig weiter steigenden Nachfrage nach Orange als Signalfarbe in der Elektromobilität aus. Orange wird dort zur Kennzeichnung von Hochvoltkomponenten verwendet.

Für den Farbbereich relevant ist Schmitz zufolge außerdem das zunehmende Interesse an einer energieeffizienteren Produktion. Dafür bieten sich Prozesse an, die helfen die Nachbearbeitung bei Produkten zu verringern oder ganz zu entfernen. „Ein wichtiger Aspekt ist hierbei die Direkteinfärbung – selbst für Metallic-Effekt-Farben – was eine nachträgliche Lackierung unnötig macht“, erklärt er.

Die Farbmittelhersteller müssen sich außerdem verstärkt über nachhaltigere Farbstoffe Gedanken machen, ist Anne Stelzer, Leiterin des Global Marketings des Geschäftsfelds Colorant Additives bei Lanxess Polymer Additives, überzeugt. Die Nachfrage nach diesen wächst ihr zufolge gerade sehr stark. Lanxess hat deshalb halogenfreie Farbstoffe entwickelt und arbeitet gegenwärtig am Einsatz von ökologisch unbedenklichen Lösungsmitteln in der Produktion.

Die Nachfrage nach nachhaltigeren Farbmitteln bestätigt Andrea Hanke, Marketingleiterin bei Lifocolor: „Die Anfragen nach Farben auf recycelter, biobasierter und bioabbaubarer Basis nehmen spürbar zu.“ Lifocolor muss dabei nicht nur die Farbmittel selbst, sondern auch das Matrixmaterial für seine Masterbatches im Blick haben. Um zu zeigen, dass sich auch auf Recyclingbasis attraktive Farbbatches herstellen lassen, hat Lifocolor Masterbatches der Farben aus dem Renolit-Trendreport „Colour Road“ mit einer Matrix aus 100 % Recycling-Polypropylen (rPP) hergestellt (Bild 1). Hanke weist jedoch darauf hin, dass die Einfärbung von Rezyklaten sehr komplex ist. Die Schwierigkeit besteht vor allem in der Eigenfarbe der aufbereiteten Kunststoffe. Mit helleren Rezyklaten lassen sich Farbtöne einfacher erreichen und die mögliche Farbauswahl ist größer. Je dunkler die recycelten Kunststoffe hingegen sind, desto schwieriger wird die Einfärbung und desto eingeschränkter ist die Farbauswahl. Ein großes Problem ist außerdem die Heterogenität des Ausgangsmaterials.

Dafür müssen Masterbatchhersteller Hauke zufolge ihre Kunden sensibilisieren. „Projekte mit recycelten Kunststoffen sind aufgrund der unterschiedlichen Typen mit unterschiedlichen Eigenfarben im Markt und den Anforderungen sehr komplex. Als Masterbatchhersteller sind wir gefordert, Aufklärungsarbeit mit unserem Know-how zu leisten. Wir müssen erklären, welche Farbe mit welchen PCR- oder Bio-Typen und mit welchen Eigenschaften möglich ist“, sagt sie. Einen Erfolg bei nachhaltigeren Farbmitteln hat Lifocolor bei bioabbaubaren Polymeren erzielt. Das Unternehmen bietet mittlerweile dafür Masterbatches mit Farbmitteln an, die beim Abbau die Umwelt nicht belasten sollen. Die sogenannte Bio-C-Reihe zerfällt dem Unternehmen zufolge unter Heimkompostbedingungen zu lediglich Wasser, CO2 und Mineralien.

Ein weiterhin großes Problem für das Recycling von Kunststoffen sehen die Farbmittelhersteller in der breiten Verwendung von Ruß. Dieser wird zum Einfärben von schwarzen Kunststoffen verwendet, verhindert jedoch bei der Aufbereitung von Kunststoffabfällen die polymergenaue Sortierung. Damit eingefärbte Kunststoffe können mittels der in Sortieranlagen üblichen Nahinfrarotsensoren (NIR) nicht erfasst werden. „Es gilt zunächst einmal, eine Sortierfähigkeit der verschiedenen Kunststoffe zu gewährleisten. Dabei ist die Verwendung von Ruß immer ein Thema, da dieser die Nutzung von beispielsweise NIR-detektierten Verfahren erschwert“, sagt etwa Dirk Schöning, Sales Director bei dem Masterbatchhersteller AF-Color. Die Hersteller haben deshalb NIR-detektierbare, schwarze Farbmittel entwickelt, die nicht auf Ruß basieren. Das soll eine bessere Sortierbarkeit der Kunststoffabfälle sicherstellen.

Neben diesen Themen beschäftigen die meisten Hersteller gegenwärtig auch die schwierige Liefersituation und die Rohstoffengpässe. Dadurch kam es in letzter Zeit unter anderem zu Verzögerungen bei Auslieferungen und zu höheren Kosten. „Obwohl wir unsere Produktionen auf Volllast fahren konnten, gab es Einschränkungen bei der Belieferung unserer Kunden durch Engpässe in der Logistikkette. Dies führte zu Verzögerungen bei der Auslieferung unserer Produkte. Hinzu kamen die explodierenden Preise im Frachtverkehr“, berichtet etwa Stefano Bartolucci, Global Market Segment Manager Plastics, Paper and Specialties bei Lanxess Inorganic Pigments. Das bestätigt auch Andreas Wingartz, Leiter der Markt- und Unternehmensentwicklung bei Lifocolor. Der Masterbatchhersteller musste sich deshalb in einigen Fällen nach neuen Rohstoffquellen umsehen, wie Wingartz berichtet: „Teilweise sind wir gezwungen, alternative Rohstoffquellen zu qualifizieren, um unsere hohe Produktqualität langfristig sicherstellen zu können.“ Von einer schnellen Entspannung gehen sowohl Wingartz als auch Bartolucci nicht aus. Beide rechnen mit weiter steigenden Energie- und Transportkosten. Ein positiveres Bild zeichnet hingegen Dirk Schöning von AF-Color: „Für uns haben die Engpässe bislang keinerlei Auswirkungen.“

Bild 1. Die Matrix, der in aktuellen Trendfarben eingefärbten Masterbatches von Lifocolor, besteht aus 100 % recyceltem PP.

KU 7-22_Farbtrends - Hauptartikel

Trendfarben für Kunststoffprodukte, die Auswirkungen von Farben auf die Recyclingfähigkeit von Kunststoffen, Zusammenhang von Farbauswahl und Lieferengpässen

Trends beim Einfärben von Kunststoffen | 2022

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

Read the English version of the article in our magazine Kunststoffe international or at <a href="http://www.kunststoffe-international.com" target="_blank">www.kunststoffe-international.com</a>

Pigmente

Additive

Masterbatches

Farbstoffe und Pigmente

Farbstoffe

Farben, flüssig

Durch Chargenschwankungen und verschiedene Umweltbedingungen kann es bei der Einfärbung von Bauteilen im Spritzgießen zu Farbabweichungen kommen. Ein Entwicklungsprojekt hat deshalb die Integration von Inline-Farbmessung und Farbdosierung in den Spritzgießprozess untersucht.

Durch Chargenschwankungen und verschiedene Umweltbedingungen kann es bei der Einfärbung von Bauteilen im Spritzgießen zu Farbabweichungen kommen. Ein Entwicklungsprojekt hat deshalb die Integration von Inline-Farbmessung und Farbdosierung in den Spritzgießprozess untersucht. Dabei wurde auch ein neuronales Netz zur Optimierung der Farbrezeptierung entwickelt.

Ein möglichst geringer Zeitaufwand und eine kontinuierliche Qualitätskontrolle sind wichtige Kriterien beim Einfärben von Kunststoffbauteilen. Das Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ) arbeitet deshalb im Forschungsprojekt „Farbmischung Online“ an der vollständigen Integration der Einfärbung von thermoplastischen Kunststoffen in den Spritzgießprozess. Umgesetzt werden soll das mithilfe von Inline-Farbmessung und Online-Dosierung auf Basis von Flüssigfarben. Dabei erfolgen die Rezeptierung und Dosierung der Farbe direkt im laufenden Prozess an der Maschine.

Gegenüber dem Stand der Technik bietet das den Vorteil, dass der notwendige Zeitaufwand für das Einfärben eines Formteils stark verringert wird. Außerdem ermöglicht das Konzept eine kontinuierliche und lückenlose Qualitätskontrolle. Farbabweichungen durch Chargenschwankungen oder wechselnde Umweltbedingungen können direkt erkannt und im Prozess ausgeglichen werden.

Versuchsstand verknüpft Farbmessung und -dosierung

Im Rahmen des Projekts wurde ein Versuchsstand entwickelt, der eine Verknüpfung von Farbmessung und Dosierung mit dem Spritzgießprozess ermöglicht. Über einen Steuerrechner lässt sich durch den Anwender die gewünschte Zielfarbe definieren. Für diese wird anschließend ein Farbrezept für ein verfügbares Sortiment berechnet und als Steuersignal an die Farbdosierstation weitergegeben. Ein Farbsensor misst dann die Farbe der Formteile und vergleicht sie mit der gewünschten Farbe. Sollte die Bauteilfarbe abweichen, wird sie in einem iterativen Verfahren automatisch an die definierte Zielfarbe angeglichen.

Für die iterative Berechnung der Farbdosieranteile wurden zwei Verfahren untersucht. Das erste Verfahren verwendet ein physikalisches Farbmodell in Form einer am Markt erhältlichen Rezeptiersoftware. Beim zweiten Verfahren wird ein neuronales Netz mit Stichproben angelernt, um für eine definierte Zielfarbe die richtigen Anteile der einzelnen Farbkanäle zu berechnen. Den Forschern ist es dadurch gelungen, ein sich selbst verbesserndes Farbdosiersystem für Flüssigfarben zu entwickeln. Dieses ist in der Lage, innerhalb weniger Iterationsschritte ein Rezept für eine gewünschte Zielfarbe zu optimieren. Dabei wird der empfundene Farbabstand ΔE mit jeder Iteration kleiner bis er den bestmöglichen Wert erreicht hat.

Neuronales Netz optimiert die  Rezeptierung

Ein ΔE von &lt; 1,0 ist nur für geübte Personen erkennbar, ab einem ΔE von &lt; 0,5 gilt die Abweichung als nahezu nicht wahrnehmbar. Während der Untersuchungen am KuZ zeigte sich, dass beide Verfahren prinzipiell geeignet sind, eine Online-Rezeptierung im Spritzgießprozess durchzuführen. Speziell für die Verwendung unter Produktionsbedingungen hat sich jedoch das neuronale Netz als praxisnahe Alternative zu einem physikalischen Farbmodell hervorgetan. Besonders vorteilhaft ist bei diesem, dass die Datenbasis mit jedem neuen Zyklus erweitert wird. Das Modell lernt stetig dazu. Außerdem kann auf eine aufwendige Erstellung von Eichreihen verzichtet werden. Das spart Ressourcen und Arbeitszeit.

Mit dem entwickelten Verfahren lässt sich der Zeitaufwand für das Einfärben von Formteilen beim Spritzgießen stark reduzieren. Damit wird die Produktion kleiner Losgrößen für Hersteller rentabler. Sie können dadurch individuelle und flexible Lösungen anbieten. Außerdem ist eine kontinuierliche Kontrolle der Formteilfarbe möglich. Chargenschwankungen oder Umwelteinflüsse können ausgeglichen und die Ausschussmenge reduziert werden. Das trägt zu einer Reduzierung der Betriebskosten und zu einer nachhaltigeren Produktion bei.

Da sich der Ansatz zur intelligenten Regelung der Formteilfarbe über ein neuronales Netz als vielversprechend erwiesen hat, planen die Forscher am KUZ in einem weiteren Forschungsprojekt die Entwicklung eines KI-gestützten Assistenzsystems zur Online-Farbrezeptierung. Dieses soll dem Anwender einen Assistenten zur Seite stellen, der ihn bei der Einrichtung und Qualitätsüberwachung unterstützt. Das eingesetzte neuronale Netz soll dabei das komplette Farbspektrum abbilden, was für eine höhere Prognosegenauigkeit sorgen würde. Voraussichtlich lassen sich damit dann ebenfalls spezielle Farbeffekte wie Metamerie vorhersagen.

Das entwickelte Konzept integriert die Dosierung und die Farbmessung direkt in den Spritzgießprozess.

KU 7-22_KuZ - Hauptartikel

Inline-Farbmessung und Farbdosierung beim Spritzgießen

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Messgeräte für Farbe

Flammhemmende Polyamide für die Elektronik

Hersteller von Elektrotechnik legen großen Wert darauf, ihre Marke durch ein spezifisches Farbdesign darzustellen. Das gilt für alle sichtbaren Bauteile. Diese müssen jedoch nicht nur optisch überzeugen, sondern vor allem hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und dem Brandverhalten.

Das sogenannte „Corporate Branding“ stellt die Hersteller von Formmassen für Anwendungen in der Elektrotechnik vor neue Herausforderungen. Denn neben Signaleigenschaften (wie etwa für die Schaltzustände EIN und AUS) sollen Farben auch Warnungen oder Gefahrenstellen signalisieren. So muss beispielsweise jedes Not-Aus-Befehlselement zuverlässig an seiner rot-gelben Farbgebung zu erkennen sein – weltweit und auch in anspruchsvoller Umgebung und nach Jahrzehnten im Einsatz.

Hinzu kommt häufig die Anforderung, Formteile mit unterschiedlichen Lasersystemen individuell zu beschriften. Das macht unter Umständen spezielle Additive erforderlich, die dann ihrerseits auf andere Eigenschaften des fertigen Compounds rückwirken können. Füll- und Verstärkungsstoffe des Kunststoffs beeinflussen die Markierbarkeit zusätzlich. Die Variationsmöglichkeiten werden von den internationalen Zulassungen der Formmassen begrenzt – die zulässige Additivbeladung und ein bei Zulassungsorganisationen hinterlegter „infrarotspektroskopischer Fingerabdruck“ eines Materials setzen enge Grenzen.

Um brandgeschützte Materialien einzufärben, ist ein fundiertes Verständnis für die wechselseitigen Einflüsse der Eigenfarben von Basispolymeren und Brandschutzmitteln einerseits und der verwendeten Farbstoffe andererseits erforderlich. Dafür steht bei Ascend Performance Materials eine breite Palette von Polyamidwerkstoffen und Farbrezepturen zur Verfügung: Vom nicht brandgeschützten, in einfachen Farben eingefärbten Standardmaterial bis hin zu hoch glasfaserverstärkten, auch in geringen Wanddicken zuverlässig brandgeschützten Compounds in kundenspezifischer Einfärbung. Hinsichtlich der möglichen Flammschutzmittel reicht die Bandbreite von kostengünstigen Produkten mit begrenztem Leistungsspektrum bis hin zu Additiven, deren Leistungsvermögen einen höheren finanziellen Aufwand rechtfertigt.

Schon lange sind Elektrogeräte nicht mehr nur hellgrau oder schwarz. „Lichtgrau“ wird von den meisten Kunden in aller Regel eng spezifiziert. Hier sind zulässige Farbabweichungen häufig auf ΔE ≤ 1,0 begrenzt. Die Toleranz muss über die einzelnen Lieferungen hinweg selbstverständlich eingehalten werden. Allein im Bereich der grauen Farben produziert Ascend weit über 100 verschiedene Typ-Farbkombinationen (Bild 1). Aufgrund der möglicherweise wechselnden Eigenfarbe des Basispolymers und der unterschiedlichen Eigenfarben verschiedener Flammschutzmittelchargen ist es unabdingbar, den sogenannten Farbort über den gesamten Herstellungsprozess – je nach Produkt mehrere Stunden – nachregeln zu können. In Bild 2 sind die Farbabweichungen über mehrere Produktionskampagnen einer bestimmten Farbeinstellung über den Zeitraum von neun Monaten dargestellt. Für solche anspruchsvollen Compounds setzt Ascend auf pulverförmige Farbstoffe, die eine rasche Justierung der Farben innerhalb des kontinuierlichen Produktionsprozesses ermöglichen.

Die RAL-„Classic“-Farbpalette umfasst über 200 verschiedene Farben zwischen weiß und schwarz. Der Chemiekonzern stellt daher laufend etwa 100 weiße Einfärbungen her und regelmäßig kommen neue hinzu – sei es, um kundenspezifische Ausgangsfarben einzustellen oder um beispielsweise die Farbstabilität für definierte thermische Anforderungsprofile über unterschiedliche Zeithorizonte anzupassen. Diese Adaptionen dürfen das Entzündungs- und Brandverhalten der jeweiligen Formmasse nicht beeinträchtigen. Bei Anwendungen für die Leistungselektrik von Fahrzeugen hat sich orange als Signalfarbe etabliert. Weil die Signalwirkung bis zum Ende des Fahrzeuglebens gegeben sein muss, verlangen die Hersteller den Nachweis der Farbstabilität auch nach lang andauernder Temperatureinwirkung. In Bild 3 sind die Ergebnisse einer Temperaturlagerungsprüfung einer unverstärkten flammgeschützten Type mit unterschiedlichen Additivrezepturen abgebildet.

Die Wahl des richtigen  Flammschutzmittels

Die Palette der bei Polyamiden eingesetzten Flammschutzmittel (FSM) reicht von Produkten auf Stickstoffbasis über organische Phosphorverbindungen bis hin zu rotem Phosphor (rP). Häufig lässt es sich nicht vermeiden, auf halogenhaltige FSM zurückzugreifen.

Das Brandverhalten fester, nicht geschäumter Kunststoffe in sogenannten Kleinanwendungen wird häufig entsprechend den Anforderungen der UL 94 in unterschiedliche Leistungsklassen gruppiert. Hier beschreibt „HB“ ein nicht brandgeschütztes Material, wohingegen ein Material, welches die Anforderungen der Klasse „V-0/5VA“ erfüllt, unter anderem eine Prüfung mit einem 500-W-Gasbrenner bestanden hat.

Während FSM auf Basis von Stickstoffverbindungen und organischen Phosphorverbindungen farbneutral sind, lassen sich Produkte mit rotem Phosphor nur in für roten Phosphor charakteristischem Dunkelrot oder in dunkelgrauen/schwarzen Einfärbungen herstellen.

Die verschiedenen Flammschutzmittel werden in Konzentrationen zwischen etwa 5 und 25 Gew.-% ins Compound eingearbeitet, was die Eigenschaften des Werkstoffs mehr oder minder stark beeinflusst. Ein Beispiel: Die Steifigkeit eines mit 25 % Glasfasern verstärkten Polyamids verringert sich infolge von Feuchtigkeitsaufnahme um über 30 %, bei einer hell eingefärbten, brandgeschützten Version dagegen nur um weniger als 20 %. Nicht ideal ausgewählte Farbrezepturen können hier weiteren, teilweise erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften des Compounds haben.

Ascend bietet die gesamte Palette der für Polyamide in technischen Anwendungen infrage kommenden Flammschutzmittel in den verschiedenen Typen der Produktreihe „Starflam“ an (Bild 4). Dabei muss in enger Kommunikation zwischen Kunde und Formmassenhersteller die ideale Balance zwischen den verschiedenen Anforderungen gefunden werden. Auch hier erweitert die Verwendung pulverförmiger Einsatzstoffe die Variationsmöglichkeiten. Die Vorteile und Einschränkungen verschiedener Flammschutzmittel sind in Bild 5 dargestellt.

Häufig werden aus brandgeschützten Formmassen hergestellte Formteile zur Fertigung von Endgeräten eingesetzt, deren späterer Einsatz im Geltungsbereich von Regularien der Underwriters Laboratories (UL) erfolgt. In diesem Fall sind die kennzeichnende Eigenschaften der jeweiligen Rezeptur bei UL hinterlegt und die Variationsmöglichkeiten des Formmassenherstellers äußerst begrenzt.

Wie so häufig, müssen die Vorteile pulverförmiger Einsatzstoffe bei der Farbeinstellung durch Kompromisse an anderer Stelle „erkauft“ werden: Die Dosierung der relativ kleinen Mengen an benötigten Rezepturbestandteilen ist aufwendiger und die Reinigung der Anlagen arbeitsintensiver als beispielsweise bei der Verwendung von Farbkonzentraten (Batches). Es kann für Kunden attraktiver sein, sich durch den Einsatz von Batches preisgünstigere Lösungen mit Kompromissen bei der Farbkonstanz zu sichern.

Funktionale Additive und Farbstoffe können die elektrischen Eigenschaften einer Formmasse stark beeinflussen. So ist zum Beispiel die Kriechstromfestigkeit (IEC 60 112) eine wesentliche Kenngröße zur Dimensionierung geometrischer Abstände in Elektrogeräten. Die Verwendung ungeeigneter Additive kann die Kriechstromfestigkeit und damit die Vergleichszahl der Kriechwegbildung einer Formmasse unter Umständen so weit herabsetzen, dass eine gegebene Konstruktion den einschlägigen Normen nicht mehr genügt. In einem solchen Fall können erhebliche Haftungsrisiken auf den Hersteller eines Geräts zukommen. Additive mit negativem Einfluss auf die Kriechstromfestigkeit können beispielsweise Flammschutzmittel beziehungsweise deren Synergisten sein oder auch Verbindungen, die zur Kontrasterhöhung bei der Laserbeschriftung von Kunststoffen eingesetzt werden.

Die Herstellung flammgeschützter Formmassen konzentriert sich im Werk in Fosses (Frankreich). Dort ermöglicht unter anderem ein eigenes Laserlabor die gezielte Optimierung der Laserbeschriftbarkeit kundenspezifischer Farben, während die gleichzeitige Überwachung der übrigen, für die jeweilige Anwendung kritischen Eigenschaften das erforderliche Leistungsvermögen sichert. Darunter versteht man beispielsweise eingearbeitete Schmiermittel, um Reibung und darauf zurückzuführenden Verschleiß zu minimieren. Ascend nutzt die gesamte Palette der von der vorgelagerten Industrie bereitgestellten Additive, um seinen Kunden Formmassen mit den gewünschten Eigenschaftsprofilen anzubieten. Mit der Akquisition von Poliblend (Mozzate, Italien) hat man Kompetenz und Kapazität erworben, um solche – teilweise kundenindividuellen – Formulierungen in kleinen und großen Mengen liefern zu können.

Der Einsatz von strahlenvernetzbaren Materialien

Formmassen, die mit einer speziellen Chemikalie zur Vernetzungsbeschleunigung hergestellt werden, lassen sich durch Bestrahlung mittels Elektronen (Betastrahlung) oder elektromagnetischen Wellen (Gammastrahlung) molekular vernetzen. Damit lassen sich die Eigenschaften der Polymere ebenfalls erheblich beeinflussen.

Im Spritzgießverfahren gefertigte Formteile aus strahlenvernetzbaren Materialien sind nach der Strahlenvernetzung nicht mehr aufschmelzbar. Während die für Polyamid typische Festigkeit und Zähigkeit erhalten bleibt, wird der ursprüngliche Schmelzpunkt eliminiert. Während Polyamid 66 bei 260 °C aufschmilzt, behalten vernetzte Polyamide ihre Form auch bei Temperaturen weit oberhalb von 300 °C für mehrere Minuten bei. Solche Temperaturspitzen treten zum Beispiel in elektrischen Schaltgeräten auf. Beim Abschalten von Strömen entstehen Lichtbögen, deren Temperaturen mehrere 1000 K betragen können. Solche Lichtbögen sind in Industrie-Schaltgeräten sowie in Gleichstrom-Leistungskreisen von elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen zu beobachten.

„Klassisch“ lassen sich solche Temperaturen nur mit duroplastischen Materialien handhaben, die aber wiederum zahlreiche Kompromisse erfordern. Die Aufzählung ist mit hohen Wanddicken, langen Aushärtungs- und damit Zykluszeiten, Entgratung, stark begrenzter Duktilität und hohem Verschleiß bei bewegten Teilen keineswegs vollständig. Auch für Anwendungen in Metall-Schweißanlagen können strahlenvernetzte Polyamide Duroplaste substituieren. Speziell bei relativ kleinen Formteilen mit wiederholt auftretenden Temperaturspitzen – dies können zum Beispiel glühende Metallpartikel sein – können strahlenvernetzbare Thermoplaste (gemäß ISO 1043 durch ein der Formmassenbezeichnung nachgestelltes „-X“ gekennzeichnet) ihre Vorteile ausspielen.

Neben der Erhöhung der Spitzentemperaturbeständigkeit bringt die Strahlenvernetzung auch deutliche Verbesserungen beim Kriech- und Reibverhalten. Die Palette vernetzungsfähiger Compounds reicht hier vom unverstärkten Material bis zur hoch glasfaserverstärkten, halogenfrei brandgeschützten Formmasse. Auch diese Produkte lassen sich kundenspezifisch einfärben. Von der „stabilen“ Farbe, die sich durch die Bestrahlung nicht verändert, bis zur Rezeptur mit gezielter Farbveränderung sind unterschiedliche Kundenwünsche realisierbar; die UL-Zulassung bleibt nach dem Vernetzungsvorgang erhalten.

Prüfung mit einem 850 °C heißen Glühdraht an einem Schaltgerät: Führt ein Fehler beim Anschluss eines Schaltgerätes dazu, dass sich zum Beispiel ein Kabel stark erhitzt, dann muss eine eventuell entstehende Flamme selbstständig verlöschen.

Bild 1. Eine sehr kleine Auswahl aus der Palette der ständig hergestellten Grautöne für Elektroanwendungen

Bild 2. Farbabweichungen für verschiedene Produktionskampagnen eines flammgeschützten PA66

Bild 3. Probekörper in oranger Farbgebung nach Temperaturlagerungsprüfung

Bild 4. Übersicht Flammschutzmittel in Polyamid-Formmassen

Bild 5. Vorteile und Einschränkungen verschiedener Flammschutzmittel

Ascend - KU 2022-07 - Special

Farbdesign, mechanische Eigenschaften und das Brandverhalten müssen zum Bauteil passen.

Pigmente: Flammhemmende Polyamide für die Elektronik

Thilo Hindert ist seit 2020 bei Ascend Performance Materials als Anwendungsentwickler für Elektro-Anwendungen zuständig.

Ascend Performance Materials ist einer der weltweit größten, vollständig rückintegrierten Hersteller von Polyamid 66. Mit drei Produktionsstätten in Europa (Niederlande, Frankreich und Italien) können Kunden unterschiedlichster Industriezweige sowohl mit großvolumigen Standardwerkstoffen als auch mit kundenindividuell eingefärbten Compounds auf Basis von PA6 und PA66 bedient werden. Unter der Marke HiDura stellt das Unternehmen PA6.10- und PA6.12-Compounds her. Mit mehreren Akquisitionen während der vergangenen beiden Jahre hält das Unternehmen trotz weltweiter Krisen an seinem starken Wachstumskurs fest. Die beiden jüngsten Firmenkäufe in Mexiko und Indien unterstreichen den Anspruch, globaler Partner mit Fertigungsstätten in allen Weltregionen zu sein.

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Elektrotechnik, Elektronik allgemein

Elektrotechnik, Elektronik

Kunststoffe

Photonik

Optik

Flammschutzmittel

Simulation von Oberflächendefekten bei Bauteilen mit Effektpigmenten

Mit Effektpigmenten können thermoplastische Bauteile mit einer metallisch glänzenden Oberfläche im Spritzgießverfahren hergestellt werden. Mithilfe einer passenden Simulationsmethodik lassen sich optische Fehlstellen auf der Bauteiloberfläche vorhersagen und verhindern.

Mit Effektpigmenten können thermoplastische Bauteile mit einer metallisch glänzenden Oberfläche im Spritzgießverfahren hergestellt werden. Galvanisierung und Lackierung entfallen dabei, was ein großes Einsparpotenzial bietet. Eine inhomogene Pigmentorientierung während der Herstellung kann jedoch zu optische Fehlstellen auf der Bauteiloberfläche führen. Mithilfe einer passenden Simulationsmethodik lassen sich jedoch solche Oberflächendefekte vorhersagen und verhindern.

Zur Erzeugung einer metallischen Optik kommen bei Kunststoffbauteilen im Automobilbau unterschiedliche Oberflächenveredlungsverfahren wie Galvanik und Lackierung zum Einsatz. In der Regel sind diese Verfahren jedoch kostenintensiv und erschweren ein nachträgliches Recycling. Der Einsatz von metallischen Effektpigmenten für Automobilbauteile bietet daher sowohl aus Sicht der Wirtschaftlichkeit als auch der Nachhaltigkeit deutliche Vorteile. Bei der sogenannten Mold-in-Color-Technologie (MIC) werden die Effektpigmente dem Granulat beigemischt. Im Spritzgießverfahren lassen sich damit anschließend Bauteile mit einer metallisch glänzenden Oberfläche herstellen. Bei Audi wird diese Technologie beispielsweise für Bauteile im Stoßfänger eingesetzt (Bild 1).

Die Herausforderung beim Einsatz dieser Technologie ist die Vermeidung von optischen Fehlstellen auf der Bauteiloberfläche. Die Ursache solcher Fehler besteht in der Orientierung der metallischen Effektpigmente, welche sich bereits im Herstellungsprozess einstellt (Bild 2). Durch eine inhomogene Pigmentorientierung entstehen unterschiedliche Lichtreflexionen. Bereiche mit Fließlinien und Bindenähten werden in der Regel als dunkle Bereiche auf dem Bauteil sichtbar. Die Pigmentorientierung und daraus resultierende Fehlstellen können nur bedingt über Prozessparameter beeinflusst werden. Folglich ist es umso wichtiger, bereits in der frühen Phase der Fahrzeugentwicklung das Bauteildesign und das Werkzeugkonzept optimal zu gestalten.

Kooperationsprojekt entwickelt neue Simulationsmethode

Ein Problem dabei ist jedoch, dass gegenwärtig keine simulative Methodik existiert, um die Pigmentorientierung und damit die Fehlstellen vorhersagen zu können. In einem Kooperationsprojekt zwischen Audi, der Plastics Engineering Group (PEG) und der Technischen Universität Darmstadt wird gegenwärtig deshalb eine Methode entwickelt, um die Vorhersage solcher Fehlstellen zu ermöglichen. Dabei wird der Spritzgießprozess mit der Software Autodesk Moldflow Insight berechnet.

Liegen die Effektpigmente mit ihrer Oberfläche parallel zur Bauteiloberfläche, kann von einer ungestörten Lichtreflexion ausgegangen werden. Weisen sie hingegen einen, noch unbekannten Winkel zur Oberfläche auf, ist von einer gestörten Lichtreflexion und damit einer optischen Fehlstelle auszugehen. Die programmtechnische Umsetzung sieht vor, einen Differenzwinkel zwischen den Oberflächen der Effektpigmente (Flakenormale) und der Bauteiloberfläche (Elementnormale) zu berechnen und dadurch die möglichen optischen Fehlstellen über einen Differenzwinkel zu bewerten (Bild 3). Der prinzipielle Ablauf gliedert sich in drei Schritte:

<ul><li>Erzeugung der zu untersuchenden CAD-Geometrie</li><li>Aufbau und Durchführung der Spritzgießsimulation mit Orientierungsberechnung und angepasstem Aspektverhältnis</li><li>Externe Fehlstellenberechnung und Rückimport in Moldflow zur grafischen Auswertung</li></ul>

Für den Ansatz sollen die in Autodesk Moldflow Insight enthaltenen Faserorientierungsmodelle verwendet und die dadurch berechneten Ergebnisse in einem nachgelagerten Postprocessing ausgewertet werden. Alle in Autodesk Moldflow enthaltenen Faserorientierungsmodelle haben freie Parameter, die zur Anpassung der Berechnungsergebnisse an beispielsweise experimentelle Ergebnisse verwendet werden können. Die zur Verfügung stehenden Faserorientierungsmodelle zeigen die wissenschaftliche Weiterentwicklung in diesem Themengebiet auf:

<ul><li>Bei dem Folgar-Tucker-Modell (FT) [1] und durch die Einführung von Tensoren zweiter Stufe zur Beschreibung von Orientierungsverteilungen [2] stehen dem Anwender in Moldflow zwei Modellparameter zur Verfügung. Dabei handelt es sich zum einen um das sogenannte Aspektverhältnis und zum anderen um den Interaktionskoeffizienten, der die Interaktion von Füllstoffpartikeln untereinander beschreibt.</li><li>Das sogenannte RSC-Modell (reduced strain closure model) [3], das um einen weiteren Parameter ergänzt wurde, um der langsameren Orientierungskinetik im Randbereich Rechnung zu tragen, stellt in Summe drei Parameter zur Verfügung.</li><li>Das aktuelle Standardmodell, das Moldflow Rotational Diffusion Model (MRD), bietet anstatt des Koeffizienten drei neue Koeffizienten.</li></ul>

Für alle Modelle gilt, dass mit den Koeffizienten die sich über die Bauteilwanddicke einstellende Orientierungsverteilung beeinflusst werden kann. Das sogenannte Aspektverhältnis beschreibt hingegen die Geometrie der im Polymer enthaltenen Partikel. Dabei beschreibt L die Länge eines Ellipsoiden und D den Durchmesser (Bild 4). Der übliche Verwendungszweck der Orientierungsmodelle sieht ein Aspektverhältnis zwischen 10 und 40 vor. Dadurch nähert sich das Ellipsoid in seiner Gestalt einer Kurzglasfaser an. Wird das Aspektverhältnis deutlich kleiner als 1 gewählt, wird die ursprüngliche lange Halbachse sehr kurz gegenüber dem Durchmesser. Das Ellipsoid wird flacher und nähert sich in seiner Form einem Plättchen an. Auf Basis von Herstellerdaten der bei Audi eingesetzten Effektpigmente wurde ein Aspektverhältnis von durchschnittlich 0,001 berechnet und für alle durchgeführten Simulationen verwendet.

Ebenfalls durchgeführte Parameterstudien an einfachen Plattengeometrie zeigten, dass mit dem RSC-Modell die besten Ergebnisse erzielt werden können. Bei dem Ergebnis der Moldflow-Simulation handelt es sich wie angesprochen um einen Orientierungstensor zweiter Stufe, der die Orientierungsverteilung der Flakes im Bauteil beschreibt. Aus diesem Orientierungstensor soll nun der Differenzwinkel zwischen Flakes und Oberflächennormale bestimmt werden. Der aktuelle Untersuchungsstand sieht nur eine Betrachtung der obersten Elementschicht des Modells der Spritzgießsimulation vor. Inwieweit tieferliegende Flakes zur Fehlstellenausbildung beitragen, ist unklar und wird gegenwärtig untersucht.

Differenzwinkelberechnung:  Was notwendig dafür ist

Um entsprechend der geplanten Methodik einen Differenzwinkel berechnen zu können, müssen zwei Vektoren zur Verfügung stehen. Zuerst werden die Elemente des Spritgießnetzes identifiziert, die drei Knoten an der Bauteiloberfläche haben und deshalb als Oberflächenelemente gelten. Für die Seite der Elemente, die zwischen den drei identifizierten Knoten liegt, wird der Normalenvektor berechnet. Nach diesem ersten Schritt liegen nun alle Elementnummern der Oberflächenelemente und die zugehörigen Normalenvektoren vor.

Für die identifizierten Oberflächenelemente sind außerdem die aus den Moldflow-Simulationen berechneten Orientierungstensoren zweiter Stufe bekannt. Da der Orientierungstensor in Bezug auf das Bauteilkoordinatensystem vorliegt, kann er erst nach einer Transformation in das Hauptachsensystem verwendet werden (zu den Eigenschaften von Orientierungstensoren zweiter Stufe siehe [2]). Ableiten lässt sich, dass die Eigenwerte des Tensors den Grad der Orientierung und die zugehörigen Eigenvektoren die entsprechende Richtung beschreiben. Erste Ergebnisse, die nur den berechneten Differenzwinkel zwischen Oberflächennormale und Eigenvektor darstellen (Bild 5), zeigen sehr kleine Differenzen zwischen den beiden. Eine Multiplikation des Differenzwinkels mit dem zugehörigen Eigenwert verbessert die Darstellungsgüte deutlich.

Ziel der experimentellen Untersuchung ist die Validierung der Methodik anhand einer komplexen Bauteilgeometrie und unter den Randbedingungen eines Serienprozesses. Dafür wurde ein Bauteil mit einer Abmessung von 400 mm x 375 mm ausgewählt, das unterschiedliche Konstruktionselemente wie Wanddickensprünge, Rippen, Schnapphaken, Durchbrüche und Schweißdome beinhaltet (Bild 6). Diese beeinflussen den Füllvorgang und stellen damit eine Herausforderung für die Verwendung von MIC-Material dar. Die Anspritzung erfolgt zentral auf der Oberseite des Bauteils, wobei neben dem Polypropylen (PP) Hifax TYC 459P (Hersteller: LyondellBasell) auch das Acrylic-PMMA-Compound Rotec AC-MA 50001 (Hersteller: Romira) zur Versuchsdurchführung eingesetzt wurde. In Vorversuchen hatte sich gezeigt, dass die Oberflächendefekte signifikant von der Einspritzgeschwindigkeit abhängen. Höhere Einspritzgeschwindigkeiten verbessern die Bauteilqualität. Es entstehen weniger Fließlinien. Aus diesem Grund wurde bei der Versuchsdurchführung die Einspritzzeit in mehreren Stufen variiert (Tabelle).

KU 7-22_PEG - Hauptartikel

Mithilfe einer geeigneten Simulationsmethodik lassen sich ‧optische Fehlstellen auf Bauteilen mit metallisch glänzenden Oberfläche vorhersagen.