Ein Editorial im Dezember schreit förmlich nach einem Jahresrückblick. Oder Ausblick aufs neue Jahr. Für mich persönlich geht ein sehr besonderes Jahr zu Ende.

Ich feiere am 1. Dezember mein einjähriges Jubiläum bei der Kunststoffe. Hinter uns liegt ein turbulentes Jahr. Ich bin, den jeweils geltenden Regeln geschuldet, viel weniger gereist, als mir das persönlich lieb war.

Trotzdem: Für mich war es ein großartiges Jahr! Ich durfte neue Themenfelder für mich erschließen, neue Kontakte knüpfen und tief in die Kunststoffwelt eintauchen. Das alles mit Unterstützung eines wunderbaren Redaktionsteams. Und zumindest im Sommer und Herbst war die Freude groß, endlich wieder Vor-Ort-Besuche bei Kunden oder Präsenzveranstaltungen wahrzunehmen zu können.

Schade, dass es in diesem Moment, in dem ich diese Zeilen schreibe, wieder danach aussieht, als müssten wir uns weiterhin in Geduld üben. Was mir die aktuelle Situation zeigt: Ich bin froh, dass für uns in der Kunststoffe-Redaktion tagesaktuelle Artikel über Infektionszahlen oder Regelungen zum Infektionsschutz kein Thema sind. Wir dürfen auf Statements aus Medizin und Politik verzichten und halten uns an die knallharten Fakten in Sachen Spritzgießen, Extrusion oder Werkstoffe. So finden Sie in dieser Ausgabe Artikel über das Dünnwandspritzprägen für die Werkzeugetagentechnik, ein Dehnrheometer für die Schaumextrusion oder die Verarbeitung von Wood-Plastic-Composites.

Für das Verfassen unserer Beiträge haben wir in der Redaktion unsere eigene 3G-Regel definiert. Wir wollen unsere Texte gehaltvoll, gescheit und glaubwürdig.

Im nächsten Jahr können Sie unsere Inhalte nicht nur lesen oder browsen, sondern Sie können uns auch hören. Wir starten im Januar mit dem Podcast „Kunststoff Dialog“, ein Gemeinschaftsprojekt mit dem SKZ.

Susanne Schröder [<a href="mailto:Susanne.Schroeder@hanser.de">Susanne.Schroeder@hanser.de</a>]

Editorial Susanne

Schröder, Susanne

Bei den Wirth-Innovationstagen heißt es „Wissen und Technik live erleben“

Über 60 Teilnehmer konnte die Wirth Werkzeugbau GmbH zu ihren Innovationstagen im September begrüßen. Im Zentrum des Programms stand das thermoplastische Schaumspritzgießen – mit einer besonderen Neuheit bei den Maschinenvorführungen.

Zum nunmehr dritten Mal fanden am 23. und 24. September 2021 die Innovationstage der Wirth Werkzeugbau GmbH statt. Die Gastgeber konnten dazu über 60 Teilnehmer, größtenteils aus der Spritzgießindustrie, begrüßen. Verbindendes Element des abwechslungsreichen Programms war das thermoplastische Schaumspritzgießen – mit einer besonderen Neuheit bei den Maschinenvorführungen im Technikum des Werkzeugbauers.

Zwei Jahre ist es her, da entschloss sich Werner Wirth, Gründer und Geschäftsführer des Werkzeugspezialisten für Schaumspritzgießen, Hinterspritzen, Mehrkomponenten- sowie Sandwich- und Wendeplattentechnik in Helmbrechts, noch einmal zu einer größeren Investition in eine Spritzgießmaschine: eine MX 1600–17200 BluePower  von KraussMaffei mit 16 000 kN Schließkraft und in ColorForm-Sonderausführung. Damit lassen sich Bauteile im In-Mold Coating direkt im Spritzgießwerkzeug lackieren. Wie die anderen beiden Großmaschinen im Wirth-Technikum auch, war die jüngste Anschaffung an beiden Veranstaltungstagen mit einer Live-Vorführung einer anspruchsvollen Verfahrenskombination in Betrieb.

Schäumen und Negativprägen plus dynamische Wechseltemperierung

Die Demonstration verband das Film Insert Molding mit eben jenem Direct Coating, indem das im ersten Prozessschritt mit einem PC+ABS hinterspritzte, ca. 800 x 110 mm große Folieninsert von Covestro nach dem Positionswechsel im 2-Kavitäten-Schiebetischwerkzeug im zweiten Schritt mit einem Polyurethanlack von Rühl überflutet wurde. Ergebnis war eine Blende, die auf einem Mustertisch beim Hinterleuchten ihre verborgenen Symbole mit Tiefeneffekt offenbarte. Das Demoteil wurde in diesem Fall noch kompakt hergestellt, soll in der nächsten Ausbaustufe aber mit einem geschäumten Thermoplast hinterspritzt werden, um Einfallstellen zu vermeiden. Dazu ist die Maschine bereits mit einem MuCell-Aggregat (Anbieter: Trexel) gerüstet.

Das zweite Exponat, mit einer MXW 1000–8100–3000 mit 10 000 kN Schließkraft als Basis, veranschaulichte den Besuchern, wie das Schaumspritzgießen mit Negativprägen und Wechseltemperierung die energieeffiziente Fertigung von Sichtbauteilen mit strukturierten Oberflächen ermöglicht. „Eine Technik, die nicht viele beherrschen“, so Werner Wirth im Gespräch mit Kunststoffe. Am Beispiel einer gewölbten Dekoschale aus PC+ABS zeigte sich, dass zum einen durch den Schritt des Öffnungsprägens, bei dem die Wanddicke von 2 auf 3,5 mm aufgezogen wird, das Formteilgewicht um bis zu 45 % reduziert und zum anderen mit der Wechseltemperierung eine makellos glänzende Class-A-Oberfläche erreicht werden kann. Dies trotz mehrerer Durchbrüche im Formteildesign und dickwandiger Dome auf der Rückseite, die als Standfüße fungieren.

Ohne den dynamischen Temperaturwechsel – das Werkzeug wird in 25 s von 80 auf 150 °C aufgeheizt und nach dem Einspritzen der stickstoffgesättigten Schmelze (MuCell-Verfahren) wieder heruntergekühlt – hätte man es mit den bekannten Schlieren an der Bauteiloberfläche und Einfallstellen oder Abdrücken der Standfüße zu tun. Direkt am Werkzeug ist eine temperaturgesteuerte Ventileinheit angeflanscht, die zwischen den Heiß- und Kaltphasen umschaltet und kurze Schlauchverbindungen zum Temperiergerät (Hersteller: E. Braun) ermöglicht. Der Formeinsatz mit dem konturnahen Temperiersystem, den Wirth im eigenen Haus entwickelt hat, ist mechanisch und kosteneffizient aus Standardmaterial gefertigt, wobei die Größe des Einsatzes nicht limitiert ist.

Das Formteil ist über ein Heißkanalsystem von Incoe 4-fach von der Rückseite her angebunden – eigens, um als zusätzlich eingebauten Schwierigkeitsgrad Bindenähte und Lufteinschlüsse zu provozieren. Der Füllvorgang wird mit Werkzeuginnendrucksensoren und dem Datenanalysesystem Cavity Eye online überwacht. Die in einer Zykluszeit von 58 s produzierten Dekoschalen zeichnen sich neben ihrem Hochglanzdesign durch eine erhöhte Biegesteifigkeit und Dimensionsstabilität aus, die (wie die Materialersparnis) auf die mikrozellulare Schaumstruktur des Formteils zurückzuführen ist.

Kaskadiertes Endlos-Sandwich-Spritzgießen mit geschäumtem Kern

Eine Weltneuheit präsentierte Wirth auf der dritten Spritzgießmaschine, einer MXZ 1000–4300/1400 Multinject, ebenfalls von KraussMaffei. Es handelt sich dabei um das von Wirth so bezeichnete kaskadierte Endlos-Sandwich-Spritzgießen mit physikalisch geschäumtem Kern, mit dem sich längliche Bauteile mit einer Randschicht aus einem hochwertigen Kunststoff und einem Kern aus geschäumtem Material, gern Rezyklat, herstellen lassen. Der Blick ins offene Werkzeug zeigt zunächst nur zwei Paare punktförmiger Anbindungen, die verraten, dass hier von Wirth entwickelte getrennte Nadelverschluss-Heißkanalsysteme für die Direktanspritzung beider Materialien sorgen.

Das Verfahren erklärte der Firmenchef so: Wenn die Hautkomponente aus der ersten Düse die Düse für die Kernkomponente überströmt, wird diese geöffnet. Die zweite Düse ist so konzipiert, dass sie ins Bauteilinnere spritzt. Wenn nun die Randschicht die nächste Düse für die Hautkomponente erreicht, wird diese geöffnet, wie auch die nächste Düse für die Kernkomponente, sobald sie von jener überströmt wird. „Die Besonderheit ist hier also die Heißkanalsteuerung“, so Wirth. Haut- und Kernkomponente ließen sich auf diese Weise immer weiter verschieben. Dass die Heißkanaldüse für das Kernmaterial durch die äußere Schicht sozusagen hindurchtaucht, sieht man am Ende nur als kleinen Punkt, der aus dem Kernmaterial besteht und von der Injektionsnadel an der Oberfläche der Außenhaut zurückbleibt, aber bündig mit dieser abschließt.

Der Kern des hier als Modell gespritzten Skis wurde ebenfalls physikalisch geschäumt, allerdings mit einer Verfahrensvariante, dem sogenannten Plastinum Foam Injection Molding. Das von Linde und dem Kunststoff-Institut Lüdenscheid (KIMW) entwickelte Verfahren beruht darauf, dass nicht wie beim MuCell-Prozess die Schmelze in der Plastifiziereinheit mit einem Fluid (N2 oder CO2) beaufschlagt, sondern getrocknetes Kunststoffgranulat bereits vor der Zuführung in die Spritzgießmaschine in einem Autoklav unter Druck mit CO2 beladen wird.

Ein zentrales Element ist dabei die Systemlösung Plastinum Perfoamer des Partnerunternehmens ProTec Polymer Processing, die das gesamte erforderliche Prozessequipment beinhaltet und sich per Plug & Play herstellerunabhängig mit jeder Spritzgießmaschine am Markt kombinieren lässt. In der aktuellen, weiterentwickelten Version umfasst die Zelle auch einen druckbeaufschlagten Pufferbehälter. Dieser verhindert durch Zwischenlagerung des gasbeladenen Granulats, dass das CO2 ausdiffundiert. Dadurch ist laut Hersteller über den gesamten Prozess eine gleichbleibend hohe Produktqualität sichergestellt.

Den theoretischen Unterbau für alle technischen Fragen bekamen die Teilnehmer in einem an beiden Tagen jeweils etwa dreistündigen Vortragsprogramm von Wirth und den beteiligten Projektpartnern vermittelt. Das Ganze fand stilecht im „Birkenstadl“, einer für Veranstaltungen umgebauten Scheune, statt. Der Gastgeber meinte dazu trocken: „Das passt doch zu unserem Standort im Frankenwald.“ Aber von der Idylle sollte man sich nicht täuschen lassen: Hier wohnt das Kunststoff-Know-how.

Geschäftsführer Werner Wirth mit dem im Endlos-Sandwich-Spritzgießen hergestellten Ski

Dekoschalen, hergestellt durch eine Verfahrenskombination aus variothermem Schaumspritzgießen und Negativprägen 

Blick in die Kavität für den Sandwich-Ski: Die Heißkanaldüse für die Kernschicht taucht durch die Hautschicht

Auf dem Bildschirm links erscheint die Prozessauswertung für die Werkzeuginnendruckmessung von Cavity Eye

Name - Hauptartikel

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Doriat, Clemens, Dr.

Schaumspritzgießen

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Folientechnik (IMD, IML, FIM, u.a.)

Spritzgießwerkzeuge

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Dynamische / variotherme Temperierung

Heißkanalsysteme

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Teil 7 der Serie: Wie der digitale Schatten im PIC 4.0 den realen Prozess belichtet

Der digitale Schatten ist das Kernkonzept des Exzellenzclusters „Internet of Production“ an der RWTH Aachen. Im Plastics Innovation Center 4.0 (PIC 4.0) werden digitale Schatten genutzt, um Prozesse unter Berücksichtigung des Realverhaltens zu optimieren und die Simulationsgüte zu ermitteln.

Der digitale Schatten ist das Kernkonzept des Exzellenzclusters „Internet of Production“ an der RWTH Aachen. Er repräsentiert die Datenspur eines Assets zur Beschreibung seines realen Verhaltens. Im Plastics Innovation Center 4.0 (PIC 4.0) werden digitale Schatten, z. B. die Datenspur eines Sensors, genutzt, um Prozesse unter Berücksichtigung des Realverhaltens zu optimieren und die Simulationsgüte zu ermitteln

Wirtschaft und Wissenschaft bemühen sich stets, Produktionsprozesse vollumfänglich zu erfassen und zu modellieren, um in kürzester Zeit und unter möglichst geringem Ressourceneinsatz hochwertige Produkte herzustellen. Die Möglichkeiten, komplexe Wechselwirkungen zwischen Prozesseinstellungen und Regelgrößen vorherzusagen und die Produktqualität zu beeinflussen, nehmen zu, wenngleich Prädiktionen rechenintensiver werden und ein automatisierter Abgleich mit der Realität noch immer sehr kostenintensiv ist oder ausbleibt. Der digitale Schatten zielt hingegen darauf ab, das Realverhalten eines Prozesses beispielsweise durch die Datenspur eines Sensors zu erfassen und in Modellberechnungen zu berücksichtigen [1].

Testbeds erzeugen anwendungsfallbezogene digitale Schatten

Die konsequente Verknüpfung von Maschinen und Anlagen innerhalb des PIC 4.0 ermöglicht es, eine Vielzahl realer Prozessdaten zu erfassen. Um wissenschaftliche Methoden und Ansätze stärker in reale Produktionsumgebungen zu integrieren, müssen diese unterschiedlichen Datenspuren allerdings zielgerecht aufbereitet und analysiert werden. Hierzu werden im PIC 4.0 Testbeds eingerichtet, mit deren Hilfe das Zusammenspiel von Software-Services und realem Versuchsstand zu einer bestimmten Fragestellung getestet werden kann [2]. Die initialen Testbeds fokussieren dabei u. a. den Einfluss eines Rezyklateinsatzes in der Spritzgießproduktion einschließlich der damit einhergehenden Materialaufbereitung und andererseits die Synchronisierung von qualitätsrelevanten Datenspuren, um datengetriebene Qualitätsregelungen zu verbessern und die Simulationsgüte im Hinblick auf das reale Prozessverhalten zu bestimmen.

Für die fokussierte Betrachtung von Fragestellungen der Qualitätskontrolle wird eine modulare Messzelle in einen Spritzgießprozess integriert. Hierzu wird derzeit neben der Bestimmung des Formteilgewichts u. a. geprüft, inwiefern sich die optische 3D-Vermessung inkl. CAD-Output des realen Bauteils sowie die Vermessung der Oberflächenstruktur mittels Weißlichtinterferometrie und Laserscanning-Methode dafür eignen. Die einzelnen Datenspuren dieser Messsysteme sollen um die Datenspuren der Spritzgießmaschine sowie eine vollumfängliche Erfassung und Auswertung von Werkzeuginnendruck- und Temperatursignalen ergänzt werden. Abschließend soll auch die Düse der Spritzgießmaschine mit Sensorik ausgestattet werden, sodass die Vorgänge im Schneckenvorraum zur Modelloptimierung berücksichtigt werden können. Durch den Aufbau des Testbeds lässt sich das volle Potenzial der einzelnen Messsysteme im Fertigungsverbund bei individueller Betrachtung wie auch in Kombination eruieren.

Softwareseitig bestehen einerseits Herausforderungen im Datenhandling sowie in der automatisierten Synchronisierung und Zuordnung der Datenspuren zu einem Produktionslos oder sogar dem einzelnen Bauteil. Andererseits werden durch die Verknüpfung neue Analyseservices zur Optimierung des Prozesses und der Prädiktionsmodelle möglich. Hierzu wird ein System entwickelt, das Sensorsignale direkt einem simulierten Softsensor in der Füllsimulation zuordnet und die reale Fließfrontgeschwindigkeit zum Abgleich mit dem simulierten Ideal am Bedienerterminal ausgibt. Dadurch werden weitere Assistenzsysteme z. B. zur Optimierung der Einstellparameter hin zu einer konstanten Fließfrontgeschwindigkeit als Qualitätskriterium realisierbar.

Untersuchungen zur Fließfrontgeschwindigkeit und zur geometrieabhängigen Prozessführung sind derzeit Gegenstand verschiedener Forschungsprojekte am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Aachen. Durch das geplante Testbed in einem realen Demonstrator werden die Forschungsergebnisse für den schnellen Technologietransfer in die industrielle Anwendung zugänglich.

Simulation, Maschine und Werkzeug liefern verschiedene digitale Schatten

Insbesondere bei komplex geformten Spritzgussteilen können aufgrund von Änderungen des Fließquerschnitts zu hohe oder zu niedrige Fließfrontgeschwindigkeiten auftreten [3 – 5]. Ein Ansatz, dadurch auftretende Qualitätsmängel zu verhindern, besteht darin, durch geschickte Einstellung der Einspritzgeschwindigkeit eine konstante Fließfrontgeschwindigkeit zu gewährleisten [6 – 8]. Die Fließfrontgeschwindigkeit selbst bei konstanter Einspritzgeschwindigkeit nachzuvollziehen oder gar mit einem Einspritzprofil zu korrelieren ist jedoch kaum möglich. Eine Lösung bietet die Füllsimulation, die jedoch nur bedingt mit dem realen Prozess übereinstimmt.

Für die Implementierung des angedachten Assistenzsystems wird angenommen, dass die Füllsimulation das grundlegende Füllverhalten und den Fließweg hinreichend genau abbildet. Die Feinjustierung der simulierten Fließfrontgeschwindigkeit an den realen Prozess erfolgt über die Verbindung der Datenspuren aus Maschine, Sensorik und Simulation. Eine Bedienerschnittstelle an der Spritzgießmaschine soll es ermöglichen, die simulierten Sensorpositionen intuitiv realen Sensorsignalen zuzuordnen. Zusätzlich wird die Korrelation zwischen Sensorsignalen und einem definierten Füllstand durch die Verknüpfung gewährleistet. Die Simulationssoftware, die Werkzeugsensorik und auch die Spritzgießmaschine selbst stellen dabei Datenspuren mit unterschiedlichem Aussagegehalt bereit (Bild 1).

Der digitale Schatten der Maschine gibt Einblick in das reale Anfahrverhalten der Schnecke und den dadurch induzierten Volumenstrom. Dieses Anfahrverhalten und die nicht ideale Volumenstrom- und Druckübertragung vom Plastifizieraggregat stellen Hauptgründe für die Abweichungen zwischen Simulation und Realität dar. Auch das Schließverhalten der Rückströmsperre und das Verlustvolumen, das über die Schneckengänge zurückfließt, nehmen signifikanten Anteil daran, dass gemessen an der Schneckenposition ein abweichendes Schmelzevolumen aufdosiert und eingespritzt werden muss. Selbst bei Kenntnis eines simulierten Füllvorgangs und des virtuell optimierten Prozesspunkts fällt es schwer, die richtige Parametereinstellung an der Spritzgießmaschine festzulegen.

Neben dem markierten Umschaltpunkt (Bild 1 oben links) bei 1,368 s für die volumetrische Füllung des Bauteils sind auch vier Sensorpositionen hervorgehoben. Innerhalb der Kavität sind vier piezoelektrische kombinierte Temperatur- und Drucksensoren verbaut, die Einblick in das reale Füllverhalten des Bauteils geben. Aufgrund der unterschiedlichen Erfassungssysteme, z. B. direkt über die Spritzgießmaschine oder über eine separate Messwerterfassung, sticht die Schwierigkeit heraus, wie sich die Messschriebe synchronisieren lassen. Erreicht die Fließfront einen Sensor, ist dies durch den Temperaturausschlag sehr gut erkennbar, ebenso wie der abrupte Temperaturabfall am Ende des Fließwegs (Sensorsignal 4) zur Zeit des Umschaltpunkts (Bild 1 unten links). Dadurch können auch die weiteren Sensorsignale eindeutig zugeordnet werden, sodass sich die relevante Messzeit der Sensorik im digitalen Schatten des Spritzgießsystems direkt mit der Füllzeit korrelieren lässt.

Die dritte Grafik (Bild 1 rechts) zeigt eine dem Prozesspunkt entsprechende Simulation des Füllvorgangs. Die Sensorpositionen können analog zum realen Werkzeug positioniert werden, um Simulation und Realprozess miteinander abzugleichen. Anhand der Ergebnisdateien der Prozesssimulation kann man die Fließfront nachvollziehen und die durchschnittliche Fließfrontgeschwindigkeit zu jedem Füllgrad berechnen. Hierzu werden zu jedem Knoten des Simulationsnetzes Zeitpunkt der Füllung, Füllgrad, Druckverlust sowie die Geschwindigkeit der Schmelze simuliert. Aufgrund der idealisierten Systemannahmen beim Aufsetzen der Prozesssimulation und bei Vernachlässigung der maschinenbedingten Einflüsse weichen die Füllzeit wie auch die Zeitpunkte, zu denen die Knotenpunkte der Sensorpositionen erreicht werden, von der Realität ab. Die Verbindung der einzelnen Datenspuren ermöglicht es schließlich, Simulation und Realität aufeinander abzustimmen (Bild 2). Hierzu werden sowohl die simulierte Fließfrontgeschwindigkeit an die reale Füllung angepasst als auch die Zeitintervalle zwischen den jeweiligen simulierten und realisierten Sensorsignalen, an denen die Schmelze die Sensoren erreicht.

Das Assistenzsystem soll dem Bediener die Feinjustierung des Einspritzprofils unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie direkt an der Maschine ermöglichen. Gleichzeitig wird das System die Forschenden innerhalb des PIC 4.0 in die Lage versetzen, durch Kombination digitaler Schatten diesen und weitere Optimierungsansätze datenbasiert für die industrielle Anwendung zu evaluieren, beispielsweise indem sie Datenspuren zum Schmelzedruck im Schneckenvorraum hinzuziehen oder den automatisierten Abgleich zwischen realisierter und simulierter Bauteilqualität durch integrierte 3D-Vermessung des Produkts berücksichtigen. Dadurch wird das PIC 4.0 zur Demonstrationsplattform für innovative Optimierungsservices vom Forschungskonzept bis in die industrielle Anwendung.

[1] Becker, F.; Bibow, P.; Dalibor, M.; Gannouni, A.; Hahn, V.; Hopmann, C.; Jarke, M.; Koren, I.; Kröger, M.; Theissen-Lipp, J.; Maibaum, J.; Michael, J.; Rumpe, B.; Sapel, P.; Schäfer, N.; Schmitz, G.; Schuh, G.; Wortmann, A.: A Conceptual Model for Digital Shadows in Industry and its Application. Proceedings of 40th International Conference on Conceptual Modeling, 2021

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

[3] Bichler, M.: Prozessgrößen beim Spritzgießen – Analyse und Optimierung. Beuth Verlag, Berlin, Vienna, Zurich 2012

[4] Chen, X.: A Study on Profile Setting of Injection Molding. Dissertation, Hongkong University of Science and Technology 2002

[5] Johannaber, F.; Menges, G.: Injection molding machines. A user‘s guide. Hanser; Hanser Gardner, Munich, Cincinnati 2008 (ISBN: 978–3–446–45011–0)

[6] Gruber, J.-M.: Process control based in cavity pressure for the injection moulding process of thermoplastics. Dissertation, RWTH Aachen University, Aachen 2005 (ISBN: 3–86130–843–6)

[7] Michaeli, W.; Bourdon, K.; Haupt, M.; Hunold, D.; Robers, T. F.: Das Volumenstromübertragungsverhalten in der Einspritzphase. Plastverarbeiter 41 (1990) 9, S. 186–195

[8] Yang, Y.; Chen, X.; Lu, N.; Gao, F.: Injection molding process control, monitoring, and optimization. Hanser Publications; Hanser Publishers, Cincinnati, Munich 2016 (ISBN: 1569905932)

Der Bau des PIC 4.0 schreitet voran und wirft seinen Schatten auf den Campus Melaten

Bild 1. Datenspuren der Spritzgießmaschine zum Schneckenvorschub (links oben), der Simulation zur Fließfrontgeschwindigkeit (rechts oben) und der Sensorik zum realen Füllverhalten (links unten) am Beispiel einer Wabenstruktur

Bild 2. Die Verknüpfung von Datenspuren aus Simulation und Maschine ermöglicht weitergehende Optimierungsschritte des Einspritzprofils an der Spritzgießmaschine

Das Exzellenzcluster Internet of Production (IoP) ist ein interdisziplinäres Forschungsprojekt, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird. In der ersten Förderperiode (01/2019 – 12/2025) forschen wissenschaftliche Mitarbeiter von mehr als 25 Instituten und hochschulnahen Einrichtungen gemeinsam an Themen der digitalisierten Produktionstechnik für nachhaltige Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie. Innerhalb des PIC 4.0 soll die Zukunftsforschung des IoP in reale Demonstratoren überführt werden.

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 seit September 2016 mit intelligenten Produktionssystemen und ist seit Januar 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>

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

Der folgende Beitrag beschreibt, wie flexible Strukturen eine wandlungsfähige Testumgebung und somit ein kontinuierliches Innovationsmanagement ermöglichen. Er erscheint in Heft 3/2022.

Sensorik für Kunststoff-Verarbeitungsmaschinen

Industrie 4.0

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Spritzgießsimulation

Software

Simulation

Digitaler Zwilling

Rund 30 000 Besucher kamen im Oktober zur Fakuma nach Friedrichshafen. Auch wenn das weniger waren als bei der letzten Auflage der Messe vor drei Jahren, war die Stimmung gut. Zu groß die Freude über persönliche Treffen und ein positives Investitionsklima.

Einen begeisternden Re-Start feierte die 27. Fakuma – Internationale Fachmesse für Kunststoffverarbeitung – vom 12. bis 16. Oktober 2021 in Friedrichshafen. Nach einem Jahr Zwangspause konnte sie nun wieder live stattfinden. 1470 Aussteller aus 39 Ländern zeigten auf 85 000 Quadratmeter Brutto-Ausstellungsfläche ihre Neuheiten rund um Spritzgießen, Extrusionstechnik, Thermoformen und die additive Fertigung.

„Für die Unternehmen unserer Branche ist die Fakuma eine der wichtigsten Industriemessen“, so Fakuma-Projektleiterin Annemarie Schur. „Das Event hatte sogar in diesem Jahr noch mehr Bedeutung. Zum einen, weil Präsenzmessen erst in diesem Herbst wieder möglich waren, und zum anderen, weil der Themenkomplex Umweltschutz und Kreislaufwirtschaft ein immenses Aufgabengebiet ist, das wir alle anpacken müssen. Der Auslandsanteil von 40 Prozent beweist vor allem in diesen Ausnahmezeiten den hohen Stellenwert der Messe weltweit.“

„Wir wollen jetzt gemeinsam nach vorn in die Zukunft schauen“, sagte die Messeveranstalterin und Geschäftsführerin der P. E. Schall GmbH & Co. KG, Bettina Schall. „Diese Fakuma ist die passende Plattform dafür, die aktuellen Herausforderungen der Branche zu meistern. „In diesem Herbst zählen keine Rekordzahlen, keine Superlative. Was allein zählt, ist, dass wir alle gemeinsam diesen Re-Start lebendig machen und unsere Aufgaben anpacken“.

Die Friedrichshafener Messehallen waren vom ersten Messetag an gut besucht. „Viele traditionsreiche Weltmarktführer haben die Krise genutzt, um Innovationen voranzutreiben. Der Trend zur Digitalisierung hat sich beschleunigt. Konzepte zum Aufbau einer Kreislaufwirtschaft für Kunststoffprodukte sind firmenübergreifend erarbeitet worden. Jede Krise hat auch ihre Chance, und viele kluge Köpfe haben diese genutzt“, bestätigt auch Sandra Füllsack, Geschäftsführerin der Motan Holding GmbH und Sprecherin des Fakuma-Ausstellerbeirats. Schließlich war die Fakuma 2021 einmal mehr als Business-Plattform für Neuheiten entlang der Wertschöpfungsketten der ideale Ort, um neue Produkte und technologische Lösungen zu präsentieren. Die nächste Internationale Fachmesse für Kunststoffverarbeitung, die 28. Fakuma, wird vom 17. bis 21. Oktober 2023 stattfinden.

Blick in die Messehalle vom Arburg-Stand aus © Hanser/Schröder

Fakuma - Nachbericht

Messe Fakuma

kunststoffe.de

Trendige Spritzgießanwendungen auf der Fakuma 2021

Die Digitalisierung kommt zur rechten Zeit. Mehr und mehr entpuppen sich smarte Lösungen als Geburtshelfer ressourcenschonender Technologien und Wegbereiter für die Kreislaufwirtschaft. Digitale Assistenten für Prozessregelung und -bewertung sind längst Standard, und auch Messeaussteller ziehen einen besonderen Nutzen aus der Digitalisierung.

Umweltverbände wie auch die Unternehmen der Kunststoffindustrie selbst beklagen gleichermaßen den Umstand, dass gebrauchte Verpackungen im Wertstoffstrom nicht ausreichend sortenrein getrennt werden (können). Damit wird einerseits ein immer noch zu großer Anteil des Rücklaufs aus Sammelsystemen wie dem Gelben Sack der thermischen Verwertung zugeführt, andererseits entstehen bei der Wiederverwertung der nutzbaren Fraktion oft Produkte geringerer Qualität als zuvor. Dieses Recycling mit Abwärtsspirale wird mit dem Begriff „Downcycling“ beschrieben. Nachteil: Es begrenzt den Verbrauch an Neuware nicht so effektiv wie „echtes“ Recycling. Ein Lösungsweg aus dieser Misere besteht darin, die Sortierfähigkeit von Kunststoffverpackungen mit einem digitalen Wasserzeichen zu verbessern und damit die Qualität des Recyclings insgesamt zu steigern. Das Thema war auch auf der Fakuma 2021 unübersehbar präsent.

Digitaler Recyclingpass für  sortenreine Trennung

Ein Beispiel hierfür ist das Leuchtturmprojekt HolyGrail 2.0, an dessen Weiterentwicklung inzwischen zahlreiche namhafte Akteure der Kunststoffindustrie mitwirken. Das Grundprinzip ist ein digitales Wasserzeichen, das einem QR-Code ähnelt, aber mit bloßem Auge nicht sichtbar ist und somit das Verpackungsdesign nicht stört. In Recyclingbetrieben könnten die Sortieranlagen beim Scannen der verborgenen Kachelmuster mit einer hochauflösenden Kamera Informationen über die Materialzusammensetzung der Verpackungen und deren Verwendung auslesen; auf diese Weise ließen sich die Müllmengen genauer in einzelne Fraktionen aufteilen – Voraussetzung dafür, höherwertige Rezyklate zurückzugewinnen und geschlossene Wertstoffkreisläufe zu etablieren.

Der Hightech-Werkzeugbauer Foboha, Teil der Unternehmensgruppe Barnes Molding Solutions, leistet einen wichtigen Beitrag zu diesem Vorhaben. Die von Digimarc entwickelte Technologie des digitalen Wasserzeichens lässt sich – zweidimensional und folienbasiert – gut in das Druckbild z. B. von Verpackungsetiketten integrieren. Der etwa briefmarkengroße Pixelcode ist dann wie ein Mosaik über die Produktoberfläche verteilt – zum Auslesen genügt es, wenn das Kamerasystem einen beliebigen Ausschnitt trifft. In der nächsten Evolutionsstufe soll das Muster nun – dreidimensional und werkzeugbasiert – direkt auf der Oberfläche spritzgegossener Kunststoffteile abgeformt werden. Dazu hat Foboha in Kooperation mit der Reichle Technologiezentrum GmbH das digitale Wasserzeichen als nur mikrometergroße Vertiefungen mit dem Lasertexturierverfahren in die hochglanzpolierte Werkzeugoberfläche eingebracht. Das Ergebnis war am Messestand von Barnes zu besichtigen, aber nicht zu sehen: Flip-Top-Verschlüsse mit unsichtbarem Wasserzeichen (Bild 1).

Arburg führte das HolyGrail-Prinzip am Beispiel einer anspruchsvollen Verpackungsanwendung vor. Mit einem 4+4-fach-Etagenwerkzeug produzierte eine hybride Hochleistungsmaschine Allrounder 1020 H in Packaging-Ausführung im IML-Verfahren (In-Mold Labeling) in einer Zykluszeit von rund 5 s je vier dünnwandige Becher samt Deckel, die automatisch auf ein Förderband abgelegt und gestapelt wurden. Sowohl die Becher selbst als auch das zugehörige Label und der Deckel bestehen aus chemisch recyceltem Polypropylen (PP). „Ein solches Monomaterial-Produkt kann nach Gebrauch wirtschaftlich und qualitativ hochwertig recycelt werden. In diesem Fall würde das digitale Wasserzeichen auf dem Label den Hersteller, die verarbeiteten Materialien und die Lebensmitteltauglichkeit ausweisen“, sagte Guido Frohnhaus, Geschäftsführer Technik bei Arburg.

Am Stand des Loßburger Maschinenbauers widmete sich eine zweite Anwendung der Frage, wie sich Kunststoffprodukte nach Gebrauch sortenrein in den Kreislauf zurückführen lassen. Lösung hier: In das 1-fach-Werkzeug für einen rund 20 g schweren Becher ist ein materialspezifischer „CurvCode“ der Firma Filigrade eingraviert. Eine solche Gravur lässt sich auch nachträglich in Altwerkzeuge einbringen. Auf diese Weise wird beim Spritzgießen ein entsprechendes kurvenförmiges Wasserzeichen auf das Produkt übertragen, das für den Endverbraucher nahezu unsichtbar ist. In Recyclinganlagen lassen sich die Abfallprodukte per Lichtreflexion von einem Kamerasystem auslesen.

Auch der Messestand von Engel präsentierte sich im Zeichen der Nachhaltigkeit. Mit der Herstellung dekorierter Monomaterial-Lebensmittelverpackungen und dem Verarbeiten von Regranulat aus Label-Verschnittabfällen stellte das Unternehmen eine Prozesskette im Sinne der Kreislaufwirtschaft nach (Bild 2a+b). Dabei feierte das 4200-kN-Modell der Baureihe Engel e-speed (mit hybrider Spritz- und elektrischer Schließeinheit) seine Weltpremiere mit einer anspruchsvollen Kombination aus IML-Dünnwandspritzprägen und Etagenwerkzeugtechnik.

Dünnwandspritzprägen für die Werkzeugetagentechnik

Die Spritzgießmaschine produzierte während der fünf Messetage mit einem 4+4-fach-Werkzeug von Plastisud vollständig automatisiert abfüllfertige Margarinebecher aus PP im Spritzprägeprozess, die eine Wanddicke von 0,4 mm (inklusive Label) aufwiesen. Bei großen Fließweg/Wanddicken-Verhältnissen wie in diesem Fall lässt sich eine konstant hohe Bauteilqualität nur durch Spritzprägen erreichen. Oft wird dieses Verfahren als Ausschlusskriterium für den Einsatz eines Etagenwerkzeugs betrachtet, denn bei vielen Spritzgießmaschinen reicht die Dynamik der Plattenbewegungen dafür nicht aus. Anders bei der auf Dauer-Hochleistung in der Verpackungsindustrie ausgelegten e-speed-Maschine: Die elektrisch angetriebene Schließeinheit und das Kniehebeldesign ermöglichen sehr schnelle und vor allem präzise, kurze Prägehübe – im Falle der Margarinebecher 4 mm. Die Parallelbewegungen lassen sich exakt steuern, was die Voraussetzung ist, Prägehub und Einspritzprofil in der erforderlichen Präzision aufeinander abzustimmen.

Weitere Vorteile der Spritzprägetechnik sind, dass im Vergleich zum konventionellen Kompaktspritzgießen geringere Schließkräfte und niedrigere Spritzdrücke genügen und sich auch hochviskose Materialien reproduzierbar verarbeiten lassen. In Summe führt dies zu einem niedrigeren Energieverbrauch und wettbewerbsfähigeren Stückkosten.

Auch die ebenfalls aus PP bestehenden Labels (Hersteller: MCC Verstraete), die hier zum Einsatz kommen, basieren auf der Wasserzeichen-Technologie von Digimarc. Die Monomaterialverpackungen lassen sich am Ende ihrer Nutzungsdauer ebenso wie die bei der Herstellung anfallenden Produktionsabfälle schreddern und das erhaltene Rohmaterial zu neuen Produkten verarbeiten. Wie dies in der Praxis aussehen kann, demonstrierte Engel mit der Verarbeitung von Label-Verschnittabfällen in Form von Regranulat. Auf einer Maschine des Typs victory 460/80 wurden in einem 8-fach-Werkzeug von Pöppelmann Kegelverschlüsse produziert. Der Verarbeiter mit Sitz in Lohne zählt sich zu den Vorreitern beim Aufbau einer Kreislaufwirtschaft: Seit einiger Zeit bestehen Kunststoff-Schutzelemente aus dem Pöppelmann-Geschäftsbereich Kapsto zu 100 % aus Rezyklat.

Man kann also festhalten: „Die Digitalisierung ist ein Wegbereiter für die Kreislaufwirtschaft“, so Dr. Christoph Steger, CSO der Engel Gruppe. „Intelligente Assistenzsysteme und vernetzte Systeme helfen uns, das volle Potenzial der Spritzgießmaschinen auszuschöpfen, damit effizienter zu produzieren und den CO2 -Footprint zu reduzieren.“ Stehen Rezyklate, z. B. Post-Consumer-Recyclingmaterialien (PCR), erst einmal in ausreichender Menge und Qualität zur Verfügung, dürfte deren Verarbeitung schnell an Bedeutung gewinnen. Zumal wenn die zweite Randbedingung greifen sollte: Die Preise bewegen sich im akzeptablen Rahmen oder der Einsatz wird durch politischen Quotendruck forciert.

Das volle Potenzial der Maschinen ausschöpfen

Jedenfalls haben die großen Maschinenhersteller bereits seit Längerem Assistenzsysteme im Programm – heißen diese nun APC plus (KraussMaffei), iQ weight control (Engel) oder HiQ Flow (Wittmann Battenfeld) –, mit denen sich die schwankenden Materialqualitäten von Rezyklaten im Verarbeitungsprozess beherrschen lassen. Arburg hat nun zur Fakuma gar ein sogenanntes Rezyklat-Paket geschnürt, das verschiedene Steuerungsfunktionen und eine spezielle Ausstattung der Plastifizierung beinhaltet, damit sich Rezyklate sicher verarbeiten lassen.

Welche Digitalisierungswege die Branche noch beschreitet, war u. a. am Stand von Dr. Boy zu beobachten. Mit dem „Moulding Assist“ stellte Boy eine Software vor, mit der auftretende Spritzgießfehler identifiziert und beseitigt werden können. Der digitale, von einem KI-System unterstützte und somit lernfähige Assistent liefert dem Anwender direkt an der Spritzgießmaschine zielführende Lösungsvorschläge für sieben klassische Fehlerbilder. „Das System merkt sich erfolgreiche Gegenmaßnahmen und lernt mit der Zeit, diese in ähnlichen Fällen anzuwenden“, so Geschäftsführer Alfred Schiffer im Gespräch mit Kunststoffe.

Die Funktionen des Moulding Assist werden über einen Webserver gestartet und können an jedem Spritzgießautomaten mit Netzwerkverbindung aufgerufen werden. Das zugehörige Edge Device ist dabei im Schaltschrank integriert. Nach Installation des Assistenten auf der Maschine lassen sich über den Web-Browser auch das komplette Maschinenhandbuch öffnen und die Boy-App mit Kühlzeit- und Schließkraftberechnungen sowie Tabellen mit den Verarbeitungsdaten zahlreicher Kunststoffe nutzen.

Einen weiteren Ansatz umschrieb Schiffer so: „Mittelständische Kunden mögen keine komplizierten Installationen.“ Daher bietet Boy nun die Möglichkeit, die Spritzgießmaschine durch einen WLAN-Stick, der in die Maschinensteuerung gesteckt wird, und ein Smartphone via Hotspot kabellos mit dem Internet zu verbinden. Alternativ kann sich eine Verbindung auch in das Firmennetzwerk aufbauen. In jedem Fall kann auf diese Weise der Boy-Kundendienst von Neustadt-Fernthal aus auf die Maschine zugreifen und den Anwender online am Bildschirm unterstützen. Daneben unternahm Boy einen Akzeptanztest: Obwohl offensichtlich noch Zukunftsmusik, hat die Bedienung der Spritzgießmaschine per Sprachsteuerung Neugier geweckt. Viele Besucher ließen sich die technischen Möglichkeiten und Hürden an einer Demo-Steuerung erläutern.

Neue Schnittstelle zwischen Maschine und Werkzeug

Wie Maschine und Werkzeug künftig kommunizieren, demonstrierte ein Exponat in Reinraumausführung bei der Fertigung transparenter Blutröhrchen aus PET wiederum am Arburg-Stand. Im 32-fach-Werkzeug des Entwicklungspartners Hack Formenbau sind zwei Kameras integriert, die Bilder oder Videos z. B. von Werkzeugtrennung und Teileausstoß machen können, sowie vier Wegsensoren. Hinzu kommen vier Klopfsensoren für die Säulenführungen (Bild 3). Auf diese Weise lassen sich Werkzeugatmung und Abweichungen der Position beim Schließen oder Trennen erfassen. Bei der Messeanwendung wurden die Daten über eine digitale Box auf dem Werkzeug gesammelt und über OPC UA an die Maschinensteuerung weitergegeben, die so z. B. auch leistungsabhängige Wartungsintervalle für das Werkzeug anzeigen kann.

Die vollelektrische Hochleistungsmaschine Allrounder 630 A ist hier mit dem Assistenzsystem „aXw Control PressurePilot“ ausgestattet, das laut Arburg mit seiner bionisch optimierten Druckregelung die Formfüllung konstanter macht und die Balancierung verbessert. Durch angepasstes Umschalten in den Nachdruck werden Gratbildungen und Unterfüllungen vermieden. Aus der Zykluszeit von 6,5 s und dem Schussgewicht von 227 g resultiert ein hoher Durchsatz von rund 27 kg oder 17.700 Blutröhrchen in der Stunde.

An neuen Erlebniswelten für den Bediener arbeitet Wittmann Battenfeld. Durch eine Mixed-Reality-Brille sieht dieser zunächst die gewohnte Umgebung. Roboter und Maschine kommunizieren über eine eigens geschaffene OPC-UA-Schnittstelle mit der Brille. Das ermöglicht es, Informationen wie Status- und Alarmmeldungen direkt in das Sichtfeld des Bedieners einzublenden und das Bild der realen Maschine mit animierten Ansichten zu überlagern (Titelbild). Ein Blick auf die Bedienterminals von Maschine und Roboter erübrigt sich. Multimediale Einblicke für die Messebesucher gab es via „Wittmann Interactive“ aus dem Technikum einer Niederlassung.

Dieses Tool nutzte Wittmann Battenfeld auch, um das Spektrum der Live-Exponate virtuell zu erweitern. Zum Beispiel, um in Kooperation mit Leonhard Kurz eine vollautomatische Produktionszelle (auf Basis einer SmartPower 300) für einen serienfähigen „Overhead Light Controller“ (Bild 4) vorzuführen. Das optisch ansprechende Bedienelement für das Fahrzeuginterieur entsteht in einem kombinierten IMD/IML-Verfahren. Dabei wird die Sensorfolie auf der Düsenseite des Werkzeugs positioniert, die Trägerfolie mit dem Einzelbilddekor von einem am Arm des Handlingroboters befestigten IR-Heizstrahler erwärmt und in die Kavität der beweglichen Werkzeugseite geformt. Anschließend wird PMMA eingespritzt und das fertige Teil zuletzt gereinigt und gehärtet.

„Das hocheffiziente energiesparende Einstufenverfahren trägt zu einer ressourcenschonenden Fertigung wesentlich bei. Die Verarbeitung von Rezyklaten für dekorierte Oberflächenteile stellt außerdem ein großes Potenzial für die Zukunft dar“, erklärte Geschäftsführer Rainer Weingraber. Die Produktionsanlage nahm nach der Messe im Reinraum des Technologiepartners Syntech Plastics ihren Dienst auf.

Bild 2b. Die spritzgegossenen Schutzkappen aus 100% Rezyklat werden in verschiedenen Logistikanwendungen eingesetzt

„Augmented Reality“ eingeblendet: Temperaturen der Schneckenzylinder-Regelzonen von  der Einzugszone bis zur Düse (beginnend rechts), sowie Animation des zukünftigen Programmablaufs

Bild 1. Die Flip-Top-Verschlüsse wurden in einem Werkzeug mit lasertexturiertem Einsatz gespritzt, sodass sich ein unsichtbares digitales Wasserzeichen („HolyGrail“, rechts grafisch hervorgehoben) auf der Artikeloberfläche abformt

Bild 2a. Vom Margarinebecher zum Kegelverschluss: Christoph Steger erklärt die Verwendung der Label-Verschnittabfälle

Bild 3. Auf dem Bildschirm an der Maschine sieht man das Klangbild des Werkzeugs, das über die Klopfsensoren für die Säulenführungen ermittelt wird 

Bild 4. Der Overhead Light Controller wird  in einem kombinierten IMD/IML-Verfahren hergestellt

Condition Monitoring / Prozessüberwachung

Instandhaltung

Spritzprägen

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Lasermarkieren

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Kunststoff-Rezyklat

Kunststoff Werkstoffe

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

Kreislaufwirtschaft

Breite Datenbasis für Prozessauswertung und -steuerung

Weltpremiere: Henkel stellt neue Dosiermaschinengeneration in Friedrichshafen vor

Die vielen Verbesserungen dienen einem Ziel: der Prozessstabilität bei der vollautomatischen Verarbeitung und Dosierung von Dichtungsschäumen, Klebstoffen und Vergussmassen. Im Ergebnis wird eine hochwertige Abdichtung, Verklebung oder Versiegelung von Bauteilen erreicht.

Henkel hat auf der Fakuma 2021 eine neue Dosiermaschinengeneration mit neu entwickeltem Mischkopf präsentiert. Die vielen Verbesserungen dienen einem Ziel: der Prozessstabilität bei der vollautomatischen Verarbeitung und Dosierung von Dichtungsschäumen, Klebstoffen und Vergussmassen. Im Ergebnis wird eine hochwertige Abdichtung, Verklebung oder Versiegelung von Bauteilen erreicht.

Auf dem Fakuma-Messestand von Henkel wurde die Dosierzelle Sonderhoff Smart-M mit der neuen Dosiermaschine DM 502 und dem Mischkopf MK 825 Pro live betrieben. Der ebenfalls neue Mischkopf hat ein wartungsfreundliches konisches V-Design und ist auf Basis des seit 20 Jahren bewährten Vorgängermodells MK 600 durch viele Verbesserungen weiterentwickelt worden. Hierdurch wird eine hohe Prozessstabilität für das vollautomatische Dichten, Kleben und Vergießen mit der FIPFG-Technik (formed in-place foam gasket) erreicht. Mit diesem Verfahren wird über eine Düse eine Schaumdichtung in Form einer Raupe direkt am Bauteil aufgetragen.

Henkel bietet seinen Kunden über die Technologieplattform Sonderhoff System Solutions (S3) kundenspezifische Dichtungs-, Klebe- und Vergusslösungen mit Material, Maschine und Automation aus einer Hand an. Die Automation der Bewegungs- und Positionierungsprozesse des Mischkopfs erfolgt wahlweise mit einem dreiachsigen Linearroboter oder einem sechsachsigen Gelenkarmroboter, die entweder das Bauteil unter dem Mischkopf bewegen oder den Mischkopf über die Bauteilkontur führen. Für die Bauteilzu- und -abführung sind Wechsel- und Schiebetische, Rundtakttische sowie Durchlauf- bzw. Austaktbänder verfügbar.

Am Stand wurden Messeflyer über einen Drehtisch dem Mischkopf zugeführt. Dieser fuhr am Roboterarm die Schrift konturgenau ab und trug auf die Buchstaben roten Polyurethanschaum (Typ: Fermapor K31), der unter Raumtemperatur aushärtet, als Dichtungsraupe auf.

Die in der Dosiermaschine DM 502 und im Mischkopf MK 825 Pro verbauten Sensoren messen ein breites Spektrum an Daten für die lückenlose Überwachung und Einhaltung kritischer Prozessparameter wie z. B. Temperatur, Grad der Luftbeladung, sensorüberwachte Axialposition der Rührerwelle, automatische Steuerung der DVS-Hubverstellung (Düsenverschlusssystem) sowie sensorüberwachte Nadelpositionierung des Dosierventils. Damit steht dem Maschinenbediener eine umfassende Datenbasis über den gesamten FIPFG-Auftragsprozess zur Verfügung. Sie ermöglicht eine schnelle und präzise Datenanalyse für eine optimierte Prozessauswertung und -steuerung sowie eine vorausschauende Überwachung der Materialauftragsprozesse und eine vorbeugende Wartung von Verschleißteilen.

Dosiermaschine und Mischkopf mit integrierten Sensoren

Zusätzlich zu den besseren Auswertungsmöglichkeiten erzielt der neue Mischkopf eine besonders hohe Dosier- und Prozessqualität. Um einen konstant fehlerfreien Auftragsprozess und eine höhere Maschinenverfügbarkeit sicherzustellen, können bei der Dosiermaschine DM 502 und dem Mischkopf MK 825 Pro integrierte Sensoren wichtige Maschinenparameter messbar machen:

<ul><li>automatische Positionierung und Drehzahlregelung des Rührers in der Mischkammer,</li><li>automatische Hubeinstellung des Rührers mit Schrittmotor und Positionsüberwachung,</li><li>automatische Luftbeladung für eine optimale Zellstruktur der Schaumdichtung,</li><li>automatische sensorüberwachte Position der Dosiernadel im Schuss- und Rezirkulationsventil.</li></ul>

Darüber hinaus wurde ein stark verbessertes Temperiersystem eingeführt.

Die über die Sensorik an vielen Stellen der Dosieranlage gesammelten Daten können für die laufende Produktion beim Kunden von großem Wert sein. Sensoren messen z. B. die Wechselwirkungen zwischen der Hubeinstellung des Rührers beim Düsenverschlusssystem (DVS-3) und der definierten Ausbringungsmenge. Diese Faktoren beeinflussen die Schaumstruktur der Dichtung entscheidend, zumal wenn diese für bestimmte Anwendungen sehr feinzellig sein soll.

Die Hubverstellung des Düsenverschlusssystems wird beim MK 825 Pro automatisch über die Steuerung justiert, außerdem wird die Axialposition der Rührerwelle sensorüberwacht. Die neue DM 502 bietet zusätzlich eine verbesserte Ventiltechnik mit Prozessmonitoring und einer Nadel aus einem Hochleistungskunststoff, die das Dosierventil auch bei sehr dünnflüssigem Material passgenau verschließt.

Die speziell für die DM 502 angefertigten Dosierpumpen haben einen doppelt so hohen Drehzahlbereich und ermöglichen einen größeren Austragsbereich der Dosiermenge von 0,05 g/s bis 120 g/s. Durch den neu designten Pumpenflansch lassen sich die Präzisionszahnradpumpen sehr leicht wechseln. Das neue Design und die Anordnung der Module im Maschinenschrank vereinfachen die Wartung.

Bedienkomfort durch verbesserte Visualisierung

Zur Bedienung der Dosiermaschine DM 502 werden das multifunktionale Mobilpanel MP 2 mit Touchscreen in 10,1 Zoll und optional das neue auf 21,5 Zoll vergrößerte Multitouch-Bedienpanel Control 3 angeboten. Eine neue, bedienerfreundliche Menüaufteilung mit zentraler Navigation und ein einheitliches Layout der Bedienoberfläche ermöglichen eine intuitive Menüführung. Die meisten Bezeichnungen der Touchscreen-Fronten sind durch allgemein verständliche Symbole ersetzt worden, die die Menübedienung sprachunabhängig machen. Zusätzlich ist es möglich, die Bedienoberflächen adaptiv an die unterschiedlichen Aufgaben und Präferenzen des Maschinenbedieners anzupassen.

Auch eine interaktive Fernwartung gemeinsam mit dem Kunden ist möglich. Die Service-Monteure von Henkel verbinden sich dazu online mit dem Bedienpanel des Kunden und nutzen zur Fehleranalyse die Alarmprotokolle der DM 502 und die unterschiedlichen Visualisierungen der Prozessdaten.

Der verbesserte Mischkopf MK 825 Pro erhöht die Prozessstabilität

Großes Besucherinteresse für die Dosierzelle Sonderhoff Smart-M: Auf der Fakuma war zu sehen, wie der Mischkopf einen Messeflyer „beschreibt“, wobei die Dichtungsraupe den Buchstabenkonturen folgt

Die neue Dosiermaschinengeneration DM 50x (hier abgebildet eine DM 503 mit drei Materialdruckbehältern) für die vollautomatische Verarbeitung und Dosierung von Dichtungsschäumen, Klebstoffen und Vergussmassen

Florian Kampf ist Manager Global Customer Experience bei AIB – Automation Solutions der Henkel AG & Co. KGaA.

Dichtungsschäumen

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Dosieranlagen, allgemein

Recycelbare Monomaterialverbunde und rPET im direkten Lebensmittelkontakt

Die Kunststoffindustrie hat in der Vergangenheit ein ums andere Mal gezeigt, welche Innovationskraft in ihr steckt. Und auch die allseits propagierte Kreislaufwirtschaft ist dabei keine Utopie, sondern ein realistisches, nächstes Ziel.

Nachhaltigkeit ist der Megatrend unserer Zeit. Eine Herausforderung, bei der viele Menschen sich oft machtlos fühlen, wenn es darum geht, messbare Veränderungen herbeizuführen. Aber die Kunststoffindustrie hat in der Vergangenheit ein ums andere Mal gezeigt, welche Innovationskraft in ihr steckt. Und auch die allseits propagierte Kreislaufwirtschaft ist dabei keine Utopie, sondern ein realistisches, nächstes Ziel.

Der Ruf von Kunststoff – insbesondere für schnelllebige Verbrauchsprodukte wie Verpackungen – hat stark gelitten. In der breiten Öffentlichkeit ist er zum Inbegriff der Umweltverschmutzung geworden. Es ist müßig, auf die vielen Vorteile in den Bereichen Lebensmittelsicherheit, Hygiene oder medizinische Versorgung hinzuweisen – oder darauf, dass Kunststoff sogar zur Verringerung der CO2 -Emissionen beitragen kann, weil er sehr leicht und damit effizienter zu transportieren ist. Das Problem: Kunststoff wird einfach zu wenig recycelt, und vor allem gibt es fast kein hochwertiges Recycling, bei dem Kunststoff innerhalb der gleichen oder einer mindestens gleichwertigen Anwendung wiederverwertet wird. Um ein hochwertiges Recycling zu erreichen, sind zwei wesentliche Voraussetzungen erforderlich: vollständig recycelbare Endprodukte und hoch entwickelte Abfallsortierungs- und Recyclingverfahren. Das ist die Basis, um Kunststoffabfall zu hochwertigem Rezyklat aufzubereiten und somit weitere Zyklen zu ermöglichen. Die Reifenhäuser Gruppe hat mit ihren spezialisierten Business Units bereits verschiedene „Circular Economy“-Lösungen im Markt platziert und arbeitet darüber hinaus mit Partnern entlang der gesamten Wertschöpfungskette zusammen.

Ultra Stretch: die Technologie für nachhaltige All-PE-Folien

Flexible Verpackungen, wie zum Beispiel Standbeutel für Seife, Müsli oder Hundefutter, sind Hightech-Produkte, die Schutz vor Verunreinigung und Keimen gewährleisten und den sicheren Transport der Waren vom Hersteller zum Verbraucher garantieren. Um die Anforderungen zu erfüllen, bestehen sie bzw. die verwendeten Folien in der Regel aus mehreren Schichten verschiedener Kunststoffe. Am Ende des Lebenszyklus einer Verpackung wird das zum Problem, denn je mehr Materialien für die Herstellung einer Verpackung verwendet werden, desto schwieriger ist es, sie zu recyceln. Einmal zusammengefügte Materialien sind kaum noch zu trennen, geschweige denn in einem industriellen Maßstab effizient zu recyceln. Bisher werden in der Regel PE und PET in den einzelnen Schichten verarbeitet, um spezifische Eigenschaften zu erreichen. Um diesen recyclingunfreundlichen Materialmix zu ersetzen, hat Reifenhäuser Blown Film ein spezielles Reckverfahren für seine Blasfolienanlagen entwickelt. Dank der Technologie erhalten PE-Folien vergleichbare Eigenschaften wie PET-Folien und können diese in Produkten ersetzen. Das Ergebnis sind zum Beispiel sogenannte All-PE-Pouches, die als Monomaterialverbund hergestellt werden und damit vollständig recycelbar sind. Am Ende des Lebenszyklus gewinnen Recycler ein reines PE-Rezyklat, das zu einem neuen Produkt werden kann.

Reifenhäuser EVO Ultra Stretch heißt die Technologie dahinter, die die Folie bis zu 10-fach verstreckt und der PE-Folie damit neue mechanische Eigenschaften verleiht. Die patentierte Position der Reckeinheit direkt im Abzug der Blasfolienanlage macht den Prozess besonders stabil und effizient. Eugen Friedel, Director Sales bei Reifenhäuser Blown Film, erklärt: „Das Besondere an unserer Lösung ist, dass wir die noch extrusionswarme Folie ohne ein erneutes Aufheizen verstrecken. Zudem verlängert sich dadurch gleichzeitig die natürliche Abkühlphase bis zum Wickeln der Folie, was ihr die nötige Zeit gibt, um ihre neuen Eigenschaften anzunehmen.“ Der Folienweg von der EVO Ultra Stretch Einheit zum Wickler ist 2,5-mal länger als bei anderen Lösungen auf dem Markt und bietet so den entscheidenden Vorteil gegenüber der sonst üblichen Verstreckung der Folie zwischen Abzug und Wickler.

Hundert Prozent recyceltes PET  im direkten Lebensmittelkontakt

Während in flexiblen Verpackungen PET als Teil des Materialmix bewusst vermieden wird, so ist es in anderen Bereichen wie Einwegflaschen das (Mono-)Material der Wahl. Der sogenannte PET-Bottle-Scrap ist nach der Rückführung des Abfalls entsprechend breit am Markt als Rohmaterial verfügbar. Ein Problem bei der Wiederverwertung war jedoch, dass Rezyklat-Einsatz und direkter Lebensmittelkontakt lange Zeit aufgrund der strengen Vorschriften nicht vereinbar waren.

Die auf Flachfolien spezialisierte Business Unit Reifenhäuser Cast Sheet Coating bietet dafür eine Lösung zur Produktion nachhaltiger PET-Folie aus bis zu 100 Prozent PET-Bottle-Scrap für den direkten Lebensmittelkontakt. Mit Reifenhäuser Mirex PET Sheet-Anlagen verarbeiten Kunden dabei Post-Consumer-Rezyklat (PCR) nicht nur, wie bei Lebensmittelverpackungen weit verbreitet, als Mittelschicht zwischen zwei Deckschichten aus Neuware. Die Folie kann, wenn gewünscht, auch ausschließlich aus PCR-PET gefertigt werden. Das Endprodukt erfüllt sicher die strengen FDA-Kriterien (Food & Drug Association) und kann im direkten Kontakt mit Lebensmitteln eingesetzt werden.

Mark Borutta, Sales & Marketing Manager bei Reifenhäuser Cast Sheet Coating, erklärt: „Wir bei Reifenhäuser CSC verfügen über eine marktreife Technologie, die den entscheidenden FDA-LNO (Letter of no Objection) trägt. Damit erschließen wir für unsere Kunden einen in Sachen Volumen sehr großen Anwendungsbereich für hochwertiges Kunststoffrecycling. Das bietet einen enormen Hebel, um eine funktionierende Kreislaufwirtschaft effektiv voranzutreiben.“

Verschleißfeste Komponenten für die Rezyklatverarbeitung

Der Einsatz von Rezyklat stellt auch neue Anforderungen an den Extrusionsprozess, da die Materialqualität noch oft schwankt und auch Verunreinigungen oder verschleißfördernde Inhaltsstoffe sicher verarbeitet werden müssen.

Der Schnecken- und Zylinder Spezialist Reifenhäuser Reiloy setzt nach eigenen Angaben regelmäßig Benchmarks in Sachen Verschleißschutz und bietet eine nachweislich längere Lauflebensdauer, eine präzise Abstimmung auf Rohstoffe und Additive sowie exklusive Legierungen mit selbst entwickelten Pulvern und prozessoptimierten Oberflächen. Ralf Pampus, Managing Director der Reifenhäuser Reiloy, erklärt: „Wir bieten unseren Kunden hochverschleißfeste Schnecken und Zylinder, für die wir als einziger Hersteller auch die Hartstoff-Legierungen für den Verschleißschutz selbst entwickeln und herstellen. So erzielen wir extrem lange Standzeiten – das ist entscheidend für die Wirtschaftlichkeit der Produktion.“ Hersteller von Extrusions- und auch Spritzgussprodukten profitieren so von einem guten Kosten-Nutzen-Verhältnis in der Branche.

Hochwertige Rezyklate dank  sortenreiner Trennung

Während viele der Stellschrauben für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft direkt im Bereich der Produktionsanlagen von Kunststoffprodukten – und somit im Kerngeschäft der Reifenhäuser Gruppe – zu finden sind, so liegt ein entscheidender Teil des zu lösenden Problems im heutigen Abfallmanagement bzw. der -sortierung. So werden selbst voll recycelbare Verpackungen heute nicht sortenrein bzw. präzise genug für ein hochwertiges Recycling getrennt. Selbst im „Recycling-Land“ Deutschland werden deshalb nur etwa sechs Prozent der Kunststoffe aus dem Hausmüll als sogenanntes Post-Consumer-Rezyklat (PCR) für gleichwertige neue Produkte wiederverwertet. Der größte Anteil von über 65 Prozent wird thermisch verwertet (Quelle: Conversio Studie 2017; Stoffstromdiagramm Kunststoffe in Deutschland / Plastikatlas Heinrich Böll Stiftung).

Deshalb hat die Reifenhäuser Gruppe, gemeinsam mit weiteren führenden Technologieunternehmen und Organisationen entlang des gesamten Lebenszyklus von Kunststoffverpackungen, die Initiative R-Cycle (<a href="http://www.r-cycle.org" target="_blank">www.r-cycle.org</a>) gegründet. R-Cycle schafft die Grundlage für einen hoch entwickelten Recyclingprozess, indem bei der Herstellung von Kunststoffverpackungen recyclingrelevante Eigenschaften automatisch in einem sogenannten digitalen Produktpass erfasst und über eine Markierung (z. B. digitale Wasserzeichen oder QR-Codes) auf der Verpackung abrufbar gemacht werden. Anhand dieser Zusatzinformationen können Abfallsortieranlagen wiederverwertbare Verpackungen identifizieren und recyclingfreundliche und sortenreine Fraktionen bilden. Die Kombination aus vollständig recycelbaren Verpackungen und präzisem Abfallmanagement ist der Schlüssel zur Gewinnung hochwertiger Rezyklate, um den Kreislauf zu schließen und aus der Value Chain einen Value Cycle zu machen.

Bei aller Verunsicherung, die die künftigen Herausforderungen für die Kunststoffindustrie mit sich bringen, so bieten Veränderungen auch immer Chancen, sich mit Innovationen und cleveren Produkten in neuen Märkten erfolgreich zu etablieren. Die Reifenhäuser Gruppe sieht im wachsenden Bekenntnis zu nachhaltigen Produkten und Produktionsverfahren deshalb einen positiven Treiber des Geschäfts. Ulrich Reifenhäuser, CSO der Reifenhäuser Gruppe, erklärt: „Kunststoffprodukte wie Verpackungen müssen recycelbar sein, hohe Rezyklatanteile aufweisen und ihre Funktion mit einem möglichst geringen Materialeinsatz gewährleisten. Hier haben wir uns als Reifenhäuser Gruppe einen Technologievorsprung erarbeitet. Unsere Technologien helfen Produzenten, die zukünftigen Nachhaltigkeitsanforderungen zu erfüllen.“

Mit Reifenhäuser Ultra Stretch erhalten PE-Folien völlig neue mechanische Eigenschaften und können PET-Folien im Materialverbund ersetzen. So entstehen voll recyclingfähige Monomaterialverbund-Folien

Die Reifenhäuser Mirex PET Sheet-Anlagen produzieren nachhaltige PET-Folie aus bis zu 100 Prozent PET-Bottle-Scrap (PCR) für den direkten Lebensmittelkontakt gemäß FDA-LNO

Sichere Verarbeitung von Rezyklaten auch bei schwankender Rohstoffqualität:  Die Reiloy Schnecken und Zylinder von Reifenhäuser sind dafür mit einem  speziellen Verschleißschutz ausgestattet

Das R-Cycle-System speichert recyclingrelevante Daten in einem digitalen Produktpass und ermöglicht damit eine präzise Abfallsortierung für ein hochwertiges Recycling