Johannes Kilian ist Leiter der Abteilung für Prozesstechnologien bei Engel. Im Gespräch mit ihm und Georg Steinbichler geht es um die Hebel der Digitalisierung, technische Durchbrüche und kritische Erfolgsfaktoren.

Interview mit Georg Steinbichler und Johannes Kilian zum Stabwechsel bei Engel

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Doriat, Clemens, Dr.

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Spritzgießmaschinen, allgemein

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Spritzgießmaschinen

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Prozesssimulation

Software

Simulation

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Kunststoff Werkstoffe

Spritzgieß-Sonderverfahren

Spritzgießsimulation

Prozessvisualisierung

Prozessautomation

Mess- / Regel- und Prozessleittechnik

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Elektrische Antriebe für Spritzgießmaschinen

Antriebe

Elektrische Antriebe

Automatisierungstechnik

Co-Injektion (Barriere-/Sandwich-Spritzgießen)

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

„Die Chancen der Digitalisierung nutzen“

Über 400 Teilnehmer aus mehr als 40 Ländern informierten sich beim Arburg Summit: Medical 2020 zu aktuellen Entwicklungen, Anwendungen und Visionen und tauschten sich mit den zahlreichen Medizintechnik-Experten aus.

Mikrospritzgießen

Montage-Spritzgießen

Medizintechnik

Medizinprodukte

Arburg Summit: Medical 2020

Mit der Herstellung von Demoteilen für Pkw-Türmodule im sogenannten organomelt-Verfahren unternimmt Engel im Bereich des thermoplastbasierten Composite-Leichtbaus den nächsten Schritt in Richtung Großserie. Die Fertigungszelle ist die weltweit erste, die drei unterschiedlich dicke Organobleche mittels IR-Strahlung aufheizt, umformt und im selben Prozessschritt im Spritzgießverfahren eine hochwertige Sichtoberfläche ausformt.

Thermoplastische Composites mit höchster Effizienz lastgerecht fertigen

Spritzgießwerkzeuge

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

UD-Tapes

Verstärkungsstoffe

Handling, Handhabungstechnik

Industrieroboter

Montagetechnik

Knickarmroboter

Wie dünn darf’s denn sein?

Alle drei Jahre lädt der Spritzgießmaschinenhersteller Engel seine Kunden und Partner zu einem Symposium nach Oberösterreich. Unter dem Eindruck mehrerer Weltpremieren, einer Vielzahl an herausfordernden Anwendungen und zukunftsweisenden Lösungen dürften die mehr als 3000 Besucher aus allen Erdteilen ihr Kommen nicht bereut haben. 

Das Engel Symposium 2015 steht im Zeichen von intelligenten Spritzgießlösungen  und "Industrie 4.0" 

Steuern, Regeln

Messdatenerfassung, Software

Messdatenerfassung und -verarbeitung

Metallpulver-Spritzgießen

Spritzprägen

Elastomer-Spritzgießen

Schaumspritzgießen

Prozesse werden sicher – und selbstständig 

Industrie 4.0, Leichtbau und Kombinationstechnologien – so lassen sich die aktuellen Trends und Herausforderungen zusammenfassen, die sich in den letzten Jahren in vielen verfahrenstechnischen Entwicklungen im Spritzgießen widerspiegeln. Die Aussteller zeigen in ihren Ankündigungen für die kommende K-Messe, dass sie auch weiterhin auf diese Themen setzen. 

Spritzgießverfahren zwischen Industrie 4.0, Leichtbau und Kombinationstechnologien 

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

Hybridtechnik

Reinraumsysteme / -technik

Reise mit bekanntem Ziel 

Mit insgesamt 20 Spritzgießexponaten, davon neun auf dem eigenen Stand, demonstriert die Arburg GmbH + Co KG, Loßburg, nicht nur bekannte Sonderverfahren, wie das In-Mold Labeling (IML), das Mehrkomponenten-Spritzgießen und das Thermoplast-Schaumspritzgießen. Ein großer Bereich ist auch der Ver‧arbeitung von Sonderwerkstoffen gewidmet, darunter hochgefüllte magnetische Kunststoffe, Biokunststoffe und Rezyklate. 

Arburg auf der K 2019 

Nachhaltigkeit

Eintauchen in eine digitale und ökoeffiziente Produktion 

Zu den Aufgaben auf dem Weg zur Kreislaufwirtschaft gehört es, aufbereiteten Kunststoffabfällen ein breites Einsatzspektrum zu erschließen. Dass dabei höherwertige Produkte und komplexe Prozesse umgesetzt werden können, war auf der K 2019 sichtbar.

Die K 2019 zeigt: Nachhaltige Lösungen gehen auch ohne Leistungsverzicht

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Kunststoff-Rezyklat

Grüner wird‘s nicht

„Circular Economy“ ist nicht nur das Schwerpunktthema der K 2019, sie bildet auch den „grünen“ Faden beim Messeauftritt des Spritzgießmaschinenbauers und Systemanbieters Engel.

Engel befürwortet starkes Engagement der Kunststoffindustrie für Kreislaufwirtschaft

Künstliche Intelligenz für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Ressourcenmanagement

Produktion

Ein zweites Leben für Kunststoffe

Hybride Leichtbaustrukturen aus faserverstärkten Thermoplasten bieten neben vielen weiteren guten Eigenschaften die Möglichkeit zur automatisierten großserientauglichen Fertigung. Im Forschungsprojekts ReLei ist es gelungen, neue Werkzeug- und Prozesstechnologien zu entwickeln, um komplex geformte Sandwichbauteile in einem effizienten Kombinationsprozess herzustellen.

Thermoplastische Sandwichstrukturen für Großserienanwendungen

Fasern

Faserverarbeitung

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Mit kleinen Blasen groß rauskommen

Der von Foboha entwickelte „Reverse Cube“ fertigt verschiedene Bauteile aus unterschiedlichen Materialien in einem Schritt und montiert die Einzelteile mithilfe eines Handlingroboters noch im Werkzeug zykluszeitneutral zum Endprodukt.

Mehrkomponententeile mit einem zweigeteilten Würfelwerkzeug fertigen und montieren

Montage

Werkzeugtemperatursensoren

Messtechnik

Sensoren / Messwertaufnehmer

Heißkanalsysteme

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Gegenläufige Rotation

Hohe Ansprüche an Qualität und Zuverlässigkeit sowie Leidenschaft fürs Detail bei der Lösung hochkomplexer Aufgaben – diese Vorzüge waren gefragt bei der Entwicklung eines Fertigungskonzepts für Getriebedeckel von Frontwischeranlagen und beim Bau der entsprechenden Produktionsanlage. Basis dafür war die enge Zusammenarbeit zwischen der Söhnergruppe und dem Hochleistungsanlagenbauer Hekuma. 

7,5 Sekunden pro Teil, zwei Millionen Stück pro Jahr – Vorzeigeprojekt für eine Hochleistungsanlage in der Spritzgießfertigung 

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Montageeinrichtungen

Elektrische / Magnetische Messtechnik

Optische Mess- und Prüftechnik

Dichtheitsprüfsysteme, Lecksuchsysteme

Qualitätssicherung

Die Aufgabe, Komplexität zu beherrschen 

Die Vorankündigungen im Bereich Spritzgießen lassen vermuten, dass sich die Entwicklungen der letzten Jahre fortsetzen. Dazu zählen die zunehmende Digitalisierung der Spritzgießfertigung sowie die Zusammenführung verschiedenster Kompetenzen in hochintegrierten Fertigungszellen. Im Fokus steht nicht mehr nur die Maschine allein, sondern die optimale Systemlösung, die das Werkzeug und eine individuell gestaltete Peripherie in der digitalen und realen Welt integriert. 

Fakuma 2018: Spritzgießen vernetzt und integriert 

Steuerungen (Hardware und Software)

ERP-Systeme

Treibmittel

Temperiertechnik

Die kommunikative Maschine 

Mit insgesamt 18 Exponaten, davon elf auf dem eigenen Stand, stellt die Dr. Boy GmbH & Co. KG, Neustadt-Fernthal, fast ihr komplettes Maschinenportfolio vor, zudem eine alternative (platzsparende) Positioniermöglichkeit ihres erfolgreich eingeführten Linear-Handlinggeräts LR 5 auf einer Spritzgießmaschine. Auf dem größten Messestand der Firmengeschichte beruft sich der Maschinenbauer einerseits auf seine Kernkompetenzen in der Umspritztechnik, im Mikrospritzgießen sowie in der Verarbeitung von Elastomeren und Silikonen. Ein anderer Schwerpunkt wird das Thema Nachhaltigkeit sein. In fünf Anwendungen werden biobasierte sowie recycelte Materialien auf Boy-Spritzgießautomaten verarbeitet. 

Dr. Boy auf der K 2019 

Fitnesskur für die Hydraulik 

Ob Zykluszeit, Energieverbrauch oder Prozessstabilität: Die Stellschrauben für eine höhere Effizienz in der Spritzgießverarbeitung sind vielfältig. Das Wissen dazu bietet Engel mit dem neuen „performance.boost“ als Dienstleistung für die Prozessanalyse und -optimierung an.

Das volle Potenzial der Spritzgießmaschine ausschöpfen

Bis Jahresende tritt die größte gebrauchte Spritzgießmaschine Deutschlands ihren Weg von Süddeutschland über Amsterdam nach Mumbai an. Gindumac organisiert die vollständige Logistikabwicklung mit dem Kunden.

Gebrauchtmaschinenhandel

Dienstleistungen

Dienstleistungen in der Metallbearbeitung

Gebrauchtmaschinen

Sondermaschinen

Gindumac erhält Großauftrag aus Indien

Mit digitaler Assistenz  zur technischen Exzellenz

Die K 2019 in Düsseldorf wurde ihrem Anspruch, die Leitmesse für Kunststofftechnik zu sein, wieder einmal gerecht. Zumindest im Bereich Spritzgießen gab es aufregende Weltneuheiten – wenn man genau hingesehen hat. Ein Grund für die geringe Sichtbarkeit der Innovationen mag sein, dass der Entwicklungsstand der Spritzgießtechnik schon so weit fortgeschritten ist, dass Details und eher kleine Änderungen eine große Wirkung haben. Ein anderer: Viele Entwicklungssprünge spielen sich auf virtueller Ebene ab.

Die K 2019 in Düsseldorf wurde ihrem Anspruch, die Leitmesse für Kunststofftechnik zu sein, wieder einmal gerecht. Zumindest im Bereich Spritzgießen gab es Weltneuheiten – wenn man genau hingesehen hat.

Die gegenwärtigen Megathemen Kreislaufwirtschaft (Circular Economy) und Kunststoffe in der Umwelt bzw. in den Weltmeeren waren auf dieser Messe zwar allgegenwärtig, aber ziemlich unaufgeregt präsent. Das liegt vermutlich daran, dass es die von mancher Seite im Vorfeld befürchteten Protestkundgebungen nicht gab und auch die Fachleute für das Hauptproblem – den (fahrlässigen) Umgang der Verbraucher mit gebrauchten Altverpackungen – keine Lösung haben. Auch wenn das Bemühen um Lösungen für „Reduce, Reuse, Recycle“ vielerorts erkennbar war: Wichtiger sind die Fragestellungen, wie sich die Qualität von Kunststoffprodukten weiter verbessern und die Produktion noch zuverlässiger und preiswerter gestalten lässt. Oft geht das eine sogar Hand in Hand mit dem anderen, siehe etwa die prozessstabile Verarbeitung von Naturstoffen und Rezyklaten.

Assistenzsysteme unterstützen  den Maschinenbediener

Eine zunehmende Herausforderung für die Produktion von Spritzgussteilen ist der Mangel an qualifizierten Fachkräften, wobei hier konkret die Mitarbeiter auf der Produktionsebene gemeint sind. Einerseits werden die Prozesse komplexer, weil häufig mehrere Verfahren miteinander kombiniert werden. Andererseits steigen die Anforderungen, wenn Rezyklate mit nicht konstanten Eigenschaften und je nach Verfügbarkeit unterschiedlichen Mengenanteilen zum Einsatz kommen.

Eine mittlerweile etablierte Lösung für eine gewährleistete Prozesskonstanz ist eine adaptive Regelung, wie sie KraussMaffei mit der Bezeichnung APC und Engel mit der Bezeichnung iQ weight control anbieten. Hierbei wird der zeitliche Verlauf des Einspritzdrucks während des Einspritzvorgangs gemessen und ausgewertet. Steigt der Druck im Vergleich zu einem Referenzzyklus später an, ist das ein Zeichen dafür, dass die Rückströmsperre etwas verzögert schließt. Wenn der Druckanstieg steiler wird, deutet das auf eine höhere Viskosität der Schmelze hin. Mit diesen Informationen können noch für denselben Zyklus der Umschaltpunkt für die Nachdruckphase und die Nachdruckhöhe an die aktuellen Bedingungen angepasst werden.

Wittmann Battenfeld bietet nun ein vergleichbares Assistenzsystem und führte dieses vor mit der Herstellung von Wäscheklammern aus zwei verschiedenen PC-Typen (MVR-Werte: 10 bzw. 20 cm3/ 10 min). Trotz des permanenten Materialwechsels, der durch unterschiedliche Einfärbungen sichtbar wurde, änderte sich der Füllgrad der Bauteile nicht.

Engel erweitert den Bereich der Assistenzsysteme mit der Software iQ melt control. Konkret wird hier die Schneckendrehzahl von der Maschine automatisch nach unten korrigiert, sofern die Kühlzeit das zulässt. Der Maschinenbediener muss dafür lediglich den Schneckendurchmesser sowie das zu verarbeitende Material eingeben und erhält neben der optimalen Dosierzeit Empfehlungen für eine bessere Einstellung der Temperatur und des Staudrucks. Im Ergebnis läuft die Maschine ruhiger, und die Schmelzehomogenität wird besser. Das Gütekriterium hierfür ist der Aufschmelzgrad, der mit einem Ultraschallsensor im Düsenbereich gemessen werden kann. Bei sehr schneller Plastifizierung kann die Homogenität nicht ausreichend sein, in dem Fall kann der Sensor nicht aufgeschmolzene Kunststoffpartikel in der Schmelze erfassen.

Vom smarten Anfahrprozess bis zur Simulation auf dem Maschinendisplay

KraussMaffei hat mit Smart Operation (Bild 1) die Vereinfachung standardisierter Aufgaben im Blick, zum Beispiel das Wiederanfahren des Prozesses nach einer Störung oder das Abschalten der Maschine (aktuell nur für die Maschinen der Marke Netstal). Hierfür stehen den weniger gut geschulten Mitarbeitern nur noch vier Knöpfe zur Verfügung, die für eindeutig definierte Maschinenzustände eine Bestätigung durch den Bediener einfordern. Damit werden wiederkehrende Arbeitsweisen vereinfacht und mögliche Fehlbedienungen verhindert. Experten können das System entsperren, die Maschinenbedienung lässt sich dann wie gewohnt auf spezielle Problemstellungen programmieren.

Husky hat ebenfalls eine automatisierte Standardaufgabe im Angebot. Bei der Herstellung von PET-Preforms ist es notwendig, die Entlüftungskanäle im Bereich der Werkzeugkavitäten gelegentlich zu reinigen. Hierfür kann bei laufender Produktion die Schmelze für den nachfolgenden Zyklus in die nicht vollständig geschlossene Form mit verminderter Geschwindigkeit eingespritzt werden. Auf diese Weise entsteht eine kontrollierte Überspritzung im Bereich der Schieber für das Gewinde des Preforms – mit diesem Schritt werden Ablagerungen abgetragen, die die Entlüftung der Kavität erschweren (Bild 2). Nach diesem Sonderzyklus wechselt die Maschine automatisch wieder in den Produktionsmodus und arbeitet weiter.

Neben diesen Versionen von Assistenzsystem, die den Prozess bzw. den Umgang mit der Maschine vereinfachen, verfolgen einige Anbieter nun die Idee, dem Bediener an der Maschine den Prozess anhand der Ergebnisse einer rheologischen Simulation zu veranschaulichen (Bild 3). Engel bietet hier eine Schnittstelle für Moldflow-Daten (Autodesk) an, Arburg nutzt das Programm Cadmould (Simcon), und Wittmann Battenfeld kann das virtuelle Spritzgießen mit Sigmasoft (Sigma Engineering) auf der Bedienoberfläche der Maschine darstellen.

Zum jetzigen Zeitpunkt ist es noch schwer zu beurteilen, wie groß der Nutzen für den Anwender wirklich ist. Über Simulationsergebnisse könnten die Prozessparameter zumindest voreingestellt werden. Hierbei muss man aber berücksichtigen, dass die Simulationsprogramme heute zwar sehr zuverlässig das Füllverhalten darstellen können, es aber keine Möglichkeit gibt, die tatsächliche Oberflächenqualität der Spritzgussteile zu berechnen – damit wird eine Voreinstellung dieses wichtigen Qualitätskriteriums in naher Zukunft nicht möglich sein.

Der Bediener an der Maschine hat also lediglich die Möglichkeit, den simulierten Füllverlauf zu sehen und hierüber Informationen zu erhalten, bei welchem Schneckenweg die Fließfront der Schmelze zum Beispiel die Auswerferstifte für einen zuverlässigen Entformungsvorgang erreicht. Hier stellt sich dann die Frage, ob die häufig nicht sehr gut qualifizierten Einrichter diese Art der Information dankbar annehmen und auch wirklich nutzen. Man muss auch wissen, dass diese Berechnungen nicht mit der Maschinensteuerung gemacht werden. Vielmehr ist es erforderlich, die Berechnungen separat durchzuführen und die Rechenergebnisse dann an die Spritzgießmaschine zu übertragen.

Etwas weiter und noch etwas akademischer ist der Ansatz des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) gefasst. Die Aachener wollen zielsicher eine möglichst gute Prozesseinstellung finden und auch bei Änderungen der Umgebungsbedingungen halten. Damit das gelingt, kann man vor dem Produktionsstart einen statistischen Versuchsplan (DoE, Design of Experiments) abarbeiten und mit den Ergebnissen in Kombination mit einem neuronalen Netz ein Modell für die Korrelation zwischen Bauteilqualität und Einstellparameter entwickeln. Wegen des nicht unerheblichen Aufwands wird ein Teil dieses Versuchsplans via rheologischer Simulation am Computer erfolgen, womit der Zeitaufwand auf ca. 4 h sinkt.

Sumitomo (SHI) Demag nutzt diesbezüglich das Dashboard Vipra („Virtuelle Produktionsassistenz“) von SHS plus und die KI-basierte Arbeitspunktoptimierung der Software Stasa QC (Stasa Steinbeis Angewandte Systemanalyse). Auch hier generiert ein Versuchsplan in Kombination mit einem neuronalen Netz Prozesswissen, das eine möglichst gute Einstellung der Maschine ermöglicht.

Die Herstellkosten von Kunststoffprodukten lassen sich durch Automatisierung senken. Der französische Maschinenhersteller Billion bewies hier zum wiederholten Male seine Kompetenz in Sachen In-Mold Assembly. Mit dem aktuellen Messewerkzeug von MIHB wurde ein Lineal mit integrierter Wasserwaage hergestellt, dessen zwei Schenkel außerhalb der Maschine bedruckt und montiert wurden. Die komplexeren Montagevorgänge, u. a. der Libelle, finden jedoch bereits im Spritzgießwerkzeug statt.

Das portugiesische Unternehmen Plasdan Automação hat sich auf Add-on-Systeme für Spritzgießmaschinen spezialisiert und präsentierte auf zwei Spritzgießmaschinen gut durchdachte Lösungen. In beiden Fällen kommen eigene Zusatzspritzaggregate zum Einsatz, die jeweils über eine zusätzliche Zwischenplatte eine zweite Komponente in das Werkzeug befördern. Aus Gründen der Verweilzeit ist das eigentliche Einspritzmodul als Shotpot innerhalb dieser Platte integriert und ermöglicht so kurze Wege für die Schmelze und ein verringertes Schmelzevolumen.

Eine Maschine produzierte doppelwandige Trinkbecher (Bild 4), wobei die beiden Einzelteile jeweils in einer Ebene eines Werkzeugs mit einem Wendewürfel mit vertikaler Achse gespritzt werden. Nach dem Öffnen dreht der Würfel reversierend jeweils um 90°, sodass zwei Handlingsysteme beide Teile abwechselnd auf der Vorder- und auf der Rückseite der Maschine durch Rotations-Reibschweißen fügen können. Die Handlingsysteme sind so schlank ausgeführt, dass sie innerhalb der Verkleidung der Spritzgießmaschine Platz haben.

Die zweite Anwendung drehte sich um eine rechteckige Vorratsbox mit zwei eingesetzten Trennwänden und einem Deckel. Box, Trennwände und Deckel werden in einem Werkzeug und mit zwei zusätzlichen Spritzaggregaten produziert. Mit dem Öffnen greift ein Handlingsystem von unten in das geöffnete Werkzeug und montiert die Teile unterhalb des Werkzeugs im Ausfallschacht der Maschine.

Eine sehr schöne Automatisierung zeigte Foboha – zusammen mit seinen Partnern Männer, Priamus und Thermoplay, alle Unternehmen der Barnes Group – auf einer Arburg-Maschine des Typs Allrounder Cube. Hergestellt wurden damit Laufrädchen für Spülmaschinenkörbe aus PP mit einer Halterung aus POM. Ursprünglich wurden diese Baugruppen auf drei Spritzgießmaschinen hergestellt, und zwar mit zwei identischen Werkzeugen für die Räder in einer Zykluszeit von 11 s und einem weiteren Werkzeug für die Halterung in einer Zykluszeit von 14 s. Die anschließende Montage erfolgte mit zwei Montageautomaten in einem anderen Bereich der Fertigung.

Die auf der K vorgestellte neue Produktionslösung konnte die Herstellkosten um rund 30 % senken. Hierfür wird nun ein Würfelwerkzeug mit vertikaler Drehachse eingesetzt, bei dem zwei übereinander positionierte Würfel sich in entgegengesetzter Richtung drehen (Bild 5). Die Rädchen werden in dem unteren auf 15 °C temperierten Würfel in der dem Spritzaggregat zugewandten Seite hergestellt und rotieren mit jedem Öffnen der Maschine um 90° im Uhrzeigersinn. Die POM-Halterungen werden von der beweglichen Seite aus in dem oberen auf 85 °C temperierten Würfel gespritzt und rotieren jeweils um 90° gegen den Uhrzeigersinn.

Die Bauteile verbleiben jeweils auf dem Würfel und können in den zwei Zyklen nach dem Spritzgießen weiter abkühlen. Im vierten Zyklus schließlich sind die Bauteile auf der Rückseite der Maschine angelangt, wo ein Sechsachsroboter mit Spezialgreifer sie zusammenfügt. Durch die parallelen Prozessschritte dauert ein Zyklus rechnerisch 9,5 s.

Die größte Überraschung der Messe war die Spritzgießmaschine M3, eine Maschine zur Herstellung kleinster Spritzgussteile, denn sie hat das Problem des thermischen Materialabbaus bei längeren Verweilzeiten gelöst. Den Vorgänger dieses Modells hat Mold Hotrunner Solutions (MHS), seit Kurzem Mitglied im Unternehmensverbund des US-Konzerns Westfall Technik, bereits auf der K 2013 präsentiert. Das Wesentliche bei dieser Maschine ist, dass der Spritzgießprozess isochor geführt wird, d. h. die Schmelze wird unter so hohem Druck in die Kavität gepresst, dass während des Abkühlens kein weiterer Kunststoff in einer Nachdruckphase nachgefördert werden muss.

Diese eigentlich ideale Prozessführung kann aber wegen der hohen notwendigen Schließkräfte normalerweise nicht angewendet werden. Bei Mikro-Spritzgussteilen mit ihren geringen projizierten Flächen ist jedoch grundsätzlich die Schließkraft bezogen auf den Bedarf sehr hoch, sodass ohne Probleme Spritzdrücke von 3000 bis 4000 bar möglich sind. Nachteilig bei Mikro-Spritzgussteilen ist hier vielmehr das Plastifizieraggregat, denn für so geringe Mengen bräuchte man auch sehr kleine Schnecken, oder die Verweilzeit wird ein Problem, besonders für den Fall von Prozessstörungen. Die von MHS vorgestellte Lösung dieses Problems ist noch nicht wissenschaftlich untermauert, aber sie klingt sehr plausibel.

Nach dem Aufschmelzen mit einer Schnecke wird die Schmelze im Abschnitt zwischen 2 und 3 (Bild 6) auf über 1000 bar komprimiert. Unter diesem Druck wird die Beweglichkeit der Moleküle stark eingeschränkt, was den thermischen Materialabbau weitgehend unterbinden soll. Laut MHS soll es möglich sein, POM über eine Zeit von 45 min im System zu belassen und nach einer Unterbrechung ohne Abspritzen oder Reinigen unmittelbar wieder Gutteile zu produzieren. Bei diesen hohen Drücken ist hierfür nur ein sehr geringer Vorschub mit einem zusätzlichen Kolben notwendig, sodass Sorgen hinsichtlich möglicher Totzonen und dadurch weiterer Verweilzeiten unbegründet sind.

Hervorragende Bauteiloberflächen lassen sich mit dem Folienhinterspritzen erzielen. Hierbei kommen vermehrt Sensorfolien zum Einsatz, bei denen ein Linienmuster mit einer leitfähigen Silberpaste und einer Linienbreite von 11 µm für kapazitive Schalter aufgedruckt wurde. Diese Folien tolerieren eine Verformung von bis zu 50 % und können so auch in nicht flächigen Bauteilen zum Einsatz kommen.

Zu diesem Themenkomplex war am Stand von Arburg die Herstellung eines Nachtlichts mit einem zweiten Anschluss zum Laden eines Smartphones zu sehen. Dabei wurden zuvor warmumgeformte Folien von TactoTek hinterspritzt. Das finnische Unternehmen vermarktet diese Technologie als „Injection Molded Structural Electronics“ (IMSE). Die Folien waren bereits mit LEDs bestückt, sodass die fertigen Spritzgussteile unmittelbar nach der Kontaktierung mit einer Energiequelle einsatzfähig waren.

Wittmann Battenfeld demonstrierte ein Werkzeug von Georg Kaufmann Formenbau mit einem IMD-Zusatzaggregat (In-Mold Decoration) von Kurz. Die Dekorfolie wird zunächst vor die Kavität gezogen und mit einem von einem Handlingsystem bewegten IR-Strahler erwärmt. Anschließend wird die Folie mittels Vakuum vorgeformt, wobei vier umlaufende Schieber einen Rahmen bilden, hinter den die Folie gezogen wird. Auf diese Weise entsteht ein 90°-Umbug der Folie an dem Spritzgussteil. Eine weitere Folie mit aufgetragenen Leiterbahnen wird in die Düsenseite des Werkzeugs gelegt, sodass die Schmelze zwischen beide Folien gespritzt wird.

Ebenfalls mit einem Werkzeug von Kaufmann lief auf einer Maschine von KraussMaffei (Typ: PX 320) eine Anwendung für eine A-Säulenverkleidung, bei der der eingelegte Stoff-Schaumstoffverbund im geschlossenen Werkzeug am U-förmigen Ende um 180° um die Trägerkante gelegt und beschnitten wird. Die Umbuglänge kann hierbei 4 bis 6 mm betragen und ist insofern vorteilhaft, weil beim sonst üblichen nachträglichen Umbugen der Stoffüberstand nur punktuell auf der Rückseite fixiert wird und zudem wegen der Handhabung erheblich länger ist. Mit dem im Werkzeug integrierten Umbug entstehen Bauteile, die auf der Rückseite mehr Platz für die Unterkonstruktion haben.

Eine ganz besondere Oberfläche lässt sich jetzt mit dem IMD-PUR-Dekorationsverfahren von Kurz gestalten. Hierbei wird in einem ersten Arbeitsschritt eine IMD-Folie hinterspritzt und somit ein Druckbild auf die Bauteiloberfläche übertragen. In einer weiteren Kavität wird diese Oberfläche mit PUR überflutet (Bild 7), wobei es wesentliche Unterschiede zum bisher bekannten Überfluten mit Polyurea- Lacken gibt. Bei dem jetzt vorgestellten Verfahren wird PUR in zwei Komponenten in das Werkzeug geleitet, vergleichbar dem RIM-Verfahren. Dadurch entstehen ziemlich dickwandige glasklare Oberflächen.

Da es sich im zweiten Arbeitsgang um einen Vernetzungsvorgang handelt, können die aufgebrachten Oberflächen durchaus in der Wanddicke variieren und eine eigene Struktur haben. Hierbei sind sehr auffällige Effekte mit einer guten Tiefenwirkung möglich. Diese Oberflächen haben eine gute Beständigkeit, verfügen bei leichteren Beschädigungen über eine gewisse Fähigkeit zur Selbstheilung, lassen sich hinterleuchten und sind für Lidar geeignet, eine dem Radar verwandte Methode zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung (sofern die Bauteile z. B. im Frontend der Pkw-Karosserie eingesetzt werden). Vorgeführt wurde die Dekoration einer Frontblende auf einer Spritzgießmaschine Engel duo 2460/900.

Dank der aktuellen Herausforderung, zukünftig einen größeren Anteil Altkunststoffe zu verarbeiten, steht das Sandwichverfahren wieder auf der Agenda. Zwei Komponenten werden zeitlich versetzt in ein Werkzeug gespritzt, wobei das zuerst gespritzte Material die Oberfläche des Bauteils bildet und die nachfolgende Schmelze den innen liegenden Kern. Billion zeigte dieses altbekannte Verfahren mit einer Maschine, die ein zweites Spritzaggregat huckepack auf dem Standardspritzaggregat trug. Beide Spritzaggregate fördern die Schmelze in eine gemeinsame Düse. Auf der Messe wurde ein Material (Typ: Golden Compound) auf Basis des stärkebasierten Biokunststoffs BioPBS (Polybutylensuccinat) mit einem Füllstoffgehalt von bis zu 70 % Sonnenblumenschalen zu Kaffeebechern verarbeitet, die vollständig biologisch abbaubar sind.

Engel greift hier auf das eigene Verfahren „Skinmelt“ zurück, das vom Prinzip her identisch mit dem Monosandwichverfahren aus dem Jahr 1993 ist. Als maschinentechnische Lösung für das zweite Plastifizieraggregat dient ebenfalls eine Huckepack-Anordnung. Hier ist das Zusatzaggregat jedoch ausschließlich für das Aufschmelzen des zuerst in die Kavität strömenden Oberflächenmaterials zuständig, das während des Dosierens von vorne in die Düse des horizontalen Spritzaggregats gefördert wird (Bild 8). Dafür muss das Spritzaggregat zunächst ein Stück vom Werkzeug abheben, sodass sich das Huckepack-Aggregat absenken und mit der Düse Kontakt aufnehmen kann.

Eine etablierte Nutzungsform der Sandwichtechnik ist das Herstellen von Verpackungsteilen mit Barriereeigenschaften. In dem Fall wird zum Beispiel eine sehr dünne Innenschicht aus EVOH mit in eine PP-Kapsel für Kaffeeautomaten gespritzt. Die Prozesstechnik unterscheidet sich wesentlich von den oben genannten Sandwichverfahren. Damit eine sehr dünne Barriereschicht entsteht, müssen die beiden Schmelzen weitgehend gleichzeitig eingespritzt werden, wobei die Barrierekomponente über eine konzentrische Düse in den PP-Schmelzestrom geleitet wird. Diese Technik wurde ursprünglich vor ca. zwölf Jahren von Kortec entwickelt und später von Milacron übernommen.

Auf der Messe wurde eine Kombination aus einem Milacron-Zusatzspritzaggregat (Typ: E-Multi) mit einem entsprechenden Doppelheißkanal (Mold-Masters) auf einer Spritzgießmaschine des italienischen Herstellers BMB gezeigt (Bild 9). Hergestellt wurden Kaffeekapseln mit einem Gewicht vom 4,3 g in einem 32-fach-Werkzeug in einer Zykluszeit von 5 s. Diese Technik ist zwar bestechend gut und prozesssicher, aber es ist nicht möglich, die beiden nicht verschweißbaren Kunststoffe zuverlässig und dauerhaft miteinander zu verbinden. Eine gewisse Verbesserung wird erreicht, indem einer der beiden Komponenten ein Haftvermittler zugefügt wird.

Konkurrenz für das Barriere-Spritzgießen

Der italienische Anlagenbauer Sacmi bietet eine Lösung für die Problematik des möglichen Delaminierens an, also dafür, dass sich die Barriereschicht von der umgebenden PP-Deckschicht trennt, wenn das Material z. B. durch eine Biegebelastung gedehnt wird. Dafür liegt in einem 5-Schichtverbund, wie er auch bei coextrudierten Folien notwendig ist, ein spezielles Verbindungsmaterial (Adhesive) zwischen den beiden nicht verschweißbaren Kunststoffen. Der Sacmi-Prozess (Bild 10) erzeugt Kaffekapseln, die den Spritzgussprodukten sehr ähneln, wobei aber der Prozess selbst eine Kombination aus Coextrusion und nachfolgendem Prägen (Compression Molding) ist. Im Prinzip handelt es sich um einen Tiefziehvorgang, bei dem kein Verschnittmaterial anfällt und die coextrudierte Folie direkt aus der ersten Wärme verarbeitet wird.

Zunächst produzieren drei Extruder eine 5-Schicht-Flachfolie, die kontinuierlich in gleich großen rechteckigen Abschnitten in eine Prägekavität gelegt werden. 32 dieser Kavitäten rotieren auf einem Karussell, werden nach dem Befüllen geschlossen und nach einem Umlauf des Karussells geöffnet und entformt. Die Umlaufzeit bestimmt die Kühlzeit. Alle Teile werden auf diese Weise der Reihe nach entformt und können ohne eine zusätzliche Sortierung mit einem Kamerasystem qualitätsüberwacht werden. Die 1,5 g schweren Einzelkapseln haben eine Umlaufzeit von 3,2 s, damit entstehen pro Minute 600 Kapseln mit einer fest haftenden Barriereschicht.

Das Schäumen von Kunststoffen bringt drei Vorteile: Die Bauteile werden um bis zu 20 % leichter; sie sind tendenziell verzugsärmer, weil der Nachdruck weitgehend durch den Schäumdruck erfolgt und somit in der Kühlphase über die Bauteilfläche hinweg ziemlich gleichmäßig ist; und der Spritzdruck sinkt um ca. 20 %, weil das gelöste Treibgas in der Schmelze die Viskosität reduziert.

BMB konnte mit Unterstützung durch das MuCell-Verfahren und einem Werkzeug des kanadischen Spezialisten StackTeck Margarinebecher mit einer Wanddicke von 0,25 mm und Fließhilfen von 0,35 mm auf einer 2200-kN-Maschine mit einem Spritzdruck von lediglich 1400 bar herstellen. Trexel liefert für das MuCell-Verfahren die entsprechende Hardware für Spritzgießmaschinen, die im Wesentlichen aus einer Dosiereinheit für CO2 bzw. N2 und einer Plastifiziergarnitur besteht. Die dazugehörige Schnecke verfügt über ein L/D-Verhältnis von 22, denn sie hat zusätzlich zu den Schneckengängen bis dato im vorderen Bereich ein Mischteil und zwei Rückströmsperren. Die vordere Rückströmsperre übernimmt das Verschließen während des Spritzgießens, die hintere sorgt dafür, dass das während des Plastifizierens injizierte Gas nicht nach hinten in Richtung Zylinder entweicht.

Die aktuelle Innovation vereinfacht die Schnecke insofern, als das Mischteil kürzer wurde und die vordere Rückströmsperre entfällt. Insgesamt ist die Plastifiziergarnitur nun nicht mehr erheblich länger als ein Standardsystem und lässt sich somit einfacher auf eine bestehende Maschine nachrüsten. Interessant ist, dass Engel und Trexel diese Entwicklung unabhängig voneinander gleichzeitig in Angriff genommen haben. Offensichtlich war der Bedarf hierfür groß. Versuche haben gezeigt, dass die veränderte Geometrie bei gleicher Plastifizierleistung ein ebenso gutes Mischergebnis und somit gleiche Schäumqualität bringt.

Der koreanische Maschinenhersteller Woojin Plaimm hat zum Schäumen eine eigene, sehr einfache Lösung vorgestellt. Hier wird der Stickstoff direkt aus der Flasche über einen Druckminderer mit Niederdruck (weniger als 10 bar) direkt in den Zylinder geleitet. Im Ergebnis erzielt man an einem mit 20 % Talkum verstärkten Bauteil eine Gewichtsreduktion von ca. 25 % (Bild 11).

Eine völlig andere Art, eine geschäumte Struktur zu erhalten, besteht darin, Materialien einzusetzen, denen kleine Glashohlkügelchen mit einer Dichte von 0,45 g/cm3 beigemischt sind. 3M zeigte die Herstellung eines Flaschenöffners aus PP-GF30 mit 10 % dieser Glaskugeln, wobei die Glaskugeln das Mehrgewicht durch die Glasfasern weitgehend kompensieren.

Gezielte Erhöhung der Steifigkeit  mit Organoblechen

Kunststoffteile lassen sich in ihrer mechanischen Belastbarkeit mit Organoblechen – faserverstärkten Halbzeugen, die überspritzt werden können – aufwerten. Engel zeigte hierzu als Ergebnis einer gemeinsamen Entwicklung mit Brose und Georg Kaufmann Formenbau die Herstellung eines Demoteils für ein Pkw-Türmodul. Bei dieser Entwicklung geht es zunächst um den Nachweis, in welchem Umfang ein Türmodul aus Organoblechen und aufgespritzten Kunststoffelementen konventionelle Blechteile ersetzen kann und ob es möglich ist, auch Sichtflächen in einem Arbeitsgang zu erzeugen.

Brose hat bereits umfangreiche Erfahrungen mit dem Überspritzen von Organoblechen, wobei diese die mechanischen Belastungen aufnehmen und die Überspritzungen die komplexeren Geometriebereiche abbilden, z. B. die Führung für den Fensterheber. In der auf der K gezeigten Version können – bezogen auf eine konventionelle Blechvariante – 5 kg Gewicht eingespart werden, wobei die Kosten sich nicht ändern. Zusätzlich ergibt sich ein höherer Gestaltungsfreiraum, weil der Kunststoffrahmen oberhalb der Brüstung nun auch „flush glazing“ einfach machbar ist, d. h., die Verglasung geht stufenlos in die umgebende Karosserie über.

Bislang hat man die Organobleche im Nichtsichtbereich eingesetzt und von zwei Seiten überspritzt. Mit der Version des Rahmens oberhalb der Brüstung gelangt man nun auch in den direkten Sichtbereich. Hierfür wird der Kunststoff zunächst auf die spätere Sichtfläche über das Organoblech gespritzt – zeitverzögert gelangt die Schmelze dann auf die Bauteilrückseite und füllt Versteifungsrippen und Anschraubgeometrie.

Die Maschinentechnik hierfür ist beachtlich. Drei Roboter hantieren mit Organoblechen unterschiedlicher Dicke – die Zuschnitte sind jeweils lastgerecht ausgelegt – und transferieren sie zwischen Magazin und IR-Öfen, ehe sie sie aufgeheizt in das Werkzeug einlegen (Bild 12).

Aus Gründen der Vollständigkeit sollte in diesem Zusammenhang auf das Türmodul einer ähnlichen Entwicklung von Renault, PME Fluidtec und dem Werkzeugbauer ARRK Shapers hingewiesen werden. Es wurde zwar nicht auf der Messe ausgestellt, aber unmittelbar vor der K mit dem Grand Innovation Award der SPE ausgezeichnet. Bei diesem Türmodul setzt das Konsortium nicht auf Organobleche, sondern auf langglasfaserverstärkte Kunststoffe. Die Steifigkeit des Rahmens oberhalb der Brüstung wird hier über ein Hohlprofil erreicht, das mit dem WIT-Verfahren (Wasserinjektionstechnik) erzeugt wird.

Mehrkomponententechnik mit Plasmabehandlung

Eine Herausforderung für die Mehrkomponententechnik ist die Materialauswahl, wenn eine hohe Haftfestigkeit zwischen den Verbundpartnern gewünscht wird. Plasmatreat hat diesbezüglich bereits in der Vergangenheit gezeigt, dass die vorherige Behandlung einer (unpolaren) Oberfläche mit Openair-Plasma, also unter Atmosphärendruck, die Haftfestigkeit der zweiten Komponente sehr steigern kann. Jetzt hat das Unternehmen im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts mit der Universität Paderborn eine InMould-Plasmabehandlung entwickelt, die ein aufwendiges zusätzliches Handling und erneutes Wiedereinlegen der Bauteile umgeht.

Hierfür wird ein Drehtellerwerkzeug mit jeweils um 120° versetzten Kavitäten verwendet (Bild 13). Der Vorspritzling aus PP aus dem ersten Zyklus verbleibt auf der Auswerferseite und wird nach einer Drehbewegung in einer zweiten Kavität mit Plasma vorbehandelt. Diese Kavität ist so gestaltet, dass das Plasma nur auf die Flächen des Bauteils trifft, die anschließend überspritzt werden sollen. Die Werkzeugbereiche, auf die das Plasma trifft, werden ebenfalls aktiviert – die zweite Komponente würde tendenziell also auch hier anhaften und sich schwerer entformen lassen, weshalb die Plasmaaktivierung in einer separaten Kavität stattfindet. Weil das Overmolding des Vorspritzlings in der dritten Kavität stattfindet, ist diese Werkzeugaktivierung für den Prozess völlig unkritisch.

Neben Drehtellerwerkzeugen lassen sich auch Wendeplatten-, Schiebetisch- oder Würfelwerkzeuge mit Openair-Plasma betreiben, weil der Prozess nur eine sehr geringe Zuhaltekraft benötigt. Das am Messestand gefertigte Hart-Weich-Bauteil ist ein Gehäusedeckel aus PP mit einer umlaufenden Dichtung aus TPU. Beide Materialien lassen sich ohne das InMould-Plasma-Verfahren beim Überspritzen nicht miteinander verbinden.

Die Wirkung des Plasmas ist in einem geschlossenen Werkzeug langlebiger. Bei einer Plasmaaktivierung in normaler Umgebung sinkt die Reaktivität mit zunehmendem Abstand, weil das Plasma mit Luftsauerstoff reagiert. Beim InMould-Plasma-Verfahren kann die Wirkung durch einen Unterdruck von ca. 0,4 bar auch über eine Kantenlänge von 800 mm aufrechterhalten werden.

Die K 2019 stand unter dem besonderen Eindruck der öffentlichen Diskussion um die Umweltbelastung durch Kunststoffe. Dadurch erreichten einige Nischenprodukte ungewohnte Aufmerksamkeit. So produzierte eine Maschine von Wittmann Battenfeld ein Kosmetiktöpfchen aus einem faserverstärkten Compound des Herstellers Zeroplast, das aus rein biogenen und mineralischen Rohstoffen besteht und langfristig biologisch abbaubar ist. Als Plastifikator dient ein Öl, das mithilfe von Mikroorganismen aus CO2 und Wasser gewonnen wird. Der Füllstoffanteil beträgt ca. 87 %.

Aufgrund der für Naturstoffe typischen Chargenschwankungen erforderte die Anwendung u. a. Neuentwicklungen in der Programm- und Prozesstechnik. Zum Einsatz kam eine Maschine der Baureihe EcoPower in 2K-Ausführung, weil Kosmetiktiegel und Deckel in unterschiedlichen Farben gespritzt wurden. Zur Anlage gehörte außerdem ein IML-Modul, weil beide Teile im Werkzeug mit nachhaltigen Labeln versehen wurden.

Interessant ist, dass das Material in einem sehr engen Temperaturbereich von ca. 4 °C erweicht, dann mit moderaten Drücken fließt und sich die Fließfähigkeit bei weiterer Temperaturerhöhung nicht mehr wesentlich verändert. Denkbar wären somit völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten. Das genannte Töpfchen hat insgesamt sehr unterschiedliche Wanddicken, aufgrund des hohen Füllstoffgehalts scheinen Einfallstellen aber kein Problem zu sein. Wenn man nun mit variothermen Werkzeugen und kleinen Temperaturwechseln arbeitet, sind durchaus größere Fließweg/Wanddicken-Verhältnisse vorstellbar.

Für eine Kunststoffmesse ist die Verarbeitung amorpher Metalle schon eine Besonderheit. Amorphe Metalle zeichnen sich durch eine hohe Härte und Elastizität aus. Während der Abkühlung wird eine Kristallisation der Schmelze unterbunden, somit gibt es keine Kristallebenen und damit auch keine plastische Verformung nach übermäßiger mechanischer Belastung.

Engel demonstrierte die Herstellung eines Rahmens für ein mobiles Kommunikationsgerät, der aus Metall besteht und in einem zweiten Arbeitsgang nach dem Umsetzen auf eine zweite Maschine mit einer Silikondichtung versehen wurde (Bild 14). Das Metall ist eine auf Zirkonium basierende Legierung aus fünf Elementen mit nahezu eutektischer Zusammensetzung; das bedeutet, dass die Schmelze bei langsamer Abkühlung und Unterschreiten von ca. 900 °C sofort fest ist und nicht einen Zweiphasenbereich aus festen und flüssigen Bestandteilen über einen längeren Abkühlzeitraum durchläuft. Dadurch können Lunker gut unterdrückt werden.