Energieoptimiertes Spritzgießen

Das Thema bleibt nach wie vor aktuell. Stärker denn je ist die Zukunftssicherung im Spritzgießbetrieb von einer effizienten Energieverwendung abhängig. Wie kann Ihr Unternehmen mit den vorhandenen Ausrüstungen Energiekosten reduzieren?

Folgende kurz- und mittelfristige Maßnahmen tragen zur Energieeinsparung bei:

1. Optimale Maschinenauswahl
2. Energieoptimierte Maschineneinstellung
3. Softwarebasierte Energieoptimierung
4. Präventive Instandhaltung
5. Verwendung von Isoliermanschetten
6. Energieeffiziente Farb- bzw. Materialwechsel

Optimale Maschinenauswahl

Bereits in der Phase der Produktionsplanung ist zu berücksichtigen, dass die Energieeffizienz der Spritzgießmaschine umso höher ist, je besser die Spritzeinheit im Prozess ausgelastet wird. D. h., wenn das Verhältnis zwischen Dosierweg und maximalem Hub relativ groß ist, sinkt der spezifische Energieverbrauch (siehe Diagramm). Diese Forderung ist natürlich immer im Zusammenhang mit der resultierenden Verweilzeit des Kunststoffs im Spritzgießzyklus zu sehen. Eine stofflich und thermisch homogen aufbereitete Schmelze ist eine wesentliche Voraussetzung für einen optimalen Spritzgießprozess.

Energieoptimierte Maschineneinstellung

In der Praxis stehen Fehlervermeidung und Qualtitätssicherung an erster Stelle. Eine gezielte energetische Prozessoptimierung – sei es aus Zeitgründen oder aus dem nicht vorhandenen Bewußtsein über diesbezügliche Potenziale – findet in der Regel nicht statt. Die Ansatzpunkte dafür wurden systematisch in einem im Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH initiierten Projekt mit Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (Reg.-Nr. IW080149) untersucht. Im Ergebnis dessen wurde eine praktikable Handlungsanleitung für Einrichter zur effektiven energetischen Optimierung des Spritzgießprozesses erarbeitet und praktisch getestet.

Bei fast allen Erprobungen war eine Feinoptimierung der Plastifizierphase möglich, Insgesamt lagen die erreichten Energieeinsparungen in 75 % der untersuchten Prozesse über 5 %, bei hydraulisch angetriebenen Spritzgießmaschinen tendenziell etwas höher. Die eigentliche Optimierung nahm bei den konkreten Versuchen zwischen 1,5 h und ca. 5 h in Anspruch. Wurden die Hinweise zur energetischen Optimierung bereits beim Einrichten der Spritzgießmaschine beachtet, stieg der Zeitaufwand im Einrichtprozess um durchschnittlich 2 h.

Softwarebasierte Energieoptimierung

Auf Grund der Vielzahl der vorzunehmenden Parametervariationen ist der relativ hohe Aufwand für die umfassende systematische Optimierung nur bei entsprechenden Produktionsmengen gerechtfertigt. Deshalb wurde – ebenfalls im Rahmen des oben genannten Projektes – nach Möglichkeiten gesucht, um den Optimierungsprozess abzukürzen.

Als eine Möglichkeit wurde die im Vorfeld der Produktion durchzuführende Spritzgießsimulation betrachtet. In deren Ergebnis können für den Maschineneinrichter Hinweise abgeleitet werden, welche Größen für die energetische Optimierung relevant sind.

Des Weiteren wurden Ansätze zur softwaregestützten Arbeitspunktoptimierung verfolgt. Als vielversprechend ist dabei der Einsatz des Programms STASA QC - ein Produkt der STASA Steinbeis Angewandte Systemtechnik GmbH - zu bewerten. Der Zeitaufwand für die Optimierung konnte damit gegenüber der konventionellen Optimierung reduziert und Einsparpotenziale zwischen 2 % und 7 % gemessen werden. Folgende Abbildung zeigt die Leistungskurven für die technologische Grundeinstellung, für die Einstellung aus der konventionellen Optimierung (dunkelgrüne Kurve) und für die mittels STASA QC gefundene Technologie (hellgrüne Kurve) an einem Beispiel.

Präventive Instandhaltung

Ein Großteil aller Ausfallerscheinungen an Spritzgießmaschinen ist durch vorbeugende und intelligente Instandhaltungen wie z. B. regelmäßige Kalibrierungen vermeidbar. Die Kalibrierung von Spritzgießmaschinen soll laut Richtlinie VDMA 24470 nach jeweils 7500 Stunden bzw. einmal jährlich erfolgen. Durch die Überprüfung maßgebender Parameter kann das Risiko von unvorhergesehenen Maschinenstillständen und Umsatzausfällen deutlich minimiert werden. Unter dem Gesichtspunkt der energetischen Prozessoptimierung ist dabei der Kalibrierung der Zylindertemperaturen, der Schneckendrehzahl, der Einspritzgeschwindigkeit, der Dichtwirkung der Rückstromsperre und der Schließkraft besondere Aufmerksamkeit zu schenken.

Verwendung von Isoliermanschetten

Beim Neukauf von Spritzgießmaschinen steht in der Regel die Option, den Plastifizierzylinder mit Isoliermanschetten auszustatten, um die erheblichen Wärmeverluste über den Zyklus zu reduzieren. Was aber, wenn kein Neukauf ansteht und die vorhandenen Maschinen nicht ausgestattet sind? Hier sollte seitens der Verarbeiter über ein nachträgliches „Aufrüsten“ der Maschinen diskutiert werden. Bei Messungen im Auftrag der Firma REX INDUSTRIE-PRODUKTE × GRAF VON REX GMBH ergaben sich in Abhängigkeit vom verarbeiteten Kunststoff durch nachgerüsteten Manschetteneinsatz Heizenergie-einsparungen von z. T. fast 50 %. Daraus resultierten letztlich Gesamtenergieeinsparungen von bis zu 28 %.

Energieeffiziente Farb- bzw. Materialwechsel

Durch den Einsatz von Flüssigfarbsystemen wird der Farbwechsel gegenüber der Verwendung von granulatförmigem Masterbatch deutlich beschleunigt. Die Energieeinsparungen liegen auf der Hand. Positiver Zusatzeffekt ist eine gleichmäßigere Verteilung der Pigmente durch bessere Benetzung des Granulats und entfallendes Aufschmelzen von Masterbatch.

Regelmäßige Verwendung von Reinigungsgranulat beugt hartnäckigen Verschmutzungen und dadurch bedingten Qualitätseinbußen, Maschinenstillstand und Ausfallzeiten vor. Auf diese Weise lassen sich Rohstoffverlust und Ausschuss auf ein Minimum reduzieren.

Fazit

All diese kurz- und mittelfristig umzusetzenden Maßnahmen, die stellvertretend für viele andere stehen, helfen, den Spritzgießprozess energieeffizient zu gestalten. Grundvoraussetzung zur Erschließung dieser naheliegenden Einsparpotenziale ist eine hohe Fachkompetenz der Maschineneinrichter. Nur wer die Zusammenhänge im Prozess kennt, kann zielgerichtet agieren – vorausgesetzt, er bekommt dafür die erforderliche Zeit und Technik eingeräumt. Das KuZ bietet entsprechende Weiterbildungen und Dienstleistungen an.