Technische Kunststoffe wie POM sind anspruchsvoll in der Verarbeitung. Bei langen Fließwegen und geringen Wandstärken hat die Werkzeugtemperierung einen maßgeblichen Einfluss auf die Qualität der Teile. Ein Hersteller von Komponenten für die Möbelindustrie hat in intelligente Temperiertechnik investiert. Das spart Energie und reduziert Ausschuss.

Die Dämpfungszylindergehäuse stellen aufgrund ihrer Abmessungen und ihres Materials hohe Anforderungen an den Spritzgießprozess. (Bild: Engel)

Die auf den ersten Blick unscheinbaren hellgrauen Röhren haben es in sich. Sie umschließen einen feinfühligen Mechanismus, der dafür sorgt, dass die Schubladen in Kücheneinrichtungen leise und sanft schließen, egal wie stark sie angedrückt werden. Hochwertige Scharnier-, Auszugs- und Klappensysteme für die Möbelindustrie sind die Spezialität von Blum mit Hauptsitz in Höchst, Österreich. Um in der Spritzgussfertigung höchste Präzision mit Effizienz zu vereinen, halten innovative Technologien besonders früh Einzug in die weltweiten Produktionswerke des Armaturenherstellers.

„Wir wollen immer auf dem neuesten Stand der Technik sein“, verrät Philipp Schlattinger, bei Blum verantwortlich für Kunststofftechnologien in der Produktion. „Dies ist die Voraussetzung, um im hart umkämpften Möbelmarkt wettbewerbsfähig zu bleiben.“ Im Werk Fußach in Vorarlberg, Österreich, werden die anspruchsvollen Dämpfungszylindergehäuse sowie viele weitere technische Präzisionsteile für die Beschlagsysteme im Spritzgussverfahren hergestellt – auf holmlosen Spritzgießmaschinen von Engel, Schwertberg, Österreich. Vor 30 Jahren war Blum einer der ersten Anwender der Holmlostechnik und verfolgt auch aufmerksam die Innovationen seines oberösterreichischen Maschinenbaupartners bei der Digitalisierung von Produktionsprozessen. Vor zwei Jahren wurde in die erste Produktionsanlage mit iQ Flow Control investiert, darunter Temperiergeräte vom Typ E-Temp, die sich damals in der Nullserie befanden.

Die elektrische Spritzgießmaschine steht ausschließlich für die Fertigung der Dämpfungszylindergehäuse zur Verfügung. (Bild: Engel)

Mit sehr hohen Durchsätzen im Dauerbetrieb sind die POM-Dämpfungszylinder ideales Testgelände. „Wir waren praktisch auf der grünen Wiese“, berichtet Martin Sailer, Konstrukteur für Spritzgusswerkzeuge bei Blum. „Da die Fertigungszelle ausschließlich für das Rundsieb verwendet wird, konnten wir das Optimum aus der Temperierung herausholen.“ Für das Hochkavitäten-Werkzeug die holmlose Spritzgießmaschine E-Victory 220 mit vier elektronisch temperierten Wasserverteilern vom Typ E-Flomo und vier Temperiergeräten der E-Temp-Serie, ausgestattet vom Maschinenbauer. „Insgesamt kommen für die Kavitäten und Formplatten sehr viele Temperierkreise zusammen, was sehr komplex ist“, sagt Sailer. Zu Beginn waren die Projektverantwortlichen skeptisch, ob die vier empfohlenen Temperiergeräte tatsächlich ausreichen würden. Heute sind es genau diese Einsparungen, weshalb iQ Flow Control auch in anderen Produkten Einzug hält und in immer mehr Bereichen zum Unternehmensstandard wird.

„Insgesamt kommen sehr viele Temperierkreise für die Kavitäten und Formplatten zusammen, was sehr komplex ist“, sagt Martin Sailer, Konstrukteur für Spritzgusswerkzeuge bei Blum.

Gemeinsam Effizienzpotenziale finden: Martin Sailer aus Blum, Patrik Johler und Klaus Tänzler von Engel, Christian Ackerl und Philipp Schlattinger aus Blum (von links). (Bild: Engel)

„Wir wissen, dass wir sehr gute Werkzeuge haben, aber was in den Temperierkanälen passiert, war vorher nicht transparent“, beschreibt Schlattinger die ursprüngliche Motivation für den Umgang mit Engel-Temperiertechnik. "Die Fehlerursache zu finden ist bei einer Blackbox extrem schwierig."

Vor mehr als zehn Jahren begann der Spritzgießmaschinenhersteller mit der Mission, Licht in die Werkzeugtemperierung zu bringen. „20 Prozent aller Ausschüsse in der Spritzgussindustrie werden durch Temperierfehler verursacht“, begründet Klaus Tänzler, Produktmanager Temperierung bei Engel, diese strategische Entscheidung. Heute liefert das Unternehmen integrierte Lösungen zur intelligenten Steuerung von Temperierprozessen aus einer Hand. Basis ist immer der elektronisch temperierte Wasserverteiler E-Flomo. Basierend auf den vom Verteiler ermittelten Messwerten passt iQ Flow Control den Temperierprozess dynamisch und selbstständig an und hält so die Prozessbedingungen konstant. Die Software aus dem Programm Inject 4.0 des Unternehmens regelt aktiv entweder die Durchflussmengen oder die Temperaturdifferenzen in allen einzelnen Kreisläufen. Beim Einsatz von E-Temp Temperiergeräten ist iQ Flow Control auch in der Lage, die Pumpendrehzahl in den Temperiergeräten an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Dieses Zusammenspiel verbindet eine konstante Temperaturführung mit sehr hoher Produktivität und Energieeffizienz.

„Bei der klassischen Temperierung ist die Strömung statisch“, erklärt Tänzler. „Wenn sich in einem Temperierkanal etwas ändert, ändert sich das in den anderen Kanälen und das Ergebnis ist eine ungleichmäßige Wasser- und Temperaturverteilung. Unser dynamisches System hingegen regelt jeden Verteilerkreis individuell. Auf diese Weise bleiben die thermischen Verhältnisse im Werkzeug auch bei Schwankungen im System konstant. "

Bei der Herstellung des Dämpfungszylindergehäuses ist die Festigkeit entscheidend. Mit ihren Abmessungen – sehr lang und dünnwandig – gehören die Zylinder zu den besonders anspruchsvollen Spritzgussteilen im Blum-Portfolio. Hinzu kommen materialspezifische Herausforderungen, denn die Schrumpfung ist bei POM besonders groß. „Mit der konstanten Temperaturregelung können wir die Schrumpfung jetzt sehr gut kontrollieren“, sagt Christian Ackerl, Produktionsingenieur bei Blum. Die Toleranzen in einigen Bauteilbereichen liegen im Hundertstel-Millimeter-Bereich, denn Maßhaltigkeit ist entscheidend für die Funktionalität und Langlebigkeit der Blum-Produkte. Die Blum-Garantie gilt für die gesamte Lebensdauer der Küche, die mit 20 Jahren gerechnet wird.

Temperieren auf schmalem Fuß: Die Anzahl der Fächer wurde erhöht, die Anzahl der Temperiergeräte jedoch reduziert. (Bild: Engel)

Entsprechend den Bauteilabmessungen haben die Kühlkanäle in den langen Werkzeugkernen sehr kleine Durchmesser, die durch feine Partikel im Kühlwasser verstopft werden können. „Nur E-Flomo liefert uns die Daten, um zu erkennen, ob der Durchfluss gewährleistet ist“, sagt Sailer. So können Temperierfehler erkannt werden, bevor Ausschuss produziert wird. „Alles andere ist Energie-, Rohstoff- und Zeitverschwendung“, betont Patrik Johler vom Engel Vertrieb.

„Alles andere ist Energie-, Rohstoff- und Zeitverschwendung“, betont Patrik Johler vom Engel Vertrieb.

Auch die Fließkontrolle überzeugte die Projektleiter beim Kunststoffverarbeiter in kürzester Zeit. Noch größer ist der Effekt beim Umschalten auf Temperaturdifferenzregelung. Anstelle der Durchflussmengen hält das System die Rücklauftemperatur jedes einzelnen Kreises konstant. Das System nimmt nur so viel Wasser auf, wie benötigt wird, was den Kühlwasser- und Energieverbrauch weiter reduziert.

Vor der Investition in die neue Produktionsanlage wurden die Dämpfungszylindergehäuse lange Zeit in einem Werkzeug mit weniger Kavitäten gefertigt. Dafür kamen acht Temperiergeräte zum Einsatz, weshalb die Prozessverantwortlichen zunächst davon ausgingen, dass durch das Scale-up auch die Zahl der Temperiergeräte erhöht werden müsste. Das Gegenteil war der Fall. Die Anzahl der Fächer wurde erhöht, aber die Anzahl der Temperiergeräte wurde reduziert. Dies wirkte sich nicht nur positiv auf die Neuinvestition aus, auch die laufenden Betriebskosten sind gesunken.

Die Engel Temperiergeräte sind über OPC UA in die CC300 Steuerung der Spritzgießmaschinen eingebunden. Auf diese Weise kann die Drehzahl der Pumpen bedarfsgerecht geregelt werden. Während herkömmliche Temperiergeräte kontinuierlich mit voller Leistung arbeiten, korreliert iQ Flow Control die Pumpenleistung mit den Ventilstellungen in den Kühlkreisläufen und passt die Pumpenleistung über die gesamte Prozessdauer an. Nicht gießen, sondern intelligente Temperaturregelung lautet die Devise, um nicht nur Energie zu sparen, sondern auch Wartungskosten zu senken. Der Verschleiß lässt schnell nach, wenn die Pumpe nicht dauerhaft unter Volllast arbeitet. „Rechnen wir über alle Spritzgießmaschinen hier am Standort, können wir mit iQ Flow Control pro Jahr Strom im sechsstelligen Euro-Bereich einsparen“, sagt Schlattinger.

Für Klaus Tänzler ist die Werkzeugtemperierung einer der wichtigsten Parameter im Spritzgießprozess. (Bild: Engel)

Bei Engel live e-xperience trug Ihr Vortrag den provokanten Titel „Gießst du noch oder härtest du schon?“ Und Sie sprachen von einer großen Unbekannten im Zusammenhang mit der Werkzeugtemperierung. Worum geht es?

Klaus Tänzler: Die große Unbekannte ist für mich der Zustand des Werkzeugs, also der Zustand der Temperierkanäle. Dies wird in der Regel nicht überwacht, trägt aber wesentlich zur Qualität der produzierten Teile bei. In den meisten Fällen wird das Werkzeug auf die Maschine gebracht und Prozessparameter werden angepasst, bis Gutteile ausfallen. Für mich ist das ein nicht mehr zeitgemäßer Zustand, denn 24% aller Ausschüsse werden durch Temperierfehler verursacht. Hier müssen Sie beginnen, um dies zu deaktivieren. Wir reden hier noch nicht von Effizienz, sondern nur davon, dass ich Prozesssicherheit brauche. Die Ressourcen Zeit und Energie sind zu wertvoll, um Schrott zu produzieren.

Der Zustand des Werkzeugs ändert sich über die Lebensdauer des Werkzeugs, dh die Strömungs-, Druck- und Strömungsverhältnisse in den Temperierkanälen. Beim Aufspannen eines Werkzeugs auf die Spritzgießmaschine sollten die Kanäle frei sein und das Wasser gut durchfließen. Theoretisch könnte der Ist-Zustand des Werkzeugs erfasst und gespeichert werden, um ihn in bestimmten Zeitabständen zu überprüfen und mit den gespeicherten Daten abzugleichen. Der Punkt ist nicht, dass die Kanäle verstopft sind, sondern dass sich die Wärmeabfuhr durch die Ablagerungen in den Kanälen ändert und damit die gesamte Temperierung der Kavitäten anders ist.

Hat die Werkzeugtemperierung einen Einfluss auf die Oberflächenqualität von Kunststoffbauteilen?

Tänzler: Auf jeden Fall. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Kavität ist beispielsweise für die Herstellung hochglänzender Oberflächen entscheidend, damit keine Abschattung auftritt und der Glanzgrad gleichmäßig ist. Die richtige Temperaturdifferenzregelung, die iQ Flow Control ermöglicht, muss einmalig erarbeitet werden. Es kann dann in der nächsten Produktion reproduziert werden, so dass Gutteile ohne erneute „Testreihen“ hergestellt werden können. Die Temperaturen der einzelnen Kreise werden gespeichert und können bei Bedarf abgefragt werden.

Wie kann der Kunststoffverarbeiter feststellen, ob ein Temperierkanal im Werkzeug ein Problem hat?

Tänzler: Mit herkömmlichen Schaugläsern leider sehr schwierig. Auch andere statische elektronische Verteilungssysteme überwachen nur eingestellte Parameter und geben nur bei Änderungen Alarm. Dafür haben wir den E-Flomo premium entwickelt. Der elektronische Temperierwasserverteiler liefert die Messwerte, mit denen die iQ flow control Software den Temperierprozess dynamisch regelt. Dieses System ermöglicht es, in jedem Werkzeugkreislauf eine voreingestellte Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf stabil zu halten. Dies wird dadurch erreicht, dass nur so viel Wasser in den jeweiligen Kreislauf eingeleitet wird, dass die eingestellte Temperaturdifferenz immer gleich bleibt. Prozessschwankungen werden somit automatisch ausgeglichen. Wenn der Kunststoffverarbeiter 20 Kreise in der Form und in einem Kreis ein Problem hat, beispielsweise eine schwankende Durchflussmenge, die in den meisten Fällen durch Schmutz verursacht wird, kann er anhand des Systems erkennen, um welchen Kreis es sich handelt.

Die sequentielle Ausblasfunktion wurde im Zusammenhang mit der Verbesserung der Handhabung von Spritzgusswerkzeugen entwickelt. Er sorgt für schnelle Werkzeugwechsel und bläst jeden Werkzeugkreis vollautomatisch aus. Beim Einrichten eines neuen Werkzeugs werden die Kreise mit Wasser gefüllt und so entlüftet. Dies gewährleistet einen schnelleren Produktionsstart, da das Temperiergerät das zeitaufwendige Entlüften des Werkzeugs nicht mehr durchführen muss.

Ein weiterer Punkt ist, wenn der Schmutz in der Form verbleibt, wird er wieder in und über das Temperiergerät in den Kanälen verteilt. Daher ist es wichtig, die Ausbreitung des Schmutzes an einer Stelle zu stoppen. Dies ist mit unserem sequentiellen Ausblasgerät sehr gut möglich.

ist Public Relations Manager bei Engel in Schwertberg, Österreich.

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