Mit kombinierter Technik Heizzeit reduzieren

Um die Effizienz eine Gummiteilefertigung zu steigern entwickelte ein süddeutscher Spritzgießmaschinenhersteller eine Kombination
aus FIFO-Plastifizieraggregat und einem nachgeschalteten Kolben-
Einspritzaggregat. An der Verbindung der beiden Aggregate befindet sich eine einstellbare Drosselstelle, an der die Einspritzenergie, mit der das plastifizierte Material aus dem FIFO-Aggregat in die Dosier- und Einspritzstation gedrückt wird, in Scherwärme umgewandelt wird, die die Massetemperatur des Plastifikats weitgehend homogen erhöht.
30 bis 50 Prozent Heizzeiteinsparung und eine entsprechend höhere
Produktionsmenge konnten mit diesem System im Versuchsbetrieb erzielt werden. Soweit die Theorie. Doch wie bewährt sich das EFE-System in der Praxis? Die Antwort gibt der norddeutsche Gummiteile-Hersteller Präzisa, der als Anwender der ersten Stunde, dieses System seit mittlerweile vier Jahren in der Produktion nutzt.

Kontrollierte Vernetzung

Formteile aus Gummi herzustellen, heißt, die Vernetzungsreaktion durch
die kontrollierte Zufuhr von Wärmeenergie gezielt zu steuern. Im konventionellen Ansatz bedeutet dies, die Massetemperatur und damit gleichzeitig die Viskosität der Gummimischung für eine leichte Formfüllung durch eine schonende Niedertemperatur-Plastifizierung
niedrig, das heißt unterhalb der Starttemperatur der Vernetzung zu halten. Nach der Formfüllung wird eine rasche und homogen verteilte Temperaturerhöhung angestrebt. Sie soll die Vernetzungsreaktion
möglichst schnell in Gang bringen und damit für eine gleichmäßige
Produktqualität sorgen. Die dafür erforderliche Wärmemenge wird
durch Heizen von außen über Heizplatten erzeugt und durch Wärmeleitung auf das Spritzgießwerkzeug übertragen.
So kreativ die jeweilige Detailausführung der Heizungskonfiguration auch
sein mag, die Effizienz der Methode ist von den physikalischen Möglichkeiten der Wärmeübertragung abhängig, einerseits an der Kontaktfläche zwischen den Werkzeugkomponenten und dem
Gummiformteil, andererseits von der inneren (schlechten) Wärmeleitfähigkeit der Gummimischung selbst.

Wärme erzeugen, nicht leiten

Da die durch Wärmeleitung übertragbare Energiemenge nicht beliebig gesteigert und vor allem nur sehr langsam in das Innere eines Gummiteils übertragen werden kann, haben die LWB-Steinl-Techniker einen gänzlich anderen Denkansatz ins Spiel gebracht. Dieser sieht
vor, Energie nicht erst nach der Formfüllung durch Kontaktwärme von außen in die Gummischmelze einzuleiten, sondern durch Scherungswärme während des Einspritzprozesses im Material selbst zu erzeugen. Dazu wird die Antriebsenergie einer Spritzgießmaschine, konkret die hydraulische Druckenergie zum Einspritzen des plastifizierten Materials in eine nachgelagerte, separat Kolben-Einspritzeinheit, in einer Drosselstelle in
Scherwärme im Plastifikat umgewandelt, und zwar nahezu homogen über den gesamten Querschnitt verteilt. Entsprechend weniger muss von außen dazu geheizt werden. Soweit die Theorie. Die praktische Umsetzung dieser Idee gelang einem süddeutschen Spritzgießmaschinenhersteller
mit dem EFE-Spritzsystem. Die Versuchsergebnisse waren verblüffend.
Ohne die Mischungsqualitäten verändern oder Abstriche bei der Formteilqualität hinnehmen zu müssen, konnten die Heizzeiten zwischen 30 und 50 Prozent reduziert werden. Je höher die Wandstärke des Gummiformteils, desto höher war die messbare Zykluszeitreduktion.

EFE-Spritzsystem in der Praxis

Hält die Praxis, was die Versuchsergebnisse versprechen? Diese Frage wurde an einen der „Launching Customers“ für das EFE-System gerichtet. Es ist der norddeutsche Formteilhersteller Präzisa in Ratekau bei Lübeck. Seit 2007 wird dort eine Spritzgießmaschine vom Typ VREFE 2700 / 1000 im Produktionsbetrieb eingesetzt. Dazu Präzisa-Betriebsleiter Jörg Nagel: „Es war dies nicht die erste Maschine von LWB-Steinl. Seit 1995 hatten
wir bereits Maschinen mit 100, 320 und 450 Tonnen Schließkraft in unserer Produktion. Ausgerüstet mit den FIFOSpritzaggregaten der jeweils aktuellsten Version erfüllten sie unsere Anforderungen und Erwartungen. Parallel dazu haben wir auch unseren Produktionsbereich Flüssigsilikon-Spritzguss ausgebaut. Durch dieses Wachstum sind wir ab 2005 langsam an die Grenzen des Platzpotenzials an unserem aktuellen Firmenstandort
gestoßen. So war 2007 – es war Hochkonjunktur und wir konnten den Kundenaufträgen kaum nachkommen – die Information, aus einer Maschine mit dem EFE-Spritzsystem bis zu 50 Prozent mehr herausholen zu können, natürlich von Interesse für uns. Da Versuche vielversprechend
verliefen, entschieden wir uns, dieses Potenzial zu nutzen und das neue
Maschinesystem zu testen.“ Hubert Degenbeck, technischer Leiter bei
LWB-Steinl ergänzt: „2007 war das EFESystem nicht mehr grundsätzlich neu, sondern wir hatten gerade eine Evolutionsstufe des Drosselsystems im Übergang zwischen dem FIFO-Aggregat und dem Einspritzkolben entwickelt. Damit sollte die Drosselwärme in der flüssigen Gummimischung noch homogener verteilt werden können. Wir versprachen uns viel davon, doch der Praxistest stand noch aus.“ Gleich vorweg genommen, die Ergebnisse haben in Folge die Erwartungen
voll erfüllt, sodass die damals vorgestellte Ausführungsvariante seit
2010 zur Standardausführung in allen EFE-Aggregaten erhoben wurde.

Verarbeitung verbessern, Verfügbarkeit verlängern, Heizzeiten reduzieren

Die Ergebnisse waren in der Tat beeindruckend. Dazu Präzisa-Betriebsleiter Jörg Nagel: „Grundsätzlich bringt uns das EFE-Spritzsystem drei Vorteile gegenüber den konventionellen FIFOSpritzaggregaten.
Erstens: Das verlängerte Zeitfenster zur Verarbeitung von gelagerten Gummimischungen. Wir können nun auch Mischungen nach
längerer Lagerzeit verarbeiten, deren Fließfähigkeit sich soweit verschlechtert hat, dass sie auf konventionellen Maschinen die Kavitäten nicht mehr vollständig ausfüllen würden. Offensichtlich kann die Schererwärmung der Schmelze in der Drossel die Vernetzungseffekte
während der Lagerung in einem weiten Bereich kompensieren. Der zweite ganz wesentliche, und eigentlich unerwartet eingetretene, Effekt ist die geringere Verschmutzung der Formkavitäten durch Ablagerungen.“ Präzisa-Produktionstechniker Jörg Schwarzkopf ergänzt: „Vorab gesagt: Unsere Produktion fährt, bis auf einige Anfahrteile, trennmittelfrei.
Der Grund sind die strengen Vorgaben bei den meisten Produktspezifikationen. Die Kehrseite der Medaille ist, dass wir mit Ablagerungen von Gummikomponenten in den Formkavitäten rechnen
müssen. Auf unseren Maschinen ohne EFE-Spritzeinheit müssen wir im Durchschnitt einmal pro Schicht die Formkavitäten reinigen, was uns in der Regel eine Stunde Produktionszeit kostet. Zu unserer positiven Überraschung verlängert sich dieser Wartungsintervall mit den EFE-plastifizierten Mischungen auf ein Vielfaches – und das quer über alle
Mischungen.“ Auf eine Erklärung für diesen Effekt angesprochen, ergänzt
Schwarzkopf, dass dafür einerseits die geringere Scherung im heißeren und damit flüssigeren Elastomerplastifikat während der Formfüllung, andererseits die raschere Hautbildung durch den schnelleren Ablauf der Vernetzungsreaktion in Frage kommen“. Zur vollständigen Klärung dieses positiven Aspekts sind sicherlich noch einige Versuche durchzuführen. Zu Punkt Drei, der Steigerung der Produktionszahl, fasst Jörg Nagel zusammen: „Wenn wir von einem unserer Hauptprodukte,
den Gas- und Beatmungsmasken-Komponenten, die wir aus CR/NR-Mischungen und mit 1-fach Werkzeugen fertigen, ausgehen, lässt
sich die Produktivitätssteigerung seit Einführung der EFE-Spritztechnik, wie
folgt, zusammenfassen: Wir konnten die Heizzeiten, die im Bereich von 180 Sekunden lagen, auf durchschnittlich 120 Sekunden reduzieren und dem entsprechend die Produktion unter Berücksichtigung eines relativ komplexen Entformungsprozesses von 100 auf 140 Stück pro 8-Stunden-Schicht anheben . Diesen Produktivitätsgewinn können wir tendenziell und in auch für andere Formteile feststellen.

Gesteigerte Leistung spart Kosten für
Ausbau der Produktionsfläche

An das Ende ihres Erfahrungsberichts stellen die Präzisa-Vertreter noch einen ganz besonderen Nebeneffekt, den das EFE-Spritzsystem für ihr Unternehmen bietet. Dazu abschließend Betriebsleiter Nagel: „Da wir glücklicherweise wieder bei den Produktionszahlen vor Ausbruch der jüngsten Finanzund Wirtschaftskrise angelangt sind, sind wir, wie bereits 2007, an den Kapazitätsgrenzen unserer Produktion angelangt. Da aber keine Platzreserven mehr vorhanden sind, bliebe nur die Option eines Firmenneubaus an einem anderen Standort, was natürlich weder in der Kürze der Zeit noch finanziell leicht zu stemmen ist. Da das EFEGummi-
Spritzgießsystem, konservativ gerechnet, rund 20 bis 30 Prozent
mehr Produktionsausstoß bietet, können wir das Platzproblem vorerst
durch einen schrittweisen Austausch unseres Maschinenparks lösen.“ – ein
Aspekt, der beim Spritzgießmaschinenbauer natürlich auf offene Ohren
stößt.

Innovative Aggregatkombination verbessert Temperatursteuerung
beim Einspritzen

Das Spritzaggregat vom Typ EFE kombiniert ein FIFO-Plastifizieraggregat und einem vertikalen Kolben-Einspritzaggregat. Vom FIFO-Aggregat wird das plastifizierte Material über einen Verbindungskanal in das Reservoir des Einspritzkolbens eingespritzt. Durch die Querschnittverengung im Förderkanal wird die Druckenergie des Spritzkolbens zu einemgroßen Teil in Scherwärme umgewandelt und die Elastomerschmelze unmittelbar vor der Kavitätenfüllung auf Vulkanisationsniveau gebracht. Der Vorteil des EFE-Spritzsystems ist, dass damit die Heizzeiten um bis zu 50 Prozent reduziert werden können.