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Leichtbau vorangetriebenSchäumformen – neue Möglichkeiten ausloten

BMBF-Leuchtturmprojekt Relei

Die Produktion leichter, jedoch sehr belastbarer Bauteile mit Hilfe des Spritzgieß-Schäumformens stand im Mittelpunkt einer Präsentation während der JEC. Erstmals zeigte das ILK das Schäumformen an einer komplexen Geometrie.

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Integrierte Technologie attraktiv auch für kleinere EinheitenCompoundieren und Spritzgießen fusionieren

Schneller, materialschonender und deutlich kostengünstiger sollen Kunststoffteile künftig mit Hilfe von Direct Compounding Injection Molding (DCIM) hergestellt werden. Die Technologie ermöglicht das Compoundieren an nahezu allen gängigen Spritzgießmaschinen.

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Integrierte Technologie attraktiv auch für kleinere Einheiten: Compoundieren und Spritzgießen fusionieren

Vorgestellt wurde die Technologie von der Fördergemeinschaft Polykum in Schkopau. Im Rahmen einer Fachkonferenz wurden die die neuen Entwicklungen zum Direktcompoundieren diskutiert. Im Mittelpunkt stand dabei eine Innovation, die laut Polykum das Zeug hat, die Kunststoffbranche zu revolutionieren: Direct Compounding Injection Molding (DCIM). Dahinter verberge sich eine Technologie, die Compoundieren und Spritzgießen zu einem "durchgehenden und zugleich modularen Prozess" verbindet, wie Ideengeber Peter Putsch es beschreibt. "Bisher werden die für einen Kunststoff notwendigen Ausgangsmaterialien vom Compoundeur zunächst eingeschmolzen, um das Compound nach dem Mischen wieder abzukühlen, zu granulieren, zu verpacken und zum Verarbeiter zu transportieren. Dort muss es vor dem Spritzgießen erneut eingeschmolzen werden", fasst Peter Putsch die bekannte Prozesskette zusammen.

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Beim Direktcompoundieren werde die Materialmischung hingegen "direkt an der Spritzgießmaschine hergestellt und dort sofort zur Teilefertigung genutzt". Damit entfielen die Zwischenschritte vom Abkühlen bis zum Wiedereinschmelzen. Pro Kilogramm Material entstünden so Einsparpotenziale von 50 Cent oder mehr, hat Peter Putsch ausgerechnet. Unter anderem könnten allein 660 Wattstunden Energie pro Kilogramm gespart werden. "In einer Branche, in der Lieferanten mit ihren Kunden teilweise um Zehntel-Cent pro Kilogramm verhandeln, sind das Welten", gab er zu bedenken.

Spielräume für Zukunftsaufgaben

Die Geschichte des Direktcompoundierens begann jedoch lange vor der Verabschiedung europäischer Emissionsvorgaben, wie der Moderator des Schkopauer Innovationstages, Dr.-Ing. Hans Wobbe, in seinem einführenden Vortrag zeigte. So präsentierte er das weltweit erste Patent zu diesem Thema, das Peter Putsch 1991 erhalten hatte. Und aus eigenem Erleben schilderte der renommierte Technologieberater die nur wenig später gestartete konkurrierende Entwicklungsarbeit bei Kraussmaffei. Bereits zur Zur K-Messe 1998 hatte das Münchener Unternehmen den ersten Spritzgießcompounder präsentiert. Die international fortan als "Injection Molding Compounding" (IMC) bezeichnete Technologie vereinte Spritzgießen und Compoundieren in einer neuen Maschinenklasse. In der Fachwelt stieß die Messepremiere auf breites Interesse. "Verkauft aber haben wir zunächst keine einzige Anlage", erinnert sich Hans Wobbe.

Spritzgießer wollen keine Compoundeure sein

Das lag nach Wobbes rückblickender Analyse weniger an den (in D-Mark) mindestens sechsstelligen Investitionskosten für eine IMC-Anlage, als vielmehr an der traditionell gewachsenen Arbeitsteilung in der Kunststoffbranche: "Spritzgießer wollen keine Compoundeure sein", fasste er seine Erfahrungen zusammen, "und Compoundeure keine Spritzgießer." Bis heute sei es kaum gelungen, die damit entstandene Barriere zwischen den Professionen zu überbrücken.

Mit ungefähr 25 bis 30 verkauften Anlagen pro Jahr ist der IMC-Markt in Deutschland überschaubar, bestätigte Timo Günzel, Leiter des Kraussmaffei Technologies Vertrieb- und Servicecenters in Schkopau. Der Münchener Konzern ist nach eigenen Angaben mittlerweile der einzige verbliebene Anbieter für IMC-Anlagen weltweit. Alle zwischenzeitlich angetretenen Wettbewerber haben sich aus dem Markt zurückgezogen. Geordert werden Spritzgießcompounder überwiegend für Anlagen ab 6500 Kilonewton aufwärts. Bei kleineren Fertigungslinien habe sich diese Technologie bislang nicht beziehungsweise nur im Labor- und Forschungsbereich durchgesetzt.

Entwicklungspartner Tür an Tür

Um eben diese Lücke auszufüllen, startete die Schkopauer Niederlassung des Maschinenbaukonzerns vor rund einem Jahr eine Entwicklungspartnerschaft mit Peter Putsch. Der Franke hatte 2009 die Forschungsaktivitäten seines Nürnberger Familienunternehmens in der neugegründeten Exipnos konzentriert und nach Sachsen-Anhalt verlagert. "Im mitteldeutschen Chemiedreieck fanden wir ein äußerst forschungsfreundliches Umfeld", begründet er diesen Schritt. Dazu zählten neben einer "hohen Akzeptanz der Kunststoffindustrie" und dem guten Angebot an qualifizierten Fachkräften auch zahlreiche hochkarätige Partner, "mit denen wir innovative Ideen in die Tat umsetzen können".

So lieferte Exipnos mit dem mittlerweile zum Patent angemeldeten neuartigen Spritzgießcompounder die "Keimzelle" für das gemeinsame DCIM-Projekt. Die Spezialisten von Kraussmaffei brachten ihr Know-how etwa in der Spritzgießtechnik, der Automatisierung und dem Maschinenbau ein. Unterstützt wurden die Firmen dabei von Experten des benachbarten Fraunhofer Pilotanlagenzentrums und mehrerer Fraunhofer Institute, besonders bei vergleichenden Versuchsreihen zur traditionellen Arbeitsweise.

Das Ergebnis der Tür-an-Tür-Kooperation sei ein Prototyp des neuen DCIM-Compounders, der eine herkömmliche 1600-Kilonewton-Spritzgießmaschine mit frisch zubereiteter Schmelze aus drei Komponenten "fütterte".

Bis zu fünf Ausgangsstoffe sollen in dem Verfahren künftig gleichzeitig verarbeitbar sein. Damit seien 70 bis 90 Prozent aller relevanten Compounds mit DCIM herstell- und nutzbar. Nicht zuletzt auch solche Materialkombinationen, bei denen klassische Granulate an ihre Grenzen stießen, etwa Mischungen mit klebrigen Bestandteilen oder mit extremen Faserlängen.

Materialverantwortung beim Compoundeur

Deutlich wurden bei der Demonstration außerdem Unterschiede zum IMC-Verfahren. Der Spritzgießer brauche für DCIM keine Compoundierkenntnisse. Er könne sich weiterhin voll auf seine Kernkompetenz konzentrieren - die Teilequalität. Die Materialverantwortung übernehme auf Wunsch die Exipnos, wenn die DCIM-Anlage entsprechend konfiguriert ist, und zwar unabhängig davon, wo die Spritzgießmaschine sich befindet. Mit dem Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und Fabrikautomatisierung (IFF) in Magdeburg werde dafür gegenwärtig eine internetbasierte Steuerung entwickelt. Auf diese Weise sei zukünftig auch die Überwachung von "Fremdcompounds" möglich. Mit Übernahme der Materialverantwortung beseitige das Schkopauer Entwicklerteam das größte Hemmnis der Direktcompoundierung.

Ein weiteres Plus: DCIM-Module sollen sich mit vergleichsweise geringem Aufwand an vorhandene Spritzgießmaschinen andocken lassen. Die Funktionalität der Spritzgießmaschine werde dadurch in keiner Weise beeinträchtigt: So können wahlweise auch weiterhin vorgefertigte Granulate verarbeitet werden. Damit eigne sich DCIM auch für kleinere Fertigungslinien. Die erforderliche Investition von etwa 80.000 bis 120.000 Euro je nach Anlagengröße dürfte sich in der Regel binnen ein bis zwei Jahren bezahlt machen. Dazu trage auch die diskontinuierliche Arbeitsweise bei. Dank Verwendung eines Einschneckenextruders und einer präzisen automatischen Steuerung könne auf separate Schmelzespeicher verzichtet werden. Die Dosiereinheit starte und stoppe punktgenau entsprechend der Materialanforderung der Spritzgießmaschine.

Gewinn für Kunden, Unternehmen und Umwelt

Dass die Qualität der so produzierten Teile keinen Vergleich mit herkömmlich produzierten scheuen muss, stellte Patrick Zierdt vom Fraunhofer PAZ im Rahmen einer vergleichenden Studie fest: "Das Gegenteil ist der Fall", erklärt der Wissenschaftler. Er untersuchte ein Polyamid-Compound-System, das mit einem Schlagzahlmodifikator und einem Organoclay in verschiedenen Konzentrationen versetzt wurde. Das Überraschende: "Alle DCIM-Proben wiesen nach der Verarbeitung deutlich höhere Schlagzähigkeits- und Zugfestigkeitswerte auf, als die klassisch aus granuliertem Compound hergestellten Testkörper mit der identischen Werkstoffzusammensetzung", berichtete Patrick Zierdt.

Die Ursachen dafür seien noch nicht im Einzelnen untersucht. Es liege aber die Vermutung nahe, dass sich neben der offenbar sehr gleichmäßigen Vereinzelung und Vermengung der Werkstoffe im DCIM-Compounder besonders die geringere thermische und mechanische Belastung bei der Verarbeitung auszahle. Es lohne sich offenbar nicht nur mit Blick aufs Portemonnaie und die Umwelt, einen Schmelzvorgang einzusparen, sondern auch mit Blick auf die Qualität; vom Zeitgewinn ganz zu schweigen. Um die entsprechenden Prüfkörper im klassischen zweistufigen Verfahren herzustellen, habe er gut eine Woche benötigt. "Mit DCIM war die gleiche Arbeit binnen zwei Tagen erledigt."

Marktstart 2014

Argumente, die unter anderem Stephan Schmidt von Miele registrierte. "Um ein neues Compound für den Einsatz in unseren Produkten freigeben zu können, sind mehr als 40 Tests erforderlich", berichtete der Leiter des Gummi- und Kunststofflabors bei Miele. "Wenn mit DCIM der Aufwand und die Zeiträume dafür deutlich reduziert werden könnten, ohne die Aussagekraft der Tests zu schmälern, würde uns das ebenso interessieren wie die Potenziale zur Qualitätsverbesserung."

DCIM trifft die Bedürfnisse vieler Anwender, das zeigten Gespräche am Rande des Innovationstages. "Wir haben bereits eine ganze Liste von ernsthaften Interessenten", zeigte sich Timo Günzel zufrieden mit der Resonanz. "Doch noch befinden wir uns in der Pilotphase", bremst er allzu ungeduldige Nachfrager. "Unser Ziel ist es, zum Jahresbeginn 2014 mit einer marktreifen Lösung an den Start zu gehen."

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