Fertigungszelle für neue Kunststoffe

Meinolf Droege,

Kooperation von Werkstoffentwickler und Maschinenbauer

Das Entwickeln der Polymere von morgen beginnt mit dem Verständnis der chemischen und mechanischen Eigenschaften sowie des Verarbeitungsverhaltens der Materialien. Im Technikum für Spritzguss und Extrusion bei BASF in Ludwigshafen produziert eine neue, vollautomatisierte Spritzgießzelle von Sumitomo (SHI) Demag mit mehr als 4000 Versuchseinstellungen pro Jahr.

Kern der hochautomatisierten Produktionszelle für Probekörper unterschiedlicher Art ist eine vollelektrische Spritzgießmaschine. © BASF

Für die Entwicklung der Produktionszelle haben der Unternehmensbereich Performance Materials der BASF sowie Sumitomo (SHI) Demag in Zusammenarbeit mit H+S Automatisierungstechnik ihre Engineering-Kompetenzen und technologischen Ressourcen gebündelt. Die Fertigungszelle produziert ein breites Spektrum unterschiedlicher Prüfkörper für Produktentwicklung und Forschung aus thermoplastischen Polymeren und Compounds.

Mittelpunkt der Zelle ist eine vollelektrische Intelect Spritzgießmaschine mit 1000 Kilonewton Schließkraft. Neben kompakter Bauweise, Energieeffizienz und Wiederholgenauigkeit nennt das Team im Technikum verbesserte Komfort- und Sicherheitsausstattung, darunter der niedrige Geräuschpegel, aber auch voll digitalisierte Lösungen für den automatischen Werkzeugwechsel und die Robotersteuerung als relevante Kriterien. Bei hoher Betriebssicherheit und Effizienz erfülle der Linear-Roboter zwei Aufgaben. Zum einen sorgt er für die automatische Platzierung zwölf unterschiedlicher Wechseleinsätzen aus einem Magazin in die Spritzgießmaschine. Zum anderen nimmt er mit seinem multifunktionalen Greifer die Prüfkörper aus dem Werkzeug und gibt ihn an einen kleinen Yaskawa 6-Achs-Gelenkarmroboter weiter, der die Teile auf einer spindelangetriebenen Stanze ablegt, die den Anguss abtrennt. Das vorhandene Werkzeugeinsatz-Konzept und die weitere Sonderfunktionen enthaltende Spritzeinheit wurden in die neue Fertigungszelle integriert. In die Zelle integriert wurden die Temperiergeräte-Steuerung und die Anbindung an das neu eingeführte Manufacturing Execution System. Angelika Homes, leitende Projektingenieurin bei BASF: „Trotz der Komplexität des Projekts lieferten Sumitomo und H+S ein innovatives Design der Produktionszelle, das sich durch einen viel kleineren energetischen Fußabdruck und viel geringeren Platzbedarf gegenüber anderen Zellen auszeichnet.“

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Werkzeugwechsel: Immer ein heißes Eisen

Viele der Prüfkörper, die im BASF Technikum verarbeitet werden, sind glasfaserverstärkte, oft auch mit Flammschutz ausgerüstete Hochtemperatur-Thermoplaste. Sie benötigen Schmelzetemperaturen bis 400 Grad Celsius und Werkzeugtemperaturen bis 180 Grad Celsius. Das Werkzeugmagazin kann über den Roboter mit zwölf Wechseleinsätzen bestückt werden. Dank der Integration von HB-Therm Temperiergeräten in die Sumitomo (SHI) Demag Maschinensteuerung geschieht der Wechsel der Einsätze in die Spritzgießmaschine auch bei hohen Werkzeugtemperaturen automatisiert und damit sicher und effizient. Um die sichere Werkzeugentnahme mit dem SDR-Roboter zu garantieren, wird die Temperatur auf 80 Grad Celsius gesenkt und der Druck im Einsatz herabgesetzt. Dafür muss unsere Maschinensteuerung nahtlos mit dem MES kommunizieren.

Trotz Schmelzetemperaturen bis 400 Grad Celsius sind sehr schnelle und automatische Wechsel der Formeinsätze möglich. © BASF

Das MES der BASF benachrichtigt die Zelle, wann das Ende der aktuellen Versuchseinstellung ansteht und übergibt den Befehl zum nächsten Werkzeugwechsel an die Fertigungszelle. Unmittelbar im Anschluss an die Herstellung des letzten Probekörpers wird der Wechseleinsatz vom integrierten Temperiergerät geregelt abgekühlt. Danach wird der Einsatzwechsel über Ausgangs- und Eingangssignale mit der Zellensteuerung synchronisiert und der neue Werkzeugdatensatz über die Roboterschnittstelle übertragen. Nach dem Einsatzwechsel heizen die Temperiergeräte wieder auf. Der automatische Betrieb läuft an und sobald die Werkzeugtemperatur erreicht ist, wird die Produktion einer neuen Versuchseinstellung gestartet.

Stanzen mit Präzision

Aufgrund der sehr unterschiedlichen Kundenbranchen testet BASF ein breites Spektrum an Materialien – von weichen und zähen bis steifen und spröden Polymeren. Darüber hinaus gibt es viele unterschiedliche Probengeometrien. So variieren die Wanddicken zwischen 0,5 und 4 Millimeter. Viele Prüfkörper werden gemäß ISO 294 produziert. Die Norm definiert die Anforderungen an Angusssystem und Geometrie der Proben. „Die Formteiltrennung mittels Stanzen ist Voraussetzung, denn es verändert die Materialeigenschaften nicht und es bilden sich keine Staubpartikel“, erklärt Hausmann.

Der multifunktionale Greifer stellt sicher, dass alle Probekörpergeometrien präzise auf dem Stanztisch abgelegt werden. Dies ist nicht unproblematisch, da viele der Materialien einen hohen Glasfaseranteil haben, was Verzug bei den Probekörpern verursachen kann. Werden die Prüfkörper nicht hinreichend fixiert, kann das Stanzen im Wortsinne daneben gehen es passieren, dass sie schief nicht den spezifizierten Qualitätsstandards entsprechen.

Digitale Integration

Täglich wird eine Vielzahl unterschiedlicher Versuchseinstellungen auf der Fertigungszelle gefahren. Dementsprechend gibt das MES der Zelle jeweils verschiedene Material- und Prozessparameter, Prüfteilgeometrien und Temperaturen vor. Jeder Spritzzyklus wird anschließend digital erfasst und dokumentiert. Damit ermöglicht das System vertiefte Einblicke und Rückschlüsse zum kompletten Bearbeitungsablauf, wie sich das Material voraussichtlich in der späteren Serienproduktion beim Kunden verhält.

Seit mehr als 80 Jahren arbeitet man im Verarbeitungstechnikum in Ludwigshafen am technischen Fortschritt und an Lösungen mit Hilfe der Kunststoffentwicklung und -verarbeitung. Ebenso wie Innovationen durch Trends vorangetrieben werden, beschleunigen automatisierte Prozesse und bereitgestellte Daten praxisnahe Materialentwicklungen. Die Flexibilität von Maschinen ist für diesen Erfolg ein wichtiger Faktor. Die neue Zelle bestätige die Bedeutung von Automation und Digitalisierung bei der Materialentwicklung sowie der Simulation und Auslegung von Bauteilen.

Für die Anstrengungen der BASF, nachhaltige Produkte und Lösungen für die Industrie zu entwickeln, sei eine automatisierte Spritzgießzelle unverzichtbar. Ihre Kapazität, jährlich mehr als 4000 unterschiedliche Versuchseinstellungen für Hochleistungspolymere mit komplexen Formulierungen zu fahren und die Ergebnisse mithilfe des MES Systems digital zu verfolgen, beschleunige die Innovationsbemühungen.

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