Mehr Nachhaltigkeit

Meinolf Droege,

Spritzgießen filigraner Bauteile aus (recycelten) Bio-Kunststoffen

400 Millionen Teile pro Jahr in hoher Farb- und Materialvielfalt sind die Grundlage für die Kugelschreiber von Senator aus Groß-Bieberau. Das hessische Unternehmen produziert zunehmend mit Blick auf mehr Nachhaltigkeit. Holmlose Spritzgießmaschinen sorgen hier für hohe Flexibilität in der Fertigung.

Basis für das Pen-Sortiment ist das aus Zuckerrohr gewonnene PLA. Verarbeitet wird es hochflexibel und kurzfristig nach Kundenwunsch. © Engel

In den hohen, luftigen und sauberen Hallen stehen viele Spritzgießmaschinen, fast alle im typischen Engel-grün. Plötzlich biegt piepsend ein autonom fahrender Gabelstapler um die Ecke, verteilt Kartons und holt ein mit frisch gespritzten Teilen gefülltes Gebinde an der Spritzgießmaschine vor uns ab, bevor er wieder hinter der nächsten Ecke verschwindet. „Das ist Antonio“, erklärt Alfred Kopp, Abteilungsleiter Spritzguss. „Er unterstützt unsere Mitarbeiter in der Produktion bei der Logistik“. Die Automatisierung inklusive Dokumentation und Rückverfolgbarkeit spielt bei mehreren hundert Millionen Teilen Ausbringung pro Jahr eine wichtige Rolle.

Der Werbemittelhersteller wurde durch seine qualitativ hochwertigen Schreibgeräte bekannt. Seit Ende 2018 ist der Betrieb wieder in Familienhand. Die Eigentümer setzen auf die Entwicklung nachhaltiger Produkte, effiziente Prozesse und flexible, energieeffiziente Spritzgießmaschinen von Engel.

Der Werkzeugeinbauraum der holmlosen Spritzgießmaschinen bietet viel Platz – zum Rüsten und für das Teilehandling. © Engel

Biokunststoffe werden aus dem Werbemittelmarkt zunehmend nachgefragt. 2017 verarbeitete Senator etwa 50 bis 60 Tonnen bio­basierter Kunststoffe, zwei Jahre später war es schon fast viermal so viel. Schon vor zehn Jahren hat das Unternehmen Schreibgeräte aus Polylactiden (PLA) entwickelt. „Für ein Kilogramm PLA in der Herstellung wird etwa ein Kilogramm CO2 frei. Das ist nur etwa ein Viertel dessen, was für dieselbe Menge eines herkömmlichen Kunststoffs entsteht“, beziffert Michael Monitzer, Leiter der Produktion und Mitglied der Geschäftsleitung, den Nutzen für das Klima. Selbst die Farbstoffe zum Einfärben der Bio-Kulis sind biologisch.

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Da aber Kugelschreiber – auch die aus Biokunststoff – mangels Sammelsystem häufig im Restmüll landen, geht Senator einen Schritt weiter und testet derzeit das Verarbeiten von recyceltem PLA, das vorher für andere Produkte verwendet wurde. „Wir fokussieren aus Gründen der Nachhaltigkeit nicht nur auf biobasierte Werkstoffe, sondern auch auf Recycling-Materialien“, so Michael Monitzer weiter. Doch diese bergen für das Unternehmen eine ganz besondere Herausforderung.

Schreibgeräte sind High-Tech-Teile

Ein autonom fahrender Gabelstapler unterstützt die Maschinenbediener bei der Intralogistik mit leeren und gefüllten Gebinden. © Engel

Beim Spritzgießen der Kugelschreiber-Komponenten ist Präzision gefragt. Bereits mit den üblichen Kunststoffen sind die engen Toleranzen nur mit einiger Erfahrung einzuhalten. Bei Einsatz recycelten Biomaterials oder neu entwickelter, biobasierter Werkstoffe bedarf das Spritzgießen qualitativ hochwertiger Kugelschreiberteile eines spezifischen Know-hows. Um die Maßhaltigkeit zu erreichen, müssen Verweilzeiten im Spritzaggregat, Einspritzdauer, Werkzeuge und Kühlsysteme exakt aufeinander abgestimmt sein. Beispielweise werden die Kavitäten der Schäfte aufgrund der langen Fließwege an drei Anspritzpunkten gefüllt. „Wir nutzen ein 24-fach-Werkzeug mit balanciertem Angusssystem für die gleichmäßige Füllung“, erklärt Alfred Kopp.

Bei Biomaterialien hingegen sind die richtigen Verweilzeiten in der Schnecke ausschlaggeben für die optische und geometrische Qualität der Teile. Zudem spiele die Spritzgießmaschine hier eine große Rolle. In beiden Hallen produziert Senator fast ausschließlich auf holmlosen Engel Victory Maschinen in mehreren Schließkraftklassen. „Wir spritzen zum Beispiel die Teile für unterschiedliche Aufträge nacheinander aus verschiedenen Kunststoffen. Dafür nutzen wird nur ein Werkzeug auf der Maschine, da sich die Form nicht ändert, nur der Farb- und Rohstoff. Das bedeutet, dass die Schneckengeometrie für alle eingesetzten Werkstoffe geeignet sein muss, die Parametrierung an der Maschine sich jedoch unterscheidet. Wenn wir noch in Betracht ziehen, dass wir von Rezyklat über Biokunststoff bis hin zu herkömmlichen Kunststoffen alle Materialien verarbeiten – und das mit unterschiedlichen Farbzusätzen – so kann man sich vorstellen, dass nicht eine Charge wie die andere ist“, fasst Alfred Kopp die Herausforderungen zusammen.

Schreibgeräte sind High-Tech-Teile. Die Schaltmechanik der Kugelschreiber ist sehr filigran, muss aber langlebig sein und darf für die automatisierte Montage nur Toleranzen im Hundertstel-Millimeterbereich aufweisen. © Engel

Besonders wichtig ist die Präzision nicht nur für das einwandfreie Funktionieren der Schaltwerke des Kugelschreibers. Sie ist auch wegen des hohen Automatisierungsgrads der nachfolgenden Schritte, vor allem der Montage, erforderlich. In Spitzenzeiten werden pro Tag bis zu zwei Millionen Schreibgeräte in Groß-Bieberau fertiggestellt. Deshalb müssen alle Kavitäten der Werkzeuge exakt gleiche Teile liefern. Und auch der Schaft des Schreibgeräts darf sehr enge Rundlauftoleranzen nicht überschreiten, da auch die Dekoration der Werbemittel im Unternehmen weitgehend automatisiert ist.

Die holmlosen Victory Maschinen erreichen diese Präzision unter anderem dank eines spezifischen Konstruktionsmerkmals – den beiden Force Dividers. Diese sitzen hinter der beweglichen Aufspannplatte und sorgen dafür, dass die Schließkraft gleichmäßig über die gesamte Werkzeugfläche verteilt wird und so zu einer konstanten Stauchung des Werkzeugs führt. Mit den Force Dividers erreichen die Maschinen besondere Plattenparallelität. Die hohe Präzision zeigt sich vor allem bei Mehrkavitätenanwendungen durch konstante Teilegewichte und -geometrien innerhalb eines Schusses.

Minimale Rüstzeiten, effizientes Teilehandling

Sie gaben bereitwillig Auskunft zur Produktion (v.l.): Thorsten ­Habich, Erik Würkner, Alfred Kopp, Michael Monitzer und Franz Pressl. © Engel

Trotz der großen Material- und Farbvielfalt sichert Senator seinen Kunden zu, ein Werbemittel in exakt derselben Qualität und Farbe innerhalb weniger Tage nachzuliefern. Damit das funktioniert, hat das Unternehmen das MES-System Authentig von TIG im Einsatz. Das MES überträgt beim Auslösen eines Auftrags die Grunddaten des Spritzgießprozesses vom Leitrechner an die Maschine, an der nach Feinjustierung durch den Maschinenbediener produziert wird.

Aufgrund der Vielfalt der Produkte müssen auch immer wieder Rüstzeiten eingeplant werden. Bei den 43 Engel Spritzgießmaschinen sind es etwa vier bis fünf eingeplante Umbauten pro Woche. Die eigentliche Rüstzeit liegt dank des barrierefreien Zugangs zur Schließeinheit bei etwa 20 Minuten. Die Holmlostechnik hat, so Erik Würkner, Leiter Produktmanagement, aber noch weitere Vorteile: „Das Roboterhandling wird einfacher und die Freiheiten beim Handhaben der Werkzeuge sind größer, weil kein Holm die Bewegung des Krans stört. Hinzu kommt, dass wir so auch größere Werkzeuge auf kleinere Maschinen aufspannen können, da die Werkzeugaufspannplatten bis an den Rand vollständig für das Werkzeug genutzt werden können. Das erhöht unsere Flexibilität in der Produktion – und die Energieeffizienz.“

Energieeffizienz als Teil der Nachhaltigkeit

Von jedem Kundenauftrag wird ein Farbmuster aufbewahrt, da alle Werbemittel kurzfristig nachbestellt werden können. © Engel

Erkennbar bedeutet Nachhaltigkeit dem Unternehmen sehr viel: „Die Langlebigkeit der Schreibgeräte ist ein deutlicher Gewinn für die Umwelt, denn die Nutzungsdauer ist ein wichtiger, aber leider oft wenig beachteter Faktor für mehr Nachhaltigkeit“, sagt Erik ­Würkner. „Denn betrachtet man den gesamten Lebenszyklus eines Produkts, sinkt der klimabeeinflussende Anteil durch die Herstellung, je länger das Produkt in Gebrauch ist.“ Um diesen Anteil weiter zu senken, soll der Energieverbrauch der Produktion in den nächsten Jahren noch deutlich reduziert werden. In diesem Jahr plant das Unternehmen, das bereits nach ISO 14001 zertifiziert ist und ausschließlich mit Ökostrom arbeitet, auch die Zertifizierung nach ISO 50001.

Die Victory Maschinen leisten einen wichtigen Beitrag für die hohe Energieeffizienz. Die Servohydraulik Ecodrive kappt die Verlustenergien, die üblicherweise über das Kühlwasser abgeführt werden. Somit ist auch der Kühlwasserverbrauch ein Indikator für die Energieeffizienz der Spritzgießmaschine. „Bei Senator erreichen die servoelektrischen Maschinen bei vielen Anwendungen das niedrige Verbrauchsniveau von vollelektrischen Maschinen“, erläutert Franz Pressl. „Das Optimieren der Zykluszeiten ist eine weitere Stellschraube“, verrät Erik Würkner, „So testen wir derzeit, additiv gefertigte Kühlsysteme in den Werkzeugen vorzuschalten. Diese verkürzen die Kühlzeit.“

Weitere Ansatzpunkte für mehr Energieeffizienz sind das Minimieren der Energiespitzen beim Anfahren, und auch der Wechsel zu einer kleineren Maschine, wie ihn die Holmlostechnik ermöglicht, spart Energie. Zudem birgt der Einsatz einer kleineren Maschine gerade für thermosensible Biokunststoffe weitere Vorteile, wie die geringere Verweilzeit der Schmelze im dann kleineren Spritzaggregat.

Mit 100 gut gerüstet für die Zukunft

Tragendes Element der flexiblen Produktion auch mit Bio-Kunststoffen bei Senator bilden holmlose Maschinen unterschiedlicher Schließkraftklassen. © Engel

In diesem Jahr feiert der hessische Werbemittelhersteller 100jähriges Firmenjubiläum. Kein Grund, sich auf dem bisher Erreichten auszuruhen – im Gegenteil: „Meine Vorstellung ist, dass wir eine auf RFID basierte hochautomatisierte Spritzgießproduktion haben, die es ermöglicht, einzelne Spritzartikel bis auf die Maschine und die Charge zurückzuverfolgen“, so Monitzer.

Einbezogen in diese Überlegungen ist auch eine Materialversorgung in der Halle, so dass letztlich auftragsbasiert nach Industrie-4.0-Standard von der Materialversorgung über die Spritzgießmaschine, Entnahme und Montage bis hin zum Versand beziehungsweise der Einlagerung der Produkte die gesamte Prozesskette automatisiert ablaufen kann. „Um am Standort Deutschland wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen wir uns einiges aus anderen Branchen abschauen und bei uns selbst hier noch viele Hausaufgaben machen“, ist sich Monitzer sicher.

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