Zustandsabhängige Prozessführung für die energieeffiziente und ressourcenschonende Produktion von Kunststoffformteilen (ZuPrEff)

Problemstellung
Pro Jahr werden in Deutschland ca. 2,5 Millionen Tonnen Kunststoffe mittels Spritzgießen verarbeitet, wobei 81% der Energie durch das notwendige Aufschmelzen bei 165 – 350°C und das anschließende Abkühlen vernichtet wird. Die tonnenschweren Werkzeuge sind auf eine einheitlich hohe Temperatur (bis 140°C) aufgeheizt, die sich nach der engsten Werkstückstelle richtet. Da das Werkzeug inklusive Temperierung und die Maschine autonom agieren, sind für eine gesicherte Produktion beidseitige Temperaturreserven eingestellt, um auch bei unvermeidlichen, oft materialbedingten Prozessschwankungen qualitativ ausreichende Produkte zu fertigen. Zudem hat der Anwender kein Bewusstsein dafür, wie viel Energie genau benötigt wird und welche Parameter sich wie stark auf den Energieverbrauch auswirken. Insgesamt ist damit oft ein unnötig hoher Energieeinsatz verbunden.
Projektziele
Die Energieeffizienz des Gesamtprozesses, bestehend aus Maschine, Werkzeug und Temperierung, wird einerseits durch maschinen- und werkzeugtechnische Entwicklungsmaßnahmen sowie die Entwicklung einer kooperativen Regelung der bisher autonomen Teilsysteme gesteigert. Andererseits kann der Anwender durch die Realisierung eines Energiemonitorings den Energieverbrauch des Gesamtprozesses beurteilen. Neben Qualität- und Zykluszeit kann so auch die Energieeffizienz bei der Einstellungsoptimierung berücksichtigt werden, was durch Vorschläge der Steuerung zusätzlich unterstützt wird. Bei der Werkzeugtemperierung, die 47% der Gesamtenergie benötigt, wurde ein Einsparpotential von 20% erwartet. Die erreichten Ergebnisse lagen je nach Anwendung mit 17% bis 30% über den Erwartungen. Durch die weiteren Maßnahmen in der Maschine, die komponentenübergreifende Regelung sowie Reduktion von Fehlproduktionen ist für den Gesamtprozess ein geschätztes Einsparpotential von mehr als 28% des Energiebedarfs möglich.
Vorgehensweise
Ein Kernpunkt zur Erreichung der Ziele ist die modellhafte Beschreibung von relevanten Schmelze- und Werkstückzuständen in Abhängigkeit von Prozessschwankungen. Diese bilden sich in Sensorsignalen aus dem Werkzeug und der Plastifiziereinheit ab. Basierend auf Versuchsreihen an mehreren Spritzgiessanlagen, die um Messtechnik sowie die segmentierte Werkzeugtemperierung erweitert wird, wurden die Zusammenhänge zwischen Einflussgrößen (Material, Einstellparameter), Prozesszustand und Teilequalität erarbeitet und in beschreibende Modelle überführt. So kann zu jedem Zeitpunkt der Zustand relevanter Prozessgrößen (z.B. Schmelzeeigenschaften, Werkzeugoberflächentemperatur) abgeleitet und zur Regelung dieser Zustandsgrößen verwendet werden. Durch die übergeordnete Regelung werden Schwankungen in der Maschine durch zielgerichtete Reaktionen der Werkzeugtemperierung ausgeglichen. Hierfür ist eine segmentierte Werkzeugtemperierung notwendig, die durch lokale Heiz- und Kühlelemente schnell reagieren kann. Insgesamt wird die Prozessstabilität gesteigert und bisher notwendige Temperaturreserven können reduziert werden. Durch die lokale dynamische Temperierung können zudem kritische Werkstückstellen gezielt beeinflusst und somit die Grundtemperierung des Werkzeugs gesenkt werden. Für das Energiemonitoring wurden detaillierte Energiebilanzen des Gesamtprozesses aufgestellt, die Abhängigkeiten von Prozessparametern und Umgebungsbedingungen berücksichtigen (z.B. Wärmeabstrahlung). Dadurch werden Zusammenhänge abgebildet und die Potenziale von Optimierungsmaßnahmen können abgeschätzt werden. Die Energiebilanzen wurden in ein Energiemonitoring überführt, welches neben dem Energieverbrauch der Maschine auch das Werkzeug und die Temperiereinrichtungen berücksichtigt. Eine Integration in die Maschinensteuerung ermöglicht eine Aussage über den aktuellen Energieverbrauch. Der Anwender kann den Prozess energieoptimal einstellen. Unterstützt wird er dabei durch eine erarbeitete Wissensbasis, die Zusammenhänge zwischen Einstellparametern des Prozesses und dem Energiebedarf abbildet. Unter Berücksichtigung des Energieverbrauchs und den Maschinenparametern vorangegangener Zyklen werden dem Maschineneinrichter Hinweise zu einer energieeffizienteren Prozesseinstellung gegeben. Alle entwickelten Komponenten wurden in einem Demonstrator zusammengeführt, an dem die Projektergebnisse präsentiert werden können.
Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Als Ergebnis stehen die entwickelten Einzelkomponenten sowie eine komponentenübergreifende Regelung inklusive der notwendigen Schnittstellen zur Verfügung. Durch die Summe der Maßnahmen wird eine Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz von teilweise bis zu 30% erreicht. Darin sind die Energieeinsparungen durch geringere Werkzeug- und Schmelzetemperatur ebenso eingerechnet wie kürzere Zykluszeiten und geringere Fehlproduktionen durch schnellere Produktanläufe und optimale Prozessnachregelung. Die Projektergebnisse können prinzipiell auf alle mittels Kunststoffspritzguss hergestellten Werkstücke angewendet werden. Die Verbreitung und Anwendung der Ergebnisse wurde über folgende Weise forciert: Darstellung des Verbundprojekts im Internet; Ergebnispräsentation in Beiträgen zu Konferenzen und Tagungen (z.B. bei Kunststoffzentren oder VDI); Vorstellung der Ergebnisse in Verbandsausschüssen (VDI-K, VDMA) und Fachmessen K-Messe 2010, Fakuma 2011, Hannover Messe 2012;Nutzung der Innovationsplattform ¿Effizienzfabrik¿ für Ressourceneffizienz in der Produktion; Integration der entwickelten Komponenten in Produkte der Projektpartner; Lizenzierung der Projektergebnisse an Interessenten. Eine mögliche Übertragung auf andere Branchen wie Zink-Druckguss oder Extrusion kann einerseits durch Firmen wie KraussMaffei, teils auch firmenintern, oder durch Kooperation mit anderen Fraunhofer-Instituten erfolgen.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Gebr. Krallmann Gesellschaft mit beschränkter Haftung
• KraussMaffei Technologies GmbH
• Technische Hochschule Rosenheim
• technotrans solutions GmbH