Messevorschau Chinaplas : Dickwandige Linsen wirtschaftlich spritzgießen

Die Chinaplas 2018 steht im Zeichen von Wachstum „Das Investitionsklima in China ist auf einem neuen Hoch“, berichtet Gero Willmeroth, Geschäftsführer Vertrieb und Service von Engel Machinery Shanghai im Vorfeld der wichtigsten Kunststoffmesse Asiens. „Die Chinaplas wird dieser Entwicklung weiteren Schub verleihen.“ Nicht zuletzt trägt der steigende Wettbewerbsdruck unter den lokalen Produzenten von Kunststoffteilen zu dieser positiven Entwicklung bei. Investiert wird in die Modernisierung der Maschinenparks sowie neue Technologien, die zu einer höheren Fertigungseffizienz und Produktqualität führen.

Der Ausstellungsbereich Automotive am Messestand von Engel spiegelt den Trend zum Einsatz innovativer Prozesstechnologien wider. Es ist das erste Mal, dass Engel auf der Chinaplas einen komplexen Mehrkomponentenprozess mit verketteten Spritzgießmaschinen präsentiert. Auf zwei duo Spritzgießmaschinen werden LED-Linsen für Fahrzeugscheinwerfer aus PMMA mit einer Dicke von 22 mm produziert.

Immer häufiger werden hochwertige Optikkomponenten aus Kunststoffen hergestellt. Die polymeren Materialien sind leichter als Glas und bieten den Produktdesignern mehr Freiheit. Die Herausforderung jedoch besteht darin, eine hohe optische Qualität mit einer hohen Fertigungseffizienz zu vereinen. Die von Engel entwickelte und patentierte Mehrschichttechnologie optimelt mit externer Kühlung leistet genau diesen Spagat.

Dabei wird zunächst ein Vorspritzling erzeugt und dieser in Folgeschritten mit weiteren Schichten desselben Materials überzogen. Durch das Überspritzen lassen sich Einfallstellen an der Oberfläche der zuvor ausgeformten Schicht ausgleichen und so eine hohe optische Qualität erreichen. Lichttechnische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Grenzflächen zwischen den Schichten die Leistung und Funktion der Beleuchtungsoptik nicht beeinflussen.

Da die Kühlzeit beim Spritzgießen mit dem Quadrat der Wanddicke zunimmt, erhöht die Mehrschichttechnologie vor allem bei der Herstellung dickwandiger Teile deutlich die Effizienz. Mehrere dünne Schichten kühlen in Summe schneller ab als eine dicke. Wird zudem der Linsengrundkörper zum Kühlen aus dem Werkzeug entnommen, verkürzt sich die Zykluszeit weiter. Das Abkühlen an der Luft dauert zwar länger als im Werkzeug, geht aber nicht mehr in die Zykluszeit ein.

Während der Chinaplas werden die Linsengrundkörper auf einer duo 1060/400 Spritzgießmaschine in einem 4-fach-Werkzeug produziert. Der in die Fertigungszelle integrierte easix Knickarmroboter entnimmt die vier Teile und übergibt sie an eine externe Kühlstation. Von dort nimmt der Roboter gleichzeitig vier bereits ausreichend gekühlte Vorspritzlinge auf und übergibt diese an das 4+4-fach-Werkzeug der mit einem Drehtisch ausgerüsteten duo 600H/600H/500 combi Mehrkomponentenmaschine. Nacheinander werden dort zwei weitere PMMA-Schichten aufgespritzt, bevor der easix die fertigen Linsen entnimmt. Die Zykluszeit liegt deutlich unter 3 Minuten, obwohl die Vorspritzlinge rund 30 Minuten lang abkühlen. Die Kühlzeit lässt sich über die Anzahl an Kühlpositionen in der externen Kühlstation steuern.

Die Verkettung einer Standardspritzgießmaschine mit einer Zwei-Komponenten-Maschine steht für eine sehr hohe Fertigungsflexibilität. Beide Maschinen können auch unabhängig voneinander mit anderen Werkzeugen ausgelastet werden.

Engel realisiert das Exponat gemeinsam mit Systempartnern, darunter Skymould (Ningbo/China), HRSflow (San Polo di Piave/Italien), Innolite (Aachen/Deutschland), Opsira (Weingarten, Deutschland) und Gimatic (Shanghai, China). Um neben Robotern und Prozesstechnologien aus der eigenen Entwicklung weitere periphere Einheiten und Werkzeuge zu integrieren, hat sich Engel ein weltweites Netzwerk aus Systempartnern aufgebaut. „Wir haben vor Ort in China sehr starke Partner, die ebenso wie wir die Anforderungen der lokalen Verarbeiter bestens kennen und in optimale Lösungen umsetzen“, so Willmeroth. „Durch die Zusammenarbeit mit lokalen Anbietern können wir auch für anspruchsvolle Anwendungen eine hohe Kosteneffizienz garantieren und die Lieferzeit für die Gesamtanlage kurz halten.“

Die Materialsubstitution mit dem Ziel geringerer Bauteilgewichte ist in der Automobilindustrie auch in China ein wichtiger Trend. Elektrofahrzeuge sind dort auf dem Vormarsch. Die Verarbeiter in Asien nehmen dafür vor allem vier Themenbereiche ins Visier: LED-Linsen aus PMMA, Verscheibungsteile aus Polycarbonat, das Schaumspritzgießen und Composite-Verbundtechnologien.

Den Composite-Technologien widmet Engel an seinem Messestand einen eigenen Expert Corner. In seinem Technologiezentrum für Leichtbau Composites in Österreich entwickelt der Maschinenbauer gemeinsam mit Partnerunternehmen und Universitäten besonders wirtschaftliche Verbundverfahren, die den Einzug von Composite-Technologien in die automobile Serie beschleunigen. Von HP-RTM und SMC über die Verarbeitung von thermoplastischen Halbzeugen wie Organoblechen und Tapes bis hin zu reaktiven thermoplastischen Technologien wie In-situ-Polymerisation (T-RTM) befassen sich die Engel Entwickler mit allen derzeit zukunftsweisenden Technologien und konnten bereits mehrere international bedeutende Meilensteine setzen. Die hohe Automatisierungs- und Systemlösungskompetenz von Engel erwies sich dabei jeweils als zentraler Erfolgsfaktor. Mit der v-duo bietet Engel darüber hinaus eine gezielt für die Anforderungen der Composite-Industrie entwickelte eigene Maschinenbaureihe an.

Die Elektromobilität benötigt nicht nur neue Verarbeitungsverfahren, sondern auch neue konstruktive Lösungen. Um Kabel sicher aus dem Motor- in den Fahrzeuginnenraum zu führen, erfordern Elektrofahrzeuge eine größere Vielfalt an Kabeldurchführungsdichtungen als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Während der Chinaplas produziert Engel aus Flüssigsilikon (LSR) Kabeldurchführungsdichtungen für einzelne Kabel, die eine entsprechend filigrane Struktur aufweisen. Um das extrem niedrigviskose LSR sowohl hochpräzise als auch hochwirtschaftlich zu verarbeiten, kommt eine holmlose e-victory 50/80 Spritzgießmaschine mit elektrischer Spritzeinheit zum Einsatz. Der patentierte Force-Divider sorgt bei den holmlosen Spritzgießmaschinen von Engel dafür, dass die bewegliche Aufspannplatte während des Schließkraftaufbaus dem Werkzeug exakt folgt und die Schließkraft gleichmäßig über die Aufspannfläche verteilt wird. Auf diese Weise werden alle Kavitäten mit exakt gleicher Kraft zugehalten, was eine gleichmäßige Stauchung des Werkzeugs sicherstellt und zu einer konstant hohen Teilequalität führt. „Erst die gratarme, nacharbeitsfrei Fertigung macht es möglich, High-tech-Komponenten aus Flüssigsilikon im Spritzguss wirtschaftlich zu produzieren“, betont Willmeroth. Flüssigsilikon wird in China immer häufiger eingesetzt. Neben Dichtungen für die unterschiedlichsten Anwendungen werden auch immer mehr Mikroteile, zum Beispiel für den Einsatz in Mobiltelefonen oder in der Medizintechnik, auf holmlosen Engel Maschinen aus LSR hergestellt.

Engel präsentiert die Flüssigsilikon-Verarbeitung gemeinsam mit seinem Partner Elmet Elastomere Produktions- und Dienstleistungs-GmbH (Oftering, Österreich). Von Elmet kommen in dieser Anwendung das 4-Kavitäten-Werkzeug und die in die CC300 Steuerung der e‑victory Maschine integrierbare LSR-Dosieranlage.

Eine weitere Premiere feiert Engel im Bereich Medical. Zum ersten Mal wird eine hochintergrierte Fertigungszelle für die Produktion von Pipettenspitzen im Reinraum präsentiert. Auch dieses Exponat ist das Ergebnis einer europäisch-chinesischen Kooperation. Engel, Waldorf Technik (Engen, Deutschland) und Wellmei Mold (Dongguan, China) haben ihr Know-how und ihre Erfahrung mit medizintechnischen Präzisionsartikeln gebündelt und die Systemlösung exakt auf die spezifischen Anforderungen der chinesischen Verarbeiter zugeschnitten.

Da die Pipettenspitzen in der medizinischen Diagnostik in vollautomatisierten Analysesystemen eingesetzt werden, gilt einer reproduzierbaren Teilequalität die höchste Priorität. Als Massenprodukt unterliegen sie jedoch gleichzeitig einem besonders hohen Kostendruck. Um einen stabilen Prozess mit einer hohen Wirtschaftlichkeit zu vereinen, integrieren die Systempartner eine holmlose e-victory Spritzgießmaschine von Engel mit einem 32-fach-Heißkanalpräzisionswerkzeug von Wellmei und einer Hochgeschwindigkeitsautomation von Waldorf Technik auf äußerst kompakter Fläche. Der freie Zugang zum Werkzeugraum ermöglicht es, die Automatisierung besonders nah an die Schließeinheit der e-victory Spritzgießmaschine heranzurücken.

Die elektrische Spritzeinheit der Hybridmaschine sorgt für eine sehr hohe Präzision beim Einspritzen der Kunststoffschmelze. Um zudem Schwankungen in den Umgebungsbedingungen und im Rohmaterial auszugleichen, kommt iQ weight control zum Einsatz. Das Assistenzsystem aus dem inject 4.0 Programm von Engel analysiert während des Einspritzvorgangs in Echtzeit den Druckverlauf und vergleicht die Messwerte mit einem Referenzzyklus. Für jeden Schuss werden das Einspritzprofil, der Umschaltpunkt sowie das Nachdruckprofil automatisch an die aktuellen Bedingungen angepasst und damit das eingespritzte Schmelzevolumen über die gesamte Fertigungsdauer konstant gehalten. Ausschuss wird auf diese Weise proaktiv verhindert.

Die Automatisierung ist in dieser Anwendung ein weiterer Schlüssel für eine konstant hohe Teilequalität. Die von Waldorf Technik entwickelte Automatisierungslösung entnimmt im Takt des Spritzgießprozesses 32 Pipettenspitzen aus dem Werkzeug und legt Gruppen von je 96 Pipettenspitzen kavitätenrein in Racks ab. Alle 18 Sekunden werden 96 Pipettenspitzen aus der als Reinraum gekapselten Produktionszelle ausgeschleust.

In der Praxis schließen sich nachgelagerte Arbeitsschritte wie die Qualitätsprüfung oder Verpackung immer öfter unmittelbar an den Spritzgießschritt an. Stellvertretend für die unterschiedlichsten Downstream-Prozesse nimmt während der Chinaplas ein kollaborativer Roboter vom Typ Sawyer von Rethink Robotics (Boston, USA) die befüllten Racks am Ende des Fertigungsprozesses wieder auf. Das Besondere kollaborativer Roboter ist, dass sie keine Schutzumhausung benötigen und gefahrlos Hand in Hand mit Mitarbeiten arbeiten können.

Mit intelligenten Assistenzsystemen wie iQ weight control macht es Engel seinen Kunden besonders einfach, auch ohne Spezialistenwissen eine konstant hohe Teilequalität sicherzustellen. Die iQ Systeme analysieren kontinuierlich prozesskritische Parameter und justieren diese Schuss für Schuss automatisch nach. Das Ergebnis ist eine sich selbst optimierende Spritzgießmaschine.

Die zunehmende Intelligenz der Maschinensteuerung ist ein wesentliches Merkmal der smart factory, die das Ziel von Industrie 4.0 beschreibt. Zudem tragen die Vernetzung von Produktionssystemen sowie die systematische Nutzung von Maschinen-, Prozess- und Produktionsdaten dazu bei, die Produktivität, Qualität und Flexibilität der Fertigung zu steigern. Unter dem Namen inject 4.0 bietet Engel bereits heute eine ganze Reihe an ausgereiften und in der Praxis vielfach bewährten Produkten und Lösungen für die Digitialisierung und Vernetzung der Spritzgießfertigung an, die sowohl einzeln als auch im Rahmen einer übergeordneten Digitalisierungsstrategie einen hohen Nutzen stiften. „Schritt für Schritt zur smart factory, so lautet die Strategie unserer Kunden“, sagt Willmeroth.

Mit der Herstellung von inject 4.0 Logos auf einer holmlosen, vollelektrischen e-motion 80 TL Spritzgießmaschine macht Engel das große Potenzial der inject 4.0 Lösungen anschaulich deutlich. In der CC300 Steuerung der Maschine können schwankende Prozessbedingungen simuliert werden, um das automatische Nachregeln durch die intelligenten Assistenzsysteme auf dem Display zu verfolgen. Während iQ weight control das eingespritzte Schmelzevolumen über den gesamten Spritzgießprozess konstant hält, berechnet iQ clamp control die Werkzeugatmung, um die optimale Schließkraft zu ermitteln und automatisch anzupassen. „Mit der sich selbst optimierenden Spritzgießmaschine machen wir es den Verarbeitern besonders einfach, das volle Effizienz- und Qualitätspotenzial, das die Maschinen und Technologien bieten, auszuschöpfen“, sagt Gero Willmeroth. „Die ersten Maschinen mit iQ sind in China bereits im Einsatz.“