Wie lässt sich die Energiebilanz beim Spritzgießen verbessern?

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W

enn eine neue Maschine die Qualitätsanforderungen erfüllte und eine hohe Produktivität ge- währleistete, war eine Investitionsent- scheidung in der Vergangenheit übli- cherweise gerechtfertigt. Heute zwingen die steigenden Energiekosten Verarbeiter dazu, den Energieverbrauch in die Aus- wahlkriterien einzubeziehen, insbesondere da die Betriebskosten der Anlagen während ihrer Lebensdauer die Kosten ihrer Anschaffung schnell übersteigen können. Die Reduktion des Energiever- brauchs in der Spritzgießproduktion be- inhaltet sozusagen ein mehrstufiges Ein- sparpotenzial, da ein geringerer Ener- gieaufwand des Formgebungsprozesses mit Einsparungen bei der Entsorgung der Abwärme und beim Betrieb der Kühlan-

lagen einhergeht. Das vorrangige Ziel eines jeden Unternehmens, die Produkti- onskosten niedrig zu halten oder zu ver- ringern, erfordert in jedem Fall eine ganz- heitliche Betrachtung der Systeme.

Die Maschinen- und Anlagenbauer sind also gefordert, die energetische Effizienz ihrer Produkte zu optimieren, da solche Maßnahmen den Prozess- wirkungsgrad verbessern und die Menge der Emissionen und Abwärme verrin- gern. Diesbezüglich eröffnen direkt angetriebene elektrische Spritzgießma- schinen im kleinen und mittleren Schließkraftbereich erhebliche Potenzia- le zum Energiesparen. Bei größeren Maschinen bieten intelligente Kombina- tionen von elektrisch angetriebenen Achsen auf hydraulischer Basis, soge- nannte Hybridantriebe, ebenfalls ein deutliches Verbesserungspotenzial.

Installierte Leistung sagt nichts über Energieverbrauch

Die Auslegung und Spezifikation von Ein- richtungen zur Versorgung der Spritz- gießproduktion verlangt die detaillierte Abschätzung der auftretenden Energie- ströme. Eine gängige und oftmals ange- wandte Vorgehensweise besteht darin, den Energiebedarf aus der installierten Leistung der Anlagen abzuleiten. Insbe- sondere bei Spritzgießmaschinen mit elektrischen Direktantrieben führt dieses Vorgehen jedoch zu unpräzisen Daten und damit meist zur Überdimensionie- rung der Anlagentechnik.

Die „installierte Leistung“ definiert die Summe aller an eine Zuleitung angeschlossenen Verbraucher und sagt somit eher etwas über die Leistungsfähigkeit der Maschine aus. Dazu gehören dann auch

Wie lässt sich

die Energiebilanz beim

Spritzgießen verbessern?

Gesamtbetrachtung. Je weiter die Energiepreise steigen, um so mehr wird der Energieverbrauch für die Bilanz der Kunststoffverarbeiter zu einem wichtigen Fak- tor: für die Kalkulation der Betriebskosten ihrer Maschinen und Anlagen ebenso wie für die Herstellungskosten der Teile. Spritzgießmaschinen mit elektrischen Direktantrieben eröffnen hier ein großes Einsparpotenzial – das zunehmend auch in den Fokus der Kaufentscheidung rückt.

KU104383

hydraulische Maschine elektrische Maschine

34 kW 22 kW 65 %

60 kW 12 kW 20 % installierte Leistung

verbrauchte Leistung Verhältnis

M M M M M M M

M

Bild 1. Vergleich zwischen elektrischer und hydraulischer Spritzgießma- schine: Die installierte Leistung sagt nichts über den Energieverbrauch aus. Dieser ist abhängig von Einschaltdauer, Nutzungs- und Wirkungsgrad der angeschlossenen Verbraucher (Bilder: Arburg)

M M M M M

Leistung [kW]

70 60 50 40 30 20 10 0

installiert verbraucht

hydraulische Maschine elektrische Maschine

Bild 2. Trotz der größeren installierten Leistung ist der mittlere Energie- verbrauch einzelner Achsbewegungen bei elektrischen Antrieben über einen Zyklus niedriger. Zudem ist die Lastabhängigkeit der Wirkungs- grade im Falle elektrischer Antriebskomponenten geringer

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maschinenseitige Gerätesteckdo- sen oder Heißkanalregler. Die installierte Leistung von Produkti- onsanlagen bestimmt lediglich die Absicherung und den Querschnitt der Zuleitung und ist deshalb eine zu berücksichtigende Größe et- wa beim Anlagenaufbau.

Elektromechanisch angetriebene Maschinen verfügen idealer- weise über jeweils einen eigenen, auf das geforderte Lastprofil ab- gestimmten Antrieb für jede Be- wegungsachse, hydraulisch angetriebene Maschinen hingegen meist über einen zentralen Hauptantrieb, von dem aus die einzelnen Bewegungsachsen ver- sorgt werden. Für elektrische Spritzgießmaschinen bedeuten die Antriebsleistungen der einzelnen Achsen, die die erforderliche Prozessfähigkeit sicherstellen, eine hohe installierte Gesamtleis- tung. Die installierte Leistung ist also ein Maß für das Arbeitsver- mögen und die maximale Leis- tungsfähigkeit der elektrischen Spritzgießmaschinen. Der Ener- gieverbrauch hingegen ist abhän- gig von Einschaltdauer, Nut- zungs- und Wirkungsgrad der

einzelnen angeschlossenen oder benötig- ten Verbraucher (Bild 1).

Der Zentralantrieb hydraulischer Ma- schinen arbeitet mit einer langen Ein- schaltdauer beziehungsweise im Dauer- betrieb des elektrisch angetriebenen Pumpenmotors. Da der hydraulische Pumpenantrieb prinzipbedingt einen schlechteren Wirkungsgrad aufweist als eine direkt elektrische Motor-Getriebe- kombination, ist sein Energieverbrauch wegen der großen Unterschiede in der Nutzungsdauer der Antriebe entspre- chend höher. Selbst wenn keine Maschi- nenbewegung abgerufen wird und die Pumpen kaum Öl fördern, verbraucht das hydraulische Zentralantriebssystem Materialdurchsatz

8

6 5 4 3 2 1 0 kWh/kg

spezifischer Energieverbrauch 1 3 5 7 9 11 13

technische Teile Verpackungsprodukte

kg/h 15 hydraulische Zwei-Pumpentechnik

hydraulische Zwei-Pumpentechnik energieoptimiert elektrisch direkt angetrieben

Bild 3. Prozessabhängigkeit des spezifischen Energieverbrauchs verschiedener Antriebstechniken für eine Baugröße. Der Durchsatz von 15 kg/h entspricht rund 80 % des maximal möglichen Werts dieser Maschinengröße

Arburg GmbH + Co KG Arthur-Hehl-Straße

Hersteller

i

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Energie – es entstehen Leerlaufverluste.

Vorteilhafter sind somit Systeme und An- triebe, die nur die tatsächlich benötigte Energie während einer bedarfsorientier- ten Nutzungsdauer abrufen.

Sehr unterschiedliche Wirkungsgrade

Diese Zusammenhänge werden deutli- cher, wenn man analysiert, wie sich der Energieverbrauch einer elektrischen ge- genüber dem einer hydraulischen Ma- schine über einen Zyklus verteilt: Der mittlere Energieverbrauch einzelner Achsbewegungen ist bei elektrischen An- trieben deutlich niedriger. Da aber die Auswahl und Auslegung der Motoren bei elektrischen Maschinen auf die notwen- dige Spitzenlast pro Bewegungsachse ab- gestimmt ist, ergibt die Summe der An- triebsleistungen der einzelnen Motoren zunächst einen höheren Wert als beim Zentralantrieb hydraulischer Maschinen (Bild 2).

Der niedrigere mittlere Energiever- brauch der elektrisch direkt angetriebe-

nen Bewegungsachsen resultiert zum Teil aus einem weiteren prinzipbedingten Vorteil: Die dort eingesetzten Kompo- nenten und Getriebe weisen in den meis- ten Fällen einen deutlich höheren Einzel- wirkungsgrad auf als dies bei hydraulischen Antriebskomponenten der Fall ist.

Zudem ist die Lastabhängigkeit der Wir- kungsgrade bei elektrischen Antriebs- komponenten niedriger als bei hydraulischen. Vor allem Hydraulikpumpen und -motoren weisen im Vergleich zu Elek- tromotoren ein Wirkungsgradkennfeld mit teilweise großen Differenzen auf – der höchste Wirkungsgrad wird meist bei Nennlast erreicht. Da die Antriebe im praktischen Einsatz allerdings selten unter Nennlast laufen, fällt der Wirkungs- grad hydraulischer Antriebe weiter ab.

Energieverbrauch der Maschinen ist vom Prozess abhängig

Schlussendlich ist die tatsächlich abgeru- fene Leistung für den Energieverbrauch und damit die Höhe der Kosten eines Pro- duktionssystems entscheidend. Folglich gilt es, den absoluten Energieverbrauch

zugeführte Energie

Kühlanlage Antrieb, Heizung, Steuerung

Trockner, Fördersystem vorwiegend elektrisch

abgeführte Energie vorwiegend Abwärme Abkühlung

Raumtemperatur

Wärmeverluste Kühlung, Antrieb und Tragkörper, Wärmeverluste

Wärmestrom Schmelze Heißkanal,

Werkzeugtemperierung

Bild 5. Energiefluss beim Spritzgießen: Die zugeführte Energie durchläuft mehrere Umwandlungs- prozesse, ehe sie als Wärme in die Umgebung oder an das Kühlwasser abgegeben wird

Verpackung Standard Technik

0,4 1 2 3 4

spezifischer Energieverbrauch [kWh/kg]*

*Leistungsaufnahme [kW]/Materialdurchsatz [kg/h]

Bild 4. Die Herstel- lung technischer Tei- le erfordert wegen der aufwendigeren Materialaufbereitung den Einsatz weiterer Peripheriegeräte. Da- mit steigt der spezifi- sche Energiever- brauch im Vergleich zu anderen Artikel- gruppen

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so niedrig wie möglich zu halten beziehungsweise die Systeme mit maximalem Wirkungsgrad zu betreiben. Die Bezugs- größe für die Ermittlung des Wirkungs- grads einer Spritzgießmaschine oder eines gesamten Spritzgießsystems ist die spezifische Enthalpie der Kunststoffe.

Dieser Begriff beschreibt die theoretisch nötige Energiemenge, um eine definierte Menge Kunststoffgranulat aufzuschmel- zen. Eine Gegenüberstellung des absoluten Energieverbrauchs der Spritzgießan- lage und der spezifischen Enthalpie lie- fert dann den jeweiligen Systemwir- kungsgrad.

Messungen des Energieverbrauchs einer Spritzgießmaschine bei unterschiedlichen Betriebspunkten und Prozessvari- anten belegen eine starke Prozessabhän- gigkeit des absoluten Energieverbrauchs und damit auch des Wirkungsgrads. Um die eingesetzte Energie optimal nutzen zu können, ist es folglich nötig, die energie- effizienten Betriebspunkte eines Produk-

Effizienz deutlich verbessert, weil sich die latent vorhandene durchsatzunabhängi- ge Verlustleistung auf eine größere Men- ge verarbeiteten Kunststoffs verteilt.

Zu berücksichtigen ist hierbei allerdings das Produktportfolio. So werden bei der Herstellung von Verpackungsar- tikeln hohe Massedurchsätze und damit meist sehr gute Effizienzwerte und Wir- kungsgrade erreicht. In der Produktion technischer Teile lassen sich solche Wer- te aufgrund der größeren Wanddicken, der höheren Prozesstemperaturen der technischen Werkstoffe und der damit verbundenen längeren Zykluszeiten hingegen kaum erreichen. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch, dass die Energieverbrauchsdifferenz zwischen den unterschiedlichen Antriebstechniken über den Arbeitsbereich praktisch konstant bleibt. Mit elektrischen Direktantrieben können somit bis zu 50 % Energie über den gesamten Arbeitsbereich eingespart werden (Bild 3).

brauch beitragen. Dazu gehören Trockner, Temperiergeräte, Kältegeräte, Vakuum- und Drucklufterzeuger sowie nicht zuletzt Heißkanäle im Werkzeug. Zwangsläufig erhöhen zusätzliche Peripheriegeräte den spezifischen Gesamtenergieverbrauch.

Besonders die Herstellung technischer Kunststoffteile erfordert wegen der höhe- ren Prozesstemperaturen und der aufwendigeren Materialaufbereitung den Einsatz weiterer Peripheriegeräte. Wäh- rend der spezifische Gesamtenergie- aufwand einer Verpackungsanwendung meist deutlich unter 1 kWh/kg liegt, kön- nen technische Artikel, insbesondere dick- wandige oder Mikro-Bauteile, einen spezifischen Energieverbrauch von weit über 5 kWh/kg erreichen (Bild 4).

Wärmeemissionen gezielt reduzieren

In der Energiebilanz einer Spritzgießpro- duktion steht die zugeführte, vorwiegend

Umgebungsluft

Warmwasser

Wirkungsgrad

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

26%

1,5 5

15

2

8,5

9

27,5

Kühl- aggregat

12,5 29

9

3,5 3,5

Bild 6. Leistungsbilanz [kW] einer Produktionszelle mit einer hydraulisch angetriebenen Maschine für einen Verpackungsartikel

Umgebungsluft

Warmwasser Tempe- riergeräte

8

8 2

4 4

4

4 4 1,5

3% 0,5 0,1

Wirkungsgrad

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

4,5 13,5

Bild 7. Leistungsbilanz [kW] einer Produktionszelle mit einer hydraulisch angetriebenen Maschine für ein dickwandiges technisches Teil

Umgebungsluft

Warmwasser Kühl- aggregat Standard-

bauteil

15

9,5 7 5

3 1

26%

1

2 2,5

14,5 5

Wirkungsgrad

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

Bild 8. Die Leistungsbilanz [kW] eines Produktionssystems für ein Stan- dardbauteil mit einer elektrischen Spritzgießmaschine im Zentrum belegt den niedrigen Energieverbrauch und die geringe Wärmeemission

Umgebungsluft

Warmwasser Kühl- aggregat 2,5

2 30

7 1

8

9,5 1

15 15%

Standard- bauteil

24,5 10

Wirkungsgrad

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

Bild 9. Leistungsbilanz [kW] eines Produktionssystems für ein Standard- bauteil mit einer hydraulischen Spritzgießmaschine im Zentrum. Der Ver- gleich mit Bild 8 zeigt das Einsparpotenzial elektrischer Direktantriebe

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nischer Teile bewirkt einen geringeren Wirkungsgrad und eine größere Prozess- abwärme, die an die Umgebungsluft abgegeben wird. Hier verlagern sich die zu- geführten Energieströme im Vergleich zu einer Verpackungsanwendung mehr auf die Peripheriegeräte, sodass der anteilige Verbrauch der Spritzgießmaschine ab- nimmt. Allerdings nimmt zugleich der Anteil der an die Umgebung abgegebe- nen Wärmemenge stark zu – bedingt durch die höheren Prozesstemperaturen und eben die zusätzlichen Peripherie- geräte. Bei klimatisierten Produktions- stätten, beispielsweise in Reinräumen, ist deshalb anzustreben, einen möglichst ho- hen Anteil der anfallenden Wärme mit dem Kühlwasser abzuführen, da diese Wärme vergleichsweise einfach transportiert, weiterverwendet oder entsorgt werden kann (Bilder 6 und 7). Auch bei dieser Problemstellung können durch elektrische Direktantriebe mit wasser- gekühlten Motoren deutliche Verbesse- rungen erzielt werden.

Das Einsparpotenzial von elektrischen gegenüber hydraulischen Spritzgießma- schinen verdeutlicht ein direkter Vergleich bei der Herstellung des gleichen Bauteils (Bilder 8 und 9). Die Vorteile elektrischer Direktantriebe beschränken sich nicht al-

lein auf die Reduzierung des Energiever- brauchs und der Wärmeemission, sie schlagen sich auch in einem schwächeren Geräuschpegel und geringerer Staubent- wicklung nieder – vorausgesetzt, wasser- gekühlte Motoren (Bilder 10 und 11) und geräuscharme Spindeltriebe kommen zur Anwendung. Gewindespindeltriebe sind Riementrieben und Kugelrollspindeln vor- zuziehen, da sie weniger Lärm und Staub- entwicklung verursachen.

Kleine Details mit großer Wirkung

Die Beachtung und Berücksichtigung ei- niger kleiner Details im Umfeld des Spritzgießprozesses eröffnet ein weiteres Potenzial zur Verbesserung der Energie- effizienz. Das Zusammentreffen der heißen Kunststoffschmelze mit dem gekühlten oder temperierten Spritz- gießwerkzeug bedingt große Tempera- turdifferenzen auf engem Raum. Einer- seits muss daher die eingebrachte Wärme so schnell wie möglich abgeführt werden, um kurze Zykluszeiten zu ermöglichen;

andererseits muss, eventuell mithilfe eines Heißkanals, die Schmelze im gekühl- ten Werkzeug transportiert bzw. die Werkzeugkavität temperiert werden.

Diese Problemstellung, gepaart mit oftmals eingeschränkten Designmög- lichkeiten, lässt häufig nur energetisch höchst ungünstige Lösungen zu. Beson- deres Augenmerk muss deshalb darauf gelegt werden, dass der Heißkanal gegenüber dem kälteren Bereich des Werkzeugs und das (temperierte) Werk- zeug gegenüber den Maschinenauf- spannplatten gut isoliert ist. Eine inef- fektive Isolierung von Heißkanal und Werkzeug kann dazu führen, dass der Heißkanal ähnlich einem Durchlauf- erhitzer direkt das Kühlwasser aufheizt oder das Werkzeug über die Maschinen- aufspannplatten große Wärmemengen an die Umgebung abgibt.

Großzügig dimensionierte Medien- kanäle und kurze Versorgungsleitungen reduzieren den Energieaufwand im Werkzeugumfeld und bei den dort eingesetzten Peripheriegeräten ebenfalls.

Weitere wichtige Maßnahmen wie die, die Prozesssicherheit und die Ausschuss- quote einer Produktion einschließlich der Anfahrvorgänge zu optimieren, werden oft vernachlässigt. Dies setzt eine qualifizierte Prozessbeurteilung voraus,

Bild 11. Wassergekühlter elektrischer Dosierantrieb Bild 10. Wassergekühlter elektrischer, frequenzgeregelter Hauptantrieb

einer hydraulischen Spritzgießmaschine

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um einen stabilen Prozess er- kennen, im weiteren Betrieb die Produktqualität sicherstellen und den Prozess do- kumentieren zu können.

Schließlich tragen geeignete Maßnahmen an der Maschi- ne sowie die Optimierung der Arbeitsabläufe durch eine verbesserte Produktionspla- nung dazu bei, den Energie- verbrauch zu senken.

Hohe Präzision elektrischer Antriebstechnik

Elektrische Spritzgießmaschi- nen haben nicht nur beim Energieverbrauch und bei der Lärmminderung die Nase vorn. Auch verfahrenstech- nisch bieten sie etliche Vortei- le – insbesondere was die Dynamik und Präzision der Achs- und Fahrbewegungen betrifft. Daraus resultieren ne- ben der höheren Prozessstabi- lität eine bessere Reprodu- zierbarkeit der Bewegungen und nicht zuletzt kürzere Zyk- luszeiten. Allein die Genauig- keit elektrisch direkt angetrie- bener Achsen wie Schließ- einheit oder Auswerfer ist um den Faktor zehn höher als die hydraulischer Achsen. Kombi- niert mit Handling- oder anderen Automatisierungssyste- men leiten sich daraus zusätz- liche Pluspunkte ab.

Fazit

Energieverbrauch und Emis- sionen einer Spritzgießpro- duktion werden maßgeblich von der Konfiguration der Spritzgießmaschine bestimmt.

Moderne Antriebstechniken, insbesondere direkt angetriebene elektrische Achsen – je nach Einzelfall auch in Kom- bination mit hydraulischen Antrieben – können den Ener-

eine Ideallösung gibt. Hierbei gilt es, die Schließeinheit mit einer passenden Spritzeinheit und der geeigneten Antriebs- technik zu einem System zu vereinen, das energieeffizient, emissionsarm und mit der er- forderlichen Prozessgenauig- keit arbeitet.■

DER AUTOR

DIPL.-ING. (FH) MARTIN HOYER, geb. 1958, ist Abteilungsleiter Anwen- dung der Arburg GmbH + Co KG, Loßburg.

SUMMARY KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL

How to Improve the Energy Balance of Injection Molding

GENERAL CONSIDERATION. With energy prices on the rise, energy con- sumption is growing more and more significant for plastics processors’ ba- lances, i.e. when calculating operating costs of machines and plants, as well as for the costs of part manufacturing. Employing direct electric drives in injection molding machines provides a large potential for reducing these costs – and this is going to be one of the factors that determine purchase decisions.

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