Standortsicherung. Die Standortdiskussion rankt sich zu einem großen Teil um Lohnkosten – aber auch neue Ansätze, Innovationspotenzial zu erschließen, müssen gefunden werden, um Wertschöpfungsvorteile zu gewinnen. Intelligente Verfahrenskombinationen, neue Maschinenantriebskonzepte, Hochleistungs- anwendungen durch erweitere Spezifikationen und Mehrkomponententechnik sind nur einige Beispiele, mit denen der Spritzgießmaschinenhersteller Ferromatik Milacron hierzu seinen Beitrag leistet.
MICHAEL KOCH
D
ie Standortdiskussion in Deutsch- land dreht sich vornehmlich dar- um, dass lokale Unternehmen dem zunehmenden Kostendruck nicht in dem Maße gewachsen sind, um ein langfristi- ges Überleben am Markt zu sichern. Das gilt für alle einschlägigen Absatzmarkt- segmente von Spritzgussartikeln, beson- ders für die Segmente, die in den ver- gangenen Jahren durch Verlagerungen von Produktionskapazitäten in Billig- lohnländer gekennzeichnet waren, z. B.im Automobilsektor, in der Elektro-, Elektronik- und Telekommunikations- sparte (EET) und bei Konsumgüterarti-
keln. Zielländer sind hier die Staaten Ost- europas und China.
Geringe Wertschöpfung
mündet in eine Innovationsfalle
Unabhängig von Lösungen für die exis- tenziellen Herausforderungen, die Ar- beitsmarktpolitik, Eingriffe bei den Ge- samtlohnkosten und andere Infrastruk- turkosten an hiesige Spritzgießer stellen, gibt es Ansatzpunkte, durch Innovation den Stellenwert zurückzugewinnen, mit dem mittelfristig aussichtsreiche Wert- schöpfungsvorteile auch in Mitteleuro- pa gesichert werden können. Die Frage ist dabei, wie Innovation heute aus der
Sicht eines Maschinenherstellers aus- sehen kann. Auch Maschinenbauer fin- den sich zunehmend unter Wettbe- werbsdruck aus Ländern mit günstige- ren Währungsparitäten oder „billigen“
Arbeitskräften und sind so unter glei- chen Vorzeichen herausgefordert wie die Spritzgießer.
Es steht nicht zu erwarten, dass neue Maschinentechniken oder in erheblichem Umfang neue Verfahren für Massenan- wendungen entwickelt werden. Sicherlich wird es zunehmend darauf ankommen, ei- nen kontinuierlichen Verbesserungspro- zess voranzubringen, der Kosten und tech- nische Spezifikationen von Maschinen im Blick hat.Wir müssen aber feststellen, dass
Wertschöpfung durch Innovation in der
Spritzgießtechnik
Vollhydraulische Hoch- leistungsspritzgießmaschine K-Tec 450 S mit
Nachdruckbaustein
die bisherige Innovationskurve nur ein begrenztes Potenzial lässt, mit geringem Aufwand nachhal- tige Fortschritte zu errei- chen. Eine Sättigung tritt ein, die dadurch gekenn- zeichnet ist, dass der für eine technische Neuerung nötige Aufwand ungleich größer ge- genüber dem erreichten Wertschöpfungsvor- teil ausfällt. Dies ist eine gefährliche Fal- le, die leicht dazu führen kann, dass der Innovation nur noch nachrangige Bedeu- tung zugeordnet wird. Diesen Trend för- dert letztlich der hohe Wettbewerbsdruck, denn auch Innovation kostet Geld, selbst wenn der Kunststoffverarbeiter oftmals die in der Maschinenausrüstung enthaltene Technologie durch die Maschinenherstel- lungskosten abzugelten glaubt – ein weit verbreiteter Irrtum.
Verfahrenskombinationen erschließen Potenziale
In einer so genannten technologischen Sättigungsphase muss neben inkremen- tellen Verbesserungen ein neuer Ansatz gesucht werden, der eine nachlaufende In- novationsphase in Gang bringt, die auf bisherigen Erkenntnissen und dem Stand der Technik aufbaut, aber genau das Maß an zusätzlicher Wertschöpfung eröffnet, das die Innovation voranbringen kann.
Mit anderen Worten: Es bietet sich an, bis-
her bekannte Technologien, z. B. aus an- deren Anwendungen, in neuer Art und Weise miteinander zu kombinieren. Ein typisches Beispiel ist, verschiedene Verar- beitungsschritte in einem Produktionssys- tem zuverlässig miteinander zu verbinden.
Diese Strategie kann sich stützen auf
■ die Materialeigenschaften,
■ die Kombination von Eigenschaften verschiedener Materialien,
■ die Neukombination modularer Ma- schinenkonzepte zur Ausnutzung ver- besserter Produktivität und gleichzei- tig erhöhter Prozessintegration oder
■ die intelligente Prozesskombination in einem Verarbeitungssystem.
Bild 1 zeigt das Aufsetzen einer solchen neuen Innovationskurve und betont die
genannten Ansatzpunkte des Potenzials:
Werkstoff, Maschinensystem und Prozess mit dem jeweiligen Anforderungsprofil eines jeden Feldes.
Wer diesen Ansatz konsequent verfolgt, kommt nicht umhin, auch die inkremen- tellen Verbesserungen voranzutreiben, die die technische Grundlage ausbauen. So werden auch diese hier mit Blick auf ver-
schiedene Technologien und Anwendun- gen ansatzweise einbezogen, und es wird aufgezeigt, wie verschiedene Kombina- tionen einzelner Aspekte zu neuen An- sätzen führen.
Europäische Zurückhaltung gegenüber vollelektrischen Maschinen
Vollelektrische Spritzgießmaschinen wer- den vornehmlich in Asien (60–70 % der japanischen, entsprechend der gesamten europäischen Maschinenproduktion) und Nordamerika (25–30 % Markt- durchdringung) eingesetzt. Die europäi- sche Verarbeitungsindustrie hat sich bis- lang eher zurückhaltend mit dieser Rea- lität auseinander gesetzt. Dies liegt einer- seits daran, dass die in Europa eingesetzte Hydraulik sehr hochwertig und leis- tungsfähig ist, zudem in einem eher kon- servativen Umfeld angeboten wird, in dem der Energiekostendruck noch nied- riger ist als in Asien und den USA. Letzt- lich trägt auch die zurückhaltende Rolle der europäischen Maschinenhersteller in den 90er-Jahren dazu bei.
Als einer der wenigen setzt sich Ferro- matik Milacron seit über zwölf Jahren mit diesem Thema ernsthaft auseinander und ist daher nicht zu Unrecht europäischer Marktführer in diesem Segment. Jetzt ist bereits die dritte Generation der voll- elektrischen Maschinen in mittelgroßer
Innovationsprozess
Bild 1. Auf eine erste Innovationsphase folgt vor Erreichen der Sättigung die Dynamik neuer Tech- nologieansätze – Auf- wand und Nutzen müssen im Gleichge- wicht bleiben
Wirkungsgradvergleich
Bild 2. Der Wirkungsgrad hydraulisch angetriebener Maschinen leidet unter einer
langen Verkettung von Wirkelementen V
Serie im Bau – damit ist das einst hem- mende Argument hoher Investitionskos- ten nicht mehr gültig. Sowohl Mehrkom- ponentenmaschinen vollelektrischer Bauart, Maschinen mit hohem Options- umfang als auch einfach ausgerüstete Ma- schinen brauchen den Kosten-Nutzen- Vergleich mit vollhydraulischen Maschi- nen gleichen Leistungsprofils nicht mehr zu scheuen – ganz im Gegenteil offenba- ren vollelektrische Maschinen in einzel- nen Fällen bereits deutliche Vorteile.
Sicher dürfen solche Fälle nicht verall- gemeinert werden, doch gerade bei an- spruchsvollen Anwendungen, die nicht die typischen Grenzen langer Nach- druckzeiten und extremer Einspritzleis- tungen fordern, hat die neueste Genera- tion elektrisch angetriebener Maschinen im Schließkraftbereich unter 2000 kN deutliche Vorteile: Energie sparend, schnell, präzise, wiederholgenau, leise, sauber. Nachteilig sind das Preis-Leis- tungs-Verhältnis für Hochleistungsan- wendungen, der heute wirtschaftlich be- grenzte untere Schließkraftbereich, die schlechte Eignung für Zyklen mit langen Nachdruckzeiten und die (vermeintlich) höhere Investitionshürde.
Die Definition einer elektrisch ange- triebenen Maschine erstreckt sich auf die Hauptfunktionsachsen: den Plastifizier- antrieb, die Einspritzbewegung, die Öff- nungs- und Schließfunktion samt Schließkraftaufbau sowie die Auswerfer- funktion. Die mögliche Energieein- sparung, die sich aus der in Bild 2 darge-
stellten Funktionskette ergibt, hebt sie von hydraulischen Maschinen ab, die un- ter der mangelnden Effizienz der Wir- kungskette vom Motor bis zum Funkti- onselement durch unterschiedliche Übersetzungsmechanismen leiden. Eine Energieeinsparung von bis zu 50 % ist in verschiedenen Anwendungsfeldern nachgewiesen (Bild 3); diese begründet selbst im Falle höherer Investitionskosten bereits nach einer Amortisationszeit von einem Jahr einen Betriebskostenvorteil.
Gleiches gilt für die hohe Wiederholge- nauigkeit, sowohl was die Schussge- wichtskonstanz als auch die mechanische Reproduzierbarkeit des gesamten ma- schinentechnischen Bewegungsablaufs angeht (Bild 4).
Hybridmaschinen für
Hochleistungsanwendungen
Hybridkonzepte sind seit vielen Jahren eine vorteilhafte Variante des Übergangs von vollhydraulischen zu vollelektri- schen Antrieben. Als Hybridlösung be- zeichnet werden klassischerweise elektri- sche Plastifizierantriebe, die entweder durch Motor-Getriebe-Konstruktionen oder als Direktantriebe ausgeführt wer- den. Die über den Antrieb eingebrachte Plastifizierleistung in einer Spritzgieß- maschine stellt je nach verarbeitetem Material etwa 60–80 % der aufgenom- menen Energie dar. Hier kann eine elek- trische Antriebslösung bereits einen großen Teil der möglichen Energieein- sparung beitragen, auf andere Vorteile der vollelektrischen Antriebe verzichtet der Anwender dann jedoch.
Vor allem für Hochleistungsanwen- dungen sind Hybridmaschinen sinnvoll, lassen sich doch auf diese Weise die ein- gesetzten Hauptantriebe in vollem Um- fang für Einspritz- und Formbewegun- gen verwenden, ohne überdimensionale
„Energievernichtungsaggregate“ in Form eines großen Hydraulikantriebsstrangs einsetzen zu müssen, der in vielen Fällen leicht ebenso teuer wie eine Hybridlösung wird, aber wesentlich höhere Betriebskos- ten nach sich zieht. Der Servomotor oder konventionelle E-Motor eines elektri- schen Schneckenantriebs kann kurzfristig mit einer höheren als der Nennlast be- trieben werden, ohne dass ein Schaden zu erwarten steht. Dies hat den Vorteil, dass gerade in der Anfahrsituation des insta- tionären Spritzgießprozesses ein höheres als das Nenndrehmoment zur Verfügung gestellt werden kann – bei Materialien mit hohen Reibbeiwerten im Feststoffbereich ein besonderes Plus. Das hilft, eine Pulsa-
Energieverbrauch
Bild 3. Ein Vorteil vollelektrisch ange- triebener Maschinen liegt in einem deut- lich niedrigeren Energieverbrauch je verarbeitetem Kilo- gramm Kunststoff (Messungen bei Ferromatik Milacron)
Schussgewichtskonstanz und Gewichtseinsparung
Bild 4. Hohe Wiederholge- nauigkeit vollelektrisch angetriebener Maschinen zahlt sich in Gewichts- einsparungen aus. Regel- barkeit und Reproduzier- barkeit von Einspritzbewe- gung und Dosierung führen bei elektromechanischen Antriebsachsen zu redu- zierter Streuung des Teile- gewichts und damit zu po- tenzieller Gewichtsein- sparung – das mittlere Teilegewicht kann näher an der unteren Spezifikati- onsgrenze (USG) liegen
tion des Durchsatzes zu vermeiden, ein Massepolster mit hoher Wiederholge- nauigkeit bereitzustellen und damit ein genaues Prozessfenster einzuhalten.
Maschinenspezifikationsfenster und Dünnwandtechnik
Bei Maschinenspezifikationen gilt die 80/20-Regel. Demnach lassen sich etwa 80 % der Anwendungen mit durch- schnittlichen Maschinenleistungen ab- decken. Die restlichen 20 % der Verarbei- tungsfälle erfordern erhöhte oder gezielt verbesserte Maschinenleistungen. Das ist ein Ansatzpunkt verbesserter Wertschöp- fung in der Weise, dass Hersteller heute Maschinenspezifikationen anbieten, die weit über das Maß der Leistungen ver- gangener Jahre hinausgehen – und das mehr und mehr als Standard oder Opti- onsumfang denn als Sonderlösung. Da- her verändert sich die Rolle einer bislang so genannten hochwertigen Maschine.
Dünnwandanwendungen erfordern bei Fließweg-/Wanddicken-Verhältnissen zwischen 150 und 400, besonders bei hochviskosen Schmelzen, erhebliche Ein- spritzgeschwindigkeiten. Wenn eine
„normale“ Maschine im Bereich von 100 bis 300 mm/s Einspritzgeschwindigkeit arbeitet, bietet eine verbesserte Maschine eine höhere Leistungsfähigkeit zwischen 400 und 800 mm/s, doch die technische Grenze liegt heute erst bei Einspritzge- schwindigkeiten über 1 m/s. Als Folge werden verbesserte Zykluszeiten, redu- ziertes Teilegewicht, optimierte Eigen- schaften und damit erhöhte Wertschöp- fung erreicht.
Weit verbreitet ist der Irrtum, dass ein erhöhter Einspritzdruck die gleiche Wir-
kung erzielt, ist er doch nur ein Hilfs- werkzeug, das Maschinen ungleich höher beansprucht und den gewünschten Effekt nur teilweise erbringt. Die Maschinen- entwicklung zeigt hier neue Wege, die den Wert der Investition zwar erhöht, damit aber die Basis verbesserter Wertschöp- fung bildet.
Einspritzvorgang von der Nachdruckphase trennen
Bei Verpackungsanwendungen steht im Vordergrund der Faktor Produktivität.
Neben der Maschinenverfügbarkeit und der Prozessstabilität ist die Zykluszeit ein wichtiges Kriterium. Schnelllaufenden Anwendungen sollten daher nur die phy- sikalischen Grenzen des Prozesses (Ein- spritzen, Nachdrücken, Kühlen) und der Bewegungsabläufe (Werkzeug auf/zu einschließlich Schließkraftauf- und -ab- bau) gesetzt sein. Dazu zählt, dass bei lan- gen Nachdruckzeiten die Plastifizierung nur in der – meist kurzen – Kühlzeit mög- lich ist. Das macht Zyklen unnötig lang.
Gleichzeitig sind hohe Schussgewichte in Mehrkavitäten-Werkzeugen gefordert.
Ein nahe liegender Ansatz ist die Ver- wendung eines großen Schneckendurch- messers, um hohe Durchsätze der Schnecke bereitzustellen. Das ist jedoch teuer und birgt oft das Risiko einer un- genauen Prozessführung. Ferromatik Mi- lacron hat einen Nachdruckbaustein (Bild 5) entwickelt, der konsequent den
Einspritzvorgang von der Nachdruck- phase trennt. Nach dem Einspritzen und Füllen des Bausteins wird ein Ventil in der Maschinendüse geschaltet, und der Nach- druckbaustein vollzieht das Massenach- drücken, während die Plastifiziereinheit bereits wieder Schmelze für den nächsten Schuss aufbereitet. Effizient und präzise werden auf diese Weise in einem schnel- len Zyklus zusätzliche Wertschöpfungs- vorteile genutzt.
Natürlich lassen sich Plastifizierzeiten oftmals durch Durchsatzoptimierung reduzieren. Dazu werden speziell zu- geschnittene Schneckengeometrien, in Verpackungsanwendungen Barriere- schnecken, eingesetzt. Dabei werden oft Kompromisse hinsichtlich der Verwend- barkeit bei variierenden Betriebspunkten in Kauf genommen. Der Einsatz von Misch- oder Scherelementen kann das Prozessfenster vergrößern, wenn um bis zu 30 % erhöhte Durchsätze mit verän- derter Geometrie erreichbar sind. Hier hat sich speziell auf Ferromatik-Maschi- nen der Einsatz von Zahnscheibenmisch-
teilen oder Wendelnutenscherteilen be- währt. Bild 6 zeigt die Durchsatzerhö- hung an einem Beispiel für eine derarti- ge Verpackungsanwendung.
Aggregatkonfigurationen für die Mehrkomponententechnik
Flexibilität in der Maschinentechnik ist die Grundlage des technischen Erfolgs Bild 5. Der Nachdruckbaustein sorgt für eine
konsequente Trennung von Einspritz- und Nachdruckphase – die Folge sind schnelle Zy- klen mit besserer Nutzung der Investition
Durchsatzerhöhung durch Barriereschnecke
Bild 6. Bis zu 30 % höhere Durchsatz- werte sind durch Barriereschnecken erreichbar – das Prozessfenster lässt sich durch Einsatz von Scherelementen vergrößern (Der spe- zifische Plastifizier- strom versteht sich als Quotient aus Durchsatz und Um- fangsgeschwindig- keit)Überdrucksicherung die Sicherheit ohne Störfalle
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V
von Mehrkomponenten-Anwendungen, die durch kurzlebige Produktzyklen ge- kennzeichnet sind und hohe Anforde- rungen an die Maschinentechnik stellen.
Seit mehr als zwei Jahrzehnten werden unterschiedliche Aggregatkonfiguratio- nen entwickelt.
Bild 7 stellt einen Teil der üblichen An- ordnungen dar. Hierbei sind verschiede- ne Gesichtspunkte zu berücksichtigen. Ei- ne bevorzugte Anordnung nutzt die Ver- tikalposition einer zweiten Spritzeinheit.
Damit lassen sich Flexibilität, geringe Auf- stellfläche, einfache Bedienung und Werk- zeugschonung vereinen. Wenn man diese Lösung unter dem Gesichtspunkt der Pro- duktivität betrachtet, ist sie meist die kos- tengünstigste. Analog gilt dies für Aggre- gate in L-Position, nur brauchen diese ei- ne erheblich vergrößerte Aufstellfläche und sind meist aufwändiger in der Ein- stellung. Huckepackaggregate sind schon problematischer, da die Prozessführung darunter leidet, dass der unten liegende Schneckenzylinder erheblichen Einfluss auf die Regelgenauigkeit des oberen Zy- linders hat. Meist wird ein größeres oder zweites Loch in der festen Werkzeugauf- spannplatte notwendig, das die Stabilität des Holmrahmens reduziert und die Durchbiegung der festen Werkzeugauf- spannplatte weiter erhöht. Gleiches gilt für die Parallelanordnung, bei der zusätzlich die außermittige Anordnung des bisheri- gen Hauptaggregates die Nutzung als Ein- farbmaschine einschränkt.
In den vergangenen Jahren wurden auch Lösungen entwickelt, bei denen Ag- gregate an der beweglichen Werk- zeugaufspannplatte angebracht werden und mit dieser bei den Werkzeugbewe- gungen mitfahren. Das verlangsamt unter Umständen die Maschinenbe- wegung, hat aber z. B. gerade für die Etagenwendetechnik Vorteile in der Werkzeugauslegung und Maschinenauf- stellfläche. Natürlich bietet sich auch die Kombination der genannten Varianten an, wenn mehr als zwei Aggregate an ei- ner Maschine eingesetzt werden. Ferro- matik Milacron hat umfangreiche Er- fahrung in der Anbindung von Mehr- komponenten-Aggregaten in jedweder
Position (bis zu sechs Aggregate an einer Maschine).
Meist bestimmt das Werkzeug die güns- tigste Anordnung, speziell bei Heißkanal- werkzeugen ist die thermische und damit räumliche Trennung zweier oder mehre- rer Angüsse bei Verwendung thermisch unterschiedlich verarbeiteter Materialien sinnvoll. Huckepacklösungen sind aus verfahrenstechnischen Gründen zu ver- meiden. Kernzüge oder Schieber stellen die einfachste Form der Werkzeugtechnik dar, mit der sich Mehrkomponentenbau- teile in einer Form und mehreren Ein- spritzaggregaten herstellen lassen. Eine Reihe anderer Konzepte ermöglicht den Transfer von Kavitäten in einer Form, z. B.
Drehtellerwerkzeuge, Transferwerkzeuge, Indexplattenwerkzeuge, Etagendreh- oder Etagenwendewerkzeuge. Ebenso kann ein Handhabungsgerät eine dieser Funktio- nen wahrnehmen. An dieser Stelle aller- dings die umfangreichen Möglichkeiten der Mehrkomponenten-Werkzeugtechnik gegeneinander abzuwägen, sprengt den Rahmen. Erwähnt werden soll aber die
Einlegetechnik, mit der Verbundbauteile aus Metall und Kunststoff oder andere Materialkombinationen denkbar sind.
Auf diesem Felde sind besonders für die Automobilindustrie noch viele Möglich- keiten gesteigerter Wertschöpfung für Komponenten unter der Motorhaube denkbar.
Verfahrenskombinationen als Instrument zur
Standortsicherung
Im vergangenen Jahrzehnt wurden ver- schiedene neue Verfahrentechniken ent- wickelt, die symbolisch in Bild 8 darge- stellt sind. Diese Verfahren sinnvoll mit-
Verfahrenstechniken
Bild 8. Viele Spritz- gießprozesstechni- ken sind bekannt – aus ihrer Kombina- tion miteinander ent- steht neue Wert- schöpfung
Konfiguration von
Mehrkomponentenaggregaten
Bild 7. Flexibilität wird durch Modu- larität erreicht – unterschiedliche Aggregatkonfigura- tionen müssen sorg- fältig ausgewählt sein, um langfristiges Nutzungspotenzial zu sichern
einander zu kombinieren, hebt auf das er- weiterte Innovationsverständnis ab, das eingangs in diesem Beitrag beschrieben wird. Bild 9 zeigt schematisch den Mo- nosandwichprozess, der durch Ausblasen des inneren Anteils des Kerns ein Bauteil liefert, das einerseits leichtgewichtig ist, andererseits die Kombination zweier Ma- terialien erlaubt. In einem weiteren Ver- arbeitungsschritt könnte der durch die von Ferromatik patentierte Airpress-3- Technologie erzeugte Hohlraum mit ei- nem geschäumten Material ausgefüllt
und so eine zusätzliche Eigenschaftsver- besserung bzw. neue Kombination er- reicht werden.
An diesem einfach erscheinenden Bei- spiel eröffnet sich ein erneuertes Verständ- nis von Innovationsmöglichkeiten, das Wertschöpfungsvorteile greifbar macht.
Dieser neuen Technologiephase möchte Ferromatik Milacron durch sein reichhal- tiges Portfolio an Maschinen- und Verfah- rens-Know-how Vorschub leisten und so den Standort der Kunststoffverarbeitung in Zentraleuropa sichern helfen.■
Verfahrenskombination
Bild 9. Durch die Kombination von Monosandwich und Airpress Verfahren lassen sich bisher nicht ausgeschöpfte Werte erzeugen. Oben rechts: Pkw-Türgriff in Monosandwich + Airpress 3; Ein- sparungen gegenüber dem Kompakt-Spritzgießen: Zykluszeit ca. 45 %, Teilegewicht ca. 30 %
WIDMUNG
Dieser Artikel ist Herrn Professor Dr.-Ing. Helmut Potente zum 65. Geburtstag in Dank und Anerkennung für seine Leistungen gewidmet.
DER AUTOR
DR.-ING. MICHAEL KOCH, geb. 1955, ist Ge- schäftsführer der Ferromatik Milacron Maschinenbau GmbH, Malterdingen.
Kontakt: fm_marketing@ferromatik.com
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Adding Value
through Innovation in Injection
Moulding
SAFEGUARDING THE ECONOMIC VIABILITY OF PRODUCTION SITES. Combining commonly used injection moulding processes can open up pre- viously untapped innovation potential. Typical approaches in this respect include the multi-com- ponent technique and the merging of various pro- cess steps into one production cell. Electrical machine drives reduce production costs and enhance part quality, even though many applica- tions are better served – even in the long term – with hydraulic drive solutions. In any case, the specification window for the machines involved is opened further, with the result that previously untapped processes can be more readily covered.
Flexibility is ensured by modular machine con- cepts so that converters and processors can derive long-term benefits even from high-value investments.
NOTE: You can read the complete article by entering the document number PE102762 on our website at www.kunststoffe.de/pe
