KunststoffXtra 5-6/2022

5–6/ 2022

OFFIZIELLES ORGAN VON K U N S T S T O F F. s w i s s

Mai/Juni 2022

KUNSTSTOFF XTRA

DIE FACHZEITSCHRIFT FÜR WERKSTOFFE – VERARBEITUNG – ANWENDUNG

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EDITORIAL

Maschinenbau im Wandel Digitalisierung stand im Maschinenbau lange Zeit für neue Geschäftsmodelle und Chancen, die sich mit der fortschreitenden Entwicklung ergeben. Nun

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KUNSTSTOFF XTRA

hat sie allerdings einen Punkt erreicht, ab dem die bestehende Wertschöpfungskette erfasst und umgewälzt wird. Das heisst man kann nicht mehr nur neue Geschäftsmodelle entwickeln, man muss.

Michael Staebe, Co-Autor einer entsprechenden Studie, schreibt über die DACH-Region: «Anders als gewohnt, kann sich der Maschinen- und Anlagenbau nicht mehr durch hardwarezentrierte Innovationen absetzen. Den Fokus auf immer intelligentere, schnellere und günstigere Maschinen zu legen, ist in diesem Umfeld kein Erfolgsgarant mehr.»

gepasste Lösungen, die sich aus einer Kombination aus Hardware, Software und zugehörigen Services zusammensetzt. Die Zukunft sieht der Experte in As-a-Service-Modellen, wie es die IT bereits seit einiger Zeit vormacht. Letztlich bezahle die Kundschaft laut Staebe nicht für die Anlage selbst, sondern für die tatsächliche Nutzung einer Maschine.

Zur Bewältigung dieser Herausforderungen setzten Maschinen- und Anlagenbauer vermehrt auf Zukäufe. Auf diese Weise verschaffen sich Unternehmen Zugang zu wachstumsstarken und erfolgskritischen Märkten.

Besonders begehrt sind laut Staebe Firmen, die auf Software, Internet der Dinge, KI oder Konnektivität spezialisiert sind. Denn mit diesen Technolo­ gien wollen viele Maschinen- und Anlagenbauer den Wandel hin zu lösungsorientierten Geschäftsmodellen forcieren.

Damit einher geht, dass sich viele Unternehmen der Branche intern neu aufstellen. Der Trend geht hin zu fokussierten Geschäftsbereichen mit mehr Eigenverantwortung über strategische Entscheide. Wobei eine schlanke Zentrale eine eher unterstützende Rolle einnimmt. Der Experte fasst das so zusammen: «Dezentralisierung ist das Gebot der Stunde.»

Thomas Meier, Redaktor

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Farbe für technische Kunststoffe Medizinaltechnik

Vielmehr brauche es integrierte, spezifisch auf die Kundenbedürfnisse an-

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INHALTSVERZEICHNIS

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VERARBEITUNG Eine Frage der Klasse

Welche Spritzgiessmaschine ist für welche Anwendung die richtige? Ist schnell auch leistungsfähig – und zu welchem Preis?

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Ressourcen schonen, das Klima schützen

Die Herstellung von Produkten aus nur einem Material ist nachhaltig: Ressourcen werden geschont, das Recycling erheblich vereinfacht.

AUTOMATION

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Robotergestützte Fertigungslösungen

Bei komplexen Handling- und Produktionsabläufen sind Roboter flexibler einsetzbar als fest verbaute Mechatronik-Module.

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Der Hauptkostenträger bei der Herstellung von Kunststoffbauteilen im Spritzgussverfahren ist die Herstellung der Spritzgussform.

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Abkehr von Einweg-Plastik beschleunigen

IMPRESSUM

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Die Fachzeitschrift für Werkstoffe – Verarbeitung – Anwendung Erscheinungsweise 7 × jährlich Jahrgang 12. Jahrgang (2022) Druckauflage 4200 Exemplare WEMF / SW-Beglaubigung 2021 3565 Exemplare total verbreitete Auflage 1359 Exemplare davon verkauft ISSN-Nummer 1664-3933 Internet www.kunststoffxtra.com Geschäftsleiter Andreas A. Keller

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Anzeigenverkauf SIGImedia AG Jörg Signer Alte Bahnhofstrasse 9a CH-5610 Wohlen Telefon +41 56 619 52 52 Telefax +41 56 619 52 50 info@sigimedia.ch Redaktion Thomas Meier Telefon +41 79 310 01 59 thomas.meier@sigwerb.com Marianne Flury (Senior Editor) Telefon +41 32 623 90 17 m.flury@sigwerb.com

CIRCULAR ECONOMY Rezyklate müssen fürs Upcycling geeignet sein

Interview mit Michael Lackner, Managing Director Lindner Recyclingtech.

Herausgeber/Verlag SIGWERB GmbH Unter Altstadt 10, Postfach CH-6302 Zug Telefon +41 41 711 61 11 info@sigwerb.com, www.sigwerb.com Anzeigenverkaufsleitung Thomas Füglistaler

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ABB Robotics ist eine Kooperation mit dem kalifornischem Unternehmen Zume eingegangen, einem globalen Anbieter von innovativen und biologisch abbaubaren Verpackungen.

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Für unverlangt eingesandte Manuskripte wird keine Haftung übernommen.

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INHALTSVERZEICHNIS

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CIRCULAR EONOMY

Gelungener Schweizer Verpackungsevent

Terrassendielen fürs Leben – aus Plastikmüll

In Nordamerika wurden Reststoffe aus Kunststoff über Jahrzehnte hinweg in grossen Mengen exportiert. Dabei war und ist es meist effizienter, kostengünstiger und in jedem Fall nachhaltiger, sie im eigenen Land zu verwerten.

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MESSE

Die 13. Ausgabe der Empack bot eine umfangreiche Kompetenz an Fachthemen und Neuheiten.

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VERPACKUNG Auf die richtige Verpackung kommt es an

BEARBEITUNG Effizient automatisiert entgraten

Verpackungen sollten möglichst umweltfreundlich und gleich­zeitig praktisch sein.

Die weitere Optimierung von Qualität, Produktivität und Kapazität veranlassten einen führenden Hersteller von KunststoffSpritzgussteilen, vorhandene Strahlanlagen zu ersetzen.

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WERKSTOFFE

WIRTSCHAFT

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NEWS

Maschinen- und Anlagenbau erfinden sich neu

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PRODUKTE

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V erarbeitung

Über die Leistungsfähigkeit von Spritzeinheiten

Eine Frage der Klasse Welche Spritzgiessmaschine ist für welche Anwendung die richtige? Ist schnell auch leistungsfähig – und zu welchem Preis? Wer diese Fragen durch Vergleich von Prospektdaten lösen will, wird enttäuscht. Denn verschiedene Hersteller messen zum Teil unter unterschiedlichen Bedingungen und geben Kenngrössen an, die so wenig miteinander vergleichbar sind wie Äpfel und Birnen.

Eberhard Duffner, Arburg Bei der Frage, in welche Spritzgiessmaschine man investieren soll, gibt es keine eindeutige Antwort. Ein Grund ist der Wandel der Antriebstechnologie und der Anbieter, die zunehmend aus der Branche der Werkzeugmaschinen kommen. So wird die Einspritzgeschwindigkeit für die Spritzachse einmal linear in mm/s, und ein anderes Mal volumetrisch in cm3/s angegeben.

Weitere klassische Prospektdaten beziehen sich auf den Schneckendurchmesser, Schussvolumen und den Spritzdruck. Anerkannt fundierte Werte sich solche, die real unter Volllast bei 2000 bar Gegendruck und 1 D Schneckenhub erreicht werden. Auf diese mechanische Belastung sind auch die meisten (europäischen) Werkzeuge und Schnecken angepasst.

Prospektdaten für den Maschinenvergleich Weniger aussagekräftig sind Fussnoten in den technischen Datenblättern, in denen «theoretische» Leerlaufgeschwindigkeiten

Zum Autor Dr. Eberhard Duffner begann im Oktober 1986 seine Karriere bei Arburg.

Von Juli 1990 bis Dezember 2020 leitete der promovierte Physiker drei Jahrzehnte lang den Bereich Entwicklung und prägte die Spritzgiesstechnologie bei Arburg massgeblich mit. Für sein umfassendes Wissen in der Kunststofftechnik wurde er im Mai 2012 vom VDI (Verein der deutschen Ingenieure) zum «Ritter» geschlagen und in den engen Strategie- und Expertenkreis aufgenommen.

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Direktantriebe wie z. B. Planetenrollengewindetriebe sind sehr präzise und langlebig. (Bild: Arburg)

ohne den Faktor Druck oder mit beschränkten Nachdruckzeiten genannt werden. Ob solche theoretischen Werte im Prospekt oder auf dem Bildschirm der Steuerung tatsächlich ausreichen, um mit der Maschine im realen Prozess die gewünschten Einspritzzeiten zu realisieren, lässt sich daraus nicht erschliessen. So bedeutet z. B. eine «theoretische» Leerlaufgeschwindigkeit von 1000 mm/s lediglich: Der Motor kann laut Datenblatt so schnell drehen, dass die angegebene Geschwindigkeit über den gesamten Schneckenweg theoretisch erreicht wird – jedoch ohne Berücksichtigung des Gegendrucks im Werkzeug, in das der Kunststoff ja nicht «freiwillig» fliesst. Je schneller eingespritzt wird, desto höher ist der Gegendruck und somit der erforderliche Druck für das Einspritzen. Zudem kann natürlich nicht mit voller Geschwindigkeit in den Nachdruck gefahren werden, weil das Werkzeug ohne Abbremsen völlig überladen würde. Im re-

alen Prozess wird dieser Wert daher niemals erreicht.

Hydraulische vs. elektrische Spritzeinheiten Moderne hydraulische Spritzeinheiten benötigen relativ wenig überlagerten System­ druck, um den vollen Spritzdruck (2000 bar) bei maximal programmierter Geschwindigkeit nutzen zu können. Zumindest sind aktuelle Datenblätter hydraulischer Spritzeinheiten so ausgelegt. Für schnelles und präzises Einspritzen sind hydraulisch angetriebene Spritzeinheiten in der Regel mit einem Servoventil ausgestattet und unterscheiden sich praktisch nicht in der Dynamik. Während hier auf gespeicherte Energie und hohe Spitzenleistung zurückgegriffen werden kann, wird die erforderliche Leistung bei elektrischen Antrieben immer direkt aus dem Netz an die Spritzachse und Schneckenspitze bereitgestellt. Zudem spielt bei marktüblichen hydraulischen Spritzein5–6/2022

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heiten die träge Masse der Konstruktion im Gegensatz zu elektromechanischen Lösungen quasi keine Rolle.

Bei elektromechanischen Systemen kommt die Eigenträgheit als weiterer entscheidender Faktor hinzu. Diese muss überwunden werden, um die Antriebskomponenten Spindel bzw. Getriebe und Servomotor auf die geforderte Endgeschwindigkeit zu beschleunigen. Dazu sind in der Regel mindestens 50 % der installierten Antriebskraft und des verfügbaren Drehmoments aufzuwenden. Die Dynamik hängt bei servoelektrischen Direktantrieben stark von der konstruktiven mechanischen Ausführung ab.

Arburg entwickelt und fertigt für seine Maschinen der Baureihen Alldrive und Hidrive eigene Planetenrollengewindetriebe, die besonders laststeif und langlebig sind.

Ohne sich in technischen Details zu verlieren, spielt bei elektrischen Spritzeinheiten die mechanische Ausführung und das Konstruktionsprinzip und somit die Zielauslegung eine grosse Rolle. Die damit erreichbare Dynamik und Spitzenleistung beeinflusst wesentlich den Maschinenpreis und die technischen Möglichkeiten im Spritzgiessprozess.

V erarbeitung

Teil hydraulische Maschinen mit Speichertechnik eingesetzt. Der Trend geht aber auch hier zu direkt angetriebenen elektrischen oder hybriden Hochleistungsmaschinen. An dieser Stelle trennt sich die Spreu vom Weizen, denn der Begriff «Hochleistung» ist dehnbar.

Einflussfaktor Schneckengrösse Die erreichbare Einspritzgeschwindigkeit in mm/s ist eine der charakteristischen Kennzahlen für die technische Leistungsfähigkeit einer Spritzgiessmaschine. Die Be-

trachtung in mm/s kommt eigentlich aus der Branche der Werkzeugmaschinen, wo die lineare Vorschubgeschwindigkeit einer Achse beschrieben wird. Aber Vorsicht: die Spritzeinheit der Maschine füllt nicht in Millimetern, sondern spritzt ein Volumen in Form einer fluiden Kunststoffmasse in die Kavitäten des Werkzeugs ein. Hier kommt die Schneckengrösse ins Spiel.

Ein und dieselbe Spritzgiessmaschine kann mit verschiedenen Schnecken ausgestattet werden. Bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit ergeben sich damit pro Zeit-

Verschiedene Leistungsklassen Auf Basis der Füllzeit kann man die Anwendungen und dafür geeignete Spritzgiessmaschinen aktuell grob in drei Klassen einteilen. Der Grossteil aller Anwendungen sind technische Spritzgiessteile mit einer Füllzeit von 0,3 s und deutlich darüber. Für diesen Bereich sind in der Regel direkt angetriebene hydraulische Standardmaschinen ausgelegt und bestens geeignet. Eher eine Nische für speziell angepasste Spritzgiessmaschinen, die längst nicht jeder Hersteller im Angebot hat, machen Anwendungen mit ex­ trem kurzen Füllzeiten von unter 0,1 s aus.

Dazu zählen z.B. dünnwandige Hochtemperaturbauteile aus PEEK für die klassische Konsumgüter- und Elektronikbranche. Ein Beispiel sind Ladestecker für Smartphones.

Klassische Anwendungen mit Füllzeiten von ca. 0,1 bis 0,3 s sind hier die Verarbeitung von Polyolefinen zu dünnwandigen Verpackungsteilen wie Bechern, Eimern oder Schraubkappen mit Fliessweg-Wandstärken-Verhältnissen von 100 bis 300:1.

Solche Dünnwand-Anwendungen erfordern eine hohe Dynamik. Daher wurden in diesem Segment bislang zum grossen 5–6/2022

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V erarbeitung

einheit verschiedene Volumenströme, bis das erforderliche Volumen eingespritzt ist.

Hinzu kommt, dass in Europa die Durchmesser üblicherweise in 5-mm-Schritten abgestuft werden, also 25, 30, 35 mm etc. betragen. Andere Hersteller bevorzugen eine Normreihe mit Durchmessern von z.B. 28, 32 und 46 mm. Ein direkter Vergleich, in Bezug auf die Prozessfähigkeit, allein auf Basis der Vorschubgeschwindigkeit ist daher nicht zielführend.

Kenngrösse Füllzeit Relevant für die jeweilige Praxisanwendung ist letztlich das pro Zeiteinheit einspritzbare Volumen an Kunststoffmasse, also die Zeit, in der der «Kuchen gebacken» wird, bevor das Material fest wird. Dieser Füllvorgang wird charakterisiert durch die Füllzeit, auf der auch Füllsimulationen beruhen. Die relevante Grösse ist somit das Einspritzvolumen pro Zeiteinheit, der sogenannte Einspritzvolumenstrom (Q). Bereits seit der Entwicklung der ersten Bildschirmsteuerungen Ende der 1970er-Jahre gibt Arburg die zugehörige spritzgiess-physikalische Einheit als Einspritzvolumenstrom in cm3/s an und prägt diese seit Jahrzehnten als Datenblatt-Kennwert.

Ein Meilenstein in neuerer Zeit war 2016 die Einführung der Gestica-Steuerung.

In diese können auch die Daten einer Füllsimulation übernommen werden. Mit Hilfe der Funktion «aXw Control FillAssist» wird eine Füllsimulation direkt auf dem Bildschirm möglich.

Die meisten Maschinen können mit einem maximalen Schneckenhub von 3,5 bis 4,5 D arbeiten, der aber nur für dickwandige Bauteile und für Füllzeiten im Sekunden-Bereich relevant ist. Vor allem im Dünnwandbereich ist bei gängigen Drei-Zonen-Schnecken und brauchbarer Durchsatzauslegung in der Regel rund 1 D Schneckenhub als Spritzvolumen nutzbar. Die sogenannte Füllzeit, die im Spritzgiessprozess mit 1 D Schneckenhub erreicht wird, ist daher ungeachtet der Fülle an Materialien und Breite der Teilespektren ein gutes Klassifizierungsmerkmal. In dieser Zeit muss von der Spritzeinheit mehr als 95 Prozent der flüssigen Kunststoffmasse in das Werkzeug eingespritzt sein.

Für den Füllvorgang ist bei der gegebenen Spritzeinheit und Maschine ausschlaggebend, wie viel Massevolumen in der zur Verfügung stehenden Füllzeit im Werkzeug ankommt. Ein Grund mehr, in kunststoffge6

rechten Datenblättern den Einspritzvolumenstrom in cm3/s anstatt der Vorschubgeschwindigkeit in mm/s anzugeben.

Dieser Wert ist also normiert mit dem zugehörigen Schneckendurchmesser und lässt sich für ein gewünschtes Kunststoffteil einfach im Kopf berechnen: Angenommen, die Dichte beträgt 1 g/cm3, das Teilevolumen 50 cm3 und die geforderte Füllzeit 0,1 s. Daraus ergibt sich zunächst ein Einspritzvolumenstrom von mindestens 500 cm3/s. Bei elektrischen Antrieben, die mit nicht unerheblichen trägen Massen beschleunigt und aktiv abgebremst werden müssen, ist dieser Wert mit dem Faktor 2 zu multiplizieren (Dreiecksbetrieb). In diesem Fall sollte also der für diese Anwendung geeignete Wert im Datenblatt – ohne Fussnote – rund 1000 cm3/s betragen.

Einspritzvolumenstrom vs.

Vorschubgeschwindigkeit Je kleiner die Schnecke ist, desto höhere Vorschubgeschwindigkeiten sind erforderlich, um das gleiche Volumen an flüssiger Kunststoffschmelze einzuspritzen.

Um abzuschätzen, welche Spritzeinheit zur jeweiligen Anwendung passt, sollten die Füllzeit, das Teile- bzw. Schussgewicht und gegebenenfalls die Materialdichte bekannt sein. Fast jeder Spritzgiesser hat daher eine kleine Federwaage in der Tasche.

Denn im Gegensatz zum spezifischen Gewicht der Kunststoffschmelze lässt sich das tatsächliche Gewicht des ausgehärteten Bauteils leicht bestimmen. Mit einer Faustformel kann dieses bei einer Dichte von 1 g/cm3 (z. B. für Polyolefine) gleichgesetzt werden mit dem zu spritzenden Volumen, um grob die Eignung nach Datenblatt abzuschätzen (die exakte Rechnung nach PvT-Diagramm übernimmt in modernen Maschinen die Steuerung).

Auswahl der passenden Spritzeinheit Angenommen, ein zu fertigender Kugelschreiber wiegt 5 g. Dieses Bauteilgewicht ist mit der Anzahl an Kavitäten (z. B. 8) zu multiplizieren und das Angussgewicht (z. B. 30 g) zu addieren. Im Beispielfall ergibt dies ein Schussgewicht von 70 g. Aus einer Füllzeit von 0,5 s ergibt sich ein Einspritzvolumenstrom von rund 70 cm3 in 0,5 s, was für elektrische Antriebe nach o. g. Faustregel

rund 2 x 70/0,5 = 280 cm3/s entspricht.

Nun lässt sich im technischen Datenblatt einfach ablesen, welche Spritzeinheit bei 1D Schneckenhub ein Schussvolumen von 70 cm3 und einen Einspritzvolumenstrom von mindestens 280 cm3/s erzielt. Auf diesen Weg kann unkompliziert die passende Spritzeinheit ermittelt werden. Sind im Pros­pekt statt Einspritzströmen Geschwindigkeiten in mm/s angegeben, bleibt der Griff zum Taschenrechner nicht erspart.

Genormte SpritzeinheitGrössen Als quasi Datenblatt-Standard hat sich die nach Euromap 1 vorgeschlagene Bezeichnung für Spritzeinheiten durchgesetzt. Diese ist das Produkt aus maximalem Hubvolumen in cm3 und maximalem Spritzdruck in kbar. Mit dieser Klassifikationszahl erfolgen dann auch Preis-Leistungs-Vergleiche.

Beispiel: Eine Spritzeinheit 800 nach Euromap hat in vielen Fällen einen Schneckendurchmesser von 50 mm, einen Hub von 200 mm und einen maximalen Spritzdruck von 2000 bar.

Da für elektrische Antriebe Hub kosteneffizienter zu realisieren ist als Kraft, setzen verschiedene Hersteller bei gegebener Euromap-Kennzahl kleinere Schneckendurchmesser ein. Dies hat zur Konsequenz, dass entsprechend der quadratischen Flächenübersetzung mehr Hub, L/D-Verhältnis und entsprechend höhere Vorschubgeschwindigkeiten realisiert werden müssen, um für ein bestimmtes Einspritzvolumen und Füllzeit das gleiche Teil im Werkzeug zu erhalten. Für eine Dünnwandanwendung mit beispielsweise einem Schussvolumen von 100 cm3 (ca. 1D Hub) und 0,2 s Füllzeit errechnet sich im Dreiecksbetrieb ein Volumenstrom von max. 1000 cm3/s.

Mit einer 50-mm-Schnecke würde entsprechend eine Vorschubgeschwindigkeit von 510 mm/s erreicht, bei 45 mm Durchmesser sind es dagegen 630 mm/s. Diese rund 23 % mehr sehen im Datenblatt zwar besser aus, prozesstechnisch ist jedoch beides identisch.

Spitzenleistung an der Schneckenspitze Leider hat sich die in der Euromap 4 spezifizierte effektive Leistungskennzeichnung für Spritzeinheiten in den Datenblatt-Angaben nicht durchgesetzt, denn die real fahr5–6/2022

K

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bare Spitzenleistung an der Schnecke wäre zumindest bei direkt angetriebenen Spritzeinheiten eine Kenngrösse, die sich auch im Preis wiederfände.

Bei einer kleineren Schnecke und folglich auch kleinerer Fläche muss bei gleichem Druck weniger Kraft aufgebracht werden.

Hinzu kommt die Frage, ob der maximale Druck auch über die gesamte Einspritzphase genutzt werden kann. Reine DünnwandSpritzeinheiten, die nur auf kurze Füllzeiten und Spitzenleistung ausgelegt sind, eignen sich weniger für Füllzeiten von 10 s, wie sie z. B. ein dickwandiges Optikbauteil erfordert.

Interessant ist also besonders die Frage, wie viel mechanische Leistung bei der geforderten Geschwindigkeit tatsächlich an der Schneckenspitze ankommt. Und bei Dünnwandanwendungen zudem, wie dynamisch oder statisch diese Leistung geKunststoff Xtra fahren werden kann. Bei den bewährten hydraulischen Spritzeinheiten wurde über viele Jahre die Speichertechnik zusammen

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mit sehr trägheitsarmen Servoventilen entwickelt. Für oben genanntes Beispiel würden hier nur rund 20 kW Dauerladeleistung benötigt. Für moderne elektrische Direktantriebe gibt es zwar einige technologische Versuche, die Problematik der Spitzenleistung über mechanische oder elektrische Zwischenenergiespeicher zu lösen. Wirklich durchgesetzt hat sich bis heute aber nur die Lösung, das «Versorgungsnetz» dafür zu nutzen. Wegen diesem Mehr an Leistung kosten elektrische Antriebe richtig Geld und sind eine ganz andere Preisklasse. Ab einer bestimmten Dimensionierung «frisst» zudem die Trägheit die Spitzenleistung regelrecht auf, deshalb werden die elektrischen Spritzeinheiten zumindest noch nicht in allen Grössen gebaut.

Trotz all dieser Herausforderung ist ein Trend zu erkennen, auch bei klassischen Dauerläufern mit Füllzeiten im Bereich von 0,1 bis 0,3 s (Verpackungsanwendungen) elektrisch zu gehen.

Fazit Relevant für das Einspritzen ist das Schussvolumen und die Füllzeit. Die zugehörige Kennzahl ist der Einspritzvolumenstrom in cm3/s – regulär gemessen bei 2000 bar Gegendruck. Der Einspritzvolumenstrom lässt sich aus der Anwendung einfach berechnen und per Faustregel eine geeignete Spritzeinheit nach Datenblatt auswählen.

Wie elektrische Spritzeinheiten konstruktiv ausgelegt sind, steht in keinem Datenblatt.

Dennoch ist auch die Frage wichtig, welche Klasse erforderlich ist. Soll die Maschine eher auf Dauerleistung oder auf Peak-Leistung ausgelegt sein? Denn beides gleichzeitig ergibt keinen Sinn.

Kontakt Arburg AG Ausgabe 5-6/2022 CH-3110 Münsingen ET: 10.06.2022 switzerland@arburg.com www.arburg.ch n DUS: 16.05.2022

Plastics have improved the world.

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GRAFE improves plastics.

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A utomation

Medizintechnik

Robotergestützte Fertigungslösungen Bei komplexen Handling- und Produktionsabläufen sind Roboter flexibler einsetzbar als fest verbaute Mechatronik-Module. Dank moderner Visionssysteme können sie Teile erkennen und zielsicher greifen. Ihr Einsatz bei der Produktion von Medizintechnik-Produkten nimmt daher ständig zu.

Klaus Vollrath 1 «Wir entwickeln seit fast 40 Jahren robotergestützte Automationslösungen für Hightech-Branchen wie die Medizintechnik, die Mechatronik oder die Uhrenindustrie», sagt Nick Koch, Gründer und seit 19 Jahren Geschäftsführer der Firma Robotec AG mit Sitz in Seon (Schweiz) sowie Stuttgart.

Kernkompetenz des Unternehmens ist das Engineering-Knowhow für anspruchsvolle, schlüsselfertig installierte und validierte Fertigungslösungen mit Roboterhandling, kameragestützter Qualitätskontrolle sowie der gesamten darüber hinaus erforderlichen Peripherie. Für Hardware wie Roboter, Maschinen, Kamerasysteme und Steuerungen ist Robotec zertifizierter Partner von Spitzenherstellern wie Fanuc, Stäubli oder Siemens.

Mithilfe dieser Kernkomponenten entstehen voll automatisierte Gesamtlösungen, welche die mit Kunden gemeinsam entwickelten Spezifikationen erfüllen. Die Herstellung der Schaltschränke und des sonstigen mechanischen Aufbaus, die Verknüpfung der Komponenten über Schnittstellen sowie die Entwicklung der übergeordneten Software erfolgen im eigenen Hause. Besondere Erfahrung hat Robotec bei der Herstellung von ausgeklügelten Multifunktionsgreifern. Viele der Anlagen werden speziell für den Betrieb in Reinräumen ausgelegt.

Auf Vertrauen gegründete Kundenbeziehungen Neben ihrem technischen Know-how verfügen die Entwickler auch über die für Medizintechnik-Anwendungen erforderlichen Kenntnisse im Bereich gesetzlicher Redaktionsbüro Klaus Vollrath, Aarwangen (CH)

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Nick Koch: «Wir entwickeln seit fast 40 Jahren robotergestützte Automationslösungen für Hightech-Branchen wie die Medizintechnik, die Mechatronik oder die Uhrenindustrie.»

und normativer Vorschriften und Dokumentationspflichten.

«Mittlerweile haben wir in zahlreichen Ländern mehr als 700 solcher Lösungen realisieren können», ergänzt Koch. Zu den Kunden zählen auch einige weltweit führende Pharma-Hersteller. Inzwischen hat das Unternehmen neben dem Schweizer Stammhaus auch Niederlassungen in Deutschland und China. Grundlage des Erfolgs sei vor allem die Solidität der abgelieferten Leistung. Die Anlagen seien mit Blick auf Langlebigkeit konzipiert und zeichneten sich im betrieblichen Einsatz durch hohe Produktivität und geringe Störanfälligkeit aus. Deshalb erreichten sie in der Regel hohe Einsatzdauern von teils 15–20 Jahren. Bei solch langen Zeiträumen komme es häufig zu kleineren oder grösseren Umrüstungen, weil Produkte modifiziert oder neu designt werden. Das erfordert entsprechendes Nachrüsten oder gar ein teilweises Re-Engineering der Zellen. In solchen Fällen könnten sich die Kun-

den darauf verlassen, dass ihnen die gewohnte kompetente Unterstützung ebenso wie der normale Service für Hard- und Software auch weiterhin zur Verfügung stehen.

Aktuelle Projekte: Entnahme, Bestückung und Prüfung «Die Bekämpfung der Covid-19-Welle erfordert den Einsatz von Labordiagnostik in einem Ausmass, das die üblichen Grös­ senordnungen bei weitem übersteigt», erläutert Koch. Für einen Kunden im Medtec-Bereich entsteht deshalb gerade eine Anlage für die vollautomatische Kontrolle, Bestückung und Verpackung von spritzgegossenen Pipetten in sehr hohen Stückzahlen. Die Zelle übernimmt die parallel von zwei Spritzgiessmaschinen in insgesamt sieben verschiedenen Grössen hergestellten Pipetten in 96er-Paketen aus speziellen Transportbehältern, führt eine umfassende Qualitätsprüfung durch und bestückt die Schäfte der Pipetten mit Filtereinsätzen. NIO-Teile werden nach drei 5–6/2022

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unterschiedlichen Fehlermerkmalen getrennt ausgeschleust. Die IO-Teile werden in 96er-Trays verpackt, etikettiert und gestapelt. Die Zykluszeit für eine 96er-Charge ist auf max. neun Sekunden begrenzt.

Wie bei Laborprodukten häufig Pflicht, wurde die gesamte Anlage für Reinraumbetrieb ausgelegt.

«Bei dieser Anlage musste die AuslegungsKapazität wegen der stark ansteigenden Infektionszahlen noch während der Entwicklung um ein Mehrfaches nach oben angepasst werden», weiss Koch. Dazu musste unter anderem auch die Zahl der eingesetzten Roboter von ursprünglich vier auf sieben aufgestockt werden. Zu den Herausforderungen gehörte auch eine sehr aufwändige Prüftechnik. So müssen die Pipettenspitzen mithilfe von kameragestützten Vision-Systemen auf Innendurchmesser, Aussendurchmesser und Gratfreiheit kontrolliert werden. Nach dem Einsetzen und Einpressen der Filter mithilfe weg- und kraftgesteuerter Pressen müssen sie auf richtige Setztiefe sowie auf eventuelle Schieflagen oder Beschädigungen überprüft werden. Dies erfolgt mithilfe von Lasern. Trotz des enormen Zeitdrucks gelang es, in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden eine sehr kompakte und trotz ihrer Komplexität einfach zu bedienende Anlage zu realisieren. Trotz der Erschwernisse durch die sich ändernden Vorgaben wurde die Anlage dank des Einsatzes von Mitarbeitern selbst an Wochenenden erfolgreich realisiert. Die gesamte Linie mit ihren zahlreichen Einzelfunktionen wird über einen zentralen Bildschirm mit grafischer Benutzerführung bedient.

A utomation

Robotec hat viel Erfahrung bei der Herstellung komplexer Multifunktionsgreifer mit zahlreichen Zusatzfunktionen wie Vision-Kameras.

Roboter-Entnahme spritzgegossener Medtech-Komponenten «Die Flex Precision Plastics Solutions stellt unter Reinraumbedingungen spritzgegossene Komponenten für die Medizintechnik her», sagt Koch. Angefragt wurde eine Roboterzelle für die Entnahme der Teile aus der Spritzgiessmaschine mit anschliessender Separierung vom Angusssystem und einer Qualitätskontrolle. Da es sich um wechselnde Teile handelt, müssen die Robotergreifer und die sonstige Peripherie so multifunktionell und so einfach umrüstbar wie möglich ausgelegt werden. Gutteile sind nach der Prüfung sauber und keimfrei abzustapeln und zu verpacken.

Zur kompakten Zelle gehören zwei Roboter.

Der erste entnimmt die Teile im 14-Sekundentakt aus der Maschine, trennt sie vom Anguss und legt sie in die Prüfstation ein, wo beispielsweise ihre Integrität mithilfe eines physikalischen Messprinzips überprüft wird. Nach Durchlaufen einer Abkühlstrecke

Anlage zur Prüfung, Bestückung und Verpackung von in 96er-Trays aufgereihten Pipetten für die Labordiagnostik. (Bilder: Robotec)

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werden sie von einem zweiten Roboter gegriffen und schichtweise in Verpackungstrays gelegt. Hierfür verfügt der zweite Roboter über einen Multifunktionsgreifer, der nicht nur die Teile, sondern auch die Trays selbst, die Zwischenlagen und auch die Deckel der Trays handeln kann. Gefüllte Trays stellt er abschliessend in Ausgabeschleusen für den Abtransport bereit.

Motor-Printträger für die Gebäudetechnik «Darüber hinaus erhalten wir natürlich auch Aufträge von Kunden aus anderen industriellen Branchen als der Medizintechnik», verrät Koch. Bei einer Anlage für den langjährigen Kunden Wild & Küpfer ging es um die Montage von Kunststoffteilen, kleinen Elektromotoren, Zahnrädern und Platinen zu einer Baugruppe für den Einsatz im Bereich Heizung, Lüftung und Klima.

Dies erfolgt durch mehrere Roboter im Verbund mit einem Rundtakttisch. Die Zuführung der Teile erfolgt mithilfe von Förderbändern. Die Roboter erledigen Erkennung und lagerichtiges Greifen der Teile, Positionierung, Einpressvorgänge und Kontrollen innerhalb weniger Sekunden. Dabei kommen auch kameragestützte VisionSysteme zum Einsatz, beispielsweise bei der Entnahme von Teilen aus Kartons. Die kompakte Automationszelle arbeitet dreischichtig rund um die Uhr.

Kontakt Robotec Solutions AG CH-5703 Seon info@robotec-ag.com www.robotec-ag.com

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100 Prozent biologisch abbaubare Verpackungen

Abkehr von Einweg-Plastik beschleunigen ABB Robotics ist eine Kooperation mit dem kalifornischem Unternehmen Zume eingegangen, einem globalen Anbieter von innovativen und biologisch abbaubaren Verpackungen. Durch die Lieferung von ABB-Roboterzellen kann Zume die Produktion nachhaltiger Verpackungen global ausweiten und somit die Abhängigkeit von EinwegPlastik verringern.

In den nächsten fünf Jahren wird ABB weltweit mehr als 1000 Faserguss-Fertigungszellen (molded fiber manufacturing cells, MFC) in Anlagen von Zume-Kunden integrieren und installieren, darunter auch bis zu 2000 Roboter. Dank ihrer Programm-Managementkapazitäten und Automatisierungsexperten in den Global Solution Centers, gewährleistet ABB Umfang, Modularität und Schnelligkeit, die für den Aufbau der Produktionslösungen erforderlich sind. Auf diese Weise können jährlich mehrere Millionen nachhaltige Verpackungen produziert werden. Über finanzielle Details der Vereinbarung wurde Stillschweigen vereinbart.

Verpackungshersteller stehen unter dem zunehmenden Druck von Verbrauchern und politischen Entscheidungsträgern, Alternativen zu Einweg-Plastikverpackungen zu entwickeln. Neue Verpackungen müssen nicht nur nachhaltig, sondern auch genauso leicht formbar und kosteneffizient sein wie Kunststoff. Das Verpackungsmaterial von Zume besteht aus nachhaltigen Pflanzenresten, die bei der landwirtschaftlichen Produktion zurückbleiben – darunter beispielsweise Bambus, Weizen und Stroh. Verglichen mit der Herstellung und Entsorgung von Kunststoffverpackungen verbraucht pflanzliches Material deutlich weniger Wasser und Energie und verursacht gleichzeitig weniger CO²-Emissionen.

Im Gegensatz zu Plastik sind Verpackungen auf pflanzlicher Basis zudem zu 100 Prozent biologisch abbaubar.

Wirtschaftliche Alternative «Indem wir die Herstellung der nachhaltigen Verpackungen von Zume mit ABB-Robotern automatisieren, schaffen wir eine tragfähige und wirtschaftliche Alternative zu Einweg-Plastik. Zusammen mit Zume ha10

Mittels eines innovativen Fertigungsverfahrens werden biologisch abbaubare Verpackungen aus pflanzlichem Material gewonnen. (Bilder: ABB)

ben wir die Möglichkeit, Billionen von Plastikteilen einzusparen, knapper werdende Ressourcen zu schonen und zu einer klimafreundlicheren Welt beizutragen», sagt Sami Atiya, Leiter des ABB Geschäftsbereichs Robotik & Fertigungsautomation.

«Robotergestützte Auto­matisierung bietet heutzutage viele Möglichkeiten, die Welt nachhaltiger zu gestalten. Indem wir effizienter produzieren, können wir Energieverbrauch, Emissionen und Produktionsabfälle senken. Unsere Vereinbarung zeigt, was möglich ist, wenn Unternehmen zusammenarbeiten, die sich für eine klimaverträgliche Gesellschaft einsetzen.»

Zume hat ein innovatives Fertigungsverfahren entwickelt und patentiert, mit dem biologisch abbaubare Verpackungen für unterschiedlichste Produkte hergestellt

werden können – von Lebensmitteln über Kosmetika bis hin zu Konsumgütern. Die Verpackungen werden aus Pflanzenresten mit Hilfe von Zumes Faserguss-Zellen geformt, in welche zwei IRB 6700 ABB-Roboter integriert werden. Jede Zelle kann bis zu zwei Tonnen Pflanzenreste pro Tag verarbeiten – das entspricht der Produktion von 80 000 nachhaltigen Verpackungen. Gemeinsam mit ABB plant Zume, Fabriken mit jeweils bis zu 100 Roboterzellen auszurüsten. Aufgrund der Automatisierung, Schnelligkeit und Skalierbarkeit, die durch die Faserguss-Zellen gewährleistet werden, verfügt jeder Standort über die Kapazität pro Jahr 71 000 Tonnen Pflanzenreste zu verarbeiten und bis zu zwei Milliarden nachhaltige Verpackungen zu produzieren.

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Mehr Stabilität für Ihren Prozess.

Mit intelligenter Temperierung von REGLOPLAS. ABB-Roboter automatisieren die Produktion von Zume und ermöglichen eine schnelle und skalierbare Herstellung der Verpackungen als kostengünstige Alternative zu Einweg-Plastik.

«Wir erwarten, dass es bis zum Jahr 2050 mehr Plastik als Fische in den Weltmeeren geben wird. Deshalb ist es wichtig, dass wir auf Einweg-Plastik verzichten», sagte Alex Garden, Chairman und CEO von Zume. «Wir arbeiten weltweit mit Experten von ABB im Bereich Automatisierung zusammen, um gemeinsam Automatisierungslösungen für unsere Kunden zu entwickeln und zu integrieren. Damit werden wir die Verpackungsindustrie von Grund auf verändern und zeigen gleichzeitig, wie eine nachhaltige Produktion aussehen kann. Die Roboter von ABB sind flexibel und skalierbar, was einen effizienten, automatisierten Fertigungsprozess ermöglicht. Somit können wir eine kostengünstige und biologisch abbaubare Alternative zu Kunststoff anbieten und Herstellern dabei helfen, nachhaltiger zu werden.»

Produkte müssen bezahlbar und zuverlässig sein Das erste gemeinsame Pilotprojekt von Zume und ABB wurde zusammen mit Satia Industries Limited lanciert, einem der grössten Hersteller von Papier aus Holz und landwirtschaftlichen Erzeugnissen in Indien. Im Rahmen des Projekts entsteht eine Anlage mit 10 Fertigungszellen, die 20 Tonnen Weizenstroh täglich verarbeiten und zu 100 Prozent biologisch abbaubare Verpackungen für verschiedene Industrien produzieren werden.

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«Unsere Kunden wünschen sich Produkte, die qualitativ hochwertig, bezahlbar und zuverlässig sind, aber gleichzeitig auch nachhaltig produziert werden und leicht kompostierbar sind. Dank der Zusammenarbeit mit Zume und ABB können wir die Erwartungen unserer Kunden nicht nur erfüllen, sondern übertreffen diese sogar», sagte Dr. Ajay Satia, Chief Managing Director von Satia Industries. «Damit schaffen wir nicht nur erheblichen Mehrwert für das Unternehmen, sondern schonen auch unseren Planeten: Wir helfen unseren Kunden beim Umstieg auf nachhaltige Verpackungslösungen, die moderner, zuverlässiger und individueller sind als die Produkte, die sie heute nutzen.»

Weitere Pilotprojekte sind bereits geplant, zum Beispiel bei der Parason Group, einem ebenfalls in Indien ansässigen weltweit führenden Zulieferer für Papier- und Zellstoffmaschinen, sowie bei Jefferson Enterprise Energy, der ersten vollständig mit erneuerbaren Energien betriebenen Fabrik für kompostierbare Verpackungen in Texas, USA.

Kontakte www.abb.com www.zume.com

www.regloplas.com n 11

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International Federation of Robotics berichtet

Neue Einsatzgebiete für Roboter Mit rund drei Millionen Einheiten hat der weltweite Bestand an Industrie-Robotern einen neuen Rekord erreicht – das durchschnittliche jährliche Wachstum lag bei 13 % (2015 – 2020). Die International Federation of Robotics hat die 5 wichtigsten Trends, die die Robotik im Jahr 2022 und darüber hinaus weltweit prägen, unter die Lupe genommen.

«Der Einsatz von Robotern nimmt sowohl in traditionellen als auch ganz neuen Branchen zügig an Fahrt auf», sagt Milton Guerry, Präsident der International Federation of Robotics. «Immer mehr Unternehmen erkennen die zahlreichen Vorteile, die Robotik und Automation für ihr Geschäft bieten.»

1. Roboter in neuen Einsatzfeldern Die Automatisierung mit Robotern erreicht inzwischen relativ neue Einsatzbereiche. Ein sich wandelndes Konsumverhalten steigert die Nachfrage nach personalisierten Produkten und Lieferungen, dem die Unternehmen versuchen gerecht zu werden. Insbesondere im Onlinehandel löste die Pandemie eine Revolution und einen Nachfrageboom aus und der eCommerce dürfte auch 2022 weiter zulegen. Weltweit sind heute in diesem Segment Tausende von Robotern im Einsatz, an die vor fünf Jahren noch nicht zu denken war.

Um dem Arbeitskräftemangel entgegenzuwirken, setzen sich jetzt auch solche Unternehmen mit Automatisierung auseinander, die das bisher noch nicht getan hatten. Insbesondere Betriebe, die auf Servicekräfte angewiesen sind – beispielsweise in der Gastronomie und im Einzelhandel – können offene Stellen immer häufiger nicht besetzen. Wir gehen davon aus, dass diese Branchen verstärkt in Automatisierung investieren, um die Anforderungen ihrer Kunden zu erfüllen. Relativ neue Kundenbranchen der Robotik wie Liefer- und Logistikunternehmen, das Baugewerbe, die Landwirtschaft und viele andere mehr profitieren ganz besonders von der täglich sich weiterentwickelnden Technologie.

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Service Roboter für den Industriegebrauch – Die fünf Top-Einsatzgebiete (in Tausend Einheiten) (Grafiken: World Robotics 2021)

2. Roboter einfacher zu bedienen Der Einsatz von Robotern stellt durchaus eine komplexe Aufgabe dar, doch die neuen Generationen von Robotern sind einfacher zu bedienen. Der Trend geht zu neuen, intuitiven Benutzeroberflächen, die mit Symbolen arbeiten oder auch einer handgeführten Programmierung. Roboterhersteller und Drittanbieter bündeln zudem Hardware- und Softwarepakete, um die Implementierung zu vereinfachen. Das mag banal klingen, aber der Trend, komplette Ökosysteme anzubieten schafft für den Kunden einen enormen Mehrwert, indem sich Aufwand und Zeit bis zur Inbetriebnahme deutlich reduzieren.

Auch der Trend zu Low-Cost-Robotern geht einher mit einer einfacheren Installation – mit zum Teil bereits vorkonfigurierten Applikationen für spezielle Anwendungen. Die Firmen bieten ihren Kunden Standardprogramme an, mit denen sich Greifer, Sensoren und Steuerungen leicht einbinden lassen. App-Stores bieten vorge-

fertigte Programmroutinen für einfache und häufig nachgefragte Anwendungen und unterstützen so den kostengünstigen Einsatz von Robotern.

3. Weiterqualifizierung von Mensch und Roboter Wir müssen mehr in die Bildung investieren und die kommenden Generationen schon ganz früh mit den nötigen Grundfertigkeiten vertraut machen – als Basis für die spätere Anwendung von Robotik und Automation – darin sind sich immer mehr Regierungen, Industrieverbände und Unternehmen einig. Neben der internen Weiterbildung von Mitarbeitern im Unternehmen tragen auch externe Schulungsangebote dazu bei, das langfristige Ziel der datengestützten Produktion zu erreichen. Roboterhersteller wie ABB, Fanuc, Kuka und Yaskawa begrüssen in ihren Roboterkursen in mehr als 30 Ländern weltweit jedes Jahr zwischen 10 000 und 30 000 Teilnehmer.

Die Robotik verändert die Berufsbilder von Fabrikarbeitern zum Positiven. Wie die 5–6/2022

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Pandemie, die daraus resultierenden Lieferengpässe und der Fachkräftemangel scheinen für viele Unternehmen der nötige Anstoss zu sein, in Robotik und Automation zu investieren», sagt Dr. Susanne Bieller, Generalsekretärin des IFR. «Vor allem Firmen, die schon vorher Automatisierung in Erwägung gezogen haben, investieren jetzt.»

5. Roboter unterstützen digitale Automation

Roboterdichte in der verarbeitenden Industrie 2020

«Great Resignation», die jüngste grosse Kündigungswelle in den USA zeigt, streben die Menschen nach einem modernen Arbeitsumfeld, in dem sie sich eine Karriere aufbauen können. Neue Fortbildungsmöglichkeiten im Umfeld der Robotik sind für Unternehmen und Arbeitnehmer gleichermassen eine Win-Win-Strategie: Schmutzige, langweilige und gefährliche Aufgaben werden automatisiert, während die Menschen Schlüsselqualifikationen für den Industriearbeitsplatz der Zukunft erwerben und damit ihre Verdienstmöglichkeiten während ihrer gesamten Berufslaufbahn erhöhen.

4. Roboter sichern die Produktion Handelskonflikte und Disruptionen wie die Covid-19-Pandemie veranlassen Unternehmen dazu, ihre Produktion wieder näher an den Kunden zu rücken. Durch die be-

stehenden Lieferengpässe streben viele Unternehmen nach einer Rückverlagerung der Produktion – Re- oder Nearshoring – die sich in der Regel nur mit Hilfe von Automatisierung ökonomisch bewerkstelligen lässt.

Eine besonders aufschlussreiche Statistik aus den USA verdeutlicht, wie die Automatisierung den Firmen hilft, das Geschäft nach der Krise wieder anzukurbeln: Nach Angaben des amerikanischen Automatisierungsverbandes A3 sind die Bestellungen neuer Roboter in den Vereinigten Staaten im dritten Quartal 2021 um 35 % gegenüber dem Vorjahreszeitraum gestiegen.

Mehr als die Hälfte der Auftragseingänge kam dabei aus dem nicht-automobilen Sektor.

Dieses Rekordwachstum beflügelt nicht nur die Robotik, sondern auch Bildverarbeitung, Steuerung und Motoren. «Die

Für das Jahr 2022 und darüber hinaus sehen wir Daten als Schlüsselfaktor für die Fertigung von Morgen. Die Analyse der von automatisierten Prozessen intelligent erfassten Daten erlaubt Herstellern, fundiertere Entscheidungen zu fällen. Die Fähigkeit eines Roboters, durch künstliche Intelligenz zu lernen und seine Fertigkeiten an andere Roboter weiterzugeben, ermöglicht es Unternehmen intelligente Automatisierung auch in anderen Bereichen einfacher einzusetzen. Das reicht vom Bauwesen über Lebensmittel- und Getränkeverpackungsanlagen bis hin zu medizinischen Laboren.

Darüber hinaus wird künstliche Intelligenz in der Robotik immer ausgereifter und lernende Roboter werden zur Massenanwendung. Die Pilotphase hat die Branche bereits hinter sich gelassen und für 2022 erwarten wir bereits einen Einsatz in grös­ serem Umfang.

Kontakt www.ifr.org

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Kunststoff und Metall im Verbund Nutzen Sie die Vorteile durch Umspritzen von Metall-Inserts

Technische Formteile aus Duroplast und Thermoplast 5–6/2022

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Universität Bayreuth erforscht Additive Fertigung im Leichtbau

Ressourcen schonen, das Klima schützen Die Herstellung von Produkten aus nur einem Material ist nachhaltig: Ressourcen werden geschont, das Recycling erheblich vereinfacht. Das neue Projekt MonoMat an der Universität Bayreuth will mit Hilfe der Additiven Fertigung erreichen, dass Leichtbauprodukte in den Bereichen Medizin, Sport und Lifestyle in hoher Qualität aus einem einzigen Material hergestellt werden können.

Die Additive Fertigung gewinnt derzeit in allen Industriebranchen erheblich an Bedeutung. Mit dieser Technologie lassen sich qualitativ hochwertige Alltagsprodukte, die teilweise sehr komplexe Funktionen erfüllen, aus jeweils einem einzigen Material in einer kurzen Prozesskette fertigen. Der Material- und Energieverbrauch ist dadurch erheblich niedriger als bei Produkten, die mit herkömmlichen Verfahren aus verschiedenen Materialien und in entsprechend umfangreichen Prozessen hergestellt werden. «Ungelöste Herausforderungen betreffen allerdings die Wiederverwendung. Genau hier setzt das Projekt MonoMat an: Unser Ziel ist es, die im Additiven Fertigungsverfahren verwendeten Materialien möglichst vollständig und wiederholt so zu recyceln, dass sie Teil einer branchenübergreifenden ökologischen Kreislaufwirtschaft werden», sagt Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Stephan Tremmel, der an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD innehat. Zugleich sind auch der Lehrstuhl für Umweltgerechte Produktionstechnik unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Frank Döpper sowie der Lehrstuhl für Biomechanik unter der Leitung von Prof. Dr. Franz Konstantin Fuss an MonoMat beteiligt.

Ein neues Kaskadenmodell Im Fokus des Projekts stehen die Materialklasse der Polymere und ihre Anwendungen in der Medizin, im Sport und im Lifestyle. Gerade in diesen Bereichen müssen zahlreiche Produkte den individuellen Anforderungen und Wünschen der Kund*innen angepasst werden, damit sie zu einer erhöhten Lebensqualität im Alltag beitragen können. Beispiele sind Sohlen für Laufschuhe, Schuhplatten, Schienbeinschoner, Prothesen oder Orthesen. Für das Design, die Produktion und das Recy14

Das Konzept der kaskadierten Recycling-Zyklen. (Bild: UBT)

cling solcher Produkte haben die Bayreuther Wissenschaftler*innen ein Kaskadenmodell konzipiert, das Medizin, Sport und Lifestyle miteinander verzahnt und dabei verschiedene Hightech-Verfahren verknüpft: das High Speed Sintering (HSS), das Laser Sintering (LS), das Extrusion Additive Manufacturing (EAM) und das Spritzgiessen.

Am Anfang des Kaskadenmodells steht die Additive Fertigung von Produkten, die für individualisierte Anwendungen in der Medizin eine herausragende Qualität aufweisen müssen. Dabei kommen die Sinterverfahren HSS und LS zum Einsatz. Sind die Produkte nicht länger verwendbar, wird das Material recycelt: Je nachdem, in welchem Zustand es sich befindet, wird es erneut zu Medizinprodukten verarbeitet oder es findet Anwendung im Sport oder im Lifestyle – also in Bereichen, in denen qualitative Anforderungen an Materialeigenschaften leichter erfüllbar sind. Auch für die Material­ extrusion (EAM) steht das recycelte Mate-

rial zur Verfügung. Bei diesem Verfahren wird es so oft wiederverwendet, bis es sich letztlich abgenutzt hat. Dann kann es für das Spritzgiessen in der Massenproduktion weiterverwendet werden.

Leichtbau-Demonstratoren, die als konkrete Anwendungen aus dem Kaskadenmodell hervorgehen, sollen die Möglichkeiten und Grenzen dieses neuen Ansatzes ausloten. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Ingenieur- und Sportwissenschaften auf dem Bayreuther Campus gewährleistet, dass die für die Kund*innen wichtigen Funktionen der Produkte und ressourcensparende, umweltfreundliche Herstellungsprozesse optimal aufeinander abgestimmt sind.

Beiträge zum Klimaschutz Ein besonderer Aspekt des Projekts ist die Berechnung der Treibhausgas-Emissionen, die künftig durch die Anwendung des Kaskadenmodells eingespart werden können.

Für diese Prognosen wollen die Bay5–6/2022

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Kooperationen mit Industriepartnern

Die Additive Fertigung gewinnt derzeit in allen Industriebranchen erheblich an Bedeutung.

(Bild: Pixabay)

reuther Wissenschaftler*innen eine Methode anwenden, die nicht nur die jeweiligen Materialien und Produktionsprozesse, sondern auch das Recycling und ökologische Auswirkungen wie Nebenprodukte

und Abfälle in Betracht zieht. Auf diese Weise soll das Projekt MonoMat zeigen, welchen konkreten Nutzen die Kombination aus Leichtbau und Additiver Fertigung für den Klimaschutz haben kann.

Partner der Universität Bayreuth im Projekt MonoMat sind die Neue Materialien Bayreuth GmbH, die AM Polymers GmbH in Willich, die Oechsler AG in Ansbach und die Hans Weber Maschinenfabrik GmbH in Kronach. Drei weitere Unternehmen sind dem Projekt assoziiert: das rahm Zentrum für Gesundheit GmbH in Troisdorf, Aevolution in Bayreuth sowie die Headis GmbH in Kaiserslautern. Für die Erforschung, Weiterentwicklung und Nutzung der Additiven Fertigung hat die Universität Bayreuth bereits 2020 die Forschungsstelle Campus Additive.Innovationen (CA.I) eingerichtet, in der Wissenschaftler*innen aus fünf Fakultäten gemeinsam mit Industriepartnern an innovativen Lösungen arbeiten.

Kontakt www.uni-bayreuth.de

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Betonbau

Vorgespannte Pflaster für alte Bauten Die Technologie, Betonbauwerke mit kohlefaserverstärktem Kunststoff zu stabilisieren und so zu einem längeren Leben zu verhelfen, entstand vor Jahrzehnten; unter anderem an der Empa. Heute arbeiten Forschende in Dübendorf an einer neuen Variante mit vorgespannten Lamellen – mit guten Aussichten für die Praxis.

Norbert Raabe ¹ Durchgebogene Betonbalken, Risse an Unterseiten von Brücken, Rostgefahr für die Armierung: In der Schweiz sind viele Bauwerke in die Jahre gekommen. Beispiel Nationalstrassen: Laut dem Zustandsbericht 2019 des Bundesamtes für Strassen (ASTRA) wurde ein grosser Teil der Brücken von Mitte der Sechziger- bis zu den Achtzigerjahren des letzten Jahrhunderts errichtet – bei deutlich geringeren Verkehrsbelastungen als heute.

Um Tragwerke, die unter ihren Lasten ächzen, zu sanieren, kommen seit langem kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zum Einsatz: Flache Lamellen, auf die Unterseite geklebt, wirken der Belastung entgegen. Bei der «Ebrog»-Methode (für engl. externally bonded reinforcement on grooves) beispielsweise, die erst in den vergangenen Jahren entstand, werden dazu vorab schmale Rillen in Längsrichtung in den Träger gefräst: mehr Fläche für die Kraftübertragung, die zudem tiefer in den Beton hineinwirkt. Bei einer Brückensanierung in Küssnacht kam dieses Verfahren 2018 erstmals zum Einsatz.

Nun entwickeln Empa-Forschende die Methode in einem Innosuisse-Projekt mit dem Industriepartner S&P Clever Reinforcement Company in Seewen weiter. Das Team um Christoph Czaderski von der Forschungsabteilung «Ingenieur-Strukturen» testet vorgespannte CFK-Lamellen, die Betonbalken «aktiv» verstärken: Sie werden unter Zugspannung mit Epoxidharz aufgeklebt. Ist die Verbindung erhärtet, werden die Enden entspannt – und die Streifen, die sich zusammenziehen «wollen», wirken der Durchbiegung noch stärker entgegen.

Norbert Raabe, Kommunikation, Empa, Dübendorf

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Sanierung einer der Autobahn-Brücken zwischen Küssnacht und Brunnen: Im Oktober 2018 wurden Betonträger erstmals mit CFK-Lamellen mit der Ebrog-Methode verstärkt; allerdings noch ohne Vorspannung. (Bild: S&P Clever Reinforcement Company AG)

Knifflig im Detail Was zunächst simpel klingt, ist im Detail knifflig – gerade an den Enden der Streifen, an denen gewaltige Zugkräfte von bis zu 14 Tonnen wirken. Damit sie nicht abreis­ sen, müssen sie zuverlässig fixiert sein. Bislang geschieht das mit Aluminiumplatten, geklebt und mit Dübeln gesichert – doch das Empa-Team hat für die neue Methode eigens U-förmige Bügel aus CFK entworfen. Die Vorteile: präziser definierte Übertragung der Kräfte und vor allem eine metallfreie Konstruktion – immun gegen allgegenwärtige und gefürchtete Korrosion.

«Eine Lösung aus einem einzigen Material ist immer besser als aus zweien, die sich unterschiedlich verhalten», erklärt Czaderski. «Gerade für die Verankerung haben wir im Labor viele Versuche gemacht.»

Das Team profitierte dabei von Erfahrungen an der Isfahan University of Technology im Iran. «Dort wurde viel Grundlagenforschung gemacht», erklärt Czaderski.

«Unsere Postdoc-Mitarbeiterin Niloufar

Moshiri kam mit der Idee zu uns, das Ebrog-Verfahren mit Vorspannung zu kombinieren.»

Das Potenzial ist gross, wie Versuche im Labor zeigen: Das Verfahren mit Vorspannung und CFK-Bügeln erhöhte die Belastungsfähigkeit einer Betonplatte um 77 Pro­zent gegenüber der «klassischen» Ver­

Das Empa-Team hat für die neue Methode eigens U-förmige Bügel aus CFK entworfen (links im Bild). Die Farben zeigen die Belastung des Materials an: gelb bedeutet eine hohe Belastung; rot die stärkste. (Bilder: Empa)

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Epoxidharz als Kleber für CFK-Lamellen: Empa-Forscherin Niloufar Moshiri und Indus­ triepartner Martin Hüppi bei den Vorbereitungen.

stärkungsmethode ohne Rillen und Vorspannung. Selbst ohne Vorspannung waren es noch 34 Prozent.

Idee einer Expertin aus dem Iran Um die Technologie marktreif zu machen, haben zunächst Grossversuche an Betonplatten mit einer Spannweite von sechs

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Die getesteten Betonplatten: Die Risse und Verformungen im Labor zeigen, dass das neue Verfahren grosses Potenzial hat. Oben: Ebrog-Methode mit Vorspannung, darunter ohne Vorspannung und klassisches Verfahren sowie ein unverstärktes Bauteil zum Vergleich.

Metern weitere Erkenntnisse geliefert, bevor 2021 ein reales Sanierungsprojekt folgte. Beim Industriepartner arbeitet man derweil schon an praktischen Aspekten.

Für die U-Bügel, bislang in Handarbeit aus Karbonprofilen geformt, entwickeln die Fachleute ein industrielles Verfahren. Und die Ausrüstung, mit der die Lamellen bislang vorgespannt werden, «müssen wir für

das neue Verfahren umdesignen», erklärt Martin Hüppi, der das Projekt bei S&P leitet und seit langem erfolgreich mit den Empa-Fachleuten kooperiert.

Mühen, die sich lohnen könnten: Jedes Bauwerk, das saniert und nicht neu errichtet wird, spart nicht nur Kosten, sondern auch CO ² -Emissionen ein. Zudem wäre das Verfahren beim Einbau leichter und schneller zu handhaben. «Es wäre auch preislich für Bauherren vertretbar», sagt Hüppi, der gute Chancen für Anwendungen sieht – nicht nur bei gealterten Grossbauwerken wie Brücken, sondern auch bei Sanierungen im Wohnungsbau. «Ich sehe dafür absolut einen Markt», sagt Hüppi, «und mit der Vorspannung nutzt man das Potenzial des Materials ja erst voll aus.»

Kontakt Empa CH-8600 Dübendorf +41 58 765 11 11 www.empa.ch

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Leichtbau mit Sandwich-Elementen

Die Ski-Entwicklung neu gedacht zai Ski aus dem Bergell sind für ihre herausragende Performance und das zeitlose Design durch die Integration von innovativen, hochwertigen Materialien bekannt. Im Bestreben nach ständiger Verbesserung von Fahrleistung und Materialisierung ist zai mit dem Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung (IWK) eine Zusammenarbeit eingegangen, die von der Innosuisse unterstützt wurde.

Dipl. Ing. (FH) Dominik Stapf, Prof. Dr. Gion A. Barandun, Benedikt Germanier ¹ Das Thema Ski begeistert und polarisiert.

Bisher steckt in der Ski-Entwicklung relativ wenig Wissenschaft – viele Erkenntnisse basieren rein auf Erfahrungswerten. Das führt dazu, dass der Entwicklungsprozess für einen neuen Ski unter Umständen sehr komplex und langwierig wird, da immer Prototypen aufgebaut werden müssen.

Ziel war die Schaffung einer wissenschaftlichen Basis, um die Fahrleistungen von Alpinski zu bestimmen. Dabei geht es einerseits um die Materialisierung, da nachhaltige und nachwachsende Rohstoffe verwendet werden sollten, und andererseits um das Schwingungsverhalten, wobei dazu eigens ein Prüfstand entwickelt wurde. Die Substitution von typischen Leichtbau-Materialien durch ökologischere Werkstoffe ist eine grosse Herausforderung, vor allem wenn die objektiv und subjektiv gemessene bzw. gefühlte Leistung direkt davon abhängt.

Nachhaltige Materialien für die nächste Generation zai Ski Es gibt verschiedene Faktoren, die die Nachhaltigkeit beeinflussen. In den letzten Jahren wurden viele Bauteile – nicht nur Ski – vor allem auf Leistung hin optimiert.

Mit der Zeit ist aber ein neues Bewusstsein entstanden, das die Optimierung auch auf die Nachhaltigkeit ausrichtet. Gerade im Sport-Bereich besteht auch von der Kundenseite eine Erwartungshaltung, dass sich die Unternehmen mit NachhalDipl. Ing. (FH) Dominik Stapf, IWK, Prof. Dr. Gion A. Barandun, IWK, Benedikt Germanier, zai 1

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zai Ski. (Bild: zai)

tigkeit auseinandersetzen und Verantwortung übernehmen. Dabei wird versucht, zuvor verwendete Materialien mit natürlichen oder rezyklierten Materialien zu ersetzen, was bei einem Anspruch an gleiche Leistungsfähigkeit des Endprodukts nicht ganz einfach ist.

Ein typisches Beispiel sind Elemente, die das Dämpfungsverhalten der Ski positiv beeinflussen sollen. Hier werden bei vielen Herstellern Lagen aus erdölbasierten Gummimischungen eingesetzt, die mit nachhaltigen Alternativen ersetzt werden

sollen (z. B. Kork). Um die Funktion solcher Substitutionen nachzuweisen, wurde im Rahmen der Entwicklung ein Simulationsmodell zur Bestimmung der optimalen Materialkomposition von Skiaufbauten im Hinblick auf die Dämpfung entwickelt.

Der Ersatz der etablierten Materialien kann aber nur funktionieren, wenn die Fahrleistungen des Alpinskis mindestens erhalten bleiben. Die Messbarkeit dieser Eigenschaften wie z. B. der Dämpfung ist deshalb sehr wichtig für eine erfolgreiche Umsetzung einer nachhaltigen Skientwicklung.

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Innovativer Kernaufbau auf Basis nachhaltiger Materialien. (Bild: IWK)

Skiprüfstand zai / IWK. (Bild: IWK)

Optimale Dämpfung für anspruchsvolle Skifahrer Innerhalb des Projektes wurde deshalb versucht, mit wissenschaftlichen Methoden die Skientwicklung einen Schritt weiterzubringen, insbesondere, wenn neue

und bisher unbekannte Materialkombinationen eingesetzt werden. Eine zentrale Frage war dabei auch, wie die Fahrleistung eines Skis in der Ganzheitlichkeit messbar ist. Auf der Suche nach messbaren Komponenten, die den perfekten Ski bestim-

zai Ski Der Name zai kommt aus dem Rätoromanischen und bedeutet «zäh». Er symbolisiert auch Ausdauer und Zeitlosigkeit. zai beschreitet konsequent eigene Wege, bei der Konstruktion, beim Material und bei der Fertigung.

Bei der Herstellung eines zai Skis spielen die Faktoren Zeit und Aufwand eine untergeordnete Rolle. Massgebend sind Qualität und Langlebigkeit. zai fokussiert auf höchste Qualität und die Reduktion auf das Wesentliche und folgt dabei weder Trends noch Traditionen. Mit innovativen, kreativen Konstruktionskonzepten, neuartigen Materialkombinationen und einer aufwändigen Fertigungstechnik, ist zai weltweit führend im Einsatz von neuen und revolutionären Materialien bei der Skifertigung.

men, spielen die Dämpfungseigenschaften verschiedener Materialien und Materialverbunden eine wichtige Rolle.

Die Dämpfung ist ein Parameter, der einen direkten Einfluss auf die Fahreigenschaften eines Skis hat. Die Möglichkeit, die Dämpfung von verschiedenen Materialien und Materialverbunden mithilfe von charakteristischen Proben (und auch ganzen Ski) zu messen, ermöglicht es, die Materialwahl nicht aus dem Bauchgefühl heraus zu treffen, sondern auf Fakten zu basieren.

Um dies zu ermöglichen, wurde ein neuartiger Prüfstand aufgebaut, der das Abklingverhalten von Probekörpern aber eben auch eines ganzen Skis messen kann. Je schneller die Schwingung eines Skis abnimmt, desto sicherer fühlt er sich

Dämpfungsverhalten verschiedener Ski-Prototypen. (Bild: IWK)

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die Formteilqualität Formteilqualität die Verknüpfung Eigenschaftsprofile Fahreindruck / mechanische Eigenschaften. (Bild: IWK)

an. Ein Ski hat die optimale Dämpfung, wenn er schnell vibriert – also flexibel ist – gleichzeitig aber auch schnell wieder in den Ursprungszustand zurückkehrt. Daher steht Dämpfung teils im Widerspruch zu Agilität. Nicht nur das Material selbst, sondern auch der Verbund von Materialien und die Vorspannung des Skis beeinflussen die Dämpfung.

Energiekosten Energiekosten

Die Messungen sind zwar sehr zuverlässig, doch die Parameter, die gemessen werden, sind vor allem subjektiv spürbar beim Skifahren. Die Dämpfung wird beim Skifahren unterschiedlich wahrgenommen. Alle Skifahrenden reagieren individuell auf einen Ski und setzen unterschiedliche Erwartungen. Die Herausforderung ist es daher, subjektive Eindrücke mit den Messwerten der

Prüfstand-Maschine zusammenzubringen.

Um den individuelle Fahreindrücken gerecht zu werden, wurde in einem ersten Schritt das spezifische Eigenschafts-Profil der zai-Modelle auf Basis von Testfahrten und der Bewertung subjektiver Fahreindrücke erstellt. Dieses Eigenschaftsprofil wurde im nächsten Schritt dem, mittels Prüfstand bestimmten, mechanischen EigenschaftsProfil gegenübergestellt.

Durch die intelligente Verknüpfung dieser Profile können wichtige Erkenntnisse für eine zukunftsorientierte Entwicklung hochwertiger und nachhaltiger Alpinski abgeleitet werden.

Kontakt IWK Institut für Werkstofftechnik und Kühlenund und Kunststoffverarbeitung Kühlen Temperierenmit mit Prof. Dr. Gion A. Temperieren Barandun CH-8645 Rapperswil-Jona System System gion.barandun@ost.ch www.ost.ch/iwk n

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I ntelligente F ertigung

Intelligente Fertigung von komplexen Bauteilen

Modular und 3D-gedruckt Der Hauptkostenträger bei der Herstellung von Kunststoffbauteilen im Spritzgussverfahren ist die Herstellung der Spritzgussform. Besonders bei komplexen Geometrien fallen hohe Kosten und Herstellzeiten für gefräste und erodierte Formen an. Aus diesem Grund können Investitionen in Spritzgussformen fast ausschliesslich mit hohen Stückzahlen begründet werden.

Sascha Arnold, Nicolai Jenal, Felix Preisig, Bettina Vetterli, René Wick-Joliat, Dirk Penner, Christof Brändli ¹ Rapid Prototyping wird bis anhin vor allem in den ersten Entwicklungsphasen genutzt, welche die Bereiche Design und Vorserien abdecken. Dabei werden erste Versuche mit vereinfachten Modellen, welche Teilfunktionen des Endproduktes abdecken, durchgeführt. Das Rapid Tooling geht über den Prototypenbau hinaus, indem Vor- und Kleinserien mit Werkzeugen aus 3D-Druck hergestellt werden. [1] Besonders in der Prototyping-Phase ist der Wunsch nach der schnellen und kostengünstigen Verfügbarkeit von Spritzgussteilen gross. Damit könnten verschiedene Konzepte und Geometrien schon früh ausgetestet und evaluiert werden. Durch die breite Verfügbarkeit und mittlerweile relativ grosse Vielfalt an 3D-Druckern und Materialien ist die additive Fertigung vermehrt in den Vordergrund gerückt. Die damit direkt hergestellten Teile sind oft weder mechanisch noch in der Oberflächengüte mit Spritzgussteilen vergleichbar. Als Erweiterung oder Alternative wurden in jüngster Zeit Konzepte zum Einsatz additiv gefertigter Spritzgussformen entwickelt.

3D-Druck-Verfahren Eines der weitest verbreiteten additiven Fertigungsverfahren ist das Fused Layer ModeSascha Arnold, Nicolai Jenal, Felix Preisig, Bettina Vetterli, Dr. René Wick-Joliat, Prof. Dr. Dirk Penner, Prof. Dr. Christof Brändli, alle Institut für Material- und Verfahrenstechnik (IMPE) der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW), Winterthur

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Abb. 1: (A) Stahladapter mit beidseitigen Aussparungen für additiv gefertigte Werkzeuge.

(B) Mittels DLP hergestellte Spritzgussformen. (C) Grünling eines keramischen Heizelements.

(D) Gesintertes Heizelement während eines Glühtests mit einer angelegten Leistung von 100 W. Adaptiert aus Wick et al.

Abb. 2: Beispiele von mit wasserlöslichen Spritzgussformen hergestellten, gesinterten Al2O3 Bauteilen (A, B), sowie keramischer Heizelemente im Grünzustand (C). Adaptiert aus Wick et al.

ling (FLM), welches auch als Fused Deposition Modelling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet wird. Dabei wird das Kunststofffilament aufeinandergeschichtet und zusammengeschweisst, um ein Bauteil zu erzeugen. Aufgrund der geringen Anschaffungskosten und der einfachen Handhabung werden entsprechende Geräte sowohl im Prototypenbau wie auch bei privater Endkundschaft verwendet. [2] In der Digital Light Processing-Technologie (DLP) und der Stereolithografie (SLA) wird mit einem Laser oder einer 2D-Projektion von UVLicht jeweils eine dünne Schicht eines Behälters mit flüssigem, photoreaktivem Polymer ausgehärtet. Nach dem Aushärten

einer Schicht verschiebt sich das Druckbett (Bauplattenform mit Hubtisch) in negativer z-Richtung, Anschliessend wird die nächste Schicht ausgehärtet.

Das Institut für Material- und Verfahrenstechnik (IMPE) der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) befasst sich mit mehreren Konzepten zur Nutzung von additiver Fertigung im Spritzgussprozess. Der vorliegende Beitrag zeigt einerseits, wie keramischer Pulverspritzguss mit additiv gefertigten Formen für die Herstellung komplexer Bauteile eingesetzt werden kann. Andererseits wurden modular aufgebaute Spritzgussformen für den variablen Einsatz ausgearbeitet.

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Pulverspritzguss mit additiv gefertigten Formen Nicht nur Kunststoffe können in additiv gefertigten Formen hergestellt werden.

Auch Keramik- und Metallgrünkörper lassen sich auf diese Weise verarbeiten. Der Prozess des Pulverspritzgusses basiert auf der Mischung einer thermoplastischen Binderrezeptur mit einem etwa gleich gros­sen Volumenanteil an keramischem oder metallischem Pulver. Nach dem Formgebungsprozess des Spritzens muss der organische Binder vorsichtig und langsam entfernt werden. Dazu setzt man vorzugsweise eine zweischrittige Strategie ein. Im ersten Teil wird mit Hilfe eines Lösungsmittels vorentbindert, um mikroskopische Kanäle durch teilweise Lösung des Binderpolymers zu öffnen. Im zweiten Schritt wird der Rest des Binders thermisch zersetzt. Danach wird das in diesem Zustand fragile und empfindliche Bauteil noch nach keramik- oder metallüblichen Programmen zur gewünschten Dichte gesintert. Schliesslich werden Bauteile in hoher Qualität, geometrischer Komplexität und Dimensionsstabilität erreicht. Auf Grund der hohen Kosten für die Formen, der Verwendung von grossen Mengen zu zersetzendem Binder und langen Entbinderungszeiten wird das Verfahren jedoch nur wirtschaftlich dort eingesetzt, wo klassische pulverbasierte Ver­ fahren ihre Grenzen erreichen.

Das Themenfeld der Kosten für den Formenbau erhält jüngst durch die aufkommenden Möglichkeiten der additiven Fertigung von Prototypen- und Kleinserienformen eine neue Facette. So lag es nahe, diese Technologie auch im Zusammenhang mit der Fertigung pulverbasierter Sinterwerkstoffe, namentlich Keramiken, zu erproben. An der ZHAW wurden Spritzgusswerkzeuge mittels DLP oder FDM gedruckt und verwendet, um beispielsweise keramische Heizelemente zu spritzen (Abb. 1). Die technische Machbarkeit spritzgegossener keramischer Heizelemente, bestehend aus einem MoSi2/Al2O3/Feldspat-Komposit, wurde in einer kürzlichen Studie demonstriert. [3] Je nach verwendetem Material und Bauteilgeometrie können solche 3D-gedruckten Werkzeuge für Serien von 10 bis 100 Teilen verwendet werden, bevor sich durch die hohen Druck- und Temperaturbelastungen Risse im Werkzeug bilden.

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Abb. 3: Durch DLP hergestellte Werkzeuge vor (A) und nach (B) dem Spritzguss, sowie die gesinterten Bauteile (C). Elektronenmikros­kop-Aufnahmen zeigen die hohe Qualität des Bauteils an den feinen Strukturen des Gewindes (D). Adaptiert aus Wick et al.

Abb. 4: Keramischer Tiegel mit integrierter Heizspirale. (A) CAD-Design; (B) spritzgegossenes Grünteil nach dem Auflösen der PVA Form; (C) Gesinterter Tiegel während eines Glühtests.

Ein neuer innovativer Ansatz ist die Herstellung von löslichen Formen. Die geometrischen Restriktionen des klassischen Spritzgusses liegen unter anderem in der Vermeidung von Hinterschneidungen, Kanalstrukturen etc. Hier bietet die Verwendung von löslichen Formen eine interessante Erweiterung. Durch die Herstellung von löslichen verlorenen Formen und Einsätzen können so noch komplexere Geometrien realisiert werden.

Hierfür werden die Spritzgussformen beispielsweise aus PVA gedruckt, welches dank der guten Wasserlöslichkeit gerne als Stützmaterial im FDM-Druck verwendet wird.

Nach dem Spritzguss wird die PVA Form im Wasserbad aufgelöst und gleichzeitig wird das Keramikbauteil vorentbindert. Nach dem für Keramiken üblichen thermischen Entbindern und Sintern können so Bauteile von hoher Sinterdichte mit komplexen Geometrien erhalten werden (Abb. 2).

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung UV-härtender, wasserlöslicher Harze im DLP- oder SLA-Verfahren. So gefertigte Spritzgusswerkzeuge weisen eine im Ver-

gleich zu den oben erwähnten PVA-Formen höhere Auflösung auf und eignen sich daher besonders für Bauteile mit feinen Strukturen. Abbildung 3 zeigt den Herstellungsprozess keramischer Dental­ implantate mittels DLP-gedruckter Spritzgussformen und die hohe geometrische Auflösung, die durch das Verfahren erreicht werden kann anhand einer Elektronenmikroskopaufnahme.

Sogar die Machbarkeit des 2-Komponenten-Keramikspritzgusses konnte kürzlich gezeigt werden. [3] Hier wurde eine wasserlösliche Form im FDM-3D-Druck aus wasserlöslichem Standard-Stützmaterial gedruckt und anschliessend mittels Spritzguss mit keramischer Masse unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit gefüllt. Das Resultat war ein direkt elektrisch beheizbarer Schmelztiegel mit selektiven Heizzonen, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Modular aufgebaute Spritzgussformen In diesem Abschnitt wird ein Konzept dargestellt, wie mittels 3D-Druck kostengüns5–6/2022

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Abb. 5: (A) Halteform mit 2 Aussparungen, Rippe, Braue und Angusskanal; (B) Dichtungskontur um die Prüfkörperform zur Abdichtung; (C) zeigt eine Darstellung des Angussblockers in 2 Konfigurationen; (D) Positionierungskonzept mit Schlüssel-Schloss-Prinzip, Bohrung für Positio­n ierungszapfen und Fingeraussparungen.

tige Spritzgussformen für Einzelfertigungen und Kleinserien aufgebaut werden können. Durch die modulare Bauweise können damit diverse Teile gespritzt werden.

Für die Materialcharakterisierung wichtige Prüfgeometrien wurden ausgewählt und in eine einzige Form integriert: Gruppe 1: Zugstab, Schagzähigkeitprüflinge mit 3 verschiedenen Kerben sowie DMA-Probe; Gruppe 2: Platte für Wärmeleitfähigkeit.

Als Spritzgussmaschine wurde eine Boy XS verwendet, da diese einen einfachen Einschub für das Werkzeug besitzt, in die eine

Kavität gefräst werden kann. Darin können additiv gefertigte Einlagen eingesetzt werden (siehe Abb. 1 A). Mit dem FLMVerfahren wurden hauptsächlich PETG und PETG-20CFK verarbeitet. Im SLAVerfahren wurden verschiedene temperaturstabile und zähe Harze auf Basis von Acrylaten umgesetzt. Für die Prüfkörper wurden einerseits EBA, welches sich dank seiner tiefen Viskosität gut spritzgiessen lässt, verwendet. Andererseits wurde HDPE, bei welchem die Verarbeitungstemperatur, der Einspritzdruck und der Nachdruck höher liegen und welches

deshalb anspruchsvoller zu verarbeiten ist, ausgewählt.

Die Ideenfindung wurde mittels eines morphologischen Kastens unterstützt, und es wurden verschiedene Optionen ausgearbeitet (eine Anpassung des morphologischen Kastens wurde nach der 2. Generation vorgenommen). [4] Das Konzept beinhaltet eine gedruckte Halteform, welche zwei Vertiefungen für unterschiedliche Prüflinge enthält. Die Aussparung 1 ist für die gesamte Gruppe 1 und Vertiefung 2 für die Platte des Wärmeleitprüfstandes (Gruppe 2). Die Aus-

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erfestigkeit aufweisen sollten. Bauteile, welche flexibel und abdichtend gegenüber angrenzenden Teilen wirken, wurden mit einem zähen SLA-Harz hergestellt. Um die Lebensdauer der Prüfkörperformen zu erhöhen, wurden Formen aus Epoxidharz gegossen. Dabei wurde ein Negativ aus PDMS mittels SLA hergestellt. Zusätzlich wurden Aluminiumpulver, KohlenstoffKurzschnittfasern und weitere Kohlenstofffasern in das Epoxidharz eingearbeitet (Abb. 7).

Abb. 6: Finales modulares Konzept zur Herstellung von verschiedenen Prüfgeometrien.

(A) Vorderseite der Halteform mit einer Prüfkörperform für den Zugstab; (B) Vorderseite der Halteform mit einer Prüfkörperform für die Wärmeleitplatte.

Abb. 7: (A) PDMS-Form als Negativ für die Herstellung von Epoxidharz-Formen; (B) Unterschiedliche Epoxidharz-Formen mit Kohlenstoff-Kurzschnittfasern verstärkt.

sparung 1 besitzt einen Anzugswinkel von 20 °, um eine Selbsthemmung der Prüfkörperform in der Halteform zu ermöglichen und trotzdem eine einfache Montage und Demontage zuzulassen. Es wurden Rippen an den Eck-Fasen zur Positionierung der Halteform in der Formhälfte angebracht.

Die Halteform wurde über diese Rippen positioniert, die auch Toleranzen ausgleichen konnte (Abb. 5 A).

Eine dünne Dichtungskontur (Abb. 5 B) wurde implementiert, damit nach dem Schliessen des Werkzeugs ein definierter Dichtungsbereich vorhanden ist, welcher die Trennebene der Form abschliesst.

Durch leichtes Zusammenpressen der Dichtkontur mittels der Schliesskraft können Unebenheiten der Formflächen wie auch Höhentoleranzen zwischen den Formen vernachlässigt werden. Diese treten im 3D-Druck von Kunststoffen oft auf und sind nicht zu vermeiden.

Um die Schmelze in den richtigen Bereich der Form einzuleiten, können zwei unterschiedliche Angussblocker (Abb. 5 C) ge24

wählt werden. Ein Angussblocker lässt eine Befüllung der Wärmeleitplatte zu, während der andere Angussblocker das Befüllen der anderen Prüfkörperformen zulässt.

Um die Prüfkörperform in der Halteform zu positionieren, können Positionierungsgeometrien auf der Unterseite (SchlüsselSchloss-Prinzip) angebracht werden. Damit die Halteform in der Formhälfte in Position gehalten werden kann, sind Bohrungen für Stifte vorhanden (Abb. 5 D). Zudem sind Aussparungen auf der Unterseite vorhanden, um Magnete einzulegen, damit die Prüfkörperformen in der Halteform gehalten werden.

Nach mehreren Iterationen schälte sich das in Abbildung 6 dargestellte Konzept als optimale Lösung heraus. Damit die Halteform fest in der Formhälfte sitzt, ist ein Exzenter verbaut, welcher bei der Montage gedreht wird und so die Halteform in der Formhälfte verspannt. Dieses einfache Prinzip erwies sich als sehr vorteilhaft.

Es wurde temperaturbeständiges SLA-Harz für Bauteile verwendet, welche eine Dau-

Zusammenfassung Es gibt weltweit viele Aktivitäten rund um die Kombination von additiver Fertigung mit dem Spritzgussprozess. Dieser Beitrag zeigt, wie komplexe funktionale Bauteile durch die Integration von additiv gefertigten Formen in den keramischen Pulverspritzguss hergestellt werden können und wie ein modulares Konzept für die flexible Herstellung von unterschiedlichen Spritzgussteilen realisiert werden kann.

Literaturverzeichnis: [1] R. Lachmayer, K. Rettschlag, und S. Kaierle, Konstruktion für die Additive Fertigung 2020. Springer, 2021.

[2] R. Lachmayer und R. B. Lippert, «Einleitung», in Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung, R. Lachmayer und R. B. Lippert, Hrsg. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2020, S. 1–5. doi: 10.1007/978-3-662-59789-7_1.

[3] R. Wick-Joliat, M. Tschamper, R. Kontic, und D. Penner, «Water-soluble sacrificial 3D printed molds for fast prototyping in ceramic injection molding», Addit. Manuf., Bd. 48, S. 102408, 2021.

[4] F. Zwicky, «Entdecken, erfinden, forschen im morphologischen Weltbild», Muenchen Droemer, 1966.

Kontakt ZHAW – Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften IMPE, Institut für Materialund Verfahrenstechnik Prof. Dr. Christof Brändli, Leiter Labor für Klebstoffe und Polymere Materialien CH-8401 Winterthur christof.braendli@zhaw.ch www.zhaw.ch/impe n 5–6/2022

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Anwendung von Dehngrenzen bei sprödem Werkstoffverhalten

Bilder und Bildlegenden:

Auslegung von Kunststoffkonstruktionen

Dehngrenzen und sprödes Werkstoffverhalten

Die Auslegung von Kunststoffbauteilen auf Dehngrenzen abzustützen, ist nicht nur einfach und trefflich, sondern vor allem auch werkstoffgerecht. Bei sprödem Werkstoffverhalten nimmt der Ab-stand zwischen der MikroschäAnwendung von Dehngrenzen bei sprödem Werkstoffverhalten digung als primäres Kriterium und dem finalen makroskopischen Versagen durch Bruch merklich ab. Diese9 Tatsache ist im Auge zu behalten, gerade auch bei der dehnungsbezogenen von ThermoplastbauBild 1:Auslegung Spannungs-Dehnungskurven von Kunststoffen bei spr und zugehörigem Arbeitsaufnahmevermögen (schattie teilen.

Bilder und Bildlegenden:

Dehngrenzen ߝఓ (Bild: IWK)

Johannes Kunz ¹

Sprödes Verhalten ist ein vielschichtiges Thema. Ursachen können strukturelle Gegebenheiten sein, wie Molekülketten mit stark eingeschränkter Beweglichkeit durch Ringstrukturen, hoher Kristallisationsgrad oder Faserverstärkung bzw. Füllung mit harten Partikeln. Es kann auch aus äusseren Einwirkungen folgen, etwa durch Bewitterung und generell Alterung durch Abb. Spannungs-Dehnungskurven von 1:1: Spannungs-Dehnungskurven von Kunststoffen bei sprödem und bei zähem Verhalten, Kettenabbau, erhöhte Beanspruchungsge- Bild Kunststoffen bei sprödem und bei zähem und zugehörigem Arbeitsaufnahmevermögen (schattierte Fläche), mit Mikroschädigungsschwindigkeit oder gleichsinnig-mehrachsiVerhalten, und zugehörigem ArbeitsaufnahDehngrenzen ߝఓ (Bild: IWK) ge Spannungszustände. Duroplaste sind mevermögen (schattierte Fläche), mit Mikwegen der engmaschigen Vernetzung in- roschädigungs-Dehngrenzen ε μ (Bild: IWK). trinsisch spröde. tiert sich ähnlich wie bei Glas scharfkantig Abb. 2: Isotherme Spannungs-DehnungsKurven eines PP-GF40-Typs mit eingezeich-eines PP-GF Bild 2: Isotherme Spannungs-Dehnungs-Kurven Sprödes Verhalten bei und glatt bis glänzend. Ein intrinsisch spröneten Streubereichen Streubereichenvon von Bruchspannung σ B Bruchdeh Bruchspannung ߪ஻ und Thermoplasten des Verhalten zeigen vor allem amorphe und Bruchdehnung plastics.com) ε B (Bild: IWK / www.camBei Thermoplasten von Bedeutung ist auch Thermoplaste, unter denen das unmodifi- pusplastics.com). der thermomechanische Zustandsbereich zierte PS oder PMMA typische Vertreter unter den Einsatzbedingungen. In der Regel sind. Auch faserverstärkte teilkristalline erwiesen. Sie wurde seinerzeit von Menverhalten sie sich unterhalb der Glasüber- Thermoplaste können eine mehr oder we- ges und seinen Mitarbeitern aufgrund ihrer gangstemperatur energieelastisch-spröde, niger ausgeprägte Spröde aufweisen, ins- Erkenntnisse über das Versagensverhalten oberhalb entropieelastisch-zäh. Sprödes besondere bei hohem Faseranteil. der Kunststoffe propagiert, bei dem die Verhalten zeigt sich in einer geringen Je spröder sich ein Thermoplast verhält, mikromechanische Schädigung des GefüBruchdehnung sowie im Fehlen von Streck- umso kleiner ist die Spanne zwischen der ges wie Crazes, Mikrorisse und aufgebrogrenze und plastischem Verformungsbe- ersten Schädigung im Mikrobereich und chenen Partikel-Grenzflächen das massgereich. Das Arbeitsaufnahmevermögen des dem makroskopischen Versagen durch bende Kriterium darstellt [1–3]. Inzwischen Werkstoffs ist entsprechend reduziert Bruch. Dieser Umstand legt es auch bei ist dieser Ansatz zu einer bewährten, pra(Abb. 1), und es besteht eine hohe Gefahr der dehnungsbezogenen Auslegung nahe, xistauglichen Methode weiterentwickelt der schlagartigen Ausbreitung von kleinen dem Verdacht auf sprödes Verhalten die worden [4–8]. Er hat, nebst anderen, den Anrissen zum verformungsarmen Bruch. nötige Beachtung zu schenken und für grossen Vorzug, dass der Streubereich der 2: angemessene Isotherme Spannungs-Dehnungs-Kurven eines PP-GF40-Typs Ein solcher Trennbruch verläuft unter Zug Bild eine Sicherheit zu sorgen.

Bruchdehnung ε G mit beieingezeichneten unterschiedlichen Streubereichen von Bruchspannung ߪ஻ undBedingungen Bruchdehnungdeutlich ߝ஻ (Bild: kleiner IWK / www.campussenkrecht zur grössten Normalspannung, ist als jener plastics.com) unter Druck in der Ebene der grössten Dehngrenzen als der Bruchspannung σG (Abb. 2), was eine Schubspannung. Die Bruchfläche präsen- Auslegungskriterien wesentlich genauere, weitgehend parameBei der Auslegung thermoplastischer terunabhängige Abschätzung der Versa1 Prof. Dipl.-Ing. Johannes Kunz, InstiKunststoffbauteile bzw. dem erforderli- gensgrenzen ermöglicht. tutspartner, IWK Institut für Werkstoffchen Festigkeitsnachweis hat sich die deh- Die mikromechanischen Schädigungszotechnik und Kunststoffver­a rbeitung nungsbezogene Betrachtungsweise als nen verlaufen stets senkrecht zur maxiRapperswil an der OST Ostschweizer Fachhochschule ebenso werkstoffgerecht wie zweckmässig malen positiven Dehnung ε max im Bauteil, 5–6/2022

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Anwendung von Dehngrenzen bei sprödem Werkstoffverhalten

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die aus den drei Hauptdehnungen ε1, ε 2 , ε 3 im kritischen Punkt zu bestimmen ist.

Diese wird in der Verformungsbedingung – gemäss der Grösstdehnungshypothese – der zulässigen Dehnung ε zul gegenübergestellt: (1) Die zulässige Dehnung ε zul berechnet sich aus der Grenzdehnung εG, dem Einflussfaktor C zur Berücksichtigung der verschiedenen Abhängigkeiten und einer angemessenen Sicherheit S gegen Mikroschädigung.

Normalerweise, d. h. bei unproblematischen Gegebenheiten liegt die Sicherheit bei S ≈ 1,0 … 1,2, in kritischen Fällen bei S ≈ 1,2 … 1,5 oder höher.

Die Grenzdehnung εG ist definiert als asymptotischer Grenzwert der zeitabhängigen, makroskopisch bestimmbaren Dehnung εμ, die mit dem Auftreten der erwähnten mikromechanischen Schädigungen korreliert (Abb. 3). Diese Grenzdehnung ε G liegt in einer für die verschiedenen Werkstoffgruppen je charakteristischen Grössenordnung, die innerhalb des Dauergebrauchstemperaturbereichs praktisch konstant ist. Aufgrund dieser Tatsache eignet sich ihre Verwendung insbesondere auch für Auslegungen, bei denen der Kunststofftyp noch nicht genau bekannt ist. Bei amorphen Thermoplasten beträgt die Grenzdehnung praktisch durchwegs εG ≈ 0,8 %, das nichtmodifizierte Polystyrol macht mit ε G ≈ 0,4 % eine Ausnahme. Etwas anders ist die Situation bei den teilkristallinen Thermoplasten, deren Grenzdehnung signifikant von der Steifigkeit abhängt [8], beschreibbar durch die Beziehung (2) Darin dient E* = 1000 MPa als Bezugs-EModul.

Bei zeitlich limitierten Beanspruchungen lassen sich die Kunststoffe z.T. deutlich über die asymptotische Grenzdehnung εG hinaus dehnen, ohne eine Mikroschädigung zu erleiden (Abb. 3). Diese MikroschädigungsDehngrenze, hier mit dem Symbol εμ (t) gekennzeichnet, nimmt also zeitabhängig ab.

Sie begrenzt das stationäre Kriechen und die reversible, in etwa linear-viskoelastische Verformbarkeit. Mit zunehmender Spannung σ im Kriechversuch steigt die Mikroschädi26

Abb. 3: Zeitdehnlinien ε(σ i ,t) bei Zugbeanspruchung unter konstanter Spannung σ i mit Mik-

roschädigungs-Dehngrenze ε μ ௜in der Zeit t und diverser Einflüsse sowie Spannung Grenzdeh- ߪ௜ mit M ǡ ‫ݐ‬ሻFunktion bei Zugbeanspruchung unter konstanter Bild 3: Zeitdehnlinien ߝሺߪ nung ε G als Asymptote (schematisch) (Bild: IWK, in Anlehnung an Menges [1]). roschädigungs-Dehngrenze ߝఓ in Funktion der Zeit ‫ ݐ‬und diverser Einflüsse sowie dehnung ߝீ als Asymptote (schematisch) (Bild: IWK, in Anlehnung an Menges [1] gungs-Dehngrenze εμ (t), die Zeit bis zu de- schwindigkeit [11] und nähert sich der ren Erreichen nimmt dagegen ab.

Bruchdehnung εB, was einer gewissen Versprödung gleichkommt. Die Bruchdehnung MaterialWerkstoff Einflüsse auf die Dehngrenzen selber nimmt unter moderaten Dehngefaktor m Die verschiedenen Einflüsse auf die Dehn- schwindigkeiten ebenfalls leicht zu [12], bei PMMA 3,8 grenzen [8]. So be- höheren Dehngeschwindigkeiten sinkt sie PVC wirken unterschiedlich 1,4 einflusst die Temperatur ϑ die zeitabhän- wieder [13]. Bei PMMA z. B. beträgt εμ (t) bei PC 4,8 POMMikroschädigungs-Dehngrenze 1,0 gige ε μ (t), 1 %/min ca. 3 %, bei 100 %/min ca. 4,3 %.

PP aber die Grenzdehnung 2,3 nicht ε G selber, Darüber hinaus ist kein verwertbares Zahandere 1,0 solange sie die Dauergebrauchstemperatur lenmaterial bekannt. Daher wird diesem nicht überschreitet (Abb. 3). Ein dieser Tat- Einfluss nicht mit einem Faktor, sondern – sache entsprechender Ansatz muss mit wie weiter unten ausgeführt wird – in andeTabelle 1: Materialfaktor m für verschiedene dem Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzip rerThermoplaste Form Rechnung getragen. Von diesen [9] im Einklang sein. Für den Temperatur- Überlegungen ausgenommen sind schlageinfluss ab ϑ ≈ 0 °C und t ≥ 10 ̶ 2 h gilt die artige Belastungen mit ihren extremen Dehngeschwindigkeiten. Die BauteilausleBeziehung gung erfordert in solchen Fällen verfor (3) mungsenergetische Betrachtungen [14].

Im Gegensatz zu den erwähnten Einflüs (3a) sen wirken sich z. B. eine Füllung bzw. Faserverstärkung, der Kontakt mit Medien

(3b) oder Binde- und Schweissnähte direkt auf die asymptotische Grenzdehnung ε G aus. als Stand der Technik [8]. Darin ist m ≥ 1,0 Fasern oder harte Füllstoffen senken die ein Materialfaktor (Tabelle 1), t0 = 1 h und Mikroschädigungs-Dehngrenze der Formdie Raumtemperatur ϑ R = 23 °C sind Be- massen infolge von Grenzflächenschädizugsgrössen. Bei Thermoplasten mit unbe- gungen und Dehnungsüberhöhungen. Eikanntem Materialfaktor führt m = 1,0 zur nen Anhaltspunkt für den entsprechenden sicheren Seite. Zügige Kurzzeitbelastun- Einflussfaktor gibt, ganz gut passend zum gen, wie sie etwa bei der Betätigung von Übergang vom linearen zum nichtlinearen Schnappverbindungen auftreten, können Bereich vieler Spannungs-Dehnungs-Kurin (3a) gut durch die Zeit t = 10 ̶ 2 h ange- ven, der Schätzwert C2 ≈ 0,5. nähert werden [10].

Die Abhängigkeit vom massebezogenen Generell steigt die Mikroschädigungs-Dehn- Faser- bzw. Füllstoffanteil kann durch die grenze εμ (t) mit zunehmender Dehnge- Beziehung

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onstruktion BildK 3: Zeitdehnlinien ߝ ሺߪ௜ ǡ ‫ݐ‬ሻ bei Z roschädigungs-Dehngrenz dehnung ߝீ als Asymptote

(4) erfasst werden, die so für Glas gilt. Bei Bedarf lässt sich der Masseanteil ψ aus dem Faser-Volumenanteil φ berechnen [15]. Für Verbundwerkstoffe mit anderem Dichteverhältnis ( ρ F ⁄ ρ M)χ als Glas, z. B. bei Carbonfasern, kann deren Masseanteil ψχ für die Formel (4) umgerechnet werden [8] mit

(5)

Bei faserverstärkten Thermoplasten sind die Fasern im Bereich von Bindenähten von untergeordneter Bedeutung. Wenn der Bindenahteinfluss (siehe unten) erfasst wird, ist der Fasereinfluss nicht auch noch zu berücksichtigen, und es kann C2 = 1,0 gesetzt werden.

Für den Einfluss von Medien auf die Mikroschädigungs-Dehngrenzen gibt es angesichts der unbegrenzten Vielfalt an Kombinationen von Werkstoffen und Medien samt deren Konzentrationen und sonstigen Bedingungen wie Temperatur und Belastungsdauer weder umfassende noch allgemeingültige Aussagen. Die Einflussfaktoren, die auf bekannten Ergebnissen von Versuchen mit ausgewählten Thermoplasten und Medien aus der Literatur beruhen, sind bereits publiziert worden [8].

Auch über die Einflüsse der Verarbeitungsverfahren und -bedingungen auf die Mi­ kroschädigungs-Dehngrenzen liegt kaum zahlenmässig Greifbares vor. Aufgrund von Beobachtungen an spritzgegossenen PSProben und an verstrecktem PMMA wird von orientierungsbedingten Anisotropien berichtet, und dass die Dehngrenzen in Orientierungsrichtung im Vergleich zum orientierungsfreien Zustand mit zunehmendem Orientierungsgrad ansteigen, während sie quer dazu abfallen.

Wie sich Bindenähte an Spritzgiessteilen auf die mikroskopischen Schädigungsmechanismen und die damit verbundene Dehngrenze auswirken, ist bislang nicht bekannt geworden. In erster Näherung kann von denselben Grössenordnungen der Einflussfaktoren wie bei der spannungsbezogenen Auslegung ausgegangen werden. Diese liegen bei teilkristallinen Thermoplasten im Bereich C3 ≈ 0,85 … 1,0, bei amorphen Thermoplasten beträgt der 5–6/2022

Bereich gar C3 ≈ 0,45 … 0,95 [16]. Analoges gilt für Schweissnähte, wofür etwa pauschal C4 ≈ 0,3 … 0,8 angegeben wird [17].

Die Aufgabe, diese und ggf. auch weitere Einflüsse ingenieurmässig zu beurteilen und zahlenmässig festzulegen, obliegt dem Anwender. Unter Vernachlässigung allfälliger Wechselwirkungen zwischen einzelnen Einflüssen ergibt sich schliesslich als Gesamtfaktor das Produkt (6)

Vorgehen bei sprödem Werkstoffverhalten Ist das mutmassliche Werkstoffverhalten unter Belastung als spröde zu beurteilen, empfiehlt es sich, die maximale Dehnung nicht nur der Mikroschädigungs-Dehngrenze gemäss der Verformungsbedingung (1) gegenüberzustellen, sondern auch der Bruchdehnung ε B als zweitem Kriterium.

Letztere sollte natürlich für dieselben Bedingungen gelten, die der ganzen Auslegung zugrunde liegen. Diese Überprüfung erfolgt dann am einfachsten durch Berechnung der vorhandenen Sicherheit gegen Bruch anhand der Beziehung

Werkstoff

Materialfaktor m

PMMA PVC PC POM PP andere

3,8 1,4 4,8 1,0 2,3 1,0

Tabelle 1: Materialfaktor m für verschiedene Thermoplaste.

Tabelle 1: Materialfaktor m für versc

nommen werden. Dieses gibt bei der Temperatur ϑ = 60 °C die Bruchdehnung ε B = 2,0 % an; deren Zeitabhängigkeit kann in erster Näherung vernachlässigt werden. Mit Beziehung (2) erhält man, noch ohne Einrechnung des Fasereinflusses, eine Grenzdehnung von ε G = 1,9 %.

Für die Belastungsdauer t = 10 ̶ 3 h und m = 2,3 (Tabelle 1) liefert (3) den Einflussfaktor C1 ≈ 1,1. Die 40 Masse-Prozent Glasfasern ergeben nach (4) den Faktor C2 ≈ 0,32. Da keine weiteren Einflüsse vorliegen, wird nach (6) insgesamt C = C1 ∙ C2 ≈ 0,35. Mit einer gewählten Sicherheit gegen Mikroschädigung von S = 1,1 berechnet sich mit (1) die zulässige Dehnung von ε zul ≈ 0,6 %. Die vorhandene Sicherheit gegen Bruch beträgt somit nach (7)

(7) (9)

worin ε zul die zulässige Dehnung aus (1) bei einer Sicherheit S gegen Mikroschädigung darstellt. Je nach Risikobeurteilung sollte die Sicherheit gegen Trennbruch im Bereich von SB = 1,5 … 2,0 oder höher liegen.

Wird z. B. ein Polystyrol PS mit ε G = 0,4 % und ε B = 1,0 % betrachtet, das kurzzeitig, also während t ≈ 10 ̶ 2 h, bei ϑ R = 23 °C unter sonst unproblematischen Bedingungen belastet wird, so ergibt sich nach (3) mit m = 1,0 (Tabelle 1) ein resultierender Einflussfaktor C = C1 ≈ 1,8. Unter Einrechnung von S = 1,2 bedeutet dies mit (7) eine akzeptable Sicherheit gegen Bruch von (8) Ein anderes Beispiel: Für ein PP-GF40 kann dem Datenblatt [18] der Zug-E-Modul E = 9200 MPa und ein isothermes Spannungs-Dehnungs-Diagramm (Abb. 2) ent-

Ein solcher Wert ist zur Absicherung gegen Bruch komfortabel. Ein zu knapper Wert dagegen würde entsprechende Korrekturen nahelegen, z. B. die Wahl eines anderen Werkstoffs oder geometrische Änderungen am Bauteil.

Schlussbetrachtung Das Konzept der dehnungsbezogenen Auslegung von Kunststoffteilen bewährt sich, sachgerecht angewendet, auch bei sprödem Werkstoffverhalten. Natürlich könnte man die Auslegung bei angezeigtem Sprödverhalten auch direkt vornehmen. Hierzu wäre in (1) anstelle der Grenzdehnung ε G die Bruchdehnung ε B einzusetzen, und zwar unter Einrechnung der auf sie bezogenen Einfluss- und Sicherheitsfaktoren. Dies hat aber gegenüber dem hier vorgestellten Vorgehen den Nachteil, dass dem Anwender nur die Sicherheit S B gegen Bruch ersichtlich ist, 27

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nicht aber die Sicherheit S gegen Mikroschädigung. Letztere aber ist gerade bei Sprödbruchrisiko von Interesse, liegt doch in den Mikroschädigungen auch der Keim für ein Bruchversagen. Das Zusammenspiel der beiden Versagenskriterien und ihrer massgebenden Grössen kommt in der Beziehung (7) klar zum Ausdruck, weshalb sie bei der Auslegung von Bauteilen mit sprödem Werkstoffverhalten hilfreich sein kann.

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[4] Kunz, J.: Kunststoffe: Prinzipien der Festigkeitsrechnung. Schweiz. Techn. Zeitschrift 73(1976)33/34, S. 801–805 [5] Kunz, J.: Festigkeitsberechnung von Kunststoffkonstruktionen. Kunststoffe – Synthetics 41(1994)2, S. 20–26 [6] Kunz, J.: Ein Plädoyer für die deh­nungs­ bezogene Auslegung. Kunststoffe 101 (2011)4, S. 50–54 [7] Kunz, J.: Reversibilität als Auslegungs­ kriterium. Kunststoffe 108(2018)2, S. 67–71 [8] Kunz, J.: Einflüsse auf die Mikroschädigungs-Dehngrenzen. Kunststoffe 109 (2019)10, S. 212–216 [9] Schwarzl, F. R.: Polymermechanik.

Springer Verlag Berlin 1990 [10] Oberbach, K.: Kunststoff-Kennwerte für Konstrukteure. Carl Hanser Verlag München 1980, S. 61 [11] v. Meysenbug, C.-M., Hartwig, J.: Bestimmung einer kritischen Verformungsgrenze bei thermoplastischen Kunststoffen. Kunststoff-Rundschau 19(1972)12, S. 607–612 [12] Riess, R.: Verformungsverhalten und Zeitstandfestigkeit von Thermoplasten. Haus der Technik – Vortragsveröffentlichungen 316. Vulkan-Verlag Essen, 1973, S. 4–16

[13] Boden, H.-E.: Das mechanische Verhalten von Thermoplasten bei stossartiger Belastung. Diss., RWTH Aachen, 1983 [14] Kunz, J.: Bauteilauslegung bei schlagartiger Belastung. KunststoffXtra 3(2013)10, S. 67–70 [15] Ehrenstein, G. W.; Faserverbundkunststoffe – Werkstoffe – Verarbeitung – Eigenschaften. 2. Aufl. Carl Hanser Verlag München 2006 [16] Erhard, G.: Konstruieren mit Kunststoffen, 4. Auflage, Carl Hanser Verlag, München 2008 [17] Stommel, M., Stojek, M., Korte, W.: FEM zur Berechnung von Kunststoff- und Elastomerbauteilen, 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München 2018 [18] www.campusplastics.com

Kontakt IWK Institut für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung Prof. Johannes Kunz CH-8645 Rapperswil-Jona johannes.kunz@ost.ch www.ost.ch/iwk

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Branchen-Interview auf dem Weg zur K 2022

Rezyklate müssen fürs Upcycling geeignet sein Zur Einstimmung auf die K 2022 bringen wir an dieser Stelle in loser Folge ein Interview, geführt vom VDMA mit einem Vertreter des Kunststoffmaschinenbaus und anderen Stakeholdern der Branche. Diese Woche steht Michael Lackner, Managing Director Lindner Recyclingtech, Red und Antwort.

Herr Lackner, wie hat sich die Kreislaufwirtschaft aus Sicht Ihres Recyclingunternehmens seit der K 2019 entwickelt?

Michael Lackner: Wir bei Lindner haben seit der letzten K einen starken Aufwärtstrend gesehen. 2019 war die Nachfrage nach Rezyklaten angesichts des extrem niedrigen Ölpreises im Keller. Denn dadurch war Neuware günstiger als Rezyklat.

Heute geht es gar nicht mehr in erster Linie um das günstigste Rohmaterial. Es ist vielmehr so, dass die Markenartikel-Hersteller einen Rezyklatanteil in den Verpackungen verlangen, weil die Gesellschaft das verlangt. Diese starke Nachfrage nach Rezyklaten hat den Markt unglaublich belebt. Wir sehen hier kein Ende. Auf Seiten der Recycler selbst hat die seit einiger Zeit erlebte Konsolidierung der Branche zu grös­seren Playern geführt. Diese treiben das Thema Kreislaufwirtschaft stark an.

Auch die Politik will Rezyklatquoten.

Wie wird man die erreichen?

Lackner: Um diese höheren Quoten zu erreichen, muss man zwei Hebel ansetzen: bei der Qualität und bei der Menge.

Das stellt die Maschinenhersteller vor die grosse Herausforderung, Technologien zu liefern, die bessere Qualitäten und deutlich höhere Mengen ermöglichen. Das ist das Gebot der Stunde. An diesen Aspekten arbeiten wir zurzeit.

Wird diese Entwicklung zu einer Entkopplung der Rezyklat-Preise von den Rohöl-Preisen führen?

Lackner: Das ist teilweise schon passiert.

Früher bekam man sein Rezyklat nicht los, wenn Rohöl billig war. Die Abhängigkeit vom Ölpreis war die Krux der Branche. Das ändert sich jetzt, weil die Gesellschaft eine Kreislaufwirtschaft verlangt, weil der Gesetzgeber höhere Rezyklatquoten vor5–6/2022

muss eine Lebensmittelverpackung wieder eine Lebensmittelverpackung werden können.

Wo sind noch Schwierigkeiten?

Lackner: Wir müssen es schaffen, sortenreine Kunststoffströme zu bekommen.

Nach der möglichst sortenreinen Sortierung geht es darum, die Reinigungsprozesse noch besser und effizienter zu machen.

Unsere neue Heisswäsche für das Recy­ cling von Folien oder PET ist hier ein gutes Beispiel. All das ist nötig, damit ein Rezy­ klat herauskommt, das für höherwertige Anwendungen – also für das Upcycling – geeignet ist.

Michael Lindner: «Wir müssen es schaffen, sortenreine Kunststoffströme zu bekommen.» (Bild: Lindner)

schreibt und weil die Markenartikler sagen, sie können es sich aus Marketinggründen nicht mehr leisten, 100 Prozent Neuware einzusetzen. Sie setzen sich daher sehr dafür ein, dass die Kreislaufwirtschaft in Gang kommt. Der nächste Schritt wird ein verpflichtender Rezyklatanteil in den Produkten sein. Damit wäre die Abkoppelung vom Ölpreis zementiert.

Was bedeutet das alles für ein Unternehmen wie Lindner?

Lackner: Wir liefern Technologie für das Recycling. Unsere Herausforderung besteht darin, dass wir die Technologien so weiterentwickeln, dass höhere Mengen und bessere Qualitäten möglich sind. Wir müssen effizienter und noch besser in der gesamten Aufbereitung des Kunststoffs werden.

Damit wir nicht downcyceln, wie das in der Vergangenheit häufig der Fall war. Ziel muss es sein, die Produkte wieder in die gleiche Anwendung hineinzubringen. Langfristig

Muss man auch firmenübergreifend arbeiten?

Lackner: Wir haben Spezialisten für die verschiedenen Aufbereitungsstufen und -schritte im Recyclingprozess. Jetzt müssen die Schritte aufeinander abgestimmt werden. Wir müssen es schaffen, über den gesamten Aufbereitungsprozess hinweg Kooperationen zu formen. Wir müssen immer den gesamten Prozess im Auge behalten, um das Ziel zu erreichen, nicht nur die Optimierung eines Einzelaggregats.

Kann man sich irgendwann einmal einen internationalen Kreislauf vorstellen?

Lackner: Der Müll muss dort aufgearbeitet werden, wo er entsteht – hauptsächlich in den Industriestaaten. Und wir in Europa müssen schauen, dass wir den Müll, den wir produzieren, auch selbst wiederverwerten und in einem Kreislauf führen. Da sind wir auf einem guten Weg. Wir können das Rezyklat sehr wohl exportieren, aber nicht den Müll.

Kontakt www.lindner.com/de

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KUNSTSTOFF XTRA

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Plastikmüll in einer homogenen Flakegrösse

Terrassendielen fürs Leben – aus Plastikmüll In Nordamerika wurden Reststoffe aus Kunststoff über Jahrzehnte hinweg in grossen Mengen exportiert. Dabei war und ist es meist effizienter, kostengünstiger und in jedem Fall nachhaltiger, sie im eigenen Land zu verwerten.

Wie das im grossen Stil funktionieren kann, beweist Fiberon Decking, ansässig in North Carolina, USA. Für die Produktion von hochwertigen Terrassendielen aus Verbundwerkstoffen verwandeln sie Post-Consumer und PostIndustrial Kunststoffabfälle zu Regranulat.

Audrey Brewer ¹ Das Thema Recycling nimmt in den Vereinigten Staaten weiter Fahrt auf. Längst hat man verstanden, dass Wiederverwertung mehr bedeutet, als nur Abfalleimer am Strassenrand zu platzieren. Man weiss, dass Ressourcen endlich und teuer sind und der stetig wachsende industrielle Bedarf zunehmend abhängiger von möglichst sortenreinen Abfallströmen wird.

Unternehmen, die ihre Produkte aus Recyclingmaterial herstellen wollen, können wiederverwertbare Stoffe von kommunalen Sammelzentren beziehen – sofern ausreichend vorhanden. Eine weitere Quelle stellen industrielle Produktionsabfälle dar. Sie ergänzen bzw. ersetzen bei hohen Mengen die Reststoffe aus dem Post-Consumer Bereich. Auch Fiberon Decking setzt bei der Rohstoffbeschaffung für ihre WPC (Wood Polymer Composites) Bretter auf ein hybrides Modell.

Fiberon’s Terassendielen sind in vielen Farben und Designs erhältlich. (Bild: Fiberon)

finden. Statt Plastik als linearen Rohstoff zu begreifen, den man möglichst schnell entsorgen muss, sollte man ihn innerhalb eines Kreislaufs begreifen. Ein Kreislauf, bei dem Neues entsteht. Inklusive neuer Ertrags- und Geschäftsmodelle.

Musterbeispiel Fiberon Decking Im beschaulichen New London, unweit der Metropole Charlotte in North Carolina, stellt Fiberon, gegründet im Jahr 1997, seine in ganz Nordamerika beliebten Compositebretter her. Dafür verwendet

Potenziale des Recyclings nutzen Zur Wahrheit gehört aber auch, dass in den USA immer noch riesige Mengen an Abfällen auf Deponien landen. Es gibt immer noch zu viele Einwegverpackungen, zu viel Einweggeschirr. Und keine ausgeprägte Infrastruktur für Wiederverwertung.

Oftmals fehlt es Firmen jedoch auch an Wissen, wie man eigene Produktionsabfälle besser nutzbar macht. Und so landet bestens für Recycling geeigneter Kunststoff einfach unter der Erde. Das Umdenken muss noch mehr in den Köpfen stattAudrey Brewer, North American Marketing Manager bei Weima America, Inc.

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Fiberon Decking Verbundwerkstoff Dielen Recycling Linie mit Weima Shredder. (Bild: Weima)

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täglich shreddern mittlerweile fünf Weima Einwellen-Zerkleinerer unermüdlich jegliche Arten von Kunststoffabfällen, die angeliefert werden, auf eine homogene Flakegrösse.

Das zerkleinerte Material dient schliesslich als Grundlage für alle weiteren Prozessschritte, allen voran die Extrusion.

«Heutzutage wollen die meisten Unternehmen umweltbewusst agieren. Ich glaube aber, dass viele immer noch denken, dass die Erreichung nachhaltiger Zie-

le nur durch den Einsatz hoher Kosten möglich ist – und das stimmt so einfach nicht. Fiberon ist das beste Beispiel dafür, dass man grosse Gewinne mit Abfall erzielen kann, der sonst ungenutzt bliebe.»

Kontakt www.weima.com

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Weima S7.30 lift-up Shredder mit Hydraulikantrieb von Hägglunds. (Bild: Weima)

BlueFlow

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Kann mehr.

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Befüllung des Shredder Auftragsförderbands.

(Bild: Weima)

das Unternehmen Kunststoffabfälle aus Polypropylen (PP) und kombiniert diese mit Holzfasern – ebenfalls aus Reststoffquellen statt Primärmaterial. Das Ergebnis ist ein robustes Produkt, das nicht nur heute gut aussieht, sondern auch noch in Jahrzehnten seine Eigenschaften behält.

Eine regelmässige Pflege, wie man es sonst von Holzterrassen kennt, entfällt durch diese innovative Technologie.

Energie sparen!

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Um die gewünschten Mengen an Verbundstoffen auch produzieren zu können, betreibt Fiberon in New London nicht nur eine, sondern gleich mehrere Recyclinglinien in ihren riesigen Fertigungshallen. Tag-

Maximale Effizienz.

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Überlegene Präzision.

31 www.guenther-heisskanal.de

KUNSTSTOFF XTRA

B earbeitung

Strahlen von Kunststoff-Spritzgussteilen als Einzelteile und in Chargen

Effizient automatisiert entgraten Die weitere Optimierung von Qualität, Produktivität und Kapazität veranlassten einen führenden Hersteller von Kunststoff-Spritzgussteilen, vorhandene Strahlanlagen zu ersetzen. Entschieden hat sich das Unternehmen für Lösungen von Rösler: Eine RWS 1200, die voll integriert in Fertigungszellen das prozesssichere, automatische Entgraten der Werkstücke als Einzelteile ermöglicht.

Die im niederländischen Tilburg ansässige Helvoet Rubber & Plastic Technologies B.V. ist Hersteller und Entwicklungspartner von Hochpräzisionsprodukten und -baugruppen.

Gefertigt werden die Teile in Spritzgussverfahren aus Gummi, Thermoplasten und Duroplasten. Letztere zählen heute zu den anspruchsvollsten Werkstoffen für hochresi­stente Bauteile, die mit einer Präzision im Mikrometerbereich und vielfach als Ersatz für Metallteile hergestellt werden. Verfahrensbedingt entstehen im Spritzgiessprozess Grate, die entfernt werden müssen.

Hohe Anforderungen an die Entgratqualität und Präzision Um dabei die hohen und weiter steigenden Qualitäts- und Präzisionsanforderungen der Kunden aus der Automobilindustrie, Medizintechnik und weiteren Branchen wirtschaftlich zu erfüllen, setzt das Unternehmen seit längerem auf strahltechnische Entgratanlagen und Strahlmittel der Rösler Oberflächentechnik GmbH. Ausschlaggebend dabei sind unter anderem die dynamische Zusammenarbeit, durch die Pro­ zesse kontinuierlich verbessert werden konnten sowie die optimale Anpassung der Strahllösungen an die individuellen Anforderungen von Helvoet. Dies trägt dazu bei, dass der Teilehersteller in preissensiblen Märkten höchste Qualität wettbewerbsfähig anbieten kann. Hinzu kommt die weltweite Präsenz des Anlagenbauers, durch die ein Ansprechpartner stets in der Nähe ist. Es war daher klar, dass Rösler auch bei der Ersatzinvestition von Strahlanlagen als Lieferant gesetzt war.

Komplettlösung für die vollautomatische Einzelteilbearbeitung Für die Einzelteilbearbeitung schlagempfindlicher Spritzgussteile entschied man 32

Mit der RWS 1200 lassen sich bis zu 85 Prozent unproduktive Nebenzeiten einsparen. (Bild: Rösler)

sich für die Wendebalkenanlage RWS 1200, von der innerhalb der Unternehmensgruppe bereits rund 25 bauähnliche Anlagen betrieben werden. Als Strahlaggregate kommen sowohl punktgenau strahlende Injektoren als auch energiesparende Turbinen sowie kombinierte Lösungen zum Einsatz.

Die neue Anlage ist voll integriert in eine automatische Fertigungszelle. Abgestimmte, steuerungsseitige Schnittstellen sorgen für eine schnelle und exakte Kommunikation mit der übergeordneten Steuerung der Fertigungszelle. Die Be- und Entladung der Strahlanlage erfolgt durch ein Handlingsystem. Es platziert die Werkstücke 5–6/2022

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positionsgenau in den Werkstückaufnahmen, die ebenfalls von Rösler konstruiert wurden.

Die durchdachte Konzeption der RWS 1200 mit zwei gegenüberliegenden Satelliten ermöglicht, dass während ein Satellit be- beziehungsweise entladen wird, auf dem zweiten Satelliten positionierte Teile gestrahlt werden. Im Vergleich zu am Markt üblichen Anlagen lassen sich dadurch unproduktive Nebenzeiten bis zu 85 Prozent verringern.

Während der Entgratung werden alle prozessrelevanten Parameter, beispielsweise Strahldruck, Drehzahl und Filterabsaugung, durch Sensoren überwacht und automatisch konstant gehalten. Strahlmittelnachdosierung sowie -aufbereitung mittels Siebvorrichtung und Kaskadenwindsichtung erfolgen ebenfalls automatisch. Das Strahlmittelbetriebsgemisch steht dadurch immer in optimaler Qualität zur Verfügung. Das erste Teil wird daher in ebenso perfekter Qualität entgratet wie das 100-millionste Werkstück, gleichzeitig kommen die Teile maximal entstaubt aus der Anlage.

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durch gewährleistet. Gleichzeitig beschleunigt der Kontakt zwischen den Werkstücken den Entgratungsprozess.

Ergebnisrelevante Parameter wie die Turbinendrehzahl werden während des Strahlprozesses ebenso mit Sensoren überwacht wie der Strahlmittelverbrauch, wobei eine automatische Nachdosierung erfolgt. Ausgestattet ist die RMBC 1.1-S darüber hinaus mit einer Strahlkammerabsaugung und Vibrationseinrichtung für den Austrag grösserer Grate und Flitter vor der eigentlichen Strahlmittelaufbereitung so-

wie einem Antistatiksystem. Im Zusammenspiel stellen diese Ausstattungsdetails ein gleichbleibend gutes Strahlmittelgemisch, hohe Prozesskonstanz sowie optimal entgratete und saubere Werkstücke sicher.

Kontakt Rösler Schweiz AG CH-5054 Kirchleerau rosler-ch@rosler.com www.rosler.com

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Wirtschaftliche Chargenbearbeitung Auf modernste Anlagen- und Steuerungstechnik sowie gute Erfahrungen setzt Helvoet mit der RMBC 1.1-S auch bei der neuen Entgratlösung für die Batchbearbeitung schüttfähiger Spritzgussteile. Die Muldenbandchargenstrahlanlage ist für Chargen von maximal 70 Litern ausgelegt. Das hohe Volumen reduziert einerseits manuelle Eingriffe für das Be- und Entladen der Anlage. Andererseits können dadurch drei vorhandene Anlagen ersetzt werden, wodurch Produktionsfläche gewonnen wird.

Einen Beitrag zum effektiven und effizienten Entgraten der Werkstücke leistet auch das Strahlaggregat: Im Gegensatz zur üblicherweise bei diesen Anwendungen eingesetzten Injektortechnik, die mit teurer Druckluft arbeitet, setzt Rösler hier auf wirtschaftliche Strahlturbinen. Dabei wird das Strahlmittel mit einer elektromotorisch angetriebenen Turbine beschleunigt und auf das Werkstück appliziert, während die Werkstücke durch ein Endlosband kontinuierlich umgewälzt werden. Eine allseitige gleichmässige Bearbeitung der Teile ist da5–6/2022

TEMPRO plus Temperiergeräte

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Die Digitalisierung verlagert die Wertschöpfung in Richtung Services und Lösungen. (Bild: Adpic)

Global Machinery & Equipment Report von Bain

Maschinen- und Anlagenbau erfinden sich neu Weltweit durchläuft der Maschinen- und Anlagenbau einen solch tiefgreifenden Wandel wie seit Jahrzehnten nicht mehr. In ihrem «Global Machinery Equipment Report 2022» analysiert die internationale Unternehmensberatung Bain Company die disruptiven Veränderungen und zeigt auf, wie die Branche darauf reagieren kann.

Bereits seit geraumer Zeit ist die digitale Industriegüter und -dienstleistungen in Transformation im Gange. Daneben muss der DACH-Region und Co-Autor des Resich die Branche inzwischen mit der Dekar- ports. «Anders als gewohnt kann er sich bonisierung, der Neuordnung der Lieferket- nicht mit hardwarezentrierten Inno0_IR_Ins_1-3q_183x85_fbg_Rohstoffland.pdf 1 mehr 11.10.12 11:06 ten sowie einer grundlegenden Weiterent- vationen absetzen.» Dies verhindere wicklung der eigenen Geschäftsmodelle schon die Digitalisierung, die nahezu die auseinandersetzen. erfasse 0_IR_Ins_1-3q_183x85_fbg_Rohstoffland.pdf 1 gesamte 11.10.12 Wertschöpfungskette 11:06 und umwälze.

Komplette Wertschöpfungs­ Den Fokus auf immer intelligentere, kette wird umgewälzt schnellere und günstigere Maschinen zu «Der Maschinen- und Anlagenbau ist mit legen, ist in diesem Umfeld kein Erfolgsgaeinem immer intensiver werdenden Wett- rant mehr. Die Wertschöpfung entsteht 0_IR_Ins_1-3q_183x85_fbg_Rohstoffland.pdf 1 11.10.12 11:06 bewerb nicht zuletzt durch chinesische vielmehr aus der Kombination von HardAnbieter konfrontiert», betont Bain-Partner ware mit entsprechender Software, aus Michael Staebe, Leiter der Praxisgruppe fortschreitender Automatisierung und zu-

gehörigen Services. Gefragt sind integrierte, passgenau auf die Kundenbedürfnisse abstimmte Lösungen. Dies bleibt nicht ohne Folgen für das Geschäftsmodell.

«Die Kundschaft zahlt letztlich für die tatsächliche Nutzung einer Maschine», so Staebe.

Anteil der Hardware an Gewinnen sinkt weiter Die rückläufige Bedeutung der Hardware zeichnet sich bereits seit Längerem ab. Ihr Anteil an den Gewinnen beispielsweise in der industriellen Automatisierungstechnik wird dem Bain-Report zufolge bis 2030

Rohstoffland Schweiz InnoRecycling fördert Ressourcen

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InnoRecycling AG AG Rohstoffe aus Abfällen InnoRecycling Rohstoffe aus Abfällen Hörnlistrasse 1, CH-8360 Eschlikon, TelefonTelefon +41 71 973 80,973 info@innorecycling.ch Hörnlistrasse 1, CH-8360 Eschlikon, +417071 70 80, info@innorecycling.ch 5–6/2022

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weiter fallen – von derzeit 31 auf dann 23 Prozent. «Der Trend in Richtung Software und Services beschleunigt sich», erklärt Thomas Lustgarten, Bain-Partner und CoAutor des Reports. «2030 werden führende Maschinen- und Anlagenbauer den Grossteil ihrer Hardware nur noch als Teil einer kompletten Lösung verkaufen.» Unternehmen, die auf diese Entwicklung zeitnah reagieren würden, könnten wesentlich schneller wachsen und ihren Wert deutlich steigern. Schon von 2019 bis 2021 ist die durchschnittliche jährliche Aktienrendite (Total Shareholder Return) solcher Vorreiter laut Bain-Report um 32 Prozent gestiegen. Nachzügler verzeichneten gerade einmal 4 Prozent.

Eine entscheidende Rolle beim Wandel der Geschäftsmodelle spielt die intelligente Nutzung von Daten. Auch hier weisen Vorreiter den Weg. Sie verändern beispielsweise mit Predictive und Remote Maintenance das Wartungs- und Reparaturgeschäft von Grund auf. Andere Branchenplayer folgen. So geben alle der rund zwei Dutzend von Bain befragten Unternehmen an, bis 2024 eine vorausschauende Wartung anbieten zu wollen. Fernwartung möchten dann 95 Prozent leisten.

Dekarbonisierung führt zur Erneuerung des Maschinenparks Neue Wachstumschancen ergeben sich zudem aus der weltweit angelaufenen Dekarbonisierung, da diese in der Regel mit einer Modernisierung des Maschinenparks einhergeht. Je entschlossener Anbieter die Dekarbonisierung der eigenen Produkte und ihres Betriebs vorantreiben und je früher sie damit einer klimaneutralen Fertigung gerecht werden, desto grösser wird ihr Vorsprung im Wettbewerb.

Eng verbunden mit dem Ausbau der Nachhaltigkeitskompetenz ist eine Umstellung der Lieferketten. Über alle Branchen hinweg gewichten die Supply-Chain-Verantwortlichen laut Bain-Befragungen Resilienz und Flexibilität zunehmend höher als Kosten und Geschwindigkeit. Wurde dies zunächst durch die Corona-Pandemie forciert, sorgen nun die Folgen des UkraineKriegs für eine weitere Beschleunigung.

Digitale Technologien erleichtern den Maschinen- und Anlagenbauern auch hier die notwendigen Anpassungen. So lassen sich 5–6/2022

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Effizienzreserven in den Lieferketten systematischer heben, Risiken frühzeitiger erkennen und ökonomische wie ökologische und soziale Kennzahlen in Echtzeit nachvollziehen.

M&As sorgen für mehr Technologiekompetenz Um die disruptiven Veränderungen bewältigen zu können, setzen immer mehr Maschinen- und Anlagenbauer auf Zukäufe.

In den Pandemiejahren 2020 und 2021 belief sich der Wert aller M&A-Transaktionen in dieser Branche weltweit auf 72 beziehungsweise 63 Milliarden US-Dollar – und lag damit deutlich über dem Niveau in den vergangenen zehn Jahren. «Mit Übernahmen und Fusionen verschaffen sich Maschinen- und Anlagenbauer Zugang zu besonders wachstumsstarken und erfolgskritischen Märkten», sagt Branchenkenner Staebe. Begehrt seien vor allem Unternehmen, die auf Software, Internet der Dinge, künstliche Intelligenz oder Konnektivität spezialisiert sind, um mit ihrer Hilfe den eigenen Wandel hin zu lösungsund serviceorientierten Geschäftsmodellen zu forcieren.

Vor diesem Hintergrund stellen sich die Maschinen- und Anlagenbauer intern zunehmend neu auf. «Dezentralisierung ist das Gebot der Stunde», konstatiert Bain-Experte Lustgarten. Fokussierte Geschäftsbereiche sollten mit mehr Eigenverantwortung auch über strategische Weichenstellungen und Innovationen entscheiden. Einer schlanken Zentrale wiederum käme eine eher unterstützende Rolle zu. Lustgarten ergänzt: «Je früher sich Maschinen- und Anlagenbauer der Herausforderung des disruptiven Wandels annehmen und ihre Organisation anpassen, desto grösser ist ihre Chance auf ein starkes und profitables Wachstum in den kommenden Jahren.»

Kontakt Bain & Company Switzerland, Inc. CH-8001 Zürich info@bain.com www.bain-company.ch

Umfassendes Know-how in Mehrkomponenten Spritzgiesstechnik

Spritzgiesstechnik SFS gehört zu den international führenden Anbietern auf dem Gebiet der Spritzgiesstechnik. Durch innovative Verfahren und Zusatzoperationen sowie aufgabenspezifisch ausgewählte Kunststoffe sind wir in der Lage, nahezu jede beliebige Form in der geforderten Qualität herzustellen. www.sfs.com/ksw

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C luster

Swiss Biomass Waste

A valiable source for renewable plastics In Switzerland, about 2.8 million tons – 330 kg per inhabitant – of food is wasted every year. This number (2019) reflects the combined amount of food lost across the value chain.

Rudy Koopmans 1 Considered as non-value-added residues, having little or no nutritional value, or not fit for human consumption, they are wasted as effluents, by incineration, or spilled as fertilizer. These actions have a further negative environmental impact in terms of CO2 equivalent emissions (CO2, CH4, NOx), biodiversity loss and land and water consumption. From a materials engineering perspective, these losses consist for the majority out of proteins and carbohydrates, polymeric molecules that are the building blocks of all organic natural structures in fauna and flora. Accordingly, these natural polymers are in fact a very important local feedstock to be explored as potential replacements for fossil fuel-based chemicals and plastics. As a reference, in Switzerland, about 1 million tons of fossil-fuel based plastics are consumed of which about 0.78 million tons are wasted every year. An estimated 80 % is used as a fuel additive in incineration furnaces.

The numbers suggest that there is plenty of natural biopolymer feedstock available with the potential to replace all currently used plastics, even when only considering the waste produced in the food chain. Typically, there is much reservation using food sources for non-nutritional purposes out of fear it may hamper the availability of food and the associated economics with a direct «perceived as negative» impact for consumers.

However, the total amount of biomass produced in Switzerland is estimated to be 57.6 million tons (wet, or 16.1 million tons dry [2017]) when including all sources such as wood and woody products, manure, and other organic waste streams. These amounts 1 Prof. Dr. Rudy Koopmans, PICC Director, HEIA-FR, Fribourg.

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of biomass are also seen as a source of renewable energy in particular wood and woody products. About 5.5% of the total Swiss energy production is already provided from biomass.

In contrast to what these annual, available volumes suggest, a direct use of biomass as a source for polymeric materials is not a straightforward exercise. Some of main challenges relate to sourcing i.e., the mixed molecular composition of biomass, and to the non-centralized production of biomass, which both pose an important technical and economic challenge. Interesting polymers or chemicals for material applications will require extraction and adapted processing technology, and the distributed production requires effective logistics and centralization for achieving an economy of scale.

The alternative would be a different business and economy concept of creating local, smaller production ecosystems close to the feedstock, which contrasts with the current prevailing paradigm of large, centralized production sites away from feedstock and from which products are distributed. However, looking closer and beyond this high-level perspective, there are several opportunities for industrial biomass «waste» streams that offer avenues to produce natural polymer alternatives for existing fossil fuel-based plastics.

Unique benefits Proteins such as collagen, casein, whey, hemoglobin, keratin, and other plant-based proteins are highly functionalized polymeric molecules. They have the capacity to self-organize and build functional structures at different length scales to provide unique properties and benefits. Keratin is such a protein better known as hair, nails, and feathers. Specifically, keratin polymers of feathers organize themself into plate-like structures – beta-sheets – that shape the layered structure of feathers. These nanostructures are an ideal barrier against oxygen and water. Accordingly, by taking advantage of this process it is possible to

develop a new kind of barrier film with properties that should be similar or better than the fossil fuel-based polyamides (PA) or polyvinylalcohol (PVOH) films, typically used in multi-layer flexible packaging that preserves fresh and processed food.

Renewable natural polymer In view of the ambitions to reduce food waste, use a renewable natural polymer to produce a high value functional film that is compostable, and to create a carbon neutral circular value chain, PICC initiated a study to turn the promise into a reality. Two development routes were followed, one starting from feather meal and one using chicken feathers. The first step is to extract the keratin polymer form the two feedstocks without destroying (denaturing) the capacity of keratin molecules to self-organize into beta-sheets. Feather meal turned out not to be a good feedstock as the keratin is denatured for the most part during the preparation process. The direct extraction of keratin from chicken feathers provided enough to test the hypothesis of making a film sample using a compression molding approach.

Several approaches can now be followed to process the keratin into a film. Similar approaches are now being pursued in EU Horizon Europe projects KaRMA2020 with an emphasis on upscaling technologies and unlock where different applications will be valorized. Several startups are also pursuing the industrialization of chicken feathers. As for Europe, 3.6 million tons are available annually, sufficient to replace current barrier solutions in packaging.

Rethinking how and why society produces organic «waste» that can be avoided or up cycled into valuable materials is a research and development field that needs to be reinvigorated. This requires a paradigm shift for the plastics industry but a realistic avenue to become carbon neutral in a zero-waste sustainable society. www.picc.center

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M essen

Die Empack 2022 in Bern war erfolgreich

Gelungener Schweizer Verpackungsevent Vom 30. bis 31. März 2022 fand in der Bernexpo der Branchentreffpunkt der Schweizer Verpackungsszene statt.

Die 13. Ausgabe der Empack bot mit 77 Ausstellern und einem vielfältigen Rahmenprogramm den 2800 Besucherinnen und Besuchern eine umfangreiche Kompetenz an Fachthemen und Neuheiten.

Mit dem übergeordneten Messethema «The future of packaging» konnte die Schweizer Industriekompetenz zusammengebracht werden. Mit den verbindenden Themen Nachhaltigkeit, Klimaschutz und Digitalisierung boten sich spannende Synergien zwischen Ausstellerkonzepten, Fachvorträgen und den unterstützenden Verbänden wie SVI und VLI. Das übergeordnete Thema «Greenpack – closing the loop on plastics» wurde vom SVI mit vielfältigen Fachvorträgen zu alternativen Rohstoffen, Nachhaltigkeit, Kreislaufwirtschaft und Klimaschutz umfassend gewürdigt.

Die Empack zog 2800 Fachbesucher an. (Bild: Easyfairs)

Synergien nutzen

Trendthema: Nachhaltigkeit

Mit den beiden Fachmessen «Empack» und «Logistics & Automation» konnten zahlreiche Synergien genutzt werden, um die gesamte Wertschöpfungskette der Verpackungsbranche abzubilden. Dies hat nämlich direkten Einfluss sowohl auf die Intralogistik, das Handling und den Transport der Güter als auch auf die Reduzierung von Emissionen und die Entstehung neuer Dienstleistungen. Daher kam die parallele Austragung der beiden Events bei Ausstellern und Gästen gleichermassen gut an.

Kristina Nadjarian, Marketing & Content Managerin, zeigt sich sehr zufrieden: «Die positive Aufbruchsstimmung nach Corona hat man hier in Bern deutlich gespürt. Die Aussteller waren sehr beschäftigt und hatten gar nicht viel Zeit für interne Gespräche mit uns als Veranstalter – was sehr für die Messe spricht. Wir mussten sogar aus Platzmangel unsere sehr gut besuchte Pressekonferenz am ersten Tag in die Aus­ steller-Lounge verlegen und konnten angeregte Gespräche in stimmungsvoller Atmosphäre führen. Die Stimmung war allgemein extrem gut und rund 80 Aussteller haben bereits für die nächste Ausgabe vom 25. bis 26. Januar 2023 in Zürich gebucht.»

Nachhaltigkeit in der Verpackungsbranche war ein besonders grosses Thema in zahlreichen Präsentationen und Vorträgen.

Hier präsentierte die «Empack» neben dem vielfältigen Rahmenprogramm auch die bewährten Fachvorträge «Packaging Talks» in Zusammenarbeit mit dem Kompetenzpartner SVI. Im voll besetzten Publikum konnten die Zuschauer von diversen Experten aus den Bereichen Forschung, Entwicklung und Wissenschaft lernen und von einem wertvollen Wissensaustausch auch an Podiumsdiskussionen profitieren.

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Messe-Strategie mit «365°Approach» Kristina Nadjarian betont zum Messekonzept: «Bei Easyfairs geht es vor allem darum, Trends zu setzen, sich weiterzuentwickeln, innovativ zu sein, sich an neue Gegebenheiten anzupassen und dabei immer den Kunden und die Kundenbedürfnisse ins Zentrum zu stellen. Das Unternehmen ist sehr zukunftsorientiert und nimmt innerhalb der Branche und auf dem Markt die Veränderungen bewusst wahr.

Daraus resultieren und entstehen neue Möglichkeiten und Projekte, wie beispiels-

weise der «365 °Approach». Die Idee dahinter ist, die Messe-Community das ganze Jahr über zu verbinden – dies geschieht über zusätzliche Online-Massnahmen und Plattformen (Industry Insights), Social Media, E-Newsletter etc. Wie ich finde, ist das die optimale Ergänzung zu den bestehenden Live-Events – mit der Möglichkeit, neue Touchpoints zu schaffen und neue Zielgruppen zu erreichen.»

Stefan Vögele, Head of Cluster, ergänzt als Ausblick für das Messe-Duo im Jahr 2023: «Wenn wir über die Messe hinausdenken, dann werden wir den Ansatz einer hybriden Customer Journey auch für die Empack und die «Logistics & Automation» im Rahmen unserer 365-Connect-Strategie konsequent weiterverfolgen, um mit unseren Partnern die Positionierung der Fachmessen nachhaltig weiter zu stärken.»

Die nächste «Empack» findet vom 25. bis 26. Januar 2023 in der Messe Zürich statt.

Als Parallelmesse wieder mit dabei ist die «Logistics & Automation» Kontakt www.empack-schweiz.ch www.logistics-automation.ch

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V erpackung

Erfahrungsaustauschrunde «Kunststoffverpackung»

Auf die richtige Verpackung kommt es an Verpackungen sollten möglichst umweltfreundlich und gleichzeitig praktisch sein. Selbstbedienung, Lebensmittelschutz und Frische sind im Lebensmittelhandel ohne Kunststoff derzeit nicht denkbar. Der Handel will gemeinsam mit Konsument:innen Plastik einsparen. Das Ziel: Überverpackungen vermeiden, Materialstärken reduzieren oder recyclingfähige Verpackungen forcieren. Recyclingfähigkeit muss aber nicht zwingend mit Nachhaltigkeit korrelieren. Darüber diskutierten namhafte Expert:innen bei der Erfahrungsaustauschrunde «Kunststoffverpackung» im Dezember 2021, organisiert vom Kunststoff-Cluster.

Bis 2030 sollen alle auf dem EU-Markt in Verkehr gebrachten Kunststoffverpackungen wiederverwendbar sein oder kosteneffizient recycelt werden können. Nicht recycelbare Stoffe sollen aus Verpackungen verbannt werden. Vor diesem Hintergrund ist es auch notwendig, die Aufbereitung und Verarbeitung von recycelten Kunststoffen durch bessere Sammlung und Sortierung von Kunststoffabfällen zu fördern. Einen Fokus der Strategie bildet auch die Vermeidung von Kunststoffabfällen in der Umwelt insbesondere durch Einweg-Kunststoffartikel wie zum Beispiel sogenannte «Coffee-to-go-Becher», Plastikgeschirr oder Einwegflaschen.

Wissenschaft und Wirtschaft im Dialog

Christian Mayr, Projektmanager im Kunststoff-Cluster, organisiert und moderiert die Erfahrungsaustauschrunden Kunststoffverpackung. (Bild: Business Upper Austria)

Seit dem Frühjahr 2019 tauschen sich verschiedene Unternehmen aus der Verpackungsbranche entlang des Wertschöpfungskreislaufs aus und versuchen, diese Herausforderungen mit innovativen Lösun-

gen zu meistern. Gemeinsam mit der FH Campus Wien und einigen KMU suchte das branchenübergreifende Kooperationsprojekt «Packloop» nach Antworten bezüg-

Wir machen mehr aus Kunststoff

lich der Entwicklung von nachhaltigen und sicheren Verpackungen. Unterstützt wird das Projekt vom Lebensmittel-Cluster der oö. Standortagentur Business Upper Aus­ tria. Der Rezyklateinsatz für Verpackungen ist dabei ein wichtiges Thema. Im Projekt wurde vor allem der Einsatz von Rezyklaten in Sekundärpackmittel (Umverpackungen ohne direkten Kontakt zum Lebensmittel) beurteilt und mögliche Ein-­ satzgebiete dafür ausgearbeitet. Aus wirtschaftlicher Sicht ist entscheidend, in welcher Grössenordnung es durch die Umstellung zu einem höheren Material­aufwand im Vergleich zu konventionellem Verbundverpackungen kommt.

Frischfleisch im Fokus Basierend auf der Circular Packaging Design Guideline ermittelte die FH Campus Wien die Rezyklierbarkeit der derzeitigen Verpackungen sowie mögliche Alternativen. Das Österreichische Forschungsinstitut für Chemie und Technik (OFI) unter-

Spritzguss Werkzeugbau Baugruppenmontage

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V erpackung

Für Sie!

Umfassende Temperierund Kühllösungen aus einer Hand Recyclingfähigkeit und Nachhaltigkeit standen im Zentrum der Erfahrungsaustauschrunde des Kunststoff-Clusters. (Bild: Business Upper Austria)

suchte die ausgewählten Verpackungen bezüglich Produktschutz, Lagerfähigkeit und Maschinengängigkeit. «Dass der Umstieg auf recyclingfähige Schlauchbeutel und Vakuumfolien ohne Einbussen der Produkthaltbarkeit möglich ist, zeigte unter anderem der Fleischverarbeitungsbetrieb Landhof. Die Recyclingfähigkeit ist dabei mit über 90 % erfreulich hoch», berichten Lisa Ehm und Charlotte Werner von der FH Campus Wien.

Laut Gunda Rachut, Vorstand der deutschen Stiftung Zentrale Stelle Verpackungsregister, wird europaweit eine einheitliche Regelung für Recyclingbewertungen kommen müssen. Für zusätzliche Bewegung am Markt sorgten die gesetzten europäischen Klimaziele (Green Deal/CO ² Neutralität) und neue Regularien auf nationaler Ebene (Verpackungsgesetz). Wichtig ist aus ihrer Sicht die Importwirtschaft. Ab 1.7. gibt es für das Verpackungsregister LUCID veränderte Regulativen für OnlineShops, von denen auch Marktgiganten wie Amazon, Alibaba sowie deren Händler betroffen sind. Es müssen sich dann alle Unternehmen mit ihren Verpackungen regis­ trieren, auch für Mehrwegverpackungen, Transport- und industrielle Verpackungen oder Serviceverpackungen. Elektronische Marktplätze dürfen künftig keine Ware von Herstellern zulassen, die ihre Verpackungen nicht zuvor an einem System beteiligt haben. Deshalb besteht Handlungsbedarf.

«Es gibt derzeit eine Vielzahl an Unternehmen aus China, die sich registrieren lassen, um die Auflagen auch in Zukunft zu erfüllen», bestätigt Rachut.

Ideenfindung, Grafik- und Formdesign, Konstruktion, 3D-Visualisierung, Bemusterung und Beratung bis hin zur technischen Planung neuer Verpackungslinien. Speziell das Design for Recycling spielt seit einiger Zeit eine sehr grosse Rolle. So sind vor allem die Verpackungsdesigner gefordert, das nötige Know-how für eine zirkuläre Verpackung einzubringen. Ein starker Trend hin zu vermeintlich nachhaltigerem Papier statt Kunststoff als Verpackungsmaterial ist zu verzeichnen. So berichtet Thomas Reissig, Geschäftsführer der VerDeSoft: «Von 15 Projekten beschäftigen sich 14 mit dem Thema Papier statt Kunststoff.»

Design for Recycling

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Das Nürnberger Unternehmen VerDeSoft unterstützt die Kunden bei der Entwicklung neuer Verpackungskonzepte durch 5–6/2022

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Erfahrungsaustausch bringt allen Vorteile Erfahrungsaustauschrunden haben im Cluster Tradition. Dabei treffen sich Unter­ nehmensvertreter und Experten aus der Wissenschaft, um über Spezialthemen zu diskutieren. Im gegenseitigen Erfahrungsaustausch bauen die Teilnehmer wertvolles praktisches Wissen auf, um mit frischen Ideen und neuen Werkzeugen die täglichen Herausforderungen noch besser bewältigen zu können. Neben der Organisation und Koordination der Termine mit den Mitgliedern übernimmt der Kunststoff-Cluster die Moderation der einzelnen Treffen. «Die Erfahrungsaustauschrunde ‹Kunststoffverpackung› hat sich mittlerweile zu einer etablierten Plattform für den gesamten Wertschöpfungskreislauf entwickelt», freut sich Christian Mayr, Projektmanager im Kunststoff-Cluster.

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Recyclingfähige Verpackungslösung

Nachhaltige Monomaterialverpackungen Recyclingfähige Verpackungslösungen werden immer gefragter. Doch wegen des komplexen Anforderungsprofils bestehen flexible Lebensmittelverpackungen oft aus Kombinationen verschiedenartiger Folien und sind deswegen nur schlecht recyclebar. Ein Sauerstoffbarrierelack bietet hier eine Lösung.

Der neue Hydro-Lac GA Oxygen Barrier Coating des Druckfarbenspezialisten hubergroup Print Solutions setzt hier an. Er schützt die verpackten Lebensmittel vor Sauerstoff und ermöglicht dadurch Monomaterialverpackungen. Diese lassen sich einfacher recyclen und können somit wieder dem Wertstoffkreislauf zugeführt werden.

«Herkömmliche flexible Lebensmittelverpackungen bestehen oft aus mehreren laminierten Folienschichten unterschiedlicher chemischer Natur. Jede erfüllt eine bestimmte Funktion – eine davon ist der Schutz vor Sauerstoff», erklärt Dr. Ralf Büscher, Senior Expert Projects Flexible Packaging bei hubergroup. «Verpackungen, die aus mehreren Kunststoffen bestehen, sind allerdings gar nicht oder nur mit gros­ sem Aufwand recyclebar.» Hier kommt der neue Sauerstoffbarrierelack von hubergroup ins Spiel. Lebensmittelhersteller haben durch diesen die Möglichkeit, für ihre

Eine Folienprobe mit Barrierelack wird für die Messung der OTR in die Messzelle eingelegt. (Bild: hubergroup)

Mit dem neuen Sauerstoffbarrierelack lassen sich flexible Lebensmittelverpackungen (z. B. für Nüsse) aus Monomaterial herstellen. (Bild: sogmiller/stock.adobe)

Verpackungen sortenreine, sogenannte Monomaterialien einzusetzen. Dazu nutzen sie Folienverbunde aus gleichen Polymeren (meist Polypropylen oder Polyethylen), zwischen denen der Sauerstoffbarrierelack aufgetragen wird. So kann unter industriellen Bedingungen mit Polypropylen eine OTR (Oxygen Transmission Rate) unter 10 Kubikzentimeter Sauerstoff pro Quadratmeter und Tag erreicht werden.

Sauerstoffempfindliche Lebensmittel wie Müsli oder Nüsse sind so in modernen, recyclefähigen Verpackungen hervorragend vor Luftsauerstoff geschützt. Dr. Lutz Frischmann, Global Product Director Flexible Pa-

ckaging bei hubergroup: «Durch innovative Lösungen wie unserem neuen Barrierelack können wir gemeinsam mit unseren Kunden zu einer Kreislaufwirtschaft beitragen.»

2021 hat hubergroup bereits einen Wasserbarrierelack auf den Markt gebracht, der Papierverpackungen vor Feuchtigkeit schützt.

Mit dem Launch des Sauerstoffbarrierelacks treibt der internationale Druckfarbenspezialist die Entwicklung von nachhaltigen Barrierelacken nun weiter voran.

Kontakt www.hubergroup.com

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AUS DER BRANCHE

Das KATZ ist auf Kurs Im Rahmen des Schweizerischen Kunststoff Symposiums 2022 wurde auch die Mitgliederversammlung des KATZ durchgeführt. Interessiert hat vor allem die Entwicklung des KATZ seit vor Corona und wie die damals an der ausserordentlichen Mitgliederversammlung im Februar 2020 getroffenen und eingeleiteten Massnahmen sich auf das «Wohlergehen» des Kunststoff- Ausbildungs- und Technologie-Zentrum ausgewirkt haben.

Der Turnaround ist geschafft Um die Entwicklung des KATZ darzulegen, ging Geschäftsführer Rémy Stoll bei der Aufstellung des Budgets zurück bis zum Jahr 2019. Damals fuhr das KATZ einen Verlust von CHF 173 000 ein, ein Jahr später dann ein Minus von CHF 113 000. 2021 resultierte ein Plus von CHF 141 000. In diesem Betrag sind allerdings noch ausserordentliche Effekte berücksichtigt. So haben Zweidrit-

Rémy Stoll: Die drei Standbeine haben sich erfreulich entwickelt.

(Bild: M. Flury)

tel der Mitglieder auf die Rückzahlung ihres Darlehens verzichtet und der Härtefallbeitrag durch Bund und Kanton für die Kursausfälle halfen mit zur positiven Geschäftsentwicklung.

Aus der Sicht des Geschäftsführers hat das KATZ den Turna-

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round geschafft. «Ohne Spezial­ effekte wäre ein Verlust von CHF 14 000 resultiert. Diesen konnten wir im 2. Semester kompensieren.»

Die drei Standbeine haben sich erfreulich entwickelt. Das wichtigste Standbein – die Ausund Weiterbildung – steuerte CHF 609 000 zum Umsatz bei.

Die Technologie-Dienstleistungen brachten CHF 178 000 ein (hier sind kleinere Kundenaufträge enthalten) und aF&E schliesslich schloss mit einem Umsatz von CHF 165 000 ab.

In diesem Bereich sind Leistungen für Projekte enthalten, die in der Regel über zwölf und mehr Monate laufen und teils auch von Innosuisse gefördert werden.

Sanfte Weiter­ entwicklung Als Zielsetzung für das laufende und nächste Jahr will Stoll die Bereiche Technologie und aF&E auf dem Stand von Ende 2021 weiterführen und sanft weiterentwickeln. «Wir haben den Be-

reich aF&E im Verlauf des letzten Jahres aufgebaut. Dass wir das gesteckte Ziel nicht ganz erreicht haben liegt nicht am Volumen, sondern an eingetretenen Verzögerungen bei Projekten», hält Stoll fest. Auch beim Kursgeschäft soll beim Stand von Ende 2021 angeknüpft werden. «Zum Teil bieten wir auch neue Kurse an. Wir haben den Lehrgang ‹Kreislauf von Kunststoffprodukten› neu gestartet – einer wurde bereits erfolgreich durchgeführt», so Stoll. «Die richtigen Leute habe teilgenommen – Techniker, die sich mit der Entwicklung von Produkten beschäftigen und denen wir das nötige Rüstzeug auf den Weg geben können.»

Für die Zukunft des KATZ ist Stoll zuversichtlich. «Entscheidend ist, dass das Team wieder funktioniert und das tut es. Die Leute sind engagiert und wollen Lösungen finden. Das ist das, was es braucht.» mf

www.katz.ch

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AUS DER BRANCHE

Gurit fokussiert auf Windturbinen-Rotorblätter Gurit hat sein Luft- und Raumfahrtgeschäfts (Aerospace) an die Isovolta Gruppe, einen Hersteller von Verbundwerkstoffen mit Sitz in Österreich, per 13. April 2022 verkauft. Im Gegenzug hat das Unternehmen einen 60 %-Anteil an Fiberline Composites A/S übernommen, einem technologisch führenden Hersteller von pultrudierten Carbon- und Glasfaserprodukten, die in der Windrotorblattproduktion eingesetzt werden.

Die Veräusserung des Luftund Raumfahrtgeschäfts steht im Einklang mit der Strategie von Gurit, ihre Aktivitäten auf die Windturbinenrotorblätter

sowie auf die Märkte Marine und Industrie zu konzentrieren und diese Segmente weiter zu stärken.

Fiberline Composites, mit Sitz in Dänemark, beschäftigt rund 300 Mitarbeiter und erzielte im Kalenderjahr 2021 einen Umsatz von 104 Mio. CHF. Für den Aktienanteil von 60 % von der Gründerfamilie Thorning bezahlte Gurit CHF 58 Mio. und zusätzlich rund CHF 22 Mio. an Bruttoschulden für das gesamte Unternehmen.

Fiberline Composites wird als eine neue Gurit Business Unit namens Structural Profiles geführt. www.gurit.com

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Erfolgreicher Start auf der Plastimagen für motan

Das Team auf der Plastimagen in México City. (Bild: motan)

Vom 8. bis 11. März 2022 fand im Centro Citibanamex in México City die wichtigste Kunststoffmesse in México statt. motan-colortronic México war zum ersten Mal mit ihrem neuen Team vertreten.

Mit einer Auswahl an Trocknern, Dosier- und Fördergeräten prästentierte sich motan-colortronic México mit einem eigenen Messestand im German Pavillon. Die Messe war sehr gut besucht und die Exponate lockten zahlreiche Interessenten an.

Neu- wie auch Bestandskunden informierten sich am Messestand über die Vorteile der motan Produkte und nutzten die

Gelegenheit, das Team persönlich zu treffen. Besonders erfreulich war die Bestellung einer grösseren Zentralanlage im Bereich Automotive direkt vor Ort. Für das neue Team der motancolortronic México war es eine optimale Gelegenheit, die vor knapp einem Jahr gegründete Firma vorzustellen. Mitte Mai war die Einweihungsfeier im Gebäude der motan-colortronic in Querétaro, México.

Die nächste Plastimagen findet vom 7. bis 10. November 2023 in México City statt.

www.motan-colortronic.com

Dolder-Bigler wächst durch Zukauf

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Die Dolder-Bigler AG mit Sitz in Zug hat per 16. Mai 2022 die Kunststoffsparte der Erich Slupetzky Ges.mbH übernommen.

Der Zusammenschluss der Kunststoffbereiche zweier erfolgreicher Distributoren bietet den Verarbeitern in Österreich Zugriff auf das umfassende Produktportfolio der DolderBigler AG. Dank eigenem Lager in Linz optimiert sich die Lie-

ferkette und durch das vergrös­ serte Verkaufsteam wird ein verbesserter technischer Support vor Ort garantiert.

Die Erich Slupetzky Ges.mbH mit Sitz in Linz konzentriert sich weiterhin auf den Vertrieb von diversen Rohstoffen für die Lack-, Farben- bzw. Bauindustrie in Österreich.

www.dolder.com/de 5–6/2022

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AUS DER BRANCHE

Netstal verstärkt US-Markt Mit ihrer neuen US-Niederlassung verstärkt Netstal die Präsenz im nordamerikanischen Markt. Doug Haberman wird als President Netstal Inc. führen. Er berichtet an Renzo Davatz, CEO der Netstal Maschinen AG, Mitglied des Executive Committee der KraussMaffei Gruppe und Board Director der neuen Gesellschaft. Der Geschäftssitz von Netstal Inc. liegt in Hebron, Kentucky.

«Unsere Produkte, wie z.B. die Elios-Reihe, sind wie geschaffen für den Markt in den USA und Kanada», ist Davatz überzeugt.

Der neue Nordamerika-Hauptsitz in Hebron beherbergt die Büros für Verwaltung, Vertrieb und Kundendienst. «Dieser

Standort wird nicht nur unser wachsendes Ersatzteillager beherbergen, sondern auch über einen Vorführbereich für Maschinen und einen separaten Raum für die Revision von Maschinen verfügen. Das NetstalTeam für Aussendienst, Anwendungsentwicklung und Vertrieb konzentriert sich weiterhin ausschliesslich darauf, unseren Kunden zu helfen, die Vorteile der Netstal-Technologie voll auszuschöpfen», betont Haberman.

Das Team von Netstal Inc. besteht derzeit aus 24 Mitarbeitern. Geplant ist ein weiterer personeller Ausbau von Vertrieb und Aussendienst.

www.netstal.com

Maag Group übernimmt AMN DPI Die Maag Group hat den französischen Werkzeughersteller AMN DPI per 2. Mai 2022 übernommen. Damit setzt Maag den Weg als integrierter Anbieter für Systeme in der Kunststoffindustrie ab Extruder-Spitze konsequent fort.

Der 1979 gegründete und in der Normandie ansässige Entwickler und Hersteller von Polymergranulierwerkzeugen und Lochplatten, AMN, bringt ein breites Know-how sowohl für die Verarbeitungs-, als auch die Extrusions- und Recycling-Industrie in die Maag Group ein.

Das global aufgestellte Unternehmen mit Fachwissen auch für biologisch abbaubare, hochgefüllte Recycling-Materialien konzentriert seine Aktivtäten

vor allem auf den europäischen Markt.

Dazu Ueli Thürig, President der Maag Group: «Die Akquisition ist für uns ein konsequenter weiterer Schritt zu einer noch höheren Kundenorientierung.

So kann jetzt der Werkzeugbau für Granulatoren und Anlagen komplett inhouse stattfinden.

Das steigert Verfügbarkeit und Liefersicherheit der Maag Produkte, Fertigungszeiten sinken.»

Die Lochplatten-Produktion von AMN erhöht darüber hinaus den Service von Maag dank gestiegener Support-Möglichkeiten für den kontinuierlichen Betrieb beim Kunden.

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Ob Inhouse-, Postconsumer, Bottle- oder chemisches Recycling: Nur wenn Maschinen perfekt auf die jeweilige Anforderung abgestimmt sind, gelingt es Kreisläufe präzise und profitabel zu schließen.

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AUS DER BRANCHE

SKZ deckt Energiesparpotenziale auf Die quasi über Nacht hochgeschnellten Energiekosten sind aktuell neben der Lieferkettenproblematik das Top-Thema der Industrie. Höhere Kosten bedeuten aber auch mehr Einsparpotenzial. Das KunststoffZentrum SKZ ist für seine Kunden Wegbereiter beim Aufdecken und Wahrnehmen von Einsparpotenzialen.

Wen ökologische und aktuell auch geopolitische Gründe nicht überzeugen, seinen Energieverbrauch nochmal genauer unter die Lupe zu nehmen, dem sei gesagt, dass unter entsprechenden Voraussetzungen hier schnell viel Geld gespart werden kann. Selbst wenn Investitionen nötig werden, ha-

ben diese sich durch die höheren Energiepreise schneller amortisiert als früher. Lösungen, die finanziell nicht attraktiv erschienen, rechnen sich jetzt deutlich schneller und wirken in die Zukunft gesehen nahhaltiger. Es müssen aber nicht immer gleich Neuinvestitionen in Maschinen bzw. Anlagen sein.

Es lohnt sich z.B. mit offenen Ohren durch die Fertigung zu laufen, um Leckagen im Druckluftsystem zu identifizieren.

Druckluft zählt noch immer zu den teuersten Betriebsstoffen.

Wie immer ist eine genaue Kenntnis der entsprechenden Stellschrauben von Vorteil. Im Online-Kurs Energieeffizienz im Spritzgiessen des SKZ lernen

Entwicklung des Industriestrompreises in Deutschland von 1998 bis 2022. (Grafik: SKZ)

Teilnehmer die relevanten Einsparpotenziale zu identifizieren und mit einfachen Massnahmen schnell Einsparungen zu realisieren. Mit einem Invest von lediglich einem halben Tag werden Mitarbeiter befähigt, die Effizienz in der Produktion

signifikant zu erhöhen. Da sich dadurch auch die Umwelt freut, ist das sogar mehr als nur winwin. Bei Interesse oder Bedarf für andere Fertigungsverfahren steht Alexander Hefner, Vertriebsmitarbeiter am SKZ, als Ansprechpartner zur Verfügung.

SKZ bietet Prüfungen nach DIN-Standard für Kunststoff-Rezyklate Der neue Standard nach DIN SPEC 91446 ermöglicht die Klassifizierung von KunststoffRezyklaten aufgrund der vorhandenen Datentiefe. Die Rezyklate werden in vier unterschiedliche Datenqualitätsstufen eingeordnet. Um beispielsweise die zweite Stufe

«DQL 2» zu erreichen, werden drei analytische Prüfungen (Aschegehalt, Viskosität und Restfeuchte) gefordert. Für die höheren Stufen 3 und 4 ist die Ermittlung von weiteren Materialeigenschaften, wie beispielsweise Dichte, Schüttdichte, Wärmeformbeständigkeit

oder eine Materialidentifikation (mittels IR oder DSC) notwendig. Durch die Ausstellung eines Produktdatenblatts durch ein akkreditiertes Labor kann die Akzeptanz von Rezyklaten am Markt deutlich gesteigert werden, da die Materialeigenschaften nachgewiesen bzw.

überprüft werden. Die Festlegung des entsprechenden Umfangs hinsichtlich analytischer und mechanischer Prüfungen kann individuell nach Bedarf erfolgen. Hierbei steht das SKZ der Kunststoffindustrie als zuverlässiger und kompetenter Prüfdienstleister zur Verfügung.

Intelligente Verwertung von Kunststoffabfällen Unternehmen wissen oft nicht, welche Qualität, Zusammensetzung und Verfügbarkeit ihre Kunststoffabfälle haben und welche potenziellen Abnehmer und Verwertungsoptionen vorhanden sind. Das Ziel des Projekts PlastIQ ist daher die Entwicklung eines KI-basierten Systems, um diese Informationslücken zu füllen. Das Vorhaben wird vom Start-Up WeSort.AI mit Unterstützung durch das SKZ durchgeführt.

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Innovative KI-Verfahren sollen die simultane Prognose von Qualität, Zusammensetzung und Verfügbarkeit von Abfällen ermöglichen. Dadurch kann ein automatisierter Vergleich verschiedener Verwertungsoptionen hinsichtlich ökonomischer und ökologischer Kriterien vorgenommen werden. Das anschliessende Matching mit potenziellen Abnehmern vereinfacht und beschleunigt den Ablauf der weiteren Verwer-

tung. Unternehmen können so zukünftig ihre Kunststoffabfälle einfach und schnell bewerten, die optimale Verwertung identifizieren und mit geeigneten Partnern umsetzen. Dadurch werden die Abfälle nicht ungenutzt entsorgt, sondern als hochwertige Wertstoffe einer sinnvollen weiteren Nutzung zugeführt. Im Ergebnis steht eine Software-Lösung mit diesen Funktionalitäten zur Verfügung, die von Unternehmen

direkt genutzt oder von Online-Handelsplattformen für Sekundärkunststoffe implementiert werden kann.

Kontakt FSKZ e. V. Frankfurter Strasse 15–17 D-97082 Würzburg +49 931 4104-503 m.ruff@skz.de, www.skz.de

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PRODUKTE

Druckluft und Pneumatik aus einer Hand Brütsch/Rüegger Tools baut ihr Druckluft- und Pneumatiksortiment weiter aus. Mit starken Partnern wie der CEJN AG, Festo AG oder der SMC Schweiz AG, bietet das Unternehmen Produkte und Leistungen an, um praktisch jedes Kundenbedürfnis zu befriedigen.

Das Sortiment wurde in den letzten Jahren kontinuierlich erweitert und umfasst heute weit über 30 000 Artikel.

Kunden finden bei Brütsch/ Rüegger Tools Produkte für die Druckluftaufbereitung, für den Werkzeugbau, die Spritzguss-

technik sowie für Automatisationsanlagen in Produktionsanlagen.

Produktprogramm: Druckluftaufbereitung: Kompressoren, Wartungseinheit, Filter- und Druckregelventile Druckluftverteilsysteme: Sicherheitsblaspistole, Spiral­ schlauch, Manometer Antriebe: Norm-, Kompakt- und Kolbenzylinder, Motoren und elektrische Antriebe Ventile und Ventilinseln: Druck- und Sperrventile, Strom­ ventile, Inseln und Peripherien Handlingsysteme: Handlingmodule, Basiselemente und Zubehör

Verbindungstechnik: Steckverbindungen und -verschraubungen, Schläuche und Rohre

und selbstständiges Kuppeln mit maximalem Durchfluss bei nur geringem Druckabfall.

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Das innovative Temperiersystem mit ebenen Stirndichtflächen und beidseitiger Absperrung ermöglicht ein leckagearmes, sauberes Öffnen und Schliessen unter Druck ohne Medienaustritt.

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PRODUKTE

Neue Generation von Klimaprüfschränken Weiss Technik hat seine Klimaprüfschränke der Serie ClimeEvent umfassend überarbeitet.

Verbessert wurden viele Aspekte von Prüftechnik, Handhabung und Design. Dabei flossen in grossem Umfang Erfahrungen der Anwender in die Weiterentwicklung ein.

Dazu gehört das von 7’’ auf 10’’ vergrösserte Bedienpanel.

Es verfügt über einen neuen, schnelleren Prozessor und lässt sich nach Gebrauch sicher in die Gerätefront einklappen. Für die Seitenwand sind optional zwei praktische Ablagenpakete erhältlich. Eine nützliche Option erfährt die Frontscheibe: Sie verdunkelt sich auf Knopfdruck durch einen elektrochro-

men Effekt. Das ist von Vorteil für Labore, die Geheimhaltungsvereinbarungen zu erfüllen haben.

Die Prüfraumseitenwände sind nun mit einem Schienensystem mit Lochmuster ausgestattet. Das ermöglicht die Kombination herkömmlicher Einlegegitter mit Auszugsschienen.

An der Prüfraumdecke angebrachte LED-Leuchten gewährleisten sehr gute Lichtverhältnisse. Ebenfalls neu ist die LED-Statusleiste in der Tür. Der Betriebszustand des Prüfschranks ist damit schon von weitem erkennbar.

Auch prüftechnisch zeigen sich die neuen ClimeEvent-Prüfschränke grundlegend überar-

beitet. Unter anderem verfügt das Wassermanagement nun über einen 27 Liter grossen Vorratstank. Dessen restlicher Inhalt wird im Bedienpanel angezeigt und macht dadurch das Nachfüllen planbar. Auch das Wasserbad zur Be- und Entfeuchtung ist nun grösser.

Ein neuer Regelalgorithmus verbessert den Prüfablauf ebenfalls. Die Absolutfeuchteregelung sorgt für eine verbesserte Regelgenauigkeit, besonders bei hohen Taupunkten. Sie reduziert thermodynamisch bedingte Abweichungen bei Klimawechseln, verringert die Einschwingamplituden der Feuchtewerte und bewirkt schnellere Feuchteänderungen. Dadurch werden die Prüfbedingungen nun auf einem ganz neuen Präzisionsniveau reproduzierbar.

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Grafe verbessert Mattierungsmittel für den 3D-Druck Die stetige Weiterentwicklung des Mattierungsmittels für den 3D-Druck zeichnet sich gegenüber dem Vorgänger durch erheblich verbesserte Mattierungseffekte sowie eine deutlich höhere Druckqualität aus. Getestet hat Grafe das Produkt mit dem Material PETG. «Die Versuchsphase ist abgeschlossen, erste Bemusterungen laufen, jetzt beginnt die Kommerzialisierung», sagte Lars Schulze, Head of Color Development and Material Sciences, der das Projekt betreut.

Mögliche Anwendungen seien Wohnraumelemente wie Lampen, Abdeckungen oder Schalter sowie weitere Applikationen in den heimischen vier Wänden. Seinen Angaben nach ist sowohl bei subjektiven Untersuchungen anhand von 46

Prüfkörpern als auch bei messtechnischen Analysen eine deutliche und nachweisbare Reduzierung des Glanzgrades gegenüber der vorangegangenen Entwicklung zu erkennen.

Bei Untersuchungen unter einem Winkel von 60 Grad sei der Messwert für schwarz eingefärbtes PETG von 8,8 mit Hilfe des alten Mattierungsmittels auf 2,6 und dank des neuen Produkts sogar auf 1,3 reduziert worden, berichtet der Experte. «Wir können hier deshalb guten Gewissens von ei-

ner Halbierung des Glanzgrades gegenüber dem Vorgänger sprechen».

Das Mattierungsmittel ist mit 15 Prozent zu dosieren und kann mit jedem Farbbatch oder -compound kombiniert werden – ohne grösseren Effekt auf die Farbe. Der Mattierungseffekt wird durch die diffuse Lichtstreuung auf der Oberfläche des Kunststoffs erzeugt.

Kunden profitierten bei entsprechenden Bauteilen von einer samteneren Haptik sowie davon, dass der im 3D-Druck häufig vorkommende, aber unerwünschte Schichtaufbau kaum noch zu sehen ist. «Das Material wirkt fast wie aus einem Guss», berichtet Schulze.

Tests hätten zudem keine negativen Einflüsse auf die UVBeständigkeit des Kunststoffs ergeben. «Der 3D-Druck ist ein

rasant wachsender Markt, für den wir umfangreiche Entwicklungsarbeit leisten und eine Vielzahl an Lösungen anbieten», erklärt Schulze und verweist darauf, dass Grafe mit allen grossen Filament-Herstellern zusammenarbeitet. PETG steht für PET, welches mit Glykol aufbereitet wurde – ein im 3D-Druck beliebtes Material.

Darüber hinaus wurde das Mattierungsmittel bereits auch für PLA und PC getestet. Auch seien bei Versuchen im Spritzguss- und im Extrusionsverfahren ebenfalls deutliche Effekte bei der Reduzierung des Glanzgrades feststellbar gewesen.

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