Die Häfner & Krullmann GmbH aus Leopoldshöhe bei Bielefeld entwickelt, konstruiert und produziert seit über 60 Jahren Formteile aus thermoplastischen Kunststoffen. Das Unternehmen produziert u.a. Behälter für den Umweltschutz. Damit das in einem anspruchsvollen Wettbewerbsumfeld auch in Zukunft so bleibt, arbeitet das Unternehmen ständig daran, seine techn(olog)ische Kompetenz und gleichzeitig die Kostensituation zu verbessern. Vor allem über über den Energieverbrauch der Spritzgießmaschinen werden Kosten reduziert. So stand die Modernisierung zweier mechanisch noch gut erhaltener, steuerungs- und antriebstechnisch aber nicht mehr zeitgemäßer Spritzgießmaschinen mit Schließkräften von bis zu 3.200kN auch im Zeichen der Energieeffizienz. Durch vergleichbare Retrofit-Projekte aufmerksam geworden, hatten sich die Verantwortlichen auf die Hydraulikaggregate konzentriert. Neue, prozessgerecht geregelte Servomotoren von Siemens an ebenfalls neuen Hydraulikpumpen von Voith Turbo H + L Hydraulic GmbH & Co. KG sollten die alten Schwenkwinkel- bzw. Konstantpumpen mit Asynchronmotoren der über 20 Jahre lang bewährten Spritzgießmaschinen ersetzen.
Retrofits aus einem Guss
Mit der Umsetzung betraut wurde die International Industry Service UG (IIS), ein Systemintegrator aus Meinerzhagen. Das Unternehmen hat sich u.a. auf umfassende elektrische Retrofits an Spritzgießmaschinen spezialisiert. In Absprache mit den Herstellern wurden für beide Maschinen geeignete Kombinationen aus je einer Zahnradpumpe der Baureihe IPVP und einem wassergekühlten Kompakt-Synchronmotor des Typs 1PH8 (Bild 2) spezifiziert. Die Motoren sind eine der jüngsten Entwicklungen von Siemens und in energetischer Hinsicht auf dem aktuellen Stand der Technik, ebenso die für den Betrieb mit Servomotoren optimierten Zahnradpumpen. Betrieben werden die Servomotoren über je einen Umrichter der Antriebsfamilie Sinamics S120 mit der für Einzelachsen maßgeschneiderten Sinamics Control Unit CU310. Letztere setzt die Sollwerte der ebenfalls runderneuerten Spritzgießmaschinensteuerung in die erforderliche Pumpendrehzahl (= Druck oder Volumenstrom) um. Die Schließ-/Öffnungs- und Dosierwege werden über berührungslos arbeitende Ultraschallweggeber erfasst.
Prozessgerechter Energieeinsatz
Die modernisierten Systeme verbrauchen nur soviel Energie, wie es der Spritzgießprozess in den verschiedenen Phasen (Schließen, Einspritzen, Nachdruck, Dosieren, Kühlen, Öffnen, Auswerfen) erfordert. Am größten ist der Einspareffekt in Kühl- und Pausenzeiten: Die servogetriebene Pumpe steht dann quasi still und verbraucht nur wenig Energie, während die bisherige Kombination immer mit verminderter Leistung (15 bis 20%) weiterlaufen musste. Häfner verarbeitet auf den umgerüsteten Maschinen keine ausgesprochenen \’Schnellläuferteile\‘, sondern Teile mit üblichen Kühl- und Pausenzeiten, sodass der genannte Einspareffekt gut genutzt wird. Zur Erfolgskontrolle wurde über Profibus ein Leistungsmessgerät eingebunden. Dieses unterstützte auch den Einrichter, der damit unmittelbar die Auswirkungen bestimmter Maschineneinstellungen nachvollziehen und so ein Gespür für energieeffizienteres Spritzgießen entwickeln kann.
Einsparung zwischen 30 und 50%
Die vorab überschlagenen Einsparpotenziale von 30 bis 35% wurden deutlich übertroffen. \“Nach einer gewissen Einarbeitung und Optimierung haben wir bei bestimmten Teilen im regulären Produktionsbetrieb eine Energieeinsparung an der Hydraulik von annähernd 50% ermittelt\“, sagt Klaus Lange, Betriebsingenieur und Umweltbeauftragter bei Häfner. Eine weitere Energieeinsparung bringt der Einsatz von Energiesparöl mit 32er Viskosität von ExxonMobil, deren Einsatz in dieser Kombination getestet wurde. Gleichzeitig ist eine Hydrauliköltemperatur von ca. 35°C, statt vorher 45°C, durch den Servobetrieb möglich geworden. Im bedarfsgerechten Servobetrieb wird damit der Energieeintrag in das Hydrauliköl reduziert, sodass kaum noch gekühlt werden muss. Positiver Folgeeffekt: die Standzeiten der bei Häfner generell eingesetzten Feinstfilter erhöhen sich durch das Leichtlauföl. \“Durch die Kombination all dieser Maßnahmen amortisiert sich der Umbau voraussichtlich innerhalb weniger Jahre, und wir können auch bei weiter steigenden Energiekosten kosteneffizient arbeiten und wettbewerbsfähig bleiben\“, erklärt der Betriebsingenieur. Nicht mehr benötigte Hydraulikkomponenten wurden nicht nur stillgelegt und auf Durchfluss geschaltet, sondern komplett entfernt. Das reduziert die Zahl potenzieller Störquellen sowie Leckagen und vereinfacht Wartung, Instandhaltung und Ersatzteilhaltung. Ein weiterer positiver Nebeneffekt ist die reduzierte Geräuschemission beider Maschinen.
Standards schaffen Sicherheit
Ausschlaggebend für die Modernisierung der beiden Maschinen war die nicht mehr gesicherte Verfügbarkeit von Ersatzteilen für die Steuerungen. Die über 20 Jahre alten Systeme waren längst abgekündigt und wurden von den Herstellern nicht mehr unterstützt. Der Kunststoffspulen-Hersteller hat deshalb beizeiten gehandelt, um seine Produktionssicherheit und damit auch seine Lieferfähigkeit zu erhalten.Die von IIS in vergleichbarer Form mehrmals realisierte Lösung basiert auf weltweit verfügbaren Standard-Komponenten von Siemens. Herzstück ist das \’Kunststoffpaket\‘ IMH 3300, ein Komplettsystem für hydraulische Spritzgießmaschinen, bestehend aus Steuerung, Ein-/Ausgabe-Peripherie (E/A) und Bediengerät mit vorgefertigter Bedienoberfläche für das Spritzgießen. Die Meinerzhagener haben bei diesem Projekt die komplette elektrische Ausrüstung einschließlich Kabelbaum und Schaltschrank neu aufgebaut. Damit ist die Verfügbarkeit von Ersatzteilen wieder über Jahre hinaus gesichert. Mitentscheidend für den Betreiber war die Tatsache, dass das standardisierte Retrofit-Paket von Siemens zuvor schon über 300-mal an unterschiedlichsten Spritzgießmaschinen erfolgreich verbaut wurde. Augenfälligste Neuerung beider Maschinen ist ein Simatic Multi Panel MP377 WinAC MP mit 12\“-Touchscreen, hier im Bundle mit einer robusten Soft-SPS, dem Visualisierungssystem Simatic WinCC flexible und darauf aufsetzender, vorgefertigter Bedienoberfläche (Bild 5) für viele Aufgaben beim Spritzgießen. Die Soft-SPS ist kompatibel zur Steuerung Simatic S7-300, funktional vergleichbar mit einer CPU S7-317 und damit von (nahezu) jedem SPS-Programmierer zu beherrschen. Bei höheren Anforderungen kann alternativ eine Controller-basierte Simatic-CPU eingesetzt werden. Der Systemintegrator hat die von Siemens entwickelte Standard-Bedienoberfläche an die Bedürfnisse der Häfner-Maschinen angepasst und u.a. die Ansteuerung dreier Kernzüge (bis zu acht sind möglich) realisiert. Teileprogramme können auf dem Multi Panel abgespeichert, bei Bedarf abgerufen und angepasst werden. Qualitätsdaten lassen sich über die USB- oder Ethernet-Schnittstelle exportieren. Hier wurde die integrierte Ethernet-Schnittstelle des Multi Panels zur Einbindung in das PPS1-System des Verarbeiters und in die Fernwartung via VPN2 vorgezogen. Schnittstelle zwischen Spritzgießmaschine und Steuerung sind über Profibus kommunizierende E/A-Baugruppen (Bild 4). Darüber werden beispielsweise Heizbänder angebunden. Die Maschinen des Spulenspezialisten konnte auf diesem Weg einfach um einen bislang fehlenden Staudruckregler erweitert werden. \“Bei entsprechender Vorarbeit und Organisation auch seitens des Betreibers dauert ein solches Retrofit zwei bis drei Wochen\“, berichtet Detlev Dahl, Geschäftsführer von IIS. Dass sich der Aufwand lohnt, zeigt dieses Beispiel.
www.siemens.de
www.voithturbo.de
www.iis-engineering.de
www.hafner-spools.com