Ansätze zur Energieeffizienz beim Spritzgießen in der Verpackungsindustrie

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Die Kunststoffverarbeitung gehört zu den energieintensivsten Branchen. Besonders hervorzuheben ist hier die Kunststoffverpackungsherstellung mit schnell laufenden Maschinen und hohen Produktionsmengen. Da die Nachfrage nach hochwertigen Kunststoffverpackungen weiter steigen wird, konzentrieren sich die Verarbeiter auf die Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz. Betrachtet man den Spritzgussprozess als Beispiel, wird deutlich, wie viele Parameter fein abgestimmt werden müssen, um diese Bemühungen voranzutreiben.

Die Menschheit hat bisher keine Probleme mit der Wasser-, Land- oder Nahrungsmittelversorgung. Zwei Drittel der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt, doch um Meerwasser in Trinkwasser umzuwandeln und in Trockengebiete zu transportieren, wird viel Energie benötigt. Dank der Bewässerung können viele unfruchtbare Gebiete bewohnbar gemacht werden, so dass ausreichend Land zur Nutzung zur Verfügung steht. Auch die Erde bietet genügend Nahrung, wenn auch ungleich verteilt, aber es fehlt die Energie für Transport und Lagerung. Was also fehlt, ist Energie und daher teuer, da moderat steigende Ressourcenpreise einen Anreiz zur Verbesserung der Ressourceneffizienz setzen sollen. Maschinen- und Arbeitsressourcen sind in den letzten Jahren immer teurer geworden, allerdings sind sie durch Effizienzsteigerungen auch unverhältnismäßig erschwinglicher geworden. Einem Unternehmen, das klug investiert hat, bleibt also immer eine Ersparnis übrig. Dieser Effekt hat zu einer Produktivitätssteigerung in der deutschen Industrie geführt, so dass lediglich 20 Prozent der Kosten in der Kunststoffindustrie auf Arbeitskosten entfallen. Nicht niedrige Materialpreise, sondern niedrige Kosten in der Serienproduktion sind ein wesentlicher Erfolgsfaktor für Kunststoffprodukte. Daher ist es wünschenswert, mehrere Prozessschritte zu kombinieren und zu integrieren.

Auch Bergi-Plast, ein Spezialist für Formenbau und Kunststoffverarbeitung, hat diesen Ansatz an seinem Hauptsitz in Bad Gottleuba-Berggießhübel bei Dresden analysiert. Als Zulieferer der Verpackungs- und Automobilindustrie produziert das Unternehmen mit seinen 130 Mitarbeitern ein breites Sortiment an Kunststoffverschlüssen. Das Produktportfolio umfasst Komponenten wie Klappdeckel, Schraubverschlüsse, Messkappen, Tubenverschlüsse und Kanisterverschlüsse für die Kosmetik-, Haushaltschemie-, Pharma- und Lebensmittelindustrie sowie Flaschen- und Kanisterhersteller. Jährlich werden rund eine halbe Milliarde solcher Teile produziert. Darüber hinaus werden in Berggießhübel und einem zweiten Werk in Dohma Komponenten für Brems- und Lenksysteme für Nutzfahrzeuge, Teile für Tankanlagen und elektrische Baugruppen für die Automobilindustrie produziert.

Das Unternehmen verfügt über einen modernen Maschinenpark, darunter Spritzgießmaschinen mit einer Schließkraft von 25 bis 210 Tonnen. Einige der Maschinen sind mit Handlingsystemen zur Entnahme und Weiterverarbeitung von Kunststoffteilen ausgestattet. Der Werkzeugbau ist für Formen mit einem Gewicht bis zu zwei Tonnen ausgelegt. Die erfolgreiche Unternehmensentwicklung von Bergi-Plast basiert auf der Philosophie eines ganzheitlichen Leistungsangebots zur Erfüllung höchster Qualitätsstandards, eines optimalen Preis-Leistungs-Verhältnisses und einer konsequenten strategischen Ausrichtung. Das Unternehmen wendet ein ausgereiftes, ganzheitliches TQM-Konzept ohne Kompromisse an, um den höchsten Qualitätsanspruch zu gewährleisten. Dazu gehört ein Qualitätsmanagement, das auf die Bedürfnisse und Anforderungen der Kunden zugeschnitten ist. Bergi-Plast verfügt außerdem über modernste Ausrüstung und einen gut ausgestatteten Messraum.

Beim Thema Ressourcen- und Energieeffizienz legt Bergi-Plast auch großen Wert auf eine auf die Produktionsbedingungen optimierte Gebäudeklimatisierung. Um weitere Energieeffizienzpotenziale auszuschöpfen, nutzt das Unternehmen die Wärmerückgewinnung in der Spritzgussproduktion. „Als energieintensives Unternehmen sind wir uns bewusst, dass wir unseren Wettbewerbsvorteil nur dann behalten können, wenn wir den Energieverbrauch auf ein Minimum reduzieren“, erklärt Matthias Zetzsch, Projektleiter Kappen und Verschlüsse bei Bergi-Plast. „Deshalb greifen wir hier seit vielen Jahren gezielt ein und nutzen konsequent innovative und erfolgreich umgesetzte Sparkonzepte. Gerade im Spritzgussprozess gibt es noch zahlreiche Anpassungen, die uns helfen könnten, diese Bemühungen voranzutreiben.“ Aufgrund der vielen Einflussfaktoren und deren komplexes Zusammenspiel ist es wichtig, möglichst viele Prozessparameter daraufhin zu untersuchen, wie stark sie den Energieverbrauch beeinflussen.

Matthias Zetzsch, Projektleiter Kappen und Verschlüsse bei Bergi-Plast

Dies war auch bei Bergi-Plast der Fall, als das Unternehmen seine Produktionsabteilung unter die Lupe nahm, um Energieeinsparpotenziale zu identifizieren. Auf die Blue Flow Heiztechnik wurde Zetzsch im Rahmen der Techniktage bei Günther Heißkanaltechnik in Frankenberg aufmerksam. Durch die Standardisierung der Dickschichttechnologie konnte Günther energieeffizientere Heißkanaldüsen entwickeln. Im Vergleich zu herkömmlichen Körperheizelementen aus Messing sind Dickschichtheizelemente wesentlich feiner und haben einen kleineren Durchmesser. Darüber hinaus lassen sich Heizleiter wesentlich dichter und damit individueller für jede Temperaturzone anbringen, da sie nur etwa 20 µm dick sind. Dadurch lässt sich auch die Temperaturverteilung in der gesamten Düse deutlich präziser steuern. Durch die Blue Flow-Technologie können Heißkanäle platzsparender, individueller und energieeffizienter gestaltet werden, was auch den Spritzgießprozess insgesamt effizienter macht. Eine weitere Konsequenz ist, dass kleinere, an die Tätigkeit angepasste Spritzgießmaschinen eingesetzt werden können, ohne dass die Produktionsleistung sinkt. Insgesamt wird die Produktion nicht nur flexibler, sondern auch deutlich energieeffizienter. Das ist natürlich ideal für Unternehmen wie Bergi-Plast, die für die Verpackungsindustrie produzieren und sich zudem für Nachhaltigkeit und Energieeffizienz einsetzen.

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Stand vom 23.03.2021

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Bergi-Plast verwendet die Düsen von Günther bereits seit mehreren Jahren. In einer Versuchsreihe wollte Zetzsch herausfinden, welche Vorteile eine energieeffiziente Heißkanalkonstruktion mit sich bringt. Er wollte die Werte für den Energieverbrauch in drei identischen 12-teiligen Formen zur Herstellung von Tubenverschlüssen (Flip-Top-Soft und Flip-Top-Supersoft) vergleichen. Ziel war es, Polypropylen (PP) mit einem Schussgewicht von rund acht Gramm bei einer Zykluszeit von rund zwölf Sekunden zu verarbeiten. Einer der eingesetzten Heißkanäle stammte von Günther Hot Runner Technology und war mit Düsen der energieeffizienten Blue Flow-Produktreihe ausgestattet. Es wurden Blue Flow 4SHT80S-Düsen eingebaut. Die anderen Heißkanäle und Düsen waren in ihrem Aufbau identisch. An der gleichen Spritzgießmaschine wurde eine Stromzange mit direktem Elektroantrieb eingesetzt. Der Produktionszyklus betrug 24 Stunden.

Die Ergebnisse bestätigten Günthers Aussage, dass seine Maschine im Vergleich zu anderen Heißkanaltechnologien Energieeinsparungen zwischen 20 und 30 Prozent erzielen kann. Zetzsch ergänzt: „Die Ergebnisse zeigten, dass Einsparpotenziale beim Energieeinsatz auch im Werkzeugdesign liegen.“ Genauer gesagt konnten wir im Vergleich zur Heißkanaltechnik anderer Hersteller eine Einsparung von 23,01 Prozent erzielen. Dies bestätigt auch unsere Entscheidung, die Günther-Heißkanaltechnik zu installieren, die wir seit 2010 einsetzen.“ Marco Kwiatkowski, Prokurist und verantwortlich für die Dickschichtabteilung von Günther, sagt: „Die Blue-Flow-Düsentechnologie ermöglicht zudem eine millimetergenaue Leistungsverteilung, wodurch die Erwärmung deutlich homogener wird.“ Dadurch kann die Leistung beispielsweise im vorderen Düsenbereich stark konzentriert werden. Dies wirkt sich auch positiv auf die Prozessstabilität und Formteilpräzision aus. Darüber hinaus ermöglicht die Reduzierung der Verarbeitungstemperaturen auch eine Verkürzung der Zykluszeiten.“ Zehn Jahre, inklusive Praxistests mit Pilotanwendern, wurden in die Forschungs- und Entwicklungsarbeit an der Blue Flow Heißkanaldüse investiert. Durch die Standardisierung der Dickschichttechnik für Heißkanaldüsen hat Günther ein absolutes Alleinstellungsmerkmal am Markt erlangt.

Verbesserte Nachhaltigkeit

Fortschrittliche Heißkanallösungen erhöhen die Flexibilität und Nachhaltigkeit

Wenn es darum geht, deutlich Energie einzusparen, ist es natürlich wichtig, den Energieverbrauch bei der Herstellung von Kunststoffprodukten zu reduzieren und Aufbereitungsparameter wie vollelektrische Spritzgießmaschinen zu nutzen, die laut Herstellerangaben den Energiebedarf um bis zu reduzieren bis zu 50 Prozent im Vergleich zu hydraulischen Maschinen. Um die Ziele eines Ressourceneffizienzprogramms wie Prog Ress zu erreichen, um natürliche Ressourcen für zukünftige Generationen zu erhalten und negative Auswirkungen auf die Umwelt zu vermeiden, müssen jedoch alle Komponenten des Produktionsprozesses untersucht oder erfüllt werden Kapazitätsgrenzen überwinden und mit effizienten Technologien Wettbewerbsvorteile erzielen. Hier setzt der Kunststoffverarbeiter und Formenbauer Bergi-Plast mit dem Einsatz der Heißkanaltechnik von Günther ein hervorragendes Zeichen. Die konsequente Verbesserung der Ressourceneffizienz ist eine Art Lebensversicherung gegen Ressourcenknappheit und steigende Preise und sichert Wettbewerbsvorteile.

* Horst-Werner Bremmer ist Leiter Technische Anwendungsberatung und Vertrieb bei Günther.

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