Effizient für die Umwelt

1. Das Exponat: Eine Neudefinition des Machbaren

Zweifelsohne findet die K-Messe 2019 im Schatten der Diskussion um Umweltschutz und den richtigen Einsatz von Kunststoff statt. Die Industrie steht in der Pflicht Lösungen zu präsentieren und zu beweisen welch zukunftsorientiertes, energieeffizientes und nachhaltiges Rohmaterial Kunststoff sein kann. Aus diesem Anlass präsentieren die Standpartner Beck Automation, GLAROFORM und bfa solutions eine Produktionszelle, die die Machbarkeitsgrenze des Spritzgiessens in vielerlei Hinsicht neu definiert und das Streben nach einer Kreislaufwirtschaft entschieden unterstützt.

Produziert durch eine 4-fach ICM-Konfiguration (Injection compression moulding) von GLAROFORM und Krauss Maffei High Performance (ehem. Netstal) beeindruckt ein 200 ml Trinkbecher mit einer wegweisenden Materialeffizienz. Die bisher unerreicht geringe Wandstärke weitet die physikalischen Grenzen aus und führt neben der erheblichen Materialeinsparung auch zu einer weiteren Beschleunigung der gewohnt kompetitiven Produktionszykluszeit. Der durch das Verfahren bedingte mindere Bedarf an Schliesskraft und Einspritzdruck reduziert die einwirkenden Kräfte, was im Sinne der Nachhaltigkeit die Langlebigkeit der Produktionsanlagen erhöht und den Energieaufwand minimiert. GLAROFORM demonstriert mit diesem Werkzeug ihre Innovationsfähigkeit und bringt die Philosophie von höchster Präzision und einzigartig stabiler Bauweise ausdrucksstark zum Tragen.

Beck Automation präsentiert eine kompakte Hochleistungs-IML-Automation mit einem Banderole-Label. Die Anlage zeichnet sich durch Dynamik, Prozessstabilität und eine sehr hohe Verfügbarkeit bei kurzen Zykluszeiten aus. Durch das exakte Zusammenspiel der einzelnen Anlagenkomponenten Automation, Spritzgießmaschine, Werkzeug, Label-Qualität und optische Kontrolle erhöhen sich Produktivität und Wertschöpfung. Die Verwendung von Leichtbau-Materialien auf dem Hauptarm sowie der Einsatz von Hochleistung-Linearmotoren ermöglichen schnelle, dynamische Bewegungen. Die Hauptachse verfügt über zwei Antriebsmotoren. Dies verbessert die Dynamik und verlängert die Lebensdauer der Riemen sowie der Motoren. Schräg gestellte Label Magazine, bei denen das Label mit dem Druckbild nach unten ausgerichtet ist, minimieren den Label-Verzug. Daher ist eine optimierte, präzise Positionierung der Labels gewährleistet. Die Labels werden auch bei sehr schnellen Zykluszeiten störungsfrei vereinzelt und auf die Kerne übergeben. Die Entnahme, die Übergabe sowie das Ablegen und Stapeln der Produkte überzeugen durch eine bestechende Autonomie. Neu in die Steuerung/HMI integriert, wurde das modifizierte Logbuch mit einer Benutzerverwaltung, Parameterüberwachung, vereinfachter Fehleranalyse sowie einem Wartungsintervall. Zusätzlich ist die IML Anlage mit einem 10-Kamera Vision System von Intravis ausgestattet. Dieses prüft die Becher über 360° von aussen und macht gleichzeitig auch eine Prüfung vom Innern des Bechers.

Des Weiteren werden vom Label-Lieferanten Verstraete Labels mit einem digitalen Wasserzeichen eingesetzt. Diese neue Technologie ermöglicht ein effizientes Aussortieren bei entsprechend vorbereiteten Recyclinganlagen. Ausserdem können die digitalen Wasserzeichen, welche von blossem Auge nicht erkennbar sind, auch als Codes verwendet werden. Heute kennt man dies bereits von einfachen Strich- oder QR-Codes.

Das MES PiSolutions der Firma bfa solutions ltd stellt in dieser anspruchsvollen und zukunftsweisenden Anwendung die Schnittstelle zwischen der Produktionsebene und der ERP-Ebene dar. Es hat dabei die Aufgabe die Daten der Spritzgiessmaschine, des Handlings und des Qualitätssicherungssystems zusammenzuführen, auszuwerten und den verschiedenen Anwendern zur Verfügung zu stellen. Die verschiedenen Funktionen des MES helfen dabei Stillstandzeiten, den Ausschuss, den Produktionsfortschritt und vieles mehr in Echtzeit sichtbar zu machen. So kann schnell auf Probleme reagiert werden oder ein Werkzeugwechsel mit einem vorgeheizten Werkzeug kann zum richtigen Zeitpunkt vorbereitet werden (Just-In-Time). Die Auslastung und Effizienz der Produktionsmaschinen und -linien können so bedeutend erhöht werden. Das ermöglicht, noch mehr Energie, Zeit und damit auch Geld einzusparen und stellt den Gedanken des effizienten sowie nachhaltigen Rohmaterials Kunststoff weiter unter Beweis.

Angesichts der sich verändernden Konsumentenansprüche bietet sich der Industrie heute die Möglichkeit eine Win-Win-Situation für die Umwelt und ihre eigenen Anspruchsgruppen zu schaffen. Die gezeigte Produktionsanlage steht mit der deutlichen Verschleiss- und Verbrauchsreduktion hinsichtlich des Material, der Energie, der Arbeit und der Anlage selbst, bei gleichzeitiger Steigerung des Outputs, ganz im Zeichen einer noch effizienteren Zukunft. Den Stand der Technik von morgen präsentieren wir an der K-Messe 2019 in der Halle 12 auf dem Stand A51-03 (Swiss Pavilion).

2. Die Partner: Drei Erfolgsgeschichten

GLAROFORM AG

GLAROFORM ist weltweit etabliert als führender Anbieter von Hochleistungs-Spritzgiesswerkzeugen für Dünnwandanwendungen. Mit der einzigartig konsequenten Spezialisierung auf Artikel wie Lebensmittel- und Medizinalverpackungen, Blumentöpfe und Becher setzt das Unternehmen Massstäbe in Sachen Produktionseffizienz und -kontinuität. Kürzere Zykluszeiten, höhere Verfügbarkeit, längere Lebensdauer und einfachere Handhabung sind die Kernthemen bei der Produktentwicklung.

Im Sinne einer erfolgsversprechenden Partnerschaft sind die Kundenbedürfnisse von unbedingtem Interesse. Der individuelle Service ist ebenso persönlich, verlässlich und kompetent wie schnell und flexibel. Das Service-Spektrum von GLAROFORM umfasst sowohl eine umfassende Verkaufsberatung und einen lebenslangen Produktsupport, als auch die Unterstützung bei der Produktentwicklung - von der Beratung zum Artikeldesign zugunsten stabiler Produktionsprozesse bis zu längerfristigen Entwicklungsprojekten für neue Produkte oder Baugruppen.

Unter Inanspruchnahme des weitreichenden Netzwerks, in aktiver Zusammenarbeit mit führenden Unternehmen ihres Fachs und einer genauen Beobachtung des technischen Fortschritts beteiligt sich GLAROFORM aktiv an der Weiterentwicklung der Spritzgiesstechnologie und agiert so immer im Raum der aktuellen Marktbedürfnisse. Aktuellstes Beispiel ist die Markteinführung von Hochleistungs-Spritzprägwerkzeugen (ICM-Technologie) anlässlich der K-Messe 2019. Hinsichtlich der anhaltenden Diskussion zur richtigen Verwendung von Kunststoff hat ICM das Potenzial eine echte und nachhaltige Lösung für die Reduktion des Kunststoffverbrauchs zu sein. Das Verfahren zeichnet sich in erster Linie durch den reduzierten Material- und Energieverbrauch aus und bietet der Industrie viele weitere wirtschaftliche Vorteile. GLAROFORM will sich in den kommenden Jahren als Spezialist in der noch relativ unbesetzten Nische des ICM-Verfahrens etablieren.

Seit der Gründung im Jahr 1986 entwickelt und fertigt das eigentümergeführte Familienunternehmen alle Werkzeuge in der Schweiz. Die stets verfolgte Strategie des soliden und qualitativen Wachstums hat zu den Strukturen geführt, die nötig sind um den Markt immerzu mit dem aktuellsten Stand der Technik auf höchstem Niveau zu bedienen. Die Belegschaft hat sich zu einer Konstellation entwickelt, die sehr langjährige Erfahrung mit zukunftsgerichteter Dynamik kombiniert. Die Produktionsinfrastruktur ist eine der modernsten und gepflegtesten der Branche. Mehr denn je geniesst GLAROFORM heute das Vertrauen renommierter Unternehmen aus der Lebensmittel-, Medizinal- oder Agrar-Industrie. Seit 2015 ist man als Global Supplier eines führenden Brandowner-Konzerns gelistet.

Beck Automation AG

Die Beck Automation AG aus Oberengstringen (Schweiz) zählt weltweit zu den führenden Anbietern von Automationslösungen für IML-Labels (In-Mould-Labelling) in der Spritzgiesstechnik. Als Trendsetter, Pionier und „Hidden Champion“ konzentriert sich Beck Automation konsequent auf das Dekorieren und Etikettieren von Deckeln, Bechern, Schalen und Eimern für unterschiedliche Industrien in den Bereichen Food und Non-Food.

Orientiert an anspruchsvollen Kundenwünschen entstehen prozesssichere und wirtschaftliche IML-Robotersysteme, die weltweit zum Einsatz kommen. Die konsequente Fokussierung auf den Anwendungsbereich IML garantiert Anwendern den besten Stand der Technik in Bezug auf Qualität, Wirtschaftlichkeit, Effektivität und Langlebigkeit.

Das Niveau von Prozessgestaltung und die Güte der Labels entscheiden massgeblich über Prozesssicherheit, Reproduzierbarkeit, Teilequalität und Wirtschaftlichkeit. Ein hochwertiges Automationssystem, welches unter den Aspekten Verfügbarkeit, Prozesssicherheit, Stabilität und Langlebigkeit gleichermassen überzeugt, ist für den Return-on-Investment (ROI) und das Niveau der Wertschöpfung entscheidend.

Aufbau und Pflege langfristiger Beziehungen zu den Marktpartnern durch eine zukunftsorientierte, berechenbare Unternehmenspolitik bestimmen das Handeln der zweiten und dritten Familiengeneration. Diese Strategie sichert die Arbeitsplätze engagierter und erfahrener Mitarbeiter. Die Bewahrung traditioneller  Strukturen, ein bewährtes Netzwerk von Partnern und weitsichtige Anpassung an Veränderungen bilden, im Interesse von Partnern, Kunden und Mitarbeitern, die Grundlage für eine kontinuierliche Weiterentwicklung und Inspiration des Unternehmens.

Beck Automation besteht als Unternehmen seit 1934 und feierte im Jahr 2014 sein 80-jähriges Jubiläum. Über 700 Referenzanlagen unterstreichen die globale Bedeutung des Unternehmens. 2017 wurde in Braga/Portugal die Firma Robobeck gegründet. Dort wird unter Schweizer Leitung ausschließlich die neue standardisierte BASIC-IML-Anlage montiert.

Vom Schweizer Stammsitz in Oberengstringen bei Zürich werden rund 50 Systemanlagen pro Jahr ausgeliefert. Das Unternehmen Beck Automation erzielte im Jahr 2018 mit 60 Mitarbeitern einen Umsatz von 16 Mio. SFr. (CHF).

bfa solutions ltd

bfa solutions ltd aus Fällanden (Schweiz) ist ein weltweit etablierter und verlässlicher Anbieter von Lösungen im Automation Engineering und von MES Lösungen im Spritzgiess- und Assembly-Bereich. Seit der Gründung im Jahr 1981 hat sich bfa eine breite Basis an Erfahrungen und Kompetenzen im Bereich der industriellen Automation und MES (Manufacturing Execution System, dt. Produktionsleitsystem) aufgebaut.

Kunden profitieren dadurch von geballtem, praxiserprobten Know-how. Die Themenbereiche erstrecken sich von Projekt Management, Analyse und Design bis zur Wartung und Pflege von Systemen. Themen wie Smart Factory, IoT oder Digitalisierung gehören seit jeher zu den Kernkompetenzen von bfa solutions ltd.

Durch Zuverlässigkeit, Qualitäts- und Verantwortungsbewusstsein werden die Bereiche der klassischen Automation und der Software-Entwicklung eng miteinander verbunden und durchgängige Lösungen können realisiert werden.

Mit fundierten Kompetenzen im Bereich des Automation Engineerings spricht bfa die gleiche Sprache wie die Anlagenbauer und unterscheidet sich vom klassischen MES Anbieter. Als erfahrener Partner begleitet bfa ihre Kunden, um die Maschinen intelligenter, effizienter und damit zukunftsfähig zu machen. Die kundenspezifische Programmierung speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) verschiedener Hersteller gehört dabei ebenso zum Portfolio wie die Wartung und Pflege existierender Steuerungen.

Das kompetente MES-Team von bfa setzt für ihre Kunden Lösungen in allen Bereichen der Automation und Digitalisierung um. Für eine erfolgreiche Umsetzung kommt dabei das selbst entwickelte MES PiSolutions zum Einsatz. MES PiSolutions ist ein modulares und skalierbares Produktionsleit- und Produktionsdatenerfassungssystem für alle Bereiche des Spritzgiessens. Es unterstützt im Gegensatz zu vielen anderen MES-Lösungen nicht nur die Anbindungen von Spitzgiessmaschinen, sondern auch von Assembly-Anlagen, Qualitätssicherungssystemen, Life-Cycle-Management-Systemen, ERPs und anderen Um-Systemen. So wird nicht nur der Spritzgiessprozess abgebildet, sondern die ganze Prozesskette. Damit rückt das Produkt des Kunden in den Fokus.

bfa solutions ltd begleitet und unterstützt ihre Kunden seit mehr als 38 Jahren. Gerne begleitet bfa auch Sie auf Ihrem Weg zur Industrie 4.0 und in die digitale Zukunft.

3. Die Technik: Moderne Verfahren

Injection Compression Moulding (ICM)

Das Injection-Compression-Moulding-Verfahren (ICM) ist eine Kombination von Spritzgiessen und Prägen. Konkret bedeutet das einen dynamischen Einspritzvorgang in das, im Gegensatz zum herkömmlichen Spritzgiessen, nicht vollständig geschlossene Werkzeug. Als Folge davon dient im Anschluss die Schliesskraft dazu das eingespritzte Material im gesamten Formnest zu verteilen. Die folgende Abbildung veranschaulicht das Prinzip des ICM.

Besonders verbreitet ist ICM heute bei der Produktion von technischen Teilen wie beispielsweise DVD's oder Linsen. In diesem Zusammenhang bietet das ICM-Verfahren unverzichtbare Vorteile hinsichtlich Masshaltigkeit und Abformung von Strukturen in der Oberfläche. Im Entwicklungszustand hingegen ist der Markt für Spritzpräganlagen im Bereich von Dünnwandverpackungen. Sowohl auf der Seite der Zulieferer als auch auf der Seite der Anwender tun sich bereits erste Pioniere hervor, die die Herausforderungen dieses Verfahrens meistern und dadurch ökologische sowie ökonomische Vorteile für die Umwelt, die Gesellschaft und sich selbst schaffen. Die folgenden Punkte zeigen eine Zusammenfassung der wesentlichsten Vorteile des Injection-Compression-Mouldings von Dünnwandverpackungen:

- Materialeinsparung von bis zu 25%
Stark verbessertes Füllverhalten bei hohem Fliessweg-Wandstärken-Verhältnis ermöglicht deutliche Wandstärkenreduktionen.
- Erweiterte Möglichkeiten bezüglich Rohmaterialien
Durch den Prägevorgang können beispielsweise Kunststoffe verarbeitet werden, die aufgrund ihrer tiefen Schmelzflussrate ("Festigkeit ") für das Dünnwandspritzgiessen ungeeignet sind.
- Erhöhung des Outputs um bis zu 5%
Aufgrund der geringeren Wandstärke sinkt die Kühl- und somit auch die Produktionszykluszeit.
- Geringerer Schliesskraftbedarf um bis zu 40%
Aufgrund der Zuhilfenahme der Schliesskraft zur Materialverteilung kann der Einspritzdruck deutlich reduziert werden, was wiederum einen geringeren Bedarf an Schliesskraft, die als Gegenkraft zum Einspritzdruck dient, zur Folge hat.
- Reduktion des Energieverbrauchs um bis zu 20%
Durch geringeren Schliesskraft- und Einspritzdruckbedarf
- Geringerer Wartungsaufwand
Aufgrund der geringeren wirkenden Kräfte reduziert sich die Belastung der Produktionsanlage was erwartungsgemäss zu einem geringeren Wartungsaufwand führt.
- Reduktion der Produktionsfläche um bis zu 15%
Weil tendenziell kleinere Spritzgiessmaschinen mit geringerer Schliesskraft eingesetzt werden können ergibt sich eine Einsparung bei der Produktionsfläche.

In Mould Labeling (IML)

Da das IML-Verfahren ein hochdynamischer Prozess ist, ergibt sich die Wirtschaftlichkeit aus dem Niveau aller Anlagenkomponenten.

Zunächst werden die Labels aus dem Label-Magazin angesaugt. Im zweiten Schritt werden die Labels auf die Kerne aufgelegt und mit Vakuum gehalten. Zur Übergabe der Labels fahren die Kerne des Automationssystems in die Kavitäten. Die Labels werden in dieser Phase gegen das Vakuum abgeblasen, elektrostatisch geladen und somit in der Kavität „konturnah“ angelegt und gehalten.

Das Niveau von Prozessgestaltung und die Güte der Labels entscheiden maßgeblich über Prozesssicherheit, Reproduzierbarkeit, Teilequalität und Wirtschaftlichkeit. Ein hochwertiges Automationssystem, welches unter den Aspekten Verfügbarkeit, Prozesssicherheit, Stabilität und Langlebigkeit gleichermaßen überzeugt, ist für den Return-on-Investment (ROI) und das Niveau der Wertschöpfung entscheidend.

Digitale Wasserzeichen

Das richtungsweisende Projekt HolyGrail, geleitet von Procter & Gamble und unterstützt von der Ellen MacArthur Foundation, endete offiziell am 23. Mai. Dem gehen drei Jahre Innovation bei der Verbesserung des Post-Verbraucher-Recycling unter Verwendung chemischer Tracer und digitaler Wasserzeichen voraus, mit dem Ziel einer Kreislaufwirtschaft näher zu kommen.

Diese digitalen Wasserzeichen eröffnen neue Möglichkeiten, die derzeit mit bestehenden Sortiertechnologien nicht realisierbar sind, darunter:

- Unterscheidung zwischen Lebensmittel- und Nichtlebensmittelverpackung
- Korrekte Identifikation von Flaschen mit Vollschrumpfetikettierung
- ODR-Verpackung (undurchsichtig und schwierig zu recyceln, einschließlich schwarzer Verpackung)
- Eindeutig ein- und mehrschichtige flexible Verpackung
- Korrekte Identifikation von festen mehrschichtigen Verpackungsmaterialien (Thermoformen, Flaschen…)
- Sichere Einführung neuer Materialien, die nicht die bestehenden Recyclingströme behindern und korrekte Identifikation der recycelbaren gegenüber der kompostierbaren Verpackung
- Möglichkeit des geschlossenen Recyclingkreislaufs.

Im Laufe des Projekts wurde ein erheblicher Fortschrift im Bereich der digitalen Wasserzeichentechnologie gemacht, mit ‘unsichtbaren Codes’, die sowohl in Druckmaterialien (Label, Sleeves, In-Mould Labels), sowie direkt in eine Form (PET-Flaschen, HDPE-Flaschen, thermogeformte Schalen, injektionsgeformte Kisten usw.) integriert werden.

Damit wird die Verpackung intelligent, ein Merkmal, das dann in der gesamten Wertekette verwendet werden kann: QA und Lagerhaltungsmanagement bei Abfüllern; Fälschungskontrollen in Geschäften, schnelle Überprüfung bei Einzelhändlern (2D-Strichcodes und QR-Codes werden überflüssig), Verbraucherengagement und letztendlich, um den Kreis zu schließen, verbesserte Sortierung und Rückgewinnung.

Der Aspekt des Verbraucherengagements ist besonders interessant, da die unsichtbaren Codes leicht von Mobiltelefonen gelesen werden können, was neue Eigenschaften bietet – Transparenz der Zutaten, Gutscheine/Treueprämien, Informationen zur Produktverwendung / Dosierung und wie die Verpackung am Lebensende zu behandeln ist – alles mit einem Mausklick In einem nächsten Schritt muss nun die bestehende Testlinie zu einer (halb)industriellen Linie weiterentwickelt werden, bevor die Technologie dann später in einem grösseren Rahmen implementiert werden kann.

Zusammenfassend kann man sagen, dass HolyGrail bewiesen hat, dass die digitale Wasserzeichen-Technologie den Ansatz der Branche zum Sortieren revolutionieren kann, wobei die Effizienz erhöht wird und die Qualität und Quantität des recycelten Materials gesteigert wird.