Neue Fertigungszelle beschleunigt Polymer-Entwicklung

Eine speziell hergerichtete Fertigungszelle von Sumitomo (SHI) Demag beschleunigt die Entwicklung neuer Polymere bei BASF.

BASF hat in ihrem Technikum eine neue Fertigungszelle für die Entwicklung künftiger Hochleistungspolymere und Compounds in Betrieb genommen. Ab sofort produziert hier eine neue vollautomatische Spritzgießanlage von Sumitomo (SHI) Demag mehr als 4.000 verschiedene Versuchseinstellungen pro Jahr. Damit steht BASF ein breites Spektrum unterschiedlicher Prüfkörper für Produktentwicklung aus thermoplastischen Polymeren und Compounds zur Verfügung.

Für die Entwicklung der Produktionszelle haben der Unternehmensbereich Performance Materials der BASF sowie Sumitomo (SHI) Demag in Zusammenarbeit mit H+S Automatisierungstechnik ihre Engineering-Kompetenzen und Ressourcen gebündelt. Im Mittelpunkt der Zelle steht eine hochpräzise, vollelektrische Intelect Spritzgießmaschine von Sumitomo (SHI) Demag mit 1.000 kN Schließkraft. Neben kompakter Bauweise, Energieeffizienz und Wiederholgenauigkeit schätzt das 30-köpfige Team im BASF-Technikum einen niedrigen Geräuschpegel sowie den automatischen Werkzeugwechsel und die Robotersteuerung.

Bei optimaler Betriebssicherheit und Effizienz erfüllt der Linear-Roboter SDR 5-35S dabei zwei Aufgaben. Zum einen sorgt der Roboter für die vollautomatische Platzierung von zwölf Wechseleinsätzen aus einem Magazin in die Spritzgießmaschine. Zum anderen entnimmt derselbe Roboter mit seinem multifunktionalen Greifer den Prüfkörper aus dem Werkzeug und gibt ihn an einen kleinen Yaskawa GP8 6-Achs-Gelenkarmroboter weiter, der die Teile auf einer spindelangetriebenen Stanze ablegt, die den Anguss abtrennt.

Das vorhandene Konzept für den Werkzeugeinsatz und die Spritzeinheit mit weiteren Sonderfunktionen wurden in die neue Fertigungszelle integriert. Auch die Steuerung der Temperiergeräte sowie ein neu eingeführtes Manufacturing Execution System (MES) wurden eingebunden.

Für Reinhard Jakobi, Leiter Verarbeitungstechnik bei BASF, sind ausgereifte Technologien kombiniert mit hochmoderner Automation und Verarbeitungspräzision die Basis des Erfolgs. Angelika Homes, leitende Projektingenieurin bei BASF ergänzt: „Obwohl wir mit dem Team von Sumitomo (SHI) Demag auf Standard-Spritzgussmaschinen bauen konnten, bewiesen alle Partner von Beginn an den Mut Neuland zu betreten. Trotz der Komplexität des Projekts lieferten Sumitomo (SHI) Demag und H+S ein konzeptionell neues Design der Produktionszelle, das sich gegenüber anderen Zellen durch Energie-Effizienz und viel geringeren Platzbedarf auszeichnet.“

Viele der Prüfkörper, die im BASF Technikum verarbeitet werden, sind glasfaserverstärkte, oft auch mit Flammschutz ausgerüstete Hochtemperatur-Thermoplaste. Infolgedessen erreichen die Schmelze-Temperaturen bis zu 400 °C und die Werkzeugtemperaturen bis zu 180 °C.

Das Werkzeugmagazin kann über den Roboter mit 12 Wechseleinsätzen bestückt werden. Dank der Integration von HB-Therm Temperiergeräten in die Maschinensteuerung erfolgen die Wechsel der Einsätze in die Spritzgießmaschine auch bei hohen Werkzeugtemperaturen automatisiert und damit sicher und effizient.

Markus Hausmann, leitender Ingenieur für Automationssysteme bei Sumitomo (SHI) Demag, erklärt: „Um eine sichere Werkzeugentnahme durch den SDR-Roboter zu garantieren, wird die Temperatur auf 80 °C gesenkt und der Druck im Einsatz herabgesetzt. Dafür muss unsere Maschinensteuerung nahtlos mit dem MES von BASF kommunizieren.“

Das MES der BASF benachrichtigt die Zelle, wann das Ende der aktuellen Versuchseinstellung ansteht und übergibt den Befehl zum nächsten Werkzeugwechsel an die Fertigungszelle. Unmittelbar im Anschluss an die Herstellung des letzten Probekörpers wird der Wechseleinsatz von dem integrierten Temperiergerät geregelt abgekühlt.

Als nächstes wird der Einsatzwechsel über Ausgangs- und Eingangssignale mit der Zellensteuerung synchronisiert und der neue Werkzeugdatensatz via Roboterschnittstelle übertragen. Nach dem Einsatzwechsel heizen die Temperiergeräte wieder auf. Der automatische Betrieb läuft an und sobald die Werkzeugtemperatur erreicht ist, wird die Produktion einer neuen Versuchseinstellung gestartet.

Für BASF stellen die anspruchsvollen Stanzaufgaben eine herausragende Ingenieursleistung innerhalb des Projekts dar. BASF testet ein breites Spektrum an Materialien – von weichen und zähen bis steifen und spröden Polymeren. Darüber hinaus gibt es unterschiedliche Proben-Geometrien. So variieren die Wanddicken zwischen 0,5 mm und 4 mm. Viele Prüfkörper werden gemäß ISO 294 produziert. Die Norm definiert die Anforderungen an das Angusssystem und die Geometrie der Proben. „Die Formteil-Trennung mittels Stanzen ist Voraussetzung, denn es verändert die Materialeigenschaften nicht und es bilden sich keine Staubpartikel“, erklärt Hausmann.

Ein multifunktionaler Greifer stellt sicher, dass alle Probekörper-Geometrien mit höchster Präzision auf dem Stanztisch abgelegt werden. Dies ist nicht unproblematisch, da viele der Materialien, mit denen BASF arbeitet, einen hohen Glasfaseranteil haben, was Verzug bei den Probekörpern verursachen kann.

Bei der Beschreibung, wie der servo-getriebene Stanzgreifer die Herausforderung meistert, die Teile sicher auf der Stanzplatte abzulegen, betont Hausmann: „Werden die Prüfkörper nicht hinreichend gut fixiert, kann es passieren, dass sie schief gestanzt werden und damit nicht den spezifizierten Qualitätsstandards entsprechen.“

Das BASF Team fährt jeden Tag eine Vielzahl unterschiedlicher Versuchseinstellungen auf der Fertigungszelle. Dies bedeutet, dass das MES der Zelle jeweils verschiedene Material- und Prozessparameter, Prüfteil-Geometrien und Temperaturen vorgibt. Jeder einzelne Spritzgusszyklus wird anschließend digital erfasst und dokumentiert.

Homes erläutert: „Das neue System zeichnet aus, dass jeder einzelne Zyklus und eine Vielzahl von Daten aufgenommen werden, was uns vertiefte Einblicke ermöglicht.“ Diese Daten sind ungemein wertvoll, da sie den kompletten Bearbeitungsablauf repräsentieren und wir tiefgreifende Rückschlüsse ziehen können, wie sich das Material unter bestimmten Bedingungen verhält und wie ein Kunde es später verarbeiten kann.“

Derart automatisierte Prozesse und die bereitgestellten Daten sind entscheidend für die Beschleunigung praxisnaher Materialentwicklungen. „Die Flexibilität von Maschinen ist hierbei ein wesentlicher Faktor“, erklärt Jakobi. „Diese neue Zelle bestätigt die Bedeutung von Automation und Digitalisierung bei der Materialentwicklung sowie der Simulation und Auslegung von Bauteilen.“

mg