Interview Dipl.-Ing. Helmut Gries in Kunststoffe 3/2016

„Man möchte nicht glauben, was in der Praxis alles schiefgehen kann“

 

Helmut Gries über den Systemgedanken im Spritzgießbetrieb und die Qual der Wahl beim

Auslegen thermischer Prozesse

 

Seit 18 Jahren verantwortet Helmut Gries als Geschäftsführer der gwk Gesellschaft Wärme

Kältetechnik mbH die Bereiche Vertrieb und Marketing. In täglicher Anschauung erlebt er, wie

schwer es für Verarbeiter sein kann, unter Termindruck die eigenen Prozesse in den Griff zu

bekommen. Eine Existenz zwischen technischen Kompromissen und dem Ideal eines effizient

vernetzten Gesamtsystems.

 

Wer zur gwk fährt, trifft Helmut Gries sozusagen zuhause. Mit dem Umzug des Spezialisten für

thermische Prozesse (Engineering, Komponenten, Systemlösungen) von Kierspe auf das

ehemalige Battenfeld-Werksgelände nach Meinerzhagen kehrte Gries 2014 sozusagen zu

seinen Wurzeln zurück. Bei Battenfeld begann er 1984 seine Kunststoff-Laufbahn, und hier

entwickelt er gerade ein Geschäftsfeld weiter.

 

Kunststoffe: Herr Gries, seit einiger Zeit propagiert die gwk als Spezialistin für Kühl- und

Temperiertechnik den Ausbau der Systemtechnik. Was beinhaltet dieser Begriff für Sie und für

den Kunden?

 

Helmut Gries: Der Ausgangspunkt ist immer die Anwendung des Kunden – ein Formteil, das er

in einer bestimmten Qualität in möglichst kurzer Zykluszeit produzieren will. Das Thema beginnt

aus unserer Sicht bei der thermischen Werkzeugauslegung. Je nach Komplexität des Formteils

und Zyklusanforderungen stellen sich hier verschiedene Fragen bei der Suche nach der besten

Lösung: Wie viele unterschiedliche Temperierkreise und welche Temperaturen in den einzelnen

Kreisen sind erforderlich? Ist eine kontinuierliche Temperierung ausreichend, ist eine

Vorlauftemperatur mit einer Mengenregelung für die einzelnen Kreise sinnvoll oder ist ein

variothermes System die richtige Lösung? Mit zwei Wasserkreisen oder einem Kühlkreis in

Kombination mit einer keramischen Heizung? Soll es ein Werkzeugeinsatz mit konturnaher

Temperierung sein? Und können die Temperierkanäle überhaupt dort verlaufen, wo es

thermisch am sinnvollsten wäre? Wir betrachten all diese Themen nicht isoliert, sondern im

Gesamtzusammenhang.

 

Kunststoffe: Was gehört noch dazu?

 

Gries: Es geht darum, alle Geräte und Rahmenbedingungen zu einem effizienten

Gesamtsystem zu verknüpfen. Beispielsweise sollte sichergestellt sein, dass für

Temperiersysteme, die in höheren Temperaturbereichen von bis zu 200 °C eingesetzt werden,

die Wasserqualität ausreicht. Ohne Wasseraufbereitung setzen sich Ventile und Pumpen durch

die bei hohen Temperaturen ablaufenden chemischen Prozesse im Wasser binnen Wochen zu.

Auch banale Dinge wie das Anschließen des Werkzeugs gehören dazu: Welchen Durchmesser

müssen die Kupplungen haben? Aber der erste Schritt ist eigentlich die Wahl des Kunststoffs. Ist

das Material überhaupt geeignet, eine Bindenaht unsichtbar zu machen? Welche

Oberflächenqualität kann ich erzielen? Bei einem Werkstoff mit 35 Prozent Glasfasern ist es

schwierig, im Variotherm-Verfahren eine glatte Oberfläche zu erreichen. Wir haben die Möglichkeit,

unsere Datenbank- und Erfahrungswerte mit Materialtests zu untermauern …

Kunststoffe: … um den Schritt von der Theorie in die Praxis zu vollziehen.

 

Gries: Nach dem Umzug der gwk nach Meinerzhagen haben wir ein Technikum eingerichtet, in

dem wir das System sozusagen verifizieren und die Anwendung für den Kunden zum Laufen

bringen können. Wir optimieren die Prozessparameter und können dazu auch verschiedene

Spritzgießverfahren, zum Beispiel das Schäumen mit MuCell, testen und den Wärmehaushalt im

Werkzeug indirekt am Formteil mit der Thermokamera analysieren. Wir versammeln hier ein

enormes verfahrenstechnisches Wissen, das ist nicht selbstverständlich für einen

Temperiergeräte-Lieferanten. Auf Wunsch begleiten wir die Installation beim Kunden, bis der

Prozess stabil läuft.

Kunststoffe: Das klingt fast nach heiler Welt.

 

Gries: Wir reden hier natürlich vom Idealfall, wenn wir schon beim Projektstart hinzugezogen

werden und selbst keine Fehler machen. In der Praxis läuft es oft anders: Wir werden gerufen,

wenn es Probleme mit der Formteilqualität gibt oder die Zykluszeit zu lang ist. Dann stellen wir

zum Beispiel fest, dass die Drücke und Mengen nicht ausreichen, die die Kühlanlage bereitstellt.

Das sind oft Gewerke von unterschiedlichen Lieferanten, die nicht richtig zusammenpassen.

Manchmal müssen wir einzelne Systemkomponenten austauschen, damit der Prozess

überhaupt ins Laufen kommt. Genau das ist der Grundgedanke der Systemtechnik, diese ganze

Kette in die Hand zu nehmen.

 

Kunststoffe: Das wäre dann die Kür – die Pflicht ist eher das Troubleshooting?

 

Gries: Bei vorhandenen Installationen, ja. Man möchte manchmal nicht glauben, was in der

Praxis alles schiefgehen kann. Oft wird zum Beispiel ausgeblendet, welche Rolle die Distanz

zwischen Temperiergerät und Spritzgießmaschine spielt. Erst kürzlich wieder hat ein Kunde

reklamiert, dass das gelieferte Temperiersystem nicht die nötige Heizleistung bringt. Einer

unserer Servicetechniker hat sich das angesehen und erst einmal 200 Meter Schlauch aus und

unter der Maschine hervorgeholt. So ist es natürlich unmöglich, die eingestellte Temperatur zu

halten, weil der Wärmeverlust viel zu groß ist.

 

Kunststoffe: Warum fehlt der Blick für das Offensichtliche so oft?

 

Gries: Wir merken in der Diskussion immer wieder, dass der Kunde unter dem täglichen

Termindruck gar nicht dazu kommt, seine Prozesse zu optimieren, falls er denn das

entsprechende Wissen hat. Das ist ein typisches Szenario in der Automobilzulieferindustrie.

Wenn unser Mann dann die 200 Meter Schlauch ausgebaut hat und – siehe da – der Prozess

läuft, herrscht an der Nachbarmaschine aber noch dasselbe Durcheinander. In den seltensten

Fällen geht der Kunde von sich aus daran, die Defizite zu beheben – auch weil das

Temperiersystem eben „nur“ Bestandteil der Peripherie ist. Wir als Spezialisten für

Systemtechnik können das in die Hand nehmen. Und da wir täglich der dringenden Notwendigkeit

dafür begegnen, sehen wir auch das große Einsparpotenzial für unsere Kunden.

Kunststoffe: Die Automobilindustrie ist auch bekannt für eine gewisse Spontanität beim

Umgang mit finalen Bauteilgeometrien.

 

Gries: (Lacht.) Das ist allerdings ein Problem, mit dem wir zu kämpfen haben. Dass wir von

Anfang an bei der Konzeption dabei waren und sich die Teilegeometrie trotzdem noch

zwanzigmal im Detail ändert – da, wo eben noch ein Temperierkanal platziert war, muss jetzt ein

Auswerfer oder ein Kernzug hin. Schwierig wird es auch, wenn das Grundkonzept des

Werkzeugs bereits steht, dann fängt man bei der thermischen Auslegung schon mit sehr starken

Kompromissen an. Denn nicht jeder Werkzeugmacher ist sensibel dafür, die Werkzeug- und die

Temperiertechnik aufeinander abzustimmen. Im Idealfall beginnt dieser Dialog, wenn das

3DKonzept des Bauteils vorliegt.

 

Kunststoffe: Was sind die Zielgrößen bei der thermischen Auslegung?

 

Gries: Das Werkzeug ist ein Wärmetauscher. Im Prinzip geht es darum, durch intelligente

Anordnung der Kühl- oder Temperierkanäle so schnell wie möglich eine gleichmäßige

Oberflächentemperatur in der Kavität zu erreichen. Die Schwierigkeit besteht nun darin, dass

der konstruktive Aufbau eines Werkzeugs es in der Regel nicht zulässt, überall den gleichen

Abstand zwischen Temperierkanal und Kavitätsoberfläche einzuhalten. An Stellen, wo am

meisten Wärme eingebracht wird, zum Beispiel Rippen, sitzt in der Regel der Auswerfer, auch

wenn genau da der Temperierkanal liegen müsste. Wie trennt man die Temperierkreisläufe im

Werkzeug, um durch unterschiedliche Drücke und Mengen trotz der geometrischen Probleme

eine möglichst gleichmäßige Oberflächentemperatur hinzubekommen – diese Aufgabe zu lösen,

verlangt sehr viel Erfahrung.

 

Kunststoffe: Müssen Sie gelegentlich die Gesetze der Thermodynamik ignorieren?

Gries: Ein Beispiel dazu: Bei optischen Bauteilen läge es nahe, ein enges Netz von

Temperierkanälen direkt hinter die Kavitätsoberfläche zu legen, um eine möglichst gleichmäßige

Temperatur zu erzielen. Wir wissen aber inzwischen, dass dann ein Abbild der Temperierkanäle

auf der Oberfläche des Formteils sichtbar wird. Entgegen der rein thermodynamischen

Berechnung rückt man die Kanäle dann eben ein oder zwei Millimeter tiefer unter die

Werkzeugwand. Umgekehrt stellen wir fest, dass in der Praxis immer wieder grundsätzliche

Fehler gemacht werden: zum Beispiel wenn ein Werkzeug bestenfalls die Hälfte der

Wärmeaustauschfläche enthält, die nötig ist, um die berechnete Wärmemenge abzuführen – von

einer gleichmäßigen Verteilung gar nicht zu reden. Man denkt: So neu ist das Spritzgießen ja

nun nicht mehr.

 

Kunststoffe: Eher neu ist aber die Konsequenz, mit der die konturnahe Temperierung heute am

Markt eingesetzt wird. Wie sehen Sie das?

 

Gries: Lange Jahre waren wir mit dieser Thematik nahezu allein unterwegs und haben mit

wenigen Mitstreitern gegen die am Markt verbreitete Meinung gekämpft, dass einfache

Temperierbohrungen im Werkzeug völlig ausreichend seien. Die Technologie des generativen

Aufbaus von Werkzeugeinsätzen hat das Bewusstsein für die konturnahe Temperierung sicherlich

sehr geschärft. Eine ganze Reihe namhafter Werkzeugbauer und Kunden mit eigenem

Werkzeugbau fertigt heute mit eigenen Lasersintermaschinen solche Werkzeugeinsätze. Damit

etabliert sich die konturnahe Temperierung im modernen Werkzeugbau immer mehr – sie wird

speziell für komplexere und thermisch kritische Formbereiche eingesetzt, bei denen sich eine

Temperierung bohrtechnisch nicht mehr lösen lässt, während die Kanäle in den

Stammformaufbau weiterhin konventionell gebohrt werden.

 

Kunststoffe: Sie haben mit dem Verfahren „integrat 4D“, mit dem Sie gebohrte Metallplatten

durch Hochtemperaturvakuumlöten zu einem Werkzeugeinsatz zusammenfügen, eine

Alternative zum generativen Aufbau im Angebot. Wo sehen Sie die Vorteile für das eine oder

andere Verfahren?

 

Gries: In erster Linie geht es um die Größe des Einsatzes. Ist der Aufbau zu groß, wird die

generative Fertigung zu teuer; ist er zu klein, haben wir für das Vakuumlöten nicht genügend

Fügefläche zur Verfügung. Zusätzlich müssen auch der Temperierkanaldurchmesser, die

Geometrie des Werkzeugeinsatzes und die geforderte Oberflächenqualität berücksichtigt

werden. Beide Verfahren sind in dieser Hinsicht unterschiedlich und haben also ihre

Existenzberechtigung.

 

Kunststoffe: Welche Mehrkosten hat der Verarbeiter beim Kauf eines Werkzeugs mit so einem

Formeinsatz?

 

Gries: Gar keine, der spart Geld damit – wenn man das Thema ganzheitlich betrachtet. Die

nackten Werkzeugkosten im Vergleich zur minimalen bohrtechnisch möglichen Lösung sind

natürlich höher. Wie viel höher, das hängt u.a. von der Komplexität des Formteils und der Größe

des Werkzeugs ab. Bei einem 50 Tonnen schweren Werkzeug wird der in der Regel eher kleine

konturnahe Formbereich nicht ins Gewicht fallen. Bei kleinen Werkzeugen könnte das den

größten Kostenblock ausmachen. Aber meistens stellt sich die Frage so nicht. Wenn die

Qualitätsanforderungen an das Formteil oder wirtschaftliche Aspekte wie eine Halbierung der

Kühlzeit diesen Aufwand erfordern, dann wird das gemacht. Anders liegt der Fall nur, wenn es

um Kleinserien von ein paar Hundert Teilen geht, da lohnt sich der Aufwand nicht. Aber wo es,

wie in der Verpackungsindustrie, um Millionen von Teilen geht, haben sich die Zusatzkosten

nach einigen Monaten amortisiert.

 

Kunststoffe: Dass man mit der Temperierung ein mächtiges Instrument hat, um die

Formteileigenschaften zu beeinflussen, dürfte den meisten Anwendern bewusst sein. Gilt das

auch für die Wirtschaftlichkeit?

 

Gries: Erfolgreiche Unternehmen haben längst erkannt, welch großes Potenzial darin steckt.

Die reden nach außen hin vielleicht bloß nicht darüber, weil das für sie selbstverständlich ist. Auf

der anderen Seite gibt es Unternehmen, die dieses Potenzial verschenken. Wir haben kürzlich

einem Verpackungshersteller erklären müssen, dass er mit seiner segmentierten Temperierung

den Durchfluss in jedem Kanal an den tatsächlichen Bedarf anpasst. Diese Wassermenge geht

zwar nicht verloren, fließt aber natürlich in die Energiebilanz der Kühlanlage ein.

 

Kunststoffe: Ein Trend, der sich in den letzten Jahren verfestigt hat, ist der Einsatz der

dynamischen Temperierung, auch als Variotherm-Verfahren bekannt. Wie nehmen Sie diese

Entwicklung wahr?

 

Gries: Man könnte sagen, das ist fast schon ein Hype, aber das Thema wird ja auch in

unzähligen Seminarvorträgen und Presseartikeln präsentiert. Dementsprechend kommen viele

Anfragen, oft leider ohne dass der zukünftige Anwender sich mit dem Thema vertraut gemacht

hätte. Dynamische Temperierverfahren bieten hervorragende Lösungsansätze für die

wirtschaftliche Fertigung hochwertiger Formteile, sind aber an eine Reihe komplexer

Randbedingungen geknüpft, damit sich der erwartete Erfolg auch einstellt. Da ist beispielsweise

der Energieverbrauch, der bei nicht thermisch optimierter Ausführung des Werkzeugs und

falscher Zuordnung des Temperiersystems unerwartet hoch ausfallen kann. Mancher

Verarbeiter bräuchte dann ein kleines Kraftwerk, um überhaupt die nötige Heizleistung für einen

schnellen Zyklus aufzubringen, weil die thermische Masse seines Systems viel zu groß ist.

Kaum ist dieses Problem gelöst, kommt der Anruf: „Meine Formteile sind schlechter als vorher,

das kann doch nicht angehen.“ Nun ja, wenn ich die Werkzeugwand aufheize, ohne die

Einspritzparameter anzupassen und das veränderte Fließverhalten des Kunststoffs zu

berücksichtigen, dann passiert so etwas.

 

Kunststoffe: Variotherme Temperierung setzt also eine hohe Prozesskenntnis voraus und stellt

erhöhte Anforderungen an den Verarbeiter, das Gesamtsystem zu verstehen.

 

Gries: Grundsätzlich muss der Lösungsansatz zum Anforderungsprofil passen. Was nützt mir

ein variothermes System, wenn das Temperierkanallayout beispielsweise nicht berücksichtigt,

an welcher Stelle die Bindenaht auftritt. Außerdem muss der variotherm zu temperierende

Bereich durch geeignete Isoliermaßnahmen vom Rest des Werkzeugs thermisch getrennt

werden, um die pro Zyklus aufzuheizende und abzukühlende Masse möglichst gering zu halten.

Zur Gesamtschau gehört auch das Verständnis für den Umgang mit der Wasserqualität, einem

nach wie vor sträflich vernachlässigten Faktor in vielen Betrieben. Da sind wir wieder beim

Thema Systemtechnik.

 

Kunststoffe: Sie hatten die Bindenaht-Problematik erwähnt. Wann ist das Variotherm-Verfahren

noch unverzichtbar?

 

Gries: Eine bewährte Anwendung ist die, wenn beim Schaumspritzgießen, zum Beispiel mit

dem MuCell-Verfahren, das Formteil eine schöne Oberfläche erhalten soll. Oder wenn es darum

geht, filigrane Oberflächenstrukturen abzuformen oder lange Fließwege und dünnwandige

Bauteilbereiche vor allem mit faserverstärkten Materialien zu überbrücken. Und das alles in

einer vertretbaren Zykluszeit.

Kunststoffe: Noch einmal zurück zur segmentierten Temperierung. Wie kommt man hier zur

besten Lösung?

 

Gries: Es gehört viel Erfahrung dazu, auf Basis einer 3D-Teilezeichnung zu entscheiden, in wie

viele Kreise man die dünnwandigen und die dickwandigen Formteilbereiche zerlegt. Welche

Temperaturen man dann jeweils fahren muss oder mit welcher Durchflussmenge, um eine

gleichmäßige Oberflächentemperatur in der Kavität zu erzielen, weiß man häufig erst, nachdem

man ein paar Teile gespritzt hat. Wir wollen ja keine komplexe, teure Lösung verkaufen, sondern

eine möglichst einfache. Also zum Beispiel eine Lösung mit einem Temperiergerät und einer

Vorlauftemperatur pro Werkzeughälfte, wenn den Prozess ein „integrat direct“ über die

Wassermenge automatisch regelt – das ist für den Kunden beherrschbar. Für die

Durchflussmengenregelung sind Verpackungen ein sehr dankbares Anwendungsgebiet. Bei

technischen Formteilen hingegen kommt man oft nicht um unterschiedliche Temperaturen in den

einzelnen Kreisen herum.

 

Kunststoffe: Wie lässt sich diese Komplexität zuverlässig managen?

 

Gries: Die Kommunikation zwischen Werkzeug und Temperiersystem wird zukünftig sicherlich

an Bedeutung gewinnen. Dann könnte sich das optimale Temperierprofil für ein bestimmtes

Produkt nach einem Werkzeugwechsel schnell wieder einstellen. Heute ist die Situation die,

dass die Temperatur häufig außerhalb des Werkzeugs im Temperiermedium gemessen wird.

Für Sensorik im Werkzeug gibt es eigene Spezialisten. Man kann aber diskutieren, ob die

Sensoren mehr zur Überprüfung oder zur Regelung eingesetzt werden sollen.

 

Kunststoffe: Vernetzung und Kommunikation zwischen Anlagenkomponenten, das weist in

Richtung „Industrie 4.0“. Welche Entwicklungen zeichnen sich hier für Sie ab?

 

Gries: Wenn man heute über Kommunikation und Schnittstellen in den Systemen redet, denkt

man eigentlich relativ eng. Abgleich zwischen Soll- und Ist-Wert, Durchflussmenge oder eine

Sammelstörmeldung – mehr kommuniziert das Temperiergerät mit der Spritzgießmaschine

nicht. „Industrie 4.0“ setzt voraus, dass dieser Rahmen ausgeweitet wird. Dann reden wir

darüber, dass das Temperiergerät über die Cloud mitteilt, ob es richtig angeschlossen ist und ob

es für den Auftrag auf Basis seiner Leistungsdaten überhaupt geeignet und dauerhaft verfügbar

ist oder vorher in die Wartung muss. Und damit ist nicht gemeint, die Wartung nach der Zahl der

heute üblicherweise programmierten Betriebsstunden durchzuführen. Ich muss die Ist-Zustände

erfassen und diese dann intelligent im Gesamtsystem verarbeiten. Weiterhin muss das Gerät mit

allen anderen Anlagenkomponenten, die einen Einfluss auf die Aufbereitung und Abkühlung der

Schmelze sowie die Energieeffizienz des thermischen Prozesses haben, kommunizieren und

auf Veränderungen reagieren. Hier sehen wir die Aufgabe, die entsprechende Datenbasis und

die vom Maschinenhersteller unabhängige Intelligenz zu liefern. Wie das dann technisch

umgesetzt wird, ist eine ganz andere Frage.

 

Kunststoffe: Aus der Zukunft zurück in die Gegenwart, in der die Auswahl des geeigneten

Temperiersystems oft alles andere als trivial ist. Jetzt wäre die Gelegenheit für ein launiges

Fazit.

Gries: Klar ist: Es gibt nie nur eine Lösung. Das System, das letzten Endes installiert wird, muss

die Anforderungen an Werkzeug und Formteil erfüllen und gleichzeitig für den Kunden auch

bezahlbar und beherrschbar sein. Es mag durchaus Fälle geben, in denen eine Kombination aus

Lasersintern, Bohren und Vakuumlöten zur Gestaltung des Temperierkanallayouts mit

angeschlossener Mehrkreistemperierung oder einer variothermen Temperierung als ideale

Lösung erscheint, aber bitte: Das wären ein paar Kanonen zu viel für die Spatzen.

Interview: Dr. Clemens Doriat, Redaktion Kunststoffe Temperierkanallayout für eine Schale, die

auf einem Fuß in der Form des gwk-Logos steht. Je nach Oberflächenanforderung und

geometrischer Komplexität des jeweiligen Formteilbereichs wurden unterschiedliche

Temperierkreise in den Werkzeugeinsatz konstruiert (© gwk)

 

>>Zur Person<<

Dipl.-Ing. Helmut Gries (60) begann seine berufliche Laufbahn nach einem Maschinenbau-

Studium in Aachen (Fachrichtung Luft- und Raumfahrttechnik) 1981 als Projektingenieur im

verfahrenstechnischen Apparatebau der L&C Steinmüller GmbH. 1984 wechselte er in die

Kunststoffbranche und in den Vertrieb der damaligen Battenfeld Berges Duroplasttechnik GmbH

nach Marienheide. Die dort später übernommene Vertriebsleitung für Duroplastmaschinen

behielt er nach Verschmelzung der Firma mit der Battenfeld Spritzgießtechnik GmbH in

Meinerzhagen bei. Ab 1990 leitete er den europäischen Spritzgießmaschinenvertrieb von

Cincinnati Milacron in Offenbach. Nach einem Intermezzo bei Ferromatik Milacron in

Malterdingen folgte 1994 der Eintritt in die gwk Gesellschaft Wärme Kältetechnik mbH, seit 1998

ist er dort als Geschäftsführer für Vertrieb und Marketing verantwortlich.

Gries ist aktives Mitglied in verschiedenen Netzwerken der Kunststoffindustrie sowie

Vorstandsmitglied in den Fördergemeinschaften mehrerer Kunststoffzentren. In seiner Freizeit

hat er sich einen Namen als Fotograf der Landschaft und Tierwelt im südlichen Afrika gemacht.

© Carl Hanser Verlag

 

 

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