Andwenderbericht Alfred Kärcher Vertriebs GmbH, Winnenden

Hightech-Temperierung für Hochdruck-Reiniger gwk überzeugte Spritzerei von Kärcher in Winnenden mit ganzheitlichem Kühl- und Temperierkonzept.

Es gibt nicht viele Unternehmen, denen es gelingt, ein Produkt zu kreieren, das so bekannt wird, dass es Eingang in den allgemeinen Sprachgebrauch findet. Mit dem allseits bekannten „Tempo“ wird ein Papiertaschentuch gereicht. Jemand wird – in Anlehnung an die gleichnamige Windel – „gepampert“ und in diesem Sinne besonders verwöhnt. Im Internet wird „gegoogelt“ und damit der Gebrauch einer Suchmaschine gemeint. Und die Verwendung eines Hochruckreinigers zum Entfernen von Schmutz wird zumeist mit „kärchern“ beschrieben.
Mit der Entwicklung des ersten europäischen Heißwasser-Hochdruckreinigers (Dampfstrahler „DS 350“) hat Alfred Kärcher 1950 ein Produkt auf den Markt gebracht, dessen großer Erfolg dazu führte, dass heute jeder den Namen des Herstellers kennt. Die Konstruktion für die Erhitzung des Wassers erwies sich dabei als so zukunftsweisend, dass sie noch heute in vielen Geräten eingesetzt wird. Aus der 1935 gegründeten Alfred Kärcher GmbH & Co. KG, Winnenden, ist seitdem ein Weltkonzern mit rund 10.600 Beschäftigten geworden. 2013 wurden fast 12,5 Millionen Geräte verkauft und damit ein Umsatz von 2,05 Mrd. Euro erzielt.
Noch heute sind es vor allem die Entwicklung neuer Ideen und Patente, die Kärcher vorantreiben und zum unangefochtenen Weltmarktführer für Reinigungstechnik machen. Ein großer Teil des Erfolgs geht dabei auf moderne Werkstoffe und innovative Verarbeitungsverfahren zurück. Designfreiheit bei der Gehäuse-Gestaltung, geringes Gewicht, Robustheit und gutes Handling sind nur einige der Eigenschaften, die die Hochdruckreiniger auszeichnen und die ohne Kunststoffe undenkbar wären. Dabei bestimmen sowohl bei Zukaufteilen als auch in der Eigenfertigung höchste Qualität und Zuverlässigkeit die Auswahl der Partner.
Ein Beispiel dafür ist die Spritzgießfertigung in Winnenden, in der Kärcher große Kunststoffteile selbst herstellt und dabei sowohl bei der Werkzeugtemperierung als auch bei der Kühltechnik auf die Zusammenarbeit mit den Spezialisten der gwk Gesellschaft Wärme Kältetechnik, Meinerzhagen, setzt. „Die Halle, in der sich unsere Kunststoffverarbeitung befindet, wurde 2007 hier am Standort errichtet“, erklärt Gunther Laube von der Fertigungsplanung bei Kärcher, der den Bereich mit aufgebaut hat. Der Diplomingenieur ist für die Beschaffung der Anlagen zuständig und befasst sich deshalb mit neuen Fertigungsverfahren und Kalkulation. „Unser Ziel ist der Einsatz moderner Produktionsverfahren und die möglichst wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen. Dabei stellen wir uns immer die Frage. Machen wir etwas ganz Neues oder setzen wir auf bewährte Verfahren? In diesem Zusammenhang ist Energieeffizienz natürlich ein wichtiges Thema“, sagt er und verweist auf zahlreiche Maßnahmen der Maschinen-Hersteller wie isolierte Spritzzylinder, Anlagenabschaltung oder Servomotoren für Hydraulikpumpen.
„Wir fertigen hier vorwiegend auf Engel-Maschinen mit hohen Schließkräften Abdeckhauben für beheizte und unbeheizte Hochdruckreiniger sowie Bodenreiniger“, erklärt Laube. „Diese Profigeräte werden in die ganze Welt verkauft. Dabei handelt es sich um große Teile, die wir auch in relativ geringen Stückzahlen produzieren. Wir reden hier von Losgrößen im Bereich von 200-1.000 Stück. Dann steht ein Werkzeugwechsel an und das nächste Teil wird produziert. Für uns hieß das immer viel Zeitaufwand, bis die manuell regelbare Wasserverteilung einigermaßen eingestellt war. Wir haben nach Möglichkeiten gesucht, dies zu automatisieren.“ Dabei sei man mit gwk ins Gespräch gekommen. „Das Unternehmen hatte bereits die Kühltechnik für die Halle zu unserer Zufriedenheit installiert. Die Experten empfahlen uns schließlich ihr itd-System.“ Der Fertigungsplaner erinnert sich vor allem an die hohe Flexibilität der Experten aus Meinerzhagen bei der Planung und Umsetzung des Kühlsystems für die neue Produktionshalle. „Die räumliche Gestaltung beim Einbau der zentralen Kühlanlage war aufgrund des Platzmangels nicht so einfach. Doch die Leute von gwk sind auf unsere Vorstellungen eingegangen, während andere Anbieter uns nur ihre Standardlösungen verkaufen wollten. Sehr gute Beratung, Service und Kommunikation, sowie das Gefühl, verstanden zu werden, dazu die hohe Flexibilität und Qualität bei den technischen Lösungen – das alles hat uns überzeugt.“ Auch jetzt, sieben Jahre später, liefen alle Anlagen ohne Probleme. Damit habe sich die Wahl von gwk bestätigt, berichtet Laube.
„Die zentrale Kühlanlage mit 736 kW Kälteleistung, Wärmerückgewinnung und Wasseraufbereitung ist als Zwei-Kreis-Kühlsystem ausgeführt, mit einem Werkzeug- sowie einem Hydraulikkühlkreis. Die Werkzeugkühlung wird über einen wassergekühlten, energiesparenden Industriekaltwassersatz mit stufenloser Leistungsregulierung und elektronischem Expansionsventil realisiert. Den Kühlkreis für die Hydraulik speist eine hermeticool-hybrid-Einheit“, erläutert Volker Zart, Geschäftsleitung Kühltechnik bei gwk. Im Werkzeugkreis saugt die Betriebspumpe das abgekühlte Wasser aus dem Kaltwasserkreisbehälter und fördert es zu den Werkzeugen der Spritzgießmaschinen. Das Kühlwasser entzieht dem Verbraucher Wärme und wird in den Warmwasserbehälter geleitet. Über eine Verdampferpumpe gelangt das warme Wasser zum Verdampfer und überträgt die aufgenommene Energie an das Kältemittel. Das Kältemittel wird im Kompressor verdichtet und gibt im wassergekühlten Kondensator die aufgenommene Energie an den Kühlkreis ab. Das so abgekühlte Wasser fließt zurück in den Kaltwasserbehälter. Ist die Außentemperatur niedriger als die Rücklauftemperatur vom Verbraucher, wird das warme Wasser zum hermeticool (Freikühler neben der Kärcher Spritzerei) gepumpt und gibt dort die aufgenommene Energie an die durchströmende, kalte Außenluft ab. Je nach Außentemperatur übernimmt die hermeticool die volle oder teilweise Kühlfunktion. „Erst wenn die Außentemperatur die Rücklauftemperatur vom Verbraucher überschreitet, ist der Kältemaschinenbetrieb erforderlich. Dieser bedarfsgerechte Einsatz spart Energie“, so Zart. Im Hydraulikkreis wird das abgekühlte Wasser mittels Betriebspumpe aus dem Kaltwasserbehälter gesaugt und zu den Ölkühlern der Spritzgießmaschinen gefördert. „Das Kühlwasser entzieht dem Verbraucher Wärme und wird in den Warmwasserbehälter geleitet. Dann wird es zur hermeticool-hybridEinheit geleitet und dort von der kalten Außenluft abgekühlt. Diese Einheit arbeitet nach dem Luftkühlerprinzip im geschlossenen Kreislauf, ohne Wasserverluste“, beschreibt Zart den Prozess. „Bei hohen Außentemperaturen wird über ein Luftkonditioniersystem die Ansaugluft durch adiabatische Abkühlung so weit gesenkt, dass Prozesswassertemperaturen deutlich unter denen der Außenluft erreicht werden. Dies wird mit einem Minimum an zusätzlichem Frischwasser erreicht.“ Doch gwk sorgt bei Kärcher nicht nur für effizienteste Kühlung sondern auch für das notwendige saubere Wasser. Aufgrund der vielen Bögen würde herkömmliche Wasserqualität ein Problem darstellen. Mögliche Verstopfungen der Kühlkanäle an diesen Stellen hätten immer wieder mechanische Reinigungen zur Folge, um instabile Prozesse und Ausfallzeiten zu vermeiden. Dies wird dank einer Wasseraufbereitungsanlage active von gwk verhindert. Sie vereint alle Verfahren zur Aufbereitung, Konditionierung und Pflege von Zusatz- und Kreislaufwasser für offene und geschlossene Wärmeübertragungssysteme in einem Gerät. Dank der permanenten Kreislauffiltration im Nebenstrom werden Schwebestoffe entfernt und das Kühlwasser bleibt stets sauber. Der Filter spült bei einem hohen Verschmutzungsgrad automatisch zurück und reinigt sich dadurch selbsttätig. Die bei Kühlung und Wasseraufbereitung begonnene erfolgreiche
Zusammenarbeit gipfelte schließlich in der lückenlosen Integration der Werkzeugtemperierung. „Wir haben versucht, Kärcher davon zu
überzeugen, dass hohe Formteilqualität und geringe Kosten in der Fertigung nur umgesetzt werden können, wenn Kühlung und Werkzeugtemperierung
perfekt zusammenspielen“, so Georg Späth, Gebietsverkaufsleitung gwk Süd-West. Entscheidend sei, Kühlung und
Temperierung ganzheitlich zu betrachten. Ein Ansatz, dem sich auch Fertigungsplaner Laube nicht verschloss. Seitdem setzt Kärcher auf
die prozessüberwachte, segmentierte Werkzeugtemperierung von gwk.
Nachdem die Experten von gwk die Ist-Situation bestimmt und die Aufgabenstellung festgelegt hatten, wurde ein projektspezifisches
Temperierkonzept erstellt. „Das Ziel war, thermische Potenziale im Spritzgießwerkzeug auszunutzen, geeignete Standards für die Werkzeugtemperierung festzulegen, optimale Teilequalität bei kurzer Zykluszeit sicherzustellen, die Produktivität durch Kühlzeitreduzierung
zu erhöhen sowie Ausschuss und Nacharbeit zu minimieren“, erläutert Späth.
Im nächsten Prozessschritt wurden die Temperiergeräte von den gwk-Fachleuten so ausgelegt, dass die exakte Temperaturregelung
in allen Bereichen der Spritzgießform sichergestellt ist. Dabei bringt die segmentierte Mehrkreistemperierung beste Resultate. Ihr Grundprinzip
liegt darin, den pro Flächenelement unterschiedlichen Wärmeeintrag vom Formteil in das Spritzgießwerkzeug in der Weise zu
berücksichtigen, dass über das gesamte Formteil ein einheitliches Temperaturprofil erzielt wird. „Abhängig von Formteil und -masse, dem Werkzeugaufbau und den Ansprüchen an die Teilequalität verfügt jeder Temperierkreis als Minimalanforderung über eine individuelle Durchflussmengenregelung“, so Späth. „Bei komplexeren Anforderungen sei auch eine individuelle Regulierung der Temperatur möglich. „In Verbindung mit einer direkten Kühlung wird eine optimale Formteilqualität bei kürzest möglicher Zykluszeit und niedrigstem Energieverbrauch erreicht. Die wichtigen Parameter werden bei laufender Produktion online überwacht, unzulässige Abweichungen außerhalb einstellbarer Toleranzen
gemeldet und soweit wie möglich nachgeregelt“, erklärt er. An einer vorhandenen Spritzgießmaschine mit 3.200 t Schließkraft von Engel waren bereits zwei große Temperiergeräte teco wd 150 von gwk in alter Bauform installiert, die definierte Temperaturen für die Werkzeuge zur Verfügung stellten. Die Kühlwasserverteilung erfolgte über Wasserorgeln. „Aufgrund der vielen Werkzeugwechsel, haben wir immer viel Zeit aufwänden müssen, um die Wasserverteilung manuell zu regeln“, blickt Laube zurück. Um dies zu optimieren, wurde die Maschine deshalb mit dem modular aufgebauten
Mehrkreis-Temperiersystem integrat direct (itd) für die segmentierte Werkzeugtemperierung ausgerüstet. Es verteilt das Wasser individuell
auf die einzelnen Werkzeugkreise. Das itd vereint die Vorteile der bislang üblichen Wasserverteiler, der Impulskühlsysteme und der kontinuierlich arbeitenden Temperiergeräte und eliminiert die Nachteile der jeweiligen Systeme“, so Späth.
In Abhängigkeit von den an der Regeleinheit vorgegebenen Temperaturdifferenzen oder Wassermengen regelt es automatisch die Wassermengen
für jeden einzelnen Werkzeugkreis. Für die vorhandene Maschine kamen zweimal acht itd-Kreise (je acht für Düsen- und
Auswerferseite), Werkzeugentleerung, Werkzeugcheck und zwei Filter zum Einsatz. „Die Ansteuerung erfolgt hierbei über unser Touch-Panel“, erklärt Späth. 2011 kam in der Kärcher-Spritzerei in Winnenden eine weitere, neue Spritzgießmaschine mit 1.000 t Schließkraft von Engel hinzu. Sie[wurde ebenfalls mit zwei großen Temperiergeräten teco wd 150 in neuer Bauform, Werkzeugentleerung und Werkzeugcheck sowie
zwei Filtern ausgestattet. Die Ansteuerung erfolgt hier jedoch direkt über die Engel-Steuerung CC200. „Während die Integration
der itd-Komponenten bei Engel durchgeführt wurde, haben wir die Temperiergeräte installiert und an die Schottbleche der Maschine
angeschlossen“, erinnert sich der gwk-Gebietsverkaufsleiter. Jeweils düsen- und auswerferseitig kamen einmal vier und einmal sechs itd-Kreise zum Einsatz. „Der Einsatz der integrat-direct-Technologie bringt uns mehrere Vorteile“, sagt Laube. „Zum einen sparen wir Zeit beim Umrüsten, weil
das Werkzeug automatisch ausgeblasen wird. Durch die definierte Kühlung pro Kreislauf bestehen immer gleiche Voraussetzungen und man merkt sofort, wenn es Probleme gibt – ein wichtiger Aspekt in puncto Sicherheit. Außerdem erhalten wir genauere Informationen über die einzelnen Kreisläufe, viel präziser als bei der manuellen Einstellung“, zählt der Fertigungsplaner auf. „Unser Konzept setzt weit vor der Spezifikation von Leistungsdaten für Temperiergeräte und Kältemaschinen an. Wir betrachten beide Bereiche niemals isoliert voneinander.
Je feiner die in beiden Systemen benötigten Temperaturen, Drücke und Durchflussmengen aufeinander abgestimmt werden, desto besser wird das Temperier-Ergebnis und desto niedriger fallen die Energiekosten aus“, erklärt Späth. Der Schlüssel zu einer systematischen Temperierung und Kühlung, so der Experte, liege in der intelligenten Kombination verschiedener Technologien, die auf die herzustellenden Produkte, die zu verarbeitenden Formmassen, die zur Anwendung kommenden Spritzgießverfahren und die infrastrukturellen und klimatischen Randbedingungen des Fertigungsbetriebes abgestimmt seien. „Dank einer umfassenden Analyse der Energieströme und der genauen Kenntnis der thermischen Anforderungen und Zusammenhänge im Gesamtprozess sind wir in der Lage, das energetische Potenzial sowohl in den Verarbeitungsprozessen als auch in den Infrastrukturbereichen des Betriebes auszuschöpfen“, so der Gebietsverkaufsleiter. Kärcher hat dieser Ansatz überzeugt. Eine neue Engel-Maschine mit1.000 t Schließkraft, die kürzlich in Betrieb ging, ist ebenfalls mit dem itd-System mit 20 Regelkreisen und zwei direkt gekühlten Temperiergeräten ausgestattet. „Das System ist nahezu identisch zu der bestehenden 1.000-Tonnen-Maschine“, so Späth. „Allerdings erfolgt die Ansteuerung nicht über die Engel-Software sondern über unser neues 7-Zoll-Touch-Panel.“ Ebenfalls geändert wurde die Werkzeugentleerung, die nun in einem modernen Gehäuse untergebracht ist. Fertigungsplaner Laube: „Die Leute von gwk machen einen guten Job. Das hat sich bei Kärcher herumgesprochen. So setzt die Spritzerei an unserem Standort in Bühlertal ebenfalls auf gwk, genauso wie unser Werk in China, wo eine Kühlanlage des Unternehmens im
Einsatz ist.“

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