Heinz Gaub, Technik-Geschäftsführer bei Arburg: "Die Digitalisierung der Spritzgießmaschine und des Spritzgießprozesses werden sich weiter fortsetzten." Foto: Arburg

„Effizienz lautet das große Ziel“

Kleine Losgrößen

Interview mit Heinz Gaub, Technik-Geschäftsführer bei Arburg

Um kleinere Losgrößen wirtschaftlich herzustellen, sind flexible Fertigungslösungen gefragt. Zudem gilt es bei häufigen Auftragswechseln, die Stillstandzeiten zwischen zwei Produktionsaufträgen zu minimieren. Produktionseffizienz lautet das Schlagwort. Hierfür lassen sich Spritzgießmaschinen mit vielen Funktionalitäten und Automationskomponenten ausstatten. Für Heinz Gaub, Technik-Geschäftsführer bei Arburg, bieten darüber hinaus die Planung und Vorbereitung der Umrüstprozesse große Potenziale. In Zukunft sollen die durchgängige Digitalisierung des Spritzgießprozesses und die Additive Fertigung für einen neuen Schub sorgen.

Herr Gaub, sind kleinere Losgrößen bei Ihren Kunden ein Thema?
Heinz Gaub: Ja, die Tendenz sehen wir seit Jahren. Die Marktanforderungen haben sich verändert. Aufgrund rasanter technischer Entwicklungen, kurzer Produktlebenszyklen, zunehmender Variantenvielfalt und des Wunsches nach individu­ellen Produkten sinken die Losgrößen. Diesen Trend haben wir bereits vor Jahren erkannt und den Freeformer entwickelt. Beim Spritzgießen geht es nicht nur darum, dass die Losgrößen generell sinken. Zunehmend werden auch Bauteile in kleineren Losen abgerufen. Und da die Lagerhaltung teuer ist, suchen viele Spritzgießer auch hier nach Wegen, um kleinere Losgrößen effizient zu fertigen. Die Steigerung der Flexibilität ist dabei das große Ziel – aber immer mit der Prämisse, dass die Lösungen  auch wirtschaftlich sein müssen. Und dies ist für viele Spritzgießer ein Spagat.

Spritzgießen und kleine Losgrößen – das ist prinzipiell doch ein Widerspruch in sich. Ab welcher Stückzahl würden Sie beim Spritzgießen von kleinen Losgrößen sprechen wollen?
Heinz Gaub:  Natürlich spricht man beim Spritzgießen nicht von Losgröße eins. Aber es gibt Möglichkeiten und Ansätze, um kleine Losgrößen im Spritzgießverfahren wirtschaftlich herzustellen. Eine genaue Zahl zu definieren ist schwierig, zumal die Branchen sehr unterschiedlich sind. Während es im Automobilbereich eher um hohe Stückzahlen geht, sind in der Medizintechnik um die 500 Stück pro Fertigungslos keine Seltenheit. Um kleine Stückzahlen wirtschaftlich herstellen zu können, sind jedoch immer eine hohe Flexibilität sowie eine ausgereifte Produktionsplanung und Fertigungssteuerung gefragt.

Welche Ansätze gibt es, um diesen Spagat zwischen Flexibilität und Produktivität zu meistern?
Heinz Gaub: Im Hinblick auf Variantenvielfalt lassen sich mit „smarten“ Fertigungslösungen zum Beispiel unterschiedliche Produkte ohne Umrüsten effizient herstellen. Das haben wir mit unserem Industrie-4.0-Beispiel „Büroschere“ gezeigt. Flexibel je nach Kundenwunsch konnten vier Varianten produziert werden: Scheren für Links- oder Rechtshänder, vorne rund oder spitz. Hinzu kam dann noch die Individualisierung mit dem Freeformer für eine echte Losgröße eins. Auch ein Wechsel von Werkzeugeinsätzen bietet eine hohe Flexibilität bei geringem Rüstaufwand. Generell gilt es, beim Rüsten die Stillstandzeiten so weit wie möglich zu reduzieren. Bei Kundenbesuchen sehe ich, dass immer mehr kleinere und mittelgroße Spritzgießer automatische Materialzuführsysteme einsetzen, um bei einem Produktwechsel – und damit ist ja in der Regel ein Wechsel des Werkstoffs verbunden – das neue Material schneller und gleichzeitig prozesssicherer an die Spritzgießmaschine zu bringen.

Mit welcher weiteren Hardware an den Spritzgießmaschinen unterstützen Sie denn die Rüstzeitoptimierung beim Produktionswechsel?
Heinz Gaub: Einen großen Zeitgewinn erzielt man zum Beispiel durch Schnellspannsysteme für Werkzeuge sowie durch schwenkbare Spritzeinheiten und die zentrale Kopplung von Zylindermodulen, um schneller Schnecken ziehen oder Plastifizierzylinder wechseln zu können. Dann haben wir natürlich Auswerfer-Schnellkupplungen und an die Aufspannplatten verlegte Medienanschlüsse mit Schnellkupplungen. Solche Funktionalitäten sind keine Neuentwicklungen, sondern in der Praxis schon lange erfolgreich im Einsatz.

Gibt es neben der Technik weitere Ansätze?
Heinz Gaub: Ja, auf jeden Fall. Durch Optimierung der Prozesse in der Arbeitsvorbereitung und beim Umrüsten selbst lassen sich die Rüstzeiten deutlich verkürzen. Je besser zum Beispiel der Werkzeugwechsel vorbereitet und organisiert ist, desto schneller funktioniert er im Endeffekt. Als hilfreiches Tool nutzen wir in unserer Fertigung seit Jahren Videoanalysen. Beim Anschauen der Filme fallen viele Dinge auf, die sonst kaum Beachtung fanden. Das A und O ist, dass alle Abläufe optimiert sind und alle benötigten Teile zum Zeitpunkt X an der Maschine bereitstehen. Einen perfekten Werkzeugwechsel an der Spritzgießmaschine können Sie vergleichen mit einem Reifenwechsel in der Formel 1.

Inwiefern?
Heinz Gaub: Jeder im Formel-1-Team ist darauf vorbereitet, wann welcher Rennwagen zum Reifenwechsel in die Box kommt – und tut schon im Vorfeld alles dafür, dass dieser Wechsel perfekt abläuft: Jeder kennt seine spezifische Aufgabe. Alle Werkzeuge liegen funktionsfähig bereit und im entscheidenden Moment gibt es keine überflüssigen Laufwege oder Handgriffe. All dies lässt sich im Prinzip prima auf Rüstprozesse übertragen.

Noch eine Parallele zur Formel 1, die ja Reifen per Heizdecken in der Box vorwärmt, sind Vorwärmstationen für das Aufheizen von Plastifizierzylindern außerhalb der Spritzgießmaschine. Wie weit sind die verbreitet?
Heinz Gaub: Die Idee haben wir bereits vor über 30 Jahren vorgestellt. Auf der K 1986 zeigte Arburg erstmals ein vollautomatisches Fertigungssystem ohne manuelle Rüstvorgänge, das aus mehreren verketteten Spritzgießmaschinen bestand. Das Vorwärmen der Plastifizierzylinder und auch der Werkzeugwechsel liefen automatisiert. Die Werkzeuge wurden in einem großen Regal gelagert, von einem Robotsystem entnommen und der Spritzgießmaschine zugeführt. Die gesamte Anlage wurde bereits über das Arburg Leitrechnersystem (ALS) gesteuert. Heute ist das ALS ein wichtiger Baustein für Industrie-4.0-Lösungen. Die anderen Produkte haben wir nicht im Programm. Über automatisierte Vorwärmstationen denken einzelne Kunden zwar immer mal wieder nach. Aber man muss berücksichtigen, dass solche individuellen Peripheriegeräte ihren Preis haben. Noch komplexer sind automatisierte Werkzeugwechselsysteme, die immer Einzelentwicklungen und somit sehr teuer und aufwendig sind. Die meisten Kunden, mit denen wir solche Konzepte diskutieren, kommen dann doch zu dem Schluss, dass es mit konventionellen Methoden – Low-cost-Auto­mation wie Portalkran und Schnellwechselsysteme sowie perfekter organisatorischer Vorbereitung von Auftragwechseln – letztlich wirtschaftlicher ist.

Ein Beispiel für die effiziente Fertigung von Varianten ist diese Büroschere: Flexibel je nach Kundenwunsch konnten vier Varianten produziert werden: Schere für Links- oder Rechtshänder, vorne rund oder spitz. Hinzu kam die Individualisierung mit dem Freeformer. Foto: Arburg
Ein Beispiel für die effiziente Fertigung von Varianten ist diese Büroschere: Flexibel je nach Kundenwunsch konnten vier Varianten produziert werden: Schere für Links- oder Rechtshänder, vorne rund oder spitz. Hinzu kam die Individualisierung mit dem Freeformer. Foto: Arburg

Wir haben viel über Hardware und Arbeitsabläufe gesprochen. Inwieweit kann denn heute Software schnelle Produktionswechsel unterstützen?
Heinz Gaub: Die Software spielt eine ganz entscheidende Rolle. Bei unseren Spritzgießmaschinen hilft beispielsweise das Modul „Einrichtassistent“ der Selogica-Steuerung beim schnellen Rüsten und Einrichten der Maschine. Der Bediener wird Schritt für Schritt unterstützt, so dass keine Detailkenntnisse der Steuerung notwendig sind. Neben dem geführten Werkzeugeinbau erfolgt automatisch auch eine Erstberechnung der Prozessparameter auf Basis weniger Produktdaten. Der Bediener muss nicht programmie­ren, sondern kann den Maschinenablauf ganz einfach „teachen“. Hinzu kommt unser ALS, mit dem sich die Produktion detailliert managen lässt. Dank der hohen Transparenz lassen sich Rüstvorgänge exakt einplanen und vorbereiten, so dass sich die Stillstandzeiten auf ein Minimum reduzieren. ALS ist darüber hinaus ein zentraler Baustein für die Digitalisierung der Produktion im Sinne von Industrie 4.0.

Wohin geht die Entwicklung? Wird es in Zukunft die sich selbst optimierende Spritzgießmaschine geben?
Heinz Gaub: Es geht zumindest in diese Richtung. Heute ist eine Spritzgießmaschine bereits mit zahlreichen Sensoren ausgestattet, deren Daten aber nicht vollumfänglich genutzt werden. In nicht allzu ferner Zukunft werden Kunststoffverarbeiter damit den gesamten Spritzprozess kontinuierlich überwachen können. Der Maschinenbediener erhält dann Vorschläge, Maschineneinstellparameter zu verändern, um die Zykluszeiten zu verkürzen oder die Teilequalität zu erhöhen. Damit verkürzen sich auch die Wiederanfahrzeiten nach einem Teilewechsel. Im nächsten Schritt ist die Maschine dann in der Lage, sich selbst einzustellen und zu optimieren, indem sie über die zahlreichen Sensoren aus der Maschine Daten entnimmt und daraus ihre Einstellparameter ableitet. Damit sind wir dann beim Thema maschinelles Lernen. Diese Entwicklung steht aber erst am Anfang.

Wird sich die Digitalisierung der Spritzgießmaschine und des Spritzgießprozesses weiter fortsetzen?
Heinz Gaub: Davon bin ich absolut überzeugt. Im Vergleich zu der Metallverarbeitung sind wir beim Spritzgießen noch ein Stück von durchgängig digitalisierten Prozessen entfernt. In unserer Produktion erstellen wir zum Beispiel die NC-Programme für unsere Werkzeugmaschinen komplett in der Arbeitsvorbereitung einschließlich Programmierung und Simulation. Simulationsprogramme für das Spritzgießen gibt es heute zwar schon, diese werden aber in der Regel von den Werkzeugkonstrukteuren genutzt, nicht von den Fachleuten in der Spritzgießproduktion.

Was ist notwendig für diesen Schritt?
Heinz Gaub: Im Prinzip muss dafür die Steuerung der Spritzgießmaschine über viele zusätzliche Funktionalitäten und Leistungen verfügen, damit sie die 3D-Geometrie des Teils und des Werkzeugs erhält, so wie sie der Konstrukteur erstellt. Ist auch das Material bekannt, können Assistenzsysteme dem Bediener Vorschläge für passende Einstellparameter und deren Optimierung machen.

Welche Herausforderungen sehen Sie heute noch für einen durchgängig digitalen Spritzgießprozess?
Heinz Gaub: Hausaufgaben müssen noch gemacht werden bei Echtzeit-Netzwerkprotokollen, Datenmodellen von der Artikelkonstruktion bis zur Qualitätssicherung sowie Schnittstellen und Protokolle, wie OPC UA. Wir arbeiten intensiv daran, mit OPC-UA – die wir schon seit Jahren einsetzen – in der Kunststoffindustrie als Standard zu etablieren, denn damit werden nicht zuletzt die Maschinenstillstandzeiten reduziert. Man kennt das Prinzip von Druckern, die man bis vor ein paar Jahren mühevoll installieren und einrichten musste – zum Teil mithilfe von Experten. Genauso einfach, wie die Inbetriebnahme eines Druckers im Netzwerk heute funktioniert, sorgt OPC UA dafür, dass Spritzgießmaschinen, Robotsysteme oder andere Peripheriegeräte problemlos miteinander kommunizieren und in ein vernetztes Fertigungssystem eingebunden werden können.

Auf mehreren Veranstaltungen haben Sie gezeigt, dass sich bei Spritzgussbauteilen die Variantenviefalt und Individaulsierung durch den Freeformer erhöhen lässt, indem man darauf additiv Funktions- oder Designvariationen aufbringt. Wird dies in der Praxis bereits umgesetzt?
Heinz Gaub: Nein, unseres Wissens noch nicht. Allerdings verraten uns manche Kunden auch nicht alles, was sie mit dem Freeformer machen. Ich bin allerdings davon überzeugt, dass die Individualisierung von Serienteilen durch Additive Fertigung ein Zukunftsmodell ist. So haben wir schon mehrere Gespräche mit Ärzten geführt, die zum Beispiel eine patientenspezifische Anpassung von spritzgegossenen, in kleiner Variantenzahl vorliegenden Knochenimplantaten mit dem Freeformer begrüßen würden. Diese Individualisierung, basierend auf gescannten Geometriedaten des Patienten, könnte in unmittelbarer Nähe des Operationssaals stattfinden. Dann könnte das Implantat bereits während der ersten OP dem Patienten eingesetzt werden. Heute muss dieser lange auf ein solches Implantat warten – und eine weitere Operation über sich ergehen lassen.

Wird der Freeformer heute auch für Kleinserien genutzt?
Heinz Gaub: Ja, das sehen wir immer mehr. Er wird nicht nur für die Herstellung von Prototypen genutzt, sondern auch als industrielle Fertigungsmaschine – etwa für Ersatzteile und Kleinserien, die sofort einsetzbar sind. Hier kann der Freeformer seine Vorteile als offenes System voll ausspielen. Der Anwender ist unabhängig von vorgegebenen, unveränderlichen Einstellungen und hat die Möglichkeit, individuelle Prozessoptimierungen vorzunehmen und auch eigene Materialien zu qualifizieren.

Sowohl bei der Herstellung von Kleinserien als auch bei der Individualisierung von Implantaten während einer Operation besteht die Anforderung an eine hohe Baugeschwindigkeit. Das ist nicht nur beim Freeformer eine Herausforderung. Wie wollen Sie den Freeformer beschleunigen?
Heinz Gaub: Alle Hersteller suchen derzeit nach Lösungen, um die additiven Fertigungsprozesse zu beschleunigen. Der limitierende Faktor ist – nicht nur beim Freeformer – der Materialaustrag an einem Punkt. Die Frage ist also, wie viele Austragspunkte  so platziert und angesteuert werden können, dass alle gleichzeitig arbeiten? Zwei oder drei Punkte würden den additiven Fertigungsprozess zwar beschleunigen, aber ich denke, der Durchbruch wird erst kommen, wenn additiv sehr schnell ganze Schichten aufgebracht werden, so dass die Teile wirklich mit erheblich größerer Baurate hergestellt werden können. Richtig spannend wird es, sobald die additive Baugeschwindigkeit schneller ist als die Abtragsrate beim Zerspanen oder anderen formgebenden Fertigungsverfahren.

Danke für das Gespräch, Herr Gaub.

Sabine Koll

 

Aufmacherbild: Arburg