Fachartikel vom 24.09.2014

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Gummiteile automatisch produzieren

Peter Radosai, LWB-Steinl GmbH & Co KG

Während die Automatisierung des Teilehandlings in der Kunststoffteile-Produktion bereits Werte bis zu 90 Prozent und mehr erreicht hat, liegt sie bei Gummiteilen noch deutlich unter 50 Prozent. Begründungen dafür gibt es viele, vom übergroßen Aufwand bei kleinen Losgrößen, bis zu wenig automatisierungsfreundlichen Teilekonstruktionen oder den elastischen Materialeigenschaften, die spezifisches, oft nicht vorhandenes, Know-how bei der Greiferauslegung erfordern. Doch allen Widrigkeiten zum Trotz, die Automatisierung von Gummiproduktionen ist zum Trend geworden, dessen Dynamik stetig zunimmt. Die Möglichkeiten werden zahlreicher und damit wirtschaftlicher. Einen Überblick gibt der folgende Bericht des Spritzgießmaschinenherstellers LWB-Steinl.

Abb.1: Wenn die flexible Einsetzbarkeit einer Standardmaschine erhalten bleiben soll, aber dennoch Einlege- bzw. Entnahmeoperationen automatisiert werden sollen, bietet sich die Kombination mit einem universell einsetzbaren Stand-Alone-Roboter an, der ebenso flexibel bedarfsgerecht an mehreren Anlagen eingesetzt werden kann.
Abb.1: Wenn die flexible Einsetzbarkeit einer Standardmaschine erhalten bleiben soll, aber dennoch Einlege- bzw. Entnahmeoperationen automatisiert werden sollen, bietet sich die Kombination mit einem universell einsetzbaren Stand-Alone-Roboter an, der ebenso flexibel bedarfsgerecht an mehreren Anlagen eingesetzt werden kann.
Die Wettbewerbsfähigkeit einer Produktion hängt von ihrer Produktivität ab. Dieser an sich triviale Zusammenhang gilt für auch für die Kunststoff- und die Gummiteile-Produktion. Produktivität, steht für das Verhältnis aus produzierten Gütern und den dafür eingesetzten Produktionsmitteln. Während sie im Kunststoff-Spritzguss innerhalb der letzten zwei Jahrzehnte durch zahlreiche Innovationen bei Werkzeugen, Maschinen, Anwendungs-technik und nicht zuletzt bei der Automatisierungstechnik exponentiell gesteigert werden konnte, hat die Gummiteile-Produktion diese Entwicklung nur ansatzweise mitgemacht. Dies zeigt ein Statusvergleich bei Automatisierungslösungen für das Teilehandling. Hier liegt der manuelle Anteil noch deutlich vor einer automatisierten Handhabung. Auf die Nachfrage zum „Warum“ und „Wieso“ werden zahlreiche Gründe angeführt. Grundsätzlich, und da besteht kein Unterschied zum Kunststoff-Spritzguss, rechnen sich Automations-einrichtungen erst ab einer bestimmten Mindestlosgröße. Und: Das Layout von Handlingeinrichtungen für weiche und formlabile Gummiteile, die noch dazu bis zu rund 180°C heiß sein können, bedarf in viel höherem Ausmaß unkonventioneller Denkansätze, als es vergleichsweise formstabile und kühlere Kunststoffteile erfordern.

Abb.2a+b: Bei Mikroteilen stellt sich das Problem der sicheren Entformung ebenso, wie bei Multikavitäten-Massenteilen. Im Fall der LWB MicroClass HCQRS 100/10 kann dazu eine automatische Abstreif-Vorrichtung als Standardoption in die Schließeinheit integriert werden.
Abb.2a+b: Bei Mikroteilen stellt sich das Problem der sicheren Entformung ebenso, wie bei Multikavitäten-Massenteilen. Im Fall der LWB MicroClass HCQRS 100/10 kann dazu eine automatische Abstreif-Vorrichtung als Standardoption in die Schließeinheit integriert werden.
Dennoch: Es gibt sie, die innovativen Konzepte, die Gummiteile-Produktionen wirtschaftlicher und konstanter machen. Aber, eine Analyse derartiger Projekte zeigt, dass der Schlüssel zum Erfolg in besonderem Maße die enge Zusammenarbeit aller Projektpartner ist, vom Mischungshersteller, dem Formteilkonstrukteur, dem Maschinen- bzw. Werkzeugbauer bis zum Teileproduzenten. Doch die Zusammenarbeit wäre nichts, ohne die Flexibilität aller Partner, sich auf die Ideen und Erfahrungen der jeweils anderen Seite einzulassen und zu Anpassung des eigenen Projektanteils bereit zu sein.


Die Formteilkonstruktion bestimmt das Automatisierungspotenzial

In einer automatisierten Gummiteile-Produktion läuft vieles anders als beim, zum Vergleich herangezogenen, Thermoplast-Spritzguss. Nicht nur, dass Gummiformteile bei der Entformung viel heißer und elastischer sind als Kunststoffteile, so sind sie zusätzlich meist auch mit Austriebsgraten versehen. Dieser Austrieb dringt in Spalte und Schieberflächen des Werkzeugs vor und kann, je nach Umfang bewegliche Formeinsätze, wie Backen- bzw. Schrägschieber oder Ausstoßersysteme blockieren. Automatisierungsgerechte Gummi-Formteile sollten daher im Idealfall mit einem Minimum an Teilungsebenen und Funktionsmodulen (Auswerfer, Schieber) auskommen. Da deren Anzahl und damit das Potenzial zur Gratbildung in der Regel mit steigender Teilekomplexität zunehmen, erschwert dies die Automatisierbarkeit.

Abb.3a+b: Horizontale Spritzgießmaschine vom Typ HCE 1000/2000 mit doppeltem Bürstensystem zur automatischen Entformung von einfachen Kleinteilen, insbesondere O-Ringe, aus Multikavitäten-Werkzeugen.
Abb.3a+b: Horizontale Spritzgießmaschine vom Typ HCE 1000/2000 mit doppeltem Bürstensystem zur automatischen Entformung von einfachen Kleinteilen, insbesondere O-Ringe, aus Multikavitäten-Werkzeugen.
Die Konsequenz ist, dass bei komplexen Formteilen, z.B. einer Tauchermaske, vor allem aus wirtschaftlichen Gründen Abstriche von den Automatisierungsmöglichkeiten gemacht werden müssen, bis hin zur Beibehaltung der manuellen Bedienung. Im Umkehrschluss bieten diese Zusammenhänge ebenso viele Ansatzpunkte, um bereits in der Projektphase für neue Produkte durch eine enge Zusammenarbeit von Produktentwicklern, Werkzeugbauern und Automatisierungs-technikern zu automatisierungsgerechten Formteilkonstruktionen zu kommen.


Unkonventionelle Denkansätze senken den Break-Even für die Automatisierung

Wenn kleine bis mittlere Losgrößen personalreduziert produziert werden sollen, ist Unkonventionelles gefragt. Eine Möglichkeit, die noch dazu mit überschaubarem Aufwand realisiert werden kann, ist ein Produktionslayout mit einer Gruppenbildung von Kleinmaschinen (vertikal oder horizontal), die mit Stammformen und Wechsel-Kavitäten ausgerüstet sind. Bedient von einem Roboter oder einer Bedienperson gehen die Werkzeugeinsätze zwischen der Maschinen und einer Bearbeitungsstation im Wechselspiel hin und zurück. Einfache Ausdrückvorrichtungen übernehmen die Entformung aus den Wechselkavitäten, während sich jeweils die zweite Wechselkavität in der Maschine befindet. Der Rationalisierungseffekt resultiert in diesem Fall aus der Nutzung von Standardmaschinen und der kostengünstigen Umrüstmöglichkeit von einem Produkt auf das andere. Dieses Konzept funktioniert auch für Mehrkomponentenprodukte aus Kunststoff und Gummi und ist eine Alternative zu technisch und finanziell aufwendigen Drehtischlösungen in einer 2-Komponenten-Maschine.

Aber auch in ganz konventionellen Fällen, in denen Standardmaschinen, vor allem mit vertikaler Schließeinheit, eingesetzt werden, können Industrie-Roboter Einlege- und Entnahmeoperationen rationalisieren und zusätzlich durch ihre konstante Arbeitsfolge die Produktqualität erhöhen. (Abb.1)


Abb.4: Automatisierungsbeispiel an einer Vertikalmaschine (LWB VSEFD 2700/2000). Hier ist das Entnahmehandling als direkt an der Maschinenrückseite angebaute Verschiebeplatteneinheit ausgeführt. Die Verschiebeplatte fährt inklusive Greifwerkzeugen nach dem Öffnungshub zwischen die Werkzeugplatten ein, greift die Formteile und die Angussverteiler und transportiert sie zu den Ablagebereichen an der Maschinenrückseite.
Abb.4: Automatisierungsbeispiel an einer Vertikalmaschine (LWB VSEFD 2700/2000). Hier ist das Entnahmehandling als direkt an der Maschinenrückseite angebaute Verschiebeplatteneinheit ausgeführt. Die Verschiebeplatte fährt inklusive Greifwerkzeugen nach dem Öffnungshub zwischen die Werkzeugplatten ein, greift die Formteile und die Angussverteiler und transportiert sie zu den Ablagebereichen an der Maschinenrückseite.
Massenteile bürsten oder greifen

Kleine, leichtgewichtige Teile, wie O-Ringe, Dichtscheiben, Abschlagdämpfer werden sowohl in kleinen, als auch großen Stückzahlen auf Horizontalmaschinen mit kleinen bis mittelgroßen Schließkräften gefertigt. Zur Entformung dieser Leichtgewichtsteile werden Streif- und Bürstvorrichtungen eingesetzt.

Wenn dieses Produktprogramm mit großer Variantenvielfalt in jeweils kleiner Stückzahl hergestellt werden muss, bieten sich dafür Kleinmaschinen, wie die LWB-MicroClass mit 10 Tonnen Schließkraft an. Deren Konstruktion ist bereits im Standard so ausgeführt, dass ein horizontales Lineargerät (als Optionsausrüstung verfügbar) ohne Modifikationsbedarf eingebaut werden kann. Elastische Abstreifleisten am Greiferarm übernehmen die Entformung aus der Formtrennebene (Abb. 2a+b).

Bei größeren Maschinen und Multikavitäten-Werkzeugen übernimmt ein oberhalb des Spritzgießwerkzeugs montiertes Bürstgerät diese Aufgabe. (Abb.3a+b) Die Entformungsfunktion übernehmen dabei rotierende Bürsten auf einer Vertikalachse, die über Elektromotoren angetrieben werden. Derartige Geräte sind sowohl für Spritzgießwerkzeuge mit einer Öffnungsebene, als auch für Etagenwerkzeuge mit zwei Produktebenen in großer Variantenvielfalt verfügbar.

Abb.5a+b: Detailansicht des geöffneten Werkzeugbereichs mit eingefahrener Greiferplatte. Die Formteile befinden sich in Form von 6 Zwillingsteilen nebeneinander, in insgesamt acht Reihen hintereinander, für 96 Formteile pro Zyklus.
Abb.5a+b: Detailansicht des geöffneten Werkzeugbereichs mit eingefahrener Greiferplatte. Die Formteile befinden sich in Form von 6 Zwillingsteilen nebeneinander, in insgesamt acht Reihen hintereinander, für 96 Formteile pro Zyklus.
Linear-Handlinggeräte bieten sich auch dann an, wenn Massenteile auf Vertikalmaschinen automatisch produziert und entformt werden sollen. (Abb.4) Sie sind in einfacher Linearachs- oder Schiebeplattenausführung verfügbar und in der Regel mit Greiferplatten ausgerüstet. Neben dem Werkzeug an die Schließeinheit angebaut und auf die Werkzeuggröße abgestimmt, fährt beim Ausführungsbeispiel in Abb. 5a+b unmittelbar nach dem Öffnungshub der Maschine eine Greiferplatte in die Produktebene eines 96-fach Spritzgießwerkzeugs ein. Alle 96 Formteile werden auf einmal gegriffen, dann angehoben, aus dem Werkzeugbereich gefahren und über dem Teilecontainer abgeworfen. Das abgebildete Beispiel besticht durch eine innovative Teileanordnung. Um die Schließkraft und die Größenverhältnisse der 270-Tonnen-Maschinen-Schließeinheit (LWB VSEFD 2700/2000) optimal zu nutzen, wurden alle Formteile, im konkreten Fall rechteckige Dämpfungsplatten, vertikal orientiert in so genannte Spreitzleisten eingeformt, je zwei Stück zu einer Zwillingskavität kombiniert. Aus den Kavitäteneinsätzen ragt ein Teilbereich jeder Zwillingskavität heraus, an dem die Teilegreifer ansetzen. Insgesamt ist die technische Lösung ein Paradebeispiel für die eingangs erwähnte Notwendigkeit zur interdisziplinären Abstimmung aller an einer Automationsaufgabe beteiligten Parteien.


Abb.6a+b: LWB-Steinl Vertikal-Spritzgießzelle mit integrierter Nachbearbeitungsstation (rechts neben der Schließeinheit). Ein Linear-Handlinggerät übernimmt den Teiletransfer zwischen dem Werkzeugbereich der Spritzgießmaschinen und der Bearbeitungsstation, die bedarfsgerecht (Prüfen, Drucken, Stapeln, Fördern) ausgerüstet werden kann.
Abb.6a+b: LWB-Steinl Vertikal-Spritzgießzelle mit integrierter Nachbearbeitungsstation (rechts neben der Schließeinheit). Ein Linear-Handlinggerät übernimmt den Teiletransfer zwischen dem Werkzeugbereich der Spritzgießmaschinen und der Bearbeitungsstation, die bedarfsgerecht (Prüfen, Drucken, Stapeln, Fördern) ausgerüstet werden kann.
Vertikalmaschinen mit Automatisierungsoptionen

Generell bieten die Vertikalmaschinen aus dem LWB-Standardmaschinen-Programm guten Voraussetzungen zur Kombination mit Handlingeinrichtungen. Dafür umfasst die Optionenliste Platten-Verschiebeeinrichtungen, mit denen die Kavitätenplatten komplett aus dem Werkzeugbereich gefahren werden können und so eine optimale Zugänglichkeit zum manuellen oder automatischen Einlegen und Entnehmen bieten. Derartige Einrichtungen sind auch in doppelter, gegenläufiger Ausführung verfügbar. Dies bietet den Vorteil, dass sich eine Kavitätenplatte immer im Werkzeugbereich befindet, während in der zweiten außerhalb entformt bzw. eingelegt werden kann, z.B. mittels Handlinggerät oder bei Bedarf auch manuell.


Metall-/Gummi-Verbundteile automatisiert produzieren

Die automatisierte Produktion von Metall/Gummiverbundteilen, wie es Wellendichtringe Schwingungsdämpfer oder Motorlager sind, stellt die anspruchsvollste Automatisierungs-aufgabe dar. Dies deshalb, weil zwei getrennte Manipulationsaufgaben miteinander zu koordinieren sind. Es beginnt mit dem Vereinzeln und Einlegen der Metallteile vor dem Spritzzyklus in die Kavität, gefolgt von der Entnahme und Nachbearbeitung der Fertigteile. Zur Produktion werden in der Regel Vertikalmaschinen eingesetzt. Diese bieten optimale Voraussetzungen zum Anbau von zwei getrennten Handling-Geräten. Das Metallteil-Manipulationsgerät kann beispielsweise zwischen die Rahmenplatten einer holmlosen Schließeinheit oder das Säulengestell einer Holmmaschine eingebaut werden. Ein zweites Linearhandling, fix mit der festen Seite der Schließeinheit verbunden, entnimmt die Fertigteile und transferiert sie zur seitlich daneben befindlichen Nachbearbeitungsstation (Abb.6a+b). Diese kann individuell auf das jeweilige Projekt abgestimmt und im Bedarfsfall leicht umgerüstet werden. Den Teiletransfer innerhalb der Peripherie übernimmt ebenfalls das Lineargerät.


Abb.7a+b: Komplexe Produktionszellen in Kombination mit jeweils einer LWB-Vertikalmaschine zur Herstellung von Großserien Metall/Gummi-Verbundteilen.
Abb.7a+b: Komplexe Produktionszellen in Kombination mit jeweils einer LWB-Vertikalmaschine zur Herstellung von Großserien Metall/Gummi-Verbundteilen.
Derartige Produktionszellen sind in einer gesamten Bandbreite, von der flexiblen, leicht umrüstbaren Ausführung bis zur hoch spezialisierten Einzweckausführung für die dauerlaufende Massenfertigung verfügbar. Letztere integrieren Hochleistungs-Peripherieanlagen, die sowohl die Metallteilevorbereitung, als auch die Fertigteilebearbeitung übernehmen. Die Manipulationsaufgaben übernehmen Industrieroboter oder spezielle Manipulationsgeräte. (Abb.7a+b)


Zukunftspotenzial der „Gummiautomation“

Peter Radosai, Verkaufsleiter des Gummi-Spritzgießmaschinenbauers LWB-Steinl in Altdorf/Landshut gibt einen Ausblick auf die Zukunft der Gummiverarbeitung: "Im Zuge steigender Standards bei der Arbeitsplatzqualität und dem internationalen Wettbewerbsdruck sind wir mit stetig wachsender Nachfrage nach Automatisierungs-lösungen für die Gummiteileproduktion konfrontiert. Dies war die Motivation für uns, im Rahmen dieses Artikels einen Überblick über die heute schon bestehenden Möglichkeiten zu geben. Denn die Automation wird auch in der Gummiteileproduktion das beherrschende Thema der Zukunft und der Schlüssel zu internationaler Wettbewerbsfähigkeit sein."


Über LWB-Steinl

Das 1962 von Alfred Steinl gegründete Unternehmen beschäftigte sich von Anfang an mit Werkzeugen und Maschinen für die Gummiverarbeitung. Heute ist das nach wie vor von der Familie Steinl geführte Unternehmen einer der weltweit führenden Hersteller von Gummi-Spritzgießmaschinen. Das Produktportfolio umfasst die komplette Bandbreite an Gummi-Spritzgießmaschinen, von der vertikalen C-Rahmen-Maschine speziell für die Profil-Verbindung über vertikale 4-Säulen- oder Plattenrahmen-Maschinen, bis zu horizontalen Maschinen mit Säulen- und C-Rahmen Schließeinheit. Daneben sind auch so genannte Batch-off Anlagen für die Mischungskonfektion im Programm.

Aktuell beschäftigt das Unternehmen mit dem Stammsitz in Altdorf bei Landshut insgesamt rund 230 Mitarbeiter und stellt rund 500 Maschinen pro Jahr her. Zusätzlich zum Produktionsstandort in Deutschland wird seit 2009 ein Produktionswerk in China betrieben.


LWB Steinl GmbH & Co. KG

Sonnenring 35
84032 Altdorf, Deutschland

Tel.:   +49 (0) 871 308-0
Fax:   +49 (0) 871 308-180
Email: peter.radosai@lwb.de.com

Internet: www.lwb-steinl.de


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