Werkzeugbau denkt grün

Der Werkzeugbau und die damit verknüpfte Kunststoffindustrie stehen vor großen Herausforderungen. Steigende Qualitätsanforderungen, mehr Umweltbewusstsein und strengere gesetzliche Vorgaben zwingen die Branche zum Umdenken. Geschlossene Kreisläufe und optimierte Werkzeug-Supply-Chains rücken in den Fokus. Genau hier setzt das länderübergreifende CORNET-Forschungsprojekt „SustainTool“ an. Es soll kleinen und mittleren Unternehmen aus Deutschland und Österreich helfen, Nachhaltigkeitsprinzipien effizient in ihre Prozesse zu integrieren. Die Kooperation zwischen Forschungseinrichtungen und Industriepartnern gewährleistet dabei eine anwendungsnahe Lösung.

Intelligent steuern

Der großen themenübergreifenden Klammer widmet sich vorrangig Fraunhofer Austria mit seiner Expertenrolle im Bereich der nachhaltigen Wertschöpfung. 

„Wer Energie und Material intelligent steuert, Fachkräfte bindet und seine Lieferkette beherrscht, reduziert Kosten und verbessert Qualität sowie Resilienz“, betont Stephan Martineau, Projektleiter bei Fraunhofer Austria. 

Auf der Fertigungsseite überzeugt ihn vor allem die einfache Formel: weniger Kilowattstunden pro NC-Minute, weniger Spanvolumen, weniger Nacharbeit.

Messen und vergleichen

Der Projektbericht von Fraunhofer Austria zeigt, dass Rohstoffe ein Engpass bleiben und hebt in diesem Zusammenhang Rezyklatanteile im Stahl, EPD-gestützte Beschaffung, sortenreine Späneerfassung, Remanufacturing sowie ein professionelles Management von Kühlschmierstoffen hervor. Ein weiterer großer Hebel liegt bei der Belegschaft. Qualifizierte Teams entscheiden über Durchlaufzeit und Erstgutquote. Damit das alles steuerbar bleibt, empfiehlt der Bericht ein kompaktes KPI-Set. Energie, Material, Gesundheit und Sicherheit, Lieferkettentransparenz und Datenqualität werden so messbar und vergleichbar.

Energiebedarf simulieren

Die Montanuniversität Leoben entwickelt eine Simulationsmethode, um den Energiebedarf für die Herstellung von Spritzgussbauteilen abzuschätzen. Die Methode soll es ermöglichen, aus bestehenden Standardergebnissen der Spritzgieß-Simulationssoftware Moldflow energiebezogene Kennwerte für ein Werkzeug bzw. einen Prozess zu ermitteln. Berechnungen der Einspritzarbeit und des Energiebedarfs zum Aufschmelzen sind bereits vorhanden. 

„Eine höhere Massetemperatur reduziert zwar die Einspritzarbeit durch eine geringere Viskosität, der erhöhte Energiebedarf für das Erwärmen der Schmelze auf die höhere Temperatur übersteigt aber das Einsparungspotenzial der Einspritzarbeit bei weitem“, berichtet Thomas Lucyshyn vom Department Kunststofftechnik der Montanuniversität Leoben.

Gleiche Qualität, weniger Ressourcen

Mit der Werkzeugentwicklung bzw. -konstruktion beschäftigt sich die Hochschule Schmalkalden. 

„Wir wollen Spritzgießwerkzeuge so gestalten, dass sie unter Beibehaltung funktionsspezifischer Qualitätskriterien über den gesamten Lebenszyklus ressourcenschonend und effizient eingesetzt werden können“, skizziert Thomas Seul, Professor für Fertigungstechnik und Werkzeugkonstruktion. 

Zu Beginn haben die Expertinnen und Experten das System Werkzeug in seine grundlegenden physikalischen und technischen Wirkprinzipien gegliedert. Die Lösungsansätze wurden mithilfe eines morphologischen Kastens dargestellt und sinnvoll sowie innovativ miteinander kombiniert. Aus den gewonnenen Erkenntnissen entstand ein Leitfaden zur Entwicklung nachhaltiger Spritzgießwerkzeuge.

CO₂-Werkzeugpass schafft Transparenz

Die Nachhaltigkeitspotenziale in der Herstellungsphase von Spritzgießwerkzeugen untersucht das Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen. Unter anderem wurden Daten erhoben, um unternehmensindividuelle Product Carbon Footprints zu berechnen. Mithilfe des zertifizierten „CO₂-Werkzeugpasses“ hat das Projektteam fünf repräsentative Spritzgießwerkzeuge ausgewertet, die Emissionen entlang der drei Scopes transparent dargestellt und die wesentlichen Verursacher der Werkzeugemissionen identifiziert. Ein Leitfaden präsentiert darüber hinaus Nachhaltigkeitsmaßnahmen, die von Werkzeugbauspezialistinnen und -spezialisten bewertet wurden, enthält Best Practices aus der Industrie und bietet konkrete Hilfestellungen für eine zielgerichtete Weiterentwicklung.

Nutzungsphase optimieren

Da die meisten Emissionen im Werkzeuglebenszyklus während der Nutzungsphase entstehen, liegt dort ein besonderer Fokus auf Analyse und Optimierung. Die Montanuniversität Leoben untersucht mithilfe von Simulationen deshalb auch, wie sich unterschiedliche Werkzeugausführungen auf den Energieverbrauch auswirken. Die Moldsonics GmbH steuert dafür moderne Sensorsysteme bei, mit denen Prozessdaten direkt im Werkzeug erfasst werden können. Darauf aufbauend entwickelt die WBA Aachener Werkzeugbau Akademie GmbH eine Methode zur ökologischen Bewertung der Werkzeugnutzung. Am Ende soll ein Berechnungskonzept stehen, mit dem sich die CO₂e-Emissionen eines Werkzeugs während der Nutzungsphase belastbar bestimmen lassen.

Kreislauf schließen

Und wie schließt sich der Kreislauf im Werkzeugbau? Laut einer Studie des WZL der RWTH Aachen ist das Potenzial groß, doch die Umsetzung herausfordernd. Als für die Branche sinnvolle Kreislaufwirtschaftsansätze wurden die Re-Fabrikation (Remanufacturing) und das sortenreine Recyceln identifiziert. Im weiteren Projektverlauf sollen gemeinsam mit den Unternehmen geeignete Komponenten für die Re-Fabrikation ermittelt werden. Dies ist erforderlich, weil nicht alle Komponenten im Werkzeug den gleichen Verschleiß während der Nutzung aufweisen und somit unterschiedlich für die Re-Fabrikation geeignet sind.

Beteiligte Forschungsinstitute

• Fraunhofer Austria Research GmbH
• Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen
• Angewandte Kunststofftechnik, Hochschule Schmalkalden
• Montanuniversität Leoben, Department Kunststofftechnik

Neben den vier Forschungsinstituten zählen der Kunststoff-Cluster für Österreich sowie FGW – Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e. V. für Deutschland als Koordinatoren zu den treibenden Kräften.