Erkennen und vermeiden der gewohnten Hindernisse im System

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1 aus 2/2018 Rudolf Hein, Konstruktionsbüro Hein GmbH, Neustadt Brücken in die Zukunft mit nachhaltiger Fertigung: Erkennen und vermeiden der gewohnten Hindernisse im System Bild 1: Wir brauchen nachhaltige Konzepte aus vielen ineinandergreifenden Bausteinen Genauso, wie wir uns im Straßenverkehr auf die vielen Baustellen, Unfälle und anderen Verkehrsbehinderungen eingestellt haben und sie als scheinbar notwendiges Übel akzeptieren, verhält es sich mit den vielen vermeidbaren Problemen in der Fertigung, die oft aus vorausgegangenen Sparmaßnahmen oder Gewohnheitsentscheidungen ( Das haben wir immer so gemacht. ) hervorgehen. Jeder Teilbereich (Spritzgießmaschinen, Temperiergeräte, Software usw.) stellt in seinem Bereich neue Entwicklungen vor, übergreifende Konzepte mit dem Nachweis von Energieeffzienz und Nachhaltigkeit fehlen aber. An dieser Stelle möchten wir entscheidende Lücken und mögliche Lösungsansätze aufzeigen.

2 Anforderungen an Qualität und Durchlaufzeit steigen Über 80 % der Unternehmen erkennen einen Facharbeitermangel und über 70 % sehen Preis- und Zeitdruck als größte Herausforderungen. Diese Herausforderungen führen zu dem Lösungsansatz der Automatisierung, die früher als arbeitsplatzgefährdend eingestuft wurde, heute aber eine existenzrelevante Vor gehensweise darstellt. So müssen wir uns vor allem angesichts des Facharbeitermangels Sorgen machen, wenn die Automatisierung noch nicht gestartet wurde. Sicher lich werden Umgestaltungen erforderlich und Weiterbildung und eine veränderte Berufsausbildung rund um das Thema Automatisierung sind unumgehbar, um für diesen Bereich künftig qualifiziertes Personal zu erhalten. In den Schulen schon auf der Agenda, in der beruflichen Praxis aber noch nicht angekommen, ist das Thema Nachhaltigkeit als Leitmotiv bei dieser Änderung. Dieses müssen wir einbeziehen, ja sogar voranstellen, wenn wir nicht die Fehler der Vergangenheit wiederholen wollen, die heute unsere Umwelt mit unter schiedlichen Giften und klimaschädlichem Vorgehen geprägt haben. Die erhöhten Anforderungen an Qualität und Prozesssicherheit der Werkzeuge und Formen können aktuell nur selten erfüllt werden. Gleichzeitig müssen die Projekte mit und aus Kunststoff in einem kürzeren Zeitfenster abgearbeitet werden. Aus unserer Sicht wäre das mit einer Automatisierung und einer nachhaltigen Ausrichtung schon heute lösbar. Diese Erkenntnis wird durch unsere aktuellen Erfahrungen gestützt. So haben wir in den letzten Wochen viele Anfragen an Werkzeug macher in Deutschland versendet und oft die Rückmeldung erhalten : Benötigen Sie unser Angebot noch, wenn wir erst in einem halben Jahr starten können? Exkurs: Nachhaltigkeit und Ressourceneffzienz Damit unsere Welt und damit unsere Umwelt lebenswert bleibt, müssen wir alle dazu beitragen, sie zu erhalten statt sie zu verbrauchen, zu verschmutzen, zu vergiften und es künftigen Generationen zu überlassen, alles wieder zu richten und nach uns aufzuräumen. Es kann nach dem heutigem Erkenntnisstand nicht sein, dass wir den wertvollen Rohstoff Öl, der leichte und damit nachhaltige und energieeff ziente Bauteile ermöglicht, weiter im derzeitigen Ausmaß durch den Schornstein oder den Auspuff blasen oder für Produkte zu nutzen, die die Umwelt verschmutzen. Entwicklung des Menschen Der technische Fortschritt hat auf den ersten Blick nicht zu einer Bild 2: Vermeidbare Produktfehler: Bauteilversagen Bild 3: Vermeidbare Produktfehler: Einfallstellen spürbaren Weiterentwicklung des Menschen beigetragen, was wir jeden Tag an den Nachrichten ablesen können. Somit liegt der Verdacht nahe, dass ein dringen der Nachholbedarf besteht, um bessere und nachhaltigere Entwicklungen für ein gesundes und lebenswertes Dasein auf unserem Planeten zu ermöglichen und damit eine wirkliche Evolution des Menschen stattfindet. Da diese Entwicklung nicht diktiert werden kann, muss sie aus der erkennbaren Notwendig keit (Kriege, Hunger, Durst, Flüchtlinge) und somit aus dem Bedürfnis nach Erkenntnis und Umsetzung im Einklang mit unserer Umwelt zum Wohle aller Lebewesen auf dieser Erde entstehen. Das erfordert zuerst eine neue Bewusstheit und aktive Wahrnehmung dieses Themas als lebens- und erfahrenswertes Ziel in der Breite der Bevölkerung, wenn wir nicht durch weitere Nöte, wie Kriege usw. dazu gezwungen werden müssen. Gewinnmaximierung kontra Nachhaltigkeit zum Wohle aller Nun der Schwenk in die heute digitalisierte Welt in unserem Fachbereich mit ihren scheinbar fast unbegrenzten Möglichkeiten. Dass der Missbrauch der Digitalisierung bereits einen Markt hat, können Sie an den vielen Cyber-Attacken erkennen. Für die sinnvolle Nutzung der digitalen Welt haben wir in Europa fast alle Technologien zur Verfügung, aber nur wenige nutzen die Möglichkeiten entsprechend den übergeordneten Anforderungen für eine nachhaltige Entwicklung und Fertigung im Sinne der Menschheit und unseres Planeten. Fast überall steht die Gewinnmaximierung im Vordergrund. Wenn man selbst im Unternehmen Missstände bemerkt, fühlt man sich nicht angesprochen oder nicht zuständig. Hier benötigen wir dringend wache und auf- DER STAHLFORMENBAUER 2/2018

3 merksame Menschen. Sie führen zu einer neuen Kultur mit übergeordneten nachhaltigen Zielen, die zum Wohle aller nicht nur im jeweiligen Unternehmen genutzt und umgesetzt werden. Dafür könnte auch die Europäische Union pragmatische, verständliche Maßstäbe setzen. Einflussgrößen auf die Bauteilqualität Den größten Einfluss auf die Bauteilqualität gibt es zu Beginn des Prozesses während der Produktentwicklung. Greifen wir ein Beispiel für den Thermoplastspritzguss heraus, um aufzuzeigen, welche Maßnahmen bald selbstverständlich sein sollten. Erfreulicherweise kann man in Universitäten, Fachhochschulen und in wenigen Unternehmen dafür erste ernsthafte Ansätze erkennen sind wir im Startvortrag des Technologie tags für Produktentwicklung, Werkzeugbau und Produktion auf Veränderungen in der Produktentwicklung eingegangen. In vielen Entwicklungsabteilungen hat man sich bisher nicht auf eine zeitgemäße Vorgehensweise umgestellt. Wenn man diese Vorarbeit aber nicht zuverlässig und qualifiziert erledigt, kann eine spätere Simulation beim Werkzeugmacher nur noch Probleme aufzeigen, die häufig nicht mehr durch eine einfache Produktoptimierung zu lösen sind. Auch verlässliche Angaben zu Schwindung und Verzug des Kunststoff-Rohstoffs fehlen in den meisten Unternehmen in der Produktentwicklung. Dabei können diese heute durch die Shrinkage Expert Method oder / und durch Vermessung von Vorläuferteilen gegen das Werkzeug ermöglicht werden. So entsteht eine firmen interne Datenbank für Schwindung und Verzug, die bereits Messwerte für die nächste Anwendung als Referenz bietet. Spritzguss- und werkzeuggerechte Produktentwicklung Eine spritzguss- und werkzeuggerechte Produktoptimierung stellt einen geringen frühzeitigen Aufwand dar, der bereits in der Produktentwicklung schnellstens überall umgesetzt werden sollte. Dazu gehört neben der umfassenderen Projektplanung mit nachhaltiger Orientierung eine qualifizierte Spritzgießsimulation in der Entwicklungsphase. Ein weiteres Muss liegt in der frühzeitigen realistischen Definition und Simulation (DOE) der Toleranz anforderungen und Entformschrägen inklusive einer optimalen realistischen Temperierung. In einem ersten Werkzeugkonzept in der Produktentwicklungsphase werden bereits die wichtigsten Entformungsüberlegungen und Trennungen bestimmt und bereits im Sinne einer prozesssicheren Fertigung am Produkt und mit der Wahl von geeignetem Equipment und Verfahren optimiert. Werkzeugbau Nach der qualifizierten Produktentwicklung mit der Weitergabe aller Informationen in strukturierter Weise läuft die Umsetzung für ein Bild 4: Optimierte Geometrie (oben) beseitigt Temperierprobleme bereits während der Produktentwicklung zukünftiges Werkzeug ohne große Zeit- und Kostenverschwendung ab, da unnötige Aufwände mit nicht werkzeuggerechten Kunststoffteilen bereits in der Produktentwicklungsphase durch geeignete Lösungen vermieden wurden. Die so einfacheren und robusteren Lösungen eignen sich auch besser für die Umsetzung mit der Automatisierung im nachhaltigen Werkzeugbau. Auch hier ist es selbstverständlich, dass der spätere, durch Roboter bediente Werkzeugwechsel oder der Wechsel von formgebenden Bereichen auf der Spritzgussmaschine mit auf der Maschine verbleibenden Stammwerkzeugen möglich sein sollte. Damit Spritzgießwerkzeuge energieeffzient temperiert werden können, sollten die formgebenden Bereiche gegen das restliche Werkzeug isoliert sein. Billiges Werkzeug Späte Entscheidungen Dass ein billiges Werkzeug in der Fertigung zu einem teuren Problem werden kann, ist bekannt, die Versuchung für den Einkäufer in unserer geiz ist geil-welt ist aber immer noch groß. Die Automatisierung in der Werkzeugherstellung und in der Spritzerei mit automatisiertem Werkzeugwechsel erfordert eine nachhaltige Ausrichtung heute und für eine Zukunft, die sich viele noch gar nicht vorstellen wollen, wodurch richtungsweisende Entscheidungen auch nicht oder zu spät gefällt werden.

4 Bild 5: IsoForm-BASIC-Wechselwerkzeug mit Schiebern Equipment in der Spritzgussfertigung In der Spritzgussfertigung benötigen wir ein zum Werkzeug und zum Verfahren passendes nachhaltiges und energieeffzientes Equipment. Dazu gehört: Die energieeffziente Spritzgießmaschine, die selbst unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit hergestellt wurde. Einen bestens mit Keramik und Wärmedämmplatten isolierten Heißkanalverteiler mit Düsen sowie eine gut abgestimmte Steuerung, die Abweichungen sofort erkennen lässt. Die Heizung des Verteilers und der Düsen darf das Werkzeug gar nicht mehr aufheizen! Das Temperiergerät kann jetzt kleiner ausgeführt sein, da das isolierte Werkzeug weniger Wasser benötigt. Das ermöglicht eine Positionierung im Maschinenbett mit sehr kurzen Zuleitungen, geringem Druckverlust und hoher Effzienz. Das Temperiermedium Wasser sollte mit geeigneter Vorgehensweise optimal entgast, entkeimt und nur minimal geimpft sein, um die Temperier kanäle gegen Rost und Verschmutzung zu schützen, statt, wie heute noch oft zu kontaminieren. Nachhaltige Spritzgießmaschinen müssen mit geringstem Energieeinsatz den Rohstoff schonend verarbeiten. Die Hersteller der Spritzgießmaschinen haben hier die Aufgabe z. B. alle Randbedingungen mit nachhaltiger Temperierung, Werkzeugauslegung, Handling, Sensorik, Automatisierung des Werkzeugwechsels in ein sinnvolles und nachprüfbares Gesamtkonzept einzubinden. Hier ist also ein Netzwerkdenken zu kultivieren, das heute nur in Ansätzen vorhanden ist. Probleme in der Spritzgussfertigung Die bisher bekannten Probleme in der Spritzgussfertigung, wie z. B. Gratbildung, Oberflächenfehler, Maßfehler, Brenner, Ablagerungen und Verzug, haben neben den vorgenannten Maßnahmen eine Vielzahl von Lösungen gefunden, die übergreifend konsequent durch Schulungen (nicht nur als Theorie) vermittelt und umgesetzt werden müssen. Der größte Teil will schon in der Produktentwicklung umfassend Bild 7: Temperiermedium Wasser optimal aufbereiten (z. B. ELMAK Wassertechnik GmbH) Bild 6: Im isolierten Werkzeug wird nur die Kontur aufgeheizt

5 Bild 8: Probleme in der Spritzgussfertigung bedacht sein, um spätere Probleme zu verhindern. Eine andere Vor gehensweise wäre betriebsschädigend, behindert die Nachhaltigkeit und schadet somit allen, die mittelbar oder unmittelbar betroffen sind. Gutteile nach 2. Musterung Das Ergebnis der vorgenannten Vorgehensweisen sollte sein, dass man spätestens nach der zweiten Musterung Gutteile erreicht, die Durchlaufzeit bis zum fertigen Bauteil mit Freigabe schnell und termingerecht erfolgen kann, sich die Haltbarkeit des Bauteiles über die Zeit erhöht und es z. B. an Bindenahtstellen durch geeignete Maßnahmen hoch belastet werden kann, der vollautomatische Wechsel der konturgebenden Bereiche mit dem automatischen, mannlosen Anfahren der Werkzeuge in kurzer Zeit umfassend möglich wird, da schon heute das qualifizierte Personal an dieser Stelle fehlt. Nun folgt der Mensch gerne Gewohnheiten und hat gegen Veränderungen grundsätzlich eine Abneigung und Skepsis. Das mag der natürlichen Vorsicht entsprechen. Wenn aber die Gewohnheiten und die Skepsis überwiegen, dann werden die notwendigen Änderun gen und Entwicklungen auf der Strecke bleiben. Oder es wird der Zeitpunkt verpasst, zu dem man die Neuausrichtung hätte umsetzen können und das Geld dafür noch zur Ver fügung stand. Zukunftsfähige Entwicklungen Bis auf wenige Leuchtfeuer der Innovation hat sich die zukunftsfähige Entwicklung mit nachhaltigen Produkten und nachhaltiger Fertigung gerade im mittelständischen Formenbau bis auf erste Fertigungsinseln noch zu wenig durchgesetzt. Eigentlich haben wir ja bei der aktuellen Auftragslage dafür auch keine Zeit. Aber wir verpassen so die historisch wahrscheinlich einmalige Chance, die Betriebe mit nachhaltiger Ausrichtung und sinnvollen Automatisierungsanteilen noch rechtzeitig zukunftsfähig zu machen. Weil wir so arg beschäftigt sind und nur dem jeweils nächsten Termin hinterherjagen, merken wir nicht, wie wir bereits technologisch von Ländern überholt werden, die sich bereits neu ausgerichtet haben, dadurch aktuell nicht mit besten Umsätzen und Gewinnen dastehen, aber durch langfristige Maßnahmen in Richtung Automatisierung und Nachhaltigkeit künftig den Markt bestimmen werden. Der Mensch hat sich an Missstände, auch in unserem Fachbereich gewöhnt, die er zeitweise beklagt, aber nicht bereit ist, sie in seinem Wirkungsbereich zum Wohle aller z. B. mit seinem Kaufverhalten zu ändern und eine Neuausrichtung mit zu bewirken, denn dafür gäbe es viele Möglichkeiten. Somit ist der Mensch, also wir selbst, die größte Entwicklungsbremse. Stellen wir uns vor, wir würden als Maßstab für die Ziele der Unternehmen an erste Stelle die Nachhaltigkeit und erst an zweite Stelle die Gewinnmaximierung stellen. Langfristige Planung mit nachhaltiger Ausrichtung Das könnte bedeuten: Entwicklungen in Unternehmen werden wieder über einen längeren Zeitraum geplant und der Return on Invest wäre nicht, wie in vielen (nicht inhabergeführten) Unternehmen mit der Geschäftsform AG auf unter einem Jahr begrenzt, denn in so kurzer Zeit ist ein wirtschaftliches Umsteuern nicht möglich. Mittelständische Unternehmen würden sich ihrer Verantwortung bewusst werden, weil die Menschen das einfordern. Es würden die Menschen und Unternehmen etwas gelten und den Markt beflügeln, die die nachweisbare Nachhaltigkeit leben und fördern. Hier hätte Europa wieder die Chance zum Vorreiter zu werden. Exkurs: Es hat schon Fahrt aufgenommen Die Schulen beginnen bereits, DER STAHLFORMENBAUER 2/2018

6 Bild 9: Gutteile nach der 2. Musterung mit automatischem Wechsel des Formkonturbereiches (Werkbilder: Konstruktionsbüro Hein GmbH, Neustadt) sich an die neuen Erfordernisse des Marktes anzupassen und somit stehen bereits heute junge Menschen zur Verfügung, die den Gedanken der Nachhaltigkeit zu leben versuchen Kinder sind dabei eine Entwicklungsgarantie für die Eltern. Die Reinhaltung der Luft und des Wassers sowie eine ausgewogene Ernährung gehören zum Standard, wenn wir uns nachhaltig ausrichten. Wenn eine qualifizierte Prüfung der Nachhaltigkeit erfolgt, könnte auch keiner unbemerkt eine Betrugssoftware zur Abgasmanipulation nutzen. Das Gesundheitssystem würde wirklich wieder ausschließlich der Gesundheit des Menschen dienen. Recycling und Standards in Entwicklung und Fertigung Das Rohöl dürfte als wichtige Grundlage für die Kunststoffherstellung nicht auf anderem Wege durch den Schornstein oder durch den Auspuff verbraucht werden. Kunststoffe würden nachhaltig verarbeitet, was aktuell noch nicht umfassend erfolgt und dann weltweit, wie bereits in Europa Standard, mit einem hohen Grad an Recycling produziert. Produkte aus und mit Kunststoff müssten die Voraussetzungen der Nachhaltigkeit bereits in der Entwicklung des Kunststoffteiles mit ihrem Verwendungszweck, Simulation und erstem Werkzeugkonzept erfüllen und optimal unter Berücksichtigung der Produktion fehlerfrei gestaltet sein. Fahrten mit Warenlieferungen zum Komplettieren und der Montage von Komponenten durch ganz Europa müssen unter nachhaltigen Überlegungen und nicht unter der Maßgabe der billigstmöglichen Produktionsstätte erfolgen oder ganz vermieden werden. Für neue Antriebskonzepte gibt es viele Ansätze. Auch hier fehlt noch der Gedanke der Nachhaltigkeit, sonst könnte man schnell die Spreu vom Weizen trennen. Der Schlüssel ist die Nachhaltigkeit Das Konstruktionsbüro Hein möchte einen Arbeitskreis zur Erarbeitung dieser übergeordneten nachhaltigen Ausrichtung für unseren Fachbereich ins Leben rufen. Da sich sicherlich schon einige aus unserem Fachbereich damit beschäftigt haben, sollten wir die Ansätze teilen. Das Ziel wäre eine pragmatische Ausarbeitung, die möglichst auf wenige A4-Blätter passt und so bei einer Neuausrichtung zu diesem Thema in Betrieben aus dem Fachbereich Produktentwicklung, Werkzeugbau und Spritzguss herangezogen werden kann. Wir dürfen nicht auf die Intervention von oben warten, sondern damit anfangen, was im eigenen Wirkungskreis getan werden kann, denn wir wünschen uns eine Welt, die wir mit gutem Gewissen an die nächste Generation weitergeben können. Unser Appell: Warten Sie nicht, dass es jemand anderes schon machen wird, sondern fragen Sie sich noch heute: Was kann ich tun! Kontakt Konstruktionsbüro Hein GmbH Marschstraße 25 D Neustadt Telefon: +49 (0) 5032 / Telefax: +49 (0) 5032 / info@kb-hein.de