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Druckgießmaschinen: Jeder Schuss ein Treffer

LuisaFranzDE
Occasional Contributor

Leistungsgesteigerte Ventiltechnik und Systemlösungen für Druckgießmaschinen

Mit neu entwickelten Regelventilen für den Schuss, den Einspritzprozess, beim Druckgießen, setzt Rexroth einen neuen Stand der Technik für die Dynamik auch bei großen Volumenströmen. Auf dieser Basis haben Branchenspezialisten bei Rexroth patentierte Systemlösungen erarbeitet. Sie steigern bei geringem Engineering Aufwand Qualität, Produktivität und Energieeffizienz von Druckgießmaschinen.

Marktanforderungen

Druckgießmaschinen stellen äußert effizient Bauteile aus verschiedensten Nicht-Eisen Metallen und Legierungen her. Der Weltmarkt für Bauteile, die mit diesem Verfahren hergestellt werden, erreichte 2017 eine Größe von rund 63 Milliarden US-Dollar. Bis 2023 erwarten Marktkenner ein Anwachsen auf rund 94 Milliarden US-Dollar. Das entspricht einem jährlichen Wachstum von fast 7 Prozent.
Ein wesentlicher Abnehmer für Druckgieß-Bauteile ist die Automobilindustrie mit ihren immer höheren Qualitätsanforderungen. Sie ist Vorreiter für andere Industrien. Gleichzeitig geht der Trend zu immer komplexeren Geometrien mit steigenden Anforderungen an die Genauigkeit, Dynamik und Reproduzierbarkeit aller Bewegungsabläufe während des Schusses. Das ist der wichtigste Stellhebel für reproduzierbare Null-Fehler-Qualität und damit die Produktivität beim Anwender.
Endanwender erwarten darüber hinaus bei neuen Maschinen eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz. Gerade die Automobilindustrie strebt danach, den ökologischen Fußabdruck der Produktion zu verringern. Weitere Anforderungen betreffen eine möglichst geringe Stellfläche der Maschinen sowie perspektivisch eine Vorbereitung auf Industrie 4.0.

Differenzierungsmerkmal: „Der Schuss“

Die Qualität des Schusses ist ein entscheidendes Differenzierungsmerkmal bei Druckgießmaschinen und ist abhängig von der Dynamik und Regelgüte der Einbauregelventile.
Für den Einspritzprozess ist die Hydraulik die Antriebstechnologie der Wahl. Sie bietet die höchste Kraftdichte, ist robust und langlebig. Durch die aufgelöste Bauweise haben Konstrukteure einen hohen Freiheitsgrad, den Bauraum zu optimieren. Neue, patentierte Hydraulikventile und Systemlösungen von Rexroth verstärken diese Vorteile durch eine höhere Dynamik und bessere Regelbarkeit sowie geringeren Energieverbrauch während des kompletten Einspritzprozesses.

Der Einspritzprozess besteht aus drei Phasen:

Phase 1: Anfahren

  • Ein ruckfreies Anfahren ist notwendig, damit sich die Schmelze nicht mit der Haut auf der Schmelze und der Luft vermischt. Durch eine geregelte kleine Geschwindigkeit wird die Luft kontrolliert aus der Kammer gedrückt. In dieser Phase kommt es vor allem auf eine gute Auflösung für niedrige Geschwindigkeiten an.

Phase 2: Beschleunigen (Schuss)

  • Der „Schuss“ erfordert sehr hohe Beschleunigungswerte, und hohe reproduzierbare Geschwindigkeiten damit auch komplexe und filigrane Bauteile gefertigt werden können, bevor die flüssige Schmelze erstarrt.

Phase 3: Druckaufbau

  • Beim abschließenden Nachdrücken der Schmelze in die Form kommt es auf einen sehr schnellen Druckaufbau an. Marktüblich sind hier bislang Lösungen mit Druckübersetzer. Neue Hydraulikkomponenten und Systemlösungen von Rexroth halbieren die Druckaufbauzeiten und erlauben es so, komplexere und größere Druckgießteile herzustellen.

Die Dynamik und die Reproduzierbarkeit über alle drei Phasen haben direkten Einfluss auf die Produktivität: durch eine geringere Fehlerquote und eine höhere Prozesssicherheit bei Bauteilen mit komplexer Geometrie.

Systemlösungen: Modular und skalierbar

Rexroth hat auf Basis neuer Hydraulikventile patentierte Systemlösungen für den Schuss in Druckgießmaschinen entwickelt, mit denen Hersteller den Prozess besser regeln und zusätzlich Energie sparen. Sie basieren auf neuen, in der Dynamik und dem Nennvolumenstrom verbesserten Regelventilen, einem speziellen Rückschlagventil zur Trennung des Nieder- vom Hochdruck, sowie verschiedenen Speicheranordnungen. Die Systemlösungen verringern den Entwicklungsaufwand der Hersteller entscheidend, denn alle Komponenten sind in Leistung und Funktion aufeinander abgestimmt.

Alle Systemlösungen arbeiten in der Phase 1 mit einer regenerativen Schaltung. Hier wird ein kleines, dynamisches 2-Wege-Regelventil der neuesten Generation eingesetzt. Es regelt das sanfte Anfahren und erzeugt die vorgegebene Geschwindigkeit in hoher Auflösung. Durch die Regenerativschaltung verbraucht die Phase 1 rund 50 Prozent weniger Energie. Zusätzlich verringert sie mögliche Kavitationen im System und damit den Verschleiß von Ventilkolben, Ventilgehäuse und Steuerblock. Außerdem verlängert sich dadurch die Standzeit des Hydraulikmediums.

Für die Phase 2 „Schuss“ wird das neuentwickelte 2-Wege-Einbauregelventil im Ablauf des Einspritzzylinder mit einem Sprung geöffnet und der Zylinder innerhalb weniger Millisekunden auf die gewünschte Einspritzgeschwindigkeit beschleunigt.

Den schnellen Übergang vom Schuss zum Nachdruck schließt das spezielle Rückschlagventil von Rexroth in ca. 10ms und ermöglicht somit einen extrem schnellen Druckaufbau.

Um den Nachdruck zu regeln, wird heute vielfach eine 3-Wege-Regelventil eingesetzt. Die Lösungen von Rexroth setzen hier auf 2-Wegefunktionen die intelligent verschaltet werden. Hierbei wird der höhere Nennvolumenstrom der 2-Wege Regelventil gegenüber einem 3-Wege Regelventil genutzt. Häufig kann das Ventil bei gleichem Volumenstrom um eine Nenngröße verringert werden. Das senkt die Kosten und erhöht gleichzeitig die Dynamik.

Bei der dynamischsten Systemlösung ersetzt ein Hochdruckspeicher den üblichen Druckübersetzer. Die Zeit für die Beschleunigung des Druckübersetzers entfällt, und die Nenngröße des 2-Wege-Enbauregelventils wird kleiner, da nur rund ein Drittel bis die Hälfte der Ölmenge für den Druckaufbau benötigt wird. Das führt zu sehr kurzen Druckaufbauzeiten und spart Energie. Bei einer weiteren Lösung setzen Hersteller wie gewohnt einen Druckübersetzer ein. Durch die Reduzierung der Nenngrößen der Regelventile für Phase 1 und Phase 3 wird das System günstiger und dynamischer. Das spezielle Rückschlagventil verkürzt auch hier die Druckaufbauzeit.
Alle Lösungen setzten energieeffiziente drehzahlvariable Pumpentriebe der Sytronix-Familie ein. Wahlweise können Hersteller auch die Motion Control HMC für die drei Phasen des Schusses einsetzen.

Für Druckgießmaschinen optimierte Komponenten

Neue Generation hochdynamischer Regelventile

2wrce-4x.pngDie beim Schuss eingesetzten Einbauregelventile galten lange Zeit als ausentwickelt. Mit der neuen Generation 2WRCE-4X setzt Bosch Rexroth aber jetzt einen neuen Stand der Technik. Größere Nennvolumenströme ermöglichen es den Hersteller bei gleicher Maschinengröße kleinere, dynamischere Ventile einzusetzen. Das schafft die Voraussetzungen für deutliche Prozessverbesserungen.

Die vorgesteuerten Ventile mit integrierter digitaler Regelelektronik kommunizieren über eine Multi-Ethernet-Schnittstelle für die gängigen Echtzeit-Ethernet-Protokolle mit der übergeordneten Maschinensteuerung. Damit erschließen Maschinenhersteller alle Vorteile der Feldbustechnik für Inbetriebnahme, Bedienung und Diagnose. Die Regelventile sorgen auch, in ansonsten unveränderten Hydrauliksystemen, für eine verbesserte Geschwindigkeits- und Druckregelung.

Das spezielle Rückschlagventil

LC2A.jpgDie speziellen Rückschlagventile der LC2A Familie haben je nach Nenngröße Schließzeiten von 10 – 20 ms und sind damit schneller als der Marktstandard. Durch das aktive Schließen wird der Prozess wiederholgenauer als mit herkömmlichen Rückschlagventilen.

 

 

Drehzahlvariable Pumpenantriebe

19263.pngBei allen Systemlösungen senken drehzahlvariable Pumpenantriebe die Drehzahlen bei Teillast bedarfsgerecht ab. Damit erreichen sie je nach Zyklus Energieeinsparungen der Hydraulik von bis zu 80 Prozent und senken die mittlere Geräuschemission um bis zu 20 dB(A). Rexroth hat in der Sytronix-Familie zahlreiche Antriebs-Motor-Pumpen-Kombinationen aufeinander abgestimmt. Für Druckgießmaschinen eigenen sich vor allem zwei Varianten:

  • Sytronix DFEn verwenden p/Q-Regelsysteme, um die installierte Motorleistung je nach Bedarf in schnelle Fahrbewegungen oder in kraftvolles Nachdrücken umzusetzen. Die Verstellpumpe übernimmt dabei eine Getriebefunktion.
  • Bei Sytronix SvP sorgen Synchron-Servomotoren mit Permanentmagnet und Servoansteuerung für höchste dynamische Leistung und Regelgenauigkeit. Sie decken die breiteste Palette an Funktionalitäten ab: von Druckregelung über ablösende Druck-Volumenstromregelung bis hin zu ablösender Positions- und Kraftregelung.

Alle Sytronix-Varianten fügen sich über eine Multi-Ethernet-Schnitt für die gängigen Echtzeit-Ethernet-Protokolle in die unterschiedlichsten Automatisierungsarchitekturen ein.

Motion Control HMC

Die speziell auf die physikalischen Bedingungen der Fluidtechnik abgestimmten Regelalgorithmen der Motion Control HMC ermöglichen eine bislang unerreichte Prozessgüte beim Schuss. Hersteller können darüber hinaus eigene Funktionen mit den standardisierten Sprachen nach IEC 61131-3 erstellen.

Mit Multi-Ethernet- und Multi-Geber-Schnittstellen fügen sich die Motion Controls in unterschiedlichste Steuerungskonzepte ein und schließen dezentral den Regelkreis. Die HMC unterstützt die Kommunikation über den Automationsbus sercos, EtherNet /IP, ProfiNet, EtherCAT, PROFIBUS, sowie CANopen. Damit vernetzt die Motion Control die Hydraulik mit übergeordneten Steuerungen und Systemen bis hin zu Industrie 4.0.

Hochdruckpumpen
Die häufig in Druckgießmaschinen eingesetzten HFC-Hydraulikmedien stellen gerade Hochdruckpumpen vor besondere Herausforderungen. Die Hochdruckpumpen A4 erreichen dagegen auch mit HFC-Medien die gleiche hohe Lebensdauer und Geschwindigkeiten wie im Mineralölbetrieb und erlauben Drücke bis zu 450 bar.

Einspritzzylinder mit integriertem Wegmesssystem
Rexroth bietet Einspritzzylinder mit integrierten SSI-Absolut-Wegmesssysteme an. Sie messen genauer als externe Wegmesssysteme und sind unempfindlich gegenüber Umgebungsverschmutzungen. Nach einem Maschinenstillstand detektiert das Absolut-Wegmesssystem die exakte Zylinderposition ohne Referenzfahrt.

Zusammenfassung

Die in der Leistung gesteigerten Ventile von Rexroth und intelligente, modular aufgebaute Systemlösungen steigern die Produktivität von Druckgießmaschinen deutlich. Sie verbessern die Dynamik und die Reproduzierbarkeit der Bewegungen. Sie schaffen damit die Voraussetzung, für eine hohe Trefferquote beim Schuss. – auch bei Bauteilen mit komplexer Geometrie. Gleichzeitig senken sie die Systemkosten durch kleinere Ventile und verbessern die Energieeffizienz über den gesamten Lebenszyklus.

Bosch Rexroth präsentiert die neuen Komponenten und Systemlösungen erstmal auf der GIFA 2019 Halle 11 Stand G55. Nutzen Sie die Chance und sprechen Sie mit unseren Branchenspezialisten.

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