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Dunkelberg / Mazurek 1

ENERGETISCHE ANALYSE EINER VOLLELEKTRISCHEN SPRITZGUSSMASCHINE AUSWIRKUNGEN DER MATERIALART AUF DEN ENERGIEBEDARF


Fachgebiet umweltgerechte Produkte und Prozesse Lehrstuhlinhaber Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach

Universitäre Lehre • Life Cycle Engineering • Messen von Stoff- und Energieströmen • Energieeffiziente Produktion • Energiemanagementsysteme • Simulationsgestützte Steuerung

vernetzter Systeme • Simulation und Steuerung von

Produktions- und Energiesystemen

Forschungsschwerpunkte 1. Klima-, energie- und

ressourceneffiziente Produktion 2. Modellierung, Simulation und

Steuerung von Produktion und Umfeld 3. Dezentrale Energieversorgung und

Erneuerbare Energien 4. Life Cycle Engineering


Simulation Potentialermittlung

Steuerung

Forschungsvorgehen und -ansätze

Zuständiger Doktorand: Heiko Dunkelberg

Ansatz

Prozess

Maschine

TGA-Infrastruktur

Dezentrale Energie

Net

zver

sorg

un

gEn

ergi

ebe

dar

f

EProzess

EMaschine

ETGA

EDezE

ENetz

Eges

Quelle: angelehnt an Smart Consumer, 2014


• Hintergrund

• Messaufbau

• Ergebnisse

• Ausblick

Agenda


Energiebedarf bereits entscheidender Faktor bei Maschinenauswahl (EUROMAP)

Zukünftig auch entscheidender Faktor bei Materialauswahl

Hintergrund

Quelle: angelehnt an Styrolution

Energie-bedarf


Analyse des Energiebedarfes beim Spritzgießen bei der Verarbeitung unterschiedlicher Materialien

- unter der Berücksichtigung von Parametervariationen und der Materialfeuchte -

Zielstellung der Untersuchungen


MESSAUFBAU


Der Zyklusablauf beim Spritzgießen

Quelle: angelehnt an Wortberg, 2013


• Spritzgießmaschine:

– BA 1000/315 (Fa. Battenfeld)

– Vollelektrisch

– Schließkraft: 1050 kN

– Schneckendurchmesser: 40 mm

• Werkzeug:

– Prüfkästchen

– Heißkanalwerkzeug

– Spritzvolumen: 120 cm³

– 4 Positionen für Forminnendruck

Maschinentyp Werkzeug

Quelle: Fachgebiet Kunststofftechnik / Universität Kassel, W. Vogel, 2016

Quelle: eigene Fotografie


• Spritzgießmaschine:

– Allrounder 520 E

– Vollelektrisch

– Schließkraft: 1500 kN

– Schneckendurchmesser: 45 mm

• Werkzeug:

– Prüfplatte

– Spritzvolumen: variabel

– 2 Positionen für Forminnendruck

Maschinentyp Werkzeug

Quelle: eigene Fotografie

Quelle: Arburg, 2016


Messgrößen

Quelle: angelehnt an Lenzen, 2013


Messaufbau


• 1. Versuchsreihe: Battenfeld fixe Parameter

• 2. Versuchsreihe: Battenfeld materialspez. Einstellung

• 3. Versuchsreihe: Arburg Wandstärke (Spritzgewicht)

• 4. Versuchsreihe: Arburg Vergleich Materialfeuchte

Versuchsdurchführung

Material Bezeichnung

Zykluszeit

in s

Einspritzdruck

in bar

Spritztemperatur

in °C

Heißkanal

in °C

Werkzeugkühlung

in °C

Novodur P2MC NR (ABS) 66,5 550 260 280 80

Luran 368R TR77741 (SAN) 83,4 780 260 280 70

Luran S 778T BK56625 (ASA) 51,4 680 280 290 80

Terblend N NM-19 NR07400 (PA/ABS) 66,6 650 260 280 80

Styrolux 656C (SBC) 56,6 450 240 240 70

Styrolution PS124N 48,4 330 280 290 80

Terluran GP 35 44,6 680 260 280 70

Plexiglas PMMA 7N 65 850 260 280 95

Polypropylen 45,8 450 240 240 30

Polyethylen 63,5 800 220 240 30

2. Versuchsdurchlauf spezifische Maschineneinstellungen durch Anlagenführer


ERGEBNISSE


Auswertung Zyklenverlauf

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Le

istu

ng

in

W

Zeit in s

S6 - Umrichter Antriebe

PS124

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Le

istu

ng

in

W

Zeit in s


PP


Reproduzierbarkeit Versuchsreihe 1

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Leis

tung

in W

Zeit in s

Antriebe PMMA @ 980 bar

Datenreihen1

Datenreihen2

Datenreihen3

Datenreihen4

Datenreihen5

Datenreihen6

Datenreihen7

Datenreihen8

Datenreihen9

Datenreihen10

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Leis

tung

[W]

Zeit [s]

Antriebe PP @ 700 bar

Datenreihen1

Datenreihen2

Datenreihen3

Datenreihen4

Datenreihen5

Datenreihen6

Datenreihen7

Datenreihen8

Datenreihen9

Datenreihen10


Reproduzierbarkeit Versuchsreihe 2

0

500

1000

1500

2000

2500

0 10 20 30 40 50 60

Leis

tung

inW

Zeit in s

Antriebe PP @ 450 bar

Datenreihen1

Datenreihen2

Datenreihen3

Datenreihen4

Datenreihen5

Datenreihen6

Datenreihen7

Datenreihen8

Datenreihen9

Datenreihen10

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Leist

ung

in W

Zeit in s

Antriebe PMMA @ 850 bar

Datenreihen1

Datenreihen2

Datenreihen3

Datenreihen4

Datenreihen5

Datenreihen6

Datenreihen7

Datenreihen8

Datenreihen9

Datenreihen10


Gesamtleistungsaufnahme am Beispiel PS 124

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Leis

tun

g [W

]

Zeit [s]


Datenreihen1

Datenreihen2

Datenreihen3

Datenreihen4

Datenreihen5

Datenreihen6

Datenreihen7

Datenreihen8

Datenreihen9

Datenreihen10

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Leis

tun

g [W

]

Zeit [s]

S2 - Zylinderheizung

Datenreihen1

Datenreihen2

Datenreihen3

Datenreihen4

Datenreihen5

Datenreihen6

Datenreihen7

Datenreihen8

Datenreihen9

Datenreihen10

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Leis

tun

g [W

]

Zeit [s]

S5 - Gesamtleistung SGM

Datenreihen1

Datenreihen2

Datenreihen3

Datenreihen4

Datenreihen5

Datenreihen6

Datenreihen7

Datenreihen8

Datenreihen9

Datenreihen10

+


Materialabhängige Leistungsverläufe

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Leis

tun

g in

W

Zeit in s

Leistungsaufnahme der Antriebe

P2MC@770 bar GP35@770 bar 656C@770 bar PS124N@700 bar


PP Zyklusvergleich

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

Leist

ung

in W

Zeit in s

PP

Schließen [W] Dosieren [W] Einspritzen ges [W] Verfahren ges [W] Auswerfer [W]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

Leist

ung i

n W

Zeit in s

PP


Versuchsreihe 1

Versuchsreihe 2

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

Leis

tung

in

W

Zeit in s

PP



Spezifischer Energiebedarf - Beispiel

Vorgang in Wh/Zyklus Versuch 1 Versuch 2 Versuch 1 Versuch 2

Schließen 1,8 1,5 1,8 1,4

Dosieren 5,8 5,2 5,4 4,7

Einspritzen ges 15,1 6,8 14,7 6,9

Verfahren ges 4,8 2,6 5,5 2,4

Auswerfer 0,1 0,1 0,1 0,1

Heizgerät 16,9 17,1 17,4 8,3

Heißkanal 1,7 1,0 1,7 0,7

Zylinderheizung 30,2 27,4 33,1 20,4

Düsenheizung 2,4 2,1 2,6 1,4

P2MC GP35Vorgang in Wh/Zyklus Versuch 1 Versuch 2 Versuch 1 Versuch 2

Schließen 1,8 1,5 1,8 1,4

Dosieren 5,8 5,2 5,4 4,7

Einspritzen ges 15,1 6,8 14,7 6,9

Verfahren ges 4,8 2,6 5,5 2,4

Auswerfer 0,1 0,1 0,1 0,1

Heizgerät 16,9 17,1 17,4 8,3

Heißkanal 1,7 1,0 1,7 0,7

Zylinderheizung 30,2 27,4 33,1 20,4

Düsenheizung 2,4 2,1 2,6 1,4

P2MC GP35


0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

PP VS.1 PS VS.1 P2MC VS. 1

Ener

gie

in W

h je

Zyk

lus

Antriebe [Wh] Heizung [Wh] Summe in Wh

Energiebedarf Versuch 1 und 2

0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1000,00

1200,00

1400,00

PP PS P2MC

Ge

sam

ten

erg

ieb

ed

arf

in W

h/k

g

Versuchsreihe 1 Versuchsreihe 2

+ 0,7 Wh + 3,3 Wh

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

PP VS.2 PS VS.2 P2MC VS. 2

Ener

gie

in W

h je

Zyk

lus

Antriebe [Wh] Heizung [Wh] Summe in Wh

+ 0,5 Wh + 10,5 Wh


Energiebedarf beim Aufschmelzen

Material Bezeichnung

1S778T

(ASA)

2PS124

(GPPS)

3P2MC

(ABS)

4GP35

(ABS)

5NNM19

(ABS/PA)

6368R

(SAN)

7PMMA7N

(PMMA)

8656C

(SBC)

9 PP

10PE

(LDPE)

280 °C

240 °C


0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

Antriebe in Wh Heizung in Wh

Ener

gie

in W

h je

Zyk

lus

2,1 mm 3,05 mm 3,35 mm 3,9 mm

Wandstärkenvariation Arburg

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

Antriebe in Wh Heizung in Wh Maschine in Wh

Ener

gie

in W

h je

Zyk

lus

2,1 mm 3,05 mm 3,35 mm 3,9 mm

Wandstärke

in mm

Durchsatz in

kg/h

2,1 1,7

3,05 2,2

3,35 2,4

3,9 2,7


Feuchtegehalt Material

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

Antriebe in Wh Heizung in Wh Maschine in Wh

Ene

rgie

in W

h je

Zyk

lus

GP35 ungetrocknet GP35 getrocknet PP ungetrocknet PP getrocknet


• Forschunsgvorhaben

• Materialien mit gleichen Eigenschaften untersuchen

• Spezialmaterialien untersuchen

Ausblick


• Lenzen, Marco: Antriebsmodul zur Rekuperation bei hydraulischen Linearaktoren an Kunststoffspritzgießmaschinen, Dissertation, Universität Duisburg-Esssen, 2013

• Wortberg, J.; Michels, R.; Neumann, M.: Energieeinsparpotentiale in der kunststoffverarbeitenden Industrie, Fachartikel im Rahmen der Initiative „Energie effizient nutzen – Schwerpunkt Strom“

• „Smart Consumer“, Verbundvorhaben: Energieeffizienz im maschinenbestand durch systemische Kopplung von Energieströmen mittels intelligenter Mess,- Steuer-, und Regeltechnik; Teilvorhaben: Energieeffizienzsteiegerung in der Produktion und TGA, FKZ: 03ET1180, 2014

Quellen


Ansprechpartner

Heiko Dunkelberg

R. 2115, Kurt-Wolters-Str. 3

+49.561.804.7230

[email protected]

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