Wenn die Produktion von PET-Flaschen richtig teuer wird

Spritzguss ist ein hoch automatisiertes Verfahren, die Anlagen laufen rund um die Uhr. 1,9 s ist die Lock-zu-Lock-Zeit der PET-Line des Spritzgießmaschinen-Herstellers Netstal. Sie stehen auch in Regionen, in denen Stromunterbrechungen vorkommen oder Stromnetze nicht immer stabil sind. Stromunterbrechungen sind besonders bei einem so schnellen Verfahren wie dem Spritzguss teuer und zeitraubend. Daher entwickelte Netstal eine Lösung, um auch bei Stromausfall kontrolliert produzieren zu können. Das theoretische Modell entwickelten die Netstal-Ingenieure selbst, für die Umsetzung in die Praxis fragen sie bei Keba Industrial Automation an.

Die neue PET-Line hat einen hohen Elektrifizierungsgrad. Manuel Hausammann, Control Systems Engineer bei Netstal: „Wir arbeiten mit einer Nennleistung bis zu 240 kW – die Leistung und der Ausstoß haben über die Jahre im Spritzguss immer mehr zugenommen. Es gibt jedoch nach wie vor viele Regionen mit instabilen Stromnetzen. Diese Kombination ist besonders heikel. Stromausfälle beziehungsweise Unterbrechungen kommen immer wieder vor, darauf muss man sich einstellen. Als Maschinenbauer kann man jedoch dafür sorgen, dass der Ausschuss und der Aufwand für das Wiederanfahren der Anlage minimal sind.“ Wenn eine Spritzgussanlage abrupt stehen bleibt, bedeutet das, dass der Zyklus nicht zu Ende gefahren werden kann.

Der Worst Case: Wenn die Unterbrechung während des Einspritzvorgangs auftritt, die Kavität (Spritzgussform) aber noch nicht ganz mit Kunststoff gefüllt ist. Dann entstehen „Short Shots“, halb fertig gespritzte PET-Preforms. Das sind zylindrische Formen, aus denen im nächsten Prozessschritt die Flaschen geblasen werden. Short Shots müssen von Hand entfernt werden. Dabei kann das Werkzeug kaputtgehen oder die Beschichtung wird beschädigt. Bei einer Prozessunterbrechung können 144 Short Shots entstehen. Die Maschine muss gereinigt und wieder angefahren werden – das dauert zwei bis drei Stunden.

Um diesen Schaden zu verhindern, entwickelte Netstal eine Funktion, die die Zeit zwischen Stromunterbrechung und Zyklusende überbrücken soll. „Das Ziel war“, führt Hausammann aus, „den jeweils aktuellen Zyklus ohne externe Energie kontrolliert zu beenden – in etwa, wie wenn man die Anlage bei Produktionsende herunterfährt. Und zwar so, dass die Plastifizierung und das Werkzeug sauber bleiben und die Preforms des letzten Zyklus kein Ausschuss sind.“ Die Funktion nannten sie Cycle Guard. Sie besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten:

Fällt die Netzversorgung aus, wird die Energie abgerufen, die in den Hydraulikspeichern gespeichert ist und die Anlage arbeitet weiter. Um diese Energie nutzbar zu machen, muss die Förderrichtung der Hydraulikpumpe umgestellt werden. Das dauert etwa 100 ms. Diese Zeit wird mit der Energy-Storage-Funktion des Antriebssystems Ke-Drive D3 von Keba überbrückt.

Wird der Stromausfall erkannt, ersetzt das elektrische Energiespeichersystem innerhalb nur einer Millisekunde für 10 bis 20 ms die Einspeisung aus dem Netz mit einer Leistung bis 300 kW. Gleichzeitig führen alle elektrischen Achsen einen Schnellhalt aus. Dabei wird der Einspritzprozess nicht unterbrochen. Die Bremsenergie der Motoren wird durch den Energiespeicher aufgenommen, der anschließend den Zwischenkreis des Antriebssystems stabilisiert, bis die Hydraulikpumpe generatorisch arbeitet und Energie zur Verfügung stellt. Diese ersten 20 ms sind essenziell für die Funktion des Cycle Guards.

Die Voraussetzungen: Beide Speichersystem müssen passend dimensioniert und mit den richtigen Komponenten ausgerüstet sein. So wurde das Hydrauliksystem dahingehend modifiziert, dass die Pumpe in kurzer Zeit umgestellt werden kann. Im Normalbetrieb haben Anwender dadurch keine Nachteile und bemerken es auch nicht, bestätigt Netstal. Außerdem muss der Ablauf koordiniert und alle Komponenten müssen gesteuert werden.

Es gibt also zwei Speichersysteme. Für kurze Unterbrechungen im Millisekundenbereich das sehr schnelle elektrische Energiespeichersystem. Es besteht aus einem Energiespeicher mit Hochleistungs-Elektrolytkondensatoren und einem Energiemanager, der den Leistungsfluss regelt und den Energiespeicher überwacht. Das System ist für die hohen Leistungsanforderungen mit minimaler Reaktionszeit, einem geringen Bauraum und der einfachen Integration ins Antriebssystem optimiert. Durch den Einsatz von Speicherkondensatoren sind große Lastzyklen mit hoher Frequenz kein Problem.

Für längere Unterbrechungen ein langsameres hydraulisches Energiespeichersystem, das mit einer Pumpe und einem Hydraulikspeicher arbeitet – hier ist rund 100-mal mehr Energie gespeichert als im oben genannten System. Bei längeren Netzunterbrechungen wird der aktuelle Zyklus kontrolliert und sicher beendet. Preforms werden sauber fertig gespritzt und entformt. Nach Netzwiederkehr und einem kurzen Systemcheck kann die Produktion schnell wieder gestartet werden.

Die Herausforderung besteht darin, diese zwei Speichersysteme so aufeinander abzustimmen, dass der Netzausfall in jedem Störungsfall überbrückt und der Zyklus kontrolliert zu Ende gefahren wird. Diese Aufgabe übernimmt Axos 9, die Steuerung der Spritzgießmaschine.

Cycle Guard ist zwar spezifisch auf Spritzgiess-Prozesse ausgelegt und beinhaltet ein paar Eigenheiten, die von Netstal daraufhin entwickelt wurden, aber die Funktion der Netzausfallstützung für kurze Zeit ist auch für andere Maschinen relevant, beispielsweise bei Blechbiegemaschinen. „Cycle Guard überwacht permanent die Stromversorgung und stellt im Notfall ausreichend Energie zur Verfügung, um die Produktion kontrolliert zu beenden“, so Wolfgang Kapp, Sales Manager Schweiz bei Keba. „Es benötigt keine Batterien oder Akkus und ist daher besonders wartungsarm und kostengünstig im Betrieb.“ Allerdings zieht das System im Standby-Betrieb Energie. Denn nur so kann es jederzeit schnell reagieren. Die Investition lohnen sich für Betreiber je nach Produkt bereits nach weniger als zehn überbrückten Stromausfällen.