Reduzierte Wandstärke bei Dünnwandverpackungen: Vom Dünnwand- zum Dünnstwandeimer

03. März 2021 in Marktexpertise

von Ivica Puskaric, Sales Director Packaging
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Welche Anforderungen die Entwicklungen im Verpackungsbereich an den Spritzgießprozess stellen.

Die immer weiter voranschreitende Gewichtsreduktion von Verpackungen durch verringerte Wandstärke bei Dünnwandverpackungen ist ein Dauerthema in der Verpackungsindustrie, das die Anforderungen an Spritzgießmaschinen stetig steigen lässt.

Bild zeigt einen 1 Liter Eimer zur Lebensmittelverpackung mit reduzierter Wandstärke und In-Mould-Labelling

Der Trend zu reduzierter Wandstärke bei Dünnwandverpackungen

Der Trend zu reduzierter Wandstärke bei Dünnwandverpackungen gründet vor allem auf wirtschaftlichen Überlegungen: Bei Spritzgießmaschinen, welche in ununterbrochener Massenproduktion laufen, trägt der Materialeinsatz bis zu 70% zu den Total Costs of Ownership bei - eine bereits geringe Gewichtsreduktion des einzelnen Produkts hat daher in Summe eine hohe Auswirkung auf die Rentabilität einer Produktionsanlage. Doch wo das Material einsparen, ohne die Funktionalität der Verpackung zu beeinträchtigen? Henkel und Deckel – die funktionellen Strukturen an Verpackungen – benötigen eine gewisse Materialreserve, um ihren Zweck sicher zu erfüllen. Somit erfolgt die Materialeinsparung zumeist durch die Reduktion der Wandstärke.

Materialverbrauch sparen mit Dünnwandverpackung

Bei der Produktion eines 1 L Eimers auf einem Werkzeug von BRINK Moulds & Automation wurde diesem Ansatz beim Design von Produkt und Werkzeug Rechnung getragen: Durch die Reduktion der Wandstärke auf 0,4 mm konnte das Teilegewicht und somit der Materialverbrauch um 20% auf 21,56 Gramm verringert werden. Das Label des Eimers wird im IML-Verfahren aufgebracht, besteht aus demselben Material und trägt neben einer vereinfachten Rezyklierung auch zur Stabilität des Eimers bei.

Bild zeigt einen 1 Liter Eimer mit reduzierter Wandstärke zwecks Kosteneinsparung

Welche Anforderungen stellt eine reduzierte Wandstärke bei Dünnwandverpackungen an die Spritzgießmaschine?

Eine reduzierte Wandstärke bei Dünnwandverpackungen erfordert Spritzgießmaschinen, die dem anspruchsvollen Produktionsprozess gerecht werden. Daher werden sowohl an die Spritz- als auch an die Schließeinheit besondere Anforderungen gestellt.

Anforderungen an die Spritzeinheit: eine hohe Dynamik

Je dünnwandiger die Verpackungen produziert werden, umso extremer fällt das Fließweg-Wandstärkenverhältnis aus. Um den Prozessablauf dennoch reibungslos zu gestalten und eine gleichbleibend hohe Teilequalität zu gewährleisten, sind vor allem zwei Aspekte maßgeblich:

Hohe Einspritzdynamik: für die Produktion von Dünnwand-Verpackungen maßgeschneiderte Maschinen erreichen dabei Spritzgeschwindigkeiten von bis zu 1.200 mm/s. Darüber hinaus weisen sie eine hohe Beschleunigung auf, um diese Geschwindigkeiten auch bei den branchenüblich sehr kurzen Spritzhüben zu erreichen.
Hohe Prozesskonstanz: die Sicherstellung von konstanten Prozessparametern ist bei den extremen Maschinenbewegungen eine Herausforderung. Die Parameter unterliegen einer sehr engen Schwankungsbreite, denn bereits kleinste Abweichungen können aufgrund der geringen Wandstärke zwischen Gutteil und Ausschuss entscheiden.

Für die Produktion dieses Eimers mit einem Fließweg-Wandstärkenverhältnis von ca. 500:1 wählten wir daher aufgrund der extremen Anforderungen hinsichtlich Dynamik und Prozessstabilität unsere neue ENGEL e-speed: Diese Baureihe ist maßgeschneidert für die Anforderungen an eine moderne Produktionsanlage im Thinwall-Packaging Bereich. Damit erreicht und sichert der Hersteller eine rentable und reibungslose Produktion des abgebildeten 1-L-Eimers.

Bild zeigt das hybride Hochleistungs-Spritzaggregat der ENGEL e-speed Spritzgießmaschine

Anhand des 1L Eimers wird gezeigt was möglich ist, wenn man die ENGEL e-speed als die High Speed Packaging Maschine mit Automatisierung und Werkzeug der Firma Brink kombiniert. Im Werkzeug kommt die Brink NOVA Technologie zum Einsatz welche eine zusätzlich Wandstärkenreduktion und somit Gewichtseinsparung ermöglicht.

Bild zeigt Sales Director Packaging bei ENGEL

Ivica Puskaric, Sales Director Packaging ENGEL Austria

Anforderungen an die Schließeinheit: maximaler Output

Wie bereits erwähnt, befinden wir uns im Verpackungsbereich meist im Massenproduktionssektor. Die Output Maximierung und die damit verbundene Steigerung der Rentabilität sind hier wichtige Erfolgskriterien. Auf einer Spritzgießmaschine lässt sich das vor allem über kürzere Zykluszeiten – mittlerweile ist man bei einigen Verpackungsanwendungen bei unter 2 Sekunden – realisieren.

Maßgeblich für die kürzeren Zykluszeiten sind auf der Schließeinheit zwei Aspekte:

effiziente Antriebe: zum hybriden Maschinenlayout, das wir bei ENGEL auf unserer e-speed umsetzen, lesen Sie im letzten Absatz mehr
hochstabile mechanische Komponenten

Die daraus resultierenden höheren Investitionskosten werden über den Lebenszyklus der Spritzgießmaschine auf mehreren Wegen kompensiert:

Über die eingangs erwähnte Reduktion von Materialaufwand
Über die Erhöhung des Outputs
Über den verringerten Wartungsaufwand und somit sinkenden Instandhaltungskosten

Die gezielte Auslegung der einzelnen mechanischen Bauteile und Antriebe unserer e-speed ergeben eine Maschine welche nicht nur höchste Dynamik und Reproduzierbarkeit, sondern auch geringen Wartungsaufwand bietet. Mit unseren maßgeschneiderten Servicepaketen ENGEL care und unserer prädiktiven Verschleißmessung können ungeplante Stillstände vermieden und geplante Stillstände so kurz wie möglich gehalten werden.

Bild zeigt die High-Performance Spritzgießmaschine e-speed von ENGEL mit In-Mould-Labelling Automation für die Produktion von dünnwandigen Eimern

Komplettlösung für die Produktion von Dünnwand-Verpackungsprodukten mit IML

Das Antriebskonzept – energiesparend und dennoch leistungsstark

Um die Energiekosten gering zu halten und gleichzeitig der hohen Dynamik auf Spritz- und Schließseite gerecht zu werden, braucht es ein durchdachtes, effizientes Antriebskonzept. Hierbei hat sich im Dünn- und Dünnstwandbereich ein hybrides Maschinenlayout als bestgeeignet herausgestellt: Servo-elektrische Antriebe kombiniert mit einer intelligenten Regelung des Akkus für das hydraulische Spritzaggregat. Ein kinetischer Energiespeicher für die Reduktion von Energiespitzen bietet somit weiteres Einsparungspotential für Produzenten mit lastabhängigen Stromtarifen.

In Summe gelingt es mit diesem Antriebskonzept

eine hohe Performance
bei stabilen Prozessen
und vergleichsweise geringem Energieverbrauch sicherzustellen.

Die Energie-Analyse der e-speed im Praxisbeispiel zeigt das Potential einer modernen High-Performance-Spritzgießmaschine für die Verpackungsindustrie: Ein spezifischer Energiebedarf von gerade einmal 0,763 kWh/kg bei gleichzeitig hohem Output sorgt für eine rentable Produktion.

Spritzgießmaschine für Dünnwandverpackungen mit reduzierter Wandstärke: Darauf sollten Sie achten

Maßgeschneiderte Maschinen erreichen eine hohe Spritzgeschwindigkeit und Beschleunigung. Beides ist für einen sicheren Produktionsprozess notwendig.
Mit der richtigen Spritzgießmaschine maximieren Sie den Output durch kürzere Zykluszeiten. Ausschlaggebend sind hier vor allem die Effizienz des Antriebs und der Einsatz hochstabiler mechanischer Komponenten.
Ein hybrides Maschinenlayout und ein kinetischer Energiespeicher bieten weiteres Einsparungspotential.