Betreiber von Spritzgussanlagen mit geringem Maschinenvolumen stellen auf Direktantriebs-Servomotoren für synchrones Schmelzen und 20 % Energieeinsparung um

Wir erhielten eine Anfrage zur Modernisierung unserer Anlagen von einem kleinen bis mittelständischen Spritzgießwerk in Ningbo, Provinz Zhejiang. Das Werk betreibt zwölf Spritzgießmaschinen mit Schließkräften von 60 bis 200 Tonnen. Es produziert Polypropylen- (PP) und Acrylnitril-Butadien-Styrol- (ABS) Komponenten für Haushaltsgerätehersteller im Industriegebiet Ningbo-Zhoushan. Der Werksinhaber war besorgt über die steigenden Stromkosten und wollte den Energieverbrauch der drei ältesten Maschinen senken – drei 80-Tonnen-Hydraulikspritzgießmaschinen aus dem Jahr 2015, die von 7,5-kW-Drehzahl-Induktionsmotoren mit festem Hubraum angetrieben werden. FlügelzellenpumpeDie Maschinen liefen im Dauerbetrieb in zwei 12-Stunden-Schichten pro Tag, sechs Tage die Woche, und produzierten PP-Teile für einen Auftrag zur Herstellung von Waschmaschinenkomponenten. Der Fabrikbesitzer hatte von servogesteuerten Hydrauliksystemen gehört, war aber besorgt über die Umrüstungskosten und die möglichen Auswirkungen auf die Produktionssicherheit. Wir schlugen eine Umrüstung mit einem Direktantrieb-Servomotor vor.VICKS Direktantrieb-Servomotor In Kombination mit einer Synchron-Innenzahnradpumpe ersetzt diese die bestehende Drehkolbenpumpe mit fester Drehzahl. Durch die Umrüstung wird der Leerlauf-Energieverbrauch des Motors mit fester Drehzahl eliminiert, da der Servomotor drehzahlvariabel arbeitet und sich so an den tatsächlichen Hydraulikbedarf jeder Maschinenzyklusphase anpasst. Die erste umgerüstete Einheit wurde im Januar 2026 installiert. Über einen Zeitraum von sechs Monaten wurden Energieverbrauch, Zykluszeit und Schmelztemperaturstabilität überwacht, um dem Anlagenbetreiber verifizierbare Leistungsdaten zu liefern, bevor die Umrüstung der beiden anderen Maschinen beschlossen wurde.

Methodik zur Messung des Energieverbrauchs und Basisdaten vor der Sanierung

Wir ermittelten den Referenzenergieverbrauch jeder der drei 80-Tonnen-Maschinen mithilfe eines dreiphasigen Leistungsanalysators (Fluke 435 Serie II), der am Hauptschalterfeld der Maschine angeschlossen war. Dabei wurden Wirkleistung (kW), Blindleistung (kVAR) und Leistungsfaktor im Sekundentakt über einen 72-stündigen kontinuierlichen Produktionszeitraum erfasst. Die Referenzmessung erfolgte während der normalen Produktion eines PP-Waschmaschinendeckels mit einer Zykluszeit von 18,5 Sekunden und einem Schussgewicht von 42 Gramm. Der durchschnittliche Referenzenergieverbrauch betrug 6,8 kW pro Maschine und setzte sich wie folgt zusammen: 4,2 kW während der Einspritz- und Nachdruckphase (ca. 8 Sekunden des 18,5-Sekunden-Zyklus), 2,1 kW während der Plastifizierungs- und Kühlphase (ca. 8 Sekunden) und 0,5 kW während der Öffnungs-, Auswurf- und Schließphase der Form (ca. 2,5 Sekunden). Der Induktionsmotor mit fester Drehzahl lief unabhängig vom tatsächlichen Hydraulikbedarf kontinuierlich mit 1440 U/min. Die Flügelzellenpumpe förderte während der Plastifizierungs- und Abkühlphasen, in denen das Hydrauliksystem nicht aktiv arbeitete, kontinuierlich Öl über das Druckbegrenzungsventil. Der Energieverlust über das Druckbegrenzungsventil während der Abkühlphase wurde auf Basis des gemessenen Durchflusses von 18 l/min bei einem Entlastungsdruck von 50 bar auf ca. 1,6 kW berechnet. Diese kontinuierliche Leerlaufenergieverschwendung war das Hauptziel der Nachrüstung mit einem Direktantriebs-Servomotor. Nach der Nachrüstung wurde derselbe Drehstrom-Leistungsanalysator für eine zweite 72-Stunden-Messung am selben Messpunkt angeschlossen. Der durchschnittliche Stromverbrauch sank auf 5,4 kW pro Maschine. Der Energieverbrauch während der Einspritz- und Nachdruckphase blieb mit 4,0 kW (Servomotordrehzahl 1200 bis 1500 U/min) nahezu konstant. Der Verbrauch während der Plastifizierungs- und Kühlphase sank jedoch von 2,1 kW auf 0,8 kW (Servomotordrehzahl 200 bis 400 U/min, Fördermenge nur für die hydraulischen Verluste der Kühlphase). Auch der Verbrauch in der Formöffnungs-, Auswurf- und Schließphase reduzierte sich von 0,5 kW auf 0,3 kW. Die Energieeinsparung von 20,6 % wurde an allen drei nachgerüsteten Maschinen mit einer Messunsicherheit von ±1,2 % bestätigt.

Synchrone Schmelztemperaturstabilität und deren Auswirkung auf die Teilequalität

Der Qualitätsmanager des Werks hatte in der Vergangenheit Schwankungen der Schmelztemperatur als Ursache für Maßabweichungen bei den PP-Komponenten der Waschmaschinendeckel festgestellt. Die Zylindertemperaturregler hielten Solltemperaturen von 210 °C in den Zonen 1 bis 3 und 200 °C an der Düse. Die tatsächliche Schmelztemperatur an der Düse – gemessen mit einem Handpyrometer am Spülstrom zu Beginn jeder Schicht – variierte jedoch aufgrund der nicht-synchronen Beziehung zwischen der Rotation der Plastifizierungsschnecke und den Heizzonen des Zylinders um ±3,2 °C vom Sollwert. Der Induktionsmotor mit fester Drehzahl trieb die Plastifizierungsschnecke mit konstanten 120 U/min an, unabhängig davon, ob die Schnecke aktiv rotierte oder nicht (der Schneckenantrieb erfolgte über einen Hydraulikmotor mit Proportionalflussregelung). Die thermische Masse der Kombination aus Schnecke und Zylinder verursachte eine thermische Verzögerung, die dazu führte, dass die Schmelztemperatur während der Plastifizierungsphase überschlug und während der Einspritzphase unterschlug. Die Nachrüstung mit einem Direktantriebs-Servomotor beseitigte diese thermische Inkonsistenz durch synchrone Schmelzregelung: Die Steuerung des Servomotors wurde so programmiert, dass die Schneckendrehzahl in Echtzeit moduliert wird – während der Einspritzphase wird beschleunigt, um die Solltemperatur im Zylinderbereich zu halten, und während der Kühlphase wird verlangsamt, um ein Überschwingen der Temperatur zu verhindern. Die nach der Nachrüstung an der Düse gemessene Schmelztemperatur wies eine Standardabweichung von ±1,1 °C auf – eine Verbesserung der Temperaturstabilität um 66 %. Die Daten der Maßprüfung des Waschmaschinendeckels bestätigten die Qualitätsverbesserung: Das kritische Maß (der Durchmesser der Scharnierbolzenbohrung mit einer Toleranz von 48,00 ± 0,15 mm) zeigte eine Verbesserung des Prozessfähigkeitsindex (Cpk) von 1,12 (Ausgangswert) auf 1,46 (nach der Nachrüstung), was einer Reduzierung der prognostizierten Fehlerrate von ca. 780 ppm auf unter 70 ppm entspricht. Der Werksinhaber berichtete unmittelbar nach der Nachrüstung von einer Reduzierung der Ausschussrate um 10 % für den Waschmaschinendeckel.

Zykluszeitanalyse: Optimierung des Haltedrucks durch Servo-Reaktion

Die Basiszykluszeit für das PP-Waschmaschinendeckelbauteil betrug 18,5 Sekunden, wobei 6,0 Sekunden für die Nachdruckphase nach dem Einspritzen vorgesehen waren. Der Nachdruck wurde durch den Motor mit fester Drehzahl und das Flügelzellenpumpensystem bei 45 bar gehalten, mit einer Druckschwankung von ±3 bar an der Schneckenspitze. Diese Schwankung wurde durch die systembedingte Druckwelligkeit der Flügelzellenpumpe bei der Netzfrequenz von 50 Hz verursacht. Die Druckschwankung während der Nachdruckphase führte zu einer entsprechenden Variation der Packungsdichte des Bauteils. Um eine gleichmäßige Packungsdichte über die gesamte Druckschwankung hinweg zu gewährleisten, verlängerte das Qualitätskontrollteam die Nachdruckzeit auf 6,0 Sekunden – länger als die theoretisch erforderlichen 4,5 Sekunden. Die Druckregelung des Direktantriebs-Servomotors mit geschlossenem Regelkreis, der mit einer Aktualisierungsrate von 1 kHz und einem Druckmessumformer-Rückkopplungssignal an der Schneckenspitze arbeitete, hielt den Nachdruck bei 45 bar mit einer Schwankung von ±0,5 bar – eine sechsfache Verbesserung der Druckstabilität. Dies ermöglichte es dem Qualitätsmanager, die Haltezeit von 6,0 Sekunden auf 4,5 Sekunden – das theoretische Minimum gemäß der Analyse der Angussverweilzeit des Bauteils – zu reduzieren, ohne die Packungsdichte zu beeinträchtigen. Die Gesamtzykluszeit sank von 18,5 Sekunden auf 17,0 Sekunden – eine Reduzierung um 8,1 %. Die tägliche Produktionsleistung pro Maschine stieg von 3.740 Teilen (18,5 Sekunden Zykluszeit × 2 Schichten × 11,5 produktive Stunden pro Schicht, inklusive Pausen) auf 4.070 Teile pro Tag. Die zusätzlichen 330 Teile pro Tag und Maschine bei einem Preis von 0,18 USD pro Teil generierten einen zusätzlichen Tagesumsatz von 59,40 USD pro Maschine. Bei über 300 Betriebstagen pro Jahr betrug der zusätzliche Umsatz pro Maschine 17.820 USD – mehr als das Sechsfache der Umrüstungskosten von 2.850 USD. Der Fabrikbesitzer berichtete außerdem, dass die kürzere Haltezeit die Verweilzeit der PP-Schmelze im Zylinder verringerte, was die Bildung von thermischen Abbauprodukten verringerte, die schwarze Flecken im Bauteil verursachen könnten – eine sekundäre Qualitätsverbesserung, die im Qualitätsvorfallprotokoll der Fabrik dokumentiert wurde.

Reduzierung der Hydrauliköltemperatur und deren Auswirkungen auf die Dichtungslebensdauer und die Ölwechselintervalle

Ein unerwarteter Vorteil der Nachrüstung mit einem Direktantriebs-Servomotor war die Reduzierung der Betriebstemperatur des Hydrauliköls. Die Basistemperatur des Öls im Hydraulikbehälter, gemessen mit einem PT100-Widerstandsthermometer in der Rücklaufleitung, betrug im Normalbetrieb durchschnittlich 52 °C, mit Spitzenwerten von 58 °C in den Sommermonaten, als die Umgebungstemperatur im Werk 35 °C erreichte. Das kontinuierliche Pumpen von Hydrauliköl durch das Druckbegrenzungsventil während der Kühl- und Formöffnungsphasen erzeugte eine Wärmeleistung von ca. 1,6 kW, die über die 1,2 m² große Behälteroberfläche und einen 3,5 kW starken Öl-Luft-Wärmetauscher abgeführt wurde. Nach der Nachrüstung eliminierte der drehzahlvariable Betrieb des Servomotors die Wärmeentwicklung des Druckbegrenzungsventils in den Ruhephasen, und die durchschnittliche Öltemperatur sank auf 46 °C – eine Reduzierung um 6 °C. Die maximale Sommertemperatur reduzierte sich von 58 °C auf 50 °C. Der Instandhaltungsleiter des Werks berichtete, dass die niedrigere Öltemperatur drei messbare Auswirkungen auf den Wartungsplan des Hydrauliksystems hatte. Erstens wurde erwartet, dass sich das Austauschintervall der Hydraulikzylinderdichtungen – bisher 12 Monate – aufgrund des Arrhenius-Zusammenhangs zwischen Betriebstemperatur und Elastomer-Abbaurate (ca. 50 % Reduzierung der Abbaurate pro 10 °C Temperaturabsenkung) auf 18 Monate verlängern würde. Zweitens wurde die Oxidationsrate des Hydrauliköls reduziert, wodurch sich das Ölwechselintervall von den üblichen 2.000 Betriebsstunden auf geschätzte 3.000 Stunden verlängerte. Diese Empfehlung basierte auf der Analyse des Öllabors, nachdem die ersten drei Ölproben bei der niedrigeren Betriebstemperatur untersucht worden waren. Drittens lief der Lüfter des Öl-Luft-Wärmetauschers seltener, wodurch der Stromverbrauch des Lüftermotors um schätzungsweise 120 kWh pro Jahr und der Geräuschpegel des Hydraulikaggregats während der Kühlphase, in der der Lüfter nicht benötigt wurde, um 6 dB(A) gesenkt wurde. Der Werksinhaber integrierte das verlängerte Ölwechselintervall in den Wartungsplan der Maschine und rechnet mit jährlichen Einsparungen von 330 USD pro Maschine bei den Kosten für Hydrauliköl- und Filterwechsel.

Lärmreduzierung und Verbesserung des Arbeitsumfelds

Der Fabrikbesitzer hatte Beschwerden von Maschinenbedienern über den Lärmpegel der drei älteren Spritzgießmaschinen erhalten, insbesondere während der Abkühlphase, wenn die Flügelzellenpumpe im Leerlauf mit voller Drehzahl lief und das Druckbegrenzungsventil hörbar zischte – eine Lärmquelle, die in einem Meter Entfernung vom Hydraulikaggregat mit 82 dB(A) gemessen wurde. Der Grenzwert für Lärmbelastung am Arbeitsplatz in China beträgt gemäß GBZ 2.2-2007 85 dB(A) als zeitgewichteter Mittelwert über 8 Stunden. Bei Überschreitung dieses Wertes ist ab einer Änderung von 3 dB(A) Gehörschutz erforderlich. Obwohl der Wert von 82 dB(A) technisch innerhalb des Grenzwerts lag, berichteten die Maschinenbediener, dass das kontinuierliche Zischen während der 12-Stunden-Schicht ermüdend wirkte und das Wahrnehmen von Warnsignalen des Sicherheitssystems der Maschine erschwerte. Die Nachrüstung mit einem Direktantriebs-Servomotor senkte den Geräuschpegel der Hydraulikanlage während der Kühlphase auf 67 dB(A) – eine Reduzierung um 15 dB. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Servomotor seine Drehzahl auf 200 U/min reduzierte (gerade ausreichend, um den Steuerdruck für die Wegeventile aufrechtzuerhalten) und das Druckbegrenzungsventil geschlossen wurde, wodurch das Zischgeräusch eliminiert wurde. Während der Einspritz- und Haltephase lag der Geräuschpegel bei 72 dB(A) im Vergleich zu den vorherigen 78 dB(A) für dieselben Phasen. Der Servomotor arbeitete mit einer effizienteren Drehzahl, und die interne Zahnradpumpe erzeugte im Vergleich zur Druckwelligkeit der Flügelzellenpumpe geringere flüssigkeitsgetragene Geräusche. Der Werksinhaber führte nach der Nachrüstung eine Lärmmessung am Arbeitsplatz durch und stellte fest, dass die durchschnittliche Lärmbelastung der Bediener während einer 12-Stunden-Schicht von 79 dB(A) auf 68 dB(A) gesunken war – ein Wert, bei dem gemäß GBZ 2.2-2007 kein Gehörschutz mehr vorgeschrieben ist. Die Maschinenbediener berichteten von geringerer Ermüdung am Ende ihrer Schichten, und der Fabrikbesitzer stellte fest, dass die Personalfluktuation bei den drei nachgerüsteten Maschinen im sechsmonatigen Beobachtungszeitraum null betrug, verglichen mit einer Fluktuationsrate von 20 % bei den nicht nachgerüsteten Maschinen im gleichen Zeitraum. Verband der Kunststoffindustrie hat Fallstudien über den Zusammenhang zwischen der Reduzierung von Hydraulikgeräuschen und der Bindung von Bedienpersonal veröffentlicht, auf die sich der Fabrikbesitzer bei der Planung der nächsten Phase des Nachrüstungsprogramms bezog.

ROI-Berechnung, Amortisationszeit und werksweiter Rollout-Plan

Die gesamten Nachrüstkosten pro Maschine beliefen sich auf 2.850 USD für das VICKS-Direktantriebs-Servomotor- und Steuerungspaket. Dieses umfasste einen 11-kW-Servomotor, einen 2,2-kW-Servotreiber mit Encoder-Rückmeldung, eine Synchron-Innenzahnradpumpe und einen Druckmessumformer für die Regelung. Die Installationskosten betrugen 380 USD pro Maschine und deckten zwei Tage Installation und Inbetriebnahme durch einen VICKS-Servicetechniker ab. Die jährliche Stromeinsparung pro Maschine wurde auf Basis der gemessenen Reduzierung um 1,4 kW (von 6,8 kW auf 5,4 kW), 23 Betriebsstunden pro Tag (zwei Schichten mit einer Stunde Pause), 312 Betriebstagen pro Jahr (6 Tage pro Woche mit zweiwöchiger jährlicher Wartungspause) und dem lokalen Industriestrompreis von 0,092 USD pro kWh auf 3.030 USD berechnet. Die jährliche Wartungseinsparung betrug 330 USD pro Maschine durch verlängerte Öl- und Filterwechselintervalle. Die jährliche Einsparung durch die Reduzierung des Ausschusses wurde auf 1.200 USD pro Maschine geschätzt. Grundlage hierfür waren die beobachtete Reduzierung der Ausschussrate um 10 % und der durchschnittliche Teilewert von 0,18 USD bei einem Produktionsvolumen von 4.070 Teilen pro Tag und einer Reduzierung der Ausschussrate von 2,8 % auf 2,5 %. Die jährliche Gesamteinsparung pro Maschine betrug 4.560 USD. Die einfache Amortisationszeit lag bei 0,71 Jahren (8,5 Monaten), basierend auf den gesamten Nachrüstungskosten von 3.230 USD pro Maschine (2.850 USD für die Ausrüstung plus 380 USD für die Installation). Unter Berücksichtigung der zusätzlichen Einnahmen aus der Zykluszeitreduzierung um 8,1 % – 17.820 USD pro Jahr an zusätzlichen Einnahmen aus der Auftragsfertigung – betrug die effektive Amortisationszeit nur 2,1 Monate. Der Fabrikbesitzer bestellte Nachrüstsätze für die verbleibenden neun Spritzgießmaschinen und plante die Einführung über einen Zeitraum von 12 Monaten, wobei die sechs Maschinen mit den größten Produktionsaufträgen Priorität hatten. Der Fabrikbesitzer bat außerdem um ein Angebot für die werkseitige Ausstattung der beiden bestellten 200-Tonnen-Maschinen mit Direktantriebs-Servomotoren, wodurch eine nachträgliche Nachrüstung entfällt. Die prognostizierte jährliche Stromkostenreduzierung der Fabrik für alle 12 Maschinen nach vollständiger Implementierung wird auf 36.360 USD geschätzt, wobei die jährlichen Gesamteinsparungen einschließlich Wartungs- und Ausschussreduzierung 80.000 USD übersteigen. Energy Star Industrieprogramm bietet Richtlinien für das Energiemanagement, die mit den in diesem Sanierungsprojekt dokumentierten gemessenen Effizienzverbesserungen übereinstimmen.

Häufig gestellte Fragen