Nachhaltige Werkstoffe im Spritzguss-Technikum Holmlose Maschinen optimieren die Abmusterung von Biokunststoffen

Der Biokunstsoff-Spezialist Nature Compound nutzt im eigenen Technikum zwei holmlose Spritzgießmaschinen von Engel zur schnellen Werkstoff- und Werkzeugoptimierung. Die direkte Abmusterung von Kundenformen spart Verarbeitern zeitintensive Iterationen. Welche verarbeitungstechnischen Kniffe die sensiblen Biopolymere verlangen, zeigt der Blick in die Praxis.

Bei Nature Compound im westfälischen Schwerte gilt ein klares Versprechen: „Less plastics, more future." Die Materiallösungen von Nature Compound kombinieren nachwachsende Rohstoffe, mineralische Funktionsträger und eigens entwickelte Rezeptursysteme zu leistungsfähigen Alternativen für technische Kunststoffanwendungen. Je nach Anwendung sind sie biologisch abbaubar oder recyclingfähig und lassen sich auf gängigen Extrusions- und Spritzgießanlagen verarbeiten. 

Genau hier setzt das hauseigene Technikum bei Nature Compound an. Zwei holmlose Engel Victory Spritzgießmaschinen erlauben es dem Team, jedes neue Compound unter realistischen Bedingungen zu prüfen, Kundenwerkzeuge direkt zu erproben und vom Labormuster bis zur Serie eine durchgängige Linie zu fahren. Über allem steht der Anspruch der Zirkularität: Werkstoffe sollen sich am Ende ihrer Nutzung biologisch zersetzen oder als Rezyklat in den Kreislauf zurückkehren.

Vom Compoundeur zum Lösungsanbieter mit Technikum

Nature Compound wollte nie nur Granulat liefern, sondern Antworten auf konkrete Probleme der Verarbeiter geben. „Wir verstehen uns als Lösungsanbieter für nachhaltige Werkstoffe in der Kunststoffverarbeitung", betont Niclas Beutler, Geschäftsführer von Nature Compound. Heute reicht das Portfolio von kompostierbaren, recyclingfähigen Verpackungslösungen im Sinne der PPWR bis zu wärmeformbeständigen Compounds für Automotive und Elektronik. Hinzu kommen Anwendungen für Kosmetik, Pharma und Freizeitartikel.

Dass eigene Spritzgießmaschinen im Haus stehen, war für Beutler nie eine offene Frage. Wer Biokunststoffe entwickelt, muss deren Verhalten in der Verarbeitung selbst kennen. „Jedes Produkt, das zum Kunden rausgeht, wurde auch hier auf den eigenen Maschinen getestet", erklärt Beutler.

Auf einer kleinen Maschine entstehen Prüfstäbe, auf einer größeren werden Muster und Serien gefertigt. Für die Materialcharakterisierung stehen im hauseigenen Prüflabor Prüfgeräte von Zwick Roell, mit denen mechanische und rheologische Kennwerte im Abmusterungsprozess gemessen werden. So entsteht eine Rückkopplungsschleife, mit den Kundenwerkzeugen direkt auf der Technikumsmaschine, um die Werkstoffe in kleineren Abmusterungsschleifen zu optimieren: höherer MFI, zusätzlicher Füllstoff, andere Schlagzähigkeit. So klärt Nature Compound im eigenen Haus, was sonst beim Verarbeiter zu Iterationen führen würde.

Die Holmlos-Technologie als Schlüssel

Im Zentrum des Technikums stehen zwei holmlose Engel Victory Spritzgießmaschinen. Sie verzichten bewusst auf die vier Führungsholme klassischer Bauweise. Daraus ergibt sich ein großer freier Werkzeugraum mit großen Aufspannplatten, der bei Nature Compound zur strategischen Reserve wird.

Sebastian Meyer, CTO von Nature Compound, betont: „Wir hoffen, damit auch Kunden gewinnen zu können, die ein größeres Werkzeug haben, das wir einfacher in unsere Maschinen aufspannen können. Der Weg ist häufig der, dass wir bestehende Werkzeuge hier fahren wollen." 

Dazu kommt die hohe Präzision, die Engel als Kernvorteil der Holmlos-Bauweise beschreibt. Die hohe Plattenparallelität schont die Werkzeuge und ermöglicht es, mit Maschinen zu produzieren, die ein bis zwei Schließkraftklassen kleiner sind. Das hat Investitionskosten gespart. Hinzu kommen kompakte Abmessungen, einfache Integration von Automation und schnelle Werkzeugwechsel.

Für ein Technikum, das im Tagesrhythmus mit fremden Werkzeugen arbeitet, ist diese Flexibilität entscheidend. Die Bauweise hat sich seit 1989 in über 85.000 Installationen etabliert und ist bei Engel mit hydraulischen, elektrischen oder hybriden Antrieben verfügbar. Für Nature Compound wird aus einer Konstruktionsphilosophie ein Geschäftsvorteil.

Vom Technikum zur Serie

Ein Technikum, das nur prüft, wäre Nature Compound zu wenig. Die Maschinen sollen das Skalieren in die Serie ermöglichen. Geplant ist eine breiter angelegte Offensive im Spritzguss, mit der Nature Compound Kunden ansprechen will, die nicht nur Bemusterungen, sondern Serien aus dem Hause beziehen.

Auch hier zahlen die Vorteile der Holmlos-Maschine ein, etwa durch die einfache Integration von Linearrobotern mit individuellen Greifern. Die Anlagen sind mit den Engel Assistenzsystemen iQ Weight Control und iQ Clamp Control ausgestattet, die Schwankungen im Schmelzeverhalten ausgleichen, Schließkräfte automatisch optimieren und die Prozesssicherheit erhöhen.

Verarbeitungsfenster und Plastifizierung

Biokunststoffe stellen das Spritzgießen vor besondere Anforderungen. Christof Born von Engel bringt es auf den Punkt: „Biokunststoffe haben die Eigenheit, dass sie temperatur- und scherempfindlich sein können. Hier gibt es Prozessherausforderungen, die wir als Maschinenbauer mit dem Maschinendesign und insbesondere der optimalen Plastifiziereinheit lösen." 

Sebastian Meyer bestätigt das aus Verarbeitersicht: „Wir sind im ganzen Prozess deutlich kälter unterwegs. Die Massetemperatur unserer Produkte liegt beim Spritzgießen in der Regel unter 200 °C, also 30 - 50 °C unter dem, was man bei Polypropylen gewohnt ist." Niedrigere Temperaturen verändern Fließweglängen, Kühlzeiten und Spritzdruckbedarf, vor allem bei Compounds mit höherem Mineral- oder Faseranteil. Dass sich an den Engel Maschinen das Spritzaggregat mit überschaubarem Aufwand tauschen lässt, wird damit zum Hebel, mit dem Nature Compound seine Materialvielfalt praxistauglich und wirtschaftlich abbildet.

Die Compoundier-Basis: Leistritz ZSE iMaxx Doppelschneckenextruder

Vor jeder Teilefertigung steht die Herstellung des Compounds auf zwei Leistritz Doppelschneckenextrudern der ZSE iMaxx Baureihe mit 35 und 60 mm Schneckendurchmesser. Was sie auszeichnet, ist die Kombination aus hohem freiem Volumen und hohem spezifischem Drehmoment. 

„Uns hat überzeugt, dass die Anlagen ohne größere Umstände mit einem L/D-Verhältnis von über 50 verfügbar waren und dabei immer noch ein hohes spezifisches Drehmoment liefern können, bei gleichzeitig viel freiem Volumen", begründet Meyer die Wahl. Sebastian Fraas von Leistritz erklärt den technischen Hintergrund: „Die Biokunststoffe, die hier produziert werden, unterscheiden sich elementar von klassischen Kunststoffen. Schon bei der Zuführung der Naturstoffe haben wir wechselnde Schüttgewichte und unterschiedliche Feuchtigkeitsgehalte. Wir brauchen nach jeder Zugabe eine atmosphärische Entgasung und am Ende ein Hochleistungsvakuum, damit wir ein wirklich hochwertiges Compound erzeugen." 

Erst diese gestufte Entgasung macht aus Stärke, Zellulose und Mineralfüllstoffen ein Compound, das mit konventionellen Werkstoffen mithalten kann. Die feinkonfigurierte Schneckengeometrie kombiniert Knetelemente für die dispersive Wirkung mit Mischelementen für die distributive Verteilung der Naturfasern, sodass diese möglichst lang erhalten bleiben und gut an die Matrix anbinden. Bei den hohen Mineralanteilen ist das hohe spezifische Drehmoment der iMaxx-Baureihe ein direkter Faktor für die Produktqualität, denn steigende Viskosität verlangt hohes Drehmoment, das bei niedrigen Drehzahlen schonend in Mischarbeit umgesetzt wird.

Reproduzierbarkeit als Verkaufsargument

Die Konstanz aus diesem Konzept ist für Nature Compound Verkaufsargument. Compounds, die in jeder Charge gleich sind, räumen mit dem Vorurteil auf, biobasierte Werkstoffe seien wankelmütig. Reproduzierbare Prozesse sind essenziell, um Verarbeiter von einem Wechsel zu überzeugen.

Auf der Compoundierlinie wird nahezu jeder Prozessparameter erfasst: Temperaturen, Drücke, Entgasungs- und Vakuumleistung sowie gravimetrische Durchsätze aller Dosierer. Der selbstreinigende Effekt der dicht kämmenden Schneckenelemente erlaubt zudem schnelle Produktwechsel. Pulvermetallurgische Werkstoffe für Schnecken und Zylinderbuchsen sorgen dafür, dass selbst nach langen Betriebszeiten kein messbarer Verschleiß auftritt.

Auf der Spritzgießseite tragen die holmlosen Engel Victory Maschinen denselben Anspruch weiter. Eine präzise Temperaturführung in den Plastifizierzylindern und Werkzeugen ist bei thermisch sensiblen Biopolymeren entscheidend, weil schwankende Massetemperaturen sofort die Viskosität und damit den Prozess verändern. Die gleichmäßige Schließkraftverteilung der Holmlos-Bauweise sichert Teil für Teil konsistentes Werkzeugverhalten. Über die offene Schnittstellenarchitektur lassen sich Spritzguss- und Compoundierdaten zusammenführen, sodass die Qualitätssicherung lückenlos läuft.

Markt, Regulatorik und Preisentwicklung

Der Markt für Biokunststoffe wächst. Treiber sind die Verpackungsverordnung PPWR und der European Green Deal mit Zielmarke 2030. Beutler beobachtet einen Industrialisierungstrend. Gleichzeitig bleibt der Preis ein Thema. 

„Gestartet sind wir mit einem Faktor drei gegenüber konventionellen Kunststoffen. Heute sind wir teilweise auf Faktor 1,5 bis 2 heruntergegangen, und die Schere geht weiter zusammen", rechnet Beutler vor. Er erwartet, dass Biokunststoffe je nach Steuerpolitik und Regulatorik zwischen 2030 und 2035 Pari-Werte erreichen können.

Die nächsten Wachstumsfelder sieht Beutler bei Hidden Champions des Mittelstands, mit Anforderungen wie ESD-Fähigkeit, höhere Wärmeformbeständigkeit oder erhöhter MFI für dünnwandige Bauteile.

Eine Partnerschaft mit kurzen Wegen

Engel ist ein global aufgestellter Spritzgießmaschinenhersteller mit Stammsitz im österreichischen Schwertberg. Die deutsche Tochter Engel Deutschland sitzt in Hagen, weniger als 30 Kilometer von Nature Compounds in Schwerte entfernt. „Wir haben hier mit Engel Deutschland vor der Haustür jemanden, der uns sehr gut betreuen kann. Und am Ende sind das einfach gute Maschinen, die genau das liefern, was wir brauchen, nämlich Flexibilität", betont Sebastian Meyer.

Service-Anfragen, Anpassungen am Verarbeitungsfenster und Tests neuer Compounds lassen sich so rasch umsetzen. Ebenso wichtig ist die globale Dimension: Wo Verarbeiter weltweit mit Compounds aus Schwerte arbeiten, finden sie das Engel Service- und Vertriebsnetz mit vertrauten Maschinen vor Ort. Komplementär dazu hält Leistritz mit Technika in China, den USA und Nürnberg den Scale-Up-Pfad bereit.

Sebastian Fraas erläutert: „Dort können wir mit dem Kunden von der Rezeptur-Idee bis zum Scale-Up unter Industriebedingungen Anlagen testen und auslegen." Aus Sicht von Niclas Beutler entsteht so eine Dreieckskonstellation aus Materialhersteller, Anlagenbauer und Verarbeiter, in der sich Entwicklungsschleifen erheblich verkürzen lassen.

Fazit

Nature Compound zeigt, wie aus einem Biokunststoff-Compoundeur ein industrieller Lösungsanbieter wird. Die Verbindung aus Compoundierung auf Leistritz Doppelschneckenextrudern und einem Technikum mit holmlosen Engel Victory Maschinen ist die technische Übersetzung des Versprechens „Less plastics, more future".

Die Holmlos-Technologie liefert die Flexibilität, fremde Werkzeuge aufzunehmen und Anwendungen praxisnah zu erproben. Mit dem geplanten Ausbau in Richtung Kleinserie wird das Technikum zur produktiven Anlage. Damit positioniert sich Nature Compound als Brückenbauer zwischen regulatorisch getriebener Nachhaltigkeitsagenda und einer Industrie auf der Suche nach belastbaren biobasierten Alternativen.