Dipl.-Ing. Stefan Martini, Projektingenieur/ Verkauf

Füllsimulation

Anwendungsbeispiel Kleiderhaken

Die Integration von Sensorik in Spritzgusswerkzeuge schafft die Voraussetzungen für den „Blick in die Kavität“ und somit für eine sehr exakte Inline- Qualitätskontrolle. Diesen Schritt hat die Weiss Kunststoffverarbeitung GmbH & Co. KG vollzogen – und ihre Kunden profitieren von höchster Qualität auch bei sehr anspruchsvollen Spritzgusskomponenten.

Sehr komplexe Konturen und große Unterschiede in den Wandstärken: Das sind aktuelle Trends bei Spritzgusskomponenten, die wiederum von allgemeinen Technik-Trends wie Leichtbauweise und Funktionsintegration getrieben werden.

Stimmen Druck und Temperatur im Werkzeug?
Unter diesen Bedingungen wird es für den Spritzgießer immer wichtiger, die Vorgänge im Werkzeug zu erfassen. Hier gilt es sicherzustellen, dass die Form gerade an den kritischen Stellen mit Schmelze befüllt ist und dass die Werkzeugkühlung ausgewogene Temperaturverhältnisse an dick- und dünnwandigen Stellen gewährleistet, damit es beim Abkühlen nicht zu Bauteilverzug kommt.

Mit modernen Simulationsmethoden kann man diese Vorgänge zwar modellieren und die Baueile im Vorfeld entsprechend optimieren – ob das Ergebnis im Einzelfall den Vorgaben und den Simulationen entspricht, lässt sich jedoch kaum beurteilen. Denn den Möglichkeiten der Messwert generierung in der Form sind enge Grenzen gesetzt, so dass man sich meist mit indirekten Parametern über die Maschinensteuerung behelfen muss.

Projekt zur Inline-Messwerterfassung im Werkzeug
Die Entwickler der Weiss Kunststoffverarbeitung GmbH & Co. KG haben sich davon jedoch nicht beirren lassen. Das Unternehmen produziert hochwertige Funktionsbauteile vorwiegend aus Polyamiden und hat in der Vergangenheit schon häufig die Einsatzgrenzen dieses hochbeanspruchbaren Werkstoffs erweitert.

In einem schon vor zwei Jahren gestarteten Projekt hatte sich Weiss zum Ziel gesetzt, die zentralen Parameter des Drucks und der Temperaturverhältnisse möglichst nah am Prozess zu erfassen. Die besondere Herausforderung bestand in der Auswahl der dazu geeigneten Sensorik und ihrer Integration in das Werkzeug.

Innovation: Sensorik misst in der Kavität
Nach umfassenden Versuchen mit verschiedenen Sensormodellen entschied sich Weiss für die Zusammenarbeit mit einem Sensorhersteller und integrierte Druck- und Temperatursensoren in einem ersten Werkzeug. Projektingenieur Dipl.-Ing. Stefan Martini: „Die Sensoren sind so in die Werkzeugwand integriert, dass sie nahezu unmittelbar in der Kavität messen. Sie wurden an den jeweils kritischen Stellen platziert und erfassen z.B., ob die Schmelze auch in den dünnwandigen Bereichen die Form vollständig ausfüllt.“

Solche qualitätsrelevanten Merkmale lassen sich durch indirekte Messung z.B. des Hydraulikdrucks nicht mit hinreichender Genauigkeit erfassen. Für die Verbindung des Werkzeugs mit der Maschine wurde ein spezielles Steckersystem eingesetzt, das in der Formplatte angebracht ist.

Der entscheidende Schritt zum geregelten Spritzgießen
Mit dieser Innovation auf der „Hardware“-Seite war die Arbeit für die Weiss-
Ingenieure aber noch nicht beendet. Erst durch die Integration der Sensorik
in die Steuerungstechnik der Maschine lassen sich die Vorteile der Inline Messwerterfassung voll ausschöpfen. Die Auswertung der Messwerte
übernimmt ein Zusatzgerät. Dieses erhält von der Spritzgießmaschine das
Signal „Einspritzvorgang beginnt“ und misst dann den exakten Druck- und
Temperaturverlauf. Stefan Martini: „Mit den zur Verfügung stehenden
Werten kann man das Formnest ´abtasten´ und Einblick in die Form nehmen. Das ist besonders in filigranen Bereichen, die in der Simulation als kritisch erkannt wurden, ein immenser Fortschritt.“

Zudem erlaubt das neue Verfahren auch eine ganz neue Fahrweise der
Anlagen: „Die Messwerte liefern uns die Grundlage, um den Umschaltpunkt
zu steuern und somit den Spritzgießvorgang individuell zu regeln. Das ist
aus Sicht des Spritzgießers ein echter Meilenstein. “ Die Konsequenz aus
Anwendersicht liegt auf der Hand: Die reproduzierbare Qualität der Komponenten wird deutlich erhöht.

Integration in die Steuerung erlaubt automatisierte Qualitätssicherung
Um die neue Mess- und Regelungstechnik bestmöglich in den automatisierten Produktions- und Qualitätssicherungsprozess einzubinden, hat Weiss auch die Entnahmeroboter steuerungstechnisch eingebunden:Wenn die gemessenen Temperatur- bzw. Druckwerte nicht mehr im Toleranzbereich liegen, werden die Teile sofort in den Ausschuss gegeben – und zwar der komplette „Schuss“. Wenn dies mehrfach hintereinander vorkommt, gibt die Maschine eine Störmeldung an die Leitwarte, so dass das Personal im Betrieb nach der Ursache forschen kann. Selbstverständlich werden die gemessenen Werte auch gespeichert und auf Wunsch des Kunden dokumentiert. Zur Information der Werker wird jeweils ein Laptop an der Maschine angeschlossen, der die ermittelten Werte online anzeigt.

Klarer Fortschritt, der die Qualität verbessert
Die Inline-Messung in der Kavität wird bei Weiss im ersten Schritt für
anspruchsvolle Bauteile verwendet, die z.B. dünnwandige und dickwandige
Konturen aufweisen. Auch Sicherheitsbauteile für die Automobilindustrie
sind ein prädestinierter Anwendungsfall. Stefan Martini: „Bei dieser neuen
Technologie treffen wirklich zwei Welten aufeinander: ein tonnenschweres,
sehr hart beanspruchtes Werkzeug und sehr empfindliche Sensorik."

Dass diese Kombination wirklich „das Beste aus beiden Welten“ bietet, zeigt
die Praxis: Teile, die die Qualitätsanforderungen nicht erfüllen, werden sofort
ausgeschleust, und es ist sichergestellt, dass alle gelieferten Komponenten
unter definierten Prozessparametern produziert wurden. Der „Blick ins Werkzeug“ gibt dem Anwender somit die Gewissheit, dass auch bei
komplexen Bauteilen sehr anspruchsvolle Qualitätsvorgaben der Kunden
erfüllt werden – zu 100%.