Computertomographie in der Qualitätssicherung

Eine Besonderheit des Spritzgießens von Kunststoff zu anderen Herstellungsverfahren und Werkstoffen besteht darin, dass die Teile in einem Arbeitsgang entstehen. Alle geforderten Bauteilmerkmale – auch die komplexer multifunktionaler Produkte – müssen demzufolge in einem Arbeitsgang „i.O.“ sein. Dafür ist in der Hauptsache das Spritzgießwerkzeug verantwortlich. Um ein solches „i.O.“-Bauteil zu produzieren zu können, genügt es nicht, ein 1:1-Abbild in die Formhälften zu fräsen. Der Werkstoff Kunststoff unterliegt Schwindung und Verzug. Die Kunst des Werkzeugbauers besteht daher darin, diese besonderen Verhaltensweisen zu berücksichtigen. Der Fachmann spricht von „Vorhalten“ des Formwerkzeugs. Zwar gibt es heute Software, die das Verhalten der Kunststoffschmelze beim Erkalten simulieren kann, doch das Ergebnis ist immer nur eine Näherung. In der Regel kommt man im Projektverlauf um mehrere Korrekturen des Werkzeugs nicht herum.

Eine aufwändige Angelegenheit: Denn nach jeder Überarbeitung müssen die Probespritzlinge vermessen werden. Umfangreiche Protokolle sind das Ergebnis, oft mit hunderten von Maßen, die der Qualitätstechniker mit der Zeichnung vergleichen muss. Andreas Kleinfeld, Vertriebsleiter beim Spritzgussspezialisten F. & G. Hachtel, Aalen, kennt das Prozedere nur zu gut: „Wir haben auf der einen Seite eine Zeichnung, auf der anderen ein langes Messprotokoll. Die Maße und gegebenenfalls die Folgen ihrer Abweichungen müssen gedanklich von einem Dokument auf das andere übertragen werden.“

„Angsttoleranzen“ kosten Zeit und Geld

Die Experten beim Verarbeiter sehen diese Vorgehensweise inzwischen als veraltet an. Aber nicht nur das, auch viele Zeichnungen zeugen von einer nicht mehr zeitgemäßen Denkweise. So manche Bemaßung basiert noch auf der Koordinatenmesstechnik der 70er und 80er Jahre, als man jede Programmzeile für die Fertigungsmaschinen selbst schreiben musste. Insofern sind viele Zeichnungen mit Maßen überladen.

Typisch sind auch „Angsttoleranzen“. Nicht wenige Forderungen lassen sich mit den vorhandenen Messmitteln gar nicht nachprüfen. Doch das, was in der Zeichnung steht, gilt als unantastbar, und sei es noch so belanglos. Die Messprotokolle fallen entsprechend umfangreich aus und es resultiert ein unnötiger Zeit- und Kostenaufwand sowohl für die Fertigung als auch die Qualitätssicherung.
Die Aalener Experten wissen, wovon sie reden, denn sie bündeln sämtliches Know-how rund um die Herstellung von Spritzgießteilen.

Der Verarbeiter produziert Bauteile auf eigenen Spritzgießmaschinen, konstruiert und fertigt die dafür notwendigen Werkzeuge selbst und hat auch die Qualitätssicherung im eigenen Hause. Gerade in Sachen Qualitätssicherung hat sich in den letzten Jahren einiges getan. Das Unternehmen stellte bereits vor sieben Jahren die Weichen in Richtung Computertomographie. Die CT ist für Kunststoff eine nahezu ideale Technologie, denn die Durchdringung der Röntgenstrahlen ist aufgrund der geringen Materialdichte unproblematisch, das heißt frei von Störungen. Das Ergebnis sind Voxelmodelle – wie die 3D-Modelle in der CT-Welt heißen – mit klar erkennbaren Konturen.

Inzwischen sind zwei Computertomopgraphie-Anlagen für unterschiedliche Bauteilgrößen und Anforderungen in Betrieb. Konventionelle Qualitätstechniken kommen kaum noch zum Einsatz. Und das hat sich herumgesprochen. Die Aalener nutzen die neue Technik nicht nur für den eigenen Bedarf, sie bieten auch CT-Dienstleistungen an, Tendenz steigend. Etwa 80 Prozent der Bauteile  auf den Scanner-Drehtischen kommen mittlerweile von externen Auftraggebern. „Indem eigene Erfahrungen aus der Bauteilherstellung und Werkzeugkonstruktion bei uns einfließen, gewinnt unsere Dienstleistung an Qualität“, betont Kleinfeld. „Wir machen nicht nur Qualitätsuntersuchungen, wir beraten unsere Kunden bei Bedarf auch bei der Produktkonstruktion.“

Wichtig sei, dass man die Computertomopgraphie nicht nur wie eine klassische Messmaschine einsetze, sondern ihre Möglichkeiten auch in vollem Umfange nutze. „Wir verzichten darauf, zeitraubende Messprotokolle zu erstellen und arbeiten statt dessen mit Soll-Ist-Vergleichen“, beschreibt Kleinfeld das Prozedere bei der Schlüsselanwendung Werkzeugkorrektur.

Farben schaffen Transparenz

Beim Soll-Ist-Vergleich werden das tomographierte Modell des Probespritzlings und die CAD-Daten des Bauteils  übereinandergelegt. Dafür verwenden die Aalener eine spezielle Software: VGStudio Max von Volume Graphics, Heidelberg. Ergebnis des Vergleichs ist ein Falschfarbenbild. Die Software färbt übereinstimmende Bauteilbereiche grün, abweichende blau und rot, je nachdem ob die Abweichung im Plus oder Minus liegt. Dieses Ergebnis wird von allen involvierten Fachleuten – Konstrukteur, Spritzgießer, Werkzeugbauer und Messtechniker – gemeinsam am Tisch diskutiert.

„So finden wir die Lösung, wie das Werkzeug zu korrigieren ist, schneller“, versichert der Vertriebsleiter. „Auch wenn wir einzelne Maße gar nicht ablesen, haben wir viel mehr Informationen. Wir haben den Zustand des gesamten Bauteils vor Augen, nicht nur punktuelle Angaben, die wir mühsam zuordnen müssten.“ Das Falschfarbenbild entlastet von der Zahlenflut der Messprotokolle.

Sollten dennoch Details zu punktuelle Maßabweichungen notwendig sein, zeigt die Software den Wert per Mausklick an. Mit dieser Methode genügt oft schon eine Korrekturschleife. „Früher waren bis zu fünf Korrekturen die Regel“, freut sich Kleinfeld. Außerdem muss das Probewerkstück nicht zerstört und präpariert werden, denn der Soll-Ist-Vergleich erfasst auch unzugängliche Konturen. Das CT-Modell zeigt zudem neben geometrischen Bauteilfehlern auch Werkstofffehler wie Poren und Lunker.

Als Konsequenz aus ihren Erfahrungen plädieren die Aalener für eine CT-gemäße Konstruktion frei von veralteten Bemaßungs- wie auch Ausrichtphilosophien. Maße, die für die Funktion keine Rolle spielen, sollten gar nicht mehr in die Zeichnung aufgenommen werden. Die Definition so mancher Bezugs- beziehungsweise Ausrichtfläche  ist damit überflüssig, denn die CT-Analysesoftware ist stets in der Lage, CAD- und Voxeldatenmodell auseinander zu fitten. „Für die Werkzeugkorrektur auf der Basis von Soll-Ist-Vergleichen sparen wir im Durchschnitt etwa 50 Prozent an Zeit“, fasst Kleinfeld zusammen. „Solche Ergebnisse führen zu Aha-Erlebnissen, denn vielen sind die Möglichkeiten der CT noch nicht in vollem Umfang bekannt.“ Und je komplexer die Bauteile sind, desto schwerer wiegen die Vorteile der Soll-Ist-Vergleiche, besonders auch bei Konturen mit Freiformflächen.

„Messprotokolle machen nur noch Sinn, wenn die Werkzeugkorrektur abgeschlossen ist“, so das Fazit Kleinfelds. „Sobald die Serienqualität erreicht ist, wird eine Dokumentation nach Vorschrift erstellt – mit Maßen. Diese Freigabe-Messprotokolle werden zweckmäßigerweise ebenfalls auf Basis der CT-Daten erstellt. Da die Software neben dem Modul für Soll-Ist-Vergleiche auch ein vollständiges Koordinatenmessmodul inklusive Form- und Lagetoleranzen bietet, sind auch dimensionelle Messungen der Dimensionen – mit allen Vorteilen einer zerstörungsfreien Prüfung – kein Problem.

Technik im Detail

Software für Soll-Ist-Vergleiche von Spritzgießteilen

Die CT-Analysesoftware arbeitet nicht nur  mit Voxeldaten, sondern auch mit CAD-Daten, ist also in beiden Welten zu Hause. So basieren die Berechnungen bei Soll-Ist-Vergleichen auf den Originaldaten beider 3D-Modelle, so dass eine hohe Genauigkeit erreicht wird. Für Soll-Ist-Vergleiche steht dem Anwender eine Best-Fit-Funktion zur Verfügung, welche beide Datensätze in einer beliebigen Raumlage zur Deckung bringt. Ein Ausrichtvorschrift durch die Konstruktion erübrigt sich. Rund um das Thema Soll-Ist-Vergleiche wartet die Software mit einigen Features auf: So sind beispielsweise Ist-Ist-Vergleiche mit mehreren CT-Modellen möglich. Als Soll-Daten können auch andere Quellen als CAD-Zeichnungen herangezogen werden, beispielsweise Punktewolken oder Netzdaten (STL). Auch mit der Computertomographie sind inzwischen µ-genaue Auswertungen möglich. Die Algorithmen rechnen subvoxelgenau, wobei ein Voxel die kleinste Einheite im 3D-Bild darstellt.

Technik im Detail

Computertomographie

Der Verarbeiter aus Aalen betreibt inzwischen zwei eigene CT-Anlagen. Als Dienstleistung können Proben bis 400 x 1200 mm untersucht werden. Folgende Auflösungen sind möglich: 5 µm bei Proben bis 12 x 18mm, 20 µm bei Proben bis 42x63mm und  100 µm bei Proben bis 210 x 315 mm. Neben Alu, Stahl und Keramik ist das Unternehmen vor allem auf Proben aus Kunststoff und Composite-Materialien spezialisiert.

Autor

Richard Läpple
ist Fachjournalist aus Tübingen
r.post@textfoto.de

Fakuma 2014: Halle/Stand A5/5105