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12.10.2011

Maximale Prozesstransparenz in der Kunststoffverarbeitung

Spritzgießfertigungszelle mit modernen und umfassenden Analysefunktionen

Die Effektivität und Effizienz eines Spritzgießprozesses hängt von den bei der Abmusterung bewusst gewählten Prozessparametern und Hardwarekonfigurationen ab, die in der Regel stark durch die Erfahrungen der Einsteller geprägt werden. Das erzielte Produktionsergebnis streut und verändert sich bedingt durch den Einfluss von Störgrößen. Eine Laboranlage an der Hochschule Rosenheim dient dazu, sowohl die Prozesseinstellungen als auch die Anlagenkonfiguration und die Störeinflüsse auf ihre Signifikanz zu prüfen.

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Durch die stetig fortschreitende Globalisierung und Vernetzung der Märkte verschärft sich der Wettbewerb für die Spritzgießverarbeiter und die Anlagenhersteller. Um auf dem Markt langfristig zu bestehen, muss mit dem Prozess eine Differenzierung oder Kostenführerschaft erreicht werden. Dies kann durch eine gesteigerte Prozesskonstanz geschehen, bei der die Bauteilqualität schon im Prozess zuverlässig garantiert wird und so die Kosten für Fehlproduktion und Qualitätsüberwachung entfallen. Ein weiterer, in letzter Zeit viel diskutierter Punkt ist, die Herstellkosten durch eine gesteigerte Energieeffizienz im Prozess zu verringern. Zur detaillierten Untersuchung der Einflussgrößen auf Qualität und Energieverbrauch wurde an der Hochschule Rosenheim eine einzigartige Versuchsanlage aufgebaut, die es ermöglicht, Prozesskennzahlen, Qualitätsgrößen und auch die Energiewerte synchron darzustellen.

Effektivität und Effizienz
entscheiden über Prozessergebnis


Die Einflussgrößen, die bestimmen, wie effektiv (Maß für die Qualität) und effizient (Maß für die eingesetzten Mittel) ein Produktionsprozess abläuft, können in fünf Kategorien eingeteilt werden: Mensch, Maschine, Material, Mitwelt und Methode.
Diese Faktoren werden in einem Fertigungsprozess individuell gewählt und geregelt (Materialtyp, Prozessparameter, Regelgrößen) oder können nicht konstant gehalten werden und wirken als Störgrößen auf den Prozess ein, beispielsweise Chargenschwankungen oder Verschleiß. Das Zusammenspiel dieser konstanten und veränderlichen Prozessgegebenheiten beeinflusst das Produktionsergebnis.
Projiziert man diese Betrachtungsweise auf den automatisch ablaufenden Spritzgießprozess, kann der Mensch als Störgröße ausgeschlossen werden. Als entscheidende Einflussgrößen bleiben: Material, Mitwelt und die Maschine, die sich in die Spritzgießmaschine, das Werkzeug und die Peripheriegeräte unterteilen lässt.
Um für den Spritzgießprozess einen möglichst gleichmäßigen und reproduzierbaren Prozessablauf zu gewährleisten, ist die am besten geeignete Verfahrensmethode zu wählen. Mit der Verfahrensmethode ist dabei die Vorgehensweise gemeint, wie das Spritzgießverfahren im Detail durchgeführt wird. Es bietet sich eine Vielzahl verschiedener Varianten für die einzelnen Prozessschritte und Funktionen an. Unterschiedliche Möglichkeiten ergeben sich zum Beispiel bei den:

  • Umschaltverfahren,
  • Prozessregelmethoden,
  • Maschinenkonzepten (Trockenluft-, Drucklufttrockner) und
  • anderer Sonderverfahren wie variothermes Spritzgießen oder Schaumspritzgießen.

Bisher wurde bei Prozessuntersuchungen der Bilanzraum über den im Fokus stehenden Teilbereich unter Ausklammerung der restlichen Einflussgrößen gelegt. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sind nur allgemeingültig, wenn die nicht betrachteten Einflussgrößen konstant gehalten werden können oder keinen Einfluss auf den Prozess haben. Dies ist jedoch oftmals nicht der Fall beziehungsweise im Vorfeld oder auch während der Untersuchungen nicht immer sicher gestellt. Damit der Prozess in seiner Gesamtheit auf die heute hoch gesetzten Marktforderungen optimiert werden kann, müssen alle Einflussgrößen beobachtet, ausgewertet und gewichtet werden. Im Folgenden gilt es aufgrund dieser Datenbasis Methoden zu entwickeln, die den Prozess effizienter gestalten und Stör-einflüsse eliminieren. Zu diesem Zweck wurde in Zusammenarbeit mit KraussMaffei Technologies eine Versuchsanlage aufgebaut, mit der global über den Spritzgießprozess eine maximale Prozesstransparenz gewonnen werden kann. Kernstück der Anlage ist eine vollelektrische Spritzgießmaschine des Typs EX 80-380, die mit den Peripheriegeräten und einem umfassenden Messsystem vernetzt ist. Die Versuchsanlage ist mit modernster beziehungsweise eigens dafür entwickelter Zusatzsensorik ausgestattet, um neben Prozess­transparenz auch eine maximale Genauigkeit zu erhalten. Die Informationen aus maschineninternen Signalen der Spritzgießmaschine, der Temperierung sowie der Zusatzsensorik werden in einem Messsystem protokolliert. Mit diesem Messsystem, im Weiteren Messleiste genannt, ist eine zeitsynchrone Aufzeichnung von über 150 Signalen im 500-Hertz-Bereich zur ganzheitlichen Bewertung des Prozessverlaufes möglich.

Analyse des Spritzgießprozesses

Die Analyse des Spritzgießprozesses wird in vier Bereiche unterteilt: Materialanalyse, Aufschmelzen, Formgeben und Entformen.
Das zu verarbeitende Material stellt eine Eingangsgröße in den Bilanzraum dar. Die Eigenschaften dieser Eingangsgröße müssen eindeutig bestimmt und dem Spritzgießprozess zugewiesen werden können. Durch die an der Hochschule Rosenheim vorhandenen Analysegeräte gibt es die Möglichkeit, das Versuchsmaterial in seinen rheologischen, thermischen und physikalischen Grundeigenschaften zu bewerten. Vor der eigentlichen Verarbeitung des Materials muss es in machen Fällen aufbereitet werden, beispielsweise durch das Trocknen. Nach dem Aufbereiten des Rohstoffes kann dessen temporärer Zustand zum Beispiel im Feuchtegehalt ermittelt werden. Dies ist wichtig, weil dadurch auch die Materialeigenschaften beeinflusst werden.

Schmelzezustand in der Einspritzphase

Der erste Prozessschritt beim Spritzgießen ist das Aufschmelzen des vorbereiteten Rohmaterials. Begibt sich das Material in den Feststoffförderbereich der Plastifizierung, wird dessen Temperatur gemessen. Während des Aufplastifizierens können Druck, Temperatur und Widerstandskräfte über die Messleiste aufgezeichnet werden. Der letztendlich im Schneckenvorraum aus der Vorgeschichte resultierende Schmelzezustand ist instationär. Das heißt, wenn der erste formgebende Prozessschritt (das Einspritzen) startet, hat die Schmelze ihren Gleichgewichtszustand noch nicht erreicht. Um die Schmelze direkt in dem Zustand bewerten zu können, wie er im zyklischen Produktionsbetrieb auftritt, muss der Schmelzezustand direkt nach der Plastifiziereinheit zum Zeitpunkt der Einspritzphase beurteilt werden. Hierzu wurde von der Hochschule Rosenheim ein inlinefähiges Analysegerät entwickelt, mit dem die Schmelzeviskosität, das Niveau der Schmelzetemperatur und die Temperaturverteilung im Produktionsbetrieb gemessen werden können.

Sensorik macht Werkzeug transparent

Nach dem Plastifizieren wird in der Formgebungsphase das aufgeschmolzene Polymer in die Kavität gepresst und unter definierten Bedingungen abgekühlt. Um diesen Prozessabschnitt zu überwachen, wurde in das Werkzeug vielerlei Sensorik installiert, die die Werkzeugatmung sowie die Temperatur- und Druckverhältnisse quantifizieren kann. Ein Durchflussregelgerät der Firma gwk sorgt für konstant bleibende Temperaturen und Abkühlbedingungen auf der Werkzeugseite.

IR-Kamera gibt thermisches Abbild
des Bauteils


Wurde dem Bauteil im Werkzeug so viel Wärme entzogen, dass es die nötige Steifigkeit besitzt, kann es entformt werden. Zum Zeitpunkt der Entformung ist die Oberflächentemperatur des Bauteils weder konstant, noch auf dem Niveau der Werkzeugtemperatur. Das Wissen über diesen Entformungszustand ist jedoch eine besonders wichtige Informationsquelle für die letztendlich resultierenden maßlichen Gegebenheiten am Bauteil. Zur Überwachung der thermischen Verhältnisse zum Zeitpunkt der Entformung ist an der festen Aufspannplatte der Maschine eine IR-Kamera installiert. Mit dieser kann im Zyklus während einer kurzen Pausenzeit das thermische Abbild des Bauteils dokumentiert und den Prozessdaten zugewiesen werden.

Energetische Gesamtbilanz

Durch das hohe Maß an Prozesstransparenz lässt sich eine sehr detaillierte und zielgenaue Aussage darüber treffen: wie, wo und in welcher Form die Bauteilqualität beeinflusst worden ist. Doch nicht nur eine prozessorientierte Bewertung des Verfahrensablaufes ist durch die Versuchsanlage möglich, sondern auch eine energetische Gesamtbilanzierung. Es sind die elektrischen Verbrauchsdaten jedes Einzelverbrauchers aufgelöst bis zum einzelnen Heizband, Antriebsstrang oder Peripheriegeräts erfassbar. Die elektrischen Energien stellen dabei nur einen Teil im Gesamtenergieverbrauch dar. Eine weitere Energieform, die in den Bilanzraum zugeführt wird, ist die Kühlleistung in Form von zentral erzeugtem Kühlwasser, welches zur Temperierung des Werkzeuges, der Antriebe und anderen verfahrensspezifischen Komponenten benötigt wird. Durch die Bestimmung der Vor- und Rücklauftemperatur sowie der Durchflussmenge kann auch dieser Verbrauchsfaktor für die Einzelverbraucher in die Gesamtenergiebilanz mit einbezogen werden. Es entsteht eine hochdetaillierte Auflösung der Energieströme in der Spritzgießfertigungszelle, welche die Grundlage für eine Optimierung des Energiekostenanteils bei den Herstellkosten darstellt.

Umgebungseinflüsse sind nicht
zu unterschätzen


Ein besonderes Highlight ist, dass die komplette Versuchsanlage in einem voll klimatisierten Reinraum aufgebaut ist. Dadurch können Umgebungseinflüsse wie Strömungsverhältnisse, Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit konstant gehalten beziehungsweise ihr Einfluss genauer untersucht werden.
Die Klimatisierung der Umgebung steigert dabei die Genauigkeit, mit der Prozessveränderungen detektierbar sind. Die Prozessbedingungen werden durch Sensoren ermittelt. Ein Sensor wandelt eine Zustandsgröße in ein Ausgangssignal um. Das Ausgangsignal soll dabei nur proportional zur zu messenden Zustandsgröße reagieren und nicht von anderen Randeinflüssen wie zum Beispiel der Umgebungstemperatur beeinflusst werden. Ist dieser Effekt nicht auszuschließen, besteht die Gefahr, dass eine Diskrepanz zwischen anliegendem Zustand und Ausgabewert des Sensors entsteht. Bei einem physikalisch unveränderten Zustand würden sich die Signalverläufe ändern und es besteht die Gefahr, dass Ursache-Wirkungspaare bei den Versuchsreihen fehlinterpretiert werden. Durch die Entkoppelung der Sensoren konnte sichergestellt werden, dass der anliegende physikalische Druck dem Atmosphärendruck entspricht. Deutlich ist zu erkennen, dass bei manchen Sensoren trotz einer integrierten Temperaturkompensation bedingt durch Umgebungstemperaturveränderungen eine Drift auftritt.
Andererseits hat die Umgebungstemperatur nicht nur einen Einfluss auf die Genauigkeit des Messsystems, sondern auch auf den Prozess selbst. Bei eingelaufenem Prozess wurde hierzu die Umgebungstemperatur des Produktionsumfeldes durch die Klimaanlage des Reinraums sprunghaft erhöht und anschließend wieder abgekühlt. Dies ist sofort im Prozess wieder zu finden und ist in der Versuchsanlage auch messtechnisch erfassbar. Doch nicht nur eine veränderte Umgebungstemperatur spielt hier eine entscheidende Rolle, sondern auch die Strömungsverhältnisse, die auftreten. Sich ändernde Strömungsverhältnisse konnten im Bereich von Zyklus 260 und 380 durch einen Ventilator im Werkzeugbereich simuliert werden. Diese Veränderung im Produktionsumfeld kann beispielsweise beim Öffnen des Hallentores auftreten und beeinflusst dabei sofort die Werkzeug- und Bauteiloberflächentemperatur deutlich.

Fazit zu den derzeitigen
und künftigen Ergebnissen


Um den Spritzgießprozess in seiner Effizienz und Effektivität zu steigern, gilt es, ihn in Gänze zu untersuchen, damit das Qualitätsniveau gesteigert und Energie- und Qualitätskosten gesenkt werden können. Bei der vorgestellten Versuchsanlage konnten die Grenzen des Modellraumes zur Betrachtung über alle den Prozess beeinflussenden Größen gelegt werden. Ergebnisse aus den energetischen und prozesstechnischen Untersuchungen werden demnächst veröffentlicht.

Danksagung
Den Aufbau der Analge ermöglichten mehrere Förderer, denen der Dank der Autoren gilt: Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Forschung für die Produktion von morgen“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor. Weiterhin unterstützt die Bayrische Forschungsstiftung das Fördervorhaben mit der Nummer AZ-907-10. Der Dank gilt auch den Firmen Krauss Maffei und gwk.

 

 

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