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28.04.2011

Suche nach demEi des Kolumbus

Expertengespräch Spritzgießen – Teil zwei: Qualitätssicherung

Der Prozess ist optimiert, die Teile laufen in hoher Qualität vom Förderband – doch plötzlich wieder ein Ausreißer. Der Grund dafür liegt häufig in der verfahrensbedingt schwankenden Rohstoffqualität oder -zusammensetzung und der Tatsache, dass heute die Prozesse beim Verarbeiter zunehmend enger an ihre Grenzen gefahren werden. Wie lassen sich solche Probleme im Spritzgießprozess in den Griff bekommen?

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Nicht nur in puncto Preispolitik sitzen die Verarbeiter zwischen den Stühlen (siehe Kasten info-DIRECT). Auch bei der Qualität der derzeit teuer eingekauften Rohstoffe sind sie in starkem Maße von ihren Zulieferern abhängig, deren Unternehmensgröße und damit auch Marktmacht die ihre meist um ein Vielfaches übersteigt. Auf der anderen Seite sitzen Abnehmer, die 100-prozentige Qualität verlangen – und ebenfalls eher selten zur Kategorie kleiner oder mittlerer Unternehmen gehören. In dieser Zwickmühle bemüht sich der Spritzgießer mit ausgefeilten Verfahren Null-Fehler-Teile zu einem günstigen Preis herzustellen. Kaum verwunderlich also, dass die Qualitätssicherung und Online-Prozesskontrolle ein in der Expertenrunde heiß diskutiertes – Thema war.

Die Qualitätsüberwachung teilt sich in Verfahren, die an der Maschine beziehungsweise direkt imWerkzeug ansetzen, der Online-Qualitätssicherung – und in Methoden, die am fertig gespritzten und eventuell bereits montierten Teil, also extern ansetzen. Bei letzteren geht es insbesondere um die Maßhaltigkeit und manchmal die vollständige Ausformung der entformten Teile oder der Baugruppen. In der Diskussion kristallisierten sich dabei die unterschiedlichsten Bedürfnisse heraus, die stark von den Produkten sowie den eingesetzten Rohstoffen abhängig waren.
Computertomografie (CT) Um vor allem komplexe Teile oder Baugruppen in ihrer vollen Dreidimensionalität zu erfassen, wird von einigen die Computertomografie-Messung als Methode präferiert. Bei beiden Zahnrad-Produzenten – Oechlser und Bauser – laufen hierzu Versuche. Dr. Marco Wacker, Technischer Vorstand, Oechsler, hat an dieser Technologie hohes Interesse, denn sein Unternehmen stellt entsprechende klein- und großformatige Teile her, deren zuverlässige Geometrie ein wichtiges Qualitätskriterium ist. „Die Maße werden bei uns im Hundertstel oder µ-Bereich erfasst, weshalb wir uns in diesem Zusammenhang neben der taktilen Messung und der Interferometrie auch die Computertomografie anschauen.“ Warum nun ausgerechnet die Computertomografie?
Die Geometrie der Zahnräder und ähnlich komplexen Teilen lässt herkömmliche Messmethoden oft an Grenzen stoßen. Die CTdurchleuchtet ein produziertes Teil, so dass die relevanten Abmessungen in allen drei Raumdimensionen geprüft werden können. Bei keinem anderen Verfahren ist das derzeit in dieser Form möglich. Zudem ist eine einzelne Messung mit dem Computertomografen deutlich schneller, als die aufwendige Einzelbetrachtung in verschiedenen Messanordnungen und -schnitten mit anschließendem Prüfbericht zu Dokumentationszwecken. Ein großer Vorteil und Kostenfaktor. Denn – last but not least – spiele die mögliche Dokumentation gegenüber dem Endabnehmer eine große Rolle, da dieser in zunehmendem Maße eine Null-Fehler-Qualität fordere, so Michael Bauser, Geschäftsführer bei Werner Bauser. Andere stießen bei ihren Abnehmern sogar auf Ablehnung, als sie vorschlugen, diese Messmethode für die Teile-Requalifizierungen einzusetzen: „Sie erhalten bei einer CT-Messung doch eine Art Wolke, die zunächst mit den CAD-Daten in Einklang gebracht werden muss. Ein Kunde hat dies nicht akzeptiert mit der Begründung, seine CAD-Daten seien nur auf Nennmaß konstruiert und außerdem benötige er einen konventionellen Messbericht mit Angabe von Sollmaßen, Toleranzen und Istwert-Angaben sowie positionierter Zeichnung“, berichtet Werner Beuerlein, Geschäftsführer bei Kunststofftechnik Ros von der Skepsis, die ihm begegnet. Dr.Wacker sieht das nicht ganz so: „Es gibt mittlerweile recht gute Software und Schnittstellen“, nennt aber eine andere Problematik: „Nicht gelöst sind aktuell noch die Probleme, die sich aus den Dichteunterschieden der Materialien ergeben.“ Die Anschaffung eines eigenen Computertomografen wird übereinstimmend derzeit noch als zu teuer empfunden. „Nächstes Jahr soll ein kleineres Gerät auf den Markt kommen, das auch bei Hybridbauteilen eine bessere Auflösung liefern soll“, macht Bauser der Runde Hoffnung. Er selbst hat die CT-Messungen derzeit an einen Dienstleister vergeben. „Wir bekommen komplette Messergebnisse in vier Tagen. Und die Daten dazu gehören mir, ich kann sie wiederverwenden oder dem Kunden zeigen.“ Doch auch sein Enthusiasmus hat Grenzen – und zwar dort, wo er dem Dienstleister durch die Messvorgaben Teile des eigenen Knowhows übertragen müsste.
Dr. Thomas Zipp, Geschäftsführender Gesellschafter, Weber Kunststofftechnik und Formenbau, sieht die Messmethode differenziert – je nach zu vermessendem Produkt. Vorteile erkennt er für sich bei ganzen kinematischen Baugruppen, die für konservative Toleranz-Kontrollen in Harz eingebettet und an verschiedenen Schnitten vermessen werden. Hier würde ein Computertomograf echte Vorteile bringen, weshalb er demnächst einen Versuch bei einem externen Anbieter starten wird. Neben dem LKT und dem SKZ verfügt unter anderem auch Gaudlitz über einen Computertomografen und entsprechende Erfahrungen (siehe Kasten infoDIRECT). Ein anderer Teil des Produktspektrums bei Weber hat jedoch einen mehrschichtigen Aufbau aus beispielsweise Kunststoff, Primer und Decklack. Hier mutmaßt Dr. Zipp, dass die Computertomografie zur Schichtdickenbestimmung aufgrund der mangelhaften Materialdichteauflösung an ihre Grenzen stoßen wird, was ihm Dr. Wacker aufgrund seiner Erfahrungen bestätigen konnte.
Als Fazit bleibt für die neue und noch sehr teure Messmethode: Gut geeignet für komplexe Geometrien, nicht aber für mehrschichtige Aufbauten mit geringen Dichteunterschieden. Ein großes Manko ist der Preis der Geräte, der sich in den nächsten Jahren sicher verringern wird. Mit zunehmender Erfahrung sowie günstigeren Geräten und besserer Software wird sich die CT aber in den nächsten Jahren einen festen Platz in der Qualitätssicherung der Spritzgießer erobern können.
Thermografie Eine weitere Möglichkeit, die gerade entformten Spritzlinge auf ihre Qualität hin zu untersuchen, ist die IR-Thermokamera. Sie nimmt die Wärmestrahlung der Teileoberfläche auf und bildet sie ab. Auf diese Weise lassen sich fehlerhafte Werkzeugkühlungen oder Durchflussschwankungen in der Kavität erkennen. Aber auch das Werkzeug selbst kann mit der Kamera geprüft werden. Mit dieser Messmethode hatten alle Teilnehmer bereits Erfahrungen. Die Einschätzungen zur Eignung der Messmethode, fielen unterschiedlich aus.
Bauser hatte bereits Versuche mit einer günstigen Thermokamera während der Produktion durchgeführt. Er stellte fest, dass ausreichend aufgelöste Aufnahmen bei kurzenZykluszeiten fast unmöglich seien und beklagt, dass die Auflösung der Kamera unter diesen Bedingungen – kurze Zykluszeit – nach wie vor zu schlecht sei, um tatsächlich ein Resultat über einen schlechteren Durchfluss in der einen oder anderen Kavität zu erhalten. Er hält es daher für besser, Fehler, die durch eine Thermokamera aufgedeckt werden könnten, erst gar nicht entstehen zu lassen. „Wir investieren deshalb eher in die einzelne Durchflussmessung in den Nestern und die Messung der Rücklauftemperatur und koppeln das an die Maschine. Denn dann schalten wir lieber präventiv ab, als den Fehler zu messen, bis er auftritt.“ Auch Beuerlein ist bei den ohnehin schwer handhabbaren hochgefüllten Werkstoffen von dieser Messmethode eher enttäuscht: „Wir wollen noch Erfahrungen sammeln mit Thermografie“, berichtet Beuerlein. „Von besonderem Interesse werden für uns Versuche bei den ohnehin schwer handhabbaren hochgefüllten Werkstoffen mit dieser Methode sein. Wir suchen hier nach einer einfachen Lösung, die uns überzeugt.“ Dr. Zipp hingegen glaubt, mit einer Korrelation zwischen „den attributiven Merkmalen unserer Produkte, wie zum Beispiel dem Glanzgrad oder Eigenspannungen und dem Bild der Thermokamera“ eine Möglichkeit finden zu können, regelnd in die Werkzeugtemperierung einzugreifen. „Ich will wissen, ob die Thermografie mit einer kleinen Inline-Kamera schon so sensibel ist, dass ich an dem Bild bereits minimale Abweichungen der attributiven Qualitätsmerkmale vom Sollwert erkennen kann. Wann driftet meine Qualität sichtbar ab?“ Diese Art der Qualitätssicherung sollte auch in der Serienproduktion greifen. Ziel sei es, so Dr.Zipp, den lokalen Werkzeug-Thermofühler durch ein Thermobild direkt in der Prozessüberwachung ersetzen zu können, um hier einen echten Mehrwert zu erhalten. „Mir schwebt so eine Art Bauteil-Fingerprint vor. Wenn ich immer die gleiche Bauteil-Oberflächentemperaturverteilung habe, dann müssten die Teile auch in ihren Oberflächeneigenschaften immer gleich sein.“ Prof. Ansgar Jaeger,Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt, treibt diesen Gedanken weiter: „Wenn ich einen bestimmten Prozess optimiert habe, innerhalb der Maß- und Geometrietoleranzen bin und auch die Oberflächenqualität erreicht habe, hat mein Teil ein dazu korrelierendes Temperaturbild. Halte ich dieses reproduzierbar von Schuss zu Schuss ein, dann muss auch die Qualität stimmen – und zwar über die reinen Abmessungen hinaus.“ Er vermutet sogar, dass man damit auch im Formteil in gewissen Grenzen innere Eigenschaften wie Kristallisationsgrad oder Faseranteil erkennen könnte. „Denn ich weiß zwar nicht, was, aber ich weiß, dass sich etwas verändert hat, wenn der Wärmeinhalt an einer Stelle ein anderer ist.“
So bleibt festzuhalten, dass eine visuelle Maß-Überprüfung der Teile mit einer Kamera heute eigentlich Stand der Technik ist, gut geeignet für Abmessungen nicht zu komplexer Produkte, für Oberflächen zur Überprüfung beispielsweise der Narbenbildung und im Montagespritzguss, um zu prüfen ob zum Beispiel alle Einleger vorhanden sind. Eine Weiterentwicklung der rein visuellen Prüfung könnte die Thermografie werden, wenn sie im laufendenProzess und auch bei kurzen Zykluszeiten eingesetzt werden kann. Die innere und äußere Qualität eines Teiles könnte dann möglicherweise anhand eines thermografischenFingerprints beurteilt werden. Als problematisch geltendabei Weißbereiche, helle Töne, Transparenz, Stippen und die Prüfung des Glanzgrads.
Online-Messungen Bei der Online-Überwachung geht es darum, durch verschiedene Sensoren besser zu begreifen, was gerade im Inneren des Spritzgießwerkzeugs vor sich geht, um die Maschinen damit optimal einrichten zu können. Der Idealfall wäre, dass die Maschine selbsttätig auf Rohstoffschwankungen im Sinne einer optimierten Produktqualität reagieren könnte. Zu den Online-Messverfahren gehören beispielsweise Druck- und Temperaturaufnehmer im Spritzgießwerkzeug. „Setzt man im Formteil am Anfang einen Druckaufnehmer und am Ende einen Temperatursensor, so wird gemessen, mit welchem Druck am Fließweganfang der zweite Sensor wann erreicht wird. Über dieses Verhältnis von Volumenstrom zu Druckverlust berechnet Priamus eine Fließfähigkeit“, beschreibt Prof. Jaeger die Messanordnung. Und Beuerlein ergänzt: „Dieses Signal könnte laut Hersteller dann bevorzugt zur Regelung von Heißkanälen verwendet werden, damit ein balanciertes Füllverhalten stattfindet.“
Eine Herausforderung, der er sich aktuell gerade zu stellen hat, sind dünnwandige Teile, die am Ende des Fließweges nicht ganz ausgespritzt sind. Hier haben bisher weder Optimierungen an der hydraulischen Spritzgießmaschine noch der Einsatz einer elektrischen Maschine Abhilfe schaffen können. Eine Erklärung für die immer wieder auftretenden Probleme erhofft sich Beuerlein nun von dieser Art der Online-Viskositätsmessung. Allerdings sei dies auch wieder nur eine Zustandserfassung schwankender Rohstoffqualitäten, wirft Dr. Zipp ein. „Die Frage ist doch, wie man die Parameter nachregeln muss, um die Innendruckverläufe wieder in den Griff zu bekommen.“ Denn die Materialchargenschwankungen – die häufig bei gefüllten Werkstoffen noch unkalkulierbarer sind – verursachen in der Produktion diverse Schwierigkeiten. Dazu zählen nicht ausgespritzte Formteile oder Überspritzungen. Beim Thema Unter- beziehungsweise Überfüllung berichtet Prof. Jaeger von einer seiner aktuellen Arbeiten, bei der durch hochauflösende Sensoren die Verformung der Schließeinheit gemessen wird, um ohne aufwendige Sensorik im Werkzeug den prozessabhängig richtigen Umschaltpunkt zu treffen. Erste Versuche zu diesem Thema zeigten identische Verläufe wie Werkzeuginnendruckkurven. Die Euphorie der Teilnehmer, die hier bereits ein hohes Kosteneinsparpotenzial sahen, musste er allerdings etwas dämpfen: „Durch diese Methode kann das Thema Unter- beziehungsweise Überfüllung angepackt und der Umschaltpunkt zuverlässig bestimmt. Voraussetzung ist jedoch auch hier, dass die Werkzeuge gut ausbalanciert sind.“
Gemeinsam versuchten die Teilnehmer einen Hebel zu finden, um die Chargenschwankungen im Prozess noch ausgleichen zu können. Eine weitere Idee dazu hat Dr. Zipp, der vorschlägt, die Maschine im Evolutionssystem sich selbst optimieren zu lassen – bei jedem Chargenwechsel aufs Neue. Der Zeitverlust von einer Stunde sei dabei zu verschmerzen, denn „Man hat ja noch 30 Chargen-Tonnen zu verarbeiten.“ Hier sei bereits ein System auf dem Markt, das diese Evolution unterstützt, bemerkte Prof. Jaeger. „Es fährt eigenständig unterschiedliche Parametersätze ab, der Bediener beurteilt die Qualität, meldet diese an das System zurück und so wird der gesamte Prozess optimiert.“
Derzeit versuche man die Chargenschwankungen ganz konventionell durch engmaschig, statistische Wareneingangskontrollen oder durch Mischen den unterschiedlichen Chargen eines Rohmaterials auszuhebeln, um die Probleme nicht in den Spritzgussprozess weiterzutragen, berichten die Teilnehmer aus ihrem betrieblichenAlltag. Alternativen gibt es für einen Verarbeiter kaum: „Das Material ist oft bereits am Anfang vom Abnehmer vorgegeben, so dass wir keine Möglichkeit haben, das Material zu wechseln oder ein anderes vorzuschlagen“, erzählt Dr. Wacker.

Den mess- und regelungstechnischen Königsweg zur Null-Fehlerqualität werkzeugfallender Teile – das Ei des Kolumbus – scheint noch niemand ge(er)funden zu haben. Die Problematik betrifft alle Verarbeiter, wobei die Ausprägungen so unterschiedlich sind, wie die Materialien und die Produkte, zu denen sie verarbeitet werden. Und es sind diesmal nicht die Hersteller der Maschinen oder Materialentwickler gefragt, sondern die Hersteller von Messtechnik und Sensorik, die sich auf das Thema Kunststoffverarbeitung spezialisiert haben. Ein reger Austausch zwischen Forschung und Entwicklung, den Hochschulen, den Messtechnikherstellern und den Verarbeitern wird sicher dazubeitragen, hier die eine oder andere zündende Idee für die Zukunftzuliefern.


Erhöhte Marktchancen
Produktqualität

  • Für die Qualitätsüberwachung von dreidimensionalen Gemoetrien wird die Computertomografie favorisiert.
  • Für die Qualitätsüberwachung von zweidimensionalen Produkteigenschaften werden Kamera- oder Thermografiesysteme eingesetzt.
  • In der Prozessüberwachung sind vor allem Chargenschwankungen und gefüllte Thermoplaste problematisch.
  • Mit Viskositätsmessungen zur Eingangskontrolle oder mit Korrekturen vom Maschinenparametern als Reaktion auf diverse Messgrößen aus dem Prozess wird versucht, die Rohstoffschwankungen auszugleichen.



Teilnehmer
Kunststoffverarbeiter

  • Michael Bauser, Geschäftsführer,Werner Bauser, Wehingen,mail@bauser.de
  • Werner Beuerlein, Geschäftsführer, Kunststofftechnik Ros, Küps,beuerlein@ros-kt.de
  • Dr. Marco Wacker, Technischer Vorstand,Oechsler, Ansbach, m.wacker@oechlser.com
  • Dr. Thomas Zipp, Geschäftsführender Gesellschafter, Weber Kunststofftechnik und Formenbau, Dillenburg, zipp.th@weber-dillenburg.de



Gastgeber, Moderatoren

  • Prof. Ansgar Jaeger, FH Würzburg-Schweinfurt
  • Martina Bechstedt, Plastverarbeiter
  • Christine Koblmiller, Plastverarbeiter

 

Hintergrund
Was ist „Das Ei des Kolumbus“?



Die Herkunft der Redensart soll auf folgender Anekdote beruhen: Christoph Kolumbus wird nach seiner Rückkehr aus Amerika während eines Essens bei Kardinal Mendoza im Jahr 1493 vorgehalten, es sei ein Leichtes gewesen, die „Neue Welt“ zu entdecken, es hätte dies schließlich auch jeder andere vollführen können. Daraufhin verlangt Kolumbus von den anwesenden Personen, ein gekochtes Ei auf der Spitze aufzustellen. Es werden viele Versuche unternommen, aber niemand schafft es, diese Aufgabe zu erfüllen. Man ist schließlich davon überzeugt, dass es sich hierbei um eine unlösbare Aufgabe handelt, und Kolumbus wird darum gebeten, es selbst zu versuchen. Dieser schlägt sein Ei mit der Spitze auf den Tisch, so dass sie leicht eingedrückt wird und das Ei stehen bleibt. Als die Anwesenden protestieren, dass sie das auch gekonnt hätten, antwortete Kolumbus: „Der Unterschied ist, meine Herren, dass Sie es hätten tun können, ich hingegen habe es getan!“

Quelle: Wikipedia.de



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