Versuchsplanung mit der Software. (Bild: SKZ)

Versuchsplanung mit der Software. (Bild: SKZ)

Vor diesem Problem stand auch Japan nach dem Ende des zweiten Weltkriegs. Als Verlierer abgeschnitten vom Zugang zu modernen Fertigungsanlagen und Rohstoffen sollten trotzdem konkurrenzfähige Produkte entstehen, die auf dem Weltmarkt Käufer finden und die Wirtschaft ankurbeln. Die vorhandenen Ressourcen mussten also bestmöglich genutzt werden, um dieses Ziel zu erreichen. Methoden zur Qualitätsoptimierung wurden entwickelt, unter anderem auch auf Basis der statistischen Versuchsmethodik (Design Of Experiments, DOE). In den 1980er Jahren wurden diese Strategien zunächst in den USA und dann auch in Europa wahrgenommen und in den Fachmagazinen verbreitet. Eine der bekanntesten Methoden geht auf die Untersuchungen von Genichi Taguchi zurück. Ihre Besonderheit liegt in der Behauptung und dem Beweis Taguchis, dass nicht nur das Niveau der Qualitätsmerkmale durch die Maschineneinstellung zu beeinflussen ist, sondern auch die vermeintlich „zufälligen“ Schwankungen von Zyklus zu Zyklus.

Die Entwicklung

1989 griff das Kunststoff-Zentrum SKZ, Würzburg, die Methode für ein Forschungsvorhaben auf. Hierbei sollten die Fragestellungen beantwortet werden, ob sich auch beim Spritzgießen die Qualitätsschwankungen gezielt minimieren lassen und welche Vorgehensweisen (Art der Versuchspläne, Auswertungsschritte und so weiter) dazu notwendig sind. Eine Dissertation, drei Forschungsvorhaben und unzählige Diplomarbeiten später stand ein Gesamtpaket fest, zu dem auch eine entsprechende Software gehörte. 1990 entwickelt, war sie zunächst nur für den internen Gebrauch gedacht. Die positive Resonanz führte 1992 allerdings zu einer kommerzialisierten Version. Den raschen Entwicklungen der Computertechnik folgend, wurde das Method for the Empirical Statistical Offline System Analysis (Mesos) genannte Programm 1998 von MS-DOS auf MS Windows umgestellt und schließlich 2005 und 2018 nochmals umfangreich überarbeitet.

Die Vorzüge

Grafische Auswertung der Parametereinflüsse. (Bild: SKZ)

Grafische Auswertung der Parametereinflüsse. (Bild: SKZ)

Trotz des scheinbaren Überangebots an vergleichbarer Software besteht nach wie vor eine Lücke zwischen einfachen Arbeitsblättern in einer Tabellenkalkulation und den großen allgemeinen Statistikprogrammen. Erstere stoßen schnell an statistische Grenzen und nutzen nicht den vollen Informationsgehalt der gefahrenen Versuche. Letztere verlangen umfangreiches Vorwissen und sprechen nicht die Sprache des Spritzgießers. Das SKZ-Programm hingegen fokussiert sich bewusst auf den Bereich der Kunststoffverarbeitung und hier insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf das Spritzgießen. Es führt den Anwender mit Hilfe einfacher Assistenten sowohl durch den Auswahlprozess eines geeigneten Versuchsplans als auch durch die nachfolgenden Schritte der Messwerterfassung, Modellbildung und Prozessoptimierung. Dabei sind sowohl Robustheitsoptimierungen, die auf ein Reduzieren der Qualitätsschwankungen abzielen, als auch konventionelles Optimieren der Qualitätsmerkmale auf einen Sollwert möglich. Die erfassten Messwerte der hergestellten Teile werden zu Kennwerten aufbereitet und als zwei- und dreidimensionale Grafiken dargestellt.

Aus diesen lässt sich auf einen Blick erkennen, wie die Qualitätsmerkmale am hergestellten Teil auf Änderungen der Maschineneinstellung reagieren. Eine große Herausforderung dabei ist, dass die optimale Einstellung schlussendlich eine große Anzahl an teilweise gegenläufig reagierenden Formteilmerkmalen zu einem Gesamtkompromiss vereinen muss. Über die grafischen Darstellungen, die einen immens wichtigen Beitrag für das qualitative Prozessverständnis leisten, ist dieser Kompromiss quantitativ nur sehr aufwendig zu ermitteln. Alle (manuellen) Interpretationsschritte auf dem Weg zur optimalen Einstellung können daher auf Wunsch auch automatisiert vom Programm übernommen werden. Dazu werden Qualitätsfunktionen mit wählbaren Gewichtungen der Formteilmerkmale und Wunschfunktionen für die Maschineneinstellung beispielsweise eine möglichst niedrige Werkzeugtemperatur aus den Prozessmodellen abgeleitet und viele tausend Einstellkombinationen „virtuell“ ausprobiert, um den besten Kompromiss zu finden. Ergänzt und unterstützt werden diese vielfältigen Programmfunktionen durch insgesamt mehr als 200 Seiten Dokumentation, die ein Theoriehandbuch und kontextbezogene Hilfetexte mit Interpretationsbeispielen an allen relevanten Stellen umfassen.

Die Praxis

Die Forschungseinrichtung bietet seit Einführen des Programms in den 1990ern regelmäßig Softwareschulungen an. Insbesondere Inhouse-Schulungen werden von den Firmen gerne genutzt, da hier aktuelle Problemstellungen behandelt und der Produktionsprozess direkt vor Ort analysiert und diskutiert werden kann. „Durch Mesos können auch Schwachstellen in den Produktionsprozessen entlarvt werden. Die statistische Auswertung erkennt sofort, wenn zum Beispiel Messsysteme falsch bedient werden, Sensoren falsche Daten liefern oder Temperiergeräte defekt sind. Dies hat alles direkte Auswirkungen auf die Qualitätsmerkmale der Bauteile“, erläutert Ulrich Schätzlein, Kursleiter am SKZ und Praxisexperte für das Programm.

Ulrich Bolay, Leiter Anwendungstechnik bei PVS-Kunststofftechnik, Niedernhall, vertraut auf die Software: „Mit Mesos kommt man schneller ans Ziel, zu einer optimalen Einstellung. Man sieht sehr schnell die Zusammenhänge und Auswirkungen der Parameter auf die Qualitätsmerkmale, insbesondere die Bauteilmaße. Wir nutzen Mesos auch bei Besprechungen mit Kunden, wenn es um Qualität oder Korrekturen am Werkzeug geht.“

Vermessung des Lüfterrades, um den Fertigunsprozess zu optimieren. (Bild: SKZ)

Vermessung des Lüfterrades, um den Fertigunsprozess zu optimieren. (Bild: SKZ)

Die Software wurde kürzlich zum Optimieren des Produktionsprozesses eines Lüfterrads eingesetzt. Hier sollten zum einen die geforderten Toleranzen des Rads eingehalten und zum anderen die Zykluszeit soweit möglich verkürzt werden. Ein klassischer Fall, denn eine kurze Zykluszeit und damit eine hohe Stückzahl und Effizienz ist der Wunsch eines jeden Spritzgießers. Das Lüfterrad aus Polypropylen mit 40 % Glasfasern wird auf einer Spritzgießmaschine KM 350-2000 AX von KraussMaffei, München, hergestellt. An Mesos wurden zum Berechnen die vier Parameter Werkzeugtemperatur, Nachdruck, Einspritzzeit und Kühlzeit übergeben und diese in jeweils zwei Stufen variiert. Zusätzlich wurde ein Zentralpunkt für die Parameter ausgewählt. Mit Hilfe dieses 24-1-Plans wurden anschließend Lüfterräder produziert und nach dem Abkühlen hinsichtlich der Toleranzen vermessen.

Das Vermessen der Bauteile nimmt in der Regel die meiste Zeit in Anspruch, weil hier sehr genau und sorgfältig gearbeitet werden muss. Denn stimmen die Maße der Proben nicht, kann das Programm auch keinen idealen Prozesspunkt festlegen. Im Fall der Lüfterräder der Firma PVS wurde jedoch mit einer Werkzeugtemperatur von 85 °C, einer Einspritzzeit von 4 s, einer Kühlzeit von 40 s und einem Nachdruck von 300 bar eine Einstellung gefunden, bei der die Streuung der Maße am geringsten war. Es zeigte sich außerdem, dass Werkzeugtemperatur und Kühlzeit die größten Einflüsse auf die Maße und damit die Qualität der Lüfterräder ausüben. Um eine möglichst geringe Zykluszeit bei gleichbleibend hoher Qualität zu erwirken, sollte die Kühlzeit reduziert werden. Das Programm schlug hierfür vor, die Kühlzeit auf 35 s und die Einspritzzeit auf 2,2 s zu reduzieren, dafür aber den Nachdruck auf 500 bar zu erhöhen. Diese Einstellungen lieferten qualitativ nahezu gleichwertige Lüfterräder bei um 6,8 s verkürzter Zykluszeit. Die Software ermöglichte innerhalb eines Tages den Prozess zu optimieren. Praktische Versuche hätten mehrere Tage in Anspruch genommen und hunderte Kilogramm Ausschuss generiert.

Über die Autoren

Dipl.-Ing. Georg Schwalme

ist Bereichsleiter Spritzgießen und Additive Fertigung am SKZ-KFE in Würzburg.

Markus Hoffmann

ist Bildungsmanager am SKZ-KFE in Würzburg.

Matthias Ruff

ist Vertriebsleiter am SKZ-KFE in Würzburg.