Neben Abweichungen bei der Übertragung der Einstelldaten können auch Toleranzen des Spritzgießsystems zu einer mangelhaften Reproduzierbarkeit der Formteilqualität beim Wiederanfahren von Werkzeugen führen. Das Spritzgießsystem umfasst mehrere qualitätsbestimmende Faktoren:Spritzgießmaschine und Werkzeug, Peripheriegeräte und Formmasse.
Bei einer Befragung von 25 klein- und mittelständischen Spritzgießfirmen zeigte sich, dass beim Anfahren neuer Fertigungslose kritischer Formteile in 70 Prozent der Fälle Qualitätsprobleme auftreten. Ein zweites Ergebnis lautet, dass die Anfahrzeiten bis zur stabilen Produktion innerhalb der Toleranzen in 80 Prozent der Fälle bei mehr als zwei Stunden bis hin zu einer Schichtdauer liegen.
Zielsetzung des Forschungsprojekts war die Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Formteilqualität und die Verkürzung der Anlaufzeiten beim erneuten Anfahren von Werkzeugen. Die Untersuchungen wurden im vergangenen Jahr durchgeführt. Sie erstreckten sich im wesentlichen auf zwei Teilbereiche, das Übertragungsverhalten der Einstelldaten auf den zu formenden Kunststoff und den Einfluss von Toleranzen der Prozessparameter auf die Formteilqualität, der im Folgenden näher beleuchtet werden soll.
Toleranzhaltigkeit von Maschinen
Im Januar 2001 gab der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) die Richtlinie VDMA-24470 heraus, in der die notwendigen Arbeitsschritte zum Nachweis der Fähigkeit vonSpritzgießmaschinen während der gesamten Nutzungsdauer beschrieben werden (Tabelle 1). Darin wird gefordert, dass neu ausgelieferte Maschinen hinsichtlich der qualitätsrelevanten Parameter innerhalb bestimmter Toleranzen liegen sollen, um im Trockenlauf als „fähig“ zu gelten. Die Messwerte der Parameter bei der Maschinenabnahme sollen dem Betreiber in einer Art Prüfbuch als Referenz dienen. Zur Darstellung der Langzeitfähigkeit sind die Parameter vom Betreiber in periodischen Zeitintervallen zu überprüfen und bei Abweichungen nachzukalibrieren. Als Überprüfungsintervall werden 7500 Betriebsstunden oder ein mal jährlich empfohlen.
Das Problem der Toleranzen besteht darin, diese so festzulegen, dass sie einerseits dem Systemlieferanten ausreichend Spielraum lassen, andererseits aber auch den Verarbeitern das Erreichen der Sollqualität ermöglichen. Enge Toleranzfelder verursachen nicht nur beim Hersteller von Maschinen und Peripheriegeräten, sondern auch beim Anwender Aufwand und Kosten, weil der Zwang besteht, diese im laufenden Betrieb einzuhalten. Zur Kontrolle der Maschinenparameter wurden verschiedene Messverfahren und Messmittel erprobt. Einfach handhabbare und kostengünstige Messmittel sind in einer Tabelle zusammengestellt, die zum Download bereit steht (s. infoDIRECT).
Mit Hilfe dieser Messmittel wurde die Fähigkeit von elf Spritzgießmaschinen überprüft (Tabelle 2). Demnach liegen nur drei der geprüften Maschinen – A, C und E – mit allen Parametern innerhalb der Toleranzen (Zeilen ohne rote Smilies, die Düsenmittigkeit wird in der VDMA-Richtlinie nicht berücksichtigt). Besonders häufig treten Toleranzüberschreitungen bei der Schneckenvorlaufgeschwindigkeit und der Drehzahl auf. Zu bemerken ist, dass für keine der untersuchten Maschinen in der Vergangenheit eine Nachkalibrierung, wie sie die Richtlinie fordert, durchgeführt worden ist.
Fähigkeit von Peripheriegeräten
Eine ausreichende und reproduzierbare Trocknung und Feuchtigkeitsbestimmung ist von großer Bedeutung für eine reproduzierbare Formteilqualität. Eine praxisgerechte Überprüfung der Fähigkeit von Trocknern kann mit Hilfe der erreichbaren Restfeuchte und der erforderlichen Trocknungszeit durchgeführt werden. Ein Trockner ist fähig, wenn er den für die Produktion eines Formteils erforderlichen Materialstrom, unabhängig von Schwankungen in der Ausgangsfeuchte, trocknen kann. Bild 3 zeigt, dass sich die untersuchten Trockner in der Trocknungsgeschwindigkeit und der erreichbaren Restfeuchte deutlich unterscheiden. Nur mit Trockner A wird nach vier Stunden bei 80°C Trocknungstemperatur die geforderte Restfeuchte von weniger als 0,03 Prozent erreicht, allerdings bei geringer Ausgangsfeuchte. Bei höherer Ausgangsfeuchte wäre auch dieser Trockner nicht fähig, den Materialstrom von 7 kg/4 h ausreichend zu trocknen. Als Testmaterial wurden 7kg Ultramid B3S vonBASF eingesetzt.
Die Untersuchungen zeigen, dass die gemessenen Restfeuchten deutlich vom Messgerät und den Randbedingungen der Messung abhängen. Deshalb sollte die Überwachung der Restfeuchtigkeit mit baugleichen Geräten erfolgen, die einer regelmäßigen Wartung durch den Hersteller unterliegen. Da das Granulat im Trockentrichter räumlich unterschiedlich schnell trocknet, ist darauf zu achten, dass das Granulat immer an einer repräsentativen Stelle, am besten im Bereich des Materialauslassstutzens, entnommen wird. Die benötigte Trocknungszeit sollte in Abhängigkeit von der Anfangsfeuchtigkeit bestimmt werden.
Die Untersuchungen von Temperiergeräten zeigen, dass auch bei baugleichen Geräten je nach Zustand Unterschiede in den Leistungsmerkmalen vorhanden sind. Noch größer sind diese beim Vergleich von Temperiergeräten verschiedener Hersteller. Dies gilt sowohl für die Heiz- und Kühlleistung als auch für die Pumpenkennlinie. Die Unterschiede in den Leistungsmerkmalen können – solange die Geräte nicht an ihre Leistungsgrenzen stoßen – durch eine direkte Werkzeugtemperaturregelung ausgeglichen werden, da die Regelung unabhängig von der Leistung in jedem Fall den Soll-Wert anstrebt. Regelmäßige Überprüfungen liefern Anhaltspunkte zum Verschleißzustand der Geräte. Hilfsmittel und Prozeduren zur praxisnahen Ermittlung der Leistungsdaten wurden erprobt und stehen Interessenten zur Verfügung.
Im Rahmen des Projekts konnten zwei komplexe Heißkanalsysteme analysiert werden. Die Regelung erfolgte mit einem speziellen Heißkanalregelsystem und Standardtemperaturreglern der Maschinensteuerungen. Es zeigte sich, dass nur spezielle Heißkanalregler mit adaptivem Regelalgorithmus die Soll-Werte der Regelkreise überschwingungsfrei und schnell ohne Soll/Ist-Abweichungen erreichten. Voraussetzung ist allerdings, dass der Selbstoptimierungslauf der Regler durchgeführt wird.
Grenzwertige Toleranzkombinationen beeinflussen die Formteilqualität
Die Toleranzen nach der VDMA-Richtlinie lassen derzeit noch verhältnismäßig große Spielräume der Prozessvariablen zu. So darf zum Beispiel die Zylindertemperatur um ±5°C schwanken. Bei dieser Toleranz kann im Grenzfall zwischen zwei Messungen oder unterschiedlichen Spritzgießmaschinen ein Temperaturunterschied von 10°C auftreten. Ein zweites Beispiel ist der im Spritzzylinder gesteuerte Hydraulikdruck von ±4bar. Der zulässige Druckunterschied von 8bar erhöht sich durch die Druckübersetzung von der Hydraulik zum Kunststoff im Schneckenvorraum. Bei einem üblichen Druckübersetzungsfaktor von 10 ergeben sich somit 80 bar und bei einem hohen Übersetzungsfaktor von 20 sogar 160bar zulässige Abweichungen des theoretischen Massedrucks.
Um den Einfluss der Toleranzen auf die Formteilqualität zu prüfen, wurden Stapelbausteine (Bild 4) mit grenzwertigen Toleranzkombinationen gespritzt und ausgemessen. Die Grenzwerte wurden durch Addition/Subtraktion der nach VDMA zulässigen Mindestabweichungen auf die Grundeinstellung ermittelt und die erhaltenen Extremwerte (Levelstufen) in einem Versuchsplan kombiniert (s. infoDIRECT).
Bild 5 zeigt schematisch das Toleranzfeld nach DIN 16901, Reihe 2, Werkstoff PA6 für das Breitenmaß des Stapelkastens von 76,49 mm. Die Toleranz nach DIN 16901 beträgt für dieses Maß 0,48 mm. Unter der Voraussetzung, dass man mit dem Ist-Maß der Einstellung V11 genau die Toleranzmitte trifft, würden die toleranzbedingten Maßänderungen von maximal 0,22 mm noch im Toleranzfeld bleiben. Diese Annahme ist aber unrealistisch, denn im Werkzeugbau werden Schwindungswerte und Toleranzen zur materialsicheren Seite festgelegt. Das heißt, im Falle des Stapelbausteins würde das Gesenk eher zu klein als zu groß bemessen, damit noch nachgearbeitet werden kann. Dies bedeutet, dass das mittlere Ist-Außenmaß normalerweise unterhalb der Toleranzmitte liegt. In der Grafik wurde angenommen, dass die mittlere Breite der Einstellung V11 gerade soweit von der unteren Toleranzgrenze entfernt liegt, dass eine Mindestprozessfähigkeit von cp=1 erreicht würde. Addiert man zu diesem Maß die Breitenänderungen durch die grenzwertigen Kombinationen der Maschinentoleranzen, so erkennt man, dass mehrere Kombinationen zur Überschreitung der DIN-Toleranz führen. Dies gilt umso mehr, als bei der Berechnung der Einstellstufen die absoluten VDMA-Mindesttoleranzen gewählt wurden und nicht die zum Teil wesentlich größeren, prozentual auf den Arbeitsbereich bezogenen.
Die Untersuchung zeigt, dass die großen Maschinentoleranzen nach VDMA bei engen Maßtoleranzen eine Ursache für mangelhafte Qualität und Reproduzierbarkeit auf verschiedenen Maschinen sein können.
Das Forschungsvorhaben 14364N der Mitgliedsvereinigung Kunststoff-Zentrum wurde im IGF-Programm vom BMWi über die AiF finanziert.
Fazit
VDMA-Toleranzen reduzieren?
Es konnte gezeigt werden, dass durch grenzwertige Kombinationen der VDMA-Toleranzen Maßtoleranzen nach DIN 16901, die als großzügig gelten, überschritten werden können. Auf der anderen Seite wurde festgestellt, dass die Ist-Toleranzen der Maschinenparameter mehrheitlich deutlich kleiner als die VDMA-Toleranzen sind. Dies schließt nicht aus, dass einzelne Werte die VDMA-Toleranzen überschreiten. Ursache sind dann meist Kalibrierfehler, übermäßiger Verschleiß und nicht erkannte Defekte. Nach bisherigen Erfahrungen könnten die VDMA-Toleranzen also deutlich reduziert werden. Zur Präzisierung sollten allerdings noch breiter angelegte Untersuchungen durchgeführt werden.
Einschränkend muss festgestellt werden, dass die Toleranzen der Maschinen und Peripheriegeräte keinesfalls alleine für die unbefriedigende Wiederholgenauigkeit beim Wiederanfahren von Werkzeugen verantwortlich sind. Eine wesentliche Ursache ist die unterschiedliche Übertragung der Druckeinstellparameter vom Schneckenantrieb der Maschine zur Schmelze im Schneckenvorraum. Das Druckübertragungsverhalten hängt nicht nur von den Größenverhältnissen, sondern auch von Bauart, Passungsspielen, Verschleißzustand, Reibungsverhalten und weiteren Einflüssen ab. Durch Messung und Regelung des Schneckenvorraumdrucks an Stelle von Hydraulikdruck oder Schneckenkraft (bei vollelektrischen Antrieben) kann die Genauigkeit der Maschinen erheblich verbessert werden.
