Es ist allgemein bekannt, dass immer nur ein kleiner Teil der Ursachen für den Großteil der Ergebnisse verantwortlich ist. So beseitigt beispielsweise die Bearbeitung weniger, aber wichtiger Reklamationen einen hohen Anteil der Ausschuss- und Reklamationskosten. Bei den Ursachen für schlechte Spritzgießteile ist es dasselbe: Werden ein paar wenige schwerwiegende Ursachen für schlechte Teile eliminiert, die fast alle Prozesse beeinflussen, ist der größte Teil der Qualitätsprobleme beseitigt. Eine dieser Ursachen sind Viskositätsschwankungen der Formmasse während der Füllung der Kavität. Eine andere Ursache ist die Reproduzierbarkeit der Nachdruckphase, die die Formteilqualität maßgeblich beeinflusst. Der dritte Ansatzpunkt ist die Kühlung beziehungsweise die Entformung, welche die Schwindung und somit Maßhaltigkeit der Teile beeinflusst. Nun sind es weniger die Schwankungen der Maschinenparameter sondern vielmehr die Veränderungen der Formmasse durch Materialschwankungen, die in Viskositätsschwankungen resultieren. Diese Materialschwankungen können durch unterschiedliche Trocknung, durch die asynchrone Temperaturregelung in der Düse, dem Heißkanal und dem Werkzeug sowie veränderlichen Umgebungsbedingungen bedingt sein.

Viskositätsschwankungen der Schmelze bei der Formfüllung

Die vorrangige Aufgabe besteht darin, diese Viskositätsschwankungen während der Füllphase in allen Kavitäten sichtbar zu machen und darauf zu reagieren, um die Unterschiede möglichst gering zu halten und immer auf denselben Wert zu regeln. Damit wird die Basis für den weiteren Prozess geschaffen. Denn nur bei gleichzeitiger Formfüllung kann der Umschaltpunkt für alle Kavitäten eines Mehrfachwerkzeugs richtig sein. Dafür gibt es zwei effektive Möglichkeiten:

  • Platziert man einen sehr dynamischen Temperatursensor optimalerweise am Fließwegende, dann erkennt man anhand des Temperaturanstieges das Ankommen der Formmasse an dieser Stelle und „sieht“ somit die Unterschiede von Kavität zu Kavität und die Veränderungen von Schuss zu Schuss. Ohne die Maschineneinstellungen geändert zu haben, zeigen sich nahezu immer Viskositätsschwankungen, die durch die zeitlichen Veränderungen der Temperaturanstiege sichtbar werden (siehe Bild unten).
  • Die zweite Methode, die bei größeren Einfachwerkzeugen eingesetzt werden kann, ist ein von Priamus patentiertes Messverfahren, das über einen angussnahen Werkzeuginnendruck-Sensor und einen angussfernen Werkzeugwandtemperatur-Sensor Schubspannung und Schergeschwindigkeit und somit die Viskosität ermittelt. Als Resultat erhält man eine relative Viskosität (Pas), die die gleichen Veränderungen zeigt wie Messungen im Rheometer. Diese wird dann mit einem Referenzwert verglichen und entsprechend nachgeregelt.

 

In beiden Fällen kann auf diese Schwankungen im Prozess reagiert werden. Von entscheidender Wichtigkeit ist dabei die Erfassung der Füllunterschiede noch während der Formfüllung, also wenn die Formmasse noch im Fluss ist. Werden die Füllunterschiede erst in der Kompressionsphase ermittelt, herrschen zum gleichem Zeitpunkt oft unterschiedliche Druckverhältnisse und damit unterschiedliche Verdichtungsgrade vor, was eine darauf basierende Regelung fehlerhaft und uneffektiv macht, wie es beispielsweise bei der Balancierung mit Werkzeuginnendruck-Sensoren auf Basis der zeitlich unterschiedlichen Druckanstiege in der Kompressionsphase der Fall ist. Soll eine Balancierung über Werkzeuginnendrucksignale erfolgen, muss der Druckanstieg bei Eintreffen der Fließfront am Sensor detektiert werden.

Automatische Balancierung der Heißkanaldüsen mit Temperatursignalen

Etabliert ist inzwischen die automatische Balancierung mittels Werkzeugwandtemperatur-Sensoren am Fließwegende. Die Füllzeitdifferenzen werden über die Veränderung der Heißkanaldüsentemperaturen und damit durch die Angleichung der Viskositäten in jeder einzelnen Kavität minimiert oder sogar ganz beseitigt. Dieser ausbalancierte Zustand wird durch die permanente Regelung während der gesamten Produktion gehalten. Schwankungen des Materials, der Trocknung, der Temperierungen etc. werden innerhalb der physikalischen Möglichkeiten automatisch ausgeglichen. Sind die Schwankungen zu hoch, werden die schlechten Teile automatisch aussortiert.

Eine solche Fließfrontregelung Fill & Cool von Priamus, die auf der Messung der Werkzeugwandtemperaturen beruht und den Schmelzefluss durch die Heißkanaldüsen regelt, wird bei der Fertigung von elektrischen Leitungen für ein Antiblockiersystem (ABS) eingesetzt. Die fertig konfektionierten Leitungen mit Stecker, Knickschutztüllen und Befestigungshilfen werden in einer vollautomatischen Fertigungszelle produziert, aus Kabel von der Trommel und Stanzkontakten vom Band. Das Regelsystem wird in den zwei Spritzgießmaschinen zum Anspritzen der Tüllen und Befestigungshilfen eingesetzt; dabei mussten natürlich die Fehler, die aus einfacherer Fertigung bei Zulieferern bekannt waren, eliminiert werden.
Die Fehler bei der einfachen Fertigung waren waren wiederholt nicht vollständig ausgespritzte Tüllen an den Leitungen, oder es fehlten diese sogar ganz. Es gab Leitungsunterbrechungen unter den Tüllen, die besonders kritisch sind, die aber bei der elektrischen Endprüfung oft nicht bemerkt wurden, da nur sporadisch der elektrische Kontakt fehlte. Weiterhin wurden die Unterbrechungen oft erst beim Einbau in das Fahrzeug oder bei erster thermischer oder mechanischer Belastung aktiviert. Die Gefahr von Rückrufaktionen bestand. Aus diesen Gründen war für das Umspritzen der Leitungen, die in zwei Spritzgießmaschinen erfolgt, eine Prozessregelung zur Vermeidung von Qualitätsproblemen und zur gleichzeitigen Erkennung und Selektierung von fehlerhaften Teilen gefordert.
Hierfür wurde ein pfiffiges Werkzeugkonzept entwickelt. Es erlaubt die Fertigung von drei verschiedenen Leitungen, die sich in Anordnung und Abstand der Tüllen unterscheiden, ohne Werkzeugrüsten – nur durch Aktivieren der spezifischen Parametersätze. Es besteht aus einem sechsfach Heißkanalwerkzeug und einem Kombi-Werkzeug mit sechs und zwölf Kavitäten. Letzteres mit zwei getrennten Heißkanalsystemen, die bedarfsabhängig zugeschaltet werden.
Mit je einem Werkzeugwandtemperatur-Sensor in jeder Tüllenkavität am Fließwegende werden die Füllunterschiede erfasst und die jeweiligen Heißkanaldüsen nachgeregelt, um immer einen ausbalancierten Zustand zu gewährleisten. Über die gleichen Temperatursignale wird die Formfüllung überwacht. Falls es durch zu große Schwankungen in seltenen Fällen zu nicht ganz ausgespritzten Tüllen kommt, ist die Temperaturerhöhung zu gering oder gar nicht vorhanden und die Leitungen werden automatisch mit Hilfe eines Fünf-Achs-Roboters aussortiert.

2,5 ppm – das Maß für die “Null-Kilometer-Beanstandung“ wurde erreicht

Durch die vorausschauende Anlagenplanung, die diese Prozessregelung schon in der Konzeptphase berücksichtigte, kann man nun in der Produktion bei Bosch hervorragende Ergebnisse in Bezug auf Qualität und Wirtschaftlichkeit nachweisen. Man fährt mit einem geregelten Spritzgießprozess, der manuelles Nachregeln überflüssig macht, Einstellfehler werden vermieden und die Ausschuss- und Ausfallkosten konnten stark reduziert werden. Teure Ausschussteile werden gar nicht erst produziert. Die Fehlerrate der gesamten Anlage beträgt weniger als 0,5 Prozent. Die Anlagenverfügbarkeit liegt aufgrund der produktionstauglichen Regelung bei über 95 Prozent und es gab seit dem Serienanlauf im Frühjahr 2009 keine Kundenreklamationen mehr. Das von Bosch ausgegebene hohe Qualitätsziel, das für den ABS-Drehzahlfühler, bestehend aus Leitung und Sensor, auch erreicht wird, beträgt weniger als 2,5 Teile pro Million (ppm) hergestellter Teile, was das Maß für die “Null-Kilometer-Beanstandung“ ist.

Kosteneffizienz
Wer keine Reklamationen hat, produziert wirtschaftlicher

Durch den Einsatz einer Fließfrontregelung für die Schmelze beim Umspritzen eines Kabels mit Knickschutztüllen und Befestigungshilfen hat die Robert Bosch Fahrzeugelektrik Eisenach die Qualität der so konfektionierten Leitungen für einen Drehzahlsensor eines Antiblockiersystems entscheidend gesteigert. Die zuvor über Zulieferer konfektionierten Teile hatten zu viele Fehler – die Gefahr von Rückrufaktionen bestand. Die Problemlösung in Form einer Fließfrontregelung Fill & Cool von Priamus hat die Qualität des kritischen Umspritzprozesses erheblich gesteigert, Ausschussteile werden vermieden; zudem wird eine Anlagenverfügbarkeit von 95 Prozent erreicht. Bosch hat dadurch seine hohen Qualitätsziele von weniger als 2,5 ppm (parts per million) für das Gesamtprodukt ABS-Drehzahlsensor erreicht. Dadurch und nicht zuletzt auch durch die 100-prozentige Überwachung der Spritzgießteile wurden die Kundenreklamationen seit Beginn der eigenen Produktion im Frühjahr 2009 vollständig eliminiert. Bosch konnte dadurch auch den Profit steigern.

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Rolf Bischof, Projektleitung, Robert Bosch Fahrzeugelektrik Eisenach, Eisenach, Erwin König, Geschäftsführer, Priamus System Technologies, Salach, salesde@priamus.com