Baubeschläge und Sanitärausstattung als Eigenprogramm sowie technische Funktionsbaugruppen für die Automobilindustrie sind Produkte von HEWI Heinrich Wilke. Das Produktionswerk von HEWI in Bad Arolsen fertigt alle Kunststoffteile auf demselben Maschinenpark. Je nach Produkt müssen sich die Techniker an verschiedenen Herausforderungen orientieren: Im klassischen HEWI-Portfolio für Gebäude- und Sanitärtechnik überragt das Hauptqualitätskriterium Oberfläche die Funktionsanforderungen. Bei den Zulieferteilen ist es umgekehrt: Hier ist die Einhaltung der gewünschten Funktionalität wichtiger als die optische Qualität eines Bauteils. Auf diese Anforderungen reagieren die Verfahrenstechniker mit verschiedensten Maßnahmen der Prozessgestaltung und Qualitätssicherung.

Verzugsfreiheit durch innendruck-
abhängiges Umschalten

Das Spritzgießen eines Hygiene-Abfallbehälters stellte Produktion und Verfahrenstechnik des Kunststoffverarbeiters vor eine größere Herausforderung. Kernbauteil ist ein Behälter aus Polyamid PA12, der rückseitig Stege und Befestigungselemente besitzt. Mit einem Schussgewicht von 1.050 g wurde dieser Behälter auf einer älteren 10.000-kN-Spritzgießmaschine im halbautomatischen Betrieb gefertigt. Jeder einzelne Behälter wurde nach der manuellen Entnahme durch einen Mitarbeiter optisch begutachtet, was eine optimale Oberflächenqualität sicherstellte. Der angestrebten vollautomatischen Fertigung standen Qualitätsprobleme entgegen, die sich trotz einer geprüft guten Oberflächenabformung erst in der Montage zeigten: Der Verzug zwischen zwei der Befestigungselemente beeinträchtigte die Betätigungskräfte am fertig montierten Abfalleimer und führte in der Produktprüfung zu Ausschuss. Untersuchungen ergaben, dass die wegabhängige Umschaltung der Maschine von Einspritzdruck auf Nachdruck nicht genau genug war, um die Behälter automatisiert, verzugsfrei und in reproduzierbarer Qualität herzustellen. Erklärtes Ziel war es also, den Prozess zu stabilisieren und vom halbautomatischen auf vollautomatischen Betrieb umzustellen.
Die unzulängliche Regelfähigkeit der Maschine war nur durch ein externes System zu überbrücken, das dennoch tiefen Einblick in die tatsächlichen Prozessverlauf bietet. Dazu wählte der Kunststoffverarbeiter eine Werkzeuginnendrucksensorik und das Prozessüberwachungs- und Regelungssystem CoMo Injection von Kistler Instrumente. Ein piezoelektrischer Drucksensor wurde in das Werkzeug nachgerüstet und an das System angeschlossen. Es analysiert während des Einspritzens den Verlauf des Werkzeuginnendrucks und erkennt bei jedem Schuss an der Druckkurve den Punkt der volumetrischen Füllung. Hier, nach dem Füllen der Kavität und vor dem Komprimieren der Schmelze, liegt der optimale Umschaltpunkt. Das System schaltet die Maschine an diesem Umschaltpunkt bei jedem Zyklus von Einspritzdruck auf Nachdruck um, ohne dass die Maschine auf ihre eigenen Mess- und Regelsysteme angewiesen ist. Zusätzlich zur Umschaltung dient eine Überwachungsschwelle im Verlauf des Werkzeuginnendrucks zur automatischen Qualitätsbegutachtung des Behälters. Wird ein definierter Mindestdruck im Werkzeuginnendruckverlauf nicht erreicht, so erhält der Roboter ein Signal, den gerade produzierten Behälter in einer Ausschusskiste abzulegen.

Prozessüberwachung in der Mehrkomponententechnik
Seit dem innendruckabhängigen Umschalten von Einspritzdruck auf Nachdruck sowie der automatischen Begutachtung jedes einzelnen Abfallbehälters durch die Werkzeuginnendrucktechnik ist die Ausschussquote auf einen Bruchteil zurückgegangen – auf weniger als 2 %. Angesichts des Schussgewichts von mehr als 1 kg des teuren PA12-Typs schützt diese Technik jetzt vor hohen Verlusten.
Neben gebäude- und sanitärtechnischen Produkten stellt HEWI auch Zulieferteile wie kinematische Komponenten und Luft führende Baugruppen von Klimaanlagen für mehrere Automobilhersteller her. Typische Bauteile sind Funktionselemente im Luftmanagement wie Klappen, Ventile und mechanische Stellhebel aus SEBS, PP und PA. Viele Klappen werden in verschiedenen Formen und Querschnitten mit einer Weichkomponente aus TPE als umlaufende Dichtfunktion umspritzt. Dabei sind die Dichtflächen glatt oder gezahnt ausgeführt. Mit der 2K-Technologie rückte damit auch die Heißkanaltechnik bei dem Kunststoffverarbeiter ein, die bislang nur für die Hartkomponente verwendet wird. An vielen kritischen Teilen wird auch hier die Werkzeuginnendrucktechnik eingesetzt, die in Echtzeit prüft, ob der für die richtige Formteilqualität notwendige Druckverlauf eingehalten wird. Nach dem Überwachen der Hartkomponente will HEWI in Zukunft auch die eine oder andere Anspritzung von Weichkomponente überwachen.

Master-Druckverläufe leiten die Qualitätsüberwachung
Bei HEWI fallen rund 170 Ersteinstellungen und Erstbemusterungen von Werkzeugen pro Jahr in die Verantwortung des verfahrenstechnischen Teams um Hans Günter Herbold, Leiter der Verfahrenstechnik bei HEWI. Bei der Abmusterung sucht das Team systematisch jene Einstellung aller Parameter, die gleichermaßen Prozessstabilität und Formteilqualität sicherstellt und eine wirtschaftliche Zykluszeit ermöglicht. Der aus den Abmusterungen resultierende Werkzeuginnendruckverlauf gilt fortan als Mastereinstellung für die Serienfertigung des Formteils. Mit dieser Strategie sind Werkzeugwechsel kein Problem mehr – weder von einer Maschinenmarke auf die andere noch von einem kleineren auf ein etwas größeres Modell derselben Marke. In der Produktion werden die Stellgrößen der Maschine so angepasst, dass sich der gewünschte Druckverlauf einstellt.
Dem notwendigen Druckverlauf entsprechend parametrieren die Verfahrenstechniker das Regelsystem: Anhand des Druckverlaufs werden die Kriterien zur positiven Beurteilung der Qualität definiert und in Bewertungselementen dargestellt. Das sind beispielsweise so genannte Boxen, die aus einem definierten Druckbereich und einem definierten Zeitfenster gebildet und vom Druck definiert durchlaufen werden müssen. Mindestniveaus an Druck können durch sogenannte Schwellwerte definiert werden. Durchläuft der Druck die Box nicht in der vorgeschriebenen Weise oder bleibt der erforderliche Mindestdruck hinter dem Schwellwert zurück, bewertet das Regelsystem die Qualität als mangelhaft, stellt die Ausschussweiche auf „Ausschuss“ oder lässt den Entnahmeroboter das Formteil als Ausschuss ablegen.

Balancierung von Heißkanalwerkzeugen

Nach den positiven Erfahrungen mit der innendruckabhängigen Umschaltung auf Nachdruck und der laufenden Qualitätsüberwachung in der Serienfertigung hat HEWI auch die automatische Heißkanalbalancierung MultiFlow von Kistler als zusätzliche Mess- und Regelkomponente für die Werkzeuginnendrucktechnik mit CoMo Injection hinzugezogen. Dazu Herbold: „Füllstudien mit Teilfüllungen sind viel zu aufwendig. Deshalb brauchten wir unbedingt eine automatische Balancierung. Schneller und effizienter sind wir mit den Kistler-Systemen!“ Ziel der automatischen Heißkanalbalancierung sind identische Füll- und Druckverhältnisse in allen Kavitäten eines Vielfach-Werkzeugs. Da der Druck in einer Kavität direkt mit dem Füllgrad korreliert, lässt sich die Qualität einer Balancierung direkt aus den Druckverläufen aller Kavitäten ablesen. Um eine optimale Balancierung zu erreichen, sollten die Werkzeuginnendrücke aller Formnester in der Kompressionsphase möglichst identisch sein – hinsichtlich des Verlaufs und der Höhe.
Um Mehrkavitäten-Heißkanalwerkzeuge automatisch zu balancieren, stattet der Kunststoffverarbeiter jede Kavität mit einem Werkzeuginnendrucksensor aus. Die Sensorsignale führen zur Heißkanalbalancierung. Hier gelten die Verläufe des Werkzeuginnendrucks in den einzelnen Kavitäten als Regelgrößen, während die Temperaturen der Heißkanaldüsen als Stellgrößen dienen: Je höher die Düsentemperatur, desto höher die Schmelzetemperatur, desto niedriger die Viskosität der Schmelze, desto geringer der Fließwiderstand in Düse und Werkzeug und damit umso leichter die Füllung der Kavitäten. Die Heißkanalbalancierung analysiert und vergleicht also die gemessenen Druckkurven, errechnet neue Solldüsentemperaturen und überträgt sie Zyklus für Zyklus über eine Schnittstelle an das Heißkanal-Regelsystem oder an den in die Spritzgießmaschine integrierten Regler. So entsteht ein geschlossener Regelkreis, der automatisch die gleichmäßige und synchrone Füllung aller Kavitäten sicherstellt. Beim Anfahren von Mehrkavitätenwerkzeugen wird der Heißkanal so vollautomatisch balanciert. Während der Produktion werden die Heißkanaltemperaturen automatisch nachgeregelt. Auf diese Art und Weise sorgt dieses zusätzliche System für die Heißkanalbalancierung und dauerhaft stabile Füllverhältnisse in allen Kavitäten – ohne weitere manuelle Eingriffe. Das System regelt auch Veränderungen des Prozesses, Materialschwankungen, Einflüsse der Produktionsumgebung und andere Prozessstörungen automatisch aus.
Führt die automatische Balancierung nicht zum Ziel, weil die Probleme nicht in der Prozessführung begründet liegen, so sind die Druckverläufe aus der Heißkanalbalancierung innerhalb des Prozessüberwachungs- und Regelungssystems dennoch eine Hilfe bei der Fehlerbehebung. „Wir schicken nur die Bilder mit den Druckverläufen zum Heißkanalhersteller, dann wissen die sehr schnell, was zu tun ist.“ Nachdem in vielen Mehrkomponentenwerkzeugen das Spritzen der Hartkomponente mit dem Prozessüberwachungs- und Regelungssystem überwacht und teilweise mit der Heißkanalbalancierung austariert wird, setzt HEWI jetzt auch beim Anspritzen der funktional so wichtigen Weichkomponente demnächst auf Überwachung mit Drucksensorik.

Bessere Nutzung verfügbarer Kapazitäten durch Auslastung älterer Maschinen

Bei Aufträgen aus der Automobilindustrie hat der Kunststoffverarbeiter zwischen der Abmusterung der Werkzeuge und dem Serienanlauf mit einer stark wechselnden Nachfrage zu kämpfen. Große Flexibilität hinsichtlich Losgrößen und Lieferterminen ist verlangt, wenn Prototypen ausgestattet und Testfahrzeuge hergestellt werden. Flexibilität ist aber auch verlangt, wenn es um die Nutzung freier Kapazitäten für genau dieser Aufträge geht. Dennoch ist absolute Sicherheit verlangt, was 100 % Qualität betrifft. HEWI verfügt in seinem 71 Maschinen starken und an sechs Tagen rund um die Uhr laufenden Park mit 220 bis 10.000 kN Schließkraft über eine Reihe gut gepflegter und voll funktionstüchtiger Spritzgießmaschinen älteren Baujahrs. Aber nicht alle lassen sich mit vertretbarem Aufwand auf den aktuellen Stand der Technik bringen. Im Rahmen seiner Null-Fehler-Strategie suchte das Unternehmen nach Möglichkeiten, eine Überwachung sicherzustellen, ohne die Hard- oder Software der Maschine zu modifizieren.
Ohne notwendige Interaktion mit der Maschine selbst und ohne Abhängigkeit von ihr bildet die Überwachung mit Werkzeuginnendrucks jetzt eine lückenlose In-Prozess-Qualitätskontrolle. Die Ausschussteile werden automatisch aussortiert. Um von Maschine zu Maschine flexibel agieren zu können, hat der Kunststoffverarbeiter diese Überwachungssysteme zudem auf fahrbare Gestelle montiert und setzt sie so an verschiedenen Maschinen ein.

Ganzheitliche Betrachtung spricht für die Überwachung

Ohne Zweifel erfordern Überwachungssysteme am Projektbeginn ein höheres Investment. „Dem Mehraufwand für Sensoren, Systeme und Werkzeuge steht aber ein Minderaufwand in der Serienproduktion gegenüber“, berichtet Herbold, der seit 33 Jahren in der Kunststoffverarbeitung tätig ist und seit 1988 die Verfahrenstechnik bei dem Kunststoffverarbeiter leitet. „Sparen wir die Systeme ein, haben wir definitiv einen Mehraufwand in der Serienproduktion: Wir brauchen engmaschigere Stichproben, haben mehr Prüfaufwand und letztlich auch ein höheres Risiko von Sortieraktionen und Mängelbeseitigung, wenn möglicher Ausschuss in der Lieferung auftaucht.“ Für diese ganzheitliche und verantwortungsübergreifende Betrachtung von Kosten und Nutzen hat das Unternehmen Mut und Zeit gebraucht. „Mit Unterstützung unseres Betriebsleiters Klaus Rohde haben wir sämtliche Vorteile in die Artikelkalkulation mit einbezogen: reduzierten Ausschuss, bessere Kapazitätsauslastung, weniger Personalaufwand für das Management von Unzulänglichkeiten. Und so wurde noch klarer, dass sich die Systeme rechnen!“ Ergänzend verdeutlicht Stefan Schaller, Leiter der HEWI-Kunststofftechnik, den monetären Nutzen mit einer neuen Strategie: „Wir stellen den Ausschuss nicht mehr in absoluten Stückzahlen oder in Prozentanteilen an der Produktion dar, sondern in Euro-Werten. So berücksichtigen wir einerseits, dass die Parameter stark abhängig sind von der Losgröße und der Wechselhäufigkeit. Andererseits sind alle Effekte in Euro sehr anschaulich nachvollziehbar.

KOSTENEFFIZIENZ
Werkzeuginnendrucktechnik ist mehr als Qualitätstechnik

Der Kunststoffverarbeiter HEWI Heinrich Wilke stellte im Spritzguss einen Hygiene-Abfallbehälter aus Polyamid mit einem Schussgewicht von 1.050 g auf einer älteren 10.000-kN-Spritzgießmaschine im halbautomatischen Betrieb her. Bei der angestrebten vollautomatischen Fertigung zeigten sich jedoch Qualitätsprobleme (Verzug). Die unzulängliche Regelfähigkeit der Maschine war jedoch nur durch ein externes System zu überbrücken. Mithilfe eines Prozessüberwachungs- und Regelungssystem mit Werkzeuginnendruckmessung wird dieser Kunststoffartikel jetzt in hoher Qualität und wesentlich geringerem Ausschuss (nur noch 2%) vollautomatisch gefertigt. Außerdem resultiert daraus ein geringerer Materialverbrauch, weniger Prüfaufwand, mehr Sicherheit vor Kundenreklamationen und sogar eine bessere Auslastung der Maschine. Diese Mess- und Regeltechnik wird seither an immer mehr Spritzgießmaschinen eingesetzt. Mehrere Systeme dieser Art wurden deshalb auf mobile Gestelle montiert und werden so von Maschine zu Maschine gewechselt. Dadurch erhält sich der Kunststoffverarbeiter vor allem die Möglichkeit, sehr flexibel auf eine wechselnde Nachfrage aus der Automobilindustrie reagieren können, ohne dass es zu Qualitätsminderung an den Serienteilen kommt. Bei einigen kritischen Produkten, die mit einem Heißkanalsystem hergestellt werden, wird zusätzlich eine automatische Heißkanalbalancierung eingesetzt, die für dauerhaft stabile Füllverhältnisse in allen Kavitäten sorgt.

 

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Gabriele Lange