Kunststoff – das unbekannte Wesen – könnte man sagen, wenn Verarbeiter sich untereinander über ihre Prozesse austauschen. Vielfach scheint das Verhalten der Schmelze in der Maschine immer wieder für einzelne Überraschungen beim produzierten Teil zu sorgen, das dann als Ausschuss zwangsläufig im Shredder landet. Selbstredend werden nur fehlerfreie Teile ausgeliefert. Der Ausschuss, die Fehlerquote, kann je nach Komplexität der Teile zu einem erheblichen Kostenfaktor werden, vor allem dann, wenn das fertige Bauteil in mehreren Fertigungsschritten entsteht. Weitere Parameter, die für fehlerhafte Teile sorgen können, sind Feuchtegehalt, Homogenität der Schmelze und ihre Temperatur, die Beschaffenheit von Werkzeug oder Einspritzdüse, Zustand der Kühlkanäle und viele andere. Der Spritzgießprozess ist hochkomplex. Doch die meisten Messverfahren setzen erst am Ende an: Bei der Teileprüfung. Wirklich interessant wäre jedoch die Prozessregelung so gestalten zu können, dass am Ende immer identische, fehlerfreie Teile werkzeugfallend produziert werden. Beginnen wir einmal ganz am Anfang: bei der Werkzeugentwicklung und dem Serienanlauf.

3D-Messtechnik für Prozessoptimierung und Erstmusterprüfung

Ein Verfahren, das sowohl für die Qualitätskontrolle beim Werkzeug, als auch beim Bauteil eingesetzt werden kann, ist die optische 3D-Messtechnik, die in diesem Jahr unter anderem von GOM, Braunschweig, gezeigt wurde. Durch die effiziente Analyse von Bauteilverzug und Schwindung mittels 3D-Abweichungsfarbplot können mit dem Atos Triple Scan kritische Stellen am Bauteil oder Werkzeug schneller lokalisiert und analysiert werden, als mit herkömmlichen Messmethoden. Der Einfluss einer Änderung von Prozessparametern beim Spritzgießen, wie beispielsweise Nachdruck oder Temperierung kann damit schnell und übersichtlich verfolgt werden. Aufgrund der Dichte der Messpunkte kann beispielsweise auch das Werkzeug optimiert werden. Bei der Erstmuster-Prüfung bringt die 3D-Messtechnik eindeutige Zeitvorteile. Es geht dabei nicht nur um einen Prüfbericht. Entscheidend ist, dass der Werkzeugmacher möglichst schnell über aussagekräftige Daten zur Korrektur verfügt. Durch die Einführung der optischen 3D-Digitalisierung konnten Unternehmen wie Lego, SonyEricsson oder Bang & Olufsen die Time-to-market erheblich verkürzen, so der Braunschweiger Messtechnikspezialist. Vorgestellt wurde diese Technik schon Anfang 2011, bei der die gesamte Bauteilgeometrie flächenhaft durch eine hochauflösende Punktewolke, ein Liniensystem, erfasst wird. Das weiterentwickelte System ist mit Blue-Light-Technologie ausgestattet, deren LEDs sich durch eine hohe Lebensdauer, geringe Wärmeentwicklung und Wartungsaufwand auszeichnen. Das schmalbandige blaue Licht misst auch bei widrigen Lichtverhältnissen genau. Insbesondere bei glänzenden Bauteilen wurde die Messleistung erhöht. Einsatz findet das System jedoch nicht nur in der Qualitätssicherung, sondern auch im Reverse Engineering oder Rapid Manufacturing.
Werth Messtechnik, Gießen, auf der Messe unter anderem mit dem Fasertaster 3D-WFP für taktiles 3D-Messen kleinster Merkmale vertreten, stellte mit dem 3D-Patch ein System mit höherer Leistung vor. Dieser 3D-Flächensensor erfasst – durch das Prinzip der Fokusvariation und aktuelle Bildaufnahmetechnik – einige hundert Oberflächenpunkte in wenigen Sekunden gleichzeitig. Es können so beispielsweise Radien oder Ebenheiten von Werkstückgeometrien in einem Zuge vollflächig gemessen werden. Insbesondere bei kleinen Geometriemerkmalen ist das interessant. Für größere Werkstücke können mehrere solcher Messungen an verschiedenen Stellen des Werkstückes nacheinander durchgeführt und so auch Punktewolken größerer Messobjekte erfasst werden.

Automatische Prognose von Formteilabmessungen

Die Qualitätssicherung im Prozess wird über Werkzeugsensorik realisiert. Eine besondere Rolle spielt hierbei der Werkzeuginnendruck-Verlauf, denn er gilt als Fingerabdruck der Formteilbildung. Abweichungen vom optimalen Werteverlauf zeigen Prozessschwankungen an, die zu Formteilfehlern führen. Dazu zählen nicht ausreichendes Füllen der Kavität, Überspritzen oder Maßabweichungen. Noch ist es nicht so weit, dass die erfassten Messwerte direkt über die Steuerung der Maschine den eigentlichen Spritzprozess beeinflussen können, doch das neue Modul von Kistler, Winterthur/Schweiz geht bereits ein Stück weit in diese Richtung.
Das neue Modul für das Prozess-Überwachungssystem CoMo Injection Typ 2869B gibt für jedes gefertigte Bauteil eine Qualitätsprognose ab. Auf Basis eines Prozessmodells und der gemessenen Prozessparameter prognostiziert es bereits im Spritzgießprozess online zum Beispiel die späteren Abmessungen eines Bauteils. Bereits unmittelbar nach Abschluss der Ausformung trifft es Aussagen über die Einhaltung von Dimensionstoleranzen im Gebrauchszustand. Damit ist erstmals eine direkte Überwachung von Qualitätsmerkmalen möglich. Der Verarbeiter kann nun Toleranzgrenzen direkt aus der Spezifikation der Teile entnehmen und dem Prozess-Überwachungssystem als Kriterium vorgeben. Hiervon profitieren vor allem Hersteller hochwertiger, montagekritischer oder sensibler medizinisch-technischer Präzisionsteile. Wesentliche Bestandteile der Online-Qualitätsberechnung sind Modelle, die im Vorfeld der Produktion, beispielsweise in der Abmusterungsphase ermittelt werden. Ausgehend vom Prozesswissen werden Experimente mit der statistischen Versuchsplanung (DOE) entworfen. Im anschließenden Versuch werden Werkzeuginnendruck und Kontakttemperatur gemessen. Parallel dazu wird die Qualität der produzierten Teile unter Beachtung der entsprechenden Randbedingungen – zum Beispiel der Nachschwindung und Nachkristallisation – beurteilt. Eine automatische Analyse bildet die Prozessmodelle durch Berechnung der Zusammenhänge zwischen Messgrößen und Formteileigenschaften aus. Die Modelle dieser Analyse dienen dann zur Online-Qualitätsprognose: Sie ermöglichen die Berechnung der relevanten Qualitätsmerkmale im Produktionsprozess, eine Dokumentation der gefertigten Qualität, eine Separierung von Ausschuss sowie eine zeitnahe Qualitätslenkung.
Die ganze Bandbreite spritzgegossener Teile bildet Priamus, Schaffhausen/Schweiz, in der Qualitätssicherungs-Plattform Fillcontrol ab. Je nach Anforderung, nach kritischem Qualitätskriterium, das sich aus dem zu produzierenden Teil ergibt, und nach dem Verwendungszweck für die gemessenen Daten, bietet der Hersteller eine modular aufgebaute Software-Systemlösung an – vom einfachen Visualisieren der Werte bis hin zur Prozessregelung im Heißkanal. Das System umfasst vier Module.
Measure dient in erster Linie der Datenerfassung. Dieses Modul wird kostenfrei angeboten und ist für Anwender gedacht, die keine Schalt- oder Regelvorgänge benötigen: Hochschulen oder Werkzeugbauer zum Abmustern. Das Monitor-Modul ist das Herzstück der Plattform. Es kann Drücke, Temperaturen und Maschinensignale sowie die Viskosität der Schmelze in der Kavität überwachen, besitzt eine Anfahrschaltung, zeigt ein Ereignisprotokoll und bietet Auswertemöglichkeiten. Außerdem überwacht es Kompression und Schwindung und damit die Festigkeit und Dimension des Formteils.
Das dritte Modul, Switch, bietet alle Möglichkeiten, die mit automatischen oder manuellen Schaltvorgängen zu tun haben. Es erkennt fehlerhafte Teile und steuert einzelne Ausschuss-Weichen an. Das Control-Modul beinhaltet die eigentliche Prozessregelung: Fließen, Komprimieren und Schwinden in Heiß- und Kaltkanälen. Dabei wird über die Leitrechner-Schnittstelle die Einstellung der Spritzgießmaschine so lange angepasst, bis die gewünschten Zielwerte für diese Messgrößen erreicht sind. Vorteil dabei: Das Werkzeug kann von einer Maschine auf eine andere transferiert werden, die Einstellungen sind unabhängig von der Maschine, da die Messwerte im Werkzeug erfasst werden. Die passende Hard- zur Software bieten die Schweizer mit ihrer Blueline-Serie an.

Optische Prüfung der Bauteile noch im Werkzeug

Bereits einen Schritt weiter im Prozess, aber noch in der Maschine, setzt das System von Fuchs-Engineering, Tübingen, an: der Vision Jet. Dabei handelt es sich um ein optisches System, das nach Öffnung die werkzeugfallenden Teile auf Gratbildung, Über- oder Unterspritzung kontrolliert. Dank seiner hohen Geschwindigkeit und der geringen Stärke von 40 mm kann es direkt in das Werkzeug einfahren und neben den genannten Parametern auch kontrollieren, ob Einleger richtig positioniert sind oder ob das Werkzeug frei ist und damit startbereit für den nächsten Zyklus ist. Der maximale Prüfbereich des Systems beträgt 240 x 400 mm. Der Prüfschlitten ist eng an die Elektronik der Spritzgießmaschine gekoppelt, der Zeitverlust im Zyklus für die Prüfung daher minimiert.

Computertomografie für die Teileprüfung

Viel Charme für die Bauteilprüfung komplexer Teile zeigt die Computertomografie. Alle bisher verwendeten Prüfverfahren beschränken sich auf mechanische oder Oberflächen-Eigenschaften. Schwierigkeiten treten dann auf, wenn die Bauteile komplexe Geometrien besitzen – beispielsweise Zahnräder – oder ihre Oberflächenbeschaffenheit für optische Prüfungen ungeeignet ist. Ebenso problematisch ist die Prüfung von Fertigteilen, die aus mehreren Bestandteilen bestehen. Diese mussten bisher in Harz eingegossen werden, um Maß-Toleranzen zu prüfen. Die Prüfung durch einen Computertomographen aber zeigt Bilder aus dem Inneren des Bauteils. Carl Zeiss, Jena, stellte auf der Fakuma das auf Röntgenstrahlen basierende Koordinatenmessgerät Metrotom 800 vor. Es ist speziell für die 3D-Messungen und Strukturprüfungen an komplexen Teilen aus Kunststoffen, Verbundwerkstoffen und Keramiken entwickelt worden. Gemessen werden die Dimensionen eines Teiles. Gleichzeitig werden aber auch innere Strukturen geprüft. Geeignet ist das Gerät für Teile bis 150 mm Größe. „Dieses Koordinatenmessgerät erfüllt auch wegen seines Preis-/Leistungsverhältnisses die Anforderungen mittelständischer Unternehmen in der Kunststoffbranche und wird zu einer weiteren Verbreitung dieser Technologie führen“, ist sich Hubert Lettenbauer, Leiter des Geschäftsfeldes Large/X-ray, sicher.
Damit gibt er bereits eines der wichtigsten Stichworte für die Qualitätssicherung: Bei allem Streben nach Null-Fehler-Produktion – einer der wichtigsten Faktoren sind und bleiben die Kosten der Maßnahmen für die Sicherung der Qualität. Wirken sich die Maßnahmen kostensenkend aus – Stichwort Materialeinsparung durch geringeren Ausschuss – so sind sie ein Muss. Wirken sich die Prozesse zur – möglicherweise automatisierten – Qualitätssicherung aber negativ auf die Stückkosten aus, müssen die meisten Verarbeiter genau abwägen, wie weit sie sich ihrem Ideal – der Null-Fehler-Produktion – tatsächlich nähern wollen.

FACHMESSE
Control 2012

Für die 26. Control Internationale Fachmesse für Qualitätssicherung, die vom 8. bis 11. Mai 2012 in der Landesmesse Stuttgart stattfindet, zeichnet sich nach Angabe des Messeveranstalters Schall bereits ein Zuwachs an Ausstellern und Hallenfläche ab. Doch nicht nur bei der Fachmesse selbst, sondern auch die vom Partner Fraunhofer Allianz Vision initiierte und betreute Sonderschau „Berührungslose Messtechnik“ wird gegenüber 2011 erneut vergrößert: Die vorgesehene Präsentationsfläche ist ausgebucht, sodass weitere Standflächen vorgesehen werden. Das Thema Visionsysteme nimmt zunehmend Raum ein. Denn die Qualitätssicherung auf der Basis von optischen Bildverarbeitungssystemen stellt sich als ein elementarer Baustein der automatisierten Qualitätssicherung dar.

NEUE TECHNOLOGIEN
Fantasie und Prozesswissen sind gefragt

Die unterschiedlichen Verfahren der Qualitätssicherung – angefangen bei optischen Messungen über die Werkzeugsensorik bis hin zur Teileprüfung – unterstützen den Verarbeiter beim Erreichen der Null-Fehler-Produktion. Der Markt für die verschiedenen Technologien der Qualitätssicherung scheint derzeit deutlich in Bewegung. Die Hersteller automatisierter und manueller QS-Systeme arbeiten an einer Regelung für den Spritzgieß-Prozess durch Werkzeuginnensensorik. Daneben werden optische Systeme entwickelt, die noch während des Produktionszyklus prüfen und auch die nachgelagerte Teileprüfung verwendet Verfahren und Geräte, die für diesen Einsatzzweck relativ neu sind – Beispiel Computertomographie. Die Vielfalt der Ansätze spiegelt dabei die unterschiedlichen Anforderungen der Verarbeiter wider, die sich ihrerseits aus der Vielzahl der Bauteile ergeben. Um die richtigen QS-Maßnahmen zu ergreifen, bedarf es folglich nicht nur innovativer Technologien, sondern auch eines tiefen Prozesswissens.

FORSCHUNGSPROJEKT
Zerstörungsfreie Vor-Ort-Prüfung von Kunststofffügenähten

Zusammen mit mit der Arbeitsgruppe Experimentelle Halbleiterphysik der Universität Marburg hat das SKZ am 1. Oktober 2011 ein Forschungsprojekt gestartet. Es geht um die Entwicklung eines portablen Messsystems auf Basis der Terahertz-Zeitbereichstechnik für die zerstörungsfreie Prüfung von geschweißten und geklebten Fügeverbindungen. In einem zweijährigen IGF-Forschungsvorhaben „Terahertz-Spektroskopie zur zerstörungsfreien Prüfung von stoffschlüssigen Kunststoffverbindungen mit Schwerpunkt Schweißnahtqualitätskontrolle“ des Kunststoff-Zentrums (SKZ) und der Arbeitsgruppe Experimentelle Halbleiterphysik der Universität Marburg (damals Instituts für Hochfrequenztechnik der TU Braunschweig (IHF)) wurden bis Ende 2009 die grundsätzlichen Möglichkeiten der Terahertz-Technologie für gefügte Kunststoffteile erforscht. Die Ergebnisse haben eindrucksvoll gezeigt, dass viele Fehler in Kunststofffügeflächen mittels THz-Messtechnik sehr gut aufgelöst und teilweise sogar mit Tiefeninformation dem Prüfer zur Verfügung gestellt werden können. Der folgerichtige Schritt in die Praxistauglichkeit besteht nun darin, ein robustes, schnelles, fasergekoppeltes, transportables und kostengünstiges Messsystem auf Basis von TDS THz-Technik (TDS – Time-Domain Spectroscopy) für 0°-Reflexionsmessungen zur Kontrolle der Fügenahtqualität von stoffschlüssigen Kunststoffverbindungen zu entwickeln. Mögliche Einsatzbereiche eines solchen Messsystems sollen bei verschiedenen Anwendungen zur zerstörungsfreien “in-situ“ Prüfung nicht nur in der Bauindustrie beim Fügen von beispielsweise Rohren, Behältern, Fenstern, Dach- und Deponiebahnen finden, sondern auch in der Automobil- und Haushaltsgeräteindustrie, Medizin- sowie Luft- und Raumfahrttechnik Fuß fassen.

 

 

Autor

Über den Autor

Christine Koblmiller