Mit der höchste Aufwand zur Sicherung der Qualität wird in der Medizintechnik betrieben. Kein Wunder, geht es doch um die Sicherheit für Produkte, die am – und zum Teil sogar im – Menschen eingesetzt werden. Hier müssen die Hürden hoch sein. Und die Sicherung der Qualität beginnt bereits in der Produktentwicklung, so Dr. Marco Wacker, CTO bei Oechsler. Er nennt als einen der Haupteinflussfaktoren die kunststoffgerechte Konstruktion eines Teils. Gemeint ist das Berücksichtigen der prozess- und werkzeugtechnischen Möglichkeiten schon bei der Teilegeometrie und -funktion sowie der der Definition der zulässigen Toleranzen.

Der Schritt vom Produkt zum Werkzeug ist besonders wichtig. Kosten sparen sollte man zu diesem Zeitpunkt möglichst wenig – zu viel hängt davon ab. Denn wenn das Werkzeug den Produktionsprozess – das Einspritzen, das Abkühlen und Entformen – nicht ideal unterstützt, ergeben sich zwangsläufig schlechte Teilequalitäten. „Der Werkzeugkonstrukteur muss verstehen, wie sich die plastische Seele des Kunststoffes beim Füll- und Ausformprozess in der Kavität verhält“, so Hans-Heinrich Behrens, selbständiger Spritzguss-Prozess-Berater. Die Diskussion um Angusspunkte, Fließwege, Einspritzdrücke und Werkzeugtechnologie muss disziplinübergreifend geführt werden.

Doch mit der richtigen Konstruktion des Werkzeugs ist nur ein Meilenstein geschafft. „Den größten Einfluss auf die Teilequalität hat sicher die Tatsache, dass der Prozess auf der einen Maschine optimiert und validiert wird, um schließlich die Produkte auf völlig anderen Maschinen herzustellen“, sieht Christopherus Bader, Geschäftsführer von Priamus, eine weitere Herausforderung. Und weiter: „Der Verarbeiter ist mit sich ständig ändernden Bedingungen von Material, Maschine und Umgebung konfrontiert.“ Daher sei eine Null-Fehler-Produktion letztendlich nur durch die Integration der Qualitätssicherung in den Produktionsprozess möglich, pflichtet ihm Dr.-Ing. Oliver Schnerr, Leiter Business Unit Plastics bei Kistler Instrumente bei.

Woher erhalten Verarbeiter aber das Know-how, mit diesen Herausforderungen umzugehen? Denn „einen Wettbewerbsvorsprung hat nur derjenige, der die geforderte Qualität langfristig zu einem günstigen Preis produzieren und garantieren kann“, weiß Bader um die Situation der Anwender. Zumal in der Medizintechnik häufig mit hohen Stückzahlen, hohen Kavitätenzahlen und kurzen Zykluszeiten gearbeitet wird. „Dies lässt wirtschaftlich keine Alternative mehr zu. Zwingend ist die Messung und Überwachung des Werkzeuginnendrucks. Bei maßkritischen Teilen sollte in bestimmten Fällen auch die Kontakttemperatur mit überwacht werden“, präzisiert Schnerr die Anforderungen. Die End-of-Line Prüfungen der fertigen Produkte werden häufig mit dem Abnehmer direkt abgestimmt. „Geprüft wird neben den Funktionen auch die Maßhaltigkeit“, erzählt Dr. Wacker. Einen Wettbewerbsvorsprung könne er sich als Verarbeiter aber bei den Innendrucksensoren oder der Thermografie erarbeiten. Hier lässt sich aus den Messdaten nicht immer
ein direkter Bezug zum zeichnungskonformen Bauteil herstellen, sondern die Interpretation sowie der Abgleich der Daten muss gekonnt sein.

Messen ja – aber mit Sachverstand

Doch um die Messtechnik richtig einsetzen und Daten richtig interpretieren zu können, ist das Fachwissen der Bediener gefragt. Als Skandal bezeichnet Behrens in diesem Zusammenhang die Ausbildung: „Da Institute und Bildungsstätten aufgrund fehlenden praxistauglichen Prozesswissens dazu nicht in der Lage sind, muss sich der Spritzgießer das notwendige Know-how selbst erarbeiten. Den Ausbildungsberuf Spritzgießer gibt es nicht und die heute praktizierte Ausbildung findet leider auch nicht auf dem Stand der aktuellen Technik statt. So bleiben wir unter unseren Möglichkeiten.“ Hilfestellung gibt es vielfach durch Messtechnik-Ausrüster und Maschinenhersteller, zum Teil durch Spezialisten der Messtechnikhersteller direkt vor Ort beim Verarbeiter. Doch der Trend zu möglichst einfachen Bedienoberflächen ist branchenweit deutlich feststellbar.

Dr. Wacker sieht hier einen direkten Zusammenhang: „Je höher die Anforderungen an die Präzision eines Bauteils sind, umso höher ist der Einfluss derer, die an der Maschine einen robusten Prozess zur Einhaltung der Qualitätsanforderungen ein- und sicherstellen müssen.“ Maschinen- und Werkzeugtechnik werden permanent weiterentwickelt, doch: „Parallel dazu steigen die technischen und qualitativen Anforderungen an die Bauteile. Daher bleibt die prozessintegrierte Qualitätssicherung selbst bei Betreibern modernster Maschinen auch in Zukunft unverzichtbar“, ist sich Schnerr sicher. „Es gilt, einen Kompromiss zu finden zwischen gutem Mitarbeiter Know-how einerseits, und standardisierten, objektiven Qualitätskonzepten andererseits“, resümiert Bader.

Material und Prozess beherrschen

Aber auch der Rohstoff und die Maschinen- und Werkzeugtechnologie spielen eine wichtige Rolle. Viele Präzisions-Spritzgussteile wären ohne die zur Verfügung stehende ausgereifte und ausgefeilte Technik nicht zu produzieren. Das entscheidende Thema ist der Prozess an sich: „Der Prozess der Maschine endet im Prinzip an der Schneckenspitze. Wer Wiederholgenauigkeit am Formteil will, muss mit Sensorik aus dem Werkzeug heraus den Maschinenprozess aktiv regeln und nicht nur passiv überwachen. Eine Kommunikation zwischen Werkzeug und Maschine muss aufgebaut werden. Die Dynamik zwischen der Schneckenspitze der Maschine und dem Fließweg-Ende des Formteiles muss verstanden und beherrscht werden“, beschreibt Behrens die Herausforderung vor der jeder Spritzgießer steht. Es gilt die Viskosität des Materials zu beherrschen. Auf den Punkt bringt es Bader: „Man muss den Prozess und die Schmelze beherrschen, nicht das Metall darum herum. Eine konstante Maschine macht noch lange kein konstantes Teil.“ Verarbeiter, die den Prozess in dieser Beziehung, beherrschen, sind auch für die Zukunft gut aufgestellt, denn die Chargenschwankungen der Rohstoffe werden tendenziell aufgrund der Zumischung von Recyclingware, Füllstoffen und weiteren Additiven zunehmen.

 

„Für nachhaltige Qualität muss das Miteinander mit Ausdauer und Beharrlichkeit eingefordert werden.“

Dr. Marco Wacker, CTO, Oechsler

„Ich wünsche mir eine kostenlose Leitrechner-Schnittstelle an jeder Spritzgießmaschine.“

Christopherus Bader, Geschäftsführer, Priamus

„Die prozessintegrierte Qualitätssicherung bleibt auch in Zukunft unverzichtbar.“

Dr.-Ing. Oliver Schnerr, Leiter Business Unit Plastics, Kistler Instrumente

 

Technologiewissen

Thermografie

Die Thermografie ist ein berührungsloses, bildgebendes Messverfahren, das Infrarotstrahlung sichtbar macht. In der Kunststoffverarbeitung wird es sowohl zur Werkzeugprüfung (Temperierung) als auch zur Teileprüfung (Unterspritzungen, Fehlstellen und andere Qualitätsmängel) eingesetzt. Die Technologie ist zwischenzeitlich so preisgünstig, dass sie sich sogar prozessbegleitend wirtschaftlich verwenden lässt.

Computertomografie

Die CT ist ein röntgenbasiertes Verfahren, das Körper in mehreren Dimensionen aufnimmt. Die Daten werden mit Hilfe eines Computers zu Schnittbildern oder 3-D-Bildern kombiniert. Die Computertomografie wird im Werkzeugbau oder zur Qualitätssicherung geometrisch komplexer Bauteile eingesetzt. Die Geräte sind noch sehr teuer, weshalb es Unternehmen gibt, die dieses Analyseverfahren als Dienstleistung anbieten.

Werkzeuginnendrucksensorik

Der Werkzeuginnendruck beschreibt die Füllphase, die Kompressionsphase und die Nachdruckphase beim Spritzgießen. Die Messdaten korrelieren direkt mit den Qualitätseigenschaften des Formteils. Die Daten werden während des Füllvorgangs erfasst und eine Qualitätsweiche reagiert auf die Einhaltung vorher eingestellter Toleranzen. Damit werden alle Formteile automatisch überprüft und gleichzeitig greift die Qualitätssicherung schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt.

 

Nachgehakt

„Wir müssen Qualität produzieren und nicht nur kontrollieren.“

Plastverarbeiter: Beenden Sie bitte folgenden Satz: Der Spritzgießprozess …?

Behrens:  … findet in der Kavität statt und wird durch Beherrschbarkeit zur Faszination. Wichtig erscheint es mir außerdem eine maximale Wiederholgenauigkeit im Entstehungsprozess des Produktes zu erzeugen.

Bader: … ist zu komplex, um ihn nur von „außen“ zu betrachten.
Dr. Wacker: …ist die Kunst, Konstanz zu liefern bei schwankenden Eingangsgrößen.
Dr. Schnerr: … ist komplex, und daher ist und bleibt die Werkzeuginnendrucktechnik der einzige Weg zur sicheren und wirtschaftlichen Null-Fehler-Produktion bei minimalen Kosten.

Plastverarbeiter:  Bei welchen Technologien zur Qualitätssicherung wird derzeit am heftigsten entwickelt?

Dr. Wacker:   Als Verarbeiter sehe ich die meisten Entwicklungen aktuell eher im Bereich der optischen Vermessung – das heißt bei Scanner und Computer-Tomographie – als bei der Werkzeugsensorik.

Behrens: Bei der Werkzeug-Innendruck-Sensorik reden wir über eine Technologie, die schon seit rund 40 Jahren verfügbar ist. Aber nur weniger als fünf Prozent der Werkzeuge hierzulande greifen auf diesen Ansatz zurück! Meiner Ansicht nach gilt es vielmehr, das nötige Know-how bei den Mitarbeitern zu kultivieren. In die Breite der Anwendungen zu tragen und intelligent in die Werkzeugtechnik zu integrieren. Außerdem sehe ich die Thermografie als ein ebenso wichtiges Instrument, jedoch noch lange nicht so populär. Leider sind beide Optionen immer noch ein Stiefkind in der Ausbildung und Anwendung, obwohl doch eigentlich gilt: Spritzgießen ist Druck und Temperatur.

Bader: Ich gehe einen Schritt weiter: Obwohl Werkzeuginnendruck- und Werkzeugwandtemperatur-Sensoren auch nach vielen Jahren immer noch verbessert werden, sind sie letztendlich doch nur Mittel zum Zweck. Neunzig Prozent aller unserer Patente der vergangenen Jahre waren Verfahrenspatente: Von der automatischen Heißkanal-Balancierung und -Regelung über automatische Schmelzefronterkennung, beispielsweise zur Verschlussdüsenregelung – bis hin zur automatischen Maschinenregelung über die Viskosität, Kompression und Schwindung des Teils. Die Entwicklungen im Bereich der prozessabhängigen Steuerungen und Regelungen sind somit sicherlich der innovativste Bereich im Markt.

Dr. Schnerr: Ich sehe das genau so. Als Pionier der Werkzeuginnendruckmessung treiben wir die Messtechnik im Inneren des Werkzeugs kontinuierlich voran:  beginnend bei der Miniaturisierung der Sensoren auf eine eine Länge von nur 6,4 mm oder einen Frontdurchmesser von nur 1 mm über die Single-Wire- und Mehrkanaltechnik mit Werkzeugidentifikation bis hin zum Prozessüberwachungssystem und der automatischen Heißkanalbalancierung haben auch wir in den letzten zehn Jahren immer neue Produkte auf den Markt gebracht. Gemeinsam mit Stasa, dem Steinbeis Transfer Zentrum Systemanalyse, haben wir sogar ein Tool entwickelt, das die Formteilabmessungen und damit die Formteilqualität anhand von Modellen direkt aus den gemessenen Prozessdaten prognostiziert.

Plastverarbeiter:  Welchen Verfahren zur Qualitätssicherung gehört nun die nähere Zukunft?

Dr. Schnerr: Der Verlauf des Werkzeuginnendrucks über einen Zyklus dient nicht nur zur laufenden Prozess- und Qualitätsüberwachung. Als Referenzkurve wird er genutzt, das Anfahren erheblich zu verkürzen. Er ist quasi der Schlüssel für hunderprozentige Qualität und ein wichtiges Tool zur Steigerung der Produktivität beim Spritzgießen. Ganz klar gehört ihm daher die Zukunft.

Dr. Wacker: Meiner Ansicht nach geht es nur Miteinander.  Die Zukunft gehört damit beiden, der Online-Qualitätssicherung zur Prozessüberwachung einerseits sowie den optischen Messverfahren zur Bauteilvermessung andererseits. Dadurch, dass der Prüfaufwand durch Zunahme an zu prüfenden Bauteilmaßen stetig zunimmt, werden optische Messverfahren immer attraktiver. Qualität muss aber erarbeitet und nicht „erpüft“ werden, weshalb Online-Qualitätssicherungs-Verfahren eine ebenso wichtige Rolle spielen. Leider wird aus Kostengründen bislang immer noch zu wenig Gebrauch davon gemacht.

Bader: Wobei wir der Prozessüberwachung die höhere Bedeutung zumessen: Die Zukunft gehört den Steuerungen und Regelungen aus dem Werkzeug heraus. Nur sie ermöglichen ein Qualitätskonzept unabhängig von Mensch, Maschine und Standort. Und nur sie haben das Potenzial zu einer sinnvollen und effizienten Automatisierung.

Behrens:  Und hierzu stehen Werkzeuginnendruck und Thermografie im Fokus. Jedoch glaube ich, auch mit einem Augenzwinkern, dass sich eine Messmaschine leider leichter verkaufen lässt, als eine Thermografie-Kamera. Auch ein Indiz dafür, dass es zur Verbreitung der Kultur „Qualität produzieren statt kontrollieren“ wohl noch ein weiter Weg ist.

Plastverarbeiter: Ist die Eingangskontrolle für Rohstoffe wichtig? Wie aufwändig ist diese „vorgelagerte“ Qualitätssicherung?

Dr. Wacker: Ja, sehr wichtig. Die Grundmaterialchargenschwankungen beeinflussen in hohem Maße den Spritzgießprozess. Dementsprechend hoch ist der Aufwand in der Materialprüfung.

Bader: Auch ich halte die Eingangskontrolle der Rohstoffe für wichtig, um die Materialeigenschaften wenigstens grob zu überprüfen. Sie sollte jedoch nicht überbewertet werden. Entscheidend ist doch vielmehr, wie sich diese Eigenschaften auf den eigentlichen Herstellungsprozess – beispielsweise auf das Fließverhalten und die Viskosität der Schmelze auswirken. Die Online-Messung und die Regelung der Viskosität direkt in der Kavität eines Werkzeugs sind die einzige Möglichkeit, den Material-Schwankungen effektiv entgegen zu wirken.

Behrens:  Da viele Spritzgießverarbeiter nicht das Know-how oder die Instrumente für aufwendige Rohstoffkontrollen haben, sind diese Kontrollen verhältnismäßig oberflächlich: Restfeuchtemessung, MFI-Messung und das war‘s dann auch schon. Daher sollte die durchgängige Viskositätsbeherrschung im Verarbeitungsprozess für jeden Verarbeiter heute ein wichtiges Thema sein.

 

„Spritzgießen ist Druck und Temperatur. Der wichtige
Prozess findet in der Kavität statt.“

Hans-Heinrich Behrens, Leiter, Spritzguss-Schulung

 

Erhöhte Marktchancen

Fachwissen gleicht veränderliche Rahmenbedingungen aus

Der Mensch und sein Fachwissen spielen in der Qualitätssicherung von Kunststoffteilen deshalb eine Schlüsselrolle,  weil die Rahmenbedingungen der Formgebung beständig variabel sind. Rohstoffschwankungen, veränderte Umgebungsbedingungen, unterschiedliche Maschinen – all das hat Einfluss auf den Schmelzeprozess im Werkzeug. Die Viskosität des plastifizierten Rohmaterials zu beherrschen, ist Ziel der Qualitätsbemühungen. Dabei auf die veränderlichen Rahmenbedingungen, die Daten der Messtechnik und der Teileprüfung richtig zu reagieren, ist Aufgabe des gut ausgebildeten Maschinenbedieners, der „seinen Prozess“ beherrschen muss.

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Christine Koblmiller