Obwohl sich der Einsatz von Werkzeuginnendruck-Sensoren zur Qualitätssicherung beim Spritzgiessen seit Jahrzehnten in vielen Anwendungen bewährt hat, bleibt der Eindruck, dass diese Technologie noch nicht flächendeckend eingesetzt wird. Dies liegt zum einen daran, dass ein Werkzeuginnendruck-Sensor allein keine Lösung darstellt, und sich erst mit dem richtigen System und an der richtigen Position in der Kavität vorteilhaft auswirkt. Ein Werkzeuginnendruck-Sensor im Werkzeug und ein Ladungsverstärker auf der Spritzgießmaschine beruhigen zwar das Gewissen eines Produktionsleiters, aber genauer betrachtet ist dieses Setup heutzutage nicht wirklich die Lösung aller Probleme.

Nichtsdestotrotz werden tausende Sensoren jedes Jahr vor allem zur Prozessüberwachung und zur automatischen Teileseparierung eingesetzt, weil nicht nur der Werkzeuginnendruck, sondern auch die Temperatur an der Werkzeugoberfläche, die die Qualität eines Spritzteils letztendlich beschreibt, wichtig ist. Vor allem die Kombination von Werkzeuginnendruck- und Werkzeugwand-Temperatursensoren bieten eine Reihe von Möglichkeiten zur Prozesssteuerung und -regelung, und damit zur Automatisierung, zur Prozesssicherheit und zu Kosteneinsparungen unabhängig von Maschine und Bedienpersonal.
Magna Auteca aus Krottendorf/Weiz in Österreich hat sich unter anderem auf das Herstellen von Verstellantrieben für Außenspiegel spezialisiert und ist ein versierter Anwender von Werkzeuginnendruck- und Werkzeugwand-Temperatursensoren. Das Unternehmen produziert mit 330 Mitarbeitern und mehr als 30 Spritzgießmaschinen jährlich über 275 Millionen Spritzteile für alle namhaften Automobilhersteller.

Qualitätsunterschiede auf ein Minimum reduzieren

Seit 2005 werden dort auch Regelsysteme des Schweizer Unternehmens Priamus System Technologies zum automatischen Balancieren von Mehrkavitäten-Werkzeugen eingesetzt. Dabei wird mithilfe von Werkzeugwand-Temperatursensoren über die Fließfront der Schmelze in jeder einzelnen Kavität sichergestellt, dass diese gleichzeitig gefüllt sind.

Auf diese Weise werden die Qualitätsunterschiede von Teil zu Teil auf ein Minimum reduziert und ein sporadisches Überspritzen einzelner Kavitäten verhindert. Dieses Regelsystem funktioniert vor allem deshalb so zuverlässig, weil jeder einzelne Zyklus analysiert und in die Regelung des Heißkanalsystems einbezogen wird. Günter Bauernhofer, Prozessverantwortlicher Kunststoffspritzerei von Magna Auteca, kennt die Schwächen seiner Werkzeuge und Heißkanalsysteme, und weiß, dass die eingestellten Düsentemperaturen der Heißkanal-regler keinesfalls die wirklichen Fließvorgänge in den einzelnen Kavitäten widerspiegeln. Er geht sogar so weit, nur die Heißkanal-Düsen einer einzigen Herstell-Charge im gleichen Werkzeug zu verwenden, da ansonsten die Unterschiede zwischen den einzelnen Düsen zu groß sind für eine gleichmäßige Füllung.

Bedeutende Zeit- und Kostenersparnis

Trotz allem bleiben noch genügend Faktoren und Kosten übrig, die es zu optimieren gilt. Denn während die Heißkanal-Balancierung sicherstellt, dass die einzelnen Teile gleichmäßig gefüllt werden, können die Qualitätsmerkmale wie Dimension, Festigkeit, Oberflächenbeschaffenheit oder Verzug aufgrund von unterschiedlichen Materialchargen oder aufgrund von Maschineneinflüssen durchaus schwanken. Denn kein Material und keine Maschine sind gleich, und kein Prozess kann über die gleiche Maschineneinstellung reproduziert werden – auch wenn dies immer wieder durch einzelne Maschinenhersteller suggeriert wird.

Die Antwort ist – vor allem für Maschinenhersteller – unangenehm, aber gleichzeitig einfach: Die wichtigen Qualitätsparameter müssen mithilfe von Werkzeuginnendruck- und Werkzeugwand-Temperatursensoren direkt am Teil ermittelt, und mithilfe von entsprechenden Regelungen wenn nötig korrigiert werden. Die wichtigsten Einflussgrößen auf die Qualität eines Spritzteils sind das Fließverhalten der Schmelze und deren Viskosität während des Einspritzvorgangs, die Verdichtung und Festigkeit des Formteils aufgrund des Nachdrucks sowie die endgültige Dimension infolge der Schwindung.

Jeder einzelne dieser Parameter kann jedoch über ein Werkzeuginnendruck- und ein Werkzeugwandtemperatur-Signal charakterisiert, verändert, und somit auch reproduziert werden. Wenn die Eigenschaften eines Spritzteils aber automatisch reproduziert werden können, bedeutet das für die Praxis, dass auf die heutzutage immer noch übliche In-Prozess-Kontrolle in Form von manuell nachgemessenen Stichproben zukünftig verzichtet werden kann. Eine nicht unbedeutende Zeit- und Kostenersparnis. Genau dieser Aspekt war für Magna Auteca Anlass, das Regelsystem Fillcontrol zu testen. In Ergänzung zur automatischen Heißkanal-Balancierung wird hierbei die Einstellung der Maschine aufgrund der Prozessparameter im Werkzeug verändert und geregelt.

Gemessen wird das Fließverhalten der Schmelze zwischen einem Werkzeuginnendruck- und einem Werkzeugwand-Temperatursensor in der Kavität, wobei die Viskosität automatisch über die Schergeschwindigkeit und die Schubspannung während des Einspritzvorgangs ermittelt wird. Verändert werden diese Größen, indem einerseits das Einspritzprofil, und andererseits die Schmelzetemperaturen automatisch angepasst werden. Die Verdichtung des Spritzteils wird über den Werkzeuginnendruck während der Nachdruckphase ermittelt und automatisch angepasst. Die Dimension des Teils wird schließlich über die Schwindung ermittelt und geregelt, indem die Werkzeugwandtemperatur in Abhängigkeit vom Werkzeuginnendruck gemessen wird. Vorbei sind also die Zeiten, in denen nur der maximale Werkzeuginnendruck als alleiniges Qualitätsmerkmal herangezogen wird. Denn er beschreibt eben nur einen Teil der tatsächlichen Teileeigenschaften.

Einer der kritischsten Parameter war der Durchmesser der Adapterplatte, die üblicherweise für die Verstellantriebe von Außenspiegeln in hohen Stückzahlen verwendet wird. Diese Adapterplatte wird aus POM (BASF Ultraform N2320 003) in einem 8-fach Heißkanal-Werkzeug hergestellt und zur Kontrolle über Stichproben nachgemessen. Künftig soll nun mithilfe der Prozessregelung auf diesen Schritt verzichtet werden. Geplant ist, anstelle der manuellen Prüfung die ermittelten Prozessparameter über ein Netzwerk automatisch zu dokumentieren. Erste Ergebnisse haben gezeigt, dass der Durchmesser der Adapterplatte nicht nur gezielt verändert, sondern auch auf einen bestimmten Zielwert geregelt werden kann. Bei den Untersuchungen wurden verschiedene Kombinationen von Reglern getestet, wobei die Einflüsse der einzelnen Regler jeweils mit und ohne Heißkanal-Balancierung bewertet wurden, wie auch der Einfluss bei allen Reglern gleichzeitig. Das einzige Ergebnis, bei denen alle Durchmesser der 8 Adapterplatten innerhalb der geforderten Toleranzen lagen, war schließlich dann gegeben, als alle Prozessgrößen (Schergeschwindigkeit, Schubspannung, Kompression und Schwindung) auf die gewünschten Zielwerte geregelt wurden.

Was zunächst kompliziert erscheinen mag, ist in der Praxis nichts anderes als ein automatisches Einstellen der wichtigsten Maschinenparameter über das Einspritzgeschwindigkeitsprofil, das Nachdruckprofil, die Werkzeug- und die Schmelzetemperaturen. Geregelt wird das einmal optimierte Qualitätsmerkmal – in diesem Fall der Durchmesser der Adapterplatte. Mit dem Ansatz der Prozessregelung kann die Teilequalität unabhängig von der Maschine, vom Bedienpersonal sowie von Materialschwankungen reproduziert werden, was eine teure Nachkontrolle überflüssig macht.

 

„Wer glaubt, ein Mehrfach-Werkzeug wäre dann balanciert, wenn möglichst gleiche Düsentemperaturen eingestellt sind, muss sich nicht über hohe Ausschussraten und scheinbar unerklärliche Qualitätsmängel wundern.“

Christopherus Bader, Geschäftsführer, Priamus System Technologies

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Über den Autor

Christopherus Bader ist Geschäftsführer bei Priamus System Technologies. ch.bader@priamus.com