Positionieraufgaben zuverlässig, genau und vor allem verschleißfrei zu lösen bei gleichzeitiger Störunempfindlichkeit sowie bester Reproduzierbarkeit und Linearität – vor drei Jahrzehnten galt diese Anforderung in der Kunststoffindustrie noch als nahezu unerfüllbar. Auf der Kunststoffmesse K 1983 in Düsseldorf erlebte die Branche dann eine kleine Revolution. Die damalige Philips Elektronik für Wissenschaft und Industrie aus Kassel stellte in ihrem Automatisierungssystem einen Wegaufnehmer mit außergewöhnlichen Eigenschaften vor. Es handelte sich um einen magnetostriktiven Positionssensor von Hellwig, später MTS Sensor Technologie, aus Lüdenscheid. „Vierfach eingesetzt pro Spritzgießmaschine sorgten die Sensoren damals für echtes Aufsehen“, erläutert Axel Seidensticker, damals Produktmanager für Wegsensoren bei Philips. Das inhabergeführte Unternehmen Hellwig hatte in den 1980er Jahren den Exklusivvertrieb für MTS Sensoren in Europa inne. 1989 ging das Unternehmen in die Sensoreinheit der US-amerikanischen MTS Systems Corp. über.
Kunststofftechnik entdeckt magnetostriktive Sensoren
Bis in die 80er Jahre hing die Qualität der Formteile stark vom Können des Maschineneinrichters ab. Diesbezüglich steigende Anforderungen waren es schließlich, die den Einsatz der elektronischen Wegmess-Systeme in Kunststoffspritzgieß-Maschinen forcierten. Ein wesentlicher Vorteil lag in der besseren Reproduzierbarkeit der voll geregelten Produktionsprozesse und der Möglichkeit zur visuellen und elektronischen Prozess- und Maschinenfunktions-Überwachung mithilfe der ausgegebenen digitalen Messwerte.
Die Erwartungshaltung an eine integrierte Automatisierungslösung war groß. Ein hochpräzises System zur Positionsermittlung galt nicht nur den rauen industriellen Einsatzbedingungen Stand zu halten, sondern auch verfahrenstechnische Ansprüche zu erfüllen. Mithilfe von Vollhydraulik-Antrieben sollten Schließbewegungen genauso harmonisch und so schnell wie möglich ablaufen, wie mit einem mechanischen Kniehebel-System. Beschleunigungen und Verzögerungen von über 8m/sec² und Geschwindigkeiten von >1m/sec mussten dazu in geschlossenen Regelkreisen reproduzierbar eingehalten werden. Die Positioniergenauigkeit und Wiederholbarkeit spielte auch damals nicht nur bei Verschleißminimierung, komplexen Kernzügen, Robotersynchronisierungen und Zykluszeit-Verringerungen eine wichtige Rolle. Auch heute noch gelten die gleichen dynamischen Anforderungen, um das geforderte Qualitätsniveau der zu fertigenden Kunststoffteile reproduzierbar zu erreichen.
So ließen sich die Polster-Veränderungen von Schuss zu Schuss grafisch als Trendkurve darstellen. Mit dem Vergleich zum Werkzeug- und Schmelze-Temperaturverlauf sowie dem Form-innendruck-Maximum konnten Rückschlüsse auf den Verschleißzustand der Rückstromsperre gezogen werden. Denn die Sensoren überzeugen durch langzeitstabile präzise Datenermittlung ohne Drift. Schnelle Druck- und Geschwindigkeitsregelkreise werden analog und direkt digital lösbar.
Toleranzbandüberwachte Prozessgrafiken mit Millisekunden-Auflösung des Einspritzverlaufes von Hydraulik-, Form-innendruck und des Einspritzkolbenweg-Verlaufes verdeutlichten erstmals präzise genug die Formfüllung: Compact Disc-Produktionen in Serienmaschinen mit ihren hohen optischen Ansprüchen an den reproduzierbaren Schmelze-Fließfrontverlauf wurden damit erst möglich – so das Resümee.
Der Produktionsprozess wurde transparent. Sollwertrezepte, auf externe Datenträger und PCs abgespeichert, öffneten den Weg zur direkten Produktionsplanung und -steuerung über zentrale Leitrechner. Zunächst stellten verschleißbehaftete Schubstangen-Potentiometer, Drehwinkelgeber und optisch abgetastete Glasmaßstäbe in der Positionsermittlung von Kunststoffverarbeitenden Maschinen das „Maß der Dinge“ dar. In den 1970er Jahren entwickelte der Physiker Jacob Tellerman für MTS Sensors das magnetostriktive Messverfahren – die sogenannte Temposonics Technologie. Von ihm stammt die Idee, im magnetostriktiven Wellenleiter mithilfe eines induzierten Strom-impulses sowie eines Permanentmagneten Magnetfelder zu erzeugen, die einen Torsionsimpuls bewirken.
Dieser setzt sich als Körperschallwelle vom Messpunkt aus fort und wird schließlich von der am Sensorkopf befindlichen Auswerteelektronik detektiert und in entsprechende Ausgangssignale umgesetzt. Die Position lässt sich mithilfe der präzisen Laufzeitmessung des Torsionsimpulses ermitteln. Eine simple Idee mit weitreichenden Folgen, denn die Positionsermittlung konnte nun nicht nur äußerst genau, sondern absolut, ohne erforderliche Referenzpunktanfahrt erfolgen. Die entwickelte Technik zeichnet sich außerdem durch eine große Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen von außen, eine sehr gute Auflösung und Messwiederholbarkeit sowie beste Linearität aus. Da der zur Positionsermittlung verwendete Dauermagnet berührungslos über den Sensorstab gleitet, sind die Wegaufnehmer außerdem verschleißfrei und weisen eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer aus.
Anwendung in Standard-Spritzgießmaschinen vielfältig
In den 80er Jahren startete der Einsatz der Wegaufnehmer in der Kunststoff-Technik mit dem digitalen Start-/Stopp-Signalausgang. Auch heute gelten Start-/Stopp-Sensoren als einfaches und elegantes Auswerteverfahren für die Kommunikation mit schnellen Steuerungen und stehen für eine dynamische und gleichzeitig ökonomische Positionsermittlung.
Die Anwendungsmöglichkeiten für Positionssensorik sind schon in Standard-Spritzgießmaschinen vielfältig. Hier benötigen insbesondere die Maschinenbewegungen auf der Schließ- und auf der Spritzseite eine hochgenaue und dynamische Positionsregelung. Wesentlichen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts hat die richtige Materialdosierung über die Schnecke. Die Menge, der in das Werkzeug eingespritzten Kunststoffschmelze ist abhängig von dem zurückgelegten Einspritzweg. In Kombination mit den entsprechenden Drücken und Geschwindigkeiten bestimmt dieser direkt die Qualität der Formteile, weshalb die Schneckenbewegung einen hochgenauen Antrieb benötigt. In Spritzgießmaschinen moderner Bauart erfolgt dies mittels Regelung auf der Basis der vom Positionssensor übermittelten Messwerte. Des Weiteren ermittelt ein Wegsensor präzise die Position der Einspritzeinheit, die an das Werkzeug heranfährt, um den Aufbau des Anpressdrucks freizugeben und damit die Zykluszeiten zu minimieren.
Auf der Schließseite sind die Wege der beweglichen Werkzeughälfte oder der Werkzeug-Aufspannplatte sowie der Weg des Auswerfers wichtig für das Entformen der Formteile. Positionssensoren ermitteln diese Bewegungsabläufe des Werkzeugs, um einerseits Zykluszeit zu sparen möglichst schnell zu fahren, andererseits hochpräzise geregelt zu werden und sanft die Endlage anzufahren. Mangelnde Präzision kann langfristig das Werkzeug durch mechanische Beanspruchung beschädigen. Ein nicht vollständiger Verschluss des Werkzeugs wiederum kann Gratbildung bedeuten.
Nicht nur das injizierte Materialvolumen, sondern auch der Innendruck des Werkzeugs beeinflusst die Qualität des Spritzgießprodukts maßgeblich. Um die Auswirkungen der hochdynamischen Druckverhältnisse auf der Schließseite zu überwachen, ermitteln zusätzliche Positionssensoren die Holmendehnungen, sodass bei Abweichungen durch thermische und mechanische Einflüsse nachjustiert werden kann. Nach dem Abkühlvorgang sorgt schließlich der Auswerfer für das Entfernen des Kunststoffprodukts aus dem geöffneten Werkzeug, dessen Bewegungsablauf ebenfalls mithilfe eines Positionssensors geregelt wird.
Positionserfassung dynamischer Bewegungen
In kostensensiblen Spritzgieß-Maschinen eignen sich die kompakten Temposonics E-Serie Sensoren bestens für die Positionserfassung. Neben den beschriebenen Leistungseigenschaften zeichnen sie sich durch folgende Vorteile aus: Die kompakten Bauformen lassen eine Installation auch in kleinen Einbauräumen zu, sie benötigen weniger Platz als Schubstangen-Potentiometer. Ihre geschlossenen Bauformen machen sie unempfindlich gegenüber Staub, Verschmutzungen und elektro-magnetischen Störeinflüssen. Ihre verschleißfreie Positionsermittlung sichert eine lange Lebensdauer und eine beständige Messung ohne Drift über den gesamten Lebenszyklus. Sie sind in standardisierten Längen von 50 bis 3.000 mm mit analogem, Start/Stopp-, SSI- und CANopen-Ausgang erhältlich. Um weitere Kosten und Platz zu sparen, können bei einem mit zwei Magneten ausgerüsteten Sensor zwei Positionen gleichzeitig erfasst werden.
An einer Spritzgießmaschine eignen sich für diese Multipositions-Erfassung zum Beispiel die dynamischen Bewegungen auf der Schließ- und der Einspritzseite. So lassen sich Formbewegung und Auswerfer mit je einem Magneten auf einen gemeinsamen Sensor koppeln. Ebenso kann das Spritzaggregat gemeinsam mit der Dosierschnecken-/ Einspritzkolben-Position über einen zweiten Sensor ausgewertet werden. Noch mehr Optionen, wie eine Multipositions-Messung mit bis zu 30 Magneten, vielfältige Bauformen sowie mechanische Designs bietet die Temposonics R-Serie. Der flexible Sensor RF ist mit einer Messlänge von bis zu 20 m nicht nur der längste magnetostriktive Positionssensor, sondern lässt sich aufgewickelt kostengünstig transportieren und bequem auch in modular angeordneten Profilsegmenten installieren. Der Sensor mit abgesetzter Elektronik, RD4, eignet sich vor allem für kleine Einbauräume.
Vorbildfunktion für weitere Märkte
Es dauerte nicht lange, dann folgten den Spritzgießmaschinen die anderen Kunststoffverfahrenstechniken und statteten ihre Applikationen mit den unkomplizierten Wegaufnehmern aus. Insbesondere die komplexen Blasform-Anlagen und Spritzblasmaschinen erlebten dadurch eine freizügigere Flexibilität bei der Aufgabenanpassung und Umrüstung. Viele Fachbeiträge der vergangenen Jahrzehnte dokumentieren diesen positiven Trend.
Technik im Detail
Der Trick mit der Zeitmessung
Die Positionssensoren ermitteln Positionen durch eine einfache Zeitmessung. Jeder von uns kennt dieses Prinzip aus dem Alltag. Möchte man beispielsweise die Entfernung eines herannahenden Gewitters bestimmen, verfährt man in einer ähnlichen Weise, indem man beim Auftreten des Blitzes die Sekunden bis zum Donnerschlag zählt. Mit der Kenntnis, dass sich Schall in Luft mit cirka 343 Meter pro Sekunde ausbreitet, hat man schnell die Faustformel parat, dass in drei Sekunden ein Kilometer zurückgelegt wird. Also ergibt sich bei einer Zeit von neun Sekunden eine Abstandsschätzung der Gewitterfront auf drei Kilometer vom aktuellen Standort.
