Die Körperschallanalyse als Methode der Prozess- und Maschinenüber­wachung stammt aus der metallverarbeitenden Industrie: Das Bearbeiten von zerspanbaren Werkstoffen entspricht einem beabsichtigten, kontrollierten Verschleißprozess. Dabei laufen mechanische Schwingungen durch Werkstück und Werkzeug, die seismischen Wellen ähneln. In einem Prozessbild festgehalten, ermöglichen sie das Überwachen des Vorgangs.

In einem Forschungsprojekt, das von 2010 bis 2012 an der Fachhochschule Südwestfalen in Iserlohn lief, haben die Projektbeteiligten den Nachweis erbracht, dass sich das Prinzip dieser Messungen auch zum Überwachen des Spritzgussprozesses eignet. Das auf das Optimieren dieses Prozesses spezialisierte Unternehmen Toses, Hagen, setzt das Verfahren seither bei Kunden ein, wie dem Sieb- und Filterhersteller Küfner, dem Hersteller von Automobil-In- und Exterieuren SMP Deutschland oder dem Stecker- und Steckverbinder-Hersteller TE Connectivity sowie Vorwerk Elektrowerke. Die Körperschallanalyse ermöglicht sowohl eine Aussage über den Zustand und die Funktionen des Werkzeugs, als auch in Teilbereichen über die Stabilität und Qualität des Spritzguss­prozesses.

An den Prozess­bildern lässt sich direkt ablesen, ob etwas schwergängig läuft oder ob sich ein Werkzeugbruch anbahnt. Zeitlich getriggert mit den Ansteuerungssignalen der Maschine lässt sich darüber hinaus nachvollziehen, an welchem Funk­tionselement des Werkzeugs das Problem besteht. Das eröffnet Produzenten von Spritzgussteilen neue Wege in der Qualitätssicherung und der Prozessoptimierung: Angefangen beim Condition Monitoring, also der zustandsbasierten Wartung von Werkzeugen, über eine zügige Werkzeugqualifizierung beim Einfahren eines neuen Werkzeugs oder auch nach der Wartung oder Reparatur eines bestehenden, bis hin zum frühzeitigen Erkennen von Schäden. Die Körperschallanalyse ermöglicht zudem ein gezieltes Beurteilen von Maß­nahmen zur Prozessoptimierung.

Werkzeugbeschichtung – ja oder nein?

Die Beschichtung eines Werkzeugs kann unterschiedliche Ziele haben, beispielsweise die Entformungs- oder Gleit­eigenschaften zu verbessern. Bei komplexen Werkzeugen mit vielen beweglichen Teilen ist die Motivation, auf ein beschichtetes umzusteigen, häufig mit der Hoffnung verbunden, den Wartungsaufwand zu verringern. Die Beschichtung soll die Reibung reduzieren und damit häufiges Schmieren und Fetten des Werkzeugs überflüssig machen. Die Antwort auf die Frage, ob sich das tatsächlich lohnt, hat der Anwender in der Vergangenheit per Versuch und Irrtum ermittelt. So stellte sich erst im Laufe der Zeit heraus, ob die Werkzeugbeschichtung den gewünschten Effekt erzielt. Mit der Körperschallanalyse lässt sich die Wirkung einer Beschichtung am Prozessbild ablesen. Der direkte Vergleich baugleicher Werkzeuge mit und ohne Beschichtung ermöglicht eine rasche und eindeutige Beurteilung des Nutzens.

Parameter-Änderungen analysieren und bewerten

Auch beim Ändern relevanter Prozess- und Betriebsparameter lässt sich häufig erst nach einem Praxisversuch bewerten, ob die angestrebten Verbesserungen durch höheren Verschleiß wieder aufgehoben oder sogar in einen Nachteil verwandelt werden.

Die Temperierung oder die Zykluszeit sind Beispiele für Parameter, an denen Maschinenbediener gerne Änderungen vornehmen. Doch die Werkzeuge sind von den Herstellern auf bestimmte Temperaturen ausgelegt – mit gutem Grund. Schon kleinste Temperatur­änderungen wirken sich auf die Längenausdehnung der unterschiedlichen Werkzeugbestandteile aus. Speziell in den eng abgestimmten Führungen kann das schnell Probleme verur­sachen. Zwar sorgen Änderungen der Temperierung im besten Fall zu einer geringeren Kühlzeit und damit Zykluszeit. Doch sehr häufig geht damit ein höherer Werkzeugverschleiß einher. Der Kunststoffteile-Produzent verfügt mit den Körperschall-Prozessbildern über ein Instrument, das ihm hilft, gezielt zu überprüfen und dann zu einer qualifizierten Aussage darüber zu kommen, ob ein Werkzeug veränderte Parameter auf Dauer aushält.

Dass Körperschall-Prozessbilder es ermöglichen, die Auswirkungen von Änderungen zu visualisieren, hilft auch in der Mitarbeiterschulung. Denn obwohl hinlänglich bekannt ist, dass das Ändern von Prozessparametern ein heikles Unterfangen ist und unerwünschte Langzeitwirkungen haben kann, mangelt es häufig am notwendigen Bewusstsein bei Maschinenbedienern. Eine Demonstration mit Körperschall-Prozessbildern, die zeigt, dass oft schon eine kleinere, gut gemeinte Änderung vergleichsweise große, negative Auswirkungen mit sich bringt, kann hier zum Aha-Erlebnis führen.

Um an die Körperschall-Prozess­bilder zu kommen, gibt es zwei Möglichkeiten. Spritzgussteile-Produzenten können mit Leih- oder Kaufgeräten in Eigenregie messen und die Prozessbilder selbst analysieren. Alternativ können sie die Aufzeichnungen samt Auswertung als Dienstleistung in Form von Service-Messungen beauftragen. Wofür sie sich auch entscheiden, am jeweiligen Werkzeug ist für die Messung lediglich das Anbringen eines Sensors in einem M5-Gewindeloch nötig.

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Über den Autor

Burkhard Walder ist Geschäftsführer von Toses Tooling ­Security Services in Hagen. b.walder@toses.de