Wie intelligentes Spritzgießen Qualität und Prozessstabilität erhöht

Hauptgeschäftsfelder von Schneider Electric mit Hauptsitz im französischen Rueil-Malmaison sind intelligente Energieverteilung sowie elektrische Fassungen und Steuerungskomponenten für die Industrieautomation. In China betreibt die 1836 gegründete multinationale Gruppe vier Forschungs- und Entwicklungszentren sowie 23 Werke. Das Unternehmen hat außerdem eine tragende Rolle bei den Initiativen „Digitale Innovation“ und „Grüne Dekarbonisierung“ inne, die China auf allen Ebenen vorantreibt. Schneider Electric strebt danach, das Konzept des intelligenten Spritzgießens in seinen Produktionsbetrieben weltweit umzusetzen. Um dieses Ziel zu erreichen, fördert das Unternehmen den Einsatz von Technologie des Anbieters von Messtechniken und Sensoren aus der Schweiz, Kistler. Eingesetzt wird dabei insbesondere das Komplettpaket, das Werkzeuginnendrucksensoren sowie passende Datenverarbeitungs- und Softwaremodule aus einer Hand umfasst. Schneider Electric China und Kistler haben ihre Zusammenarbeit in der zweiten Hälfte des Jahres 2020 begonnen.

Long Shunmao, Kip Technology Leader bei Schneider Electric GSC China und Spritzgießexperte, ist verantwortlich für die Produktion des Minitop, einer Komponente aus dem Niedrigvolt-Elektroverteiler-Portfolio des Unternehmens. Um höchste Produktqualität und Prozesssicherheit zu gewährleisten, kombinierte Long wissenschaftliches Vorgehen beim Spritzgießen mit Werkzeuginnendruck- und Temperatursensoren mit einem Prozessüberwachungssystem von Kistler. Das Verfahren zielt besonders darauf ab, fünf im Spritzgießprozess nicht direkt beobachtbare Variablen und ihre Schwankungen zu verstehen und zu steuern: Einspritzgeschwindigkeit, Schmelzetemperatur, Schmelzedruck sowie Kühltemperatur und- zeit. „Die Minitop Produkte müssen strenge Qualitätskriterien erfüllen, etwa hinsichtlich Stärke, Dimensionen und Lebensdauer“, berichtet Long. „Deshalb hatten wir in der anfänglichen technologischen Evaluation seitliche Anschnitte für das Werkzeugdesign und Polyamid 66 (PA66) ausgewählt – ein Material mit einem Glasfaseranteil von 60 Prozent und 12 Millimeter langen Fasern. Die Herausforderung war, auf dieser Basis einen zuverlässigen, stabilen Prozess zu entwickeln. Kistler hat uns hier die richtige Lösung geliefert.“

Um die Qualität zu sichern und die Prozessdaten zu visualisieren, wurden vier Werkzeuginnendrucksensoren 6182D und zwei Temperatursensoren 6195B von Kistler im Werkzeug installiert. Der 6182D ist ein piezoelektrischer Miniatur-Druckaufnehmer mit einem Durchmesser von 2,5 Millimetern, einem Messbereich bis zu 2000 bar und einer flexiblen Anschlussoption (Einzelkabel oder Distanzhülse). Das Prozessüberwachungssystem Comoneo visualisiert und bewertet die von den Druck- und Temperatursensoren zur Verfügung gestellten Daten. Es stellt über den gesamten Spritzgießprozess hinweg Echtzeitkurven bereit. Wie bei der Kombination von Tunnelanschnitten mit einem Material mit langen Glasfasern zu erwarten war, ergaben sich zusätzliche Herausforderungen bei der Prozessqualität, sodass die gefertigten Teile bei verschiedenen Eigenschaften Abweichungen aufwiesen, etwa bei den Abmessungen. In Übereinstimmung damit zeigten die Druckkurven des Comoneo-Systems ein Missverhältnis zwischen den Tunnelanschnitten und den langen Glasfasern auf, sodass der Schmelzefluss in der Nähe der Anschnitte oft behindert oder versperrt war. Das System erkannte außerdem ungleiche Füllstände zwischen den Kavitäten. „Zuerst haben wir die Hauptursache des Problems ermittelt. Daraufhin konnten wir die Qualitätsstandards für jeden Prozess definieren und anpassen, was die Fertigungsleistung erheblich steigerte“, erklärt Long. Dabei wurden mehrere Features des Prozessüberwachungssystems zur Qualitätssicherung und Optimierung angewendet: die Überwachung und Steuerung der Werkzeugtemperatur mithilfe von Sensorsignalen und die Steuerung der V/P-Umschaltung, um eine stabile Füllung zu garantieren (Comoneo Switch). Hinzu kam die Separierung von Ausschuss auf Basis festgelegter Qualitätskriterien sowie einen Stopp der Produktion im Fall abnormer Bedingungen wie Abnutzung oder eine hohe Temperatur.

Die ganzheitliche Prozessoptimierung reduzierte die Ausschussrate in dieser Anwendung stark – von 13 auf    8 % insgesamt. Die fertigen Teile werden zusätzlichen Röntgen- und Belastungstests unterzogen (aufspannen, auslösen, biegen), um eine einheitliche Qualität zu erreichen. Und Long hat bereits die nächsten Schritte im Blick: „Theoretisch könnte die Ausschussrate für diese herausfordernde Komponente auf etwa 1 Prozent gesenkt werden – vor allem, wenn wir zusätzlich das Feature Comoneo Multiflow einsetzen.“ Diese Softwareerweiterung für Comoneo erlaubt eine auf dem Werkzeuginnendruck beruhende Balancierung des Heißkanals und kann so Material- und Prozessschwankungen automatisch kompensieren. Das übergeordnete Ziel von Schneider GSC China ist es, ein Steuerungssystem mit geschlossenem Regelkreis auf Basis dynamischer Messtechnik für das Spritzgießen zu etablieren. Das schließt eine intelligente und automatische Regelung in einem selbstlernenden Prozess ein, der eine stabile Produktqualität ohne menschliche Eingriffe garantiert. Dies würde Level 3 im intelligenten Spritzgießkonzept entsprechen. Basieren könnte die Lösung auf automatischer Temperaturanpassung (für multiple Einspritzdüsen) und automatischer Umschaltung (V/P) mittels Schneckenposition und Werkzeuginnendruck.

Quelle: Kistler