April 2012

Eine der wesentlichen Kenngrößen und ein wichtiger Prozessparameter beim Spritzgießen ist die Werkzeugtemperatur. Sie beeinflusst unter anderem die Oberflächenabformung des Kunststoffes an der Formnestwandung und die Abkühlzeit. Außerdem hat die Temperaturverteilung im Werkzeug entscheidenden Einfluss auf den Formteil-Verzug und somit die Qualität der Kunststoffteile. Wärmebild-Aufnahmen von Kunststoff-Formteilen unterstützen schon lange die Entwicklung und Optimierung von Spritzgießwerkzeugen.

Eine solche thermische Analyse kann beispielsweise dabei helfen, Schwachstellen bestehender Werkzeuge und Formteile aufzuzeigen und deren simulationsgestützte Optimierung in der Bemusterungsphase neuer Spritzgießformen zu verifizieren. Darüber hinaus ermöglichen heute preiswerte und gleichzeitig robuste Wärmebildkameras einen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz auch in der Serienproduktion hochwertiger Kunststoff-Formteile. Optimal genutzt – das heißt als Inline-Thermografie eingesetzt – können Infrarotkameras heute dazu beitragen, Abweichungen im Temperiersystem unmittelbar zu visualisieren, Anfahrausschuss und fehlerhafte Formteile zu erkennen und auszusortieren sowie Werkzeugtemperaturen präzise zu regeln.

Aus der langjährigen Zusammenarbeit zwischen Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, und dem SKZ, Das Kunststoff Zentrum, Würzburg, entstand mit der im SKZ entwickelten Inline-Thermografie ein in der Industrie praktikables Qualitätssicherungstool auf Basis der Infrarot-Temperaturerfassung.

Geschickte Nutzung der Inline-Wärmebilder

Durch ihren hohen und relativ konstanten Emissionsgrad im relevanten infraroten Spektrum eignen sich Kunststoffteile sehr gut für die Temperaturmessung mit Infrarotsensoren. Anders als bei Stählen mit niedrigen Emissionskoeffizienten und hohen Reflexionsanteilen können bei Kunststoff-Formteilen ohne zusätzliche Maßnahmen und Vorrichtungen relativ genaue absolute und sehr genaue relative Messergebnisse erreicht werden. Ein Vergleich zwischen den in der Serienfertigung gemessenen Oberflächentemperaturen und den bei der Freigabe des Teils erfassten Ausgangswerten visualisiert nicht nur Temperaturveränderungen in Temperierkreisläufen sondern ermöglicht auch, diese zu lokalisieren. Außerdem können Ausschussweichen und die Werkzeugtemperatur-Regelung gesteuert beziehungsweise automatisiert werden.

Für einen genauen Vergleich von im Zyklus erfassten Wärmebildern mit Referenz-Aufnahmen ist es jedoch notwendig, sowohl die Zeit zwischen der Entformung und der Wärmebilderfassung als auch die Positionen vor der Wärmebildkamera bei jedem Schuss exakt einzuhalten. Daher triggert ein vom Handlingsystem generiertes Signal das Kamerasystem wiederholgenau beim Erreichen der jeweiligen Aufnahmeposition.

Eine weitere wichtige, wenn auch optionale, Voraussetzung für die serienintegrierte Nutzung von Inline-Wärmebildern ist, mehrerer Ansichten eines Bauteiles in jedem Zyklus zu erfassen und diese mit den zugehörigen Referenzbildern zu vergleichen. Werden beispielsweise sechs Seiten eines Teils erfasst, können alle relevanten Temperierkreisläufe analysiert werden.

Mehrere Wärmebilder je Zyklus können aber auch genutzt werden, um großflächige Formteile segmentiert, oder auf relevante Stellen fokussiert, zu erfassen und dadurch die Abbildungsgenauigkeit zu erhöhen. Wenn beispielsweise mit einer Kameraauflösung von 160 x 120 Pixeln ein Formteil in der Größe von 800 x 200 mm mit einer einzigen Aufnahme erfasst wird, deckt ein Pixel des Sensors etwa eine Fläche von 5 x 5 mm auf dem Formteil ab. Um nicht vollständig ausgespritzte Segmente erkennen zu können, kann eine reduzierte Aufnahmeentfernung erforderlich sein. Nicht vollständig ausgespritzte Formteile werden durch den Vergleich zwischen Referenz- und aktueller Temperatur erkannt. Denn der bei Short Shots fehlende Wärmeeintrag führt zu einer deutlich erkennbaren lokalen Temperaturabweichung.

Qualitätskontrolle und gezielte Temperatur-Regelung in einem

Zusammengefasst können lokale Temperaturabweichungen an der Formteiloberfläche unter anderem folgende Ursachen haben:

  • Schwankungen und Fehler im Temperiersystem,
  • Schwankungen in der Schmelzetemperatur – auch bedingt durch zum Beispiel veränderte Einspritzgeschwindigkeiten,
  • Veränderungen im Spritzdruck oder im Nachdruck,
  • Werkzeugtemperaturänderungen in der Anfahrphase,
  • Unvollständige Formfüllung (Short Shot).

Derartige Abweichungen wirken sich auf die Formteilgeometrie, die Festigkeitswerte oder die Oberflächenbeschaffenheit aus. Bei hochwertigen Spritzgieß-Artikeln kann deshalb eine Serienüberwachung der Formteiltemperaturen eine sinnvolle Ergänzung der Qualitätssicherungsaktivitäten darstellen. Gibt man lokale Grenzwerte vor, können Über- und Unterschreitungen detektiert und in Aktionen umgesetzt werden. Beispiele für die Steuerung von Qualitätsweichen bei sinnvoller Nutzung der Inline-Thermografie sind:

  • Automatisches Erkennen und Aussortieren von Anfahrteilen oder
  • gezieltes Anhalten der Maschine bei Temperaturüberschreitungen.

Wenn nun die Wirkung einzelner Temperiersegmente lokalisiert werden kann, lässt sich in Kombination mit zugeordneten Soll-Werten aus den Referenzbildern eines Gut-Teiles auch ein geschlossener Regelkreis realisieren. Die in einem Soll/Ist-Vergleich errechneten Regeldifferenzen werden dabei über einen Regel-Algorithmus in Stellgrößen für die Werkzeugtemperierung umgerechnet. Die so für jeden Zyklus neu berechneten Durchfluss-Mengen des Temperiersystems können über die direkt am Werkzeug angebrachten Regelventile eingestellt werden. Temperaturabweichungen am Formteil können so innerhalb weniger Zyklen ausgeregelt werden.

Die Inline-Thermografie bietet große Potenziale: Wenn nach einer Werkzeugbemusterung die bei der Freigabe ermittelten Temperier-Parameter in Form von Wärmebildern einen direkten Eingang in die Serienproduktion finden, können mittels SPC mögliche Veränderung im Temperiersystem und im Werkzeug rechtzeitig erkannt und durch entsprechende Wartung teuere Stillstände vermieden werden. Darüber hinaus verringert ein frühzeitiges Erkennung von Qualitätsabweichungen die Menge an Ausschuss. Die relativ geringen Kosten für die Hard- und Software zur Nutzung in der Serienfertigung amortisieren sich meist in kurzer Zeit. Der Maschinenhersteller aus Kottingbrunn bietet neben den Spritzgießmaschinen und der Peripherie auch die notwendigen Komponenten für die Inline-Thermografie an. Zur Verfügung stehen zwei Varianten, eine „open loop“ Version zur Anzeige von Thermobildern und Short Shots inklusive nutzbarem Signal zur Gut/Schlechtteilselektion, sowie eine „closed loop“ Version, die zusätzlich zur obigen Variante die Regelung der Werkzeugtemperierung ermöglicht.

 

Neue Technologie

Inline-Thermografie:

Regelung und Qualitätskontrolle
Eine Voraussetzung für eine konstant hohe Qualität komplexer Formteile ist die gleichmäßige Temperierung unterschiedlicher Werkzeugsegmente. Im Freigabeprozess geprüfte Formteil-Eigenschaften – wie Maßhaltigkeit und mechanische Festigkeit – können in der Serie nur dann sichergestellt werden, wenn neben anderen Material- und Prozessparametern auch die Werkzeugtemperierung konstant bleibt. Eine Analyse von Soll/Ist-Abweichungen und deren Zuordnung zu den Temperier-Kreisläufen im Werkzeug ermöglicht den Aufbau eines geschlossenen Regelkreises. Zusätzlich können anhand der Wärmebilder mit dem Soll/Ist-Vergleich Ausschussteile automatisiert aus dem Produktionsfluss ausgeschleust werden.

 

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