Prozessüberwachung

Meinolf Droege,

Transparenz beim Spritzgießen für die Medizintechnik

Medizinischen Einwegprodukte, und Komponenten für Geräte, beispielsweise Kanülen, Pipettenspitzen, Inhaler oder Insulinpens entstehen überwiegend im Spritzgießverfahren. Die Unternehmen investieren verstärkt in eine präventive Qualitätssicherung entlang des Produktlebenszyklus. Besonders effizient ist die Integration der Qualitätssicherung direkt in den Prozess. Der Forminnendruck ist eine aussagekräftige Messgröße, die Anwendern hohe Transparenz und den Weg in die Null-Fehler-Produktion aufzeigt.

Das Prozessüberwachungssystem Comoneo kann mit Hilfe einstellbarer Bewertungselemente die Qualität des Bauteils bereits während des laufenden Zyklus beurteilen. © Kistler

Schnell und effektiv auf veränderte Rahmenbedingungen und Produktionsketten reagieren – ist heute wichtiger denn je. Aber nicht nur kurzfristig, auch perspektivisch lassen sich strategische Maßnahmen ergreifen, um für höhere und sich verändernde Anforderungen an Produktionsvolumen und -tempo, aber auch an Produktqualität und Leistungsfähigkeit der Produktion gerüstet zu sein.

In der Spritzgießpraxis spielt der Werkzeuginnendruck eine wichtige Rolle: Er beschreibt die Vorgänge in der Kavität – und damit die Entstehungsbedingungen des Bauteils über den gesamten Prozess. Das macht den Werkzeuginnendruck zum Indikator für die Qualität des Formteils. Seinem Verlauf während der Füll-, Kompressions- und Nachdruckphase können spezifische qualitätsrelevante Eigenschaften des Bauteils zugeordnet werden, beispielsweise Maßtreue, Oberflächenqualität, Gewicht und Ausformungsgrad. Der Verlauf des Werkzeuginnendrucks ist somit ein teilespezifischer „Fingerabdruck der Qualität“, mit dem sich während des gesamten Produktionsprozesses Aussagen zu optimalen Prozessparametern treffen lassen. Gutteile von Schlechtteilen zu unterscheiden ist bereits während der Produktion möglich.

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Hohe Anforderungen an Sensoren

Um die qualitätsentscheidenden Vorgänge im Formwerkzeug exakt zu erfassen, müssen die Sensoren hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Präzision und Robustheit erfüllen. Das Messen von Druck und Temperatur beim Spritzgießen setzt eine hochauflösende und sichere, zugleich aber wartungsfreie und langlebige Messtechnik voraus. Entsprechende Messketten müssen den Einsatzbereich bis 450 Grad Celsius Schmelzetemperatur abdecken und selbst bei Druckverhältnissen von 2000 bar vergleichbar kleine Druckschwankungen erfassen und auflösen können. Kistler setzt piezoelektrische Sensoren mit teils speziellen Materialien ein, um diese hohen Anforderungen zu erfüllen. Das auf dem piezoelektrischen Effekt basierende Messprinzip erlaubt es, hochdynamische Druck- und Kraftverläufe präzise zu messen.

Der Miniatursensor mit 1 Millimeter Durchmesser für den Werkzeuginnendruck soll bei der Messgenauigkeit Spitzenwerte erzielen. © Kistler

Neben dem physikalischen Messprinzip ist auch die Auswahl des Sensors entsprechend der Aufgabe und des Einsatzorts entscheidend, gerade im Hinblick auf die Prozesssicherheit. Kistler setzt nach eigenen Angaben darauf, für die jeweilige Formteilgeometrie, Einbausituation, den jeweiligen Spritzgießprozess und verarbeiteten Kunststoff passende Sensoren zur Verfügung zu stellen. Dies spiegle sich im umfangreichen und vielfältigen Sensorproduktportfolio.

Bei der direkten Messmethode berührt der Sensor die Kunststoffschmelze in der Kavität und misst dort den Druck direkt und ohne Verluste. Die Front des Sensors lässt sich bei den meisten Sensoren an die Oberflächengeometrie der Kavität anpassen, so dass kaum ein Abdruck auf dem Formteil zu erkennen ist. Neben einer Vielzahl unterschiedlicher Durchmesser zwischen 1 und 9 Millimeter ermöglichen Sensoren von Kistler die kombinierte Messung von Druck und Temperatur. Nur ein Sensor misst beide Prozessgrößen und reduziert so die Komplexität für die Anwender. Alternativ stehen, falls die Platzverhältnisse im Werkzeug keine direkte Messung erlauben, indirekte Sensoren zur Verfügung. Hier ist ein Kraftsensor hinter einer Transferstange oder einem Auswerfer angeordnet. Der Kraftfluss verläuft also von der Schmelze auf die Stirnfläche der Transferstange, die die Kraft auf den Sensor weiterleitet. Dritte Messmethode ist die berührungslose Messung, bei der Messdübel die vom Druck verursachte Stauchung des Werkzeugs erfassen. Diese Methode kommt dann zum Einsatz, wenn Bauteile keine sichtbaren Markierungen aufweisen dürfen.

Per Prozessüberwachung mehr Qualität

Viele produzierende Unternehmen setzen auf maschinensteuerungsunabhängige, in den Produktionsablauf integrierte Prozessüberwachungssysteme, um die von piezoelektrischen Sensoren erfassten Informationen zu nutzen. Für die Produktion wichtige Aspekte sind die Steuerung und Überwachung des Prozesses sowie die Dokumentation des hergestellten Bauteils. Das soll den sicheren und stabilen Prozess gewährleisten und größtmögliche Transparenz über die zugrundeliegenden Prozessschritte geschaffen.

Das Prozessüberwachungssystem Maxymos für Montage- und Fügeprozesse ist FDA- und MDR-konform. © Kistler

Entsprechende Geräte wie der Comoneo von Kistler können den Verlauf des Werkzeuginnendrucks in Echtzeit verfolgen. Die, so der Anbieter, intuitiv verständliche Visualisierung erleichtere es den Anwendern, Prozesszustände zu erfassen, sogar beim komplexen Mehrkomponentenspritzguss. Über das Monitoring und die Optimierung des Prozesses hinaus kann Comoneo mit Hilfe einstellbarer Bewertungselemente die Qualität des Bauteils bereits während des laufenden Zyklus beurteilen. Somit wird die Formteilqualität bewertet, bevor das Bauteil entformt ist. Besondere Hersteller von Präzisionsteilen und anderer hochwertiger, montagekritischer Bauteile profitieren von diesem Tool, das dem Anwender eine 100-Prozent-In-Prozess-Prognose der Qualitätsmerkmale gewährt.

Im Gegensatz zu maschinenintegrierten Lösungen können bei externen Prozessmonitoren wie dem Comoneo die kompletten Kurvenverläufe in einer Datenbank für den gesamten Spritzgießbetrieb gespeichert werden. Somit haben Hersteller zu jedem Zeitpunkt die Möglichkeit, vergangene Produktionen mit dem Sollkurvenverlauf zu vergleichen und im Fall einer Reklamation den validierten Prozessverlauf nachzuweisen. Die automatische Werkzeuginnendrucküberwachung übernimmt zusammen mit externen Geräten Funktionen wie Abmusterung von Werkzeugen, Prozessanalyse und -optimierung, Prozess- und Produktionsüberwachung, Prozess- und Produktionsdokumentation und die Prozessregelung, das heißt die Regelung von Heißkanalreglern und des Umschaltpunkts.

Frühe Prozessentwicklung ist entscheidend

Hersteller medizintechnischer Produkte, beispielsweise von Insulinpens oder Inhalern, stehen häufig unter Zeitdruck. Denn für ihre Kunden aus der pharmazeutischen Industrie ist eine möglichst lange Patentnutzbarkeit des Medikaments essenziell. Der Produktionsprozess für das entsprechende medikamentenverabreichende Gerät muss daher möglichst früh, am besten schon während der Medikamentenentwicklung, im Detail geplant werden. Für Entwicklungsingenieure in der medizintechnischen aber auch in der pharmazeutischen Industrie ist es deshalb wichtig, sich sehr früh an Messtechnik- und Prozessüberwachungsexperten wie Kistler zu wenden, um den Produktionsprozess für das medizintechnische Gerät zu entwickeln, validieren oder vorlizenzieren zu lassen.

Der direkt messende Werkzeuginnendrucksensor mit 1 Millimeter Durchmesser eignet sich besonders für kleine Teile und mehrkavitätige Werkzeuge. © Kistler

Neben den Lösungen einer werkzeuginnendruckbasierten Prozessüberwachung für das Spritzgießen bietet Kistler Sensorik- und Prozessüberwachungslösungen wie die Maxymos Systeme für Füge- und Montageprozesse sowie für die Prüfung der gefertigten Bauteile. Diese basieren auf der Erfassung und Analyse physikalischer Größen wie Druck, Kraft oder Drehmoment. Die Integration des Systems in Montageprozess ermöglicht hohe Transparenz und Sicherheit bei der Prozessüberwachung. Medizintechnikhersteller können damit entlang der ganzen Wertschöpfungskette die Produktionseffizienz und -transparenz steigern – von der Formgebung der Komponenten über die Montage der Teile bis hin zur finalen Produktprüfung. Zudem steht Medizintechnikherstellern mit dem im Frühjahr 2020 auf den Markt gebrachten Prozessüberwachungssystem Maxymos TL ML erstmals ein Prozessüberwachungsgerät für Montage- und Fügeprozesse zur Verfügung, das FDA- und MDR-konform ist.

Der piezoelektrische Effekt

bezeichnet die Eigenschaft bestimmter Kristalle, bei mechanischer Belastung eine dazu proportionale elektrische Ladung abzugeben. Er wurde im Jahr 1880 von Pierre und Jacques Curie entdeckt. Durch die gerichtete Verformung des piezoelektrischen Messelements entsteht eine zum ausgeübten Druck proportionale elektrische Ladung. Das Ladungssignal wird mit einem Ladungsverstärker in elektrische Spannung gewandelt.

1950 wurde der Ladungsverstärker für piezoelektrische Signale durch Walter P. Kistler zum Patent angemeldet – er hatte entdeckt, dass sich mit Quarzkristallen Kräfte, Druck oder Beschleunigung genau bestimmen lassen. Piezo-Sensoren sind prädestiniert für den Einsatz bei extremen Anforderungen, speziell hinsichtlich Miniaturisierung, Temperatur und Dynamik.

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