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Industrie 4.0 in der Praxis - Werkzeugsensorik als Basis für die vernetzte Spritzgießfertigung

Kunststoffe in der MedizinReinraumsystem mit Effizienz

Reinraumsystem der ISO-Reinraumklasse 7

Einen geringeren Energieverbrauch und damit Kostenvorteile soll eine neues Reinraumsystem für die Produktion gewährleisten.

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Industrie 4.0 in der PraxisWerkzeugsensorik als Basis für die vernetzte Spritzgießfertigung

Das Thema Industrie 4.0 ist branchenübergreifend allgegenwärtig. In der Spritzgießproduktion hat die Vision von Industrie 4.0. bereits ganz konkrete Formen angenommen. Im Fokus steht die konsequente Digitalisierung – und damit die Steigerung der Produktqualität sowie die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit. Mit den Systemen von Kistler zur Prozessüberwachung und -regelung sind Spritzgießer optimal gerüstet, um die Anforderungen bezüglich digitaler Vernetzung zu meistern.

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Prozessüberwachungs- und -regelungssystem

Nach Definition des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) ruht Industrie 4.0 auf drei Säulen: Smart Machines meint Maschinen, die sich selbst optimieren können dank intelligent programmierter Software; Smart Production ist ein Synonym für die Vernetzung der Fertigung, auch über Standorte hinaus; und Smart Services, also Services oder Geschäftsmodelle, die erst dank Vernetzung der Maschinen oder ihrer Komponenten möglich sind. Kistler bietet Spritzgießern nach eigenen Angaben bereits Lösungen für die ersten beiden Säulen dieses Modells – und damit umfassende Möglichkeiten zur Qualitätsverbesserung der Produkte und Prozesse in der Spritzgießfertigung per Vernetzung: Im Bereich Smart Machines steht das Prozessüberwachungs- und Prozessregelungssystem Comoneo zur Verfügung, im Bereich Smart Production die dazugehörige Datenbankkomponente Comodatacenter (CDC). Zusammen bilden sie die Basis, um steigenden Ansprüche an die Qualität beim Spritzgießen durch permanente Kontrolle und Optimierung des Spritzgießprozesses zu erreichen.

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Prozesse überwachen und bewerten
Das Prozessüberwachungssystem Comoneo bewertet die Qualität eines Spritzgießteils durch Überwachung des Werkzeuginnendrucks mit Sensoren. Die Druckverläufe korrelieren in hohem Maße mit der Bauteilqualität. Das Zusammenführen der gewonnenen Daten in einem virtuellen Produktionsumfeld bietet weitergehende Möglichkeiten, nicht nur den einzelnen Spritzgießzyklus, sondern den gesamten Prozessablauf zu überwachen und zu optimieren.

Die Überwachung des Werkzeuginnendrucks erfolgt mithilfe von definierten Bewertungselementen – sogenannten Evaluation Objects (EOs). Dabei prüft Comoneo, ob die Kurven die Bewertungselemente wie vordefiniert durchlaufen. So ist die Sortierung nach Gut- und Schlechtteilen möglich. Das Setzen der EOs geschieht manuell oder automatisch. Als zusätzliche praktische Tools stehen die auf statistischer Versuchsplanung basierende Online-Qualitätsprognose sowie der Wiederanfahr-Assistent zur Verfügung.

High-end-Prozessüberwachung

Auf Basis der in Comoneo integrierten Online-Qualitätsprognose sind laut Anbieter verlässliche Aussagen über jedes gefertigte Bauteil bereits im Voraus möglich. So prognostiziert das Modul aufgrund des aktuellen Werkzeuginnendruckverlaufs die späteren Abmessungen eines Bauteils. Die Online-Qualitätsprognose basiert auf Modellen, die eine Berechnung der Formteileigenschaften ermöglichen. Mithilfe der statistischen Versuchsplanung (DoE) werden die Zusammenhänge zwischen Druck- und Temperaturverläufen sowie den definierten Qualitätsmerkmalen ermittelt. Um eine Online-Qualitätsprognose durchzuführen, benötigt der Anwender auch die Stasa QC-Software zum Erstellen des DoE und Prognosemodells.

Mit dem Wiederanfahr-Assistent können Anwender bereits etablierte Prozesse problemlos von einer Spritzgießmaschine auf die andere übertragen. Das intelligente Tool generiert einen Vorschlag, der auch Nutzer ohne spezifisches Vorwissen über Werkzeuginnendruck in die Lage versetzt, den Prozess zu optimieren. Dafür erfolgt die mit dem Modul schnell und systematisch realisierbare Prozessoptimierung nach einem Maschinenwechsel benutzergeführt. Als Basis zur Durchführung benötigt der Assistent eine Referenzkurve, die einen qualitativ guten Prozess repräsentiert. Ist der Referenzzyklus hinterlegt und der Assistent gestartet, folgen Messung und Analyse des aktuellen Prozesses. Es wird im Detail analysiert wo die Abweichungen zum Referenzzyklus liegen. Aufgrund der Stärke und Position der Abweichung schlägt der Assistent automatisch Maschinenparameteränderungen vor – und zwar so lange, bis die Abweichungen des Werkzeuginnendruckverlaufs auf ein tolerierbares Maß reduziert sind.

Wiederanfahr-Assistent

Außerdem unterstützt ComoNeo die OPC-UA-Schnittstelle – welche aktuell auf dem Weg ist, zum Standard nicht nur in der Spritzgießproduktion, sondern für Industrie 4.0 auf breiter Basis zu werden. Sie ermöglicht die Kommunikation von Comoneo mit der Spritzgießmaschine und einzelnen Komponenten wie dem Heißkanalsystem. Multiflow synchronisiert die Druckprofile durch individuelle Regelung der Düsentemperaturen am Heißkanal. Die ebenfalls im System verfügbare Umschaltautomatik ermöglicht ein perfektes Timing beim werkzeuginnendruckabhängigen Umschalten vom geschwindigkeits- zum druckgeregelten Spritzgießen im Rahmen der Heißkanal-Balancierung.

Ein Beispiel aus der Rotoren-Produktion macht die Vorteile der Vernetzung auf Maschinenebene deutlich: Üblicherweise werden Rotorenblätter im ersten Schritt gespritzt, im zweiten Schritt wird recht aufwändig geprüft, ob der Rotor rund läuft. Zum Ausgleich von Unwuchten wird der Rotor mit dem Anbringen von Zusatzgewichten gewuchtet. Mit der in den Comoneo integrierten Multiflow-Regelung kann Schritt 2 entfallen, da während Schritt 1 die Füllung ausbalanciert wird. Dadurch werden die einzelnen Rotorblätter identisch gefüllt und der Rotor läuft rund. Während in herkömmlichen Produktionen jeweils eine manuelle Füllstudie gemacht werden musste, ist mit der Multiflow-Regelung des Comoneo eine automatische – und damit schnellere und präzisere – Füllung der Kavitäten möglich. Dieser Vorteil ist nicht nur beim Einrichten, sondern auch während der Produktion nutzbar. Mit dieser integrierten Option der Nachregelung können somit Prozessschwankungen auch in der Phase der Produktion ausgeglichen werden.

Comodatacenter zur Datenverwaltung und -analyse

Basis für Smart Production
Für Smart Production, also die Vernetzung der Fertigung, steht Kisters Comodatacenter (CDC) zur Verfügung. Es vernetzt alle Comoneo Systeme und die Vorgängersysteme Como Injection beim Anwender und führt die prozess- und qualitätsrelevanten Produktionsdaten laufender und abgeschlossener Aufträge in einer Datenbank zusammen. Es ist damit die zentrale Datenablage aller aufgezeichneten Prozessdaten und erlaubt dem Kunststoffverarbeiter eine schnelle Detektion von Prozessschwankungen, detaillierte Analysemöglichkeiten und statistische Auswertungen über alle historischen und laufenden Produktionen sowie die Ablage und Verwaltung aller Werkzeugeinstellungen. Auch die Einbindung in übergeordnete Systeme wie ERP- oder MES-Systeme ist vorgesehen: Das CDC fungiert als Verbindungsebene zwischen dem Prozess und übergeordneten Systemen – mit dem Vorteil, dass alle Daten problemlos mit an- deren Systemen im Unternehmen vernetzbar sind.

Integration in der Praxis
In einem Forschungsprojekt hat Kistler gemeinsam mit Partnern gezeigt, welchen Nutzen der Einsatz von Werkzeuginnendruck-Sensorik von der Produktidee bis zur Fertigung bringen und damit die Konzepte von Smart Machine und Smart Production gemäß der VDMA-Definition bedienen kann. Beteiligt waren neben Kistler die Krallmann Gruppe, GTT Willi Steinko und Plexpert. Es ging um die Produktion eines Spritzgießteils unter konsequentem Vernetzen der einzelnen Arbeitsschritte ohne nennenswerte Iterationsschleifen. Die Prozesskette umfasst alle Phasen von Design, Simulation und Berechnung, Werkzeugauslegung und Werkzeugbaus, Inbetriebnahme und systematischer Arbeitspunktoptimierung sowie eine 100-prozentige Qualitätsüberwachung über vernetzte Datenspeicher.

Der produzierte Artikel – ein zweiteiliges Spiel bestehend aus einem Labyrinth und einer Art Rachenlehre, die sich in das Labyrinth einfädeln lässt und zum Ziel geführt werden muss – erscheint auf den ersten Blick simpel, steckt aber im Detail voller Tücken. Das Labyrinth muss verzugsfrei und die Lehre verwindungssteif sein. Beide Teile werden in einem Werkzeug produziert. Das Balancieren von Werkzeugen mit gleichen Kavitäten zählt heute zum Standard. Doch das Balancieren eines Familienwerkzeugs mit unterschiedlichen Kavitäten und Schussvolumina ist nach wie vor eine Herausforderung.

Idealerweise setzt die Balancierung bereits bei der Produktgestaltung an und wird durch die Simulation möglichst nahe an die spätere Realität herangeführt. Dann folgt die Übertragung auf das Heißkanalwerkzeug. Im lebenden Prozess verfolgen Sensoren den aktuellen Werkzeuginnendruck. Sie bilden durch die jeweilige Charakteristik des Druckverlaufs den aktuellen Qualitätszustand des entstehenden Bauteils ab. Nach Öffnen des Werkzeugs wird mithilfe der IR-Thermographie ein zusätzlicher Schritt zur thermischen Überwachung des aktuellen Prozesszustands durchgeführt. Die Daten der Simulation dienen als strategische Voreinstellung der Spritzgießmaschine. Der Einrichter nimmt, geführt von einer Software zur Arbeitspunktoptimierung, systematisch das Feintuning vor. Im Produktionsverlauf sorgt Multiflow dann für ein gleichmäßiges Kompressionsverhalten in den unterschiedlichen Kavitäten.

Steckverbinder und Elektronikgehäuse
Ein anderes Beispiel aus der Praxis für die Umsetzung von Smart Machine und Smart Production liefert das Unternehmen Fischer mit Sitz in Sinsheim. Das Unternehmen produziert Steckverbinder und Elektronikgehäuse für die Automobil- und Elektroindustrie. Ungenau gefüllte Schlechtteile („Short Shots“) sollen unbedingt vermieden werden, denn Fehler lösen Kostenlawinen aus. Aus der Überwachung des Werkzeuginnendrucks zieht Fischer die Sicherheit, dass die Formteilqualität stimmt. 60 Prozessüberwachungssysteme sind im Einsatz und mehr als 300 Werkzeuge mit Werkzeuginnendruck-Sensorik ausgestattet. Alle Prozessüberwachungssysteme von Kistler sind fest installiert und über Comodatacenter vernetzt, was eine zentrale Speicherung der Produktionsparameter gewährleistet. Beim Werkzeugwechsel kann auf diese Daten zurückgegriffen werden, was zu einfachem Datenhandling und kurzen Einrichtzeiten führt. Die Werkzeugdaten sind zentral abgelegt und werden per Leitrechner zusammen mit den Maschinendaten automatisch eingespielt.

Die Werkzeuginnendruckmessung hilft schon bei der Abmusterung eines Neuwerkzeugs, den Prozess anzufahren und zu optimieren. Am Druckverlauf ist schnell zu erkennen, ob der Heißkanalverteiler, die Düsen und der Heißkanalregler in Ordnung sind. Die Werkzeuginnendruckmessung ermöglicht es, Werkzeuge zu beurteilen. Bei Fischers Mehrfachwerkzeugen sieht man auf einen Blick am Prozessüberwachungssystem, ob die Balancierung des Heißkanals stimmt. Später kann Fischer sogar Maschinenfehler und Verschleißerscheinungen am Werkzeuginnendruckverlauf erkennen.

Unterstützung zur Fehlervermeidung
In naher Zukunft soll die eindeutige Nachvollziehbarkeit jedes Teils möglich sein. Um dies zu realisieren, werden bei der Produktion der Kunststoffteile Werkzeuginnendruck beziehungsweise Werkzeugwandtemperatur gemessen. Jeder Zyklus wird nach Kavitäten unterteilt und bekommt einen Zeitstempel in dem Herstelldatum und -zeit vermerkt werden. Diese Daten werden im Comoneo gespeichert.

Die im System hinterlegten Informationen können beispielsweise als QR-Code auch auf jedem produzierten Teil vermerkt werden. Später, beispielsweise bei Reklamationen, kann durch scannen des Codes direkt der zum Teil zugehörigen Messdatensatz aus der CDC-Datenbank ausgelesen werden. Zusätzlich ist nachvollziehbar, wann, auf welcher Maschine und innerhalb welches Produktionsauftrags das Teil produziert wurde, wie es bewertet wurde, und wie der Prozessverlauf davor und danach war. Dazu können weitere Informationen aus MES-Systemen verknüpft werden, wie Maschinendaten, Materialdaten und Werkzeugdaten. Schon heute können sich beispielsweise Produktionsleiter von extern einwählen, um alle Daten in Echtzeit einzusehen, ganz unabhängig davon wo sie sich gerade befinden. Dank Kistlers Systemkomponenten sind alle technischen Voraussetzungen für Unternehmen geschaffen, in der Spritzgießfertigung Industrie 4.0 umzusetzen.

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