Sensoren

Sensoren erschließen Sparpotenziale beim Spritzguss

Überwachung des Werkzeuginnendrucks schützt vor Short Shots
Die konsequente Überwachung des Werkzeug-Innendrucks bei der Produktion von Steckverbindern und Elektronikgehäusen dient beim Verarbeiter Fischer als wichtiges Werkzeug zur Qualitätssicherung – und damit zur Vermeidung von Ausschuss und zur Kostensenkung.

Bei der Herstellung seines breiten Spektrums technischer Formteile nutzt Fischer zur Qualitätssicherung die Überwachung des Werkzeuginnendrucks. (Bild: Kistler)

Als wichtigstes Kriterium für die Qualität der Teile hat Fischer die vollständige Formfüllung ausgemacht. Unvollständig gefüllte Kavitäten, sogenannte Short Shots, führen zu Problemen bei der Baugruppenmontage im eigenen Haus oder zu Reklamationen bei der millionenfachen Lieferung an OEMs und Tier-1-Suppliern. Seit langem verfolgt der mittelständische Familienbetrieb deshalb an allen Maschinen eine enge Überwachung aller relevanten Maschinenparameter, der Heißkanaltemperaturen und der Temperatur des Werkzeugkörpers.

Toleranzbänder um die Parameter, bei deren Überschreitung die Maschine Alarm gibt, sind ohnehin selbstverständlich. Trotz aller Anstrengungen war man aber nicht wirklich sicher vor unausgespritzten Teilen oder kleinen Defekten am Ende des Fließwegs. Deshalb führte Fischer vor einigen Jahren zusätzlich eine Prozessüberwachung auf Basis des Werkzeuginnendrucks ein. Aus der Überwachung des Werkzeuginnendrucks zieht Produktionsleiter Erich Fischer heute die Sicherheit, dass die Formteilqualität stimmt. „Wenn wir enge Toleranzen setzen und den Prozess gut einfahren, haben wir sehr gute Ergebnisse. Schichtleiter Martin Weinzettel ergänzt: „Mit der Werkzeuginnendrucküberwachung sehen wir, was im Werkzeug passiert.“

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Konsequenter Einsatz von Sensoren
Inzwischen sind bei Fischer 60 Prozessüberwachungssysteme im Einsatz. Mehr als 300 Werkzeuge sind mit Werkzeuginnendruck-Sensorik ausgestattet. „Neue Werkzeuge bestücken wir so gut wie ausnahmslos mit Sensoren“, betont Martin Weinzettel, „und viele ältere Werkzeuge haben wir bereits nachgerüstet.“

Das Prozessüberwachungssystem – rechts neben der Spritzgießmaschine – überwacht die Fertigung von Steckverbindern. (Bild: Kistler)

Im Einsatz sind Prozessüberwachungssysteme Como Injection Typ 2869A/B von Kistler zur Überwachung von Druckverläufen in Formen mit 4 bis 32 Kavitäten. Überwiegend setzt Fischer dabei die Mehrkanal-Kabeltechnik ein: Single-Wire-Kabel führen vom Sensor zu einem Mehrkanalstecker außen am Werkzeug, von dem aus ein Mehrkanal-Kabel für den Anschluss an das Prozessüberwachungssystem sorgt. Alle Como Injection sind fest installiert und vernetzt, was die zentrale Speicherung der Produktionsparameter gewährleistet. Beim Werkzeugwechsel wird auf diese Daten zugegriffen, das führt zu einfachem Datenhandling und kurzen Einrichtzeiten.

Überwiegend hat Fischer den kleinsten Kistler-Drucksensor mit 1 Millimeter Frontdurchmesser im Einsatz, gelegentlich auch einen größeren Typ mit 2,5 Millimeter Durchmesser. Eine verchromte Front schützt den Sensor vor Verschleiß bei der Verarbeitung hochgefüllter und abrasiv wirkender Kunststoffe.

Innendruckmessung im Prozessverlauf
Die Qualitätsüberwachung ist nicht der einzige Vorteil, den Fischer aus der Werkzeuginnendruckmessung zieht. Martin Weinzettel: „Die Werkzeuginnendruckmessung hilft schon bei der Abmusterung eines Neuwerkzeugs, den Prozess anzufahren und zu optimieren. Im Druckverlauf sehen wir schnell, ob Heißkanalverteiler, Düsen und Heißkanalregler in Ordnung sind. Die Werkzeuginnendruckmessung ermöglicht, Werkzeuge zu beurteilen. Bei unseren Mehrfachwerkzeugen sehen wir auf einen Blick am Prozessüberwachungssystem, ob die Balancierung des Heißkanals stimmt. Später erkennen wir sogar Maschinenfehler und Verschleißerscheinungen am Werkzeuginnendruckverlauf“, berichtet Martin Weinzettel. Bei der Erstbemusterung werden die Formteile vermessen und gewogen, kritische Qualitätsmerkmale und Struktureigenschaften geprüft und Protokolle erstellt. Nach der Kundenfreigabe für die Formteile definieren die Spritzgießexperten im Prozessüberwachungssystem Auswerteelemente für den Werkzeuginnendruckverlauf.

Das Display visualisiert den Verlauf des Werkzeuginnendrucks an einem 8-fach-Werkzeug. (Bild: Kistler)

Das Erreichen des richtigen Druckniveaus ist ein zwingend einzuhaltendes Kriterium zur positiven Beurteilung der Qualität im Prozessüberwachungssystem. Der Druck im Werkzeug muss ein definiertes Druckniveau überschreiten, ohne den als Maximum definierten maximalen Spitzendruck zu übertreffen. Dazu sind Schwellwerte definiert. Erreicht der Druckverlauf das Mindestniveau nicht oder überschreitet er das Maximum, bewertet der Como Injection das Formteil als mangelhaft. Bei komplexeren Qualitätskriterien zieht Fischer zur Bewertung des Werkzeuginnendrucks auch Boxen heran, die aus einem definierten Druckbereich und einem definierten Zeitfenster gebildet werden und vom Druck in bestimmter Abfolge durchlaufen werden müssen.

Folge der Mangelhaft-Bewertung ist ein „Schlecht“-Signal für den Roboter, das entsprechende Teil in die Ausschusskiste oder in eine Schneidmühle neben der Maschine abzuwerfen. In größeren Mehrfachwerkzeugen lassen sich als fehlerhaft bewertete Teile dank einer kavitätensortierten oder teilsortierten Ablage separieren. Selten sind bei Fischer Fallteile, da fast alle Maschinen mit Entnahmerobotern ausgestattet sind. Um hier die Teile eines als fehlerhaft mangelhaft eingestuften Zyklus als Ausschuss auszuschleusen, aktiviert der Como Injection eine Ausschussweiche.

Wegen des Schwerpunkts der Prüfung auf vollständige Formfüllung positioniert Fischer seine Sensoren meist angussfern. „Wir haben mit sehr kurzen Füllzeiten und geringen Wanddicken zu tun. Von daher analysieren wir nicht mit angussnahen Sensoren den Charakter des gesamten Druckverlaufs, sondern sehen uns am Fließwegende an, ob ein Mindestdruck vorhanden ist, um das Formteil sauber auszuformen“, erläutert Erich Fischer seine Strategie. „Genauso erkennen wir an einem zu hohen Druckniveau die Gefahr einer Überspritzung. Schnell füllen, schnell kristallisieren, schnell nachkühlen, und dann entformen – das ist unser Zyklus. Bei Füllzeiten von 0,25 Sekunden brauchen wir keinen Nachdruckverlauf zu analysieren, denn dort bewegt sich bei unserem Formteilspektrum wenig. Gerade wenn wir Highspeed-Materialien einsetzen, bleibt keine Zeit für Analysen“, beschreibt er seine Erfahrungen mit der Verarbeitung der neuen, mit Nanopartikeln modifizierten niedrigviskosen technischen Kunststoffe.

Produktionsleiter Erich Fischer (links) und Schichtleiter Martin Weinzettel setzen auf die Mobilität der Prozessüberwachungssysteme Como Injection.

Durch Entwicklung und Werkzeugbau im eigenen Haus nutzt Fischer auch Simulationsprogramme: „Ergebnisse von Füllsimulationen lassen sich nicht hundertprozentig auf die Produktionssituation übertragen, denn im Druckverlauf gibt es Abweichungen zwischen Berechnung und realem Prozess“, erklärt Erich Fischer. Dennoch helfen die Simulationsergebnisse auch in der Produktion, denn sie sind Grundlage für die Entscheidung über die optimale Positionierung des Drucksensors: Ist die Position sinnvoll? Ist die Montage machbar? Ist die Handhabung des Sensors praktikabel? Bei diesen Entscheidungen helfe die Simulation.

Überwachung auch bei elektrischen Maschinen
In den vergangenen Jahren hat Fischer im Spektrum von 500 bis 4500 Kilonewton Schließkraft ausschließlich in vollelektrische Maschinen investiert und mit inzwischen 55 Stück seinen Maschinenpark auf 70 Maschinen ausgebaut und zwei Vollelektrische mit 4500 Kilonewton hinzugefügt. Mit vollelektrischen Maschinen hat der Betrieb hinsichtlich Präzision und Produktionskonstanz einen Sprung nach vorn gemacht. Aber trotz elektrischer Maschinen bleibt es für Fischer notwendig, Short Shots sicher auszuschließen. Erich Fischer: „Auch an elektrischen Maschinen kommen wir nicht ohne Werkzeuginnendrucküberwachung aus. Selbst eine noch so stabile Produktion garantiert uns nicht, dass immer restlos alle Formteile ausgespritzt sind.“

Unter seinen 70 Spritzgießmaschinen betreibt Fischer nur wenige als Dauerläufer. Auf den meisten Maschinen wechseln die Produkte im Dreischichtbetrieb häufiger, so dass ein sehr zügiges Wiederanfahren der Produktion nach dem Werkzeugwechsel notwendig ist. Die meisten Maschinentypen sind bei Fischer mit identischer Ausstattung, Steuerung, Automation und Peripherietechnik mehrfach installiert, so dass das Werkzeug problemlos durchgewechselt werden kann. Normalerweise ergeben sich von Maschine zu Maschine nur geringe Abweichungen bei den Parametern. Größere Abweichungen der Maschinen- und Prozessparameter oder des Werkzeuginnendrucks von der zuletzt verwendeten Maschine fallen schnell auf und lassen Rückschlüsse auf den Maschinenzustand zu.

Einblick in die Balancierung von Mehrfachwerkzeugen
Martin Weinzettel: „An den Druckverläufen können wir sehr eindrucksvoll sehen, ob die Balancierung stimmt.“ Insofern haben Fischer und Weinzettel auch ein Auge auf die neue, automatische Heißkanalbalancierung Multiflow geworfen, die Kistler als optionales Modul für den Como Injection entwickelt hat. Sie synchronisiert das Füllverhalten in den Kavitäten eines Mehrfachwerkzeugs mit der gezielten Steuerung der Heißkanaldüsen-Temperaturen. Dieses Konzept würde Fischer die manuelle Balancierung des Heißkanals beim Einrichten und das regelmäßige Nachbalancieren im Serienbetrieb abnehmen. Systeme zur Prozessüberwachung oder Heißkanalbalancierung auf Basis von Temperaturinformationen kommen für Fischer nicht infrage. Erich Fischer: „Selbstverständlich überwachen wir die Temperatur des Werkzeugkörpers, um zu erfahren, ob sich die Wandtemperaturen unzulässig verändern. Aber in der Kavität entscheidet für uns allein der erreichte Druck über Gut oder Schlecht.“

Mit der Werkzeuginnendrucküberwachung ist Fischer vor Kostenlawinen durch Reklamationen heute sicher geschützt. „Wenn Maschine, Werkzeug, Heisskanal und Material ohnehin stimmen, ist die Werkzeuginnendrucküberwachung ein sehr gutes Tool, um die Qualität zu steigern und Beanstandungen auszuschließen.“ Martin Weinzettel abschließend: „Seit wir mit Kistler-Systemen arbeiten, haben wir den Anteil an Short Shots erheblich reduziert.“


Der Anwender
Die Fischer GmbH und Co KG hat sich über vier Jahrzehnte als Werkzeugbau- und Spritzgießbetrieb einen festen Kundenkreis in Elektrik, Elektronik, Automobilindustrie, Maschinenbau und Optik erschlossen. Das Produktportfolio des 230 Mitarbeiter starken Mittelständlers umfasst spritzgegossene Steckverbinder, Stiftleisten, Gehäuse für elektrische Schaltungen sowie diverse technische Teile. Das im Jahr 1973 von Werner Fischer als Werkzeugbau gegründete und wenige Jahre später um eine Spritzgießfertigung erweiterte Unternehmen bietet heute die komplette Prozesskette im eigenen Haus – von der Produktentwicklung über den Werkzeugbau und das Spritzgießen bis zur Baugruppenmontage. Mit rund 70 Spritzgießmaschinen zwischen 500 und 10.000 Kilonewton Schließkraft verarbeitet Fischer mehr als 3000 Tonnen Kunststoffe jährlich. Hauptwerkstoffe sind verstärktes Polypropylen und technische Thermoplaste wie PA66 und PBT in meist glasfaserverstärkten Typen mit bis zu 50 Prozent Füllgrad, aber auch exotischere Materialien wie Polycyclohexandimethylenterephthalat (PCT).

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