Werkzeuginnendruck

Das Nervensystem des Spritzgießprozesses

Werkzeuginnendruck-Sensoren – Chancen für Formenbauer und Spritzgießer
Direkt messender Drucksensor.
Der Wettbewerbsdruck steigt auch im Formenbau – es reicht nicht mehr, „nur“ einwandfrei funktionierende Werkzeuge in sehr guter Qualität herzustellen. Mit dem Angebot von Funktionen, die dem Kunden einen Zusatznutzen bieten, können Werkzeugbauer sich einen Wettbewerbsvorteil verschaffen. Dem Spritzgießprozess ein „Nervensystem“ in Form von Werkzeuginnendruck-Sensoren zu verpassen und das Verständnis, wie diese Sensoren sinnvoll eingesetzt werden können, eröffnen neue Perspektiven in den Kundenbeziehungen und eine Möglichkeit zur Festigung der Kundenbindung.

Bereits heute setzen Formenbauer und Spritzgießer Werkzeuginnendruck-Sensoren in der einen oder anderen Applikation ein. Ziel ist zumeist die Steigerung der Profitabilität durch Kosteneinsparung für manuelle Nachkontrollen, kürzere Anfahrzeiten und das Reduzieren von Ausschuss. Prozessabweichungen lassen sich früh erkennen und Korrekturmaßnahmen einleiten, bevor fehlerhafte Teile produziert werden. Eine weitere Anwendung ist die schnelle und sichere Verlagerung eines Werkzeugs von der einen auf die andere Maschine ohne aufwändige Revalidierungen. Eine vergleichbare Anwendung ist die Übergabe eines beim Werkzeugbauer abgemusterten Werkzeugs an den Spritzgießer. Basierend auf maschinenunabhängigen Referenzkurven von Werkzeuginnendrücken, die während der Abmusterung aufgezeichnet werden, ist die Inbetriebnahme beim Kunden schnell und sicher möglich und Qualitätsbewertungen sind anhand von objektiven Daten möglich.

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Von Werkzeugbauern wird heute mehr erwartet, als ein grundsolides Werkzeug zu bauen. Der Kunde möchte ein Werkzeug mit korrekten Schwindmaßen, das problemlos gefüllt und mit dem qualitätsgerechte Teile prozesssicher gefertigt werden können. Oftmals ist der Werkzeugbauer nicht an den Abmusterungen beim Kunden beteiligt, soll jedoch potenzielle Werkzeugfehler beseitigen, ohne die Prozessbedingungen genau zu kennen. Werkzeugsensoren können hier helfen zu beurteilen, ob tatsächlich ein Werkzeugfehler vorliegt, oder einfach nur der Spritzgießprozess optimiert werden muss.

Aufgabe von Werkzeuginnendrucksensoren

Einfach ausgedrückt messen Werkzeuginnenducksensoren den Schmelzedruck an strategisch wichtigen Punkten entlang des Fließwegs von der Maschinendüse bis in die Kavität während das Teil gefüllt, verdichtet und abgekühlt wird. Sensoren können in die Maschinendüse, die Heiß- oder Kaltkanalsysteme oder – idealerweise – direkt in die Kavität, eingebaut werden, da hier die Teilequalität letztendlich entsteht. Die vom Sensor gemessenen Signale werden an ein Auswertesystem geleitet und von diesem aufbereitet, weiterbearbeitet, grafisch dargestellt und gespeichert. Bei korrekter Aufbereitung dieser Informationen bilden die Werkzeuginnendruckkurven die Basis für die Prozessführung, sodass eine reproduzierbare Teilequalität maschinenunabhängig gewährleistet werden kann.

Arten von Drucksensoren

Zwei Technologien sind bei Drucksensoren üblich:

  • funktionieren nach dem Prinzip der Dehnmesstechnik (DMS). Sie beherrschen den amerikanischen Markt seit Jahren und sind dort am meisten verbreitet.
  • Sensoren nutzen den Effekt, dass bestimmte Quarze mechanische in elektrische Energie wandeln können. Sie bilden in Europa der Quasi-Standard.

Obwohl beide Technologien spezielle Vor- und Nachteile haben, erzeugen sie gleichermaßen stabile und exakte Messwerte. Welche Technologie letztendlich zur Anwendung kommt ist in der Regel eine Frage der speziellen Einsatzsituation, des Preises und der kundenspezifischen Präferenzen.

Jede Technologie erfordert eine unterschiedliche Signalaufbereitung um analoge Signale zu generieren, die von konventionellen PDE-Systemen oder Spritzgießmaschinen verarbeitet werden können. Die Lynx-Sensoren von RJG bilden die Verbindung zwischen den oben genannten Systemen. Egal ob DMS- oder piezoelektrische Sensoren, die Lynx-Technologie überträgt digitale Signale von der Messquelle direkt an ein digitales Netzwerk. Dies macht die Verwendung der Sensoren transparent und vereinfacht das Einrichten und die Kalibrierung, was oft ein Schlüssel für den einfachen Einsatz dieser Technologie im Feld ist.

Es kommen direkt und indirekt messende Drucksensoren zum Einsatz: Erstere werden bündig mit der Kavitätenoberfläche durch eine Bohrung von der Rückseite des Werkzeugs eingebaut. Das Sensorkabel wird durch das Werkzeug zum Anschlussstecker an der Werkzeugaußenseite geführt. Ein Vorteil: Die Auswerferkräfte wirken nicht auf den Sensor. Problematisch können sich die Werkzeugtemperaturen bei Hochtemperaturanwendungen auswirken.

Bei indirekt messenden Drucksensoren wird zwischen Knopf- beziehungsweise Kraftsensoren und Messlaschen unterschieden. Dabei überträgt ein Auswerfer- oder feststehender Stift den Druck auf den Sensorkopf. Indirekte Sensoren sind meist in der Auswerferplatte hinter einem Auswerferstift montiert. Allerdings wird besonders bei Hochtemperaturanwendungen oder Kleinlastsensoren mit dünnen Druckstiften der Sensorkopf oft in die Aufspannplatte eingebaut und der Druckstift durch die Auswerferhülse geführt oder ein Transfer-Pin verwendet. Der Vorteil von Transfer-Pins liegt darin, dass vorhandene Auswerferstifte verwendet werden können, während der Sensor nicht den Auswerferkräften ausgesetzt wird. Außerdem erfährt der Sensor auch nicht die bei kurzen Zykluszeiten auftretenden hohen Beschleunigungen der Auswerferplatte.

Während früher Messlaschen weitverbreitet waren, werden heute fast nur noch Knopfsensoren eingesetzt, da Messlaschen zwar einfacher ein- und ausgebaut werden können, aber auch leicht heraus- oder verrutschen können und dadurch zu Messfehlern führen. Knopfsensoren sind grundsätzlich zuverlässiger, besonders unter Produktionsbedingungen, und sollten bevorzugt eingesetzt werden.

Bei indirekten Sensoren bestimmt die Fläche des Auswerfer- beziehungsweise feststehenden Stifts die Sensorgröße. Nach Möglichkeit sollte nur eine Größe in einem Werkzeug verwendet werden um Einstellungs- oder Kalibrierungsfehler durch den Anwender zu vermeiden.

Egal welche Sensoren zum Einsatz kommen – die Entscheidung für den Einsatz von Sensoren sollte immer schon vor Beginn der Werkzeugauslegung fallen. Müssen Sensoren nachträglich eingebaut werden, nachdem das Werkzeugdesign bereits abgeschlossen oder die Werkzeugherstellung bereits begonnen wurde, sind immer Kompromisse erforderlich, die sich negativ auf die optimale Funktion auswirken und oft mit erhöhten Kosten verbunden sind. Ein wichtiger Punkt hinsichtlich der zuverlässigen Funktion von Sensoren ist die Verlegung der Kabel und die Montage der Stecker, sodass Beschädigungen im Produktionsbetrieb und beim Werkzeugein- und -ausbau vermieden werden.

Position von Drucksensoren

Für eine optimale Prozessinformation ist die richtige Positionierung der Sensoren im Werkzeug entscheidend. Obwohl es viele anwendungsspezifische Ausnahmen gibt, sollten Sensoren zur Prozessüberwachung im Bereich des letzten Drittels der Kavitätenfüllung angeordnet werden, während die optimale Sensorposition zur Prozessregelung, also zur Ansteuerung des Nachdruckumschaltpunktes, in der Nähe des Anspritzpunkts liegt. Bei sehr kleinen Teilen kann der Sensor auch direkt in den Anguss eingebaut werden. Dies ist jedoch ein Kompromiss bei dem der Zeitpunkt des Einfrierens des Anspritzpunkts nicht erkannt werden kann.

Ausschlaggebend für die korrekte Erfassung von Unterfüllungen oder im Extremfall unvollständiger Formfüllung ist der Werkzeuginnendruck am Fließwegende. Daher sind Sensoren zur automatischen Aussortierung solcher Teile nach Möglichkeit dort zu positionieren. Durch Einsatz der digitalen Sensoren von RJG ist es laut Hersteller einfach möglich, in jede Kavität einen Sensor einzubauen und alle Sensoren vom Werkzeug aus mit nur einem Anschlusskabel an das Auswertesystem anzuschließen. Die entsprechende Ansteuerung einer Sortierweiche oder eines Entnahmeroboters stellt sicher, dass keine unvollständig gefüllten Teile an den Kunden ausgeliefert werden.
Einer der entscheidenden Vorteile für den Werkzeugbauer ist die Möglichkeit der „konsequenten Abmusterung“ eines mit Sensoren ausgerüsteten Werkzeugs. Das bedeutet, dass der Prozess schon bei der ersten oder zweiten Abmusterung optimal, also ohne Über- oder Unterfüllungen der einzelnen Kavitäten eingerichtet werden kann. Ist das Werkzeug freigegeben, werden Referenzkurven der entsprechenden Prozessdaten aufgezeichnet. Diese bilden die maschinenunabhängige Basis für die folgenden Produktionen und Werkzeugverlagerungen.

Werkzeugbauer, die diesen Prozess verstehen, sind in der Lage ihrem Kunden zu einem schnellen und problemlosen Produktionsanlauf als integraler Mehrwert des Werkzeugs zu verhelfen. Dies ist direkt beim Werkzeugbauer möglich, oder falls gewünscht mit Unterstützung des Sensorherstellers, der das entsprechende Equipment und Know-how besitzt.

Werkzeugbauer, die Werkzeuginnendruck-Sensoren als Bestandteil eines „intelligenten“ Werkzeugs einsetzen, generieren einen Mehrwert für Ihre Kunden und erhöhen die Prozessfähigkeit im Gesamtprozess. Das bedeutet, den Einsatz von Drucksensoren als eigenen Vorteil, anstatt als vom Kunden vorgeschriebenes notwendiges Übel zu sehen. Werkzeugbauer, die diesen Vorteil erkennen, können zu einer treibenden Kraft in der Entwicklung optimaler Prozesse bei Spritzgießern werden, die zunehmend personell unterbesetzt sind, besonders im Bereich der Prozessentwicklung. Dies eröffnet Werkzeugmachern tatsächlich neue Chancen im internationalen Wettbewerb.


Fakuma, Halle B5, Stand 5110

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