Sensoren führen Spritzgießer ins Reich der „Smart Factory“

Autor / Redakteur: Ulrich W. Schamari / Peter Königsreuther

Die moderne Spritzgießverarbeitung für Kunststoffe kommt schon seit Jahren nicht mehr ohne Sensoren aus – weder bezüglich der Spritzgießmaschinen noch im Hinblick auf die benötigte Werkzeugtechnik. Die Prozessüberwachung und Qualitätssicherung bis hin zum einzelnen Formnest sind die Aufgaben. Mit der Digitalisierung und Vernetzung schickt sich die Sensor­technik nun an, die nächste Stufe als maßgeblicher Enabler für Industrie 4.0 zu erklimmen.

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Sensoren fungieren sowohl im Werkzeug als auch in den maschinellen Verarbeitungssystemen in der Kunststofftechnik als künstliche Sinne. Sie sind ein Schlüssel für die erfolgreiche Zukunft vernetzter, sich selbst regulierender, "intelligenter" Prozesse, die im Sinne der Industrie 4.0 agieren, um Fehler schon bei der Bauteilentstehung zu vermeiden.
Sensoren fungieren sowohl im Werkzeug als auch in den maschinellen Verarbeitungssystemen in der Kunststofftechnik als künstliche Sinne. Sie sind ein Schlüssel für die erfolgreiche Zukunft vernetzter, sich selbst regulierender, "intelligenter" Prozesse, die im Sinne der Industrie 4.0 agieren, um Fehler schon bei der Bauteilentstehung zu vermeiden.
(Bild: Priamus)

Das Thema Industrie 4.0 ist längst auch für die Hersteller und Anwender von Spritzgießmaschinen relevant geworden. Mittels Vernetzung und Digitalisierung von Prozessüberwachung und -regelung lässt sich die Transparenz der Spritzgießproduktion verbessern und der Produktionsablauf kann wirtschaftlich optimiert werden. Als Basis für eine solche vernetzte Spritzgießfertigung bedarf es einer intelligenten Werkzeugsensorik, wie sie beispielsweise von der schweizerischen Kistler-Gruppe angeboten wird. Robert Vaculik, Leiter des Strategischen Geschäftsfelds Plastics, sieht das so: „Speziell die Überwachung des Werkzeuginnendrucks hat sich bewährt, weil dieser die höchste Korrelation zur Bauteilqualität besitzt.“ Sensoren im Werkzeug bieten die Möglichkeit, den Prozess zu überwachen, transparenter zu gestalten und damit effizienter zu steuern.

Gesamter Spritzgießprozess wird überwachbar

Das Zusammenführen der durch die Sensoren gewonnenen Daten in einem virtuellen Produktionsumfeld ermöglicht es nicht nur, den einzelnen Spritzgießzyklus, sondern darüber hinaus den gesamten Prozessablauf zu überwachen und zu optimieren. Die Überwachung des Werkzeuginnendrucks erfolgt mithilfe automatisch oder manuell definierter Bewertungselemente, wobei geprüft wird, ob die von den Sensoren gelieferten Kurven die Bewertungselemente wie vordefiniert durchlaufen. Anhand des Ergebnisses – „In Ordnung“ oder „Nicht in Ordnung“ – ist eine Sortierung in Gut- und Schlechtteile möglich. Auch steht dem Anwender eine modellbasierte Vorhersage expliziter Qualitätsmerkmale zur Verfügung. Darauf ist man bei Kistler besonders stolz: „Auf Basis der integrierten Online-Qualitätsprognose sind verlässliche Aussagen über jedes gefertigte Bauteil im Voraus möglich.“

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Der richtige Einsatzort für Sensoren muss wohlüberlegt sein

Nicht nur der Werkzeuginnendruck kann durch den Sensoreinsatz in Spritzgießwerkzeugen gemessen werden. Sensoren ermöglichen auch die Erfassung der Temperaturen und Durchflüsse im Vor- und Rücklauf von Temperiergeräten. Dazu bemerkt Martin Schramm von Bürkert Fluid Control Systems: „Je besser der Temperierprozess, umso höher die Qualität der Erzeugnisse.“ Und was den Einsatz von Spritzgießwerkzeugen im Rahmen von Industrie 4.0 betreffe, spielten die Sensoren eine wichtige Rolle: Durch Integration von I/O-Links etwa könnten die Regelsysteme – bestehend aus Sensoren, Reglern und Ventilen – optimal vernetzt werden. Auf eine Besonderheit des Sensoreinsatzes, von dem speziell der Mehrkavitäten-Werkzeugbau profitiert, verweist Egon Huefner von Bürkert: „Bei Mehrkavitäten-Werkzeugen lässt sich über Durchflusssensoren in Kombination mit kompakten Regelventilen die für jede Kavität erforderliche Kühlmenge exakt und reproduzierbar einstellen.“

Sensoren steigern die Produktqualität

Die Bedeutung der Sensoren für die Qualität des Endprodukts unterstreicht Ulrich Bretthauer von RJG Germany: „Sobald der Kunststoff die Düse der Spritzgussmaschine verlässt, sind wir als Verarbeiter blind und den physikalischen Gesetzen in der Kavität sowie den Viskositätsschwankungen des zu verarbeitenden Materials ausgesetzt.“ Doch könne insbesondere die Werkzeuginnendruck-Technologie erfolgreich eingesetzt werden, um Spritzgießprozesse zu stabilisieren und dabei letztendlich Kosten zu reduzieren und die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen zu sichern. Es sei allerdings nicht damit getan, einen Sensor irgendwo ins Werkzeug einzubauen und sich schöne Kurven anzuschauen.

Auf die Sensorposition kommt es an

Von ausschlaggebender Bedeutung dafür, ob diese Technik einen Nutzen bringt oder nur Kosten verursacht, ist vielmehr die richtige Positionierung des Sensors in der Kavität – und zwar abhängig von der Funktion, die der Sensor erfüllen soll. Gleiches gilt für eine entsprechende Einrichtung des Spritzgießprozesses und das Verständnis respektive die Auswertung der aufgezeichneten Druckkurven. Bretthauer mahnt: „Bei jedem neuen Projekt ist zunächst die Frage zu klären, welche Aufgabe die Sensorik erfüllen soll, denn davon ist die Positionierung des Sensors abhängig.“ Grundsätzlich würden Werkzeuginnendruck-Sensoren zur Prozessregelung, das heißt Nachdruckumschaltung, Öffnen und Schließen von Verschlussdüsen, sowie zur Prozessüberwachung verwendet. Obwohl gerne einfache Standardempfehlungen zur Positionierung von Sensoren (zum Beispiel „Zur Prozessregelung immer angussnah“) gegeben würden, sei es oft genug nötig und sinnvoll, auch die individuellen Strömungs- und Druckverhältnisse anhand von Simulationen zu berücksichtigen, um die optimale Sensorposition zu ermitteln.

So wird aus der „Black Box“ Werkzeug ein prozesstransparentes Betriebsmittel

Die Messung von Druck und Temperatur über Sensoren im Werkzeug kann auch in Kombination erfolgen. Dr. Thomas Walther, Leiter Anwendungstechnik beim Spritzgießmaschinenbauer Arburg, bringt es auf den Punkt: „Die Sensorik dient im Grunde genommen dazu, die Zustände in der Kavität sichtbar zu machen.“ Das bedeute, dass Sensoren den Verarbeitern grundlegendes Wissen darüber vermittelten, was in der „Black Box“ Werkzeug vor sich geht. Mit der Werkzeugsensorik erhielten die Maschinenbediener direkte Informationen, etwa zum Siegelpunkt im Werkzeug.

Damit wird der Anwender in die Lage versetzt, seinen Prozess detaillierter und reproduzierbarer einzustellen. Walther betont: „Durch die Sensorik im Werkzeug erhalten Verarbeiter bessere und tiefe Einblicke in dieses geschlossene System.“ So ergebe sich auch ein besseres Prozessverständnis und eine optimierte Prozesskontrolle. Mit der Reproduzierbarkeit der Prozesse steigere sich letztendlich auch die Teilequalität.

Bildverarbeitende Systeme unterstützen die Montage

Die Steuerung von Arburg-Spritzgießmaschinen lasse über die Referenzkurvenregelung eine druck- und temperaturabhängige Verarbeitung der Signale zu, was die Eingriffsmöglichkeiten weiter verfeinere und zusätzlich verbessere. Die Steuerung zeichne die relevanten Prozessparameter auf – also auch die durch eine Werkzeugsensorik ermittelten. In Verbindung mit MES-Systemen unterstütze dies automatisierte und vernetzte Fertigungsprozesse nach den Vorgaben von Industrie 4.0.

Prozesse bezüglich der Fertigung und Montage von Spritzgussteilen bieten auch vielfältige Einsatzmöglichkeiten für bildverarbeitende Vision-Sensoren der neuesten Generation. „Zu den häufigsten Problemen, die beim Spritzgießen auftreten können, gehören die unvollständige Füllung des Werkzeugs – als Unterspritzung oder short shot bekannt – oder aber Überspritzungen, die zu Graten oder Schwimmhäuten führen“, stellt Klaus Berdel von Sensopart Industriesensorik fest. Durch Prüfung der Fläche und Kontur des Objekts mit entsprechend vorkonfigurierten Werkzeugen ließen sich diese und andere Abweichungen von der Teilegeometrie sehr einfach detektieren. Vision-Sensoren könnten auch Einlegefehler rechtzeitig erkennen – etwa falsch ausgerichtete Metallstifte in einem fehlerhaft umspritzten Stecker.

Sensoren im Spritzgießwerkzeug sorgen für effizientere Prozesse

Für Burkhard Walder von Toses Tooling Security Services ermöglicht der Einsatz von Sensoren in Spritzgießwerkzeugen eine größere Gesamtanlagen­effektivität (OEE) durch Reduzierung von Wartungszyklen, Erhöhung von Werkzeugstandzeiten, Reduzierung von Ausschuss, Früherkennung von Werkzeugschäden und Überwachung der Prozessparameter. „Sensoren tragen also in erheblichem Maß zur Produktivitätssteigerung bei“, lautet sein Fazit. Die Sensortechnologie seines Unternehmens erlaube beispielsweise die Optimierung der Wartungszyklen über die Geräuschemissionen des Werkzeugs. Beim Einsatz dieses Systems erfolge die Wartung nach dem tatsächlichen Bedarf und nicht nach der Menge der produzierten Teile. Denn der Sensor detektiere Geräusche im Werkzeug, die eine baldige Wartung ankündigen.

Ein Sensor muss nicht immer im Werkzeug sitzen

Sensoren in Spritzgießwerkzeugen können sowohl die Qualität als auch den Output beziehungsweise die Effizienz der Werkzeuge erhöhen. „Insbesondere die Temperatur muss genauen Messungen unterliegen, um die Qualität der produzierten Stücke zu monitoren“, hebt auch Felix Eggert von TE Connectivity hervor. Sei die Temperatur zu hoch oder zu niedrig, wirke sich dies bereits bei geringen Varianzen entscheidend auf die Qualität aus. So drohten die Teile bereits bei gering erhöhter Temperatur zu verbrennen. Doch qualitativ minderwertige Teile würden automatisch aussortiert – auch dies geschehe über Sensoren. Da die Anzahl der aussortierten Produkte geringer werde, wenn man empfindliche Temperatursensoren einsetze, lasse sich hierdurch die Effizienz der Produktion erhöhen.

Der Werkzeugdruck lässt sich auch mithilfe einer Dehnungsmessung in den Holmen von Spritzgießmaschinen bestimmen. „Jedoch ist diese Sensorik nicht im Spritzgießwerkzeug integriert“, erläutert Kai Wiegand von Gefran Deutschland. An den Holmen, erklärt Wiegand, nehmen Aufpresssensoren die dort herrschenden Kräfte auf und die Signale werden zur Auswertung über Verstärker an die Steuerung weitergeleitet.

Innere und äußere Einflüsse machen den Spritzgießprozess relativ komplex

Die Auswertung und Verarbeitung der von den Sensoren gelieferten Signale ist eine Voraussetzung für qualitativ hochwertige Spritzgießteile. Doch ebenso bedarf es hochpräziser Spritzgießwerkzeuge, deren Toleranzen beispielsweise unter 10 µm liegen müssen, um eine Bauteiltoleranz unter 30 µm zu erzielen. Auch dabei sind Sensormessungen zur Werkzeugkorrektur gefragt, für die etwa Carl Zeiss Industrielle Messtechnik eine innovative Software zur Flächenrückführung entwickelt hat.

Auf die Sensorik in der Kavität der Spritzgießwerkzeuge konzentriert sich Priamus System Technologies-Deutschland-Geschäftsführer Erwin König meint dazu: „Der Spritzgießprozess ist ein sehr komplexer Fertigungsprozess mit einer Vielzahl von Einstellmöglichkeiten, welche alle einen mehr oder weniger großen Einfluss auf die Qualität der Spritzteile haben.“ Weiterhin unterliege er veränderlichen Einflüssen von außen, die sich entscheidend auf die Teilequalität auswirkten.

je dichter am Ort des Geschehens, desto besser der Effekt

Um den eigentlichen Fertigungsprozess sowie die Prozessschwankungen transparent zu machen, müssten in den Kavitäten der Spritzgießwerkzeuge Werkzeuginnendruck- und Werkzeugwandtemperatur-Sensoren eingebaut werden, die hochauflösende Informationen liefern. „Wie überall in der Messtechnik, erhält man die beste Information und Auflösung, je dichter man am Ort des Geschehens ist“, diagnostiziert König. Deshalb könnten Signale aus der Spritzgießmaschine oder aus Kamerasystemen bei Weitem keine so hohe Aussagekraft bieten. MM

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