Ausschuss auf 1 PPM gedrückt

Spritzgießen nah an der Perfektion

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Für die hochvolumige Spritzgießfertigung nutzt Polyfab schon seit langem Prozessüberwachungssysteme von Kistler auf Basis der Werkzeuginnendruckmessung. Damit gelang es, die Fehlteile beim Spritzgießen auf rekordverdächtige 1 PPM (parts per million) zu senken.

Barbara Hott
Commha Consulting, Heidelberg

Seit 1971 setzt die Polyfab Corp kundenspezifische Thermoplast-Spritzgießverfahren ein. Das US-amerikanische Unternehmen ist in vier Hauptmärkten tätig: Medizin, Verpackung, Industrie und Handel. Aufgrund der sich ständig verändernden Anforderungen in diesen Bereichen müssen Überwachungsprozesse kontinuierlich angepasst werden. Sie bilden die Voraussetzung für die Herstellung von fehlerfreien, qualitätsgesicherten Teilen.

Brian Burhop ist seit über 16 Jahren Projektingenieur bei Polyfab in Sheboygan, Wisconsin. Er ist für die Qualität der produzierten Formteile verantwortlich. Deshalb ist für ihn die Überwachung der Spritzgießprozesse sehr wichtig. Sie ermöglicht die Erkennung von fehlerhaften Teilen bereits vor dem Verpacken oder der Montage. Diese Aufgabe wird seit neun Jahren von Sensoren und Systemen von Kistler erledigt, die bei Polyfab die Basis für automatisierte Prüfverfahren bilden.

Burhop berichtet: „Polyfab produziert sehr hochvolumig für viele Kunden. Das erfordert eine präzise Überwachung unserer Spritzgießprozesse auf Basis wissenschaftlicher Daten. Die Entscheidung fiel auf Prüfsysteme von Kistler, da diese sehr effizient und benutzerfreundlich sind.“ Mit ihnen würden die Daten einfach erfasst und interpretiert. Sie ließen sich „mühelos“ mit den Maschinen von Polyfab betreiben, konfigurieren und ins Werkzeug integrieren. „Inzwischen sind rund 66 Prozent unseres Maschinenparks mit Sensorik und Prozessüberwachung von Kistler ausgestattet.“

Sensor überwacht Fülldruck direkt in der Kavität

Eines der ersten Projekte für Burhop und sein Team war ein Spenderdeckel mit Biegescharnier. Für die Qualitätssicherung ist es wichtig, unvollständige Teilfüllungen zu erkennen. Dazu wird der Druck am Ende der Befüllung mit einem bündig montierten Sensor direkt in der Kavität überwacht. Dies ermöglicht eine genauere Einstellung des erforderlichen Mindestdrucks, der von Prozessgrößen wie Einspritzgeschwindigkeit und Schmelztemperatur beeinflusst wird.

Burhop berichtet, dass die Kundenrücklaufquote vor der Zusammenarbeit mit Kistler im Jahr 2009 „bei über 10.000 PPM“ gelegen habe, also 10.000 „parts per million“ oder 1 %. Im Jahr 2017 betrug die Quote nur noch 98 PPM. „2018 konnten wir diesen Wert auf gerade mal 1 PPM weiter senken. Diese Verbesserung wurde vor allem durch die Implementierung von Prozessüberwachungssystemen – ComoNeo/CoMo Injection – und Werkzeuginnendruck-Sensoren von Kistler erreicht.“

Werkzeuginnendrucksensorik hilft bei
automatisierter Montage

Im nächsten Schritt wurden die Systeme von Kistler in den automatisierten Montageprozess integriert. „Wir setzen die Sensoren bei der automatisierten Montage von Teilen mit einer hohen Wertschöpfung ein. Sie stellen sicher, dass wir keine Teile mit defekten Kunststoffkomponenten montieren.“ So wurde beispielsweise die Produktion einer kommerziellen Tintenstrahlkartusche vollständig automatisiert. Die Zelle besteht aus zwei Spritzgießmaschinen, sechs Robotern und zwei 4-Kavitäten-Werkzeugen.

„Wir haben einen Werkzeuginnendrucksensor von Kistler in jeder dieser Kavitäten platziert“, erläutert Burhop. „Wenn nun eine verdächtige oder zweifelhafte Teilfüllung erkannt wird, wird das Produkt ausgesondert. Damit gelangen diese Teile nicht in den Montageprozess. Dies ist sehr wertvoll für unsere automatisierte Montage.“

Die Spritzgießlösungen Como Injection und ComoNeo von Kistler führen zu Zeitersparnis, Kostensenkungen und einer Steigerung des return on investment (ROI). Burhop kommentiert: „Aus meiner Sicht war die Reduzierung von Revalidierungen entscheidend. Oft mussten wir beispielsweise ein Werkzeug in einer anderen Spritzgießmaschine validieren, entweder aus Kapazitätsgründen oder zur Risikominderung bei einem Kunden. Dank der Technologie von Kistler können Prozesse nun wesentlich einfacher dupliziert werden.“

Dieselbe Referenzkurve auf allen Spritzgießmaschinen

Dabei wurden Burhop und sein Team von Bob Hendricks, Vertriebsingenieur bei Kistler unterstützt. Er war mit seiner Erfahrung und Fachschulungen zur Stelle und erläutert die Vorteile einer Integration der Kistler-Prozessüberwachungssysteme wie folgt: „Wenn Sie eine Referenzkurve haben, welche die Teilequalität darstellt, wollen Sie diese möglichst auf allen Maschinen reproduzieren. Mit unserem System muss der gesamte Prozess nicht jedes Mal neu validiert werden. Durch den Wiederanfahr-Assistenten von ComoNeo bleibt die Referenzkurve auf jeder Maschine gültig.“

„Die Systeme unterstützen uns auch bei der Optimierung unserer Produktion im Sinne von lean production“, ergänzt Brian Burhop. „Der Einsatz von Kontaktelementen von Kistler hat unseren Demontage- und Wartungsprozess für Werkzeuge erheblich vereinfacht. Die Verwendung der Mehrkanalstecker von Kistler ermöglicht das schnelle Erstellen von Verbindungen. Dadurch wurden die Rüstzeiten signifikant reduziert.“

Der Projektingenieur von Polyfab bezeichnet auch die piezoelektrische Sensorik von Kistler als „deutlich unkomplizierter und einfacher zu handhaben“ gegenüber vergleichbaren Sensoren am Markt. Die Installation der Prozessüberwachungssysteme auf den hauseigenen Spritzgießmaschinen sei ebenfalls unkompliziert. „Weil die Systeme so gut ausgelegt sind, reicht uns meist ein einzelnes Signal der Spritzgießmaschine, um mit der Datenerfassung zu beginnen.“

Ziel von Kistler sind Null-Fehler-Serienproduktionen

Auch Bob Hendricks ist begeistert von der langen, erfolgreichen Zusammenarbeit und betont: „Für uns bei Kistler stehen die Bedürfnisse der Kunden an erster Stelle. Wir wollen, dass unsere Kunden rundum zufrieden sind und unterstützen sei bei der Realisierung einer Null-Fehler-Serienproduktion. Dazu bieten wir weltweit kompetente Beratung sowie technische Unterstützung vor Ort, einschließlich Kalibrierdienstleistungen.“

Burhop resümiert: „Wir sind mit den Leistungen und dem Service von Kistler sehr zufrieden. Wenn ein Problem auftritt, und das ist nicht oft der Fall, reagiert das Support-Team von Kistler schnell und direkt. Bei der Installation der Werkzeuginnendrucksensoren hatten unsere Werkstätten keine Probleme. Auch die Implementierung der Prozessüberwachungssysteme verlief reibungslos und sehr transparent.“


Mathias Schirmer,Product Manager Plastics bei Kistler. Bild: Kistler

„Die Online-Prognose für jeden Zyklus“

Wie unterscheiden sich denn die beiden Systeme Como Neo und CoMo Injection?

Beides sind Systeme von Kistler zur Prozessüberwachung und Prozessregelung, etwa die individuelle Regelung von Temperaturen am Heißkanal oder die Regelung des Umschaltpunktes anhand der Werkzeuginnendruckkurve. ComoNeo ist seit 2016 als Nachfolgegeneration des CoMo Injection am Markt etabliert.

Wie schafft es der Wiederanfahr-Assistent von ComoNeo, dass die Referenzkurve auf jeder Maschine gültig bleibt?

Die Werkzeuginnendruckkurve ist wie ein Fingerabdruck für die Qualität des Bauteils. Mit diesem Fingerabdruck unterstützt der Wiederanfahr-Assistent den Bediener, die Referenzkurve nach einem Maschinenwechsel zu reproduzieren. Das heißt, ComoNeoRecover erzeugt auf einer anderen Maschine eine identische Werkzeuginnendruckkurve für dieses Bauteil, unabhängig von äußeren Einflüssen.

Wie intelligent kann die Spritzgussmaschine mit Hilfe von Kistler werden?

Schon CoMo Injections bot smarte Features, beispielsweise die Online-Hochrechnung der Ist-Eigenschaften eines zu produzierenden Teiles. Diese wurden kontinuierlich weiterentwickelt. Mit ComoNeoPredict haben wir nun das perfekte Feature für die Online-Prognose: Mit einem künstlichen neuronalen Netz wird ein Prognosemodell generiert, das die Qualitätsdaten des Bauteils im aktuellen Zyklus voraussagt. Das geschieht in Kombination mit dem ComoNeo und auf Basis der Werkzeuginnendruckkurve. Insgesamt gibt es im ComoNeo sieben smarte Features, die die Optimierung der Spritzgießfertigung ermöglichen.

Welche Kosten sind mit einem Prozessüberwachungssystem wie bei Polyfab verbunden?

Die Kosten sind stark abhängig von der Applikation, dem Werkzeug und der Überwachungsstrategie des Kunden. Generell kann man aber von einem ROI von unter einem Jahr ausgehen. (os)



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