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1 Sonderdruck aus der Fachzeitschrift Kunststoffe 6/215 Christopherus Bader Die Qualität kommt selten allein Sulzer Mixpac untersucht die Effizienz sensorbasierter Prozessregelsysteme Organ deutscher Kunststoff-Fachverbände LEBENSZYKLUSANALYSE Wie groß ist der CO 2 -Fußabdruck einer Spritzgießmaschine? Seite 6 6/215 WERKSTOFFE VERARBEITUNG ANWENDUNG SPECIAL Lasertechnik in der Kunststoffverarbeitung Seite 26 FLUORKUNSTSTOFFE Polytetrafluorethylen schützt dauerhaft vor Korrosion Seite 8 PRIAMUS SYSTEM TECHNOLOGIES AG Rheinweg 4 CH-82 Schaffhausen / Schweiz Tel. +41 () Fax +41 () info@priamus.com Sonderdruck Carl Hanser Verlag, München Alle Rechte, auch die des Nachdrucks, der photomechanischen Wiedergabe dieses Sonderdrucks und der Übersetzung behält sich der Verlag vor.

2 2 SPRITZGIESSEN Prozessregelung [FAHRZEUGBAU] [MEDIZINTECHNIK] [VERPACKUNG] [ELEKTRO & ELEKTRONIK] [BAU] [KONSUMGÜTER] [FREIZEIT & SPORT] [OPTIK] Die Qualität kommt selten allein Sulzer Mixpac untersucht die Effizienz sensorbasierter Prozessregelsysteme Die Spritzgießwelt und ihr Anspruch an die Qualität haben sich in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten verändert. Auch wenn sich das eine oder andere Dogma noch hartnäckig in den Köpfen mancher Verarbeiter hält, gibt es einen akzeptierten Grundsatz: Ohne Sensoren im Werkzeug bzw. direkt am Spritzteil können weder Schlechtteile erkannt und aussortiert, noch Veränderungen im Prozess gezielt geregelt und gesteuert werden. Dies ist jedoch die Voraussetzung für eine sichere, stabile und automatisierte Produktion. Zu den häufigsten Missverständnissen in der Kunststoffindustrie zählt die Ansicht, auf vermeintlich teure Werkzeugsensorik verzichten zu können, wenn man den Schmelzedruck in der Maschinendüse misst. Dieser Ansatz erweist sich jedoch in vielerlei Hinsicht als wenig effizient. Denn im Gegensatz zum Spritzteil im Werkzeug kühlt die Kunststoffschmelze in der Maschinendüse während der Produktion niemals ab. Ein Rückschluss auf die Teilequalität beispielsweise auf das Schwindungsverhalten ist somit kaum möglich. Darüber hinaus liefert der Schmelzedruck in der Maschinendüse bei der Verwendung von Verschlussdüsen nur so lange Informationen, wie diese Düsen eben geöffnet sind. Unabhängig davon und selbstredend lässt sich auf Basis der Messung des Schmelzedrucks keine Aussage über den Schmelzefluss bei Mehrfach-Werkzeugen oder bei großen Bauteilen mit mehreren Anschnitten treffen. Ein Fehlgedanke mit sehr viel größeren Auswirkungen ist die Sache mit dem Fingerabdruck. Seit den neunziger Jahren wird immer wieder suggeriert, dass der Prozess schon in Ordnung sei, so lange der Werkzeuginnendruckverlauf ähnlich wie bei einem Fingerabdruck mit vorgegebenen Referenzwerten übereinstimmt. In der Praxis wird diese Theorie oft darauf reduziert, dass die maximalen Druckwerte übereinstimmen. Bei näherer Betrachtung fällt jedoch auf, dass ein unterschiedlicher Temperaturhaushalt sowohl in der Schmelze als auch auf der Werkzeugoberfläche zu Das 4-fach-Heißkanalwerkzeug fertigt bei Sulzer Mixpac Mischelemente für 2-Kompo nenten- Massen (Bilder: Priamus) völlig unterschiedlichen Verhältnissen führen kann. Um es einfach auszudrücken: Gleiche Werkzeuginnendrücke bedeuten nicht zwingend, dass auch die Spritzteile identisch sind. Die Konsequenz aus dieser Überlegung: Gleiche Werkzeug innendrücke bedeuten keinesfalls auch gleiche Fließwege der Schmelze in der Kavität. Eine Balancierung von Mehrfach-Werkzeugen auf der Basis einer bestimmten Druckschwelle ist somit mit Vorsicht zu genießen. Die automatische Erkennung der Schmelzefront ist Seit den Anfängen der Spritzgießtechnik ist das Qualitätsziel aus Sicht der Maschinenhersteller auf einen Leitsatz reduziert: je genauer die Maschine, desto genauer das Spritzteil. Umso bemerkenswerter ist die Tatsache, dass sich dieser Ansatz in jüngster Zeit zu ändern scheint. Nachdem die Priamus System Technologies AG, Schaffhausen/Schweiz, als Her- Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 6 /215

3 Prozessregelung SPRITZGIESSEN 3 Dichtstoffen sowie Beschichtungen in den Bereichen Gesundheit, Dental, Bau und Industrie. Für die Praxistests wurde ein 4-fach- Heißkanalwerkzeug in jeder Kavität mit je einem Werkzeuginndruck-Sensor (Typ: 61BC) und einem -Sensor (Typ: 41B; Hersteller jeweils: Priamus) ausgerüstet. Durch die Anordnung der Sensoren wird sichergestellt, dass auch das Fließverhalten bzw. die Viskosität während der Produktion ermittelt, überwacht und geregelt wird (Bild 1). Beim Bauteil selbst handelt es sich um das Mischelement EBT CV1, das für 2-Komponenten-Massen jeder Art zum Einsatz kommt, beispielsweise für die Herstellung von Zahnabformungen, temporären Brücken oder Knochensteller von Qualitätsüberwachungs- und -regelsystemen seit vielen Jahren eine andere Strategie verfolgt [1], sind heute die ersten Maschinenhersteller mit ähnlichen Ansätzen auf dem Markt. Auch deren Grundsatz lautet heute, dass für eine konstante Teilequalität die Maschinenparameter während der Produktion angepasst werden müssen, um die ständigen Schwankungen im Prozess zu kompensieren [2]. Konkret handelt es sich hierbei um Verfahren zum automatischen Umschalten auf Nachdruck sowie um selbstkorrigierende Regelverfahren in der Maschinensteuerung und im Heißkanal. Doch auch in diesem Fall gilt: Was in der Maschine geregelt wird, kann ohne Rückmeldung aus der Kavität nur sehr bedingt zum Erfolg führen. Das automatische Balancieren eines Heißkanalwerkzeugs beispielsweise ist ohne Sensoren im Werkzeug auch heute noch unmöglich. Um die Tauglichkeit von sensorbasierten Prozessregelsystemen im Praxiseinsatz zu überprüfen, hat sich die Sulzer Mixpac AG, Haag/Schweiz, bereit erklärt, verschiedene Priamus-Regelsysteme einzusetzen und zu untersuchen. Das Unternehmen zählt zu den Technologieführern bei Austragstechnologien für Ein- und Zwei-Komponentenmaterialien, sein Angebot beinhaltet Mischer, Kartuschen und Austragsgeräte für das Dosieren, Mischen und Austragen von Kleb- und Bild 1. Beim Spritzgießen des Mischelements ist für das Überwachen und Regeln der Viskosität in Fließrichtung in jeder Kavität ein Werkzeuginnendruck-Sensor (p) und vor Fließwegende ein -Sensor (T) eingebaut zement im Dentalbereich. Ziel der Untersuchungen war es, die Teilequalität unter reellen Prozessbedingungen und Störeinflüssen möglichst konstant hoch zu halten. die Grundlage für jede Prozessregelung Jede Änderung im Prozess, sei es aufgrund von geänderten Maschineneinstellungen, von unbalancierten Heißkanalsystemen oder aufgrund von chargenbedingten Viskositätsänderungen, bedeutet zwangsläufig, dass auch das Umschalten auf Nachdruck entsprechend nachgeführt werden muss. Wird die Umschaltung nicht automatisch angepasst, hat jede Änderung zur Folge, dass unterschiedlich viel Schmelzevolumen ein-» unbalancierter Heißkanal Switch Over 1 (Alarm) Schaltzeit Zeitfenster,276s,,5 s Polarität Verzögerung,s Dauer 1,s Bedingung Erster schaltet,276,292,28,296,268,5,1,15,2,25 s,3 balancierter Heißkanal Switch Over 1 (Alarm) Schaltzeit Zeitfenster,292s,,5 s Polarität Verzögerung,s Dauer 1,s Bedingung Erster schaltet,292,284,284,284,284,5,1,15,2,25 s,3 Bild 2. Die Schmelzefront wird in jeder Kavität automatisch beim Erreichen des Temperatursensors erkannt. Vorzugsweise das erste erkannte Signal wird zur automatischen Nachdruckumschaltung, alle vier Signale werden zum Balancieren des Heißkanals verwendet. Nur im balancierten Zustand erfolgt die Füllung der vier Kavitäten gleichzeitig Kunststoffe 6 /215

4 4 SPRITZGIESSEN Prozessregelung unbalancierter Heißkanal Werkzeuginnendruck 7 bar p1 3 p2 2 p3 p ,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 1,6 1,8 s 2, Zeit balancierter Heißkanal 8 6 bar Werkzeuginnendruck 4 p1 3 3 p2 2 p3 p ,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 1,6 1,8 s 2, Zeit Werkzeuginnendruck Werkzeuginnendruck 7 bar p1 4 3 p2 2 p3 p ,1,15,2,25,3 s,4 Zeit 8 bar p p2 p3 p ,1,15,2,25,3 s,4 Zeit Bild 3. Auch im balancierten Zustand unterscheiden sich die Werkzeuginnendruck-Kurven in den vier Kavitäten voneinander. In der vergrößerten Darstellung (rechts) ist zu erkennen, dass der Füllzeitunterschied aus den Temperaturkurven nicht dem aus den Druckkurven entspricht Ohne Prozessüberwachung Ausschuss wird nicht erkannt. Schlechtteile werden nicht aussortiert. Ohne Prozessregelung Prozess läuft unkontrolliert ab. Gefahr der Lieferung von Schlechtteilen besteht. Viskosität ändert sich. Teilequalität ändert sich. Dosierung verändert sich. Fließen bleibt unbalanciert. unvollständig gefüllte Teile Chargenschwankungen Verschleiß am Spritzaggregat Verschleiß am Werkzeug Verschleiß am Heißkanal Mit Prozessüberwachung Ausschuss wird erkannt. Schlechtteile werden aussortiert. Beispiele: W Überwachung des Druckmaximums W Viskositätsüberwachung in der Kavität W Überwachung der Umschaltzeit in der Kavität W Überwachung der Füllzeit in der Kavität Mit Prozessregelung Prozess wird automatisch nachgeregelt. Teilefüllung ist garantiert. Beispiele: W automatische Nachdruckumschaltung W automatische Heißkanalbalancierung W automatische Heißkanalregelung W automatische Viskositätsregelung in der Kavität W automatische Regelung der Kompression Gleichgewicht im Prozess kann nicht festgestellt werden. Temperaturdrift kann nicht kompensiert werden. Gleichgewicht stellt sich nur langsam ein. Maschinenwechsel Temperaturschwankungen Anfahrzyklen W Überwachung der W Überwachung der Integralwerte (Abkühlverhalten) Ausschuss wird auf ein Minimum reduziert. W automatische Regelung der Schwindung W automatische Verschlussdüsenregelung Prozess wird automatisch nachgeregelt, Gleichgewicht wird schneller erreicht. Tabelle 1. Übersicht über mögliche Fehler und deren Konsequenzen beim Verzicht auf sensorbasierte Prozessüberwachungs- und Prozessregelsysteme Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 6 /215

5 Prozessregelung SPRITZGIESSEN 5 gespritzt wird, was zwangsläufig zu Qualitätsschwankungen führt. Priamus-Systeme erkennen jedoch automatisch, wenn die Schmelze an der Position des Temperatursensors eintrifft. Auf diese Weise werden unterschiedliche Fließgeschwindigkeiten in der Kavität kompensiert und das Umschalten auf Nachdruck automatisch angepasst. Ohne das Erkennen der Schmelzefront und das automatische Nachführen der Umschaltung lässt sich eine Prozessregelung in der Folge praktisch nicht umsetzen. Bild 4. Die unterschiedlichen Fließweglängen im unbalancierten Zustand (links) unterscheiden sich deutlich von den annähernd identischen Fließweglängen im balancierten Zustand (rechts) Automatische Heißkanalbalancierung Gerade bei Mehrfach-Werkzeugen ist es empfehlenswert, zunächst den Heißkanal zu balancieren, um sicherzustellen, dass alle Kavitäten gleichzeitig gefüllt sind. Durch das Erkennen der Schmelzefront werden die unterschiedlichen Füllzeiten in jeder einzelnen Kavität ermittelt und vom Priamus-Regelsystem (Typ: 78A Fillcontrol Control H) analysiert. Im unbalancierten Zustand werden die jeweiligen Heißkanaldüsen automatisch so lange angepasst, bis identische Füllzeiten in allen Kavitäten erreicht sind (Bild 2). Wie bereits erwähnt, verhalten sich hierbei die Druckverläufe nicht linear zu den Temperaturverläufen (Bild 3). Dies liegt in erster Linie daran, dass die Temperatursignale genau in dem Moment ansteigen, in dem die Kunststoffschmelze auf die Sensoren trifft. Die Druckunterschiede von Kavität zu Kavität im Bereich des Druckanstiegs hingegen sind nicht Teilegewicht,76 g,75,74,73,72,71 konstant, sondern verändern sich mit steigendem Druck. Um das Verhalten der Heißkanalbalancierung zu verdeutlichen, wurden die Heißkanal-Düsentemperaturen bewusst stark verändert und dann automatisch in einen balancierten Zustand geregelt. Gleichzeitig wurde eine Grundeinstellung gewählt, bei der die Spritzteile nicht vollständig gefüllt sind, um die unterschiedlichen Fließweglängen (unbalanciert und Kavität 1 Kavität 2 Kavität 3 Kavität 4 Heißkanalbalancierung l i Heißkanalbalancierung l i AUS EIN, Zyklusnummer Bild 5. Die Heißkanalbalancierung wirkt sich direkt auf das Formteilgewicht aus. Im Zyklus 1543 unterscheidet sich das Gewicht der vier Spritzteile aufgrund des unbalancierten Zustands erheblich, während nach der Balancierung (Zyklus 214) praktisch das gleiche Teilegewicht resultiert balanciert) auch optisch zu erkennen (Bild 4). Hierbei genügen je nach Formteilgeometrie wenige Millisekunden Fließunterschied von Kavität zu Kavität, um einen unbalancierten Zustand zu erreichen. Die Ergebnisse zeigen, wie sich das Teilegewicht der Spritzteile aus den vier Kavitäten verändert und dann vom Regelsystem nach und nach wieder balanciert wird (Bild 5). Material- und Chargenschwankungen das tägliche Brot Jede Charge eines Kunststoffmaterials unterliegt mehr oder weniger großen Schwankungen, die sich bei ungeregelten Prozessen aufgrund unterschiedlicher Viskosität auf die Teilequalität auswirken. Bei einer konstanten Maschineneinstellung führt dies in der Regel zu unvollständig gefüllten Teilen (Short Shots) oder zu Überspritzungen. Um dieses Verhalten zu simulieren, wurden zwei Polypropylen-Typen mit unterschiedlichen Fließeigenschaften im Verhältnis 4 : 1 vermengt. Die Maschine wurde zunächst ohne Regelung durch Priamus mit dem unvermengten Polypropylen angefahren und die entsprechenden Referenz-Viskositätswerte gespeichert. Anschlie-» Kunststoffe 6 /215

6 6 SPRITZGIESSEN Prozessregelung Teilegewicht,76 g,75,745,74,735, Zyklusnummer Bild 6. Durch Mischen zweier unterschiedlicher Polypropylen-Typen wurden Chargenschwankungen simuliert. Aufgrund der unterschiedlichen Viskosität ändert sich sowohl das Gewicht als auch der Füllgrad der Spritzteile unmittelbar nach der Zugabe des zweiten Materials. Nach dem Aktivieren der Viskositätsregelung werden die ursprünglichen Werte automatisch wieder erreicht Der Autor Dipl. Ing. (FH) Christopherus Bader ist seit 21 Geschäftsführer der Priamus System Technologies AG, Schaffhausen/ Schweiz; Dank Der Dank des Autors gilt Tobias Tönz, Process Technology Expert, Operations Production Technology, bei der Sulzer Mixpac AG. Service vermengtes Material Literatur & Digitalversion B Das Literaturverzeichnis und ein PDF des Artikels finden Sie unter English Version B Read the English version of the article in our magazine Kunststoffe international or at Regelung EIN Kavität 1 Kavität 2 Kavität 3 Kavität 4 Zylinderwechsel Regelung EIN ßend wurde das vermengte Material verarbeitet und die Viskositätsregelung aktiviert. Das Priamus-Regelsystem (Typ: 78A Fillcontrol Control P) regelt die Viskosität der Schmelze Zyklus für Zyklus nach, indem die Einspritzgeschwindigkeit (= Schergeschwindigkeit) und die Schmelzetemperaturen (= Schubspannung) automatisch angepasst werden [3]. Bei den Versuchen wurde wiederum eine Grundeinstellung gewählt, bei der die Spritzteile nicht vollständig gefüllt sind, um so auch kleinste Änderungen am Prozess optisch verfolgen zu können. Die Auswertung zeigt, wie sich die Fließfront und das Gewicht der Spritzteile nach dem Vermengen des Materials unmittelbar verändern (Bild 6). Durch das Regeln der Viskosität wird in allen vier Kavitäten das ursprüngliche Gewicht wieder erreicht. Die Sulzer Mixpac AG verfügt am Standort Haag über mehr als 12 Spritzgießmaschinen, wobei kaum ein Werkzeug immer auf derselben Maschine eingesetzt wird. Aufgrund von Fertigungstoleranzen, Verschleiß und unterschiedlichen Konfigurationen führt dies zwangsläufig immer wieder zu Qualitätsunterschieden der Teile. Um den Einsatz der Werkzeuge auf unterschiedlichen Spritzgießmaschinen zu simulieren, wurde der Zylinder der Versuchsmaschine gewechselt und mit dem Priamus-System wieder auf die ursprünglichen Qualitätsparameter am Teil geregelt (Bild 7). Dies gelang, indem über die Leitrechnerschnittstelle der Maschine die Viskosität, das Nachdruckprofil sowie die Werkzeugtemperatur bei einem bestimmten Druck nachgestellt wurden. Kostenoptimierung beim Anfahren des Prozesses Ein kostenloser und sehr effektiver Nebeneffekt ergibt sich hierbei durch die Aufzeichnung und Überwachung der Bild 7. Nach dem Zylinderwechsel wurden die Spritzteile vollständig gefüllt, später wurde mithilfe der automatischen Viskositätsregelung der ursprüngliche Zustand wieder erreicht. Die Einstellung, dass die Teile nicht vollständig gefüllt waren, wurde so gewählt, um die Fließwege auch optisch beurteilen zu können Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 6 /215

7 Prozessregelung SPRITZGIESSEN 7. Je nach Komplexität des Bauteils wird das thermische Gleichgewicht nach 5 bis 3 min erreicht, ein Zustand, der sich auf konventionelle Weise nur sehr aufwendig anhand von kritischen Massen am Bauteil ermitteln lässt. Beim Anfahren der Maschine oder nach einer Produktionsunterbrechung kann über die sehr einfach und genau das thermische Gleichgewicht ermittelt werden (Bild 8), was eine deutliche Kostensenkung zur Folge hat. Fazit Die Versuche haben gezeigt, dass sowohl die Überwachung wie auch die Regelung des Heißkanals und der Maschine mithilfe von Sensoren im Werkzeug nicht nur die Prozesssicherheit erhöhen, sondern auch die kontrollierte Qualität der Spritzteile verbessern (Tabelle 1). Eine konstante Einstellung der Maschine und des Heißkanals hingegen ist oft die Ursache für fehlerhafte Produkte, weil sie eben nicht auf Schwankungen im Prozess und im Material reagieren kann. Durch den Einsatz vor allem von automatischen Regelsystemen ist heute die Möglichkeit gegeben, ein Spritzgießwerkzeug auf unterschiedlichen Maschinen und an unterschiedlichen Standorten einzusetzen und unabhängig vom Bedienpersonal die gleiche Qualität zu erzielen. W 4, 39, 38,5 38, 37,5 37, Anfahrteil bei neuem Auftrag 36,5 Maschine und thermisches Werkzeug kalt Gleichgewicht 36, Zyklusnummer 4, Anfahrteil nach Unterbrechung 39,5 39, 38,5 38, 37,5 37, Unterbrechung/ Störung Zyklusnummer thermisches Gleichgewicht Bild 8. Durch die Überwachung der kann sehr einfach und genau das thermische Gleichgewicht nach dem Anfahren der Maschine oder nach einer Produktionsunterbrechung ermittelt werden Kavität 1 Kavität 2 Kavität 3 Kavität 4 Kavität 1 Kavität 2 Kavität 3 Kavität Kunststoffe 6 /215

8 Schweiz (Hauptsitz) PRIAMUS SYSTEM TECHNOLOGIES AG Rheinweg 4 CH-82 Schaffhausen Tel Fax info@priamus.com Deutschland PRIAMUS SYSTEM TECHNOLOGIES GmbH Postweg 13 DE-7384 Salach Tel Fax salesde@priamus.com USA Priamus System Technologies, LLC 361 Nationwide Parkway Brunswick, OH Tel Fax salesus@priamus.com