D ie Produzenten technischer Kunststoffbauteile

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1 Bauteilgeometrie im schnellen Zugriff Spritzgießfertigung. Mit heutigen 3D-Messmethoden können Verarbeiter neue Wege einer wirtschaftlichen Prozessoptimierung und einer effizienten Prozesskontrolle in der Spritzgießfertigung beschreiten. Ein Benchmark unterstützt die Betriebe bei der Entscheidungsfindung und Auswahl eines optischen 3D-Messsystems. MICHAEL STRICKER GEORG STEINBICHLER ZOLTAN MAJOR U.A. D ie Produzenten technischer Kunststoffbauteile müssen sich heute in Europa Herausforderungen von verschiedener Seite stellen. Die Produktlebenszyklen sowie der Zeitraum zwischen Angebotsphase und Serienstart werden immer kürzer. Gleichzeitig werden kleinste Toleranzfelder für systemintegrierte Formteile gefordert. Um dennoch eine hohe Wertschöpfung zu erzielen, müssen die Fristen für die Produktentwicklung und Werkzeugherstellung minimiert, Prozesse innerhalb kurzer Zeit optimiert und die Qualität der Formteile mit möglichst geringem Aufwand sichergestellt werden. Eine wesentliche Unterstützung zum Erreichen dieser Ziele kann die 3D-Messtechnik bieten. Optische Messsysteme arbeiten im Vergleich zu taktilen Verfahren, z.b. einer Koordinatenmessmaschine, berührungslos und erlauben eine schnelle Aufnahme komplexer Bauteilgeometrien. Statt einzelner Punkte wird die gesamte Bauteilgeometrie flächenhaft in einer hochauflösenden Punktewolke erfasst. Das abgeleitete Polygonnetz beschreibt präzise die Freiformflächen sowie Regelgeometrien und erlaubt damit eine vollflächige dreidimensionale Bauteilanalyse. Es sind Fehler auffindbar, die mit einer punktbasierten Analyse nicht zu erkennen sind. Mehr als nur Qualität ARTIKEL ALS PDF unter Dokumenten-Nummer KU Durchgängige CAx-Systeme begleiten ein Projekt vom ersten Designentwurf eines neuen Kunststoffteils bis zur Voreinstellung des Spritzgießprozesses an der Maschine. Dazu zählen Etappen wie die Nutzung numerischer Methoden zur Topologie- und Gestaltoptimierung als Hilfsmittel zur Ermittlung der bestmöglichen Materialverteilung in einem vorgegebenen Bauraum, die Verwendung von 3D-Bauteildaten für Finite-Elemente-Analysen (FEA) zur Untersuchung des statischen und dynamischen Bauteilverhaltens im Einsatzfall, die Anfertigung von Prototypen, die Ableitung der Formeinsatzgeometrien in der Werkzeugkonstruktion, die Bearbeitung von Werkzeugkomponenten, die Optimierung des Spritzgießprozesses mit Simulationsverfahren und das Ermitteln von CNC-Programmen für Automationsroboter z.b. für den Auftrag von Dichtungsmassen oder Pumpengehäuse aus PA mit Messnetz im Hintergrund (Foto: IPIM) Klebstoffen an Bauteilen oder die Festlegung bestimmter Nachbearbeitungsschritte, die dazu beitragen können, die Entwicklungszeiten im Produktentstehungsprozess wesentlich zu verkürzen sowie die Produktqualität und Wirtschaftlichkeit zu erhöhen [1]. Dabei werden in den verschiedenen Stufen der Produktentwicklung stets verschiedene Geometrieinformationen für Entscheidungs- und Optimierungsschritte benötigt. Optische Messsysteme können diese besonders rasch ermitteln und aufbereitet zur Verfügung stellen (Bild 1). Eine optimierte Werkzeugfertigung kann so organisiert sein, dass vor zeitintensiven Bearbeitungsschritten wie dem Erodieren oder Polieren die Geometrie des Werkzeugeinsatzes messtechnisch geprüft wird. Dieser relativ schnell durchführbare 3D-Soll-Ist-Vergleich deckt Feh- > 33

2 Messprinzip Berührungslose Messung Taktile Messung Merkmal Messsystem ler in der Datenaufbereitung und in der Fertigung auf und hilft, kostenintensive Mehrfachfertigungen zu vermeiden und Nacharbeiten zu minimieren. Der flexible Einsatz der Messgeräte direkt neben der Produktionsanlage, die kurzen Messzeiten und der rasche Soll- Ist-Vergleich der Geometriedaten erleichtern die Prozessoptimierung. Dabei wird z.b. die Abweichung der gemessenen Formteilgeometrie von der vorgegebenen Laserscanner Baustruktur farblich dargestellt (Bild 2). Der Zusammenhang zwischen der Prozessführung und den gewählten Prozessparametern sowie der Formteilqualität wird transparenter und einfacher überschaubar. Eine leistungsfähige Inspektionssoftware ermöglicht es, die Formteilqualität anhand der 3D-Daten oder in beliebig generierbaren 2D-Schnitten zu beurteilen und Messprotokolle automatisch generieren zu lassen. Computertomograph Streifenprojektion Koordinatenmessmaschine Bandbreite der Messobjektgröße Messung beliebiger Oberflächen Mehrkomponenten-Formteile [2,8] Bohrungen L/D > 1,5 Innenliegende Bereiche [7] Innere Struktur [8] Genauigkeit [3,5] Investitionskosten [2,4] Mobilität Geschwindigkeit [2,4] Ausrichtung des Messobjekts positiv negativ abhängig von Messsystem, Prüfbedingungen, Bediener Tabelle 1. Geeignete industrielle Messsysteme für die Vermessung von Kunststoffbauteilen: Laserscanner und Streifenprojektoren erlauben die Vermessung komplexer Formteile bei kurzen Messzeiten und relativ geringen Investitionskosten (Quelle: IPIM und IPPE) Auswirkungen von Maßabweichungen abschätzen Bei Messungen außerhalb eines klimatisierten Messraums müssen Maßabweichungen infolge der Wärmeausdehnung der Kunststoffe berücksichtigt werden. Eine vergleichsweise geringe Temperaturänderung von 2 C verursacht bei einem unverstärkten Thermoplasten und einem Nennmaß von 50 mm bereits eine Maßänderung von 5 bis 25 µm. Dieser Wert liegt im Bereich der Messgenauigkeit vieler optischer 3D-Systeme und beeinflusst somit das Messergebnis. Für die Bauteil- und Werkzeugauslegung kann mit 3D- Digitalisiersystemen ein großes Basiswissen erarbeitet werden. So lassen sich die Auswirkungen der Prozessführung auf Schwindung und Verzug anschaulich darstellen. Systemlieferanten können mithilfe dieser Messsysteme Kollisions-, Funktions- oder Montageanalysen einer Baugruppe mit einem digitalen Versuchsmodell ( Digital Mockup ) durchführen und damit die Auswirkungen von Maßabweichungen auf komplette Module abschätzen. Aufgenommene 3D-Messdaten aus der Erstmusterung Produktentstehungsprozess mit durchgängigen CAx-Systemen Einsatz optischer 3D-Messsysteme Designentwurf Außenform als 3D-Modell Topologieoptimierung FE-Analysen kunststoffgerechte Bauteilkonstruktion toleranzmittiger 3D-Geometrieaufbau 3D-Bauteil- Auslegung und Modellierung Prototypenfertigung Werkzeugkonstruktion Werkzeugfertigung Erstbemusterung Nullserienfertigung Serienfertigung Füll-, Schwindungs- und Verzugssimulation Ableitung der Formeinsatzgeometrie thermische und mechanische Werkzeugauslegung CAM-Bearbeitung Voreinstellung Spritzgießmaschine Prozessoptimierung Roboterprogrammierung Werkzeugkorrekturen Baugruppen-Zusammenbau Prozessfähigkeitsnachweis Qualitätsüberwachung Prozesskontrolle Reverse Engineering (Flächenrückführung) Inspektion und Kopieren von Elektroden und Werkzeugeinsätzen 2D- und 3D-Maß- und Geometrieanalyse zur Erstmusterprüfung Überprüfung von Form- und Lagetoleranzen mittels virtueller Messschieber 3D-Soll/Ist-Vergleich mit CAD-Daten zur Ermittlung von Schwindung und Verzug Erkennung von Verformungen im Einbauzustand und Betrieb beim Digital Mock-up (DMU) Ersatz mechanischer Prüflehren in der Qualitätskontrolle Bild 1. Optische Messsysteme kommen im Produktentstehungsprozess eines Spritzgussteils mit durchgängigen CAx-Systemen an vielen Stellen zum Einsatz. Hier exemplarisch aufgeführt sind die einzelnen Stufen mit den Schnittstellen der Messdaten-Bereitstellung Kunststoffe 34 Carl Hanser Verlag, München

3 Bild 2. Eine Abweichung der Geometrie zwischen Konstruktionsdaten und Formteil wird farblich dargestellt (Bild: Westcam Datentechnik GmbH) können im Falle einer Requalifizierung bisher verwendete Rückhaltemuster ersetzen [2]. Digitale Prüflehre Zur stichprobenweisen Beurteilung der Maß- und Formgenauigkeit in der laufenden Produktion werden heute häufig Prüflehren eingesetzt. Gute Prüflehren erlauben eine schnelle Beurteilung von Größt- und Kleinstmaßen an komplexen Formteilen. Nachteilig sind die zumeist hohen Kosten für die Herstellung sowie die Beschränkung auf eine qualitative Aussage. Daher kann es sinnvoll sein, Prüflehren durch moderne Messtechnik zu ergänzen oder gar zu ersetzen. Dafür stehen heute diverse industrielle Messsysteme mit speziellen Vor- und Nachteilen zur Verfügung (Tabelle 1). Koordinatenmessmaschinen erzielen hohe Genauigkeiten, jedoch können nur wenige, relevante Abmessungen mit vertretbarem Zeitaufwand geprüft werden [3]. Ihr Einsatz ist zwingend an einen klimatisierten Messraum gebunden. Computertomographen ermöglichen es abhängig von der Messfeldgröße, Messobjekte dreidimensional mit einer Genauigkeit im einstelligen µm- Bereich [4] zu vermessen. Da die Systeme mit energiereicher Röntgenstrahlung arbeiten, können sie auch das Innere des Messobjekts erfassen, z.b. Hohlräume, die Füllstoffverteilung oder die Faserorientierung. Bei der Messung i Kontakt Johannes Kepler Universität Linz Institut für Polymer-Spritzgießtechnik und Prozessautomatisierung A-4040 Linz/Österreich TEL > rotiert das Formteil schrittweise um 360, während es von der Röntgenquelle durchstrahlt wird. Aus der Vielzahl der aufgenommenen Röntgenbilder wird die Geometrie des Messobjekts berechnet [8]. Nachteile des Verfahrens sind die lange Messdauer sowie die hohen Investitionskosten [3, 5]. Eine vollkommen berührungslose Messung ermöglichen auch optische Messsysteme mit Laserscanner oder Streifenprojektoren. Die Hauptkomponenten solcher Systeme sind der Messkopf (Bild 3) und die Software zur Steuerung und Auswertung. Zur Messung wirft der Bild 4. Schematische Darstellung der Weißlicht- Streifenprojektion: Der Projektor wirft ein definiertes Muster auf das Messobjekt Bild 3. Der Messkopf eines 3D-Messsystems (hier mit Drehtisch) umfasst einen Laser- oder Weißlichtprojektor und mindestens eine Kamera (Foto: Steinbichler Optotechnik GmbH) Projektor ein definiertes Muster auf das Messobjekt (Bild 4). Dies kann z.b. ein Streifenmuster (Weißlicht-Streifenprojektion, siehe Titelbild) oder ein einzelner Streifen sein, der zumeist bei Laserscannern über das Messobjekt geführt wird. Im Vergleich zur Projektion auf eine Ebene wird das projizierte Muster in Abhängigkeit von der Kontur des Messobjekts deformiert. Die Kamera erfasst ein digitales Bild dieser Projektion. Aus den Bildpunkten werden über den Abstand und den Triangulationswinkel zwischen Kamera und Projektor die Koordinaten der Objektpunkte berechnet [6]. 3D-Daten lassen sich nur für die Bereiche des Objekts ermitteln, die der Projektor beleuchten und die die Kamera erfassen kann. Daher müssen Messobjekte in der Regel mehrfach vermessen werden. Dies kann z. B. automatisiert mit einem Drehtisch erfolgen. Charakteristisch für diese Messsysteme ist die kurze Messdauer. Schwarze und/oder glänzende Flächen stellen besonders für optische Messsysteme, die mit der Weißlicht-Streifenprojektion arbeiten, eine große Herausforderung dar. In vielen Fällen müssen solche Oberflächen vor der Messung mit weißem Titandioxid-Pulver eingesprüht werden. Das Messergebnis weicht daher um die Schichtdicke des Pulvers (3 bis 20 µm) von der realen Geometrie des Messobjekts ab. Die Schichtdicke des Pulverauftrags wird maßgeblich von der Bedienperson beeinflusst. Dies verdeutlichen die Messbilder eines Laserscanners (Bild 5). > 35

4 Bewertungskategorie Systemdaten und Bauweise Vorbereitung Messvorgang Software Optische Messsysteme auf dem Prüfstand Kriterien (Auswahl) Laserscanner und Streifenprojektionssysteme erlauben die Vermessung komplexer Formteile bei kurzen Messzeiten und relativ geringen Investitionskosten (Tabelle 1). Aus diesem Grund werden diese Messsysteme in der Kunststoffindustrie für die verschiedensten Messaufgaben vermehrt eingesetzt. In einem Benchmark wurde ein Laserscanner mit zwei Streifenprojektions- Sensorauflösung Genauigkeit nach VDI Punktabstand Sensorpositionierung Anschlüsse Drehtisch Aufwand für Kalibrierung Anpassung des Messvolumens Überwachung der Genauigkeit Rückführbarkeit der Messung Notwendige Vorbereitung des Formteils (Einsprühen, Dicke der Sprühschicht) Messung von Bohrungen (L/D) Bestimmung der Drehachse Benutzeroberfläche (GUI) Überwachungen Messpläne Auswertung Tabelle 2. Die Zusammenstellung zeigt die wesentlichen Bewertungskategorien und ausgewählte Kriterien zur Nutzwertanalyse (Quelle: IPIM) weise geringen Investitionskosten machen das Laserscannen für andere Messaufgaben interessant. Für die beiden Streifenprojektionssysteme hat die Analyse zu ähnlichen Nutzwerten geführt, obwohl sie sich konzeptionell in einigen Merkmalen unterscheiden: Anzahl der Kameras, Positionierung des Messkopfes, Kosten für Anschaffung, Hard- und Softwarewartung sowie Austausch von Verschleißteilen, Bild 5. Der Bediener beeinflusst die Messdaten maßgeblich durch die aufgetragene Pulvermenge (Bild: IPIM und IPPE) enthaltene CAD-Importformate und Betriebssystem des Steuerungsrechners (z. B. Linux oder Windows). Die betrachteten Systeme werden üblicherweise auf Dreibein- oder Säulenstativen betrieben. Dadurch ist die Flexibilität am Messort gewährleistet. Bei wechselnden Einsatzorten lassen sich die Messsysteme in Boxen transportieren. Um den Komfort zu erhöhen und automatisierte Messungen zu unterstützen, können einzelne Achsen motorisiert oder der Messkopf auf einem Mehrachsroboter montiert werden. Für viele Messobjekte in der Kunststoffindustrie empfiehlt sich der Einsatz eines Drehtisches, der eine automatisierte Messung unterstützt. Es wird empfohlen, einen solchen Eignungsnachweis spezifisch abgestimmt auf den späteren Einsatz des Messsystems durchzuführen. Abhängig von der Schwerpunktsetzung kann die Nutzwertanalyse auch zu anderen Ergebnissen in der Bewertung führen. Zertifizierte Genauigkeit Unterschiede zwischen den Messsystemen bestehen auch in der Verarbeitung der aufgenommenen Bilder und den Algorithmen, mit denen die Koordinaten einzelner Punkte aus den Bilddaten berechnet werden. Darum muss eine Institution wie etwa die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig die Software zertifizieren. Um die Rückführbarkeit der Messergebnisse unter den Rahmenbedingungen bekannter Qualitätsmanagementsysteme zu gewährleisten, werden die Messsysteme mit sogenannten Kalibriernormalen geeicht. Diese werden z.b. von der Deutschen Akkreditierungsstelle GmbH, Berlin, zertifiziert und in vorgegebenen Zeitintervallen überprüft und neu vermessen. Die Prüf- systemen verglichen. Die Systeme wurden den Anforderungen der Kunststoffindustrie entsprechend in einer Nutzwertanalyse bewertet [7]. In dieser Analyse wurden 50 Einzelkriterien berücksichtigt. Aus der Gewichtung der Einzelkriterien (Tabelle 2) wurde ein Nutzwert für jedes Messsystem ermittelt (Bild 6). Im konkreten Fall lag der Nutzwert des Laserscanners unter dem der beiden betrachteten Streifenprojektionssysteme. Dabei gilt es aber zu berücksichtigen, dass mit dem Laserscanverfahren dunkle und glänzende Oberflächen ohne Auftrag einer Titandioxid-Schicht digitalisierbar sind. Dieser Vorteil und die vergleichs- Nutzwert Nutzwert 100 % System A System B System C Kunststoffe Bild 6. Ein Laserscanner (System B) und zwei Streifenprojektoren (Systeme A und C) werden den Anforderungen der Kunststoffindustrie entsprechend in einer Nutzwertanalyse bewertet. Der Analyse liegen 50 Einzelkriterien zugrunde 36 Carl Hanser Verlag, München

5 Bild 7. In einem Reverse-Engineering-Prozess werden die Geometriedaten eines Bauteils mit einem optischen Verfahren digitalisiert und in CAD-Daten überführt. So lassen sich Spannungen und Dehnungen verschiedener Lastfälle analysieren (Bild: IPPE) mittelfähigkeit und die Prüfprozesseignung für industrielle Anwendungen wurden für solche Systeme bereits nachgewiesen [10, 11]. Neben der Automobilindustrie werden die Messsysteme bereits in der Kommunikations- und Elektroindustrie, aber auch bei der Fertigung von Spielwaren und Sportartikeln eingesetzt. Optimierung von Werkstoffmodellen Neue Möglichkeiten bietet die rechnerunterstützte Messtechnik auch in der Auslegung und Dimensionierung von Bauteilen. In einem Reverse-Engineering- Prozess werden die Geometriedaten der Teile mit einem optischen Verfahren digitalisiert und in CAD-Daten überführt (Bild 7). Anhand dieser Daten lassen sich Spannungen und Dehnungen verschiedener Lastfälle mit der Methode der finiten Elemente (FEM) analysieren. Durch Vergleich der Ergebnisse aus der FEM-Simulation mit optischen Spannungs- und Dehnungsmessungen am realen Bauteil können die Entwickler ihre Werkstoffmodelle und -parameter optimieren. Dies ermöglicht z. B. eine realitätsnahe Dimensionierung von Bauteilen aus gefüllten Thermoplasten oder elastomeren Verbundwerkstoffen. DIE AUTOREN DIPL.-ING. MICHAEL STRICKER, geb. 1979, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institute of Polymer Injection Moulding and Process Automation (IPIM) an der Johannes Kepler Universität, Linz/Österreich; PROF. DR.-ING. GEORG STEINBICHLER, geb. 1955, leitet den Bereich Forschung und Entwicklung bei der Engel Austria GmbH, Schwertberg/Österreich, und ist Vorstand des IPIM; PROF. DR.-ING. ZOLTAN MAJOR, geb. 1961, ist Vorstand des Institute of Polymer Product Engineering (IPPE) an der Johannes Kepler Universität, Linz/Österreich; DIPL.-ING. MARTIN REITER, geb. 1980, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IPPE; LITERATUR Das Literaturverzeichnis kann kostenlos heruntergeladen werden unter: SUMMARY PARTS GEOMETRY AT A GRASP INJECTION MOLDING PRODUCTION. Contemporary 3-D measurement methods open up new ways for processors to optimize and monitor injection molding processes economically and efficiently. A benchmark helps them select and decide which optical 3-D measurement system is right for their operations. Read the complete article in our magazine Kunststoffe international and on