Prozessnahes Qualitätsmanagement beim Spritzgießen von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Chemnitz genehmigte Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt von Dipl.-Ing., Dipl.-Wirt.-Ing. Soromo Haman geboren 966 in Lam-Figuil, Kamerun eingereicht am 09..003 Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habl. Roland Wächter Prof. Dr.-Ing. Günter Mennig Dr.-Ing. Thomas Wolf Tag der Verleihung: 04.06.004 URL:http://archiv.tu-chemnitz.de/pub/004/05
Bibliographische Beschreibung Haman, Soromo Prozessnahes Qualitätsmanagement beim Spritzgießen Dissertation an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Chemnitz, Institut für Automatisierungstechnik Chemnitz, 003 46 Seiten, 37 Abbildungen, 8 Tabellen, 0 Literaturquellen Kurzfassung Wachsende Anforderungen an die Qualität von Formteilen sowie die Globalisierung der Märkte für Kunststoffprodukte zwingen die kunststoffverarbeitenden Unternehmen, neue moderne Methoden zur Qualitätsverbesserung und zur Kostensenkung einzusetzen. Eine Untersuchung zum Stand der Forschung ergab, dass eine Null-Fehler-Produktion beim Spritzgießen bisher nicht gegeben ist. Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Beitrag zur Qualitätssicherung durch ein prozessnahes Qualitätsmanagement mit dem Ziel, eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung und eine Qualitätsregelung für jedes produzierte Formteil zu ermöglichen. Durch den Einsatz von statistischen Versuchsplänen werden die Herstellungsbedingungen beim Spritzgießen optimiert und Modelle zur Einstellung der Maschine sowie zur Überwachung der Qualitätseigenschaften gebildet. Aufbauend auf diesen Modellen wird ein adaptives Regelungssystem entworfen, um Qualitätsabweichungen zu verhindern. Schlagworte Spritzgießen, Spritzgießverfahren, Spritzgießprozess, Qualitätssicherung, Optimierung, Optimierungsverfahren, statistische Versuchsplanung, zentral zusammengesetzter Versuchsplan, Modellbildung, Qualitätsmerkmalsmodell, Qualitätsüberwachung, Qualitätsmanagement, Qualitätsregelung, adaptive Regelung
Inhaltsverzeichnis Formelzeichen...VII Vorwort...XIII. Einleitung..... Problemstellung..... Zielsetzung....3. Aufbau der Arbeit...3. Stand der Forschung...4.. Qualität beim Spritzgießen...4... Das Gewicht...5... Maßhaltigkeit...5..3. Oberflächenstruktur...5..4. Massehomogenität...5..5. Morphologie...6.. Qualitätsmanagement...6.3. Qualitätssicherungsmethoden...9.3.. Quality Function Deployment (QFD)...... 0.3.. Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA)....3.3. Statistische Verfahren...3.3.4. Evolutionsstrategie...5.3.5. Neuronale Netzwerke...5.3.6. Fuzzy-Logik...6.4. Prozessregelung...7.5. Qualitätsregelung...8.5.. Qualitätsregelung auf der Basis von neuronalen Netzwerken...9.5.. Qualitätsregelung auf der Basis von der Regressionsgleichung...9.6. Fazit...0 3. Spritzgießprozess... 3.. Plastifizieren...3 3... Volumendurchsatz...3 3... Formmassetemperatur...6
Inhaltsverzeichnis V 3..3. Energiebilanz...8 3.. Formteilbildung...9 3... Einspritzphase...30 3... Kompressionsphase...34 3..3. Nachdruckphase...36 3..4. Abkühlvorgang...40 3.3. Fazit...44 4. Optimierungsverfahren...46 4.. Statistische Versuchsplanung...47 4... Vollständiger faktorieller Versuchsplan...48 4... Vermengter Versuchsplan ( k-p -Versuchsplan)...5 4..3. Orthogonaler zentral zusammengesetzter Versuchsplan...5 4.. Versuchsplan für das Spritzgießen...54 4.3. Vorgehensweise bei der Auswertung...58 4.3.. Ausreißertest...58 4.3.. Versuchsstreuung...59 4.3.3. Effektenberechnung...59 4.3.4. Koeffizientenberechnung...60 4.3.5. Signifikanzprüfung...6 4.4. Bewertung der Ergebnisse...6 4.4.. Bestimmtheitsmaß...63 4.4.. Adjustiertes Bestimmtheitsmaß...63 4.4.3. Adäquatheitsprüfung...63 4.5. Fazit...64 5. Modellbildung...66 5.. Einstellmodell...67 5... Bestimmung der qualitätsrelevanten Einstellparameter...67 5... Bilineare multiple Regressionsgleichung...73 5..3. Nichtlineare multiple Regressionsgleichung...76 5..4. Modellvergleich...78 5.. Überwachungsmodell...78 5... Bestimmung der qualitätsrelevanten Kenngrößen...8 5... Überwachungsmodellgleichung...83 5.3. Fazit...86
VI Formelzeichen 6. Qualitätsregelung...88 6.. Regelungskonzept...88 6.. Regelungsstruktur...89 6.3. Prozess-Kennwertermittlung...9 6.3.. Werkzeuginnendruckverlauf...9 6.3.. Zustandsdarstellung des maximalen Werkzeuginnendruckes...93 6.3.3. Abhängigkeit zwischen dem maximalen Werkzeuginnendruck und dem Hydraulikdruck...95 6.4. Adaptionsalgorithmus...96 6.5. Reglerentwurf...00 6.5.. Kontinuierlicher Regler...0 6.5.. Diskreter Regler...0 6.6. Gesamtregelungssystem...03 6.7. Implementierungsanforderungen...05 6.8. Bewertung der Qualitätsregelung durch die Prozessfähigkeit...05 6.9. Fazit...07 7. Zusammenfassung...08 8. Anhang... 8.. Einteilung von einigen Thermoplasten... 8.. Zentral zusammengesetzter statistischer Versuchsplan... 8.3. Skizze von Versuchsformteilen...3 8.4. Ergebnisse aus den durchgeführten Versuchsreihen...3 8.5. Prozesskenngrößen-Datenbaustein...6 8.6. Versuchseinstellwerte für das Formteil Kasten aus PS...7 9. Literaturverzeichnis...8 0. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis...9. Versicherung...3. Thesen...3 3. Lebenslauf...33
Formelzeichen a Temperaturleitfähigkeit a eff a n a T a u a V A A bm A g A H A O A proj A s A wo b Effektive Temperaturleitfähigkeit Stichprobenabhängiger Korrekturfaktor Temperaturverschiebefaktor Umschaltpunktsfaktor Volumenstromkoeffizient Carreau-Ansatz-Koeffizient Bohrungsmantelfläche Koeffizient für den Volumenstrom Hydraulik-Kolbenquerschnittfläche Oberfläche allgemein Projizierte Fläche Schneckenquerschnittfläche Werkzeugoberfläche Formteilbreite b i Koeffizienten für Regressionsgleichung für reale Variable (i = 0,,,..) b v B B g c c w c st c 0 c i c p c pi c v c pk C d D Volumenstromkoeffizient Carreau-Ansatz-Koeffizient Koeffizient für den Volumenstrom Anzahl der Realisierungen allgemein Anzahl der Realisierungen an Würfelpunktversuche Anzahl der Realisierungen an Sternpunktversuche Anzahl der Realisierungen am Zentralpunktversuch p-v-t-werkstoffspezifische Konstante (i=..7) Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck Prozessfähigkeitsindex Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen Kritischer Prozessfähigkeitsindex Carreau-Ansatz-Koeffizient Abstand Schneckendurchmesser
VIII Formelzeichen e E F Z f h h F H i i Z j k k H k K k L k R K S K RK Stegbreite Energiemenge Zuhaltekraft Strömungskoeffizient Schneckengangtiefe Formteildicke Enthalpieerhöhung Index Index für Zylinderheizzone Index Index Heizbänderwärmedurchgangskoeffizient Kühlmittelwärmedurchgangskoeffizient Luftwärmedurchgangskoeffizient Reibungskoeffizient Übertragungsfunktionsverstärkung für die Strecke Kritische Reglerverstärkung K Anzahl der Koeffizienten in der Regressionsgleichung l F Fließweg L Länge L F L K L W m m R n n d n F n V n Z N N 0 Länge am Formteil Lange des abgewickelten Schneckenkanals Länge an Werkzeugkavität Masse des Formteils Reduzierte Masse (Kolben und Formmasse) Schneckendrehzahl Anzahl der Messdaten Anzahl der Freiheitsgrade Anzahl der Versuche Anzahl von Zylinderheizzonen Anzahl der Versuchpunkte Anzahl von Zentralpunktversuchen N G Gesamtanzahl der Versuche
Formelzeichen IX N St Anzahl von Sternpunktversuche N Anzahl von Würfelpunktversuchen W p E P ein Einspritzdruck Einspritzleistung p H p n p n-ein p n-erf p n-grund P pl Hydraulikdruck Nachdruck Einstellnachdruck Erforderlicher Nachdruck Nachdruck-Grundeinstellungswert Plastifizierleistung p st Staudruck ( nur während der Dosierzeit ) p sv Druck im Schneckenvorraum p Wirkender Nachdruck auf die Formmasse im Werkzeug wn p wz p wzmx Pwzmx-Erf Pwzmx-V p Q & Q & HB Werkzeuginnendruck Maximaler Werkzeuginnendruck Erforderlicher maximaler Werkzeuginnendruck Prognose des maximalen Werkzeuginnendruck für die Grundeinstellung Druckdifferenz Wärmestrom allgemein Heizband-Wärmestrom Q & Heizleistung H Q & K Kühlmittelwärmestrom Q & Konvektiver Wärmestrom KO Q & Formmassewärmestrom M Q & St R R a R e R i R L R LAS Wärmestrahlung Radius Außenradius Elektrischer Widerstand Inneres Radius Laminarer hydraulicher Widerstand Laminarer hydraulicher Angusssytem-Widerstand
X Formelzeichen R LD R LWi s s a s s s d s u S V T g T K T km T Krit T Z t dos t ein t Ent t K t n t O t pl t u U v v F v E v S v R v u v st v sk v ts vs V Laminarer hydraulicher Düsenwiderstand Laminarer hydraulicher Fließwegwiderstand i Laplace-Operator Mittlere Standardabweichung der Stichprobe Schneckenweg Dosierweg Umschaltweg Volumenschwindung Glasübergangstemperatur Kristallitschmelztemperatur Kühlmitteltemperatur Kritische Zeitkonstante Zylindertemperatur Dosierzeit Einspritzzeit Entformzeit Restkühlzeit Nachdruckzeit Öffnungszeit Plastifizierzeit Umschaltzeit Innere Energie Spezifisches Volumen Fließfrontgeschwindigkeit Einspritzgeschwindigkeit Schneckenvorlaufgeschwindigkeit Schneckenrücklaufgeschwindigkeit Spezifisches Volumen bei Umgebungstemperatur Spezifisches Volumen bei Staudruck Schneckenkolbenvorlaufgeschwindigkeit spezifisches Volumen beim Siegelpunkt Verarbeitungsschwindung Volumen allgemein
Formelzeichen XI V F V 0 V W V & V & L V & p V & g V & s V & H W & Formteilvolumen Bezugsvolumen Werkzeugkavitätsvolumen Volumenstrom Leckvolumenstrom Druckvolumenstrom Gesamtplastifiziervolumen Schleppvolumenstrom Hydraulikvolumenstrom Wärmekapazitätsstrom W Dosierarbeit dos W Einspritzarbeit Ein x p x y σ σ S ϕ η η 0 η s η s,eff δ τ S γ& Prüfgroße Mittelwert einer Größe Zielgröße Zugfestigkeit Stefan-Bolzmann-Konstante Steigungswinkel Viskosität Bezugsviskosität Scheinbare Viskosität Effektive scheinbare Viskosität Schneckenspiel Schubspannung Schergeschwindigkeit ε ε E ϑ ϑ E ϑ KA Dehnung bei Höchstkraft Emissionskonstante Temperatur (allgemein) Entformtemperatur Kühlmittelaustritttemperatur
XII Formelzeichen ϑ KE ϑ H ϑ M ϑ ME ϑ MW ϑ MSV ϑ wzo ϑ 0 ϑ s ϑ u ϑ z ϑ φ λ λ w ρ α α a α I α S β β i κ σs Kühlmitteleintritttemperatur Heizbändertemperatur Formmassetemperatur Einzugstemperatur der Formmasse Massetemperatur im Werkzeug Massetemperatur im Schneckenvorraum Werkzeugoberflächentemperatur (Formnest) Bezugstemperatur Standardtemperatur Umgebungstemperatur Zylinderemperatur Temperaturdifferenz Wärmestrom Wärmeleitfähigkeit Werkzeugwärmeleitfähigkeit Dichte Sternabstand für Einstellparameter Wärmeübergangskoeffizient Koeffizienten für Regressionsgleichung für normierte Variable Das Signifikanzniveau Volumensausdehnungskoeffizient Koeffizienten für Regressionsgleichung für normierte Variable (i=0,,,..) Kompressibilitätskoeffizient Standardabweichung der Grundgesamtheit
Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meines Promotionsstudiums an der Technischen Universität Chemnitz. Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. R. Wächter danke ich für die Übernahme der Betreuung, für die allseitige Unterstützung und für das entgegengebrachte Vertrauen. Bei Herrn Prof. Dr.-Ing. G. Mennig bedanke ich mich für die zahlreichen Hinweise und Anregungen für die Arbeit sowie für die Erlaubnis zur Durchführung von experimentellen Untersuchungen in den Versuchsfeldern des Instituts für Allgemeinen Maschinenbau und Kunststofftechnik. Ich danke Herrn Prof. Dr.-Ing. J. Wortberg für die kritische Durchsicht der Arbeit sowie für die wertvollen Vorschläge. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr.-Ing. R. Neumann und Herrn Dr.-Ing. H. Schlegel für die konstruktive Zusammenarbeit und die tatkräftige Unterstützung, insbesondere bei der Durchführung der experimentellen Untersuchungen. Bei allen die mir mit Anregungen und Ratschlägen halfen, bedanke ich mich recht herzlich. Chemnitz, Dezember 003 Soromo Haman
. Einleitung.. Problemstellung Das Spritzgießverfahren ist das bedeutendste Urformverfahren in der Kunststoffverarbeitung, bei dem in einem einzigen Arbeitsschritt fertig geformte Teile mit komplexer Geometrie und in nahezu beliebiger Größe hergestellt werden. Kunststoffprodukte, die mittels Spritzgießen hergestellt werden, sind im täglichen Leben nicht wegzudenken. Sie besitzen einen hohen und kontinuierlich steigenden Stellenwert in nahezu allen wichtigen Wirtschaftszweigen. Das Zusammenwirken zwischen Industrie, Zulieferer und Abnehmer ist sehr stark vom magischen Spannungsdreieck Qualität, Kosten und Zeit beeinflusst. Zunehmender Wettbewerb, höhere Qualitätsanforderungen und der Druck auf die Kostenreduktion zwingen deshalb die kunststoffverarbeitenden Unternehmen, nach neuen Qualitätsüberwachungs- und Qualitätskontrollsystemen zu suchen. Weiterhin nimmt die Forderung nach einer Null-Fehler- Produktion ständig zu. Prozessseitig stehen heute vollgeregelte Kunststoff-Spritzgießmaschinen zur Verfügung. Trotzdem stehen viele Verarbeiter oftmals vor dem Problem, Schwankungen der Rohstoffeigenschaften und Einflüsse der Umgebung erfassen und ggf. ausgleichen zu müssen. Aufgrund dieser externen Störgrößen ist es jedoch häufig nicht möglich, mit konstanter Maschineneinstellung eine langzeitkonstante Qualität zu erzeugen. Ein weiteres gravierendes Problem stellen die simultan auftretenden Schwankungen verschiedener Prozessparameter dar, die in ihrer Kombination zu unzulässigen Qualitätsausprägungen am Produkt führen können. Dies bedeutet, dass eine kontinuierlich fehlerfreie Produktion trotz geregelter Spritzgießmaschinen nicht immer gewährleistet ist. Es gibt immer noch Wechselwirkungen und Mikroeinflüsse, welche unzureichend bekannt sind... Zielsetzung Über den Stand der Technik hinaus sollen in dieser Arbeit neue Ansätze zur Realisierung einer kontinuierlichen Überwachung und Regelung der Qualitätsmerkmale beim Spritzgießen entwickelt werden. Das Ziel ist also nicht, die einmal eingestellten Maschinenparameter möglichst konstant zu halten, sondern bei auftretenden Schwankungen bei Qualitätsmerkmalen die Maschineneinstellung durch ständige Regelung anzupassen, so dass Formteile mit gleichbleibenden Eigenschaften hergestellt werden. Dafür müssen die folgenden
. Einleitung notwendigen Maßnahmen zur Durchführung einer effektiven Qualitätssicherung und zur Qualitätsverbesserung zum Einsatz kommen. Offline-Optimierung Die Offline-Optimierung eines Verarbeitungsprozesses befasst sich mit der Erfassung und Analyse der Prozesswirklichkeit. Zur Durchführung der Optimierung der Qualität der Formteile beim Spritzgießen bietet sich die statistische Versuchsmethodik an. Nach der Vermessung der Qualitätsmerkmale an den Formteilen erfolgt anhand der statistischen Datenauswertung die Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Einstellparametern und Qualitätsmerkmalen. Durch die Erfassung der Zusammenhänge und die Bildung von Modellen können unkontrollierte Eingriffe des Menschen ausgeglichen, Qualitätskosten gesenkt und Anforderungen der Kunden schnell umgesetzt werden. Die Kenntnis über diese Zusammenhänge führt zum besseren Prozessverständnis. Planung der Produktqualität und Maschineneinstellung Auf der Basis der quantitativen Zusammenhänge zwischen Einstellparametern und Qualitätsmerkmalen in Form einer mathematischen Modellgleichung, kann die Planung der Maschineneinstellung für die Produktion hinsichtlich der geforderten Qualität durchgeführt werden. Online-Qualitätsüberwachung Für die Online-Qualitätsüberwachung werden Modelle gebildet, die die Zusammenhänge zwischen den Prozesskenngrößen und den Qualitätsmerkmalen beschreiben. Während der laufenden Produktion werden die Prozesskenngrößen aus den Prozesssignalverläufen berechnet und anschließend zur Qualitätsprognose hinsichtlich definierter Qualitätsmerkmale auf der Basis von multivarianten Regressionsgleichungen berechnet. Mit den berechneten Qualitätsmerkmalen ist die Dokumentation des Qualitätszustandes der gesamten Produktion ohne aufwendige Messungen möglich. Qualitätsregelung Der nächste konsequente Schritt führt zur Entwicklung von Regelungsstrukturen, die auf Basis der Modelle automatisch die notwendigen Stelleingriffe an der Maschine vornehmen. Das prognostizierte Qualitätsmerkmal wird mit dem Sollwert verglichen. Und bei unerwünschten Abweichungen werden die Einstellparameter durch das Regelungssystem
3. Einleitung korrigiert, so dass am Ende des Zyklus die Qualität des Formteils den Anforderungen entspricht. Damit soll eine Null-Fehler-Produktion erreicht werden..3. Aufbau der Arbeit Die Überlegungen zur Automatisierung des Spritzgießverfahrens beginnen bei der Werkzeugkonstruktion und -auslegung. Sie setzen sich mit der Auswahl der für die Produktion geeigneten Fertigungsmaschine sowie den Grundeinstellungen der Maschine fort und enden in Strategien zur Optimierung und Überwachung der Fertigung. Die Sicherung der Formteilqualität stellt bei diesen Maßnahmen die oberste Forderung dar. Kapitel gibt einen Überblick über den Stand der Forschung und die bisher eingesetzten qualitätssichernden Maßnahmen beim Spritzgießen. Zur Durchführung eines prozessnahen Qualitätsmanagements sind bessere Kenntnisse des Spritzgießprozesses notwendig. Der Spritzgießprozess kann als nichtlineares, dynamisches, zeitvariantes und mehrdimensionales Verfahren charakterisiert werden. In Kapitel 3 werden die physikalischen Zusammenhänge ausführlich beschrieben. Für eine reproduzierbare Fertigung müssen sowohl die Prozesskenngrößen als auch die Qualitätsmerkmale erfasst und im Hinblick auf die Qualitätseigenschaften analysiert werden. Deshalb beschreibt das Kapitel 4 die Vorgehensweise bei der Offline-Optimierung des Spritzgießprozesses hinsichtlich der Qualitätsmerkmale. Anschließend in Kapitel 5 werden Einstellmodelle für die Maschineneinstellung und Überwachungsmodelle für die Online- Überwachung am Beispiel des Formteilgewichts gebildet. Aufbauend auf das Überwachungsmodell wird in Kapitel 6 eine adaptive Regelung für die Qualitätsmerkmale entwickelt. Während der Produktion müssen die Einstellparameter so geführt werden, dass die Abweichungen zwischen den Ist- und Sollwerten der Qualitätsmerkmale gering gehalten werden. Ein Eingriff des Maschinenbedieners soll bei diesem Regelungssystem nicht mehr erforderlich.
. Stand der Forschung Schon seit langer Zeit ist die enorme Bedeutung von qualitätssichernden Maßnahmen in der Produktion bewusst. Diese umfassen die Wareneingangskontrolle von benötigten Materialien, Bauteilen und Baugruppen, die Überwachung des Verarbeitungsprozesses und die Produktendkontrolle. Alle diese qualitätsbezogenen Tätigkeiten sind Bestandsteil des Qualitätsmanagements nach DIN ISO 9000ff., welches auch die Verantwortung aller Ausführungsebenen unter der Führung der Unternehmensleitung hervorhebt. Wichtige Voraussetzung für deren erfolgreiche Umsetzung ist die Qualitätspolitik des Unternehmens durch die Instrumente des Qualitätsmanagements... Qualität beim Spritzgießen Arbeiten nach DIN EN ISO 9000ff. stellt einen Qualitätsgrad dar, in welchem ein Satz inhärenter kennzeichnender Eigenschaften (Merkmale), Anforderungen und daraus resultierender Erwartungen festgelegt werden, die üblicherweise vorausgesetzt werden oder verpflichtend sind. Dies beinhaltet sowohl die Beschaffenheit des Produktes als auch die Bemühung um umfassende Kundenzufriedenheit. Es reicht nicht mehr aus, den Begriff Qualität auf das Produkt zu beziehen, sondern er streckt sich auch auf die betrieblichen Prozesse zur Herstellung des Produkts und auf die Marketing- und Vertriebsprozesse. Die Produktqualität stellt damit das oberste Ziel des Unternehmens dar. Aus diesem Grund müssen alle Bemühungen im Unternehmen auf die Erfüllung der Qualitätsanforderungen gerichtet werden. Qualität setzt zielgerichtete Überlegungen und konsequentes Handeln der Menschen voraus, was sowohl die optimale Nutzung der verfügbaren Ressourcen beinhaltet als auch die effektive Erweiterung von Ressourcen. Qualität ist ein Integrationsfaktor für viele Wünsche und Anforderungen des Kunden. Auf diesen Integrationsfaktor baut der Kunde sein Vertrauen in die Unternehmensleistung, die Erfüllung seiner Wünsche wie Merkmale des Produktes, aber auch den Service vor und nach Vertragsabschluss. Die produktbezogene Sichtweise der Qualität besagt, dass sie eine messbare und präzise Größe ist. Sie wird durch variable (quantitativ) und attributive (qualitativ) Merkmale bestimmt. Beim Spritzgießen wird die Qualität der Formteile durch die quantitative oder qualitative Ausprägung der Merkmale beurteilt. Die wesentlichen Qualitätsmerkmale zum Beschreiben der spezifischen Produktqualität von Spritzgussteilen lassen sich in fünf Gruppen einteilen.
5. Stand der Forschung... Das Gewicht Das Gewicht eines Formteils beim Spritzgießen ist ein aussagefähiger Parameter sowohl für die reproduzierbare Herstellung als auch für eine wirtschaftliche Prüfung von Formteilen. Das eigentliche Formteilgewicht wird beim Spritzgießen in der Nachdruckphase durch die Unterbrechung der Formmassezufuhr am Siegelpunkt bestimmt.... Maßhaltigkeit Die Einhaltung der Formteilgeometrie umfasst die Konturtreue bezogen auf das Werkzeug und die Einhaltung der gewünschten Abmaße. Die Abmaße von Formteilen sind stark abhängig von den Einflussgrößen wie - die Wärmedehnung des Werkzeugs, - die Eigentemperatur und die Wasserhaltigkeit des Werkstoffes, - die mechanischen Belastungen und - die Verarbeitungs- und Nachschwindung des Werkstoffes. Die Verarbeitungs- und Nachschwindung werden von Kristallisation, Volumenrelaxion und Orientierungsrelation der Formmasse und von thermischer Kontraktion verursacht. Viele Maßfehler finden ihre Ursache beim Verzug. Unter Verzug versteht man die Form- und Maßabweichungen, die beim Schwinden entstehen...3. Oberflächenstruktur Die Oberfläche von Formteilen muss besonderen Anforderungen bezüglich des Aussehens genügen. Bei allen Kunststoffprodukten wird das äußere Erscheinungsbild neben Farbe und Form im wesentlichen von der Qualität der Oberfläche bestimmt. Die Oberflächenbeschaffenheit eines Spritzgussteils ist das Spiegelbild der Oberflächenbeschaffenheit des Werkzeugs. Je nach Anforderung und Aufwand können glatte, mattierte und/oder strukturierte Oberflächen bzw. Oberflächenpartien erzielt werden. Die beiden wichtigsten Kriterien für die Oberflächenqualität sind dabei der Glanzgrad und die Oberflächengüte, wobei sich das letztere auf eine möglichst ungestörte Oberflächenstruktur bezieht...4. Massehomogenität Bei der Qualitätskenngröße Homogenität der Schmelze wird zwischen der thermischen Homogenität und der stofflichen Homogenität (Mischgüte) unterschieden. Stoffliche Homogenität tritt nur bei der Verarbeitung von Gemischen auf. Die thermische Homogenität wird durch ein gleichmäßiges Temperaturprofil in der Schmelze bestimmt.
. Stand der Forschung 6 Inhomogene Schmelze führt zu Streuungen der mechanischen, elektrischen oder chemischen Eigenschaften des Formteils...5. Morphologie Die physikalischen Eigenschaften, zum Beispiel die Festigkeit von Thermoplasten, werden vom Orientierungszustand der Makromoleküle beeinflusst. Die Orientierung der Moleküle von Thermoplasten kann sich, wenn das Material flüssig bleibt, binnen Sekunden wieder abbauen. Wenn das Material jedoch durch definierte intensive Kühlung schnell erstarrt, führt dies zu unterschiedlicher Schwindung längs und quer zur Fließrichtung und somit häufig zum Verzug der Formteile... Qualitätsmanagement Für jedes Unternehmen und jede Branche stellt Qualität ein wesentliches Instrument zur Erhaltung und Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit dar. Auf lange Sicht hängt der Erfolg eines Unternehmens am Markt sogar maßgeblich von der überlegenen Qualität seiner Produkte oder Dienstleistungen gegenüber den Mitbewerbern ab. Auch die Qualität der Prozesse gewinnt immer stärker an Bedeutung. Sie macht den Blick frei auf betriebswirtschaftliche Potentiale, deren Ausschöpfung zur Realisierung eines Kostenvorteils gegenüber den Wettbewerbern führt [5]. Abb.. verdeutlicht die Entwicklung der Qualitätssicherung im Unternehmen. Qualitätskontrolle Qualität wird solange geprüft, bis sie stimmt Integrierte Qualitätssicherung Qualität entsteht während der Arbeit. Qualitätsmanagement Qualität wird geplant und überwacht. Nachträgliche Messung und Auswertung von Fehlern Qualität als separate Funktion Fehlererkennung und -beseitigung am Fertigprodukt Qualität ist auf das Produkt bezogen. Qualität wird in andere Funktionen integriert Qualität ist auf das Produkt bezogen Orientierung an den Kundenanforderungen Einsatz statistischer Qualitätskontrolle Qualität ist Führungsaufgabe Qualität als Philosophie Präventive Fehlervermeidung Ständige Verbesserung u. Überwachung des Prozesses Qualität ist allen anderen Funktionen übergeordnet Qualität als Ergebnis der Unternehmensqualität Abb..: Die Entwicklung der Qualitätssicherung
7. Stand der Forschung Das Umfeld zum Erreichen einer hohen Produkt- und Prozessqualität wird durch ein umfassendes Qualitätsmanagement im Sinne des Total Quality Managements (TQM) gewährleistet. Unter TQM versteht man die Gesamtheit aller qualitätsbezogenen Tätigkeiten und Zielsetzungen, d.h. alle notwendigen Maßnahmen zur Durchführung einer effektiven Qualitätssicherung, einschließlich der Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung. TQM wird in den meisten Betrieben als absolute Ausrichtung auf Kundenzufriedenheit, kundenorientiertes Denken und Handeln und ständige Qualitätsverbesserung verstanden. Abb.. zeigt die Prinzipien des TQMs bezüglich der Qualitätssicherung. kundenbezogen und wird getrieben von der Erkenntnis, dass die Kundenerwartung das Wichtigste überhaupt ist. Qualität ist braucht heißt, stellt Menschen, die ständig ihren persönlichen positiven Beitrag zur Verbesserung leisten. dass von allen Abteilungen des Unternehmens Verbesserungen beigesteuert werden. bindet Vorbeugen und Problemlösen an vorderste Stelle. alle Mitarbeiter in die Entscheidungs- und Durchführungsprozesse verantwortlich ein. Abb..: Wesentliche TQM-Prinzipien (vgl. [3], S. 4) Der Kunde mit allen seinen Bedürfnissen rückt in den Mittelpunkt der Unternehmensphilosophie. In der DIN EN ISO 9000ff. sind sowohl der Inhalt und die Aufgaben des Qualitätsmanagements als auch deren spezifischen Elemente beschrieben. Das Qualitätsmanagement befasst sich mit Personal (Auswahl und Schulung), Technik (Betriebsmittel), Organisation (Zuständigkeit), Methoden zur Qualitätssicherung und Qualitätsphilosophie des Unternehmens, um bessere Produktqualität zu erzielen. Die Aufgaben des Qualitätsmanagements sind in Abb..3 dargestellt. Qualitätsplanung, Qualitätslenkung, Qualitätssicherung und Qualitätsverbesserung stellen die wesentlichen Hauptaufgaben dar.
. Stand der Forschung 8 Festlegen der Qualitätsziele und notwendigen Ausführungsprozesse sowie der zugehörigen Ressourcen zur Erfüllung der Qualitätsziele. Qualitätsplanung Erfüllung der Qualitätsanforderungen Qualitätslenkung Qualitätsmanagement Qualitätsverbesserung Qualitätssicherung Erhöhung der Fähigkeit zur Erfüllung der Qualitätsanforderung Erzeugen von Vertrauen, dass Qualitätsanforderungen erfüllt werden Abb..3: Aufgaben des Qualitätsmanagements Damit entwickelt sich das Qualitätsmanagement zu einem strategischen Instrument für den Wettbewerb auf dem Markt. Zu den TQM-Elementen zählen: Qualitätsmanagementhandbuch Das Handbuch beinhaltet alle qualitätsrelevanten Aufgaben und Verantwortlichkeiten innerhalb des Unternehmens. Die Geschäftprozesse werden mit zugeordneten Zielen, Strukturen und Ergebnissen beschrieben. Audit Das Qualitätsaudit ist ein Verfahren zur Beurteilung der Wirksamkeit des Qualitätssicherungssystems oder seiner Elemente durch eine unabhängige systematische Untersuchung. Qualitätszirkel Der Qualitätszirkel ist eine zielorientiert arbeitende Gruppe von Mitarbeitern, die sich die Verbesserung der Produkt- und Arbeitsqualität zum Ziel gesetzt hat (Innovationsteam). Dokumentation und Aufzeichnungen Die Qualitätsdokumentation beinhaltet die Aufzeichnungen, die die Effizienz des Qualitätssicherungssystems belegen.
9. Stand der Forschung Beim Spritzgießen muss sich das TQM als Synonym für unternehmerische Methoden und Werkzeuge für Spitzenleistung unter Berücksichtigung aller Interessenspartner (Kunde, Lieferant, Mitarbeiter, Eigentümer, Gesellschaft und Umwelt) entwickeln, mit dem Ziel ständiger Verbesserung der Produktqualität. Der wettbewerbsfähige Spritzgießbetrieb wird deshalb zur Herstellung qualitativ hochwertiger Produkte in Zukunft neben Schnelligkeit und Flexibilität einem wirksamen Qualitätsmanagementsystem besondere Bedeutung beimessen müssen. Ziel dieser Bemühungen ist es, das Qualitätsniveau der Zulieferer sowie der eigenen Fertigungsprozesse transparent und nachweisbar zu machen und die Voraussetzung für Fehlervermeidung statt Fehlerbeseitigung schon vor und während der Herstellung zu schaffen. Dies bedeutet Planung und Überwachung der Qualität durch den Einsatz von Instrumenten des Qualitätsmanagements im ganzen Unternehmen. Vor allem spielen Prozessoptimierung, Prozessüberwachung, Online-Qualitätsprognose und Qualitätsregelung eine bedeutende Rolle. Ziel des prozessnahen Qualitätsmanagements ist es, durch qualitätssichernde Maßnahmen vor und während der Produktentstehung eine einwandfreie Produktqualität zu gewährleisten. Die Methoden des prozessnahen Qualitätsmanagements stellen dadurch die höchste Stufe der Qualitätssicherungsmethoden im Rahmen der Produktentstehung dar..3. Methoden des Qualitätsmanagements Kontinuierliche steigende Anforderungen an Spritzgussformteile und Herstellungsprozesse erfordern ein ständiges Anpassen des Qualitätsmanagements an die aktuelle Marksituation. Dies bedeutet unter anderem die Einhaltung von vordefinierten, meist hohen Qualitätseigenschaften der gefertigten Formteile, bei geringem Material-, Energie- und Personaleinsatz und unter den Bedingungen maximaler möglicher Produktionsgeschwindigkeit. Durch die Erfassung der qualitätsrelevanten Parameter der Spritzgießmaschine schon während der Produktions- und Prozessplanung können Maßnahmen zur Fehlervermeidung ergriffen werden. Neben dem Aspekt der Überwachung verlangen die Kunden Transparenz und Nachvollziehbarkeit der Fertigungsprozesse, um das Qualitätsniveau der zugelieferten Produkte beurteilen zu können. Zur Zeit werden Werkzeuge der Qualitätssicherung wie Quality Function Deployment (QFD), Fehlermöglichkeit- und Einflussanalyse (FMEA), Pareto-diagramme, statistische Versuchsmethode (STVM) in der kunststoffverarbeitenden Industrie eingesetzt. Deren Anwendung bringt positive Erfahrungen wie Ergebnisverbesserungen, sinkende Fehlerraten oder geringe Störanfälligkeit der Produktionsprozesse