DE19834797C2 - Verfahren und Vorrichtung zur zustandsabhängigen Prozeßführung bei der Verarbeitung von Kunststoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die Produktionssicherheit und die Qualität bei der Verarbeitung von thermo- oder duroplastischen Kunststoffen durch Pressen oder Spritzgießen zu erhöhen. DOLLAR A Die Aufgabe wird gelöst, indem mit an sich bekannten Meßprinzipien, wie der Aufnahme von dielektrischen oder akustischen Kennwerten mit Hilfe im Werkzeug angebrachter Sensoren und einem Computerprogramm mit darin verankertem Expertenwissen der Verarbeitungsprozeß kontinuierlich überwacht und in die Verarbeitungsmaschine steuernd eingegriffen wird. Zum einen kann so jedes Einzelteil in der Fertigung überwacht, bei Abweichungen von Sollwerten das Teil sofort als Ausschuß klassifiziert werden und die Maschine gestoppt werden. Zum anderen kann bei kleineren Abweichungen regelnd in die Steuerung eingegriffen, z. B. das Werkzeug bei Erreichen definierter Materialkennwerte geöffnet werden. DOLLAR A Das Anwendungsgebiet betrifft die gesamte Palette der Kunststoffverarbeitung mittels Pressen und Spritzgießen.

Description

Thermo- und duroplastische Kunststoffe werden in der Regel auf Spritzgießmaschinen verarbeitet. Bei Duroplasten findet darüber hinaus auch das Pressen Einsatz. Thermoplaste werden durch Formgebung im aufgeschmolzenen Zustand verarbeitet. Sie werden dazu als Schmelze in das Werkzeug gespritzt, dessen Temperatur unter der Erstarrungstemperatur liegt. Bei Duroplasten werden kalte oder vorgewärmte (Pressen) oder aufgeschmolzene Materialien (Spritzgießen) in das Werkzeug gebracht. Das Werkzeug hat dabei eine so hohe Temperatur, dass die chemische Vernetzungsreaktion startet und das Material aushärtet. Die Hersteller von Kunststoffteilen sind mit zunehmenden Qualitätsanforderungen ihrer Kunden konfrontiert. Führte bereits die konsequente Einführung der Zertifizierung nach ISO 9000 ff zu verschärften Rahmenbedingungen hinsichtlich des Qualitätsmanagements, so kündigt sich mit den Forderungen der von der amerikanischen Autoindustrie initiierten Qualitätsnorm QS 9000, die den Einzelnachweis der Qualität jedes gelieferten Teils fordert, eine weitere Verschärfung der Qualitätsanforderungen an. Das Produkthaftungsgesetz und die enormen Kosten verbunden mit dem Imageverlust von Rückrufaktionen zwingen daher zu einer Nullfehlerproduktion.

Inwieweit ist eine Nullfehlerproduktion in der Fertigung von Kunststoffteilen nach dem Stand der Technik bereits realisiert?

Kunststoffverarbeitungsmaschinen (z. B. Spritzgießmaschinen, Pressen, etc.) weisen heute einen hohen Automatisierungsgrad auf. In die Maschinen sind in der Regel Computer integriert, die die gesamte Prozess-Steuerung und Prozessüberwachung vornehmen. Charakteristische Prozessparameter wie Druck (Einspritzdruck, Werkzeuginnendruck. etc.), Temperatur (Temperatur im Werkzeug, Temperatur in der Plastifiziereinheit, etc.) und Wege (z. B. Schließweg des Werkzeugs, Tauchkantenbewegung, etc.) werden ständig kontrolliert und durch eine Regelung konstant gehalten. Als Option können die Parameter auch statistisch erfasst und zur Dokumentation abgespeichert werden. Es sind Beispiele bekannt, dass in jede Spritzgießmaschine der Fertigung ein Computer integriert und diese alle untereinander mit dem zentralen Fertigungsserver vernetzt sind /R. Doh, "Am Puls der Maschine", Netrunner Heft 4 (1995)/.

Hat man einmal in umfangreichen Untersuchungen den Zusammenhang zwischen Prozessparametern und Qualität hergestellt, genügt es fortan, die Prozessparameter zu kontrollieren und konstant zu halten. Auf festgestellte Abweichungen der Prozessparameter kann dann adäquat reagiert und Alarm ausgelöst werden, z. B. bei Ausfall der Werkzeugheizung, ungewöhnlichem Druckverlauf, verklemmten Teilen etc.

Dies reicht in der Praxis zur Qualitätssicherung aber nicht aus. Hier muss in jedem Fall eine zumindest stichprobenartige Qualitätskontrolle des produzierten Teils angeschlossen werden, da die Einhaltung der Prozessparameter allein keine ausreichende Gewähr für Qualität bietet. Ursache hierfür sind unvermeidliche Abweichungen im Ausgangsmaterial, die einen gravierenden Einfluss auf die Qualität haben können. Kunststoffe sind komplexe Materialien, die in der Regel diskontinuierlich hergestellt werden. So lassen sich Abweichungen von Charge zu Charge nur schwer vermeiden. Hier sei z. B. auf die unterschiedliche Molmassenverteilung von Ansatz zu Ansatz verwiesen. Bei Duroplasten kommen Ungenauigkeiten im Verhältnis Harz und Härter hinzu. Des weiteren reagieren die Kunststoffe zum Teil empfindlich auf die Lagerbedingungen. So hat die Aufnahme von Luftfeuchte einen mitunter gravierenden Einfluss auf das Verarbeitungsverhalten. Bei Thermoplasten wirkt Wasser als Weichmacher und verändert die Erweichungstemperatur und Schmelzviskosität. Bei Duroplasten ist bei den polykondensierend reagierenden Formmassen Wasser Bestandteil der Reaktionschemie. Höhere Wasseranteile beschleunigen die Reaktion und führen zur Überhärtung. Außerdem sind viele Duroplaste lagerempfindlich, weil die chemische Reaktion auch bei niedrigen Temperaturen abläuft, wodurch es bei Überlagerung zu einer Vorvernetzung kommt.

Gerade in der Fertigung bestehen daher oft große Unsicherheiten, nach welcher Lagerzeit das Material nicht mehr eingesetzt werden darf. Bei kleinen Verarbeiterfirmen taucht diese Frage auf, da die Liefergebinde oft den aktuellen Bedarf übersteigende Mengen beinhalten. Um all diese Einflüsse berücksichtigen zu können, bedürfte es einer umfassenden Wareneingangskontrolle und eines komplizierten, auf langjährigen Erfahrungen beruhenden Erfahrungsschatzes, um die Einstellung der Maschinen an die Schwankungen im Ausgangsmaterial anzupassen. Der Aufwand hierfür wird oft als unvertretbar hoch, bzw. als praktisch nicht vollziehbar angesehen.

Treten zudem Materialschwankungen innerhalb eines Gebindes auf, hat man gegenwärtig keine Chance, die Produktion zu stabilisieren und qualitätsgerecht zu fertigen. Hier bleibt in der Regel nur die Zurückweisung der gesamten Lieferung, mit allen Problemen, bis hin zum Nachweis gegenüber dem Lieferanten, dass wirklich solche Schwankungen vorliegen.

In der Patentliteratur finden sich vielfältige Vorschläge zur Lösung der geschilderten Probleme. So wird in der DE 44 34 654 ein Verfahren zur Beeinflussung zyklisch ablaufender Prozesse insbesondere für kunststoffverarbeitende Maschinen beschrieben. Durch testweise Herstellung von Produkten und Vorgabe von charakteristischen Eigenschaften werden Prozesskennzahlen ermittelt und daraus Maschineneinstellungen abgeleitet. In der DE 195 14 535 wird z. B. ein ursächlicher Zusammenhang zwischen Werkzeuginnendruck und Produkteigenschaften realisiert und Prognosedaten abgeleitet. Die EP 0 566 738 hat eine Methode zur Bestimmung der Injektionsspritzbedingungen zum Inhalt, bei der Gegenmaßnahmen beim Auftreten von Fehlern in einem Expertensystem enthalten sind und die Maschineneinstellung automatisch modifiziert werden kann. Eine Methode zum Wiederauffinden von Bedingungen zum Spritzgießen mit Hilfe eines Expertensystems ist auch in der US 5 350 547 beschrieben. Eine weitere wissensbasierte Methode zur Kontrolle einer Injektionsspritzgießmaschine wird in der US 5 539 650 patentiert. Hier wird die vom Bediener erfolgte Programmierung der Abläufe von einem Expertensystem auf Plausibilität geprüft, auf eingespeicherte Maschineneinstellungen kann zurückgegriffen werden.

Die erfindungsgemäße Lösung geht die Problemstellung insofern anders an, als an aussagekräftigen bzw. als kritisch bekannten Stellen im Werkzeug und gegebenenfalls auch in der Plastifiziereinheit beim Spritzgießen, zustandsspezifische Materialkennwerte mit dielektrischen und/oder Ultraschallsensoren kontinuierlich erfasst und mit Hilfe eines Expertensystems von einem Computer bewertet werden. Die aus solchen Sensordaten ableitbaren Materialkennwerte sind z. B. der Speichermodul, der Verlustmodul und die Viskosität. Als Sensoren für diese Materialkennwerte eignen sich bekannte Elektrodenanordnungen zur Messung von Leitfähigkeit, Dielektrizitätszahl und dielektrischem Verlust bzw. Schallsende- und Empfangssensoren, insbesondere im Ultraschallbereich, zur Messung von Schallgeschwindigkeit und -dämpfung. Die physikalischen Beziehungen zwischen den genannten Messgrößen und den gesuchten Materialkennwerten sind hinlänglich aus der Literatur bekannt.

Die Verwendung dielektrischer Meßmethoden wird z. B. in der DE 38 22 716 und in folgender Literatur beschrieben:
S. D. Senturia, N. F. Sheppard jr. "Dielectric analysis of thermoset cure", Advances in polymer science Vol. 80, Springer Verlag 1985, S. 1-49
W. Michaeli, M. Stöger, "Prozessüberwachung bei der Duroplastverarbeitung mit Hilfe der Dielektrometrie", Kunststoffberater, Nr. 1, 1993, S. 38-43
W. Michaeli, G. Burkhardt, M. Stöger: "Qualitätssicherung bei der Duroplastverarbeitung", Kunststoffe Nr. 11, Vol. 81, S. 1014-1017, 1991

Für die Ultraschallmethode sei das Patent DE 37 29 031 und folgende Zitate angeführt:
K. G. Häusler; P. Hauptmann; E. Schröder; R. Säuberlich; P. Wagnitz, "Zur Netzwerkcharakterisierung mittels Ultraschall", Plaste und Kautschuk Nr. 9, Vol. 30, S. 485- 488, 1983
I. Alig; M. Fedtke; K. G. Häusler; W. Tänzer; S. Wartewig, "Modified Epoxies as Studied by Ultrasonic Methods", Colloid and Polymer Science, Vol. 81, S. 54-58, 1988

Im erfindungsgemäßen Verfahren werden die Materialkennwerte im Prozess von einem Computersystem ständig abgefragt, die Werte in Kennlinienfeldern aufbereitet, am Monitor online ausgegeben und mit der einprogrammierten oder im Dialog mit dem Bediener vorgegebenen Sollkennlinien verglichen. Bei Abweichungen werden vom Messcomputer programmierte Reaktionen ausgelöst. Diese können im Verwerfen als Ausschussteil, dem Stopp der Fertigung mit Alarmauslösung bis hin zu zielgerichteten Veränderung der Prozessparameter führen.

Eine besonders günstige Lösung ist die vom erreichten Materialzustand gesteuerte Öffnung des Werkzeugs, d. h. die Realisierung einer intelligenten Maschine, die immer Teile höchster Qualität fertigt. Bei Thermoplasten würde das bedeuten, wenn infolge der Abkühlung des Kunststoffs wohldefinierte Werte des Speicher und/oder Verlustmoduls und/oder der Viskosität erreicht sind, zu entformen. Bei Duroplasten entspräche das dem Erreichen eines vorgewählten Vernetzungsgrades, der sich wiederum in den genannten Kennwerten widerspiegelt.

Vorteilhaft ist auch, dass in den Messgrößen auch fertigungsbedingte Fehler wie unzureichende Füllung der Kavität, unzureichende Verdichtung und Lufteinschlüsse unmittelbar erkannt werden können.

An einigen Beispielen sollen das Verfahren und die Vorrichtung verdeutlicht werden:

Ausführungsbeispiel 1

Eine Vorrichtung ist in Bild 1 gezeigt. Dargestellt ist der Teil des Werkzeugs 1, in dem sich die Kavitäten 2 befinden (Auswerferseite). Es sind exemplarisch 2 Kavitäten gezeigt, in die bündig Messsensoren 3 für Dielektrik oder Ultraschall eingelassen sind. Ein besonderer Vorteil von Ultraschallsensoren ist es, dass die Sensoren nicht notwendigerweise mit der Formmasse in Berührung stehen müssen, sondern auch die Wand des Werkzeuges "durchschallen" können. Die Sensoren sind bewusst am Ende der Kavität angeordnet, weil hier neben den eigentlichen Materialkennwerten auch Spritzfehler wie unzureichende Verdichtung, Lufteinschluss, Unterfüllung detektiert werden können. Die Sensoren sind mit einer Messinterfacekarte 4 in einem Computer 5 über Messkabel 6 verbunden. Über eine Steuerleitung 7 und einen Interfacestecker 8 steht der Computer mit der Verarbeitungsmaschine in Verbindung. Gezeigt ist im Bild ein separater Messcomputer. Dieser kann selbstverständlich auch in die Verarbeitungsmaschine integriert sein, bzw. es kann der vorhandene Maschinencomputer selbst mitbenutzt werden.

Ausführungsbeispiel 2a

Das Verfahren im Zusammenwirken mit der Vorrichtung soll nun am Beispiel Thermoplast Spritzguss für ein 4-Kavitäten-Werkzeug näher beschrieben werden.

Im Werkzeug sind vier Messstrecken mit paarweisen handelsüblichen Ultraschallsensoren einer Resonanzfrequenz von 4 MHz in Durchschallungsanordnung integriert. Dazu sind paarig auf der Düsenseite und der Auswerferseite identische Sensoren bündig in der Wand angeordnet. Die Messstrecken befinden sich am äußersten Ende der jeweiligen Kavität. Zusätzlich befindet sich eine Sensorstrecke düsennah am Einspritzkanal. Alle zehn Sensoren der fünf Messstrecken sind mit der Steckerleiste der Ultraschall-Messkarte 4 in Bild 1 im Computer 5 über Koaxialleitungen 6 verbunden.

Die Ultraschall-Messkarte 4 realisiert, dass im Multiplexbetrieb alle 5 Messstrecken im 1/20 Sekundenabstand einen Sendeimpuls erhalten und der empfangene Impuls hinsichtlich Laufzeit und Signalamplitude erfasst wird. Die Auslösung der Messung erfolgt durch Triggerung (z. B. von der Maschine aus) gleichzeitig mit dem Befehl Werkzeug schließen. Im Echtzeitbetrieb werden dann aus den Sensorsignalen Schallgeschwindigkeit und Dämpfung und daraus nach den bekannten Beziehungen Speicher- und Verlustmodul in jeder Messstrecke berechnet. Die zeitliche Änderung der Schallgeschwindigkeit und Dämpfung im Prozess wird am Monitor ausgegeben. Nach dem Spritzgießvorgang werden die Werte vollautomatisch im Computer gespeichert und über ein Datennetz (LAN) einem Server übermittelt. Online wird außerdem eine Bewertung der Kurvenverläufe vorgenommen. So können auf Basis des einprogrammierten Expertensystems vorgegebene Toleranzen überwacht und bei deren Überschreitung Alarm ausgelöst werden. Damit kann das unzulängliche Teil verworfen, die Fertigung gestoppt werden. Mit Hilfe von Trendanalysen kann ein langsames Wegdriften aus dem stabilen Bereich erkannt und regelnd eingegriffen werden. Insbesondere ist eine zustandsbedingte Steuerung möglich, d. h. bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes von Schallgeschwindigkeit und/oder Dämpfung, die ihrerseits ein Maß für den Abkühlzustand sind, kann die Maschine das Signal zum Öffnen des Werkzeugs erhalten. Auf Schwankungen des Materials, der Einspritztemperatur und der Werkzeugtemperatur wird somit adäquat reagiert. Im Ergebnis werden Teile mit gleichbleibend hoher Qualität gefertigt.

Aus den 5 Messstrecken sind über die Messung der Materialeigenschaften Schallgeschwindigkeit und Dämpfung folgende Materialkennwerte ableitbar:

• - Messstrecke am Einspritzkanal: Formmassetemperatur, Viskosität - Rückschlüsse auf die Temperatur im Plastifizierteil der Verarbeitungsmaschine, Erwärmung durch Friktion an der Düse, Schwankungen der Formmassezusammensetzung und der Zustandsänderung des Kunststoffes.
• - Messstrecke am Ende jeder Kavität: Fließzeit von Einspritzkanal bis in die Kavität, daraus wieder Viskosität, Füllzeit der Kavität, Einschluss von Luft, unvollständige Füllung der Kavität, unzureichende Verdichtung, Grad der Verfestigung des Materials, Ermittlung des Zeitpunkts zur Werkzeugöffnung (bedingt durch den erreichten Zustand des Kunststoffes). Der Vergleich der 4 Kavitäten lässt zudem Inhomogenitäten erkennen, wie unterschiedlicher Fließwiderstand, ungleichmäßige Temperaturverteilung.

Im Computer werden die Messwerte aller 4 Kavitäten mit gelernten Sollwerten verglichen. Wenn die für die Qualität kritischste Kavität den für ausreichende Formstabilität vorgegebenen Kennwertesatz erreicht hat, erhält die Maschine über die Steuerleitung 7 und den Befehl zum zustandsbedingten Öffnen des Werkzeugs.

Auf diese Weise kann die Maschine selbsttätig im stabilen Bereich fertigen. Das ist besonders wichtig bei Anfahrprozessen, wo es oft lange dauert, bis sich das dynamische Temperaturgleichgewicht im Werkzeug einstellt. Werden außerhalb der Sollwerte liegende Messwerte für kritische Größen, wie Materialtemperatur und -viskosität im Einspritzkanal, Fließzeit, Füllgrad, Abkühlzeit, Gleichmäßigkeit der 4 Kavitäten erkannt, wird sofort Alarm ausgelöst und der Prozess gestoppt, das Teil als Ausschuss verworfen. Die Drift von relevanten Parametern, wie z. B. der Massetemperatur wird verfolgt und daraus abgeleitete Regelbefehle (z. B. zur moderaten Änderung der Werkzeugtemperatur) werden der Maschine über die Steuerleitung übermittelt.

Ausführungsbeispiel 3 Duroplastverarbeitung

Bei der Duroplastverarbeitung ist neben der Füllung des Werkzeugs das Erreichen eines definierten Aushärtungszustands entscheidend für die Formteilqualität. Sowohl Unter- wie auch Überhärtung müssen sicher vermieden werden. Insbesondere ist die Variation der Materialdicke im Formteil oft ein großes Problem, da es bei dickem Material sowohl zur Unterhärtung infolge der geringen Wärmeleitung und des später einsetzenden Starts der Reaktion als auch zur Überhärtung bis zur thermischen Zerstörung infolge der inneren Überhitzung durch die stark exotherme Reaktion kommen kann.

In einem Duroplastwerkzeug für ein Formteil mit ungleichmäßiger Dickenverteilung (Schaltergehäuse) werden an signifikanten Stellen unterschiedlicher Dicke mehrere dielektrische Sensoren bündig in die Oberfläche eingesetzt, so dass sie in Kontakt zur Formmasse stehen. Die Ansteuerung der Sensoren mit einer Wechselspannung wird im Multiplexbetrieb von einer dielektrischen Messkarte im Computer vorgenommen, der Sensorstrom auf der Karte nach Real- und Imaginärstrom getrennt gemessen. Daraus werden unter Einbeziehung der Materialdicke die Dielektrizitätszahl und der dielektrische Verlust berechnet. Die Kennwerte werden am Monitor ausgegeben, wobei die Anzeige so aufgebaut ist, dass das Werkzeug stilisiert abgebildet und die Messwerte am Ort des Sensors alphanumerisch oder als Grafiksymbol, z. B. Balken-, Zeigerdarstellung inklusive Anzeige von Toleranzgrenzen ausgegeben werden.

Das einprogrammierte Expertensystem kann Abweichungen an den Stellen unterschiedlicher Dicke auswerten, bei Erreichen des gewünschten Aushärtezustands an der kritischsten Stelle (in der Regel bei der größten Dicke) das Werkzeug öffnen. Bei zu großen Abweichungen des Aushärtezustand an Stellen unterschiedlicher Dicke kann gemäß dem Expertenwissen regelnd eingegriffen werden, indem z. B. die Härtezeit entsprechend angepasst wird.

Claims (7)

1. Verfahren zum qualitätsgesteuerten Herstellen und Verarbeiten von Kunststoffen unter Verwendung von akustischen und/oder dielektrischen Sensoren, dazugehörigen Meßsystemen für dielektrische und akustische Messungen und von Rechentechnik, gekennzeichnet dadurch, daß aus den gemessenen akustischen und/oder dielektrischen Kennwerten, qualitätsbestimmende Materialkennwerte berechnet und ihre Änderung im Verarbeitungsprozeß online am Monitor ausgegeben, im Computer gespeichert, mit Hilfe eines Expertensystems hinsichtlich der Formteilqualität bewertet und zur Maschinensteuerung herangezogen werden.

2. Patentanspruch gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei Erreichen optimaler Eigenschaften des Kunststoffes ein Steuerbefehl an die Verarbeitungsmaschine ausgelöst wird, der zum schnellen Abbruch des Prozesses durch Auswerfen des Teils führt.

3. Patentanspruch gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß laufend die gemessenen Materialkennwerte mit gelernten und abgespeicherten Sollkurven verglichen werden und bei Abweichungen Alarm ausgelöst und das Teil als Ausschuß klassifiziert wird.

4. Patentanspruch gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß auf Basis einprogrammierten Expertenwissens eine Fehleranalyse vorgenommen und dem Bediener mögliche Ursachen und Abhilfemaßnahmen zur Beseitigung des Fehlers vorgeschlagen werden.

5. Patentanspruch gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß auf Basis einprogrammierten Expertenwissens eine Fehleranalyse vorgenommen und die Verarbeitungsmaschine rechnergesteuert selbsttätig in den stabilen Fertigungsbereich zurückgeführt wird.

6. Patentanspruch gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Drift der Materialkennwerte kontinuierlich von Zyklus zu Zyklus aufgezeichnet, daraus Trendanalysen ermittelt werden und frühzeitig regelnd eingegriffen wird, um die Qualität konstant zu halten.

7. Patentanspruch gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß aus den gemessenen Materialkennwerten Verarbeitungsfehler anhand ihrer typischen Meßwerte ermittelt und die Teile als Ausschuß klassifiziert und dem Bediener Hinweise auf Fehlerursachen gegeben werden.