Trends beim Spritzgießen: Formeinsätze mit integrierten voestalpine Sensoren

Wie helfen Einsätze mit eingebauten Sensoren bei der Prozessüberwachung?

Spritzgießmaschinen können zahlreiche Prozessparameter messen, wie etwa Spritzdruck, Temperatur oder das Gewicht des eingespritzten Kunststoffs. Mithilfe dieser Daten aus den Maschinen lassen sich etwa 70 % der Ursachen für Teilestörungen erkennen. Je nach Anwendung können jedoch zusätzliche Sensoren in der Form die Erfassung von Qualitätsdaten unterstützen und so bei der Einstellung von Prozessparametern wie der Temperatur helfen. Eine vereinfachte Darstellung des Prozesses finden Sie in der Abbildung unten.

Überwachung des Spritzgießprozesses mittels Einsätzen mit integrierten Sensoren: Import der Sensordaten, Datenverarbeitung, Datenanalyse, Anpassung der Prozessparameter, Spritzgießprozess.

Wie in der Abbildung dargestellt, ist es dank der in die Form integrierten Sensoren möglich, Daten in Echtzeit zu verarbeiten, potenzielle Probleme zu erfassen und die Prozessparameter entsprechend anzupassen. AM bietet Gestaltungsfreiheit, die eine Integration der Sensoren exakt an den richtigen Stellen ohne negative Beeinflussung der Kühlkonstruktion des Einsatzes ermöglicht.

* voestalpine liefert AM-Einsätze und installiert die Sensoren. Die Herstellung der Sensoren, die Verarbeitung und Analyse der Daten sind derzeit nicht in unserem Leistungsumfang enthalten.

Was sind die Vorteile von AM-Einsätzen?

In einem früheren Artikel haben wir erörtert, wie die Effizienz und Produktivität beim Spritzgießen gesteigert werden kann. Den Artikel können Sie hier lesen. Eine Schlüsselrolle spielte dabei der Einsatz von Einsätzen, die mittels additiver Fertigung hergestellt wurden. Die additive Fertigung überwindet viele Probleme beim Spritzgießen, die für konventionell gefertigte Werkzeugeinsätze typisch sind:

• Fehler wie Verzug aufgrund ungleichmäßiger Temperaturverteilung, was zu einer höheren Ausschussrate führt
• Längere Zykluszeiten
• Hohe Wartungs- und Fertigungskosten aufgrund hoher Ausschussmengen und langer Zyklen
• Designbeschränkungen, z. B. für konturnahe Kühlung oder Sensorintegration

Einer der vielen Vorteile der additiven Fertigung (AM) ist die Realisierung von konturnahen Kühlkanälen in Formeinsätzen, die eine homogene Temperaturverteilung sicherstellen, wodurch die Ausschussrate gesenkt und das Toleranzfeld der produzierten Kunststoffteile verringert wird. Ähnliche Kanäle können zur Integration von Sensoren zu Überwachungszwecken geschaffen werden. Selbstverständlich können Sensoren auch in konventionell gefertigte Einsätze integriert werden. Um die gleiche Flexibilität bei deren Platzierung zu erreichen – also die Möglichkeit, Sensoren exakt dort einzubauen, wo sie benötigt werden –, ist in der Regel ein Vakuumlötprozess erforderlich. Der konventionelle Prozess ist jedoch im Allgemeinen teurer als die Integration in AM-Einsätze und es bestehen potenzielle konstruktive Probleme, die die Leistung der konturnahen Kühlung des Einsatzes negativ beeinflussen können.

Mithilfe von AM-Einsätzen können Konstrukteure Kanäle zur Integration von Sensoren, wie Thermoelemente oder Drucksensoren, zur Überwachung erstellen. Das Überwachungssystem kann den Herstellern von Spritzgießformen somit Daten über die Form in Echtzeit liefern – von Temperaturen über Störungen bis hin zu Stillständen und Wartung. Der Einsatz von Thermoelementen bringt folgende Vorteile:

• Zeitersparnis bei der Einrichtung neuer Formen und Prozesse
• Bemusterung
• Erhöhte Prozessstabilität
• Senkung der Ausschussrate
• Erhöhte Lebensdauer der Einsätze durch Betrieb unter optimalen Bedingungen
• Erkennung von Kühlungsverstopfungen innerhalb eines Zyklus
• Sammlung von (Big) Data, z. B. für Zwecke der assistierten Prozessoptimierung, Industrie 4.0 und Zuordnung von Qualitätsdaten für OEMs

Dank der AM-Technologie können Konstrukteure Einsätze mit folgenden Eigenschaften erstellen:

• Sensorkanäle können gekrümmt sein, was eine Platzierung der Sensoren in Schlüsselbereichen (beispielsweise in der Nähe der Kavität oder der Kühlkanäle) ermöglicht. Sensoren können effektiv überall dort platziert werden, wo sie benötigt werden.
• Kühlkanäle können so angepasst werden, dass Sensoren ohne Kompromisse bei der Kühlleistung integriert werden können.
• Effiziente Wärmeübertragung zwischen AM-Einsatz und Sensor.

Abbildung links: AM-Einsatzdesign mit Kanälen für konturnahe Kühlung und Sensorintegration. Abbildung rechts: Additiv gefertigte Einsätze mit installierten Sensoren. Zusammenarbeit zwischen voestalpine und dem SKZ – Das Kunststoff-Zentrum.

Einsätze mit Sensoren, wie in der Abbildung oben dargestellt, wurden in einem gemeinsamen Projekt mit dem SKZ – Das Kunststoff-Zentrum in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Eye eingesetzt, das die Hardware und Software zur Visualisierung und Datenerfassung von den Sensoren bereitstellte.

Wie integriert man Sensoren in den Prozess?

Wenn Sie ein Unternehmen im Bereich Spritzgießen betreiben, helfen wir Ihnen in Zusammenarbeit mit voestalpine High Performance Metals von Anfang an, Sensoren in Ihre Produktionskette zu integrieren.

Prozesskette der Sensorintegration. Die Prozesse in Blau (Design, additive Fertigung und Sensorintegration) werden von voestalpine angeboten. Die Prozesse in Grau (Überwachung) werden bei Bedarf von Partnern unterstützt.

In der Entwurfsphase werden die Sensorposition und die Anzahl der Sensoren im AM-Einsatz in direkter Absprache zwischen dem Kunden und dem voestalpine Additive Manufacturing Center bestimmt. Weitere konstruktive Aspekte bezüglich der Sensorposition beinhalten den Mindestabstand zur Kavität und den Mindestabstand zum Kühlkanal.

Nach Finalisierung des Entwurfs wird der AM-Einsatz gefertigt (einschließlich Nachbearbeitung wie mechanische Bearbeitung, Wärmebehandlung und Oberflächenveredelung).

Obwohl voestalpine weder die Sensoren selbst herstellt noch die Überwachung bereitstellt, sind wir durch Kundenberatung in der Lage, Sensoren in AM-Einsätze als Vorbereitung für die Überwachung gemäß dem vom Kunden gewählten Überwachungssystem zu integrieren.

Wie können Ihre Spritzgießformen von Einsätzen mit Sensoren profitieren?

Einsätze mit Sensoren für Spritzgießformen werden zunehmend eingesetzt, da dieser Ansatz Produktionsprozesse verbessert, die Qualität steigert und die digitale Automatisierung unterstützt. Wir werden in Kürze eine interessante Fallstudie im Blog veröffentlichen, die genau dies aufzeigt. In der Zwischenzeit freuen sich unsere Experten auf ein Gespräch mit Ihnen darüber, wie Ihnen voestalpine HPM in diesem Bereich helfen kann. Sie können sie unten kontaktieren.

Wenn Sie an weiteren Informationen interessiert sind, kontaktieren Sie uns.