Das IKV Aachen verknüpft auf der K 2022 die beiden Themen Digitalisierung und Kreislaufwirtschaft. Ziel ist es, dass die Verarbeitung von Post-Consumer-Rezyklaten (PCR) mit einer digitalen Lösung aus dem Bereich der Prozessregelung reproduzierbar wird.

Der QR-Code auf dem PCR-Bauteil gibt Projektinformationen und Prozessdaten preis.

Werkzeuginnendrucksensoren

Messtechnik

Sensoren / Messwertaufnehmer

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

kunststoffe.de

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Kunststoff-Rezyklat

Kunststoff Werkstoffe

Kreislaufwirtschaft

Präzise Prozessführung mit Injectix

Erst das Verfahren der aktiven Thermografie ermöglicht einen Blick ins Innere der Bauteile, um Schwindungslunker sichtbar und ihre Größe messbar zu machen.

Die flächigen Musterteile mit unterschiedlichen Wanddicken und Verstärkungselementen auf der Rückseite werden in der Messzelle vollautomatisch geprüft.

Aktive Thermografie für die Inline-Qualitätsregelung

Mess-, Steuer- und Regelgeräte

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Kunststoff

Thermografiegeräte

Werkstoffprüfung

Mit der Qualitätsregelung den Lunker in die Schranken weisen

Das Prozessüberwachungssystem ComoNeoPredict ist eine bewährte Option, die geforderte Qualität in der Spritzgießfertigung von Medizinprodukten zu gewährleisten.

In der Medizintechnik ist eine hohe und validierte Produktqualität eine unverzichtbare Bedingung.

Medizintechnik: Die Messgröße Werkzeuginnendruck erleichtert die GMP-konforme Produktion

Medizintechnik

Wenn validierte Qualität  kein Wettbewerbsvorteil ist

Allgemeines Ziel der Qualitätsprognose ist es, auf Basis von Prozessdaten Aussagen über die resultierende Formteilqualität abzuleiten. Dem Werkzeuginnendruckverlauf wird allgemein eine hohe Aussagekraft für spritzgegossene Formteile zugeschrieben.

Nur wenige Spritzgießwerkzeuge verfügen über Werkzeuginnendrucksensoren. Ob sich ihr  Einsatz für die Qualitätsprognose lohnt, wird am Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen untersucht

Welchen Mehrwert bietet hierfür die Werkzeuginnendrucksensorik?

Steuern, Regeln

Software

Mess- / Regel- und Prozessleittechnik

Prozessautomation

Qualitätsprognose für Spritzgussteile durch maschinelles Lernen

In welcher Verfassung und mit welcher Agenda präsentiert sich die Branche nach zweieinhalb Jahren Pandemie und in einem zunehmend instabilen politischen Umfeld? Einsichten zu den dominanten Themen dieser Zeit.

Vor der K 2022: Kunststoffe-Umfrage zur Situation im Spritzgießmaschinenbau

Steuerungen (Hardware und Software)

Automatisierungstechnik

Doriat, Clemens, Dr.

Nachhaltigkeit

Umweltmanagement

Energieeffizienz

Spritzgießmaschinen

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Beinharte Realitäten

Erstes Webinar aus der Reihe „Integrated Systems“ der Barnes Molding Solutions Gruppe am 18. März 2021.

Werkzeug- und Formenbau

Dienstleistungen

Werkzeug-, Formen- und Modellbau

Normalien und Heißkanaltechnik

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Werkzeugtemperatursensoren

Digitalisierung von Werkzeug und Heißkanal

Mithilfe von Machine-Learning erschließt Engel gemeinsam mit dem Polymer Competence Center Leoben und der Montanuniversität Leoben das Potenzial der Werkzeugatmung für die Qualitätssicherung im Kautschukspritzgießen. Unterstützt wurde dieses Forschungsprojekt von SKF Sealing Solutions Austria.

Das Sammeln und Interpretieren von Prozessdaten unterstützt die Produzenten sicherheitsrelevanter Kautschukprodukte dabei, eine konstant hohe Qualität zu garantieren

Automatische Prozessüberwachung mit iQ clamp control und maschinellem Lernen

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Kautschuk / Elastomere

Elastomer-Spritzgießen

Machine Learning für die Qualitätssicherung

Kautschukspritzgießen mit  Qualitätserkennung

Unter dem Motto „Smart Mold – Smart Process“ zeigt Kistler auf der Fakuma 2021 umfassende Lösungen für die Kunststoffverarbeitung: von Werkzeuginnendruck- und Temperatursensoren über das Prozessüberwachungssystem ComoNeo 4.1 bis zum neuen piezoresistiven Miniatursensor für den Heißkanal.

Das Prozessüberwachungssystem ComoNeo wartet in der neuen Version 4.1 mit weiteren Verbesserungen für die intelligente Spritzgießfertigung auf

Spritzgießwerkzeuge

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Messe Fakuma

Sensoren und Systeme für smarte Spritzgießwerkzeuge

Mit Lösungen von Kistler zur Werkzeuginnendruck- und Temperaturmessung im Spritzgießwerkzeug lässt sich der Spritzgießprozess optimieren.

Das neue System ComoScout misst im Gegensatz zum bewährten ComoNeo nicht den Werkzeuginnendruck, sondern überwacht Spannungssignale.

Qualität und Nachhaltigkeit durch intelligente Prozessüberwachung

Die Priamus-Kaskadensteuerung von Familienwerkzeugen verkürzt die Einrichtzeit und verbessert die Prozessqualität.

Priamus-Regeltechnik ermöglicht die automatische Kaskadeneinstellung und vereinfacht die Einrichtung. 

Priamus-Regelsysteme übernehmen komplexe Aufgaben des Maschineneinrichters

Die Familie läuft synchron

Bereits im vergangenen Jahr führte die Mettler-Toledo GmbH, Gießen, die neuen Wägeplattformen mit einer Auflösung von bis zu 750 000 Divisionen ein. Ab sofort können die Tischwaage PBK9 und die Bodenwaage <a href="http://www.mt.com/de/de/home/products/Industrial_Weighing_Solutions/floor-scales-heavy-duty/floor-scale/high-precision/pfk9.html">PFK9</a> auch in Industrieanwendungen in Ex-Bereichen der Zone 1/21 und Division 2 sowie Zone 2/22 und Division 1 integriert werden.

Präzision im Ex-Bereich 

Feinwaagen

Präzisionswaagen

Waagen

Wägenplattformen PBK9 und PFK9 

Bei der Herstellung von Kunststoffteilen für die Medizin- und Pharmaindustrie werden die Anforderungen an die Reinraumumgebung immer strenger. In diesem Bereich steigt nicht nur die Nachfrage nach vollelektrischen Spritzgießmaschinen. Auch für die Umsetzung von Werkzeugbewegungen wird verstärkt auf elektrische Antriebe gesetzt, die den hohen Anforderungen an die Reinheit und Zuverlässigkeit gerecht werden.

Bild 1. Lösungen für elektrische Werkzeugbewegungen, hier am Beispiel eines 72+72-fach Etagenwerkzeugs für die Verschlusskonus-Produktion

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Elektrische Antriebe in Spritzgießwerkzeugen

Elektrische Antriebe

Antriebe

Reinraumsysteme / -technik

Medizinprodukte

Echtzeit-Prozessüberwachung in Reinraumumgebungen

Der Umschaltvorgang zwischen Einspritz- und Nachdruckphase ist immer wieder ursächlich für eine verminderte Bauteilqualität beim Spritzgießen. Ein alternatives Prozessführungskonzept soll Abhilfe schaffen, indem es den Umschaltvorgang vollständig vermeidet. Dazu wird der Werkzeuginnendruckverlauf für den gesamten Füllvorgang vorgegeben.

Typische Spritzgießfehler entstehen durch einen falschen Umschaltzeitpunkt zwischen Einspritz- und Nachdruckphase

Phasenlose Prozessregelung soll den Umschaltvorgang revolutionieren

Prozesssimulation

Simulation

Spritzgießsimulation

Die Umschaltproblematik  und ihre Folgen

Das IKV in Aachen untersucht einen neuen Regelungsansatz für das Spritzgießen, bei dem der Werkzeuginnendruck durch unterschiedliche Öffnungspositionen der Heißkanalverschlussnadel geregelt wird. Anhand von verschiedenen Nadelführungen in der Nachdruckphase wird überprüft, in welchem Maße sich der Werkzeuginnendruck beeinflussen lässt.

Das Versuchswerkzeug mit der Kavität eines Fahrradsattels besitzt einen servoelektrisch angetriebenen Heißkanal

Kavitätsspezifische Druckbeeinflussung zur Steigerung der Prozesskonstanz

Heißkanalsysteme

Die Heißkanalnadel als Stellgröße

Die neuen Regelgeräte von Hasco bieten hohe Regelgenauigkeit, intuitiven Bedienkomfort und umfassende Diagnosefunktionen.

Das Gehäusedesign mit dem schräggestellten 10“-Touch-Display gewährleistet eine gute Übersicht über alle Funktionen und bietet einen ergonomischen Bedienkomfort

Formen- und Werkzeugbau

Kunststoffverarbeitungsmaschinen

Neuer Heißkanalregler Primezone H1281

Phasenvereinende Werkzeuginnendruckregelung bei der Verarbeitung von PCR

Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) präsentierte auf der K 2022 in Zusammenarbeit mit einem Industriekonsortium und dem Institut für Regelungstechnik (IRT) eine innovative modellprädiktive Prozessregelung. Damit wird der Ausschuss verringert und eine erhöhte Prozessstabilität trotz schwankender Materialqualitäten bei Verarbeitung von Post-Consumer-Rezyklaten erreicht.

Die phasenvereinende Werkzeuginnendruckregelung reduziert Prozessschwankungen, wie das Beispiel der Verarbeitung von Post-Consumer-Rezyklaten zeigt.

Das Prozessführungskonzept InjectiX des IKV und des IRT, ursprünglich entwickelt auf einer vollelektrischen Spritzgießmaschine, vereint die Einspritz- und Nachdruckphase. Auf der K 2022 wurde die Anwendbarkeit der Regelung für einen neuen Prozess mit neuer Maschine sowie unbekanntem Material und Werkzeug gezeigt. InjectiX wurde dabei auf eine servohydraulische Spritzgießmaschine (Typ: SmartPlus 120; Hersteller: Wittmann Battenfeld) übertragen. Dies gelang durch eine Anpassung der Regelkreisstruktur

Als Praxisbeispiel wurden zwei Polypropylen-PCR-Materialien (Post-Consumer-Rezyklate, Typ: Systalen, Hersteller: Der Grüne Punkt – Duales System Deutschland) in verschiedenen Viskositätsstufen eingesetzt, um mit InjectiX (Tabelle 1) ein konstantes Qualitätsergebnis trotz Viskositätsschwankungen zu erreichen. Zusätzlich wurden zwei verschiedene Farbmasterbatches auf Basis von 100 % PCR (Typ: CirculenRecover; Hersteller: LyondellBasell) in Grün und Blau eingesetzt und mit unterschiedlichen Dosierungen dem PCR-PP beigemischt. So ergeben sich allein dadurch bereits vier unterschiedliche praxisnahe Materialeinstellungen, die durch die Verwendung der intelligenten Prozessführung ausgeglichen werden sollen. Die Detektion der Änderungen im Prozess wird online über Kennzahlen erfasst, sodass eine Adaption während des aktuellen Zyklus automatisch erfolgt.

Als Demonstratorbauteil dient eine Stapelbox, wie sie zum Beispiel für die Lagerung von Verbindungselementen verwendet wird (Titelbild). Durch eine seitlich integrierte Steckverbindung können die Boxen nicht nur vertikal, sondern auch horizontal gestapelt bzw. verbunden werden. Die Rippenstruktur ermöglicht die Integration von Trennwänden in der Breite einer Visitenkarte, um den Stauraum zu unterteilen. Das zugehörige Werkzeug (Werkzeugbau: Kroma International; Normalien: Hasco), ist zur Prozessüberwachung und -regelung mit zwei kombinierten Druck- und Temperatursensoren (Typ: 6190CA; Hersteller: Kistler) ausgestattet, die angussnah und angussfern platziert werden.

Phasenvereinende Regelung  des Werkzeuginnendrucks

Im Kontext der Prozessführungsstrategie bedeutet „phasenvereinend“, dass während eines Spritzgießzyklus nur eine Regelgröße geregelt wird anstatt mehrerer (üblicherweise Schneckengeschwindigkeit und Schneckendruck). Hierdurch entfällt die Notwendigkeit, eine Umschaltbedingung zwischen verschiedenen Regelgrößen zu definieren, sodass der Einstellaufwand reduziert und Unstetigkeiten im Regelgrößenverlauf vermieden werden. Bei der vorgestellten phasenvereinenden Regelung wird der Werkzeuginnendruck mithilfe einer modellprädiktiven Regelung geregelt, da der Werkzeuginnendruck stark mit den Qualitätseigenschaften des Bauteils korreliert. Die modellprädiktive Regelung des Werkzeuginnendrucks kompensiert Störungen durch Materialschwankungen bzw. veränderliche Umgebungsbedingungen, sodass der Werkzeuginnendruck aktiv eingestellt werden kann.

In der eingesetzten Regelkreisstruktur (Bild 1) wird als Eingang ein Soll-Werkzeuginnendruck vorgegeben. Der Regler berechnet ein optimales Stellsignal, das in Form einer Steuerspannung U an die Steuerung der Spritzgießmaschine übergeben wird. In bisherigen Forschungsarbeiten mit elektrisch angetriebenen Spitzgießmaschinen konnte über die Steuerspannung eine Schneckengeschwindigkeit vs eingestellt werden, die über einen maschinennahen Antriebsregler geregelt wurde [1]. An der hydraulisch angetriebenen Spritzgießmaschine repräsentiert die Steuerspannung den Sollwert für einen maschinennahen Schneckendruckregler.

Um das Regelungskonzept aus den Forschungsarbeiten überführen zu können, musste eine modellprädiktive Regelung entwickelt werden, die den Schneckendruck ps unter Berücksichtigung der Schneckengeschwindigkeit so einstellt, dass der gewünschte Werkzeuginnendruckverlauf pc geregelt werden kann. Der Regler-Block (Bild 1) realisiert somit inhärent eine Geschwindigkeitsregelung und phasenvereinende Werkzeuginnendruckregelung. Für die Regelung werden Informationen über nicht-messbare Zustände benötigt, wie die Beschleunigung der Schnecke. Diese werden von einem sogenannten Unscented Kalman-Filter (UKF) zur Laufzeit geschätzt und an die Regelung übergeben [2].

Die Bauteilentnahme erfolgt per Greifer (Hersteller: AGS Automation Greifsysteme Schwope) mit simultaner Angussabtrennung. Anschließend wird das Bauteil an eine Qualitätsprüfzelle (Hersteller: Kistler) mit zwei Messstationen übergeben (Bild 2).

In der ersten Station wird das Bauteilgewicht mit einer Präzisionswaage (Typ: XSR303SN; Hersteller: Mettler-Toledo) gewogen. Gleichzeitig überprüft eine Frontkamera die Breite des Bauteils, die vollständige Füllung sowie die Abformgenauigkeit des K-Messe-Logos auf der Innenseite. Während die Bauteilfüllung und die Abformung des K-Logos qualitativ (i. O./n. i. O.) erfasst werden, wird die Bauteilbreite in mm auf die dritte Dezimalstelle genau ausgegeben, als Basis für eine effektive Bewertung des Bauteilverzugs. Die Kantenerfassung auf einer 5 MP 8 Bit Graustufenkamera erfolgt mittels vorgeschalteter Filteroperatoren und einer anschließend ausgeführten Bewertung mittels Liniensegmenten, die positionskorrigiert an die Kante gelegt werden. Eine zweite Kamera im horizontalen Versatz von 90° misst den RGB-Farbwert des Bauteils und das Auftreten von Bauteildefekten, wie Stippen oder White und Black Spots. Die ermittelten Qualitätsdaten werden über einen OPC-UA-Server an eine dokumentbasierte Datenbank (MongoDB) übertragen.

Nach der Qualitätsprüfung wird in der zweiten Station der Prüfzelle ein beliebig anpassbarer QR-Code auf die Bauteile gelasert (Typ: UniQ; Hersteller: Datalogic). Der QR-Code dient beispielsweise dazu, Bauteile zurückzuverfolgen, Fertigungsaufträge zuzuordnen, der einfachen Identifikation bei anschließender Sichtprüfung und Lagerung oder als einfacher Datenspeicher zu den gemessenen Qualitätswerten aus der Messzelle.

Intuitive Darstellung komplexer Zusammenhänge

Die Qualitätsprüfzelle von Kistler wurde nach der Messe im Plastics Innovation Centers 4.0 des IKV in eine Fertigungszelle integriert und in die Forschung eingebunden, sodass die Kombination verschiedener Prüfmethoden zum Qualitätsmanagement bereitsteht.

Eine Benutzerschnittstelle für InjectiX soll die Informationen verständlich aufbereiten, um Maschinenbedienern einen schnellen Zugang zur Methodik zu gewährleisten. Das Spin-off-Projekt „industrif.ai“ stellt dafür eine webbasierte Plattformlösung zur Verfügung, in die die Visualisierung des Regelungskonzepts und der Prozessdatenanalyse integriert wird. Ziel von industrif.ai ist die Unterstützung produktionsnaher Aufgaben. Hierzu wird das Potenzial maschineller Lernverfahren genutzt, die prozessnah am IKV entwickelt werden. So können sich Maschinenbediener auf der Plattform zum Beispiel Maschineneinstellparameter für einen robusten Prozess automatisch vorschlagen lassen.

Das Funktionsprinzip der phasenvereinenden Prozessführung mit InjectiX wird erklärt, indem die Einstellparameter von konventioneller Prozessführung und InjectiX einander gegenübergestellt werden, mit besonderem Fokus auf den Wegfall des Umschaltvorgangs. Dass Daten wie die Prozessgrößenverläufe von Einspritzgeschwindigkeit, Schneckendruck und Werkzeuginnendruck übersichtlich dargestellt werden, ermöglicht dem Maschinenführer eine einfache Interpretation. Eine visuelle Überlagerung mit den Kurvenverläufen der letzten drei oder auch mehr Zyklen ist möglich, um zyklische Schwankungen im Prozess interpretieren zu können.

Weiterhin erfolgt eine detaillierte Darstellung der Messdaten aus der Qualitätsprüfzelle (Bild 3). Dazu gehört die Darstellung von Bauteilgewicht und Bauteilbreite als Regelkarte mit Angabe des Mittelwerts sowie der oberen und unteren Qualitätsgrenze. Die Bauteilfarbe wird durch die ermittelten RGB-Werte dargestellt. In einem Auszug aus den Produktionsdaten der K-Messe für eine Materialcharge wird das Bauteilgewicht für den konventionellen Prozess und InjectiX über mehrere Produktionszyklen miteinander verglichen (Bild 4). Der Mittelwert des Bauteilgewichts liegt für beide Prozessführungsstrategien bei 112,94 g. Die Standardabweichung liegt mit 0,08 g für den konventionellen Prozess und 0,06 g für InjectiX auf einem ähnlichen Niveau, sodass beide Verfahren eine hohe Prozessstabilität innerhalb einer Materialcharge aufweisen.

Betrachtet man jedoch die Produktionsdaten über die gesamte Messedauer mit 2501 Zyklen, weist InjectiX eine höhere Robustheit gegenüber Prozessschwankungen auf (Tabelle 2). Die Standardabweichungen für drei der Materialkombinationen sind mit InjectiX um bis zu 40 % geringer.

Höhere Robustheit gegenüber Prozessschwankungen

Eine höhere Prozessschwankung ist jedoch für die Kombination von Systalen PP-C15001 mit CirculenRecover in Blau zu sehen. Die Datenanalyse zeigt, dass über einen längeren Zeitraum die Reglerparametrierung einer anderen Materialkombination verwendet wurde. Um solche manuellen Fehleinstellungen von InjectiX zu vermeiden, wird im aktuellen Forschungsprojekt zur Prozessregelung an einer Methodik gearbeitet, die eine automatisierte Regleradaption im Falle von Materialänderungen ermöglicht.

[1] Vukovic, M.; Stemmler, S.; Hornberg, K.; Abel, D.; Hopmann, C.: Adaptive model-based predictive control for cross-phase cavity pressure control in injection molding. Journal of Manufacturing Processes 77 (2022), S. 730–742

[2] Vukovic, M.; Stemmler, S.; Abel, D.; Hornberg, K.; Hopmann, C.: A Comparison of Two Sigma Point Kalman Filters for Adaptive Cross-phase Cavity Pressure Control in Injection Molding. Proceedings of the 10th IFAC Manufacturing Modelling, Management and Control Conference, Nantes 2022

Institut für Kunststoffverarbeitung IKV in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen

https://www.ikv-aachen.de

Ausgabenartikel KU03-23

Tabelle 2. Mittelwerte und Standardabweichungen nach verwendetem Material und Art der Prozessführung für die gesamte K-Messe. 

Die Stapelbox aus PCR fand bei den Messebesuchern großen Anklang.  

Bild 2. Die Prüfzelle ermöglicht die Erfassung von Qualitätsdaten mit direkter Datenbankanbindung.

Bild 3. Darstellung der Qualitätsdaten im Prozess

Bild 4. Die Auswertung veranschaulicht die Reproduzierbarkeit der Bauteilqualität am Beispiel des Bauteilgewichts (Systalen PP-C14002, CirculenRecover grün).

Tabelle 1. Übersicht der Projektpartner und ihrer Funktion beim Messeprojekt

Bild 1. Die Prozessregelung besteht aus einer unterlagerten Geschwindigkeitsregelung und einer überlagerten Werkzeuginnendruckregelung.

Hauptartikel

Spritzgießen: Phasenvereinende Werkzeuginnendruckregelung zur Qualitätssicherung

Katharina Hornberg, M. Sc., ist seit 2019 wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen und Leiterin der Arbeitsgruppe Prozessregelung; <a href="mailto:katharina.hornberg@ikv.rwth-aachen.de">katharina.hornberg@ikv.rwth-aachen.de</a>

Marko Vukovic, M. Sc., ist seit 2019 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Regelungstechnik (IRT) der RWTH Aachen und Teil der Arbeitsgruppe Produktionssysteme.

Jonas Gerads, M. Sc., ist seit 2018 wissenschaftlicher Mitarbeiter am IKV und Leiter der Arbeitsgruppe optische Komponenten.

Yannik Lockner, M. Sc., ist seit 2019 wissenschaftlicher Mitarbeiter am IKV und Leiter der Arbeitsgruppe intelligente Produktionssysteme und maschinelles Lernen.

Dr.-Ing. Christoph Zimmermann ist seit 2022 Leiter der Abteilung Spritzgießen am IKV.

Dipl.-Ing. Mauritius Schmitz, M. Sc., ist seit 2019 wissenschaftlicher Direktor für Digitalisierung am IKV.

Dr.-Ing. Sebastian Stemmler ist seit 2013 wissenschaftlicher Mitarbeiter am IRT und Leiter der Abteilung Industrie- und Produktionssysteme.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann ist Leiter des IKV und Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung an der Fakultät für Maschinenwesen der RWTH Aachen.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Abel ist Leiter des IRT.

Die Errichtung des Plastics Innovation Center 4.0 wird gefördert durch Mittel des Landes NRW und aus dem Europäischen Fond für Regionale Entwicklung (EFRE). Weiterhin gilt der Dank der Autoren allen Konsortialpartnern für die große Unterstützung bei der Umsetzung des Messeprojekts.