Kunststoff ist allgegenwärtig. Er ist der Werkstoff der Wahl, wenn es um die preisgünstige Herstellung von kostengünstigen Kleinprodukten in hohen Auflagen geht. Ob Griffe, Gehäuse, Bauteile, Standfüße oder Verbindungsteile – Kunststoff überzeugt durch einen niedrigen Preis und günstige Eigenschaften.
Die Spritzgusstechnik ist seit der industriellen Fertigung von Kunststoffprodukten das Verfahren der Wahl. Die größte Herausforderung ist die Herstellung des Werkzeugs. Sein optimaler Einsatz folgt direkt an zweiter Stelle. Hier haben die neuen Smart-Technologien jetzt einen entscheidenden Beitrag zur Steigerung von Effizienz und Qualität geleistet.
Wie werden Kunststoffteile hergestellt?
Für die Herstellung von Kunststoffteilen stehen drei Verfahren zur Auswahl:
- Spritzguss
- Kunststoff-Tiefziehen
- 3D-Druck
Beim Spritzguss wird Kunststoffgranulat zu einer Paste erhitzt und in ein teilbares Werkzeug eingespritzt. Darin erstarrt die Masse zum fertigen Produkt. Anschließend teilt sich das Werkzeug und wirft das Erzeugnis aus. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Bauteile mit unterschiedlichen Stärken.
Bei Werkstücken mit annähernd gleichbleibender Wandstärke ist das Kunststoff-Tiefziehen die bevorzugte Methode. Dabei wird eine Kunststoffplatte erhitzt und damit formbar gemacht. Anschließend wird das aufgeweichte Material über einen Formkern gestülpt. Mithilfe von Druck und Vakuum nimmt der Kunststoff die Form des Kerns an und erstarrt dabei. Dieses Verfahren wird besonders gerne für Gehäuseteile oder für die Innenauskleidung von Kühlschränken verwendet.
Beim 3D-Druck wird ein Faden aus Kunststoff erhitzt und mittels einer XYZ-Führung auf einer zu einem Objekt aufgebaut.
Der Spritzguss ist aufgrund seiner Schnelligkeit und beliebigen Formgebung das bevorzugte Verfahren. Kunststoff-Tiefziehen wird nur dort eingesetzt, wo es sinnvoll ist. Der 3D-Druck ist im industriellen Maßstab gegenwärtig nur für das Prototyping im Einsatz.
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Die Crux der Prozessüberwachung
Hohe Auflagen in gleichbleibender Qualität herzustellen, erfordert präzise gefertigte Werkzeuge. Hier gelten engste Toleranzen und eine kompromisslose Fertigungsqualität.
Neben der Fertigung ist die Prozessüberwachung die größte Herausforderung in der Spritzgusstechnik. Folgende Parameter müssen für jedes Erzeugnis neu abgestimmt werden:
- Erwärmungstemperatur des Granulats
- Einspritzdruck der Paste
- Verweildauer im Werkzeug
- Abkühlungstemperatur im Werkzeug
- Zuhaltekraft des Werkzeugs
Abweichungen bei diesen Parametern wirken sich unmittelbar auf die Qualität des Produkts aus. Eine zu niedrige Temperatur macht die Paste körnig, ist sie zu hoch „verbrennt“ das Produkt. Reicht die Abkühlung nicht aus, verformt sich das Erzeugnis beim Auswerfen. Gleiches geschieht bei einem zu schnellen Auswurf. Ist der Einspritzdruck zu niedrig, senkt das die Dichte und die Festigkeit des Produkts. Ist er zu hoch, kann es das teure Werkzeug beschädigen.
Bislang keine verlustfreie Fehlerbeseitigung möglich
Die in der Kunststoffindustrie eingesetzten Parameter sind alle sehr mächtig – Einspritzdruck, Zuhaltekraft oder Werkstofftemperatur sind hoch. Gleichzeitig ist der Prozess gegen Störungen äußerst empfindlich. Es genügen vergleichsweise kleine Abweichungen, um die Qualität der Produkte zu senken. Bislang wurden diese Prozessabweichungen nur indirekt bemerkt.
Hohe Effizienz und gleichbleibende Qualität durch Werkzeuge mit Smart-Steuerung
„Smart“ ist die Bezeichnung für Produkte, die präzise von außen geregelt und gesteuert werden können. Sie steht immer im Zusammenhang mit der Industrie 4.0 – dem Anschluss weiter Fertigungsbereiche an das Internet. Mit der Smart-Steuerung des Spritzgussprozesses hat die Industrie 4.0 jetzt auch die Kunststofffertigung erreicht. Neue Sensoren, Programme und Apps ermöglichen es den Prozessbeteiligten, die Fertigung auf einem ganz neuen Niveau zu überwachen. Damit werden Abweichungen identifiziert, lange bevor sie Schaden anrichten können.
Die neuen Apps schauen dabei tief in die Prozesse hinein. Die Sensordaten werden an ein Übertragungsmodul gesendet. Damit kann der Bediener vor Ort eingreifen, wenn die App kritische Prozessstörungen auf seinem Tablet oder Smartphone anzeigt. Eine zusätzliche Archivierung in eine dezentrale Cloud macht das Verhalten von Maschine und Mensch dezentral sichtbar. Statt erst Hunderte von fehlerhaften Teilen zu produzieren und diese in Stichproben festzustellen, behält die Maschine eine Fertigung in gleichbleibender Qualität innerhalb der vorgegebenen Parameter.
