Der erste Schuss eines neuen Werkzeugs entscheidet über das Schicksal der gesamten weiteren Produktion. In den meisten Betrieben wird diese Phase nach dem Prinzip Versuch und Irrtum durchlaufen: Ein Parameter wird geändert, das Teil angesehen, ein anderer Parameter geändert. Am Ende findet sich eine Einstellung, die funktioniert, aber warum sie funktioniert, weiß niemand. Monate später, wenn die Materialcharge wechselt oder sich die Schicht aufwärmt, hält dieselbe Einstellung nicht mehr, und niemand erinnert sich, auf welcher Grundlage die einzelnen Werte gewählt wurden.
Die systematische Werkzeugabmusterung ist die Alternative dazu: ein Verfahren, dessen Schritte und Reihenfolge vorab festgelegt sind und bei dem schriftlich festgehalten wird, was in jedem Schritt nachgewiesen wurde. Der folgende Ablauf wird nicht nur bei neuen Werkzeugen angewendet; er dient auch als Rahmen, der sich stückweise anwenden lässt, wenn der Prozess an einem bestehenden Werkzeug aus dem Ruder gelaufen ist.
Was auf dem Tisch liegen muss, bevor Sie an die Maschine gehen
Die größte Zeitverschwendung bei einer Abmusterung ist die Suche nach fehlenden Informationen an der Maschine. Vor dem Start muss Folgendes bereitliegen:
| Dokument / Information | Wozu sie dient |
|---|---|
| Ziel der Abmusterung | Was genau in dieser Abmusterung nachgewiesen werden soll (Maße, Oberfläche, Zyklus, Kavitätenbalance) |
| Einbaumaße des Werkzeugs | Ob es auf die Maschine passt, Zentrierung und Auswerferanschluss |
| Funktionsablaufplan der Entformung | Welche Bewegung in welcher Reihenfolge, mit welcher Sicherung |
| Ablaufplan für Kernzüge und Nadelverschlussdüsen | Signalfolge und Verriegelungen |
| Zonenbelegung des Heißkanals | Welche Zone zu welcher Düse gehört, Fühlertypen |
| Temperierplan | Welcher Kreis welchen Bereich des Werkzeugs versorgt |
| Verarbeitungsdaten des Materials | Temperaturbereich, Trocknung, Grenze der Umfangsgeschwindigkeit |
| Technische Zeichnung des Teils | Maßtoleranzen und kritische Flächen |
| Durchflussprüfung | Nachweis, dass jeder Kühlkreis tatsächlich durchströmt wird |
Temperierplan und Durchflussprüfung werden am häufigsten übersprungen. Ein einziger nicht angeschlossener oder verstopfter Kreis macht alle folgenden Messungen bedeutungslos; Einzelheiten stehen in unserem Beitrag Was ist Werkzeugtemperierung?.
Reihenfolge der Einrichtung
Das Verfahren läuft in fünf Blöcken ab, und die Reihenfolge ist kein Zufall – jeder Block schafft die Voraussetzung für den nächsten.
1) Maschine einrichten. Hydraulik-, Elektro- und Pneumatikanschlüsse werden hergestellt. Das Temperiermedium wird angeschlossen, eingestellt und sein Durchfluss gemessen. Die Heißkanaltemperaturen werden eingegeben. Die Schließeinheit wird eingestellt.
2) Werkzeug. Das Werkzeug wird geprüft, die Plastifiziertemperaturen werden eingestellt, das Werkzeug wird eingebaut und eine Funktionsprüfung durchgeführt. Danach werden Schließkraft, Werkzeugsicherungskraft und Werkzeugbewegungen eingestellt.
3) Plastifizierbedingungen. Die Aggregatbewegungen werden eingestellt, danach eine realistische Kühlzeit. Dann werden Schneckendrehzahl, Staudruck, Dekompression, Rückzugsgeschwindigkeit der Schnecke und Dosierweg eingegeben. Der Block schließt mit der Wahl des Umschaltpunkts und des Dosierwegs.
4) Einspritzbedingungen. Einspritzgeschwindigkeit und Druckbegrenzung werden eingestellt. Es werden Teilfüllungen gefahren, bis das Teil zu etwa 98 % gefüllt ist. Ein geeigneter Nachdruck dient als Ausgangspunkt, die Zeit wird eingegeben, das Profil optimiert und das Massepolster geprüft.
5) Abschluss. Ist die geforderte Qualität erreicht, werden die Überwachungszeiten eingegeben, die Pausenzeiten optimiert, die Restkühlzeit eingestellt und die Teilequalität ein letztes Mal geprüft.
Teilfüllung: das Rückgrat der Abmusterung
Die Teilfüllung ist der einzige Weg zu sehen, wie sich das Werkzeug füllt. Damit sie korrekt gelingt, müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein:
- Während der Nachdruckphase darf keine Schmelze in die Kavität gelangen. Dazu wird der Nachdruck sehr niedrig gewählt; sonst wird der Umschaltpunkt überfahren, und die Teilfüllung ist keine Teilfüllung mehr.
- Der eingestellte Umschaltpunkt muss auch mit dem Auge überprüft werden – der Wert auf dem Bildschirm und der tatsächliche Füllgrad des Teils sind nicht dasselbe.
- Es wird eine ausreichend lange Plastifizierverzögerung eingestellt, damit während des Dosierens keine Schmelze in die Kavität entweicht.
- Gesteigert wird in kleinen Schritten; große Sprünge verbergen, wo sich die Fließfront verlangsamt.
- Jede Teilfüllung wird mit dem zugehörigen Umschaltpunkt oder Dosierweg beschriftet. So lässt sich die Lage der Front zurückverfolgen.
- Für eine einwandfreie Funktion der Auswerferpositionen muss eine ausreichende Vorfüllung sichergestellt sein.
Eine Teilfüllungsreihe zeigt gleichzeitig, wo eine unvollständige Füllung beginnt, wo Luft eingeschlossen wird und wo Bindenähte liegen. Die Befunde werden mit den Lösungen auf den Seiten Unvollständig gefülltes Formteil und Bindenaht abgeglichen.
Fließfrontgeschwindigkeit und Einspritzprofil
Damit die Oberflächenqualität gleichmäßig ist, muss die Fließfrontgeschwindigkeit konstant bleiben. Bewegt sich die Schnecke aber mit konstanter Geschwindigkeit vor, ist der Volumenstrom konstant, nicht die Breite der Front: In Anschnittnähe und am Ende des Fließwegs ist die Front schmaler, dort steigt die Geschwindigkeit also an.
Deshalb wird das Einspritzprofil typischerweise als langsam–schnell–langsam aufgebaut. Sind die Frontbreiten in den verschiedenen Bereichen des Teils ermittelt, wird die Vorlaufgeschwindigkeit der Schnecke so angepasst, dass die Frontgeschwindigkeit annähernd konstant bleibt.
Das erneute Verlangsamen des Profils gegen Ende der Füllung ist zugleich eine Absicherung: Wird die Front schmaler, beschleunigt ein konstanter Volumenstrom die Front, was zu einem Druckanstieg und zu Grat führt.
Umschaltpunkt: die 98-%-Regel und wann erneut zu prüfen ist
Die Umschaltung vom Einspritzen auf Nachdruck sollte erfolgen, wenn etwa 98 % des Teilvolumens gefüllt sind. Zu frühes Umschalten bedeutet unvollständige Füllung, zu spätes Umschalten Überspritzen; Letzteres birgt neben Grat auch das Risiko einer Werkzeugbeschädigung.
Der entscheidende Punkt: Der Umschaltpunkt ist kein Wert, den man einmal einstellt und dann vergisst. Er muss immer dann erneut geprüft werden, wenn sich ein Parameter ändert, der das dosierte Schmelzevolumen beeinflusst:
- Staudruck – verändert die Kompressibilität der Schmelze
- Dekompression – verändert das Kunststoffvolumen vor der Schnecke
- Die erste Einspritzstufe – verändert das Schließverhalten der Rückstromsperre
Ändert sich einer dieser drei Parameter, während der Umschaltpunkt auf seinem alten Wert bleibt, driftet das Teilegewicht unbemerkt ab, und die Ursache bleibt wochenlang unentdeckt.
Die effektive Nachdruckzeit durch Wiegen ermitteln
Statt die Nachdruckzeit nach Gefühl einzustellen, kann man sie messen, und die Methode ist einfach: Die Nachdruckzeit wird schrittweise erhöht und das Teil bei jedem Schritt gewogen. Sobald das Gewicht nicht mehr nennenswert zunimmt, ist die effektive Nachdruckzeit erreicht. Darüber hinaus weiter Nachdruck zu halten, verlängert nur den Zyklus.
Dabei gelten zwei Bedingungen: Der Nachdruck muss während des gesamten Versuchs konstant gehalten werden, und die Wägungen müssen unter gleichen Bedingungen erfolgen. Die Methode verhindert zudem, dass beim Einfrieren des Anschnitts Schmelze aus dem Teil zurückströmt – tritt Rückströmung auf, weichen Gewicht und Maße undefiniert ab.
Bei weichen TPE-Compounds ist diese Methode nicht zuverlässig: Weil das Material stark kompressibel ist, liefert die Gewichtskurve kein deutliches Plateau.
Kühlzeit und der Preis der Werkzeugtemperatur
Aus wirtschaftlichen Gründen wird die Kühlzeit so kurz wie möglich gehalten; als Ausgangspunkt dienen Berechnungsprogramme oder Erfahrungswerte. Drei Größen sind entscheidend: Wanddicke, Werkzeugwandtemperatur und Entformungstemperatur.
Dabei gilt eine Faustregel, die man im Kopf behalten sollte: Der Preis dafür, die Werkzeugwand um 10 °C wärmer zu fahren, ist eine Verlängerung der Kühlzeit um etwa ein Fünftel. Eine höhere Werkzeugtemperatur bringt Vorteile für Oberfläche und Bindenähte, ihr Preis wird aber unmittelbar in Zykluszeit bezahlt. Eine ausführliche Berechnung finden Sie im Beitrag Zykluszeit verkürzen und in unseren Rechnern.
Die Werkzeugwandtemperatur beeinflusst außerdem die Schwindung und damit die Maße. Deshalb dürfen Maßkorrekturen am Werkzeug nur mit Teilen vorgenommen werden, die im betreffenden Zyklus gefertigt wurden – ein Werkzeug anhand einer in einem anderen Zyklus genommenen Messung nachzuarbeiten, ist ein teurer Fehler.
Das Prozessfenster
Die Qualität eines Teils lässt sich nur innerhalb eines bestimmten Einstellbereichs gewährleisten. Dieser Bereich heißt Prozessfenster. Entscheidend ist, dass die Einstellungen in der Mitte des Fensters liegen, nicht an seinem Rand.
Der Grund ist einfach: Material, Maschine und Peripheriegeräte haben ihre eigenen Toleranzen. Liegt die Einstellung in der Mitte des Fensters, ändern diese Toleranzen das Ergebnis nicht; liegt sie am Rand, genügt ein Chargenwechsel oder eine um wenige Grad veränderte Umgebungstemperatur, und das Teil wird zu Ausschuss. Das Fenster definiert zugleich die zulässige Änderungstoleranz der Maschineneinstellungen.
Tritt in der Produktion ein Qualitätsproblem auf, ist die erste Aufgabe, zu prüfen, ob alle Komponenten einwandfrei arbeiten: Die Verarbeitungstemperaturen müssen gemessen, die Trocknung muss kontrolliert und die Sollwerte müssen mit den Istwerten verglichen werden. Erst danach lassen sich die Maschineneinstellungen systematisch optimieren.
Zwei Regeln beim Ändern von Parametern
Immer nur ein Parameter. Werden mehrere Größen gleichzeitig geändert, lässt sich nicht erkennen, welche gewirkt hat; zudem können sich Parameter gegenseitig überdecken.
Kein Teil wird vor Erreichen des thermischen Gleichgewichts bewertet. Besonders wenn Schmelze- oder Werkzeugwandtemperatur geändert wurden, sind die Teile erst aussagekräftig, wenn das System das thermische Gleichgewicht erreicht hat. Die ersten Teile unmittelbar nach einer Änderung führen in die Irre.
Wenn sich Parameter überlagern: ein Versuchsplan
Manchmal lässt sich das Zusammenwirken mehrerer Parameter durch einzelnes Ausprobieren nicht auflösen. Dann werden die qualitätsbestimmenden Parameter in einem Versuchsplan systematisch kombiniert. Die Zahl der Versuche beträgt 2ⁿ; bei drei Parametern sind es 8 Versuche:
| Nr. | Einspritzzeit (te) | Nachdruck (pn) | Werkzeugwandtemperatur (Tw) |
|---|---|---|---|
| 1 | + | + | + |
| 2 | + | + | − |
| 3 | + | − | − |
| 4 | − | − | − |
| 5 | − | − | + |
| 6 | − | + | + |
| 7 | − | + | − |
| 8 | + | − | + |
Die Zeichen `+` und `−` stehen für den hohen bzw. niedrigen Wert des Parameters: te+ lange Einspritzzeit (langsames Einspritzen), te− kurze (schnelles); pn+ hoher Nachdruck, pn− niedriger; Tw+ hohe Werkzeugwandtemperatur, Tw− niedrige.
Ein Praxistipp: Die Versuche werden nicht in der Reihenfolge der Tabelle gefahren, sondern nach Temperatur gruppiert. Für den obigen Plan lautet die effiziente Reihenfolge 2, 3, 4, 7, 1, 5, 6, 8 – zuerst alle Versuche mit niedriger Werkzeugtemperatur, dann die mit hoher. Da die Werkzeugtemperatur der Parameter ist, der am längsten braucht, um ins Gleichgewicht zu kommen, verkürzt diese Reihenfolge die gesamte Versuchsdauer deutlich.
Inbetriebnahme ist Dokumentationsarbeit
Der eigentliche Gewinn des Verfahrens liegt nicht darin, dass am Ende eine funktionierende Einstellung gefunden wird, sondern darin, dass schriftlich festgehalten bleibt, auf welcher Grundlage jeder Wert gewählt wurde. Fotos der Teilfüllungen, die Wägekurve, das Volumen, bei dem der Umschaltpunkt gefunden wurde, die Grenzen des Prozessfensters – das sind Informationen, die über die gesamte Lebensdauer des Werkzeugs genutzt werden.
Ist eine Werkzeuginnendruckmessung möglich, ist die Druckkurve der wertvollste Teil der Inbetriebnahmedokumentation: Sie ist die Referenz, mit der in den folgenden Monaten verglichen wird, wenn der Prozess driftet. Die Methode steht in unserem Beitrag zur Werkzeuginnendruckmessung, die Ausrüstung auf der Seite Werkzeuginnendruck-Messung.
Nach abgeschlossener Inbetriebnahme muss das Werkzeug in den Wartungsplan aufgenommen werden; die periodischen Prüfpunkte stehen im Beitrag Werkzeugwartung und periodischer Prüfplan. Für Oberflächen- und Maßfehler, die bei der Inbetriebnahme auftreten, können Sie unseren Ratgeber Spritzgießfehler und Lösungen nutzen, für den Temperierbedarf Ihres Werkzeugs unsere Seite Temperiergeräte.
Wenn Sie Unterstützung bei der Inbetriebnahme eines neuen Werkzeugs benötigen, wenden Sie sich an unser Team für technischen Support.