Der „thermische Fingerabdruck“ – Spritzgießen im Fokus von Industrie 4.0

Konstante Qualität im Spritzguss durch thermische Überwachung und Prozessstabilität

Spritzgießen ist ein weit verbreitetes Fertigungsverfahren zur Herstellung komplexer Kunststoffteile in großen Stückzahlen. Dabei wird Kunststoffmaterial so weit erhitzt, bis es schmilzt, und anschließend unter hohem Druck in eine präzise ausgelegte Form eingespritzt. Im Werkzeug kühlt der Kunststoff ab und verfestigt sich, wodurch der Hohlraum ausgefüllt wird. Nach dem Abkühlen öffnet sich das Werkzeug, und das fertige Teil wird ausgeworfen.

Unkontrollierte und instabile Spritzgussprozesse sind die häufigsten Kostentreiber in der Produktion. Ein erheblicher Anteil aller bauteilbezogenen Fehler – wie unzureichende Maßhaltigkeit, Verzug, mangelhafte Oberflächenqualität, Gratbildung, Einfallstellen, stark schwankende Bauteilqualität oder zu lange Zykluszeiten – wird nach wie vor auf die Qualität und Einstellung der Werkzeugtemperierung während des Prozesses zurückgeführt.

Es ist allgemein bekannt, dass die Temperatur der entscheidende Parameter bei der Herstellung von Kunststoffteilen ist. Eine gleichbleibende Bauteilqualität beim Spritzgießen kann nur erreicht werden, wenn während des gesamten Prozesses ein thermisches Gleichgewicht herrscht. Etwa 60–70 % aller formteilbedingten Fehler lassen sich auf die Temperierung des Spritzgießwerkzeugs zurückführen.

Maßabweichungen und geringe mechanische Festigkeit entstehen durch übermäßige Temperaturdifferenzen in der Werkzeugwand, die häufig durch eine asymmetrische Anordnung der Kühlkanäle, unzureichende Wärmeabfuhr oder Überbrückungen in den Kühlkanälen verursacht werden.

Verzug des Formteils ist ebenfalls ein thermisches Problem. Er entsteht in der Regel durch ungleichmäßige Temperaturverteilung im Werkzeug, bedingt durch dieselben Faktoren wie Maßfehler – ungleichmäßige Kühlung, unzureichende Wärmeableitung oder fehlerhafte Kühlkanalgestaltung.

Oberflächenfehler wie glänzende oder matte Stellen, Schlieren oder Strukturabweichungen entstehen durch thermische Inhomogenitäten im Werkzeug, insbesondere in Bereichen von Einsätzen, Auswerferstiften, Dornen, Haltern, Rippen und Öffnungen. Unzureichend isolierte Heißkanalsysteme, untemperierte Formeinsätze und mangelhafte Wärmeabfuhr sind häufige Ursachen.

Zu lange Kühl- und Zykluszeiten entstehen durch schlecht konfigurierte Werkzeugtemperiersysteme, hohe Druckverluste im Temperierkreislauf oder Hotspots im Formteil aufgrund blockierter Kühlkanäle oder schlecht gewarteter Kühlanlagen. Diese Probleme werden häufig durch die Verwendung von unbehandeltem oder unzureichend aufbereitetem Wasser im Kühlsystem verstärkt.

Die Hauptmotivation für eine thermische Überwachung besteht daher darin, thermische Mängel und Prozessveränderungen sofort zu erkennen, sobald sie auftreten. Eine der schnellsten, effektivsten und präzisesten Methoden dafür ist die Infrarot-Thermografie.

Verbesserte Werkzeugtemperierung und vorausschauende Wartung durch Wärmebildtechnik

Diese Methode erkennt zuverlässig Störungen wie Hotspot-Bildung, Schwankungen von Durchflussrate und Temperatur bei der Werkzeugkühlung und -temperierung, Änderungen der Schmelztemperatur oder Viskosität sowie Variationen der Trocknungsbedingungen bei teilkristallinen Materialien. Ebenso können Störungen in der Heißkanalsteuerung, wechselnde Konvektionseinflüsse in der Produktionsumgebung – etwa Zugluft durch offene Hallentore – und die Zeit bis zur thermischen Prozessstabilität erfasst werden.

Zu den wesentlichen Vorteilen zählen die rechtzeitige Anpassung der Werkzeugtemperaturen, die Verbesserung der Produktqualität, die Verkürzung der Zykluszeiten und die Reduktion von Ausschuss, wodurch die Ausschusskosten sinken. Das System erzeugt zudem Alarme bei der Erkennung von Hotspots, was eine vorausschauende Wartung ermöglicht und hohe Instandhaltungskosten reduziert.

Neben seiner Effektivität und Nicht-Invasivität ist die Optris-Lösung äußerst effizient und kostengünstig. Infrarotkameras von Optris sind besonders praxistauglich, da sie sehr schnell sind. Mit bis zu 125 Hz Bildfrequenz bei der PI640i muss die Zykluszeit für Überwachungszwecke nicht reduziert werden. Die kostenfreie PIX Connect-Software bietet den Event-Grabber-Modus, mit dem getriggerte Einzelaufnahmen erstellt und Wärmebilder in einer Snapshot-Historie verglichen werden können. Darüber hinaus sind die Infrarotkameras robust, industrietauglich und verfügen über verschiedene Schnittstellen.