Ein indiviueller QR-Code an gefertigten Bauteilen führte Smartphone-Besitzer bereits während der K 2016 zum jeweiligen Report ihres Artikels. Foto: Krauss Maffei

Das Mikroskop für Spritzgießprozesse

Industrie 4.0

Der Data Xplorer von Krauss Maffei erfasst kontinuierlich bis zu 500 Signale an der Maschine.

Was du nicht messen kannst, kannst du nicht lenken.“ Die Erkenntnis des amerikanischen Ökonomen Peter Drucker gilt gleichermaßen für technische wie wirtschaftliche Prozesse. Nur wer den exakten Istzustand kennt, kann an einer Optimierung arbeiten. Das Datenerfassungs- und Analysesystem Data Xplorer von Krauss Maffei erlaubt nun einen bisher nicht möglichen Blick in die Tiefe von Prozessen und Hardware beim Spritzgießen. Bis zu 500 Signale können als kontinuierliche Kurvenverläufe mit einer Auflösung von 5 ms aufgezeichnet werden. Sogar ein einzelner Wert wie der Massedruck verrät dann schon viel.

100  Massendruckkurven in der Kurvenschar können fertigungsbedingte Abweichungen verdeutlichen und Problemgrößen für niO-Teile entlarven.

Die Daten sind mindestens sieben Tage auf der MC6-Steuerung abrufbar und können auf einen USB-Stick übertragen werden. Foto: Krauss Maffei
Die Daten sind mindestens sieben Tage auf der MC6-Steuerung abrufbar und können auf einen USB-Stick übertragen werden. Foto: Krauss Maffei

Der Data Xplorer ist das Produkt einer Kooperation: Krauss Maffei und Iba, Spezialist für Mess- und Automatisierungstechnik, machen modernste Datenerfassungs- und Analyseverfahren erstmals für die Kunststoffverarbeitung nutzbar. Wie bei einem Flugschreiber können nun alle wesentlichen Anlagen- und Prozessdaten aus unterschiedlichen Signalquellen innerhalb der Spritzgießmaschine aufgezeichnet werden. Anders als bei Euromap 63 und dem Istwertprotokoll einer Maschine geschieht dies kontinuierlich, also im Kurvenverlauf, statt als diskreter Wert in einem bestimmten Moment.

Aus diesen Verläufen lassen sich maßgeschneiderte Kennzahlen gewinnen, mit deren Hilfe tief greifende Prozessanalysen und auch die fortlaufende Überwachung der erzeugten Kennzahlen möglich sind. Der Data Xplorer erhält die Daten der MC6-Maschinensteuerung; es sind Standardparameter wie Einspritzdruck und Schneckenposition verfügbar, aber auch vielfältige Signale von Zusatzeinrichtungen wie etwa der Werkzeuginnendruck. Insgesamt lassen sich bis zu 500 Signale mit einer extrem hohen Auflösung von 5 ms erfassen. Pro Zyklus wird jeweils eine Datei gebildet und ist mindestens sieben Tage lang an der Maschine abrufbar. Darüber hinaus funktioniert die Datenübertragung per USB-Stick oder Ethernet-Schnittstelle. Für Austausch oder Weiterverarbeitung kann die Umwandlung in ein offenes Datenformat erfolgen.

Teilequalität und Rückverfolgbarkeit lückenlos gesichert

Für den Einsatz des Data Xplorer gibt es beim Anwender im Wesentlichen drei ausschlaggebende Motivlagen: Zum einen gilt es, Fragestellungen bezüglich der Bauteilqualität zu beantworten. Des Weiteren muss die Dokumentation von Fertigungsprozessen – vor allem bei sicherheitsrelevanten Bauteilen – aus Gründen der Rückverfolgung lückenlos sein. Oder aber es wird eine durchgängige Überwachung der Maschinen und Anlagen gewünscht, um sie zum Beispiel zustandsbasiert und damit effizient warten zu können oder detaillierte Daten zur Diagnose zur Verfügung zu haben.

Bei Labor- und Versuchsanlagen, die besonders für die Generierung neuer Prozesserkenntnisse eingesetzt werden, ist der Einsatz eines umfassenden Analysetools besonders attraktiv. Auch bei technisch komplexen Anwendungen, etwa geschäumten Teilen oder Artikeln mit In-mould-Labeling-Dekoration, bei denen Ausschuss aufgrund hoher Teilepreise besonders unerwünscht ist, haben Kunststoffverarbeiter ein hohes Interesse daran, Prozesse zu hinterfragen und sie mittels einer Analyse zu optimieren. Doch auch Firmen mit Projekten geringerer Komplexität, deren Anlagen an mehreren Fertigungsstandorten positioniert sind, können von den Vorteilen des Data Xplorer profitieren, Erkenntnisse in der technischen Zentrale gewinnen und sich diese standortübergreifend zunutze machen.

Für die unterschiedlichen Bedürfnisse der Kunden bietet Krauss Maffei in Zusammenarbeit mit Iba deshalb zusätzlich zum Data Xplorer zwei modulare Pakete an. Der Data Xplorer an sich, ein Kleincomputer, der im Schaltschrank der Maschine integriert wird, umfasst die kostenfrei lizenzierten Grundfunktionen des Iba Analyzer. Damit sind detaillierte Visualisierungen und Datenvergleiche möglich, Kennwerte und Reports kann der Anwender manuell erzeugen. Paket 1, das Analyse- und Entwicklungspaket, umfasst zusätzliche Lizenzen für die Datenbankextraktion und Stapelverarbeitung. Kennzahlen und Reports lassen sich so für mehrere Zyklen automatisch erstellen und speichern.

Lückenlose Dokumentation von Masse- und Pumpendruck

Paket 2, das Produktionsüberwachungspaket, weitet diese Funktionalität auf verschiedene Maschinen und Standorte aus und enthält eine Weboberfläche zur Visualisierung. Produktionsleiter können sich so einen Überblick über alle Prozesse und Anlagen verschaffen. Dabei stellt die extreme Datentiefe den größten Unterschied zu einem Produktionsleitsystem (MES-System) dar, welches eher an der Oberfläche bleibt. MES-Systeme können aber die Daten von Paket 2 nutzen, um Prozesse selbst noch besser bewerten zu können. Während die Data Xplorer-Hardware in jede Maschine integriert werden muss, genügt bei Paket 1 oder 2 eine nutzer-/computerbezogene Lizenzierung.

5 Millisekunden Auflösung – bis zu 500 Signale lassen sich in dieser knappen Zeitspanne erfassen. Pro Zyklus wird eine Datei erstellt.

Wie vielfältig sich die so aufgezeichneten Daten nutzen lassen, demonstriert das Beispiel des Massedrucks, der für die spätere Teilequalität eine wichtige Rolle spielt. Die Bildung einer Massedruck-Kurvenschar, sprich das gleichzeitige Einblenden der Massedruckkurven von beispielsweise 100 Zyklen, visualisiert die minimalen fertigungsbedingten Abweichungen. Wer die einzelnen Kurven dann iO- oder niO-Teilen zuordnet, kann sich Kennzahlen für den Massedruck an bestimmten Punkten erstellen, diese berechnen (extrahieren) und überwachen lassen. Umgekehrt können auch Qualitätsdaten, die in den Formaten .csv, .txt oder .tsv vorliegen, mit dem Iba Analyzer importiert und gemeinsam mit den Messdaten visualisiert werden.

Weitere Aufschlüsse über den Prozess bietet die Höhe des Massedrucks zu definierten Zeitpunkten im Zyklus. Der Massedruck baut sich auf, wenn die Rückstromsperre geschlossen ist, und steigt während des Einspritzens an, bis er seinen höchsten Wert am Umschaltpunkt von der Einspritzphase zum Nachdruck erreicht. Lässt man sich die Kurven für den Massedruck und die Schneckenposition gleichzeitig anzeigen, wird der Zusammenhang sofort ersichtlich. Die Höhe des Massedrucks am Umschaltpunkt erlaubt wiederum oftmals Rückschlüsse auf das daraus resultierende Bauteilgewicht. Wird über Kaskadenverschlüsse eingespritzt, fällt der Massedruck stufenweise innerhalb der Einspritzphase ab. Ist dies nicht ordnungsgemäß der Fall, liegt die Vermutung nahe, dass die Kaskade nicht richtig funktioniert, etwa weil ein Verschluss nicht öffnet. Durch die Visualisierung der Massedruckwerte nach dem jeweiligen Öffnen kann die korrekte Funktionalität überwacht werden.

Je nach Ausstattung der Maschine zeichnet der Data Xplorer bis zu 500 hochaufgelöste Signalverläufe auf, visualisiert sie und stellt sie zurAuswertung bereit. Foto: Iba
Je nach Ausstattung der Maschine zeichnet der Data Xplorer bis zu 500 hochaufgelöste Signalverläufe auf, visualisiert sie und stellt sie zurAuswertung bereit. Foto: Iba

Schon allein anhand des Massedrucks lassen sich also viele Erkenntnisse gewinnen. Und dies ist nur ein Wert von vielen, die man analysieren und zu anderen in Relation setzen kann. Der Pumpendruck während der Plastifizierung etwa erlaubt Rückschlüsse auf die Viskosität des Materials. Wie viel Drehmoment wird benötigt? Auch diese Frage wird beantwortet. Daneben lassen sich auch Rückschlüsse auf den Werkzeugzustand ermitteln. Welcher Druck und damit welche Reibung werden durch den Auswerferstift benötigt? Lässt sich damit die Werkzeugwartung vorausbestimmen? Die volle Datentransparenz ermöglicht es dem Anwender, individuelle Verschleißkennzahlen für sein Werkzeug und seine Prozesse zu definieren. Im Zusammenhang mit dem Anwender-Know-how lassen sich aus den Mengen an Rohdaten wertvolle Informationen (Smart Data) für die weitere Produktion ableiten. Damit Neuanwender mit dem Data Xplorer bestmöglich in die Tiefe von Prozessen, Werkzeugen und Anlagen spähen können, bieten Krauss Maffei und Iba Schulungen zur richtigen Anwendung an.

Automatisierte Auswertung und Reports

Hier ist auch das Erstellen von eigenen Templates und Reports ein Thema. Während man beispielsweise bei Abmusterungen bislang viele einzelne Werte – wie die Temperatur verschiedener Zylinderzonen – händisch erfassen muss, kann der Data Xplorer dies automatisiert übernehmen, wenn er eine entsprechende Vorlage hat. Oder es können Produktionsleiter, die am Morgen ihren Dienst antreten, eine selbstständig vollzogene Auswertung über die vorangegangene Nachtschicht an ihrem Platz vorfinden. Diese Reports werden als PDF abgelegt, so dass die Weitergabe an Kollegen möglich ist.

Ein weiterführendes Szenario könnte dann lauten: Wo liegt die Ursache für den erhöhten Ausschuss während der Nachtschicht? Ein Vergleich der Druckkurven zeigt Unterschiede in der Höhe (keinen Versatz). Die Betrachtung weiterer Kurven ergibt ebenfalls Abweichungen bei der Werkzeugwandtemperatur, aber nicht in den anderen Kurven und Temperaturen. Die Spur führt schließlich zum Kühlwasser, das nachts eine andere Temperatur hat.

„Eine lückenlose Dokumentation kann noch nach Jahren jedem einzelnen Bauteil alle Produktionsvorgänge zuordnen“, Dr. Stefan Kruppa, Leiter Maschinentechnologie, Spritzgießtechnik Krauss Maffei

Wie gründlich sich die Produktion auf diese Weise erfassen lässt, zeigte Krauss Maffei auf der letztjährigen K-Messe anhand der Fiberform-Technologie, bei der Organobleche, in eine Kunststoffmatrix eingebettete Fasergelege, aufgeheizt und umspritzt werden. Ein individueller QR-Code auf den vor Ort gefertigten Bauteilen führte Smartphone-Besitzer zum jeweiligen Report „ihres“ Artikels. Hier konnte man neben Massedruck und Schneckenposition beispielsweise auch die Aufheizzeit des Organoblechs und seine Transferzeit von der Heizstation in das Spritzgießwerkzeug erfahren.

Dokumentation und Vorhersagen

Der Data Xplorer zeigt die gesamte Produktion mit Prozessen und Maschinen so detailliert wie ein Mikroskop. Während bei Letzterem die verschiedenen Schnitte durchs Präparat sich ergänzende Perspektiven liefern, ist dies beim Data Xplorer durch Datenvielfalt und die umfassenden Kombinationsmöglichkeiten der Fall. Es gibt kaum Fragestellungen, die damit nicht untersucht werden können – wertvoll bei Fehlerbildern mit unklarer Ursache.

Die lückenlose Dokumentation ist auch für sicherheitsrelevante Bauteile sehr interessant, denn alle Produktionsvorgänge können bei entsprechender Kennzeichnung der Formteile noch Jahre später jedem einzelnen Bauteil zugeordnet werden. Die Werkzeugwartung lässt sich intensiver als bisher bedarfsorientiert gestalten, da der tatsächliche Zustand zu jedem Zeitpunkt abrufbar ist und damit ein Condition Monitoring ermöglicht. Allmählicher Verschleiß zeigt sich so frühzeitig, lässt sich vorhersagen und beheben, bevor es zu Produktionsausfällen kommt. So werden die Daten zur zuverlässigen Quelle für Predictive-Maintenance-Applikationen.

Dr. Stefan Kruppa, Krauss Maffei

Aufmacherbild: Krauss Maffei