Wie reproduzierbar ist die Reproduzierbarkeit?

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Wie reproduzierbar ist die Reproduzierbarkeit?

Reproduzierbarkeit_c_ENGEL
Reproduzierbarkeit_c_ENGEL

Unter Reproduzierbarkeit versteht man die Fähigkeit, Teile mit jeweils identischen Eigenschaften herzustellen. Dieser Fähigkeit kommt besonders in den unterschiedlichen Fertigungsverfahren – etwa im Spritzgießen – große Bedeutung zu. Daher wird oftmals gefordert, Produktionsanlagen oder deren Komponenten schon im Vorfeld hinsichtlich ihrer Fähigkeit, einen reproduzierbaren Prozess sicherzustellen, zu beurteilen oder zu vergleichen.
Text: Dipl.-Ing. Josef Gießauf, Christian Sponner MSc.

Hohe Reproduzierbarkeit über einen längeren Zeitraum setzt im Allgemeinen eine hohe Robustheit gegen plötzlich oder allmählich veränderliche Störgrößen voraus. Solche Störgrößen können schwankende Umgebungsbedingungen oder der Verschleiß von Maschine und Werkzeug sein. Auch Materialeigenschaften, die chargenbedingten Schwankungen unterliegen, stellen Störgrößen für den Prozess dar.
Doch wer weiß schon, welche Störgrößen sich im Laufe eines Prozesslebens bemerkbar machen werden? Wie stark werden sie auftreten und vor allem: Wie stark werden sie die Qualität der Bauteile beeinflussen?
In der Praxis werden diese Zukunftsszenarien meist außer Acht gelassen, man beschränkt sich auf eine Bestandsaufnahme der aktuellen Wiederholgenauigkeit. Doch auch diese erweist sich bei näherer Betrachtung als nicht trivial.

Wie misst der Spritzgießer die Reproduzierbarkeit?

Für eine schnelle Beurteilung der Reproduzierbarkeit werden üblicherweise die Schussgewichte einer bestimmten Anzahl aufeinanderfolgender Zyklen ermittelt. Aus diesen wird die Standardabweichung oder die Schwankungsbreite (die Differenz zwischen größtem und kleinstem Wert) berechnet (siehe Abbildung 1).

Der Verlauf der Schussgewichte sowie die Standardabweichung und die Schwankungsbreite von 50 aufeinanderfolgenden Zyklen werden üblicherweise für eine schnelle Beurteilung der Reproduzierbarkeit herangezogen.

Abbildung 1: Der Verlauf der Schussgewichte sowie die Standardabweichung und die Schwankungsbreite von 50 aufeinanderfolgenden Zyklen werden üblicherweise für eine schnelle Beurteilung der Reproduzierbarkeit herangezogen.

Schwankungsbreite und Standardabweichung werden dann oft als Prozentwert vom mittleren Schussgewicht ausgedrückt – sie lassen sich dadurch besser mit Erfahrungswerten vergleichen. So kann man sagen: Schwankungsbreiten werden als sehr zufriedenstellend beurteilt, wenn sie unter 0,1 Prozent des mittleren Teilegewichts liegen. Der Nachteil der Schwankungsbreite besteht darin, dass sie nur aus zwei Werten berechnet wird, dem größten und dem kleinsten gemessenen Wert. Was sich dazwischen abspielt, wird elegant verschwiegen. Diese kleine Unzulänglichkeit sei aber verziehen, denn der Kurzzeit-Reproduzierbarkeitstest, bei dem zum Beispiel 50 Zyklen betrachtet werden, verschweigt in Wahrheit noch viel mehr – doch dazu später mehr.
Im letzten Jahrzehnt haben Maschinen- und Prozessfähigkeitsuntersuchungen zunehmend an Verbreitung gewonnen. Dabei wird unter definierten Randbedingungen eine bestimmte Anzahl an Teilen entnommen und daran eine für die spätere Funktion wichtige Eigenschaft gemessen. Diese Eigenschaft kann beispielsweise eine kritische Abmessung sein. Aus den Messwerten wird im Falle einer normalverteilten Stichprobe die oben schon erwähnte Standardabweichung ermittelt. Aus ihr und aus der für die betrachtete Eigenschaft zulässigen Toleranz werden Maschinenfähigkeitsindizes berechnet.
Der Maschinenfähigkeitsindex cm sagt aus, wie oft das Sechsfache der Standardabweichung in die vorgegebene Toleranzbreite passt. In Abbildung 2 ist die Standardabweichung als Doppelpfeil dargestellt, die sechsfache Standardabweichung als sechs übereinandergestapelte Doppelpfeile in einem gelben Rechteck. Wie zu erkennen ist, findet das gelbe Rechteck rund 2,3-mal zwischen unterer und oberer Toleranzgrenze Platz. Üblicherweise wird ein Wert von cm > 1,67 gefordert.
Der untere Maschinenfähigkeitsindex cm,u sagt aus, wie oft das Dreifache der Standardabweichung zwischen Sollwert und untere Toleranzgrenze passt, der obere cm,o demgegenüber zwischen Sollwert und obere Toleranzgrenze. In Abbildung 2 ist die dreifache Standardabweichung als drei übereinandergestapelte Doppelpfeile in einem orangen Rechteck dargestellt. Wie zu erkennen ist, findet das orange Rechteck rund dreimal zwischen unterer Toleranzgrenze und Mittelwert Platz, jedoch nur 1,59-mal zwischen Mittelwert und oberer Toleranzgrenze.
Cm,u und cm,o beschreiben also die Lage der Messwerte innerhalb der Toleranzen. Je größer der Index, desto weiter sind die Messwerte von der entsprechenden Toleranzgrenze entfernt. Dementsprechend ist also ein kleiner Wert problematisch, daher wird der kleinere aus den beiden Werten cm,u und cm,o als kritischer Maschinenfähigkeitsindex cm,k bezeichnet. Im Beispiel (Abbildung 2) wäre also cm,o der kritische Wert. Auch dafür wird meist ein Wert > 1,67 gefordert. Während die Streuung der Messwerte mit einem cm von 2,3 die Anforderungen erfüllt, ist cm,o mit 1,59 zu gering – die Messwerte sind zu nahe am oberen Grenzwert. Nun würde man versuchen, durch Änderung der Einstellparameter die Schwindung so zu beeinflussen, dass die Länge etwas reduziert wird. Gelingt dies nicht, ist eine Geometrieänderung im Werkzeug erforderlich.

Abbildung 2: Aus dem Verlauf der Schussgewichte von 50 aufeinanderfolgenden Zyklen lassen sich die Maschinenfähigkeitsindizes cm, cm,u und cm,o berechnen. © ENGEL

Die Tücken der Reproduzierbarkeitsmessung

Hat der Spritzgießer nun einen Reproduzierbarkeitstest durchgeführt, erhält er also zumindest einen der zuvor beschriebenen Zahlenwerte. Damit kann der Prozess – oder besser gesagt die Momentaufnahme daraus – beurteilt werden. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass Ergebnisse einer Reproduzierbarkeitsmessung oft einer genaueren Überprüfung nicht standhalten. Es gibt eine Menge von Fehlerquellen von denen an dieser Stelle die häufigsten aufgezeigt werden sollen:

1. Schnell noch einen Reproduzierbarkeitstest gemacht …

Wenn am Ende eines Werkzeugbemusterungs-Tages noch ein wenig Zeit bleibt, kann man doch noch schnell 50 Schuss entnehmen und auf die Waage legen. Oft stellt sich dann zu spät – nämlich wenn die Schussgewichte vorliegen – oder im Extremfall nie heraus, dass der Prozess zum Zeitpunkt der Teileentnahme nicht eingeschwungen war.
Vor Reproduzierbarkeitstests sollte daher immer geprüft werden, ob der Prozess in einem stabilen Zustand ist. (Siehe Praxistipp: Ist der Prozess eingeschwungen?)
2. Wer misst, misst Mist …
Die nächste Falle lauert in Form der Waage. Man könnte meinen, dass der erfolgreiche Umgang mit einer Waage in Küche oder Badezimmer schon als Befähigungsnachweis zum Wägen bei Reproduzierbarkeitstests reicht. Ein großer Irrtum! Wie jede Messtätigkeit muss auch das Wägen gelernt sein. Dazu einige Hinweise:

  • Messmittelfähigkeit sicherstellen.
  • Zugluft vermeiden.
  • Nicht in der Umgebung, sondern im Labor wägen.
  • Teile dürfen nicht über Wägeteller hinausragen.
  • Unterschiedliche Lagerzeiten nach der Entnahme können durch die unterschiedliche Feuchteaufnahme das Ergebnis verfälschen.

Elektrostatische Aufladung der Teile kann das Ergebnis stark verfälschen.
Speziell der letzte Punkt ist nicht allgemein bekannt. Es empfiehlt sich, die Teile mittels ionisierter Luft zu entladen.

3. Die suboptimale Einstellung

Wenn man die Hinweise 1 und 2 beachtet, erhält man vermutlich schon ein korrektes Ergebnis – genauer gesagt, ein Ergebnis, das unter den gegebenen Randbedingungen seine Richtigkeit hat. Eine der ganz wesentlichen Randbedingungen ist der Betriebspunkt, also die Summe aller Einstellungen, die der Benutzer gewählt hat.
Um es noch ein wenig komplizierter zu machen: Die Reproduzierbarkeit ist abhängig von der Einstellung. Die Werkzeugtemperatur etwas verringert, die Einspritzgeschwindigkeit erhöht, und schon kann sich die Reproduzierbarkeit ändern. Sowohl im Kurzzeit-Versuch, als auch – und vermutlich noch viel mehr – längerfristig.
In der Praxis wird es schwer gelingen, bei der Prozessoptimierung auch gleich die Robustheit und somit die Reproduzierbarkeit mitzuoptimieren. Meist reicht es schon aus, zumindest eine Optimierung nach den üblichen Regeln des Spritzgießens durchzuführen. Zwei wesentliche Indikatoren für die Güte einer Einstellung seien hier exemplarisch erwähnt.
Erstens: Kann der Einspritzantrieb dem gewählten Einspritzgeschwindigkeitsprofil folgen? Dies wäre beispielsweise nicht der Fall, wenn die zum Schutz für das Werkzeug gewählte Spritzdruckgrenze erreicht wird.
Zweitens: Ist die Spritzdruckkurve von Schuss zu Schuss in ihrer prinzipiellen Form gleich? Dies wäre beispielsweise nicht der Fall, wenn kalte Pfropfen in der Düse Schwankungen zu Beginn des Einspritzvorgangs verursachen würden.
Moderne Maschinensteuerungen wie die CC300 von ENGEL helfen dem Praktiker, Antworten auf diese Fragen zu finden und damit wesentliche Voraussetzungen für die Prozessrobustheit sicherzustellen. (Siehe Praxistipp: Istwert-Anzeige in der Sollwert-Grafik.)

4. Reproduzierbarkeitstests mit Prozessdaten

Messen ist aufwendig, dauert und kostet Geld. Warum also nicht in erster Näherung statt Messdaten vom Bauteil zunächst einmal Prozessdaten – also Istwerte von der Maschine –zur Reproduzierbarkeitsbeurteilung verwenden? Ein gleichmäßiger Polster, eine stabile Dosierzeit sagt doch schon viel über die Qualität der Maschine aus, oder?
So bequem diese Vorgangsweise auch sein mag: Der Zusammenhang zur Qualität der Teile lässt sich damit nicht herstellen. Besonders kritisch wird es, wenn ein Maschinenfähigkeitsindex aus Prozessdaten errechnet wird. Dafür sind, wie eingangs beschrieben, Toleranzgrenzen erforderlich. Für Prozessdaten sind diese aber in keiner Bauteilzeichnung zu finden. Sie müssen frei erfunden werden, was uns direkt zu Punkt 5 führt:

5. Der lockere Umgang mit Toleranzgrenzen

„Das einfachste Mittel, um die Prozessfähigkeit eines gegebenen Prozesses zu steigern, besteht darin, die Spezifikationsgrenzen zu lockern: Je größer die Differenz zwischen OSG und USG, desto mehr Standardabweichungen lassen sich darin unterbringen.“1 Diese überraschend klare Anleitung zum Selbstbetrug liefert uns Wikipedia. Dem ist fast nichts mehr hinzuzufügen. Wenn die Toleranzgrenzen frei erfunden sind und damit die gewünschte Maschinenfähigkeit nicht erreicht wurde, ist es naheliegend, die Grenzen ganz einfach neu zu erfinden. Über die Sinnhaftigkeit dieser Vorgangsweise zu urteilen, sei dem Leser überlassen.

Wie reproduzierbar ist die Reproduzierbarkeit?

Wir sind uns nun der Tücken bewusst und gehen diesen fortan tunlichst aus dem Weg. Somit erhalten wir einen Wert für die Reproduzierbarkeit, der tatsächlich aussagekräftig ist – zumindest für den Moment. Denn wie eingangs schon erwähnt, ist es nicht abschätzbar, wie sich Störgrößen zukünftig verändern werden und wie sie in Folge die Qualität der Bauteile und die Reproduzierbarkeit des Prozesses beeinflussen werden.
Eine Lösung für dieses Problem bieten die intelligenten Assistenzsysteme zur Prozessregelung von ENGEL: iQ weight control zum Beispiel bildet einen Regelkreis der den bekannten Einspritz- und Nachdruckreglern überlagert ist. Wenn sich Störgrößen ändern, passt iQ weight control Einspritz-, Umschalt- und Nachdruckparameter in Echtzeit, also noch im selben Zyklus an, sodass das Schussgewicht weitestgehend konstant bleibt2.
Bei Prozessen, die im Kurzzeit-Versuch eine mangelhafte Reproduzierbarkeit aufweisen, kann die Software sofort eine Verbesserung herbeiführen. Ist die Reproduzierbarkeit im Kurzzeit-Versuch hingegen sehr gut, wird man im ersten Moment oft keine weitere Verbesserung durch den Einsatz der Software feststellen können. Dennoch wacht iQ weight control ständig über der Reproduzierbarkeit des Einspritzvolumens und greift zuverlässig dann ein, wenn sich etwas ändert. iQ weight control ist also die Versicherung, dass der Prozess auch in Zukunft gut läuft. Das Gute bei dieser Art der Versicherung: Sie wartet nicht auf eine Schadensmeldung um aktiv zu werden. Sie wird schon aktiv, bevor Ausschuss entsteht.

1 https://de.wikipedia.org/wiki Prozessf%C3%A4higkeitsindex
2 G. Pillwein, J. Gießauf, G. Steinbichler: „Einfaches Umschalten auf konstante Qualität“, Kunststoffe 9/2012

PRAXISTIPPS

Ist der Prozess eingeschwungen?

Zu beurteilen, ob ein Prozess eingeschwungen ist, ist in den meisten Fällen schwierig. Für eine derartige Beurteilung ist es notwendig, mehrere Parameter Schuss für Schuss über einen längeren Zeitraum zu beobachten.
Graphische Darstellung von Prozessparametern
Die aktuelle Maschinensteuerung CC300 von ENGEL bietet die Möglichkeit, Prozessparameter grafisch darzustellen. Dadurch wird es möglich, Veränderungen im Prozess beziehungsweise den Zustand des Prozesses auf einen Blick in bis zu sechs Graphen auf einer Bildschirmseite zu beurteilen. Das Suchen von Änderungen in scheinbar endlosen Zahlenspalten gehört nunmehr der Vergangenheit an.
Temperierparameter wie beispielsweise die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf im Kühlkreis des Werkzeugs, maschinenspezifische Größen wie der Schließkraftspitzenwert, oder auch prozessspezifische Parameter wie die Dosierzeit und die iQ weight control Parameter Einspritzvolumen und Viskositätsänderung zeigen, ob ein Prozess eingeschwungen ist oder nicht.

Abbildung 3 zeigt den Verlauf dieser Parameter beim Anfahren der Maschine. Man sieht, dass die prozessspezifischen Parameter Einspritzvolumen (Abb. 3-1), Viskositätsänderung (Abb. 3-2) und Dosierzeit (Abb. 3-3) bereits nach wenigen Zyklen stabil sind.

Bei den Temperaturdifferenzen (Abb. 3-5 und Abb. 3-5) ist zu beobachten, dass nicht beide Temperierkreise zum gleichen Zeitpunkt eingeschwungen sind. In diesem Fall lässt sich der Unterschied dadurch erklären, dass die beiden Temperierkreise unterschiedliche Bereiche des Werkzeugs versorgen. Ist die zu temperierende Masse größer, dauert es länger, bis sich eine stabile Temperaturdifferenz einstellt.
Bei Kniehebelmaschinen ändert sich der Schließkraftspritzenwert (Abb. 3-4), während das Werkzeug auf seine Einsatztemperatur gebracht wird, bedingt durch die thermische Ausdehnung. Daher eignet sich dieser Parameter besonders zur Beurteilung, ob das Werkzeug bereits durchwärmt ist.
Reichen sechs Graphen nicht aus oder möchte man während des Prozesses den Verlauf eines anderen, beliebigen Parameters im Prozessdatenprotokoll untersuchen, kann dies mit Hilfe der Quick-Grafik realisiert werden.

Abbildung 3: Um zu beurteilen, ob ein Prozess eingeschwungen ist, ist es notwendig mehrere Parameter Schuss für Schuss zu beobachten. Die Werte lassen sich in der CC300 Steuerung der Spritzgießmaschine grafisch darstellen. © ENGEL
 Abbildung 3: Um zu beurteilen, ob ein Prozess eingeschwungen ist, ist es notwendig mehrere Parameter Schuss für Schuss zu beobachten. Die Werte lassen sich in der CC300 Steuerung der Spritzgießmaschine grafisch darstellen. © ENGEL

Dabei tippt der Bediener nur in die Spalte des jeweiligen Parameters und dieser wird grafisch dargestellt. Abbildung 4 zeigt die Quick-Grafik für die Temperatur einer Zylinderzone. Bis die Temperatur diese Zylinderzone eingeschwungen ist, sind mindestens 25 Zyklen notwendig.

Abbildung 4: Aus dem Prozessdatenprotokoll kann jederzeit eine Quick-Grafik generiert werden. © Engel
Abbildung 4: Aus dem Prozessdatenprotokoll kann jederzeit eine Quick-Grafik generiert werden. © Engel

Istwert-Anzeige in der Sollwert-Grafik

Im Prozessdatenprotokoll und den dazugehörigen Grafiken wird ein Wert pro Zyklus aufgezeichnet. Über den Verlauf von Werten innerhalb eines Zyklus geben sie jedoch keine Auskunft. Der Benutzer hat die Möglichkeit, sich zusammen mit dem Einspritzgeschwindigkeits-Sollwert-Profil die Istwert-Kurven für Einspritzgeschwindigkeit und Spritzdruck anzeigen zu lassen (siehe Abbildung 5).

Reproduzierbarkeit Abbildung 5 © ENGEL
Abbildung5: Die Darstellung der Istwert-Kurven ermöglicht es, auf sehr einfache Art und Weise zu überprüfen, ob und wie der Einspritzantrieb der eingestellten Einspritzgeschwindigkeit folgt. Die Grafik ist von rechts nach links zu lesen. Der Bereich a kennzeichnet das Durchfahren der Kompressionsentlastung, b das geschwindigkeitsgeregelte Einspritzen und c einen Teil der druckgeregelten Phase des Spritzgießprozesses. © ENGEL

Dies ermöglicht es, auf sehr einfache Art und Weise zu überprüfen, ob und wie der Einspritzantrieb der eingestellten Einspritzgeschwindigkeit folgt. Darüber hinaus kann der Verlauf des Spritzdrucks beobachtet und auf Unregelmäßigkeiten (Druckspitzen während des Einspritzens, Unterschiede zu Beginn der Druckkurve bedingt durch kalte Pfropfen, et cetera) untersucht werden.

Die sogenannte Istwert-Anzeige in der Sollwert-Grafik, die von rechts nach links zu lesen ist, ist in drei Bereiche (siehe a, b, c in Abbildung 5) unterteilt. Bereich a, dunkelgrün hinterlegt, kennzeichnet das Durchfahren der Kompressionsentlastung. Der Bereich b, hellgrün hinterlegt, bildet den Bereich der geschwindigkeitsgeregelten Phase des Einspritzvorgangs ab. Am Übergang vom Bereich b zum Bereich c befindet sich der Umschaltpunkt. Das wiederum bedeutet, dass der Bereich c einen Teil der druckgeregelten Phase des Spritzgießprozesses darstellt.

Die hier dargestellten Kurven zeigen, dass der Einspritzantrieb dem vorgegeben Profil folgt und es zu keinen Auffälligkeiten, wie zum Beispiel Druckspitzen während des Einspritzens kommt.

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ÜBER DEN AUTOR

Christian Sponner MSc.

Reproduzierbarkeit Autor Sponner
Christian Sponner MSc. ist Projektleiter in der Abteilung Entwicklung Prozesstechnologie bei bei der ENGEL AUSTRIA GmbH, Schwertberg/Österreich.
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Dipl.-Ing. Josef Gießauf

Dipl.-Ing. Josef Gießauf
Dipl.-Ing. Josef Gießauf leitet die Abteilung Entwicklung Prozesstechnologie bei der ENGEL AUSTRIA GmbH, Schwertberg/Österreich.
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