Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer Online-Erkennung von Chargenschwankungen im Elastomerspritzgießprozess

Aufgrund ihrer Vielzahl an Bestandteilen und dem mehrstufigen Mischprozess unterliegen Kautschukmischungen oftmals großen Chargenschwankungen. Diese Chargenschwankungen wirken sich negativ auf die Eigenschaften spritzgegossener Bauteile aus und können zu Ausschuss führen. In der Praxis werden Chargenschwankungen oftmals erst während der Qualitätskontrolle der Bauteileigenschaften bemerkt. Die damit einhergehenden, negativen Auswirkungen auf die Bauteilqualität und -eigenschaften können dann nicht mehr ausgeglichen werden und führen zu Ausschuss der Ware.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Messmethode zur Online-Detektion von Chargenschwankungen. Hierzu werden zwei Ansätze verfolgt, bewertet und verglichen: Ein Ansatz nutzt Druck- und Temperatursensoren im Spritzgießwerkzeug. Ein anderer Ansatz basiert auf der Bestimmung der Verarbeitungsviskosität mittels eines Online-Rheometers, welches zwischen der Einspritzeinheit und dem Werkzeug positioniert wird. Zusätzlich werden durch die Platzierung eines dielektrischen Sensors im Online-Rheometer, welcher zur Messung der Ionenviskosität des Materials dient, Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften ermöglicht. Zu beiden Ansätzen werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, wobei durch den Einsatz von Mischungen mit unterschiedlichen Eigenschaften Chargenschwankungen gezielt nachgestellt werden. Es wird bewertet, inwiefern mit den oben genannten Ansätzen die Chargenschwankungen erfasst werden können. Durch die Ergebnisse des Vorhabens können Chargenschwankungen im laufenden Prozess erkannt werden, was eine wichtige Grundlage für eine Kompensation dieser Schwankungen über Regelsysteme darstellt. Dadurch werden Ausschussquoten, die derzeit je nach Bauteilkomplexität bis zu 15 % betragen können, reduziert und damit signifikant Kosten gesenkt. Da etwa zwei Drittel der Elastomerspritzgießbetriebe den kmU zuzuordnen sind, profitieren diese besonders von dem Vorhaben.

Ergebniszusammenfassung:

Schwankungen der Rohstoffqualität und der diskontinuierliche Herstellungsprozess führen bei Kautschukmischungen zu Qualitätsschwankungen zwischen einzelnen Chargen. Mit dem Ziel, während der Formteilherstellung die Viskosität der Kautschukmischung zu bestimmen, wurde ein Online-Spritzgießrheometer entwickelt. Dadurch können gezielt eingebrachte Schwankungen anhand von Viskositätsänderungen detektiert werden. Das Online-Spritzgießrheometer wird zwischen Maschinendüse und Formwerkzeug integriert und ist so konstruiert, dass es mit unterschiedlichen Werkzeugen verwendet werden kann.

Variationen des Rußanteils von 4 phr in einer EPDM-Mischung konnten zuverlässig detektiert werden. Die Sensitivität und die Aussagekraft der Messergebnisse sind qualitativ ähnlich zu denen eines Hochdruckkapillarrheometers oder Mooney-Viskosimeters. Dadurch kann auf die Durchführung von Stichprobenprüfungen in der Produktion verzichtet werden.

Allgemein konnte gezeigt werden, dass vor allem bei Werkzeugen mit geringem Gegendruck sehr zuverlässige Messergebnisse erzielt werden können. Bei Verwendung eines kleinen Werkzeugs mit einem Kavitätsvolumen von 53 cm³ und hohem Gegendruck schwanken die Messwerte jedoch sehr stark. In gewissen Grenzen konnten die Chargenschwankungen dennoch durch Anpassung der Prozesseinstellungen kompensiert werden. Die Kompensation von Schwankungen des Schwefelanteils war beispielsweise durch zusätzlichen Energieeintrag möglich.

Die Entwicklung kommt sowohl Werkzeugbauern wie auch Kautschukverarbeitern zugute. Denkbar ist auch eine Integration des Messprinzips in das Einspritzaggregat einer Spritzgießmaschine. Auf Basis der Viskositätsmessung kann so eine integrierte Prozessüberwachung realisiert werden. Dadurch können sowohl Energie- als auch Materialeinsparungen realisiert werden.