TY - BOOK

T1 - Produkt-adaptive Regelung des Kautschukspritzgießens

AU - Traintinger, Martin

N1 - gesperrt bis 28-03-2027

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Die Produktion von Elastomerformteilen im Spritzgießverfahren, mit dem Ziel, gleichbleibende Qualität im Sinne des mechanischen Verhaltens der Formteile zu erzielen, ist ein komplexes Unterfangen, dessen sich diese Arbeit annimmt. Ausgehend von der Tatsache, dass in einer Kautschukmischung eine Vielzahl an Komponenten verwendet werden, die allesamt die Mischungscharakteristik beeinflussen, ergeben sich natürliche Batchschwankungen, die sich im Laufe der Fertigung bemerkbar machen können und sich auf das Eigenschaftsbild der Formteile auswirken. Die im Zuge dieser Arbeit ausgearbeitete Methode zielt darauf ab, diese Schwankungen in der laufenden Produktion abzufangen und die Prozessführung so anzugleichen, dass eine gleichbleibende Qualität der Formteile Zyklus für Zyklus möglich ist. Für das vorliegende System, bestehend aus einer vertikalen Kautschukspritzgießmaschine, einem industrienahen Mehrkavitäten-Werkzeug mit Kaltkanalverteiler und einer kommerziell vertriebenen Styrol-Butadien-Kautschukmischung, wurde ein Prozessfenster mittels systematischer Versuchspläne definiert, welches den festgelegten Verarbeitungsbereich markiert. Mit Hilfe statistischer Auswertungen wurden aus den Versuchsergebnissen Qualitätsfunktionen berechnet, die das Prozessfenster mathematisch beschreiben. Anhand dieser Gleichungen war es möglich, die Berechnung eines optimalen Betriebspunktes vorzunehmen, der auf der Grundlage der Statistik an drei repräsentativen Prüfpositionen am Formteil zu definierten mechanischen Eigenschaften führt. Durch die Miteinbeziehung von messbaren Prozessantwortgrößen bei den Regelfunktionen und während des laufenden Prozesses in der nachfolgenden Validierung konnten erste Ansätze realisiert werden, die auftretende Eigenschaftsschwankungen am Material ausgleichen. Eine wesentliche Erkenntnis dieser Arbeit ist zudem, dass durch die Rückführung von Prozessdaten und Messergebnissen die Regelung einen lebenden Charakter erhält. Durch den Austausch erfolgt eine stete Verbesserung, was wiederum zu zunehmender Vorhersagegenauigkeit führt. Parallel zur Methodenentwicklung an der Spritzgießmaschine wurden Versuche gestartet, die zur Berechnung des optimalen Betriebspunktes über Prozesssimulationen beitragen sollen. Die notwendigen Materialdaten ergeben sich aus der umfassenden Charakterisierung der verwendeten Kautschukmischungen. Durch gezielte Untersuchungen konnten zudem pointierte Verbesserungen in der Simulation angeregt und zum Teil auch umgesetzt werden. Auf Basis aller Erkenntnisse konnte schließlich ein erster Prototyp einer Prozessregelungsvorrichtung realisiert werden. Diese berechnet, durch Kenntnis der Prozessantwortgrößen des Dosier- und Einspritzvorgangs, sowie der relevanten Mischungsdaten der Vernetzungskinetik, On-Line, welche Prozessadaptierung vorzunehmen ist, um einen definierten Zielwert, wie beispielsweise einen bestimmten Wert eines messbaren mechanischen Verhaltens, erreichen zu können. Durch die erarbeitete Methode der Prozessregelung ist es möglich, selbst bei signifikant unterschiedlichem Vernetzungsverhalten zweier Batches derselben Mischung die Abweichungen auszugleichen und brauchbare Formteile zu fertigen.

AB - Die Produktion von Elastomerformteilen im Spritzgießverfahren, mit dem Ziel, gleichbleibende Qualität im Sinne des mechanischen Verhaltens der Formteile zu erzielen, ist ein komplexes Unterfangen, dessen sich diese Arbeit annimmt. Ausgehend von der Tatsache, dass in einer Kautschukmischung eine Vielzahl an Komponenten verwendet werden, die allesamt die Mischungscharakteristik beeinflussen, ergeben sich natürliche Batchschwankungen, die sich im Laufe der Fertigung bemerkbar machen können und sich auf das Eigenschaftsbild der Formteile auswirken. Die im Zuge dieser Arbeit ausgearbeitete Methode zielt darauf ab, diese Schwankungen in der laufenden Produktion abzufangen und die Prozessführung so anzugleichen, dass eine gleichbleibende Qualität der Formteile Zyklus für Zyklus möglich ist. Für das vorliegende System, bestehend aus einer vertikalen Kautschukspritzgießmaschine, einem industrienahen Mehrkavitäten-Werkzeug mit Kaltkanalverteiler und einer kommerziell vertriebenen Styrol-Butadien-Kautschukmischung, wurde ein Prozessfenster mittels systematischer Versuchspläne definiert, welches den festgelegten Verarbeitungsbereich markiert. Mit Hilfe statistischer Auswertungen wurden aus den Versuchsergebnissen Qualitätsfunktionen berechnet, die das Prozessfenster mathematisch beschreiben. Anhand dieser Gleichungen war es möglich, die Berechnung eines optimalen Betriebspunktes vorzunehmen, der auf der Grundlage der Statistik an drei repräsentativen Prüfpositionen am Formteil zu definierten mechanischen Eigenschaften führt. Durch die Miteinbeziehung von messbaren Prozessantwortgrößen bei den Regelfunktionen und während des laufenden Prozesses in der nachfolgenden Validierung konnten erste Ansätze realisiert werden, die auftretende Eigenschaftsschwankungen am Material ausgleichen. Eine wesentliche Erkenntnis dieser Arbeit ist zudem, dass durch die Rückführung von Prozessdaten und Messergebnissen die Regelung einen lebenden Charakter erhält. Durch den Austausch erfolgt eine stete Verbesserung, was wiederum zu zunehmender Vorhersagegenauigkeit führt. Parallel zur Methodenentwicklung an der Spritzgießmaschine wurden Versuche gestartet, die zur Berechnung des optimalen Betriebspunktes über Prozesssimulationen beitragen sollen. Die notwendigen Materialdaten ergeben sich aus der umfassenden Charakterisierung der verwendeten Kautschukmischungen. Durch gezielte Untersuchungen konnten zudem pointierte Verbesserungen in der Simulation angeregt und zum Teil auch umgesetzt werden. Auf Basis aller Erkenntnisse konnte schließlich ein erster Prototyp einer Prozessregelungsvorrichtung realisiert werden. Diese berechnet, durch Kenntnis der Prozessantwortgrößen des Dosier- und Einspritzvorgangs, sowie der relevanten Mischungsdaten der Vernetzungskinetik, On-Line, welche Prozessadaptierung vorzunehmen ist, um einen definierten Zielwert, wie beispielsweise einen bestimmten Wert eines messbaren mechanischen Verhaltens, erreichen zu können. Durch die erarbeitete Methode der Prozessregelung ist es möglich, selbst bei signifikant unterschiedlichem Vernetzungsverhalten zweier Batches derselben Mischung die Abweichungen auszugleichen und brauchbare Formteile zu fertigen.

KW - Spritzgießen

KW - Kautschuk

KW - Styrol-Butadien-Kautschuk

KW - Vulkanisation

KW - Design of Experiment

KW - Qualitätsfunktion

KW - Prozessregelung

KW - Formteilqualität

KW - Qualitätssicherung

KW - Simulation

KW - injection molding

KW - rubber

KW - styrene-butadiene rubber

KW - vulcanization

KW - design of experiment

KW - quality function

KW - process control

KW - part quality

KW - quality assurance

KW - simulation

M3 - Dissertation

ER -