Optisches 3D-Scansystem und Koordinatenmessmaschine sichern Qualität des Spritzgießprozesses

3D-Scanner in der Kunststoffverarbeitung

  • Ein virtuelles Modell eines Wasserpumpengehäuses (Bildquelle: Zeiss)Ein virtuelles Modell eines Wasserpumpengehäuses (Bildquelle: Zeiss)
  • Ein virtuelles Modell eines Wasserpumpengehäuses (Bildquelle: Zeiss)
  • Frank Fynbo am Zeiss Comet. Die Einrichtung des 3D-Scanners und die ­Messung dauern nur wenige Minuten. (Bildquelle: Zeiss)
  • Frank Fynbo begutachtet das Gehäuse einer Wasserpumpe. Ob alle Maße ­stimmen, kann er aber nur nach der Prüfung mit dem 3D-Sensor entscheiden. (Bildquelle: Zeiss)

Unika im dänischen Ans ist zwar ein mittelständischer Betrieb, verfügt aber über hochspezialisiertes Wissen bei der ­Fertigung von Spritzgussteilen aus Kunststoff, das weltweite Kunden schätzen. Selbst Konkurrenten kaufen dort ein, ­wegen der unübertroffenen Qualität. Dafür sorgen Messgeräte von Zeiss, unter anderem das optische Messsystem Comet.

Es ist vier Uhr morgens. Frank Fynbo knipst das Licht im Messraum an. Erst in gut vier Stunden wird es hier in Ans, mitten in Dänemark, hell. Erstmal einen Schluck Kaffee, dann öffnet der Leiter der Qualitätssicherung die Box, die ihm die Kollegen der Nachtschicht aus der Produktionshalle weiter oben an der Lyngbakkevej Straße zusammengestellt haben. Enthalten sind diverse Kunststoffteile und eine kompliziert geformte Metallform, eine Spritzgussform, mit der solche Kunststoffteile hergestellt werden. Während Frau und Kinder der Familie Fynbo zu Hause noch schlafen, steht Frank schon am Zeiss Comet und prüft die ersten Teile. „Ich bin gerne so früh da“, sagt der 54-Jährige, „morgens habe ich mehr Ruhe, mich auf die Messungen zu konzentrieren“.

Präzision als Alleinstellungsmerkmal

Nach wenigen Minuten liegt das erste Kunststoff-Bauteil auf dem Drehteller und leuchtet in einem tiefen Blauviolett. Der 3D-Sensor des Scan-Systems projiziert strukturiertes Licht auf das Bauteil, die Kamera daneben fängt die Lichtreflexe auf und anschließend ermittelt die Software mittels Triangulation die Lage jedes Punktes auf der Oberfläche – dreidimensional und auf wenige hundertstel Millimeter genau.
Betriebe, die Teile aus Kunststoffspritzguss herstellen, gibt es wie Sand am Meer. Aber nur wenige erreichen das Qualitätsniveau von Unika. Präzision ist ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal, sogar Wettbewerber bestellen hier. Zum Beispiel Grundfos. Der Weltmarktführer für Wasserpumpen im nahe gelegenen Bjerringbro stellt selbst Spritzgussteile her, bei komplizierten Teilen nutzt man aber gerne das Know-how von Unika und tauscht Messdaten aus, denn auch Grundfos verlässt sich bei der Qualitätssicherung auf Zeiss Maschinen.
Nach wenigen Minuten erscheint das virtuelle 3D-Modell eines Wasserpumpengehäuses auf dem Monitor.

Ein paar Mausklicks später ist der Fehlfarbenvergleich verfügbar, welcher sichtbar macht, wo das Modell von den CAD-Konstruktionsdaten abweicht, die Grundfos Unika zur Verfügung gestellt hat. An den roten Stellen ist das Material zu dick, an den blauen Stellen fehlt Material. Frank Fynbo klickt auf einige Stellen im 3D-Modell und die Software gibt für diese Punkte die exakte Abweichung an. Der gelernte Werkzeugmacher, der seit 1989 bei Unika arbeitet, nickt zufrieden. Alles innerhalb der zu erwartenden Toleranzen. Vor der Anschaffung des 3D-Messystems musste Unika die Teile an einen externen Dienstleister zur Prüfung schicken, was teuer war und länger dauerte.

Vorsicht beim Abkühlen

Nicht immer fallen die Messergebnisse so positiv aus. Beim Spritzgießen wird bis zu 350 °C heißer Thermoplast mit bis zu 2.000 bar Druck in eine zweiteilige Form gespritzt, und die Spritzgussform kann in den größten Spritzgussmaschinen von Unika mit einer Kraft von bis zu 1.500 Tonnen zusammengehalten werden. Die Form wird von Wasser oder Öl durchflossen, das die Temperatur kontrolliert senkt, bis das Bauteil erstarrt. Wenn es nach einer Minute von einem Roboterarm aus der Maschine geholt und auf ein Förderband gelegt wird, ist es noch so heiß, dass man es nicht anfassen kann. Erst nach bis zu 24 Stunden ist es erkaltet und hat seine endgültige Form erreicht. Bis dahin kann es sich verbiegen oder verdrillen, im ungünstigen Fall bis zur Unbrauchbarkeit. Dass das bei Unika nur selten vorkommt, liegt am umfangreichen Prozesswissen beim Spritzgießen. Und an Frank Fynbos Akribie.
Bei kritischen Teilen, unter anderem wenn die Serienfertigung für ein neues Produkt anläuft, verlässt sich Fynbo nicht allein auf die optische 3D-Messung. In seinem Messraum verfügt er noch über eine Koordinatenmessmaschine Zeiss Contura G2, mit welcher taktile Messungen vorgenommen werden. Manchmal untersucht Fynbo hier Kunststoffteile, häufiger die metallenen Spritzgusswerkzeuge, die Unika auf modernen Werkzeugmaschinen selbst herstellt. Jede Abweichung im Werkzeug würde sich später im Spritzguss potenzieren und zu Ausschuss führen.

Maschinen im Tandem

Mit der Zeiss Contura arbeitet Fynbo seit 2010. Seit dieser Anschaffung wurde er zum Leiter der Qualitätssicherung befördert. Zu seinem Aufgabenbereich gehört noch ein ältere Portalmessmaschine Duramax des Herstellers, welche in der Werkhalle der schnellen Werkzeugkontrolle dient. Als die Messaufgaben zunahmen, war es keine Frage, dass auch die nächste Maschine wieder von demselben Hersteller sein würde. „Maschine und Software haben uns überzeugt“, so Fynbo, „außerdem arbeitet unser größter Kunde Grundfos ausschließlich mit Zeiss ­Maschinen“.

Dank des optischen Messprinzips ergänzt das Comet System die taktilen Messungen der Contura perfekt. Denn die Software des Systems, Colin3D, ist mit Calypso, der Software der taktilen Maschinen des Herstellers, kompatibel. Die Daten der optischen Messung werden als STL-Datei gespeichert und in Calypso geladen. Diese bietet Optionen zur Überlagerung der optischen und der taktilen Messung und macht detailliertere Aussagen über Abweichungen von Soll- und Ist-Werten. Alle Daten werden dauerhaft gespeichert und sind jederzeit verfügbar, sobald ein Kunde danach fragt.

Kleines Teil, große Herausforderung

Seit 2017 ist das 3D-Messsystem in Betrieb. Das Bauteil, für das die Maschine damals angeschafft wurde, ist kaum größer als ein Stecknadelkopf: ein Kunststoffstift für das Scharnier eines Brillengestells. „Weil es so winzig ist, konnte ich es nicht auf dem Koordinatenmessgerät Contura messen“, erinnert sich Fynbo, „also haben wir uns für den 3D-Scanner Comet entschieden“. Dieser misst heute natürlich nicht nur Stifte für Brillengestelle, sondern eine große Palette an Kunststoffteilen oder Werkzeugen. Vier Objektivsets für unterschiedliche Messvolumina stehen dafür zur Verfügung. In einer zweitägigen Schulung bei Zeiss hat Frank Fynbo die Bedienung des 3D-Sensors erlernt. „Ich konnte gleich mit dem Messen loslegen, aber natürlich lerne ich immer noch jeden Tag dazu.“

Außerdem spielt der 3D-Scanner eine wichtige Rolle beim Reverse Engineering. Denn manchmal kommen Kunden mit einem Teil ohne CAD-Daten, manchmal sogar nur mit einem Modell aus Holz, und der Bitte: „Baut uns das aus Kunststoff.“ Wo Konstruktionsdaten fehlen, lassen sich diese mit dem Comet System nachträglich erzeugen. Das geht teilweise automatisch, das Feintuning bis zur fertigen CAD-Datei übernehmen die Konstrukteure von Unika. Das weitere Vorgehen erfolgt anschließend iterativ. Aus den Daten wird das Werkzeug gefertigt, welches zunächst mit dem System gemessen und mit den CAD-Daten verglichen wird. Ist alles in Ordnung, wird das Werkzeug in die Spritzgussmaschine montiert und einige Teile aus Kunststoff hergestellt. Diese Teile werden erneut mit dem System geprüft. Gibt es Abweichungen, wird das Werkzeug nachgearbeitet und mit höherer Präzision mit der Contura gemessen. Dann werden wieder Teile gespritzt und der Ablauf beginnt von vorne. Solange, bis letztlich alles stimmt.

Frank Fynbo ist gerade in der Diskussion mit Bo Johansen, dem Firmenchef und Sohn des Gründers von Unika, über die Anschaffung einer weiteren Koordinatenmessmaschine. Diese soll in der oberen Halle stehen, in der die Produktion der Spritzgussteile erfolgt. Dort wird rund um die Uhr in drei Schichten gearbeitet, die Mitarbeiter dort können dann durchgehend die Qualität prüfen. „Und ich könnte morgens länger schlafen“, schmunzelt Fynbo.

Über Unika

Das Unternehmen wurde 1971 von Ejvind ­Johansen in der Nähe des heutigen Standorts in Ans gegründet. 1979 trat sein Sohn Bo ­Johansen, ein ausgebildeter Werkzeugmacher, in die Firma ein, die er seit 1997 nach der Pensionierung seines Vaters leitet. An seiner Seite als Vorsitzender des Verwaltungsrats ist sein Bruder Steen Johansen, ebenfalls Werkzeugmacher, der 1984 in die Firma eintrat. Der Betrieb startete mit der Herstellung von Maschinenteilen, in den 1980er Jahren kamen Kunststoffteile dazu. Heute hat der Betrieb über 100 Mitarbeiter, 40 Spritzgussmaschinen sowie 27 Maschinen zur Fertigung von Spritzgusswerkzeugen und Ersatzteilen für andere kunststoffverarbeitende Betriebe. Das kleinste Teil, das Unika fertigt, ist ein 2 mm kleiner Stift für Brillenscharniere, das größte, ein Flügel für Maschinenventilatoren, ist 900 mm lang.

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