Spuitgietmachine gebruikt combinatie van optische en tactiele sensortechnologie

TPK-Kunststoff technik in Nörten-Hardenberg bij Göttingen is gespecialiseerd in de productie van hoogwaardige kunststofartikelen en spuitgietmatrijzen. Het familiebedrijf, dat in 1997 is opgericht en wordt geleid door Werner Ternka en zijn zonen Heiko en Mario, heeft ongeveer 30 mensen in dienst en bestrijkt de hele procesketen: van advies, ontwerp, gereedschapmakerij en prototypeproductie tot spuitgieten in serie en assemblage.

De eisen aan de kwaliteit van spuitgietproducten zijn de afgelopen jaren toegenomen, benadrukt Mario Ternka, verantwoordelijk voor productontwikkeling, ontwerp en matrijzenbouw bij TPK-Kunststoff technik: "De tekengegevens die we tegenwoordig van onze klanten ontvangen, bevatten veel afmetingen en toleranties die niet met conventionele handmeetapparatuur en eenvoudigere meetapparaten kunnen worden gemeten, bijvoorbeeld vorm- en positietoleranties, d.w.z. haaksheid, parallelliteit en vlakheid, en ook toleranties op vrije vormen. Om deze criteria correct te kunnen meten, hebben we enerzijds geschikte hardware nodig, maar anderzijds ook heel wat knowhow om de gemeten waarden te vertalen in de taal van de matrijzenbouw. Daarom kunnen we het meten niet overlaten aan een metrologische dienstverlener."

TPK voldoet aan hogere kwaliteitseisen met ultramoderne metrologie

TPK besloot daarom te investeren in geschikte meetapparatuur. Op basis van een 60-punts specificatieblad evalueerde een team van specialisten de aanbiedingen van bekende fabrikanten van meetapparatuur - en besloot tot de aanschaf van een ScopeCheck® FB 3D multi-sensor coördinatenmeetmachine van Werth Messtechnik.

Het ontwerp met een vaste brug op een granieten basis en de robuuste, mechanische precisiegeleiders garandeert een zeer hoge nauwkeurigheid, zelfs bij gebruik dicht bij de productie. De apparatuur omvat een beeldverwerkingssensor met Werth Zoom en aanvullende multi-ring verlichtingsunit voor snelle en betrouwbare randdetectie, evenals de SP25 scantaster. Bovendien wordt Raster Scanning gebruikt om totaalbeelden met hoge resolutie te genereren uit afzonderlijke beelden die zijn vastgelegd terwijl de sensor in beweging is. Hiermee kunnen dan gemakkelijk metingen worden uitgevoerd. Voor snelle optische oppervlaktemetingen heeft TPK ook geïnvesteerd in de CFP afstandssensor, die gebruik maakt van de chromatische aberratie van speciale lenzen voor uiterst nauwkeurige en grotendeels oppervlakte-onafhankelijke metingen.

"Bovenaan onze eisenlijst stond de combinatie van optische en tactiele meetmogelijkheden," legt Ternka uit. "En de optische afstandssensor moest betrouwbare meetresultaten bieden voor hoogglanzende, transparante, zwarte of witte onderdelen."

Hij en zijn collega's zijn vooral enthousiast over de optische sensortechnologie van de ScopeCheck® FB: "De nauwkeurigheid en snelheid hadden we eerder niet voor mogelijk gehouden. Dat gaf uiteindelijk de doorslag in het voordeel van de ScopeCheck. Bovendien kan het apparaat snel en eenvoudig worden geprogrammeerd - na slechts een korte inwerkperiode. Meting en evaluatie verlopen dan volledig automatisch."

ScopeCheck® als een belangrijk element in de procesketen bij TPK

Spuitgieten is een primair vormgevingsproces waarbij kwaliteitscriteria zoals vorm- en plaatstoleranties enz. veel moeilijker te handhaven zijn dan bij machinale bewerking. Het vereist een grote productie-knowhow en een procesketen zoals die welke TPK in de afgelopen jaren heeft ontwikkeld en voortdurend heeft geoptimaliseerd.

Aan het begin van deze procesketen staat het 3D CAD model. Hiermee creëren de ontwerpers een initiële virtuele matrijs en een spuitgietsimulatie. Enerzijds worden de analyseresultaten gebruikt om het artikel te optimaliseren, anderzijds worden ze gebruikt om het spuitgietgereedschap te verbeteren. Op die manier proberen de kunststofingenieurs de moeilijkheden van het spuitgieten - vooral de vervormingen door langs- en dwarskrimp - tegen te gaan.

"Al in de ontwerpfase van de spuitgietmatrijs moeten we rekening houden met de stromingstrajecten van de kunststof, zorgen voor temperatuurregeling en koelkanalen, en het ontvormen en verwijderen van het onderdeel plannen", legt Ternka uit. De herhaalde simulatie levert informatie op over het juiste hotrunnersysteem, het optimale injectiepunt, de positie van de koelkanalen, toleranties, bombering en nog veel meer. Pas als de spuitgietspecialisten er zeker van zijn dat het matrijsontwerp in zijn geheel past, vervaardigen ze de stalen matrijs. Bij TPK gebeurt dat vooral op moderne bewerkingsmachines, bijvoorbeeld door 5-assig frezen en uithollen.

In eenvoudige gevallen wordt de maatnauwkeurigheid van complexe vormgereedschappen direct op de bewerkingsmachine gemeten. Moeilijke metingen, zoals die van de positie van een contour aan de buitenranden, evenals de positie van uitsparingen aan een kamer of van gedraaide kernen, kunnen door de gereedschapmakers worden uitgevoerd met de Werth ScopeCheck® FB en de combinatie van optische en tactiele sensortechnologie.

Zodra de matrijs klaar is, wordt deze bemonsterd op een van de 15 spuitgietmachines met sluitkrachten tot 2.200 kN en verder geoptimaliseerd in de matrijzenmakerij totdat het spuitgieten en ontvormen stabiel zijn. De TPK ontwerper maakt vervolgens een meetprogramma op een geïnjecteerd proefstuk op de ScopeCheck®, die alle beslissende criteria registreert. Op basis van de resultaten worden verdere wijzigingen aan de matrijs beslist. Ternka: "In dit stadium hebben we het meestal over correcties in het bereik van enkele tienden tot honderdsten van een millimeter, die nodig zijn om zeer strak gestelde toleranties te handhaven. Zonder de precisie van onze multi-sensor machine zouden we niet in staat zijn dergelijke waarden te registreren, of alleen tegen hoge kosten."

Reverse engineering voor het maken van mallen

Als voorbeeld van zo'n uiterst precieze nabewerking noemt hij een oppervlak op een medisch onderdeel dat een vlakheid van minder dan 0,1 mm moet hebben. Als deze tolerantie niet op betrouwbare wijze kan worden bereikt door de temperatuurregeling of andere spuitgietparameters aan te passen, bewandelt TPK de weg van de minimale matrijscorrectie. Eerst meet de verantwoordelijke medewerker het aangetaste gebied met de Werth CFP chromatische sensor. "Met deze optische sensor zijn we ook in staat om vlakheid op een polyline te detecteren, een proces dat voorheen erg moeilijk en tijdrovend was", zegt Ternka. "Wanneer we de sensor over het oppervlak laten lopen, krijgen we snel een zeer nauwkeurige uitspraak over de vlakheid van ons artikel."

Als bijvoorbeeld een lichte kromming als gevolg van materiaalkrimp kan worden gedetecteerd, kan de ontwerper de meetgegevens terugvoeren in het CAD-systeem en het gekromde oppervlak spiegelen op het overeenkomstige gebied van het gietgereedschap. Uit de gecorrigeerde CAD-gegevens genereert hij een CAM-programma waarmee deze bombering kan worden uitgevoerd, (zoals een dergelijke uitpuilende vervorming wordt genoemd) wordt in het spuitgietgereedschap gefreesd. Na het opnieuw spuitgieten wordt de gewenste vlakheid bereikt doordat de kunststof krimpt.

Een dergelijk proces wordt reverse engineering genoemd. "Door optische en tactiele meetmethoden te combineren, kunnen we met onze ScopeCheck ook hele werkstukken als puntenwolk met hoge meetsnelheden vastleggen en terugvoeren naar CAD-gegevens. Daar hebben we altijd vraag naar", legt Ternka uit.

Bewezen in de praktijk

De directeur zou graag een selectie van de door zijn bedrijf geproduceerde geavanceerde spuitgietonderdelen willen presenteren, maar de geheimhoudingsplicht vertraagt hem. Daarom demonstreert hij de mogelijkheden van het Werth meetapparaat op een celkweekplaat. Het komt uit het productassortiment van TPK-dochter Zell-Kontakt, dat gespecialiseerd is in de ontwikkeling en productie van celcultuur- en laboratoriumproducten voor moderne beeldvormingstechnieken en microscopie. Daarnaast biedt Zell-Kontakt screeningsplaten voor UV-spectroscopie en grootvlak-arrayplaten voor weefselanalyse.

Een UV-plaat, zoals die welke momenteel in de Covid 19-pandemie voor PCR-metingen wordt gebruikt, bevat 96 putjes waarvan het zichtoppervlak bestaat uit een heldere, dunne film met een hoge doorlaatbaarheid in het UV-bereik.

Het deksel bevat ook condensatieringen die precies op de meerputtige platen moeten passen. De ringen voorkomen dat de voedingsoplossing tijdens de incubatie verdampt, zodat de concentratie constant blijft en de gekweekte cellen optimaal worden gevoed.

Dit betekent: de hoogste eisen aan positie, rondheid en vlakheid, zowel voor de plaat als voor het deksel. Bovendien speelt bij het werken met geautomatiseerde microscopie of meetmethoden de algehele vlakheid van de celkweekplaat een belangrijke rol. "De optische sensoren hebben de nodige meetnauwkeurigheid en reduceren de tijd die nodig is om deze onderdelen te meten van uren tot slechts enkele minuten", zegt Ternka verheugd.

Samen met zijn collega's ontdekt hij nog steeds nieuwe gebieden waar ScopeCheck® nuttig kan worden toegepast om een hogere kwaliteit en winstgevendheid te genereren. Ternka vat samen: "We zijn er zeker van dat de combinatie van zeer nauwkeurige en snelle optische sensoren met tactiele sensortechnologie voor de complete meting van verschillende werkstukken vele deuren voor ons zal blijven openen. Want met ScopeCheck zijn we in staat om criteria vast te leggen waar anderen falen."