Spritzgießen und Prozessvalidierung Warum bei Engel das Bauteil den Takt vorgibt

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Engel zeigt an der Herstellung einer Multi Well Plate, wie sich die Prozessvalidierung im Spritzgießen gezielter planen und verkürzen lässt. Im beschriebenen Anwendungsfall sank der Aufwand für Qualifizierung und Validierung, während sich die Zykluszeit reduzierte. Entscheidend ist ein Ansatz, der von den funktionalen Anforderungen des Bauteils ausgeht und digitale Assistenzsysteme nutzt, um Prozessstabilität zu bewerten und kritische Einstellungen abzusichern.

Eine Multi Well Plate wird unter anderem für die Kultivierung von Zellen eingesetzt. Ihre Abdeckung muss einen geeigneten Gasaustausch ermöglichen und zugleich die Verdunstung möglichst gering halten. Das klingt zunächst nach einer Frage der Anwendung, hat aber unmittelbare Folgen für die Fertigung: Maße, Ebenheit und Planparallelität der Auflageflächen müssen stimmen, damit Platte und Deckel wie vorgesehen zusammenwirken.

Hier setzt die risikobasierte Validierung an. Statt alle verfügbaren Maschinenparameter gleichermaßen zu betrachten, führt der Weg von den Anforderungen an die Verwendung über die kritischen Qualitätsmerkmale des Bauteils zu den Prozessgrößen, die diese Merkmale beeinflussen. Im Fachvokabular heißt das: von der User Requirements Specification (URS) über Critical Quality Attributes (CQA) zu Critical Process Parameters (CPP). Hinter den Abkürzungen steckt eine einfache Frage: Was muss am Ende stimmen – und was im Prozess entscheidet darüber?

Wenn aus einer Anforderung ein Prüfmerkmal wird

Bei der Multi Well Plate gelten für die Abmessungen in X- und Y-Richtung Toleranzen von jeweils ±0,25 mm, in Z-Richtung von ±0,15 mm. Auch die Auflageflächen werden geprüft. Für die Maßgenauigkeit sind unter anderem Nachdruck und Werkzeuginnendruck relevant; ungleichmäßige Temperierung kann Verzug verursachen. So wird aus den Anforderungen an das Zusammenspiel von Platte und Deckel ein konkreter Prüf- und Überwachungsauftrag. Messbar ist vieles – entscheidend ist, was die Funktion des Formteils beeinflusst.

Qualifizieren mit einer klaren Fragestellung

Aus dem Verständnis der Bauteilanforderungen lässt sich eine gezielte Validierungsstrategie ableiten. Bereits in der Design Qualification (DQ) helfen Simulationen, Risiken und mögliche Prozessfenster einzugrenzen. In dieser frühen Phase lassen sich Gegenmaßnahmen noch vergleichsweise einfach einplanen – an der Hardware ebenso wie in der Software. So kann etwa das Engel iQ weight control vorgesehen werden, um Materialschwankungen zwischen Chargen im Prozess auszugleichen und das Einhalten enger Formteiltoleranzen zu unterstützen. Damit kann die Prozessstabilität in der Produktion deutlich gesteigert werden. Entscheidend ist jedoch, dass dies von Beginn an mitberücksichtigt wird.

Die Installation Qualification (IQ) prüft, ob die Produktionszelle wie vorgesehen installiert ist und ihre Komponenten funktionieren. Dazu gehören Nachweise zur Sensorkalibrierung und zur Funktionsfähigkeit der Zelle. Sie schaffen die Grundlage dafür, Messdaten später verlässlich beurteilen zu können. Das Unternehmen kann solche Nachweise über die Dienstleistung everQ auch fortlaufend unterstützen. In der Operational Qualification (OQ) wird untersucht, innerhalb welcher Grenzen der Prozess die Anforderungen erfüllt; die Performance Qualification (PQ) weist die Reproduzierbarkeit unter vorgesehenen Produktionsbedingungen nach.

Simulationen helfen, Versuche vorzubereiten, ersetzen aber nicht die Prüfung am realen Bauteil. Gerade bei umfangreichen Versuchsreihen kann die Datenauswertung Zeit und Ausschuss sparen. Bei der Multi Well Plate wurden in der OQ im Rahmen einer Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE) 60 Einstellungen untersucht. Um die Probenahme erst im stabil eingeschwungenen Prozess durchzuführen, wird nach einer Prozessänderung oftmals pauschal 30 bis 60 min gewartet – ohne darauf Rücksicht zu nehmen, ob der Prozess bereits eingeschwungen ist. Damit ergibt sich eine Wartezeit von 30 bis 60 h pro Validierung welche oftmals nicht notwendig ist. Hier kommt der iQ process observer ins Spiel – er stellt Messdaten und Einstellungen der Zelle übersichtlich dar und beurteilt die Prozessstabilität. Anstatt nach einer fixen Zeit können so die Proben dann entnommen werden, sobald der Prozess eingeschwungen ist. Die OQ lässt sich damit deutlich reduzieren.

Wie Assistenzsysteme den Prozess auf Kurs halten

Nach der Qualifizierung muss der Prozess im Serienbetrieb innerhalb des freigegebenen Bereichs bleiben. Im Praxisbeispiel entsteht die Multi Well Plate auf einer vollelektrischen Engel e-motion 280 combi M. Der Engel validation assistant verbindet die Anforderungen an das Bauteil mit Assistenz- und Überwachungsfunktionen.

Die mit iQ clamp control erfasste Werkzeugatmungskurve kann Veränderungen im Einspritz- und Nachdruckverhalten sichtbar machen. Bei Bedarf liefern Werkzeugsensoren zusätzliche Daten zu Innendruck und Temperaturverlauf – allerdings mit entsprechendem Aufwand.

Mit parameter limits lassen sich kritische Einstellungen wie Nachdruckprofil oder Kühlzeit auf freigegebene Bereiche begrenzen und Änderungen rollenbasiert absichern. Damit bleibt der Prozess – systematisch durch die CC300 abgesichert – immer im definierten Prozessfenster. Der iQ process observer hilft, Auffälligkeiten in den Prozessdaten zu erkennen und ihre Ursachen einzugrenzen. Die Systeme unterstützen die Prozessführung und Überwachung; Produktprüfung, Bewertung und Freigabe sind dennoch erforderlich.

Die Zahlen gelten hier. Die Methode reicht weiter.

Im beschriebenen Anwendungsfall ließ sich der Zeitaufwand für Qualifizierung und Validierung um rund 30 % reduzieren. Die Zykluszeit sank von einem branchenüblichen Vergleichswert von 16 s auf rund 11 s. Wie groß die Einsparung bei einer anderen Produktgeometrie ist, muss im Detail abgeschätzt werden – je nach Geometrie, Material, Werkzeug, Ausgangsprozess und Anforderungen.

Übertragbar ist auf jeden Fall die Methode. Wer zuerst die Funktion des Produkts versteht, kann Qualitätsmerkmale gezielt definieren, ihre Prozesseinflüsse untersuchen und den qualifizierten Bereich im Betrieb absichern. Dieses Wissen hilft auch, spätere Änderungen oder einen Prozesstransfer systematisch zu bewerten. Weitergehende Konzepte wie eine Freigabe anhand von Prozessparametern bleiben ein Ausblick, der eigene Voraussetzungen und Nachweise erfordert.

Am Anfang stand eine Multi Well Plate und die Frage, was das fertige Bauteil können muss. Am Ende steht ein Prozess, der genau darauf ausgerichtet ist – manchmal ist Rückwärtsdenken der geradeste Weg zur Validierung. (sl)