Wprowadzenie

 Podstawą systemów zapewnienia jakości zgodnych z pakietem norm ISO 9000 jest samokontrola i stosowanie zapisów potwierdzających wykonanie wszystkich czynności przy możliwej identyfikacji. By te zapisy miały rozsądną objętość trzeba posługiwać się metodami statystycznymi.

Dla uzyskania wyrobu o jakości na stałym, wysokim poziomie łatwiej i taniej nadzorować proces niż sprawdzać jego wynik końcowy. Nie znaczy to jednak że rezultat każdej operacji nie jest najlepszym sprawdzianem poprawności procesu. Rachunek ekonomiczny i wzajemne zależności parametrów warunkują właściwy wybór diagnozowanej wielkości mającej decydujący wpływ na spełnienie warunków specyfikacji [1].

SPC (ang. Statistical process Control ) - statystyczne sterowanie procesem jest narzędziem do uzyskania pewności, że proces jest niezmienny (uregulowany, pod statystyczną kontrolą) i przebiega tylko w granicach zależnych od stałych czynników przypadkowych. Generalnie na pytanie czy proces jest prawidłowy, tzn. wytwarzamy wyrób o zadanej jakości, SPC jednak nie odpowiada. Można nadzorować dobry proces jak i dający wyrób wadliwy. Rezultatem stosowania SPC są zapisy wybranego, reprezentatywnego parametru w postaci wykresu na kartach kontrolnych. Uzyskana krzywa ma przebiegać między liniami kontrolnymi [2]. Miarą tej pewności może być: zdolność procesu: C_p i  zdolność maszynowa: C_m. Wartości te można wyznaczyć jeśli znamy tolerancję tego parametru i będą one określały ile razy w tolerancji mieści się 6 odchyleń standardowych. Znaczy to, że jeśli C_p i C_m  wynoszą 1 to 99,7% populacji mieści się w polu tolerancji, w tym przypadku jeszcze średnia populacji musi zgadzać się z wartością nominalną, oczywiście gdy zakres tolerancji od nominału, w górę i w dół, jest tej samej wielkości. Są to tzw. granice naturalne procesu. Dla c_p=1 proces jest zaledwie wydolny, jako minimum akceptuje się C_p=1,33. Aby wykazać, że proces ma odpowiednią wydolność gdy średnia i nominał są przesunięte, określa się C_pk i C_mk (krytyczne) od strony mniejszej wartości (dla 3 s). C_pk i C_mk dopiero w pełni wskazują  pewność produkcji,  z parametrem w założonych, wymaganych granicach. Z praw statystyki wynika, że C_pk=2 to pewność, że nie wystąpi więcej niż 4 ppm braków i to przy założeniu, że średnia próbki i całej populacji nie są przesunięte o więcej niż 1s. Zdolność maszynowa dotyczy próbki z krótkiego czasu. Stosunek C_mk do C_pk określa wpływ czynników zakłócających w zależności od czasu. Często w specyfikacji podana jest wartość C_pk i C_mk, której utrzymanie w procesie produkcyjnym  należy wykazać zlecającemu za pomocą odpowiednich dokumentów.

SPC  wbudowane we wtryskarki

Nowoczesne wtryskarki często mają tabele zbiorcze wybranych parametrów z kolejnych cyklów pracy. Można założyć granice tolerancji parametrów np. śledząc średnie odchylenie standardowe. Jednym z kłopotów, które się od razu pojawiają to nadmiar informacji. Kilka czy kilkanaście parametrów z kolejnych cykli jest bardzo pomocne technologowi  i ustawiaczowi. Trudno jednak rejestrować wszystkie. Wymóg zapisów przy ISO 9000 spowodował powstanie specjalistycznych modułów, które pozwalają wybierać cykle i rejestrować karty kontrolne z wybranych parametrów, a także, co jest bardzo ważne, jednocześnie obrabiać statystycznie parametry dostarczane z zewnątrz np. z wagi, czujnika mikrometrycznego itp. Te zewnętrzne dane zostaną omówione dalej, gdyż ich specyfika różni się od wypełniania ręcznego kart kontrolnych tylko obróbką komputerową (może  być także obrabiana innym zewnętrznym programem).

Zastanówmy się dlaczego ta duża ilość parametrów wtrysku nie jest właściwie wykorzystywana [3]. Czy należy obrabiać więcej informacji z formy wtryskowej lub urządzeń peryferyjnych? Czasami tak. Z lawiny informacji próbuje się wybrać takie, których diagnoza związana jest z cechami użytkowymi. Tu tkwi problem. Słusznie preferuje się czas wtrysku, pracę wtrysku lub ciśnienie przełączania. Jak znaleźć jednak tolerancję wybranego parametru? Są programy komputerowe które to ułatwiają [4]. Praktycy zgodzą się z autorem, że po ustawieniu procesu trudno przekonać kierownictwo by często można było eksperymentować  w celu znalezienia granic pojawienia się braków. Załóżmy, że ustaliliśmy granice tolerancji czasu wtrysku. Wyobraźmy sobie, że nastąpiło przytkanie dyszy we wtryskarce z zaworem proporcjonalnym i sprzężeniem zwrotnym, układ miał rezerwę ciśnienia i zrealizował cykl w zadanym czasie ale przełączanie na docisk zakończył z większym ciśnieniem. Przy punkcie przełączania zbyt blisko całkowitego wypełnienia formy nastąpiło “przeładowanie” formy. Rezultat: brak sygnału ostrzegawczego i produkcja braków. Paradoksalnie, największy sygnał ostrzegawczy będzie w klasycznych wtryskarkach, szczególnie przy złym ustawieniu ciśnienia i szybkości wtrysku (niskie ciśnienie i małe dławienie regulatorem). Następnie zmieniono dyszę na tego samego typu ale o trochę innych warunkach płynięcia i trzeba zaczynać szukanie tolerancji od początku. To problem jednego parametru. Są jeszcze inne przy bardzo skomplikowanej współzależności. Natomiast nawet norma [5] wskazuje że nie ma procesów całkowicie uregulowanych.

Innym problemem jest “obsługa” tabel. W przypadku uaktywnienia kontroli z wyłączeniem maszyny dla np. naturalnych granic (czyli ±3s), wtryskarka zostanie wyłączona nawet wtedy gdy produkuje się dobre wypraski. Gdy natomiast będzie tylko sygnalizować przekroczenie, obsługa szybko nauczy się ignorować sygnalizację.

Karty kontrolne przy alternatywnej ocenie właściwości

Dla niektórych branż jak np. motoryzacja lub medycyna, wprowadzono obligatoryjne stosowanie SPC. Najprostszym sposobem, często stosowanym, są karty kontrolne przy alternatywnej ocenie właściwości (w odróżnieniu od oceny liczbowej). Sprowadza się to do konstrukcji kart na podstawie ilości braków lub uchybień. Jest to jednak w dużej mierze spełnienie tylko litery prawa.

Przy przetwórstwie tworzyw sztucznych, po rzeczywistym uregulowaniu procesu nie powinny występować nie tylko braki ale i uchybienia. Jedynie przy uruchamianiu i po przerwie w produkcji, z zasady, zwykle odrzuca się wyroby. Natomiast jeśli pojawiają się wady, to zwykle “stadami”. Wady te można analizować metodą FMEA -analizy przyczyn i skutków błędów. Nie musi być to działanie sformalizowane, ale równoznaczne w pozytywnych skutkach.

Zapisy ilości wad i uchybień, pogrupowane wg rodzajów, należy stosować jako cenną pomoc a nie główną diagnozę uregulowania procesu wtryskiwania.

Sterowanie procesem wtryskiwania przy pomocy kart kontrolnych

Parametrami statystycznymi najlepiej opisującymi próbkę są średnia i odchylenie standardowe. Na ich podstawie, z wzorcowego procesu wtryskiwania można wykreślić linie kontrolne. Wewnątrz tych linii, na kartach kontrolnych, winien mieścić się zapis parametrów z próbek w kolejnych przedziałach czasu. Z tych dwóch  parametrów, generuje się dwutorową kartę kontrolną, przede wszystkim przez programy komputerowe (zewnętrzne i we wtryskarkach). Przy ręcznym prowadzeniu kart kontrolnych preferuje się rozstęp zamiast odchylenia standardowego, ze względu na łatwość obliczeń.

Obserwacje i doświadczenie wykazało, że w procesie wtryskiwania, w kolejnych cyklach parametry zmieniają się w niewielkim stopniu. Jeżeli będziemy mierzyć masę i wymiary wypraski,  nawet dokładnymi przyrządami, to okaże się, że rozrzut wyników w próbce zbliżony jest do dokładności pomiaru. Widać z tego, że jedyną możliwością wykorzystania rozstępu, (często dyskusyjną) jest rozstęp ruchomy (kroczący), czyli z dwóch prób pobranych z większego przedziału czasu. Niewątpliwie obserwuje się wpływ fluktuacji zakłóceń przypadkowych o jeszcze dłuższym okresie, co ma kolosalny wpływ na pracę z kartami kontrolnymi. Powyższe obserwacje doprowadziły nas do wybrania jednotorowej karty kontrolnej mediany (środkowej), która jest przede wszystkim łatwa do prowadzenia przez obsługę na stanowisku wtryskarki, a dodatkowo jeszcze eliminuje wpływ rzadko występujących, “grubych” błędów pomiaru. 

Wśród opisu stosowania wielu kart kontrolnych wg Shewharta, sposób wyznaczania linii kontrolnych dla karty mediany opisuje norma [5]:

                                                                             (1)

    gdzie: ;  - górna, dolna linia kontrolna (UCL, LCL- górna, dolna granica  kontrolna)

             - średnia median

                    - średni rozstęp

                  - stałe, zależne od liczności próbki    n=3 Þ A₄=1,19 ;      n=5 Þ A₄=0,69,

Przy zastrzeżeniach wyżej opisanych można zastosować inny sposób [6],[7]:

                                                                                    (2)

gdzie:  - średnie odchylenie standardowe median

 W Z.E. ELWRO zastosowano jeszcze inne obliczenia [7]:

                                                            (3)

 gdzie:  - średnie odchylenie standardowe z wszystkich próbek   -stała, zależna od liczności próbek n       k₂₍₃₎= 0,192 ;         k₂₍₅₎= 0,132 ;       k₂₍₇₎= 0,108 

W zależności (3) granice kontrolne ulegają zawężeniu w przypadku, gdy udział rozstępów próbek w całym rozrzucie będzie większy. Ponieważ do wyznaczania linii stosujemy program komputerowy, bardziej skomplikowane obliczenia nie mają znaczenia.

Ogólne zasady wprowadzania SPC sugerują, by wprowadzać je od szkolenia i cząstkowych procesów produkcyjnych, a prowadzenie kart kontrolnych należy zacząć od ich ręcznego wypełniania [8].

Doświadczenia w stosowaniu SPC w Z.E. ELWRO S.A.

Z.E. ELWRO uzyskało stosunkowo niedawno certyfikat (nr 12882-01) na system zapewnienia jakości ISO 9002 w szwajcarskiej firmie SQS (członek EQNet) w zakresie między innymi produkcji wyrobów z tworzyw sztucznych i konstrukcji oraz wykonania form. Natomiast SPC stosuje od początku 1991 roku.

Najbardziej korzystnym warunkiem do wdrożenia SPC jest produkcja w dużych seriach, przykładowo gdy zmiany formy na wtryskarce nie są częstsze niż co 2 tygodnie. Najlepszym parametrem do diagnozy procesu jest zwykle masa wypraski. Obecnie nie ma problemu (obsługa i koszt) z dokładnymi wagami. Natomiast jedyne utrudnienia, to zapraski, zmienna gęstość granulatu wtryskowego (np. różna zawartość włókna szklanego) lub trudności w oddzielaniu wlewka przy jego zmiennej objętości. Nie są to jednak warunki wykluczające stosowanie kart kontrolnych. W stosowanych przez nas kartach kontrolnych istnieje możliwość rozszerzenia granic kontrolnych, w uzasadnionych przypadkach i ze świadomością pogorszenia nadzoru nad procesem, w oparciu o doświadczenie, wpisując w rubrykę odpowiednią wartość procentową.

Jednym z zaobserwowanych zjawisk okazała się czasami występująca zmiana objętości gniazda formy (zmiana masy wypraski)  po rozebraniu i ponownym złożeniu formy.

Zakresy linii kontrolnych obserwowanych zmian masy dla tworzyw bezpostaciowych są rzędu 0,5÷1,2%, zależeć mogą od sztywności formy, drogi płynięcia i konstrukcji wyrobu oraz w znaczącej najczęściej mierze od siły zamknięcia formy.

Dla niemal każdego przetwórcy tworzyw sztucznych zastosowanie kart kontrolnych masy jest niezwykle łatwym sposobem sterowania rezultatami procesu wtryskiwania. Można jedynie wyznaczać linie kontrolne wynikłe z naturalnych granic procesu lub ustalać granice tolerancji masy ze względu na wady i uchybienia oraz określić zdolności procesu wytwarzania. Takie granice są dużo łatwiejsze do wyznaczenia i stosunkowo odporne na wpływ wszystkich niepożądanych współzależności.

Masa wypraski zwykle nie jest tolerowana. Istotne wymiary liniowe są tolerowane, a czasem w specyfikacji podane są wartości c_pk lub jeszcze C_mk dla tych wymiarów.

Aby określić C_mk pobiera się próbkę kolejnych wtrysków (w naszym przypadku 50), po minimum 16 godzinach, w określonej temperaturze mierzy się wypraskę w przyrządzie zapewniającym dokładność i powtarzalność a wynik otrzymuje się po wpisaniu danych pomiarowych i identyfikujących na arkusz Excel’a. Na towarzyszącym arkuszu można odczytać histogram rozkładu, wariancję, skośność i kurtozę (współczynnik skupienia).

Przy wszystkich pomiarach liniowych niezwykle ważna jest temperatura wypraski i wyeliminowanie wpływu tzw. “czynnika ludzkiego” na wymaganą dużą dokładność pomiaru. Przy bieżącej kontroli procesu wystarczy zwykle tylko odczytać temperaturę z dokładnego termometru, ale wymiar liniowy należy określać tylko w wyspecjalizowanym przyrządzie. Pomiary liniowe do określania C_mk należy wykonać w pomieszczeniu o stałej temperaturze (po minimum 2 godzinach kondycjonowania), najlepiej w 20°C.

Wpływ temperatury na wymiar liniowy jest rzędu 0,01%/K natomiast zakres linii kontrolnych to rząd 0,05%. Można jeszcze dodać że skurcz wtórny dla tworzyw bezpostaciowych to rząd wartości 0,03%. Jeżeli rzeczywista temperatura wypraski będzie różniła się o 3K od przyjętej, to wykres ze środka zakresu wyjdzie poza linie kontrolne.

Przyjmujemy wartości współczynnika rozszerzalności termicznej tworzyw sztucznych wg katalogu, co jest pewnym przybliżeniem. Do jego doświadczalnego wyznaczenia trzeba mieć odpowiednie zaplecze techniczne.

Dla tworzenia formularzy kart kontrolnych, doprowadzamy proces do stanu stabilnego i prawidłowego pod względem wymagań specyfikacji, korzystnie pod nadzorem technologicznym, i co godzinę pobieramy 3 kolejne wypraski przez 24 godziny (72 dane pomiarowe dla 1 parametru). Pomiar masy wypraski na wadze elektronicznej  można wykonać zaraz, natomiast pomiar liniowy można dokonać po wyrównaniu temperatury wypraski do temperatury otoczenia czyli według naszego doświadczenia po godzinie ( dla grubości ścianek 2÷3mm). Takie samo postępowanie będzie przebiegało w trakcie pracy (wypełniania)  z formularzem z uwzględnieniem poprawek na liniową rozszerzalność termiczną, wg tabeli, z odniesieniem do 20°C .

Natomiast wartości odkształceń określa się po 16 godzinach, nie jest to więc w ścisłym znaczeniu SPC ale kontrola wyrobu. Można jednak doświadczalnie interpolować zmianę odkształcenia do np. 1 godziny i w przypadku gdy jest to parametr krytyczny i wykorzystać do sterowania procesu. W firmie NYPRO pod Dublinem zastosowano karty kontrolne parametru odkształcenia  do sterowania wtryskiwania obudów dyskietek. Do stabilizacji termicznej kształtu użyto obudowanego taśmociągu odbierającego wypraski.

Dane z wzorcowego procesu są wpisywane do arkusza Excel’a,  generując w następnym arkuszu skoroszytu, formularz karty kontrolnej. Jedynie zwykle trzeba wyedytować oś x na wykresie i ją przeskalować. Na innych arkuszach skoroszytu są informacje pomocnicze: opis posługiwania się arkuszami, wykresy pomiarów wzorcowych, rozkład itp.

Stosujemy 3 rodzaje kart kontrolnych; bez granic tolerancji, wersję z granicami tolerancji i C_p oraz C_pk. Trzecią najbardziej rozbudowaną wersję karty kontrolnej przedstawia tabela:

  Oprócz linii kontrolnych GLK, DLK, linii środkowej Lśr wynikłych z procesu wzorcowego oraz granic tolerancji GGT, DGT wprowadzono dodatkowe linie kontrolne górną i dolną LG/CpX, LD/CpX, które wynikają z narzuconego specyfikacją dotrzymania wskaźnika C_pk.W przypadku naszego odbiorcy, jest to wartość CpX=1,67. Jeżeli wykres opisujący proces będzie przebiegał między tymi liniami, to ten warunek będzie dotrzymany przy założeniu, że średnie odchylenie standardowe nie ulegnie zwiększeniu.

Wprowadzono także poprawkę na występujący skurcz wtórny. Należy wyznaczyć ją doświadczalnie, z dużej próbki i pod wyżej opisanymi warunkami stałej temperatury. Na formularzu poprawka modyfikuje przebieg linii LG/CpX i LD/CpX.

Alternatywnie zamiast tego można by przesunąć tylko granice tolerancji:   

 …GT_1h = …GT_¥ + (poprawka na skurcz wtórny)                        (4)

 W tych warunkach GLK i DLK należy traktować jako wewnętrzne granice kontroli procesu (stanu uregulowanego) zgodnego z procesem wzorcowym. natomiast LG/CpX i LD/CpX, o ile leżą na zewnątrz zakresu GLK ÷ DLK,, należy traktować jako linie zewnętrzne. Jeżeli któraś z linii ­L…/CpX leży wewnątrz zakresu GLK ÷ DLK to należy starać się proces prowadzić wewnątrz zakresu …LK ÷ ­L…/CpX. Taki przypadek może wystąpić, gdy prowadzi się proces ze względu na więcej niż jeden parametr z granicami kontrolnymi.

Karty kontrolne prowadzą bezpośrednio pracownicy obsługujący wtryskarki. Od chwili wprowadzenia kart kontrolnych poza merytorycznym ich prowadzeniem, nastąpiła aktywizacja czynnej samokontroli. Rezultatem było uzyskanie 0 ppm braków po  rocznej ocenie odbiorcy. Aby zostać zaliczonym do dostawców I klasy nie można przekroczyć 300 ppm braków.

W tym okresie nie mieliśmy jeszcze wtryskarek z mikroprocesorem.

 Wnioski :

*     Wprowadzenie SPC do procesu wtryskiwania tworzyw sztucznych nie wymaga inwestycji. Jedynie należy zakupić wagi elektroniczne, ewentualnie wykonać przyrządy do pomiarów liniowych.

*     Nie ma ograniczeń w zakresie parku maszynowego. W klasycznych wtryskarkach, bez sterowania zaworami proporcjonalnymi, proces wtryskiwania może być nadzorowany przy użyciu SPC z pełnym powodzeniem. Pozwala to także na ocenę stanu maszyn, szczególnie gdy zmienia się wtryskarki wytwarzające tą  samą wypraskę (szczególnie przez C_m).

*     Stosowanie kart kontrolnych z alternatywną oceną właściwości nie powinno być głównym kryterium uregulowania procesu. Należy stosować zapisy o ilości wad i uchybień wg kategorii.

*     Przed wprowadzeniem systemów komputerowych SPC (we wtryskarkach lub programów zewnętrznych) korzystne jest ręczne prowadzenie kart kontrolnych.

*     Moduły SPC we wtryskarkach winny mieć możliwość wprowadzania i obróbki, zewnętrznych danych pomiarowych w stosunku do parametrów maszyny.

*     Stosowanie modułów spc wbudowanych we wtryskarki będzie najbardziej efektywnie wykorzystane w przypadku ciągłej pracy na wyspecjalizowanym stanowisku wtryskarka-forma.

*     Nawet ograniczone wdrożenie metod statystycznych ułatwia ustawienie procesu, jego nadzór i monitoring stanu stanowiska pracy.

*     Ręczne prowadzenie kart kontrolnych przez obsługę wtryskarki wpływa na aktywizację projakościową. Stosowanie jednotorowych kart mediany jest metodą prostą ale skuteczną. Do sterowania procesem wtryskiwania szczególnie przydatne są karty kontrolne masy i wymiarów liniowych.

*     Stosowanie metod statystycznych, szczególnie statystycznego sterowania procesem produkcyjnym jest dobrym wskaźnikiem dla uzyskania certyfikatu systemu zapewnienia jakości zgodnego z normami ISO 9000.

Opracowane w Z.E. ELWRO “skoroszyty” programu Excel 5.0 możemy udostępnić bezpłatnie zainteresowanym.

   Literatura

1.    a.Iwasiewicz: Statystyczna kontrola jakości w toku produkcji. Systemy i procedury,

PWN, Warszawa 1985.

2.    PN-ISO 3534-2:  Statystyka. Statystyczne sterowanie jakością. Terminologia i symbole

3.    Zawistowski H.:Zabezpieczenie jakości wyprasek przez nadzór procesu wtryskiwania (SPC), Mechanik 1997, 70, 2, 65-68

4.    W.Nonnenmann: Systemy firmy IBN dla przemysłu wyrobów z tworzyw sztucznych, Mat.      

Sympozjum: Kierowanie wytwarzaniem. ITMiA Politechnika Wrocławska 1997

5.    PN-ISO 8258 + AC1: Karty kontrolne Shewharta.

6.    p.Bauer: Anwendung technischer Statistik; Statistical Process Control, Instrukcja, CHerry, Auerbach 1992.

7.    H.Helmers, R.Stark: SPC in der Continental, Qualität und Zuverlassigkeit 1988, 33, 2, 71-75.

8.    W. Linke: Statystyczne prowadzenie procesu (SPC) w przetwórstwie tworzyw sztucznych, Mat. Sympozjum: Plastech’94, 123-146.  

 SPC - Statistical process control in plastic injection moulding

 Wróć na górę