AT501951A2 - Verfahren zum spritzgiessen von kunststoffteilen - Google Patents
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Description
• * · • · · • · · • ♦ · ♦ ♦ *·
-VL • · · ··# ··· · ♦ · · • · · · ··· ··· ··
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoff teilen, das mindestens die Schritte umfasst: a) Plastifizieren von Kunststoff in einer Plastifizier- und Einspritzschnecke, um Kunststoffschmelze zu erzeugen, b) geschwindigkeitsgeregeltes Einspritzen der Kunststoffschmelze in eine Kavität eines Werkzeuges, c) Umschalten vom geschwindigkeitsgeregelten Einspritzen auf druckgeregeltes Nachdrücken der Kunststoffschmelze, um die volumetrische Schwindung des Kunststoffes während des Abkühlens im Werkzeug auszugleichen, d) Nachdrücken der Kunststoffschmelze über eine vorbestimmte Zeit, und e) Entformen des Kunststoffteiles.
Bei bekannten Verfahren wird das Umschalten von der geschwindigkeitsgeregelten Einspritzphase auf die druckgeregelte Nachdruckphase üblicherweise dann durchgeführt, wenn das Formteil zwischen 95% und 99% volumetrisch mit Kunststoffschmelze gefüllt ist. Der Nachdruck gleicht die volumetrische Schwindung des Kunststoffes während der Abkühlphase im Werkzeug aus. Die erforderliche Nachdruckzeit wird normalerweise mittels der so genannten Siegelkurve ermittelt. Dabei werden Formteile mit ansteigenden Nachdruckzeiten gespritzt und wird das Formteilgewicht über der jeweiligen Nachdruckzeit aufgetragen. Ändert sich das Formteilgewicht nicht mehr, ist die zugehörige Nachdruckzeit, die für den Prozess erforderlich ist, ermittelt.
Dieses Verfahren ist jedoch zeitaufwendig, nur schwer automatisierbar und es besteht keine Möglichkeit, Veränderungen im Prozess zu berücksichtigen. Weiterhin ist eine Waage erforderlich und der Maschinenbediener muss entsprechend geschult sein.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren wie eingangs angegeben vorzusehen, wobei die Ermittlung der Nachdruckzeit automatisierbar ist und Veränderungen im Prozess berücksichtigt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Zeit zum Nachdrücken der Kunststoffschmelze gemäß Schritt d) nach einem mathematischen Modell ermittelt wird. Die erforderliche Nachdruckzeit wird also nicht mehr experimentell ermittelt, sondern anhand von physikalischen Prinzipien und im Prozess vorliegenden Parametern berechnet. Basis dieser Berechnung ist das Absinken des Volumenstroms, da dieser quasi auf Null absinkt, wenn kein Material mehr nachgedrückt werden kann. Bevorzugt ist vorgesehen, dass in das mathematische Modell veränderbare Prozessgrößen oder Systembedingungen wie Werkzeugwandtemperatur oder beispielsweise sich ändernde Schmelzetemperaturen einfließen. Vorteilhafterweise ist das Berechnungsmodell in der Maschinensteuerung hinterlegt.
Dadurch, dass die Nachdruckzeit berechnet wird, ist es möglich, für jeden einzelnen Zyklus die Nachdruckzeit zu ermitteln. Ein Teil des mathematischen Modells ist das Abkühlverhalten der Schmelze entlang der Isobaren, welches mittels einer Exponentialfunktion beschrieben wird. Ein weiterer Teil des mathematischen Modells ist das Abkühlverhalten der Kunststoffschmelze, welches durch den Wärmeübergang von der Schmelze auf das Werkzeug hervorgerufen wird. Auch dieses Verhalten ist anhand einer Funktion darstellbar.
Das im Folgenden vorgestellte Verfahren zur Ermittlung der Nachdruckzeit basiert auf dem physikalischen Prinzip, dass es bei einem eingestellten Nachdruck ab einer, dem System (Kunststoff -Werkzeug - Maschine) immanenten Zeit nicht mehr möglich ist, zusätzliche Schmelze ins Werkzeug zu drücken. Das bedeutet, dass der Volumenstrom, den die Schneckenvorlaufgeschwindigkeit während der Nachdruckphase bewirkt, auf Null bzw. nahezu Null absinkt. Ein Null-Volumenstrom wird nur erreicht, wenn die Rückstromsperre keine Leckverluste aufweist. Während der Nachdruckphase beeinflussen zwei Effekte die Schneckenvorlaufge-schwindigkeit: 1. Durch die Abkühlung der Schmelze entlang einer Isobaren im pvT-Diagramm in Verbindung mit der Abkühlung des Kunststoffs, die in guter Näherung durch eine Exponentialfunktion für die Schmelzetemperatur T (t) wie folgt beschrieben werden kann:
= t +(t ~t)'~T'exP an n (1) ergibt sich das notwendige nachzudrückende Schmelzevolumen. In der vorstehenden Gleichung sind TH die Werkzeugwandtemperatur, TM die Massetemperatur der Schmelze beim Einspritzen, a die Temperaturleitfähigkeit des Kunststoffs und s die Formteildicke. 2. Durch das Absinken der Temperatur des Kunststoffs aufgrund des Temperaturausgleichs zwischen Werkzeug und eingespritzter Kunststoffschmelze steigt auch die Viskosität im Werkzeug. Aufgrund des Zusammenhangs
(2) zwischen dem Volumenstrom V , einer Geometriegröße k, dem Druck p und der Viskosität η sinkt somit auch dadurch der Volumenstrom V ab.
Es kann nun von der Maschinensteuerung folgendes detektiert werden: • Der Volumenstrom V (t) in der Nachdrückphase ist auf Null bzw. nahezu Null gesunken. Ab diesem Zeitpunkt kann der Nachdruck beendet werden. Dabei kann messtechnisch ein Problem auftreten, da die Volumenströme gegen Ende der Nachdrückzeit nur mehr sehr gering sind und gegenüber einem möglicherweise vorhandenen Rauschen nicht mehr eindeutig feststellbar sind. • Die Volumenkurve wird zu Beginn der Nachdrückphase, also wenn noch relativ große Volumenänderungen mit herkömmlichen Wegaufnehmersystemen gemessen werden können, durch eine Exponentialfunktion approximiert: • φφφ ··· • · • · φ_φφ ··· • φ
Ν.Α V(t) — α· (3)
Darin sind a, b und c Konstanten, die aus der Approximation ermittelt werden, t ist die Zeit seit Beginn des Einspritzens und tNrA die Zeit, zu der der Nachdruck begann. Die Volumenstromfunktion in der Nachdrückphase erhält man durch Differentiation von Gleichung 1 zu
(4)
Da sich auch die im System abspielenden Vorgänge durch eine Exponentialfunktion beschreiben lassen, liefert diese Approximationsart die beste Übereinstimmung mit tatsächlich gemessenen Volumenkurven 2, vgl. die beiliegende Zeichnungsfigur, die gemessene und approximierte Verläufe von Volumen und Volumenstrom während der Nachdruckzeit (Beispiel aus einem realen Prozess) veranschaulicht, wobei im einzelnen Kurven 1, 2, 3 und 4 mit folgender Bedeutung gezeigt sind:
1 gemessenes Volumen V
2 gemessener Volumenstrom V 3 approximiertes Volumen 4 Ableitung des approximierten Volumens
Die Volumenstromkurve 2, die aus der Maschinensteuerung erhalten wird, ist aufgrund der laufend durchgeführten Differentiation des gemessenen Volumens, Kurve 1, (errechnet aus dem Schneckenweg) von Rauschen behaftet und daher für die Auswertung meist unbrauchbar. Mit den aus der Approximation ermittelten Konstanten wird auf die notwendige Nachdruckzeit extrapoliert, nach der dann der Nachdruck beendet werden kann.
(5)
Wie bereits erwähnt kann es durch Leckverluste VUck der Rückstromsperre dazu kommen, dass die Schneckenvorlaufgeschwin- ···· ·· · φ • · · · · ··· φφφ · • · · · · φ · · ······ · ··· • · ·· _ ·^ ·Λ· ··· ·· digkeit auch nach sehr langen Nachdruckzeiten nicht auf Null abnimmt. In diesem Fall ist vor dem eigentlichen Produktionsbeginn der Leckverlust wie folgt zu ermitteln: • Das Formteil ist vollständig abgekühlt bzw. eine eventuell vorhandene Nadelverschlussdüse ist geschlossen. • Es wird der gewünschte Nachdruck über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten. • Die elastische Kompression der Schmelze zu Beginn darf nicht für die weiteren Überlegungen verwendet werden. • Die Schnecke bewegt sich aufgrund der Leckverluste über einen Zeitraum At um das Volumen AV, obwohl keine Schmelze in das Werkzeug bzw. durch die Düse strömt. • Wird der daraus errechenbare Volumenstrom
AV At (6) während der Nachdruckphase erreicht, so kann der Nachdruck beendet werden. Es ist dies der Leckvolumenstrom.
Wenn ein zu hoher Umschaltdruck (= Druck beim Umschalten auf Nachdruck) eingestellt wird, dann wird in der geschwindigkeitsgesteuerten Einspritzphase bereits zu viel Kunststoffschmelze in das Werkzeug gedrückt. Unmittelbar nach dem Umschalten bewegt sich in diesem Fall die Schnecke nicht nach einer Exponentialfunktion vorwärts (Richtung Düse), sondern bewegt sich wieder zurück. Dabei strömt Schmelze aus dem Werkzeug zurück in den Schneckenvorraum, was üblicherweise nicht gewünscht ist. Somit kann mit diesem Verfahren auch ermittelt werden, ob die Höhe des Umschaltdrucks und die Höhe des Nachdrucks richtig gewählt wurden. Sind diese beiden Drücke nämlich nicht richtig gewählt, dann ergibt sich keine Exponentialfunktion für das Volumen (Schneckenweg) über der Zeit.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich unter anderem folgende Vorteile: > Das Verfahren ermittelt die Nachdruckzeit auf einfache
Weise. * · · · · ··· ··· · ···· · · · · ······ · ··· • · ·· _ ·^ ·_·· ··· ·· > Es reagiert auch auf veränderte Systembedingungen, wie beispielsweise Werkzeugwandtemperaturen, und bestimmt für jeden Zyklus die richtige Nachdruckzeit. > Es kann ermittelt werden, ob Umschalt- und Nachdruck richtig gewählt wurden. > Es ist voll automatisierbar, kann in die Maschinensteuerung integriert werden und liefert so einen Beitrag in Richtung „selbstoptimierender Maschine".
Claims (5)
- • · t · ·· · t • · t · · ··· ··· · • · ♦ · · · · · ······ t ·«· ♦ · t« y ··· ··· ·· Patentansprüche: 1. Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoffteilen, das mindestens die Schritte umfasst: a) Plastifizieren von Kunststoff in einer Plastifizier- und Einspritzschnecke, um Kunststoffschmelze zu erzeugen, b) geschwindigkeitsgeregeltes Einspritzen der Kunststoffschmelze in eine Kavität eines Werkzeuges, c) ümschalten vom geschwindigkeitsgeregelten Einspritzen auf druckgeregeltes Nachdrücken der Kunststoffschmelze, um die volumetrische Schwindung des Kunststoffes während des Abkühlens im Werkzeug auszugleichen, d) Nachdrücken der Kunststoffschmelze über eine vorbestimmte Zeit, und e) Entformen des Kunststoffteiles, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Zeit zum Nachdrücken der Kunststoffschmelze gemäß Schritt d) nach einem mathematischen Modell ermittelt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell das Absinken des Volumenstromes der Kunststoffschmelze während des Nachdrückens berücksichtigt.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der Nachdrückzeit erreicht ist, wenn der Volumenstrom null oder weitgehend null ist.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass veränderbare Systembedingungen, wie die Werkzeugwandtemperatur, in das mathematische Modell einfließen.
- 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Nachdruckzeit automatisch erfolgt und in der Maschinensteuerung integriert ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Zyklus die Nachdruckzeit ermittelt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des mathematischen Modells eine Exponentialfunktion zur Bestimmung des Abkühlverhaltens der Kunststoffschmelze entlang einer Isobaren ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des mathematischen Modells eine Funktion zur Bestimmung des Abkühlverhaltens der Kunststoffschmelze durch Wärmeübergang auf das Werkzeug ist.
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