AT501951B1

AT501951B1 - Verfahren zum spritzgiessen von kunststoffteilen

Info

Publication number: AT501951B1
Application number: AT5932006A
Authority: AT
Inventors: Christian Gornik
Original assignee: Adcuram Maschb Holding Gmbh
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2008-12-15
Also published as: DE102005016617B3; AT501951A3; AT501951A2

Description

2 AT 501 951 B1

Die Erfindung betrifft ein 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) 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, e) Entformen des Kunststoffteiles.

Bei den 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 Schmelze 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 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.

Andere Lösungen sind aus der JP 01-166927 A, aus der JP 03-153332 A, aus der AT 7 473 U1, aus der US 2004/159965, aus der EP 0 897 786 A2 und aus der DE 39 27 995 A1 bekannt, wobei beispielsweise auf die Temperatur oder auf das spezifische Volumen als Kriterium zur Beendigung des Nachdrückens abgestellt wird.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Ermittlung der Nachdruckzeit anzubieten, das automatisierbar ist und Veränderungen im Prozess berücksichtigt.

Die Lösung der Aufgabe ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Zeit zum Nachdrücken der Kunststoffschmelze gemäß Schritt d) nach einem mathematischen Modell ermittelt wird, wobei das mathematische Modell das Absinken des Volumenstromes der Kunststoffschmelze oder den Verlauf des Schneckenweges während des Nachdrückens berücksichtigt. 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 Volumenstromes, da dieser quasi auf Null absinkt, wenn kein Material mehr nachgedrückt werden kann. Weiterbildungsgemäß 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 3 AT 501 951 B1 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 Schne-ckenvorlaufgeschwindigkeit während der Nachdruckphase bewirkt, auf Null bzw. nahezu Null absinkt. Volumenstrom Null 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) = Tw+{TM-Tw)- — -exp 7Γ Γ 2 a-n* λ (1) ergibt sich das notwendige nachzudrückende Schmelzevolumen. In der vorstehenden Gleichung sind Tw 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 V = k·— (2) n 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: V{t) = a(b+e'c {l'tNA)) (3)

Darin sind a, b und c Konstanten, die aus der Approximation ermittelt werden, t ist die Zeit seit Beginn des Einspritzens und tNtA die Zeit, zu der der Nachdruck begann. Die Volumenstromfunktion in der Nachdrückphase erhält man durch Differentiation von Gleichung 1 zu V(t) =

dV = -ace 'c'(f lN,A) (4) 4 AT 501 951 B1

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.

Leck ac rv (5)

Wie bereits erwähnt kann es durch Leckverluste VLeck der Rückstromsperre dazu kommen, dass die Schneckenvorlaufgeschwindigkeit 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 V,

Leck 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

Claims

5 AT 501 951 B1 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 Werkzeugwand“ temperaturen, 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“. 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) 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, e) Entformen des Kunststoffteiles, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Zeit zum Nachdrücken der Kunststoffschmelze gemäß Schritt d) nach einem mathematischen Modell ermittelt wird, wobei das mathematische Modell das Absinken des Volumenstromes der Kunststoffschmelze oder den Verlauf des Schneckenweges während des Nachdrückens berücksichtigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der Nachdrückzeit erreicht ist, wenn der Volumenstrom null oder weitgehend null ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine veränderbare Systembedingung in Form der Werkzeugwandtemperatur in das mathematische Modell einfließt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Nachdrückzeit automatisch erfolgt und in der Maschinensteuerung integriert ist.
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Zyklus die Nachdrückzeit ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des mathematischen Modells eine Exponentialfunktion zur Bestimmung des Abkühlverhaltens der Kunststoffschmelze entlang einer Isobaren ist.
7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des mathematischen Modells eine Funktion zur Bestimmung des Abkühlverhaltens der Kunststoffschmelze durch Wärmeübergang auf das Werkzeug ist. 6 AT 501 951 B1 Hiezu 1 Blatt Zeichnungen