AT505694A2

AT505694A2 - Verfahren zum spritzgiessen und spritzgiessmaschine

Info

Publication number: AT505694A2
Application number: AT0105308A
Authority: AT
Inventors: Christian Dr Gornik
Original assignee: Wittmann Battenfeld Gmbh
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2009-03-15
Also published as: AT505694A3; DE102007030637B4; DE102007030637A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen einer spritzgießfähigen Masse in einer Spritzgießmaschine, die eine Plastifiziereinheit, eine Einspritzeinheit, eine Maschinensteuerung und ein Spritzgießwerkzeug mit einer Kavität aufweist, wobei spritzgießfahige Masse über einen sich von der Einspritzeinheit in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs erstreckenden Schmelzefließweg in das Spritzgießwerkzeug eingespritzt wird und wobei die spritzgießfähige Masse aus mindestens einer ersten Komponente, insbesondere einer Pulverkomponente, und mindestens einer zweiten Komponente, insbesondere einer Binderkomponente, besteht. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Spritzgießmaschine.

Beim Spritzgießen gefüllter Formteile, insbesondere aus pulverhaltigem Material, wird der so genannte Feedstock in einer Plastifiziereinheit durch Wärmeleitung von außen her über am Plastifizierzylinder angebrachte Heizbänder sowie aufgrund Dissipation in der Schmelze beim Durchmischen mittels einer Schnecke im Plastifizierzylinder aufgeschmolzen.

Der Feedstock besteht aus einem definierten Volumenanteil Pulver und aus einem definierten Volumenanteil Binder bzw. Binderkomponenten (z. B. Kunststoff). Dieses Verhältnis von Pulver- zu Binderanteil beeinflusst die Fließeigenschaften und bestimmt die Schwindung des Bauteils beim Sintern.

Die Binderkomponenten werden im Plastifizierzylinder zur Gänze bzw. zu einem sehr großen Teil schmelzflüssig, während die Pulverkomponenten im festen Aggregatzustand bleiben. Nach dem Spritzgießprozess werden die gespritzten Teile entbindert und gesintert. Der Feedstock wird vor der Verarbeitung auf der Spritzgießmaschine in Compoundiereinrichtungen homogenisiert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Feedstock bestehend aus einer ersten Komponente 8, nämlich einer Pulverkomponente, und einer zweiten Komponente 9, nämlich einer Binderkomponente. Dabei liegt nicht nur das richtige Mischungsverhältnis zwischen den Komponenten 8 und 9 vor, es ist auch eine gute Homogenisierung der Pulverteilchen in dem Binder gegeben.

Abweichend von dem Idealzustand gemäß Fig. 1 kann es zu Chargenschwankungen in der Mischungshomogenität kommen. Daneben sind auch Schwankungen in den Volumenanteilen von Binder und Füllstoff aufgrund ungleichmäßiger Dosierung beider Komponenten beim Mischen möglich. Ebenso kann es durch Beimengung von Rezyklat oder Regenerat in den Trichter der Spritzgießmaschine dazu kommen, dass Inhomogenitäten in der Schmelze auftreten.

Fig. 2 zeigt eine inhomogene Verteilung der Pulverteilchen, wobei allerdings das Mischungsverhältnis der Komponenten 8 und 9 korrekt ist. Diese Inhomogenitäten, also die örtlich unterschiedliche Verteilung von Füllstoffen und Binder, führen beim Sintern zu Lunkerbildung oder Rissen, da die Bereiche mit höherer Binderkonzentration nicht optimal zusammensintem. Weiterhin fuhren Inhomogenitäten in den Anteilen von Pulver und Binder bzw. Binderkomponenten zu unterschiedlichen Schwindungen beim Sintern und damit zu Ausschussteilen.

Diese Inhomogenitäten können auf Unterschiede in der räumlichen Verteilung der Füllstoffe bzw. auf unterschiedliche Füllstoffanteile zurückzuführen sein.

Generell gibt es also die folgenden Varianten von Inhomogenitäten, die Abweichungen von der in Fig. 1 dargestellten optimalen Mischung darstellen: 1. Die Volumenanteile Pulver zu Binder sind korrekt, die räumliche Verteilung von Pulver und Binder ist jedoch ungleichmäßig. Dies ist in Fig. 2 skizziert. 2. Die Volumenanteile Pulver zu Binder sind falsch, die räumliche Verteilung von Pulver und Binder ist gleichmäßig, 3. Die Volumenanteile Pulver zu Binder sind falsch, außerdem die räumliche Verteilung von Pulver und Binder ist ungleichmäßig. Dies ist schematisch in Fig. 3 skizziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Spritzgießen einer spritzgießfahigen Masse aus mindestens zwei Komponenten, insbesondere aus einer Pulverkomponente und mindestens einer Binderkomponente, sowie eine zugehörige Spritzgießmaschine zu schaffen, mit dem bzw. mit der es möglich ist, den Füllstoffgehalt der Schmelze und eine imgleichmäßige Komponenten-Verteilung, insbesondere Pulver/Binder-Verteilung, zu detektieren. Dadurch sollen Inhomogenitäten im aufbereiteten Feedstock auf ihre Ursache hin bestimmt werden, wie sie bei den oben genannten drei Varianten auftreten können. Es soll dabei unterschieden werden können, welche Variante der Inhomogenität vorliegt.

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist verfahrensgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die zumindest zeitweilige Messung der Kompressibilität und/oder der Fließfähigkeit der spritzgießfähigen Masse in der Spritzgießmaschine umfasst, um aus den gemessenen Werten für die Kompressibilität und/oder für die Fließfähigkeit auf den Gehalt an zweiter Komponente, insbesondere Binderkomponente, in der spritzgießfähigen Masse und/oder auf die Homogenität der aus erster Komponente, insbesondere Pulverkomponente, und zweiter Komponente, insbesondere Binderkomponente, bestehenden spritzgießfähigen Masse schließen zu können.

Speziell kann vorgesehen werden, dass die Messung der Kompressibilität der spritzgießfähigen Masse erfolgt, indem zunächst der Schmelzefließweg zwischen Einspritzeinheit und Kavität verschlossen wird und dann ein Kolben oder eine Schnecke der Einspritzeinheit um einen definierten Betrag verschoben wird und der hierbei erfolgende Druckanstieg in der Schmelze gemessen wird. Entsprechend umgekehrt kann dabei auch so vorgegangen werden, dass die Messung der Kompressibilität der spritzgießfähigen Masse erfolgt, indem zunächst der Schmelzefließweg zwischen Einspritzeinheit und Kavität verschlossen wird und dann ein Verschiebeweg eines Kolbens oder einer Schnecke der Einspritzeinheit gemessen wird, der erforderlich ist, um einen definierten Druckanstieg in der Schmelze zu erreichen.

Analog ist es auch möglich, dass die Messung der Kompressibilität der spritzgießfähigen Masse erfolgt, indem zunächst der Schmelzefluss durch den Schmelzefließwegs in die Kavität verhindert wird, dann zwischen der Kavität und einem Kolben oder einer Schnecke ein definiertes Volumen spritzgießfähiger Masse vorkomprimiert wird und dass dann die vorkomprimierte spritzgießfähige Masse von einem definierten Anfangsdruck auf einen definierten Enddruck durch Zurückziehen des Kolbens oder der Schnecke entlastet wird, wobei der hierfür erforderliche Verschiebeweg des Kolbens oder der Schnecke gemessen wird. Entsprechend umgekehrt kann dabei auch so vorgegangen werden, dass die Messung der Kompressibilität der spritzgießfähigen Masse erfolgt, indem zunächst der Schmelzefluss durch den Schmelzefließwegs in die Kavität verhindert wird, dann zwischen der Kavität und einem Kolben oder einer Schnecke ein definiertes Volumen spritzgießfähiger Masse vorkomprimiert wird und dass dann die vorkomprimierte spritzgießfähige Masse durch Zurückziehen des Kolbens oder der Schnecke um einen definierten Verschiebe weg entlastet wird, wobei der in der spritzgießfähigen Masse hierdurch erfolgende Druckabfall gemessen wird. • · · · t « · · ·· • · · · · · ··· · * · · ί · · ·· • · · · · · · · ·· ·· · ···· ··♦ ···· 4

Wenn hier vom Verhindern des Schmelzeflusses durch den Schmelzefließweg in die Kavität die Rede ist, kann dies aktiv durch einen Verschluss im Schmelzefließweg zur Kavität bewerkstelligt werden. Eine alternative und bevorzugte Möglichkeit besteht jedoch darin, dass der (weitere) Schmelzefluss dadurch verhindert wird, dass die spritzgießfähige Masse für ein Formteil in die Kavität eingespritzt wird und dann für eine gewisse Zeit der Nachdruck angelegt wird; dann nämlich kommt es auch zu keinem Schmelzefluss durch den Schmelzefließweg mehr. Der Vorteil dieser Art des Verhindems weiteren Schmelzeflusses besteht darin, dass dann vorgesehen werden kann, dass die Messung der Kompressibilität beim Abbau des Nachdrucks während eines Spritzgießzyklus erfolgt.

In der Maschinensteuerung kann dann aus den gemessenen bzw. vorgegebenen Werten für den Verschiebeweg und dem Druckanstieg bzw. Druckabfall die Kompressibilität berechnet werden.

Andererseits kann die Messung der Fließfähigkeit der spritzgießfähigen Masse erfolgen, indem eine Menge Schmelze von der Einspritzeinheit über einen Messfließweg ausgebracht wird, der fluidisch an den Schmelzefließweg angekoppelt wird, wobei der benötigte Ausspritzdruck gemessen wird, der zum Erreichen eines definierten Volumenstroms benötigt wird. Auch hier ist es entsprechend umgekehrt möglich, dass die Messung der Fließfähigkeit der spritzgießfähigen Masse erfolgt, indem eine Menge Schmelze von der Einspritzeinheit über einen Messfließweg ausgebracht wird, der fluidisch an den Schmelzefließweg angekoppelt wird, wobei der Volumenstrom gemessen wird, der sich beim Anlegen eines definierten Ausspritzdrucks ergibt. Auch hier kann wieder vorgesehen werden, dass in der Maschinensteuerung aus den gemessenen bzw. vorgegebenen Werten für den Volumenstrom und den Ausspritzdruck die Fließfahigkeit berechnet wird.

Die Messung der Fließfahigkeit der spritzgießfähigen Masse kann auch erfolgen, indem die Arbeit gemessen wird, die für die Durchführung des Einspritzvorgangs für ein Spritzgießformteil benötigt wird. In diesem Falle kann in der Maschinensteuerung aus dem gemessenen Wert für die Arbeit für den Einspritzvorgang die Fließfähigkeit berechnet werden.

Die Ermittlung der Kompressibilität und/oder der Fließfähigkeit kann dabei in definierten Zeitabständen oder in bestimmten Prozessstadien wiederholt werden. 99 9 9 9 9

9 9 9 ··· • I • 9 9 9 6

Fig. 5 ein Beispiel für die relative Volumenänderung (Kompressibilität) einer

Polypropylenschmelze in Abhängigkeit des Drucks und des Fiillstoffgehalts,

Fig. 6 ein Beispiel für eine Viskositätskurve eines Feedstocks mit optimalem Pulver/Binder-Verhältnis und mit höherem Binderanteil,

Fig. 7 ein zwischen einer Plastifizier- und Einspritzeinheit und einem Spritzgießwerkzeug angeordnetes Ventilelement in einer ersten, geöffneten Stellung,

Fig. 8 das Ventilelement in einer zweiten, verschlossenen Stellung und

Fig. 9 das Ventilelement in einer dritten Stellung, in der ein Messfließweg an die Plastifizier- und Einspritzeinheit fluidisch angekoppelt ist.

In Fig. 4 ist schematisch eine Spritzgießmaschine 1 dargestellt, die die üblichen Komponenten aufweist. Die Plastifiziereinheit 2 und die Einspritzeinheit 3 sind als kombinierte Schubschnecken-Plastifizier- und -Einspritzeinheit 2,3 ausgebildet, d. h. innerhalb eines Schneckenzylinders ist eine Schnecke 10 angeordnet, die sowohl mit einer Schneckendrehzahl rotieren als sich auch zum Einspritzen von Schmelze axial um einen definierten Betrag bewegen kann. Die plastifizierte Schmelze wird in bekannter Weise in die Kavität 6 eines Spritzgießwerkzeugs 5 eingespritzt, wobei das Verfahren von einer Maschinensteuerung 4 gesteuert bzw. geregelt wird. Beim Einspritzen fließt die Schmelze vom Schneckenvorraum 13 entlang eines Schmelzefließweges 7 in die Kavität 6. Das Ende der Plastifizier- und -Einspritzeinheit 2, 3 weist eine Schmelzedüse 14 (s. Fig. 7 bis 9) auf, die an das Spritzgießwerkzeug 5 angesetzt wird, um Schmelze in die Kavität 6 einzuspritzen.

Vorliegend wird als spritzgießfahige Masse ein Gemisch aus einer Pulverkomponente 8 und einer Binderkomponente 9 verwendet, s. Fig. 1 bis 3.

Die Spritzgießmaschine 1 ist weiterhin mit nicht dargestellten Sensoren versehen, um die relevanten Spritzgießparameter zu erfassen. Ein Sensor kann die Schneckendrehzahl erfassen. Ein weiterer Sensor kann vorgesehen werden, um das Schneckendrehmoment zu messen. Ferner kann ein Drucksensor vorgesehen werden, um den Druck p im Bereich des Schneckenvorraums 13 zu erfassen. Ein weiterer Sensor erfasst die axiale Schneckenverschiebung s. Mittels dieser

• ♦ • · • ♦ «Μ· 5

Die ermittelten Werte für die Kompressibilität und/oder die Fließfähigkeit der spritzgießfähigen Masse können weiterhin von der Maschinensteuerung herangezogen werden, um auf die Menge der Zumischung der zweiten Komponente, insbesondere der Binderkomponente, und/oder auf die Intensität der Vermischung von erster Komponente, insbesondere der Pulverkomponente, und zweiter Komponente, insbesondere der Binderkomponente, so Einfluss zu nehmen, dass die Werte für die Kompressibilität und/oder die FließfMhigkeit der spritzgießfähigen Masse innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegen.

Bei der vorgeschlagenen Spritzgießmaschine ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in den Schmelzefließweg im Bereich zwischen der Einspritzeinheit und der Kavität ein Ventilelement angeordnet ist, das wahlweise in einer ersten Stellung den Schmelzefließweg freigibt und in einer zweiten Stellung den Schmelzefließweg versperrt.

Das Ventilelement hat bevorzugt weiterhin einen Messfließweg, der in einer dritten Stellung fluidisch an den von der Einspritzeinheit kommenden Schmelzefließweg angekoppelt ist.

Die Erfindung stellt also auf den Grundgedanken ab, dass der FüllstofFanteil in dem aus mindestens zwei Komponenten bestehenden Feedstock durch Messung der Kompressibilität und/ oder die Mischungshomogenität des Feedstocks durch Messung der Fließfähigkeit der Schmelze während des Spritzgießens und insbesondere während eines Spritzgießzyklusses bestimmt werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine homogene Mischung eines Pulvers und eines Binders bei richtigem

Verhältnis von Pulver zu Binder,

Fig. 2 schematisch eine inhomogene Mischung eines Pulvers und eines Binders bei richtigem Verhältnis von Pulver zu Binder,

Fig. 3 schematisch eine inhomogene Mischung eines Pulvers und eines Binders bei nicht richtigem Verhältnis von Pulver zu Binder,

Fig. 4 schematisch eine Spritzgießmaschine in der Seitenansicht, • · • ♦ • · · ♦ · • ·♦· ι • · · • · · 7

Sensoren liegen alle Informationen vor, um die Einspritzarbeit We zu ermitteln. Die Einspritzaibeit We ergibt sich als Integral des Einspritzdrucks p über dem eingespritzten Schmelzevolumen; letzteres wiederum ist bei konstanter Schneckenzylinderquerschnittsfläche das Produkt aus Querschnittsfläche und der axialen Schneckenbewegung s.

Um zu bestimmen, ob die Zusammensetzung des Feedstocks - sowohl hinsichtlich der Volumenanteile der Komponenten 8 und 9 als auch bezüglich der Homogenität der Schmelze -in Ordnung ist, wird wie folgt vorgegangen.

Es wird beispielsweise jeweils nach einer gewissen Anzahl Schüssen eine Messung der Kompressibilität κ und der Fließfähigkeit η der spritzgießfähigen Masse in der Spritzgießmaschine durchgeführt. Aus den gemessenen Werten für die Kompressibilität κ und die Fließfähigkeit η wird auf den Gehalt an Binderkomponente 9 in der spritzgießfähigen Masse sowie auf die Homogenität der aus den Komponenten 8 und 9 bestehenden Schmelze geschlossen.

Zur Messung der Kompressibilität κ der Schmelze wird zunächst der Schmelzefließweg 7 zwischen Einspritzeinheit 3 und Kavität 6 verschlossen und dann die Schnecke 10 der Einspritzeinheit 3 um einen definierten Betrag As verschoben. Dabei wird der erfolgende Druckanstieg Δρ in der Schmelze gemessen, und zwar im Schneckenvorraum 13.

Zur Messung der Fließfähigkeit η der Schmelze wird eine Menge Schmelze von der Einspritzeinheit 3 über einen Messfließweg 11, s. Fig. 9, ausgebracht, wobei der Messfließweg, wie noch näher erläutert wird, fluidisch an den Schmelzefließweg 7 angekoppelt wird. Dabei wird der benötigte Ausspritzdruck p gemessen, der zum Erreichen eines definierten Volumenstroms dV/dt benötigt wird.

In der Maschinensteuerung 4 wird dann aus den gemessenen bzw. vorgegebenen Werten für den Verschiebeweg As und dem Druckanstieg Δρ die Kompressibilität κ und aus den gemessenen bzw. vorgegebenen Werten für den Volumenstrom dV/dt und den Ausspritzdruck p die Fließfähigkeit η berechnet, wofür in der Maschinensteuerung 4 entsprechende Daten hinterlegt sind.

Namentlich wird dabei auf folgendes Konzept abgestellt: 3 t • · · · • « Μ· ··

• · • · • · 8

Fig. 5 zeigt die relative Volumenänderung, d. h. die Kompressibilität, einer Polypropylenschmelze in Anhängigkeit des Gehalts an Pulverkomponente 8 (Füllstoff) und des Druckes p. Da üblicherweise der Füllstoff 8 eine zum Binder 9 unterschiedliche Kompressibilität auf weist, ergibt sich bei unterschiedlichen Füllstoffgehalten des sich vor der Schnecke 10 befindlichen Schmelzevolumens auch eine unterschiedliche Kompressibilität der Schmelze im Schneckenvorraum 13. Dabei kann man entweder auf einen absoluten Wat des Füllstoffgehaltes schließen (wenn auch die Kompressibilitäten von Füllstoff und Binder bekannt sind) oder auf einen relativen (Batch zu Batch) Wert des Füllstoffgehaltes (wenn die Kompressibilitäten von Füllstoff und Binder nicht bekannt sind).

Die entsprechenden Kurvenscharen sind in der Maschinensteuerung 4 gespeichert, so dass diese bei der Berechnung der Kompressibilität und der Fließfähigkeit darauf zurückgreifen kann.

Ob eine gegenüber einem Standard unterschiedliche Pulver/Binder-Verteilung vorliegt, kann durch Messung der Fließfähigkeit der Schmelze bestimmt werden. Je größer die Inhomogenität, desto schlechter fließt die Schmelze.

Hierzu erfolgt das genannte Ausspritzen einer zuvor aufdosierten Menge Schmelze über einen Messfließweg 11 (By-pass-Düse) mit definierten Kanalabmessungen (s. Fig. 9). Dabei wird der Ausspritzvolumenstrom dV/dt vorgegeben und der sich ergebende Druckbedarf p gemessen (oder umgekehrt ein Druck p im Schneckenvorraum 13 vorgegeben und der sich einstellende Volumenstrom dV/dt detektiert). Aus dem Zusammenhang zwischen Druckbedarf p und Volumenstrom dV/dt, der seinerseits der Schneckenvorlaufgeschwindigkeit proportional ist, ergibt sich eine Kenngröße, welche auf die Fließfähigkeit η und im weiteren Sinne auf die Viskosität schließen lässt.

In Fig. 6 ist hierzu eine Viskositätskurve für einen Feedstock mit optimalem Pulver/Binder-Verhältnis (Bezeichnung „316L Standard“) und eine Viskositätskurve eines Feedstocks, der einen höheren Binderanteil enthält, sonst aber gleiche Ausgangsmaterialien (Pulver und Binderkomponenten) aufweist (Bezeichnung „316L + 5%), dargestellt. Wie man erkennt, verändert sich mit veränderlichem Binderanteil auch die Fließfähigkeit.

Das bedeutet, dass in der Regel nur durch Messung der Fließfahigkeit des Feedstocks keine Aussage möglich ist, ob sich der Binderanteil geändert hat oder ob eine andere Mischungshomogenität vorliegt. Erst durch zusätzliche Messung der Kompressibilität kann ·· • ♦ · • · # • ♦ ♦ ♦ ♦ · ♦♦

·· ···§ ·· • t · # · • ··· · • · · • · · 9 erkannt werden, ob die veränderte Fließfahigkeit auf einen anderen Binderanteil zurückzuführen ist.

Die Bestimmung der Fließfahigkeit kann auch durch Messung der Einspritzenergie We, die für das Einspritzen erforderlich ist, erfolgen.

Die ermittelten Werte für die Kompressibilität κ und die Fließfähigkeit η der spritzgießfähigen Masse können von der Maschinensteuerung 4 dann auch herangezogen werden, um auf die Menge der Zumischung der Binderkomponente 9 und auf die Intensität der Vermischung der beiden Komponenten 8,9 so im geschlossenen Regelkreis Einfluss zu nehmen, dass die Werte für die Kompressibilität κ und für die Fließfähigkeit η der Schmelze innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegen.

Zur apparativen Ausstattung der vorgeschlagenen Spritzgießmaschine wird auf die Figuren 7 bis 9 hingewiesen. Mittels der dort skizzierten Vorrichtung und namentlich mit dem dargestellten Ventilelement 12, die bzw. das zwischen dem Ende des Schneckenzylinders und dem Spritzgießwerkzeug angeordnet ist, kann sowohl die Kompressibilität als auch die Fließfahigkeit der plastifizierten Schmelze ermittelt werden. Für den normalen Spritzgießbetrieb ist das um die Vertikalachse drehbare Ventilelement mit zylindrischer Grundkontur in der ersten Stellung I, die in Fig. 7 dargestellt ist. Es liegt also eine „offene Position“ vor, in der der Schmelzefließweg 7 zwischen Schneckenvorraum 13 und Kavität 6 geöffnet ist.

Zur Bestimmung von Veränderungen in der Homogenität der Schmelze wird ein definiertes Schmelzevolumen in den Schneckenvorraum 13 gebracht und das Einspritzaggregat in eine Position gefahren, in der die folgenden Messungen durchgeführt werden. Durch Drehen des Ventilelements 12 um die vertikale Achse in eine zweite Stellung II, s. Fig. 8, also in eine „Verschlussposition“, wird der Schmelzefließweg 7 durch das Ventilelement 12 vollständig blockiert. Die Schnecke 10 mit vorzugsweise geschlossener Rückstromsperre (es kann analog auch ein Kolben zum Einsatz kommen) komprimiert durch eine axiale Bewegung s der Schnecke in Richtung Düsenspitze die im Schneckenvorraum 13 befindliche Schmelze. Die Kompressibilität wird nach einem mathematischen Modell aus komprimiertem Volumen und • · • · · · * t · • · · · · · Μ* · ····· · ·« • · ♦ · · + · « ♦* ·♦ « ···· ·*# t··· 10 dem zur Kompression notwendigen Druck errechnet und mit einer Vorgabe verglichen. Nach Beendigung der Datenauihahme erfolgt eine Druckentlastung im Schneckenvorraum.

Die Schnecke fährt also in Richtung Schneckenvorraum 13 vor, bis der Druck p dort ansteigt. Dies kann in zweierlei Weise erfolgen. Einerseits kann die Schnecke einen definierten Weg As zurücklegen und es erfolgt eine Messung der zugehörigen Druckdifferenz Δρ oder es kann andererseits die Druckdifferenz Δρ vorgegeben werden und die Schnecke fährt so lange vor, bis diese Druckdifferenz erreicht ist. Gemessen wird hier der zurückgelegte Weg der Schnecke As. Aus den zusammengehörenden Werten As und Δρ kann nun nach einem mathematischen Modell die Kompressibilität des sich vor der Schnecke befindlichen Schmelzevolumens berechnet werden. Handelt es sich um eine Kolbeneinspritzeinheit, übernimmt der Einspritzkolben anstelle der Schnecke die Aufgabe des Druckaufbaus. Die Kompressibilität κ kann aus dem Volumen vor Beginn der Kompression und der Volumenveränderung bei Druckveränderung errechnet werden.

Durch Drehen des Ventilelements 12 in eine dritte Stellung III, s. Fig. 9, d. h. in eine Stellung „By-pass“, wird nun der Schmelzefließweg 7 zu einem Messfließweg 11 umgelenkt.

Die Geometrie des Messfließwegs 11 ist so gestaltet, dass sich bei den an der Maschinensteuerung 4 vorzugebenden Ausspritzgeschwindigkeiten ein Schergeschwindigkeitsprofil im Messfließweg 11 einstellt, bei dem keine nennenswerte Temperaturerhöhungen der Schmelze auftreten, da diese zu einer Beeinflussung des Messergebnisses führen können. Die Schnecke 10 fahrt mit einer definierten und vorzugsweise konstanten Geschwindigkeit nach vorne in Richtung Schneckenvorraum 13 und drückt die Schmelze durch den Messfließweg 11 aus, wodurch sich ein bestimmter Volumenstrom dV/dt darin einstellt. Aufgrund des dafür notwendigen Druckes p kann nach einem mathematischen Modell die Fließfahigkeit berechnet werden.

Die Informationen über die Kompressibilität und die Fließfähigkeit dienen in weiterer Folge der Qualitätsdokumentation und - wie bereits oben erwähnt - der Regelung der Qualität der Schmelze.

Wird in Verlauf des Spritzens beispielsweise festgestellt, dass die Mischungshomogenität schlechter ist, als ein zuvor gesetzter Referenzwert, so kann durch eine Anpassung der Plastifizierbedingungen eine bessere Homogenisierung erreicht werden. Dies geschieht • ·· · ···· ·· • · · · · · ·Φ· · ····· · « · ····· · t · ·· ·· * ···· ··· ···# 11 üblicherweise durch Erhöhung von Staudruck und/oder Schneckendrehzahl während der Dosierphase des Spritzgießprozesses.

Wenn sich ein gegenüber einem zuvor gesetzten Referenzwert („Ideal-Feedstock“) der Füllstoffgehalt verändert hat, so kann durch Anpassung der Einspritzbedingungen die Schwindung der Formteile so beeinflusst werden, dass sie wieder gleich ist, wie beim Ideal-Feedstock. Dies geschieht üblicherweise durch Erhöhung des Einspritzdrucks und/oder des Nachdrucks.

Es kann also auch vorgesehen sein, dass die gemessene Kompressibilität, welche ein Maß für den Füllstoffgehalt ist, und die Fließfähigkeit, welche ein Maß für die Mischungshomogenität ist, als Eingangsgrößen für eine Regelstrategie verwenden werden, bei der auf die Plastifizier- und Einspritzbedingungen in der Weise Einfluss genommen wird, dass die Formteilqualität hinsichtlich Schwindung und Homogenität auch bei schwankender Qualität des Ausgangsmaterials (Feedstock) möglichst gleich gehalten wird.

Die Durchführung der genannten Messungen kann entweder automatisch oder manuell in definierten Abständen (laufend oder stichprobenartig) erfolgen.

Der ermittelte Füllstoffgehalt und die ermittelte Mischungshomogenität können speziell zur Regelung des Plastifiziervorgangs und/oder des Einspritzvorgangs verwendet werden. Es kann auch vorgesehen werden, dass der ermittelte Füllstoffgehalt und ein Wert der Einspritzarbeit zur Regelung (und auch für die Qualitätsdokumentation) herangezogen werden. • «· · ···· · · • · · · · · ··· · ·♦«·· · · « ····· t ·· Μ ·· · ···· «t« ··*» 12 Bezueszeichenliste: 1 Spritzgießmaschine 2 Plastifmereinheit 3 Einspritzeinheit 2,3 Schubschnecken-Plastifizier- und Einspritzeinheit 4 Maschinensteuerung 5 Spritzgießwerkzeug 6 Kavität 7 Schmelzefließweg 8 erste Komponente (Pulverkomponente) 9 zweite Komponente (Binderkomponente) 10 Schnecke 11 Messfließweg 12 Ventilelement 13 Schneckenvorraum 14 Schmelzedüse κ Kompressibilität η Fließfähigkeit As Verschiebeweg Δρ Druckanstieg dV/dt Volumenstrom Ρ Ausspritzdruck WE Einspritzarbeit I erste Stellung II zweite Stellung III dritte Stellung

Claims

Patentansprüche: Verfahren zum Spritzgießen einer spritzgießfähigen Masse in einer Spritzgießmaschine (1), die eine Plastifiziereinheit (2), eine Einspritzeinheit (3), eine Maschinensteuerung (4) und ein Spritzgießwerkzeug (5) mit einer Kavität (6) aufweist, wobei spritzgießfähige Masse über einen sich von der Einspritzeinheit (3) in die Kavität (6) des Spritzgießwerkzeugs (5) erstreckenden Schmelzefließweg (7) in das Spritzgießwerkzeug (5) eingespritzt wird und wobei die spritzgießfähige Masse aus mindestens einer ersten Komponente (8), insbesondere einer Pulverkomponente, und mindestens einer zweiten Komponente (9), insbesondere einer Binderkomponente, besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die zumindest zeitweilige Messung der Kompressibilität (k) und/oder der Fließfähigkeit (η) der spritzgießfähigen Masse in der Spritzgießmaschine (1) umfasst, um aus den gemessenen Werten für die Kompressibilität (k) und/oder für die Fließfähigkeit (η) auf den Gehalt an zweiter Komponente (9), insbesondere Binderkomponente, in der spritzgießfähigen Masse und/oder auf die Homogenität der aus erster Komponente (8), insbesondere Pulverkomponente, und zweiter Komponente (9), insbesondere Binderkomponente, bestehenden spritzgießfähigen Masse schließen zu können. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Kompressibilität (k) der spritzgießfähigen Masse erfolgt, indem zunächst der Schmelzefließweg (7) zwischen Einspritzeinheit (3) und Kavität (6) verschlossen wird und dann ein Kolben oder eine Schnecke (10) der Einspritzeinheit (3) um einen definierten Betrag (As) verschoben wird und der hierbei erfolgende Druckanstieg (Ap) in der Schmelze gemessen wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Kompressibilität (k) der spritzgießfähigen Masse erfolgt, indem zunächst der

• · ···· ··· • ··· ···· 14 Schmelzefließweg (7) zwischen Einspritzeinheit (3) und Kavität (6) verschlossen wird und dann ein Verschiebeweg (As) eines Kolbens oder einer Schnecke (10) der Einspritzeinheit (3) gemessen wird, der erforderlich ist, um einen definierten Druckanstieg (Ap) in der Schmelze zu erreichen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Kompressibilität (k) der spritzgießfahigen Masse erfolgt, indem zunächst der Schmelzefluss durch den Schmelzefließwegs (7) in die Kavität (6) verhindert wird, dann zwischen der Kavität (6) und einem Kolben oder einer Schnecke (10) ein definiertes Volumen spritzgießfähiger Masse vorkomprimiert wird und dass dann die vorkomprimierte spritzgießfähige Masse von einem definierten Anfangsdruck auf einen definierten Enddruck durch Zurückziehen des Kolbens oder der Schnecke (10) entlastet wird (Ap), wobei der hierfür erforderliche Verschiebeweg (As) des Kolbens oder der Schnecke (10) gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Kompressibilität (k) der spritzgießfahigen Masse erfolgt, indem zunächst der Schmelzefluss durch den Schmelzefließwegs (7) in die Kavität (6) verhindert wird, dann zwischen der Kavität (6) und einem Kolben oder einer Schnecke (10) ein definiertes Volumen spritzgießfähiger Masse vorkomprimiert wird und dass dann die vorkomprimierte spritzgießfähige Masse durch Zurückziehen des Kolbens oder der Schnecke (10) um einen definierten Verschiebeweg (As) entlastet wird, wobei der in der spritzgießfahigen Masse hierdurch erfolgende Druckabfall (Ap) gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Kompressibilität (k) beim Abbau des Nachdrucks während eines Spritzgießzyklus erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Maschinensteuerung (4) aus den gemessenen bzw. vorgegebenen Werten für den Verschiebeweg (As) und dem Druckanstieg oder Druckabfall (Ap) die Kompressibilität (k) berechnet wird. 8. Ο ·· * · · • · · • · · • · · ·· • · · · • · ··« • · • · • ··«· ··· • · ··#· 15 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Fließfähigkeit (η) der spritzgießfähigen Masse erfolgt, indem eine Menge Schmelze von der Einspritzeinheit (3) über einen Messfließweg (11) ausgebracht wird, der fluidisch an den Schmelzefließweg (7) angekoppelt wird, wobei der benötigte Ausspritzdruck (p) gemessen wird, der zum Erreichen eines definierten Volumenstroms (dV/dt) benötigt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Fließfähigkeit (η) der spritzgießfähigen Masse erfolgt, indem eine Menge Schmelze von der Einspritzeinheit (3) über einen Messfließweg (11) ausgebracht wird, der fluidisch an den Schmelzefließweg (7) angekoppelt wird, wobei der Volumenstrom (dV/dt) gemessen wird, der sich beim Anlegen eines definierten Ausspritzdrucks (p) ergibt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Maschinensteuerung (4) aus den gemessenen bzw. vorgegebenen Werten für den Volumenstrom (dV/dt) und den Ausspritzdruck (p) die Fließfähigkeit (η) berechnet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Fließfähigkeit (η) der spritzgießfähigen Masse erfolgt, indem die Arbeit (We) gemessen wird, die für die Durchführung des Einspritzvorgangs für ein Spritzgießformteil benötigt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Maschinensteuerung (4) aus dem gemessenen Wert für die Arbeit (We) für den Einspritzvorgang die Fließfähigkeit (η) berechnet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Kompressibilität (k) und/oder der Fließfähigkeit (η) in definierten Zeitabständen oder in bestimmten Prozessstadien wiederholt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Werte für die Kompressibilität (k) und/oder die Fließfähigkeit (η) der spritzgießfähigen Masse von der Maschinensteuerung (4) herangezogen werden, um auf die Menge der Zumischung der zweiten Komponente (9), insbesondere der Binderkomponente, und/oder auf die Intensität der Vermischung von erster Komponente

• · I ♦ ♦ « • t « ·· ·· ·· t# · » • · ··· · • · · · • · · · • ···· ··· ···» 16 (8), insbesondere der Pulverkomponente (8), und zweiter Komponente (9), insbesondere der Binderkomponente, so Einfluss zu nehmen, dass die Werte für die Kompressibilität (k) und/oder die Fließfähigkeit (η) der spritzgießfähigen Masse innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegen. IS. Spritzgießmaschine (1), die eine Plastifiziereinheit (2), eine Einspritzeinheit (3), eine Maschinensteuerung (4) und ein Spritzgießwerkzeug (5) mit einer Kavität (6) aufweist, wobei spritzgießfähige Masse über einen sich von der Einspritzeinheit (3) in die Kavität (6) des Spritzgießwerkzeugs (5) erstreckenden Schmelzefließweg (7) in das Spritzgießwerkzeug (5) eingespritzt werden kann und wobei die spritzgießfähige Masse aus mindestens einer ersten Komponente (8), insbesondere einer Pulverkomponente (8), und mindestens einer zweiten Komponente (9), insbesondere einer Binderkomponente, besteht, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schmelzefließweg (7) im Bereich zwischen der Einspritzeinheit (3) und der Kavität (6) ein Ventilelement (12) angeordnet ist, das wahlweise in einer ersten Stellung (I) den Schmelzefließweg (7) freigibt und in einer zweiten Stellung (II) den Schmelzefließweg (7) versperrt.
16. Spritzgießmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (12) weiterhin einen Messfließweg (11) aufweist, der in einer dritten Stellung (III) fluidisch an den von der Einspritzeinheit (3) kommenden Schmelzefließweg (7) angekoppelt ist.
17. Spritzgießmaschine nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinheit (2) und die Einspritzeinheit (3) als kombinierte Schubschnecken-Plastifizier- und Einspritzeinheit ausgebildet sind.