DD285484A7 - Verfahren zur steuerung von spritzgiessmaschinen bei der duromer- und elastomerverarbeitung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung findet bei der Verarbeitung von Duromeren und Elastomeren, vorzugsweise bei Spritzguß dickwandiger Formteile Anwendung. Das Wesen besteht darin, die prozess- und stoffbedingte Änderung der Parameter der Formmasseeigenschaften insbesondere den Vorvernetzungsgrad c ind 0 kontinuierlich bei der ablaufenden chemischen Reaktion der Formmasse im Plastizierzylinder und im Verteilerkanal des Werkzeuges dadurch zu erfassen, dass mit der Normtemperatur DeltaT, bestimmt aus der Echtzeit-Temperaturmessung der wandnahen Formmasseschicht und der Echtzeit-Werkzeugwandtemperatur und dem gemessenen Werkzeuginnendruck aus dem aus kinetischen Laboruntersuchungen ermittelten Vorvernetzungsgradverlauf c ind 0 für den zu verarbeitenden Formmassetyp, dargestellt im Arbeitsdiagramm nach Figur 1, das im Rechner gespeichert ist, der reale Vorvernetzungsgrad c ind 0 direkt im Verarbeitungszyklus bestimmt wird und davon ausgehend in der Prozessführung zur Verkürzung der Zykluszeit dient.{Duromerverarbeitung; Elastomerverarbeitung; Spritzgießen; Zykluszeit; Vorvernetzungsgrad; Wandeffekte; Viskositätsfunktion; Arbeitsdiagramm; Rechner; chemische Reaktion; Entformung; Abkühlphase; Rückkopplung}

Description

»Microfiow" nutzt die Fließzah!, deren engen Zusammenhang mit den Formteileiqenechafton man kennt, zu einer indirektproduktadaptiven Prozeßregelung. Dm Prcgrernm mißt die Füeßzahl und verändert darauf aufbauend die Parameter Nachdruckbzw. druckabhängigen Umschaltpunkt.

Unter der Voraussetzung einer Temperaturmessung wird mittels „Microtemp" die Werkieugtemperierung dom Prozeßrechner

übertragen, wahlweise gesteuert oder geregalt. Damit kann man die gewünschte Temperatur über den Bildschirm eingeben.

Der Nachteil der Anwendung der Flleßzaht zur Steuerung bzw. Regelung besteht darin, daß Wandeffekte und damit auch das Viskositätsverhalten als Funktion des Vernetzungsgrades keine Beachtung finden. Eine Verfahrensoptimieriiiig für Duromere bzw. Elastomere während der Produktion unter Beachtung des Eigenschattsbildes

bzw. der Verarbeitungsparameter lsi mit diesen Programmen nicht möglich.

Das trifft auch auf die von Mauke u.a. (Mauke, A.: Proxeßrechnereinsatz beim Spritzgießen, Dies. RWTH Aachen 1985; Matzke, A.: Maschinenmarkt, Würzburg 90,19ä4,77, S. 1744-1747; Menges, C, Matzke, A., Janke, W.: Maschinönmarkt, Würzburg 89,1983,51, S. 1191-1194; Menges, Q., Matzke, A.: Maschinenmarkt, Würzburg 88,1982,77, S. 1576-1578)

dargelegten Steuersysteme für Spritzgußmaschinen, die insbesondere die Hydraulikregelunrj für die Einspritz- undrVachdruckphase sowie Temperaturregelung betreffen sowie die zur rechnsrgestützten Formteil- und Werkrougauslegungbekannten Programmsysteme und Einzelprogramme (Thienol, P. Berlin, R.: Kunststoffe 77,1987,2, S. 188-Ί93; Schmidt, J.:

Kunststoffe 78,1988,2, S. 109-117) zu. Mit dem DD-WP 262620 wird ein Verfahren dargelegt, das es gestattet, die Weiterreaktion des Formstoffes nach der Entformunn

in der Abkühlphase bei Einhaltung der Formteilgeometrie und des geforderten Mindestvernetzungsgrades c^n in jedem Punktdes Formteils für die Verkürzung des Zykluszeit auszunutzen.

Der Nachteil dieses Patentes besteht darin, daß ec auf dem Vorvernetzi'ngsgrad C₀ basiert, der vom Formmüssenhersteller

ausgewiesen bzw. mittels Laboruntersuchungen beim Vorarbeiter diskontinuierlich bestimmt wird.

Nach dem Stand der Technik sind Meßverfahren für die kontinuierliche Erfassung des Vorkondensationsgrades c₀ nach der Plastizlerung nicht bekannt. Deshalb werden im oben genannten Patent für die Zykluszeitoptimicrung Veränderungen des Vorvernetzungsgrade3 C₀ im Verarbeitungswarkzeug auch nicht berücksichtigt. Für gefüllte und hochgefüllto Foi.nmassen

reagiert die viskose Komponente der Fließeigenschsften, d. h. die Viskositätsfunktion, in weiten Bereichen der Veränderung des

Vernetzungsgrades c unempfindlich auf dessen Änderung. Damit ist mit der Anwendung bekannter Viskositätsmeßmittel oder den Methoden der Fließzahlmessung keine oder nur eino

unzureichende Information Ober den Vorvernetzungsgrad C₀ oder Anvulkanisationsgred im Verarbeitunjü-prozeß einer

Formmasse zu erhalten. Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur verbesserten Prozeßführung bei der Durcmer- und Elastomerspritzgiflßverarbeitung unter Berücksichtigung des VorverneUungsgrades c₀ bzw. des Anvulkanisatiorisgrades.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die prozeß- und stoff bedingte Änderung der Parbmeter

der Formmasseeigenschaften, insbesondere den Vorvernetzungsjjrad c₀ kontinuierlich bei der ablaufenden chemischen

Reaktion der Formmasse im Piastizierzylinder und im Varteüerkanal des Werkzeuges erfaßt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß beim Einspritzen eine Echtzeittemperaturmessung sowie Druckmessung der wandnahen Formmasseschicht im Verteilerkanal sowie der Kavität und der Wandtemperatur des Verteilerkanals sowie der Kavität mindestens einmal bzw. mehrfach erfolgon. Es wurde gefunden, daß bei Formmassen, die bei der Strömung im Werkzeug bzw. im Angußsystem Wandeffekte zeigen, die

durch viskose Bestandteile der Formmasse, die wiederum an der Wand bzw. in der wandnahen Schicht konzentriert aurti etenund meßbar sind, das Wandverhalten und damit das Fließverhalten beeinflußt und bestimmt werden.

Diese Wandeffekte sind entweder durch Mechanismen äußerer Reibung oder Schichtbildungsprozesse bedingt. Verfahrensgemäß wird das veränderte Dissipationsverhalten en der Wand bzw. in Wandnähe sowie das Wärmeübertragungsverhalten dazu benutzt, um nach Figur 1 das Arbeitsdiagramm zur Bestimmung von Korrelationen zwischen

der Temperatur der wandnahen Schicht T_MW und den die Wandeffekte bestimmenden Einflußgrößen, speziell dem

Vorvernetzungsgrad C₀, den Druck u.a. zu erstellen. Datjei werden stoffspezifische Funktionen z. B. Τμνν = f (C₀, T₀, p₀, t_w) gefunden. Das Arbeitsdiagramm nach Figur 1 dient in geeigneter Form im Rechner gespeichert jeweils zur Echtzeitbestimmung des Vorvernetzungsgrades C₀ bzw. Anvulkanisationsgrades und von diesem ausgehend der Zykluszeitoptimierung zur Erreichung

eines vorgegebenen Mindestvernetzungsgrades C_n,^ bzw. Mindestvulkanisationsgrades über den Formteilquerschnitt währendeines Verarbeitungszyklusses.

Es wurde entgegen allen bisherigen Verfahren und Vorrichtungen gefunden, daß mit der Anwendung von gegenüber der Angußverteilerwandung isolierten Temperaturmeßstellen und Weib'onwandtemperaturmeßstellen sowie Druckmeßstellen

und der angußnahen Werkzeuginnendruckmossung eine Quantifizierung der Reibungsverhältnisse der strömenden Formmasseüber die Eigenschaften der wandnahen Formmasseschicht gewährleistet sowie eine kontinuierliche Rückkopplung zu denprozeß- und stoffbedingtan Änderungen dor Parameter der Formmasseeigenschaften gegeben ist.

Für dan Kaltkanalspritzguß wird die Aufgabe z. B. dadurch gelöst,

daß bekannterweisa

- die Formmasse plastiziert wird, die Formteilbildung durch Einspritzen, Verdichten und beginnende Vernetzung der

Formmasse in der aufgeheizten Kavität bei eingestellter und konstant gehaltener bzw. geregelter oder gesteuerter

Werkzeugtemperatur erfolgt; daß erfindungsgemäß

- beim Einspritzen eine Echtzeit-Temperaturmessung der wandnahen Formmasseschicht entlang des Angußverteilers sowie nahe der Kavitätswandung und der eigentlichen Werkzeugwandtemperatur parallel mit Druckmessungen und der angußnahen Werkzeuginnendruckmessung erfolgt

- mit den gemessenen Echtzeitfcrmmasse- und Werkzeugwandtemperaturen sowie Drücken mittels des aus kinetischen Laboruntersuchungen ermittelten Vorvernetzungsgradverlaufes C₀ im Arbeitsdiagramm nach Figur 1, das im Rechner gespeichert ist, der Vorvernetzungsgrad C₀ als Funktion der wandnahen Formmassetemperatur Tmw und dem Werkzeuginnendruck und damit der Wandschubspannung t_w (im Falle der Konstanz weiterer Einflußgrößen wie z. B. der Feuchte) real im Spritzgießprozeß und damit kontinuierlich bestimmt werden,

daß in bekannter Weise

- mit dem real vorliegenden Vorvemetzungsgrad C₀ der Vernetzungsgrad c_mi„ als Funktion der Zeit t, der Echtzeit-FormmassetemperaturTnw und der Echtzeit-WerkzeugwandtemperaturT«, unter Nutzung aktueller Werkstoffkennwerte und Pro;:eßparameter berechnet wird, dabei

- in einer Vorwärtsrechnung, ausgehend vom real vorliegenden Vorvernetzungsgrad C₀ bzw. Anvulkanisationsgrad der Foi mmasse eine Zykluszeit bis zur Erreichung des geforderten Mindestvernetzungsgrades c_mln bestimmt und

- in einer Hückwäi tsrechnung unter Einbeziehung der Zeitdauer der Weiterreaktion der Vernetzung nach dem Verfahrensschritt Entformung während des hinzugekommenen Verfahrensschrittes Abkühlphase durch die schrittweise Verminderung der Zykluszeit erneut bis zum Mindeatvernetzungsgrad c_mln die chemische Reaktion berechnet wird, wobei der vom Rechner bestimmte reale Vorvemetzungsgrad c und die vom Rechner berechnete Zeit für die Woiterreaktion in der Abk'ihlphase bis zum geforderten Vürnetzungsgrad c_mi_n zur Verkürzung der Zykluszeit dienen.

Ausführungsbelspl6l

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel erläutert. Bei der Herstellung von Formteilen aus Phenoplast mittels Kaltkanalspritzguß wurde die Formmasse Typ 31 bekannterweise plastiziert und in die Kavität eingespritzt. Beim Einspritzen der Formmasse erfolgten eine Echtzeittemperaturmessung der wandnahen Formmasseschicht entlang des Angußverteilers sowie nahe der Kavitätswandung und der eigentlichen Werkzeugwandt.emperatur ortsgleich mit Druckmessungen und der angußnahen Werkzeuginnendruckmessung.

Mit der Normtemperatur ΔΤ, bestimmt aus der Echtzeit-Temperaturmessung der wandnahen Formmasseschicht und der Echtzeit-Werkzeugwandtemperatur und dem gemessenen Werkzeuginnendruck, wird aus dem aus kinetischer Laboruntersuchungen ermittelten Vorvernetzungsgradverlauf C₀ für den Formmassetyp 31.. dargestellt irr. Arbeitsdiagramm nach Figur 1, das im Rechner gespeichert ist, der reale Vorvemetzungsgrad C₀ direkt im Verarbeitungszyklus bestimmt und somit kontinuierlich erfaßt. Es wurde festgestellt, daß sich der Vorvemetzungsgrad C₀ im .»pritzgießprüzeß bis zum Eintritt in die Ksvität gegenüber dem Vorvernetzungsgrad C₀ im Anlieferzustand der Formmasse von z.B. C₀ - 0,2 auf" C₀ = 0,3-0,55 je nach Verarbei'.ungsbedingungen ändert.

Ausgehend von dem real vorliegenden Vorvernetzungsgrad C₀ wurde im weiteren der Vernetzungsgrad c_mi_n als Funktion der Zeit t, der Echtzeit-Formmassetemperatur Tmw unter Nutzung aktueller Werkstoffkennwerte und Prozaßparamoter berechnet. Die Zykluszeit wurde in einer Vorwärtsrechnung ausgehend vom real vorliegenden Vorvemetzungsgrad C₀ dor Formmasse Typ 31 bis zur Erreichung des geforderten Mindestvernetzungsgrad Cmin bestimmt. Anschließend wurde in einer Rückwärtsrechnung unter Einbeziehung der Weiterreaktion der Vernetzung nach dem Vertahrensschritt Entformung während des hinzugekommenen Verfahrensschrittes Abkühlphai'e durcti die schrittweise Verkürzung der Zykluszeit erneut bis zum Mindestvernetzungsgrad c_mi„ dis chemische Reaktion berechnet, wobei der vom Rechner bestimmte reale Vorvernetzungsgrad C₀ und die vom Rechner berechnete Zeit für die Weiterreaktion in der Abkühlphase bis zum geforderten Verneizungsgrad c_m;_n zu. Verkürzung der Zykluszeit dienen. Die Berücksichtigung allein des im Spritzgießprozeß real bestimmten Vorvemotzungsgrades c_o führte bei dickwandigen Fertigteilen aus Typ 31 zu einer Zykluszeitverkürzung bis zu 10%.

Claims (1)

1. Verfahren zur Steuerung von Spritzgießmaschinen bei der Duromer- und Elastomerverarbeitung, bei dem bekannterweise die Formmasse plastiziert wird, die Formtoilbildung durch Einspritzen, Verdichten und beginnende Vernetzung der Formmasse in der aufgeheizten Kavität bei umgestellter und konstant gehaltener bzw. geregelter oder gesteuerter Werkzeugtemperatur erfolgt, gekennzeichnet dadurch, daß beim Einspritzen eine Echtzeit-Temperaturmessung der wandnahen Formmasseschicht entlang, bevorzugt an einer Stelle des Angußverteilers sowie nahe der Kavitätswandung und der eigentlichen Werkzeugwandtemperatur gleichzeitig mit Druckmessungen und der angußnahen Werkzeuginnendruckmessung erfolgt, mit den gemessenen Echtzeit-Formmasse- und Werkzeugwandtemperaturen sowie Drücken mittels des im Rechner als Arbeitsdiagramm nach Fig. 1 gespeicherten Vorvernetzungsgradverlaufes c₀ der Vorvernetzungsgrad C₀ als Funktion der wandnahen Formmassetemperatur T_Mw und dem Werkzeuginnendruck und damit der Wandschubspannung t_w real im Spritzgießprozeß und damit kontinuierlich bestimmt wird, und in bekannter Weise mit dem real vorliegenden Vorvemetzungsgrad c_o der Vernetzungsgrad c_m|_n als Funktion der Zeit t, der Echtzeit-Formmassetemperatur T_MW und der Echtzeit-Werkzeugwandtemperatur T_w unter Nutzung aktueller Werkstoffkennwe;te und Prozeßparameter berechnet wird, dabei in einer Vorvv ürtsrechnung, ausgehend vom real vorliegenden Vorvernetzungsgrad C₀ bzw. Anvulkanisationsgrad der Formmasse eine Zykluszeit bis zur Erreichung des geforderten Mindestvernetzungsgrades c_mln bestimmt und in einer Rückwärtsrechnung unter Einbeziehung der Zeitdauer der Weiterreaktion der Vernetzung nach der Entformung in der Abkühlphase durch die schrittweise Verminderung der Zykluszeit erneut bis zum Mindestvernetzungsgrad c_mm die chemische Reaktion berechnet wird, wobei der vom Rechner bestimmte reale Vorvernetzungsgrad C₀ und die vom Rechner berechnete Zeit für die Weiterreaktion in der Abkühlphase bis zum geforderten Vernetzungsgrad c_mm zur Verkürzung der Zykluszeit dienen.

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   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung findet bei der Spritzgußverarbeitung von Duromeren und Elastomeren Anwendung.

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik

   Bekannt sind Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung und Steuerung des Einspritzprozesses (DD-WP 227383, DD-WP 66020), zur Umschaltung von Spritzen auf Nachdruck (DE-AS 1468160,DE-OS 2412341,DE-AS 2021739,DE-OS 2443938, DD-PS 146912, DE-AS 1946637, DD-PS 246C78) sowie Schalteinrichtungen zur Auslösung druckabhängiger Schaltvorgänge (DD-PS 132943). Gegenüber der bekannten Verfahrensweise einer generell zeitabhängig gesteuerten Kühlphase des Formteils beim Thermoplastspritzguß erfolgt nach DD-PS 212472 die Entformung, wenn die mit Hilfe von Temperaturfühlern im Werkzeug gemessene Temperatur eine vorher an einem Steuerwerk eingestellte Entformungstemperatur erreicht oder wenn die zum Erreichen der geforderten Entformungstemperatur notwendige Kühlzeit, die während des Spritzgießens berechnet wird, abgelaufen ist.

   Eine Anwendung dieses Verfahrens zur Steuerung des Spritzgußprozesses auf die Duromer- bzw. Elastomerverarbeitung ist ausgeschlossen, da chemische Reaktionen der zu verarbeitenden Werkstoffe keine Beachtung finden. In den theoretischen und experimentellen Arbeiten von Buschhaus (Buschhaus, F.: Automatisierung beim Spritzgießen von Duromeren und Elastomeren, Diss. RWTH Aachen 1982) wird zwar der zeitliche VerneUungsvarlauf berechnet, es fehlen jedoch die Korrelationen zwischen Vernetzungsprofil und Formteileigenschaften, um die erforderliche Zykluszeit für optimierte Formteileigenschaften vorauszuberechnen. Eine Einbeziehung der Weiterreaktion d6r Vernetzung bei starkwandigen Formteilen nach dem Verfahrensschritt Entformung in der darauffolgenden Abkühlphase zur Verkürzung der Zykluszeit erfolgt nicht. Das erfolgt auch nicht bei Paar (Paar, M.: Auslegung von Spritzgießwerkzeugen für vernetzende Formmassen, Diss. RWTH Aachen 1983), der ausgehend vom sich ausbildenden Temperaturprofil den Vernetzungsverlauf berechnet. Zur Überwachung und Selbstkontrolle des Spritzgießprozosses sind die Programme „Microplast", „Microflow" und „Microtemp" bekannt (Steinbichler, G.; Lampl, A.: Kun;,tstoffberater 32,1387. Wt₁ S.22-24; Kunststoffe76,1986,11, S. 1007-1012). „Microplast" diont der üualitätsüberwachung; es wird während der dynamischen Füllphase die Fließzahl als eine Maßzahl für den Energieverbrauch beim Formfüllvorgang ermittelt. Bei vorgegebenen Werkzeugfüllwiderstanri, unveränderter Maschineneinstallung, konstanter Masse- und Werkzeugtemperatur erhält man eine Information über die geänderte Fließfähigkeit der Schmelze. Es werden dadurch Chargenschwankungen sowie wechselnder Füllstoffgehalt erfaßbar, darüber hinaus erkennt man auch eine unzureichende Vortiocknurtg sowie unterschiedliche Regeneratanteile. Ausgehend von den gemessenen Quaütätseigenschaften der Formteile (ζ. B. Abmessung, Gewicht, Verzug, Festigkeit) legt man die Toleranzgrenzen für die Fließzahl fest. Anhand dieser Grenzwerte wird die Serienproduktion überwacht, und es erfolgt eine automatische Ausschußsoiaktion über Robotersysteme oder Ausfallrutschen.