DE102005016617B3

DE102005016617B3 - Spritzgießverfahren

Info

Publication number: DE102005016617B3
Application number: DE200510016617
Authority: DE
Inventors: Christian Gornik
Original assignee: Battenfeld GmbH
Current assignee: Adcuram Maschinenbauholding 80333 Muenchen De GmbH
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2025-04-13
Also published as: AT501951B1; AT501951A3; AT501951A2

Abstract

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. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die erforderliche Zeit zum Nachdrücken der Kunststoffmschmelze gemäß Schritt d) nach einem mathematischen Modell ermittelt wird.

Description

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.

Die AT 007 473 U1 schlägt beispielsweise vor, ein Profil zum Nachdrücken der Kunststoffschmelze nach einem mathematischen Modell auf Basis des Druckverlaufes zu regulieren, diese Methode ist auch in der DE 195 36 566 C1 offenbart, wobei hier zunächst ein iterativer Prozess vorgeschlagen wird. Die EP 897 786 A2 zieht hier einen Knick im Druckverlauf als Basis heran.

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 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. Volumenstrom Null wird nur erreicht, wenn die Rückstromsperre keine Leckverluste aufweist. Wäh rend der Nachdruckphase beeinflussen zwei Effekte die Schneckenvorlaufgeschwindigkeit:

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 beschrieben werden kann,
ergibt sich das notwendige nachzudrückende Schmelzevolumen. Darin sind T_W die Werkzeugwandtemperatur, T_M 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
zwischen Volumenstrom V ., einer Geometriegröße k, dem Druck p und der Viskosität η sinkt somit auch dadurch der Volumenstrom ab.

Es kann nun von der Maschinensteuerung folgendes detektiert werden:

• Der Volumenstrom in der Nachdruckphase 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 Nachdruckzeit nur mehr sehr gering sind und gegenüber einem möglicherweise vorhandenen Rauschen nicht mehr eindeutig feststellbar sind.
• Die Volumenkurve wird zu Beginn der Nachdruckphase, also wenn noch relativ große Volumenänderungen mit herkömmlichen Wegaufnehmersystemen gemessen werden können, durch eine Exponentialfunktion approximiert (3).
Darin sind a, b und c Konstanten, die aus der Approximation ermittelt werden, t ist die Zeit seit Beginn Einspritzen und t_N,A die Zeit, zu der der Nachdruck begann. Die Volumenstromfunktion in der Nachdruckphase erhält man durch Differentiation von Gleichung 1 zu

Da sich auch die im System abspielenden Vorgänge durch eine Exponentialfunktion beschreiben lassen, liefert diese Approximationsart die beste Übereinstimmung mit tatsächlich gemessenen Volumenkurven (2) (Fig. Gemessene und approximierte Verläufe von Volumen und Volumenstrom (1, 2, 3, 4) während der Nachdruckzeit (Beispiel aus einem realen Prozess)).

Die Volumenstromkurve (2), die aus der Maschinensteuerung erhalten wird, ist aufgrund der laufend durchgeführten Differentiation des gemessenen Volumens (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.

Wie bereits erwähnt kann es durch Leckverluste V_Leck der Rückstromsperre dazu kommen, dass die Schneckenvorlaufgeschwindigkeit auch nach sehr langen Nachdruckzeiten nicht auf Null abnimmt. In diesem Falle 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 Δt um das Volumen ΔV, obwohl keine Schmelze ins Werkzeug bzw. durch die Düse strömt.
• Wird der daraus errechenbare Volumenstrom
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 ins Werkzeug gedrückt. Unmittelbar nach dem Umschalten bewegt sich in diesem Falle 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 Umschalt- und die Höhe des Nachdruckes richtig gewählt wurden. Sind diese beiden Drücke nämlich nicht richtig gewählt, dann ergibt sich keine Exponentialfunktion für das Volumen (Schneckenweg) über der Zeit.

Vorteile des Verfahrens

– Es 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".

1: gemessenes Volumen
2: gemessener Volumenstrom
3: approximiertes Volumen
4: Ableitung des approximierten Volumens

Claims

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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der Nachdrückzeit erreicht ist, wenn der Volumenstrom null oder weitgehend null ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass veränderbare Systembedingungen wie Werkzeugwandtemperatur in das mathematische Modell einfließen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Nachdrückzeit automatisch erfolgt und in der Maschinensteuerung integriert ist.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Zyklus die Nachdrückzeit ermittelt wird.
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.
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.