DE102011101998A1

DE102011101998A1 - Verfahren zum Dosieren von Kunststoffschmelze in einem Plastifizier- und Einspritzaggregat einer Spritzgießmaschine

Info

Publication number: DE102011101998A1
Application number: DE201110101998
Authority: DE
Inventors: Klaus BRUNBAUER; Andreas Überall
Original assignee: Wittmann Battenfeld GmbH
Current assignee: Wittmann Battenfeld GmbH
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2012-11-22
Also published as: AT511496A2; AT511496A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dosieren von Kunststoffschmelze in einem Plastifizier- und Einspritzaggregat (1) einer Spritzgießmaschine. Um das Dosiervolumen möglichst genau einhalten zu können, sieht die Erfindung vor, dass das Dosieren von Kunststoffschmelze die Schritte umfasst: a) Dosieren einer ersten Schmelzemenge durch Drehen einer Plastifizier- und Einspritzschnecke (3) durch einen Drehantrieb (4) und translatorischem Bewegen der Plastifizier- und Einspritzschnecke (3) durch einen Verschiebeantrieb (5), wobei eine vorgegebene Schneckendrehzahl (n) mittels des Drehantriebs (4) und ein vorgegebener Staudruck (p) in der Schmelze durch den Verschiebeantrieb (5) gemäß einem vorgegebenen Profil gefahren werden; b) Bei Erreichen eines Umschaltpunkts (U) in Form einer definierten axialen Position der Plastifizier- und Einspritzschnecke (3): Dosieren einer zweiten Schmelzemenge durch Drehen der Plastifizier- und Einspritzschnecke (3) durch den Drehantrieb (4) und translatorischem Bewegen der Plastifizier- und Einspritzschnecke (3) durch den Verschiebeantrieb (5), wobei nunmehr eine gemäß einem vorgegebenen Profil definierte axiale Verschiebegeschwindigkeit (v) der Plastifizier- und Einspritzschnecke (3) mittels des Verschiebeantriebs (5) bis zu einer definierten Endposition (E) gefahren wird und wobei ein gemäß einem vorgegebenen Profil vorgegebener Staudruck (p) in der Schmelze durch den Drehantrieb (4) gefahren wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dosieren von Kunststoffschmelze in einem Plastifizier- und Einspritzaggregat einer Spritzgießmaschine, wobei das Plastifizier- und Einspritzaggregat einen Schneckenzylinder umfasst, in dem eine Plastifizier- und Einspritzschnecke von einem Dosierantrieb in Form eines regelbaren Drehantriebs drehbar und von einem Einspritzantrieb in Form eines regelbaren Verschiebeantriebs in axiale Richtung verschiebbar ist, wobei das Dosieren von Kunststoffschmelze erfolgt, indem die Plastifizier- und Einspritzschnecke von einer Steuerung veranlasst gedreht und von einem Schneckenvorraum translatorisch weg bewegt wird.
Beim Spritzgießen eines Kunststoff-Formteils muss vor dem Einspritzen der Kunststoffschmelze in das Spritzgießwerkzeug ein definiertes Volumen Kunststoffschmelze bereitgestellt werden. Dies erfolgt nach dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch, dass Kunststoffgranulat einer Plastifizier- und Einspritzeinheit aufgegeben wird, wobei das Kunststoffgranulat durch das Drehen der Plastifizier- und Einspritzschnecke im Schneckenzylinder plastifiziert, d. h. in schmelzflüssigen Zustand gebracht wird. Die Zuführung von Wärme mittels des Schneckenzylinders unterstützt das Aufschmelzen des Kunststoffmaterials.
Der Dosiervorgang, d. h. das Aufschmelzen eines für einen Schuss hinreichenden Volumens an Schmelze, erfolgt dabei so, dass in dem Maße, wie Schmelze im Schmelzevorraum angesammelt wird, die Schnecke entgegen der späteren Einspritzrichtung axial zurückbewegt wird.
Ist eine hinreichende Menge an Schmelze im Schneckenvorraum vorhanden, erfolgt der Einspritzvorgang durch axiales Bewegen der Schnecke in Richtung Werkzeug; der Rückfluss von Schmelze kann durch eine Rückstromsperre verhindert werden.
Der Dosiervorgang wird dabei von zwei vorgegebenen Profilen für Spritzgießparameter bestimmt: Zum einen wird die Schneckendrehzahl (d. h. die Schneckenumfangsgeschwindigkeit) über dem axialen Weg der Schnecke und somit über dem aufdosierten Volumen geregelt, wofür der eingangs genannte Dosierantrieb (Drehantrieb) der Schnecke zum Einsatz kommt. Zum anderen wird der Staudruck in der Schmelze über dem axialen Weg der Schnecke und somit über dem aufdosierten Volumen geregelt, wofür der genannte Verschiebeantrieb (Einspritzantrieb, der auch die Schnecke beim Einspritzen der Schmelze ins Werkzeug bewegt) zum Einsatz kommt.
Wichtig ist dabei, dass der Dosierweg bzw. das aufdosierte Schmelzevolumen (Dosiervolumen) möglichst genau reproduzierbar sind, d. h. von Schuss zu Schuss möglichst konstant bleibt, da dies für die Genauigkeit des Prozesses sehr wichtig ist.
Hierbei ergibt sich die Schwierigkeit, dass es nicht in einfacher Weise möglich ist, stets genau dieselbe Dosiermenge Schmelze bereitzustellen. Es findet nämlich beim eingangs genannten Verfahren keine Positionsregelung der axialen Schneckenlage statt, sondern typischerweise lediglich zum einen eine Drehzahlregelung (d. h. Regelung der Schneckendrehzahl über dem Weg bzw. dem Schmelzevolumen) und eine Staudruckregelung (d. h. Regelung des Staudrucks über dem Weg bzw. dem Schmelzevolumen).
Bislang wird versucht, ein brauchbares Ergebnis dadurch zu erreichen, dass sowohl der Drehzahlregler als auch der Staudruckregler bei Erreichen des Dosiervolumens, d. h. beim Erreichen einer definierten axialen Position der Schnecke, abgeschaltet werden. Die Drehzahlen beider Antriebe werden dann auf Null gebracht. Der Staudruck ist in dieser Phase nicht mehr geregelt und kann daher über- oder unterschwingen. Dieses ungünstige Verhalten ist vor allem bei servoelektrisch angetriebenen Plastifizier- und Einspritzeinheiten ausgeprägt, da zur Staudruckregelung der Einspritzantrieb aktiv verfahren werden muss.
Der Erfindung liegt im Lichte dieser Situation die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es ohne aufwändigere apparative Ausstattung der Spritzgießmaschine möglich wird, das aufzudosierende Schmelzevolumen innerhalb eines engen Toleranzbandes zu halten. D. h. die aufdosierte Schmelzemenge soll von Schuss zu Schuss möglichst gleich bleiben.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Dosieren von Kunststoffschmelze die Schritte umfasst:

a) Dosieren einer ersten Schmelzemenge durch Drehen der Plastifizier- und Einspritzschnecke durch den Drehantrieb und translatorischem Bewegen der Plastifizier- und Einspritzschnecke durch den Verschiebeantrieb, wobei eine vorgegebene Schneckendrehzahl mittels des Drehantriebs und ein vorgegebener Staudruck in der Schmelze durch den Verschiebeantrieb gemäß einem vorgegebenen Profil gefahren werden;
b) Bei Erreichen eines Umschaltpunkts in Form einer definierten axialen Position der Plastifizier- und Einspritzschnecke: Dosieren einer zweiten Schmelzemenge durch Drehen der Plastifizier- und Einspritzschnecke durch den Drehantrieb und translatorischem Bewegen der Plastifizier- und Einspritzschnecke durch den Verschiebeantrieb, wobei nunmehr eine gemäß einem vorgegebenen Profil definierte axiale Verschiebegeschwindigkeit der Plastifizier- und Einspritzschnecke mittels des Verschiebeantriebs bis zu einer definierten Endposition gefahren wird und wobei ein gemäß einem vorgegebenen Profil vorgegebener Staudruck in der Schmelze durch den Drehantrieb gefahren wird.

Die Verschiebegeschwindigkeit fällt dabei vorzugsweise vom Umschaltpunkt bis zur Endposition linear bis auf Null. ab.
Der genannte Umschaltpunkt liegt bevorzugt in einem Abstand von der Endposition, der zwischen 3% und 25% des gesamten Schneckenverfahrweges während des Dosierens liegt; besonders bevorzugt liegt der Umschaltpunkt in einem Abstand von der Endposition, der zwischen 5% und 15% des gesamten Schneckenverfahrweges während des Dosierens liegt.
Der Staudruck wird bevorzugt über mindestens 90% des Schneckenverfahrweges während des Dosierens konstant gehalten; besonders bevorzugt wird der Staudruck über den gesamten Schneckenverfahrweg konstant gehalten.
Ferner kann die Schneckendrehzahl vor dem Erreichen des Umschaltpunkts zumindest abschnittsweise konstant gehalten werden. Eine spezielle Lösung sieht dabei vor, dass die Schneckendrehzahl auf mindestens zwei unterschiedlichen Werten abschnittsweise konstant gehalten wird. Die Schneckendrehzahl wird insbesondere während zumindest 40% des Schneckenverfahrweges während des Dosierens unmittelbar vor dem Erreichen des Umschaltpunkts konstant gehalten.
Sowohl der Drehantrieb als auch der Verschiebeantrieb kann von Servomotoren angetrieben werden oder durch Servomotoren gebildet werden. Dann kommt das vorgeschlagene Verfahren in besonders bevorzugter Weise zum Einsatz.
Erfindungsgemäß wird also anhand einer Positionierrampe – d. h. anhand eines vorgegebenen vorzugsweise linearen Verlaufs der Schneckendrehzahl über dem Schneckenweg bis hin zur Endposition der Schnecke am Ende des Dosiervorgangs – und anhand der aktuellen Schneckenrückzugsgeschwindigkeit (nicht der Dosierdrehzahl) ein Umschaltpunkt ermittelt.
Bei diesem Umschaltpunkt wird der Staudruckregler auf einen Positionierregler umgeschaltet. Dieser soll dann, mittels des Einspritzantriebs, nicht mehr den eingestellten Staudruck regeln, sondern über eine Rampe den Dosierweg der Schnecke exakt positionieren.
Gleichzeitig wird der Drehzahlregler auf einen Staudruckregler umkonfiguriert. Dieser regelt dann, mittels des Dosierantriebs, durch Veränderung der Schneckendrehzahl den eingestellten Staudruck.
Da somit der Dosierweg-Positionsregler stetig seine Geschwindigkeit verringert, muss auch der Staudruck-(Drehzahl-)Regler seine Drehzahl kontinuierlich bis auf Null vermindern.
Somit sind Dosierdrehzahl, Dosiervolumen und Staudruck immer geregelt und damit maximal reproduzierbar. Die Genauigkeit der Spritzgießmaschine beim Dosierprozess wird somit wesentlich verbessert.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 schematisch eine Plastifizier- und Einspritzeinheit einer Spritzgießmaschine und
2 schematisch den Verlauf der Schneckenrückzugsgeschwindigkeit (v), der Schneckendrehzahl (n) und des Staudrucks (p) über dem Schneckenweg (s) für einen Dosiervorgang von seinem Beginn (bei s = 0) bis zum Dosierende (bei s = E).
In 1 ist ein Plastifizier- und Einspritzaggregat 1 skizziert, das einen Schneckenzylinder 2 umfasst, in dem eine Plastifizier- und Einspritzschnecke 3 sowohl drehbar als auch in axiale Richtung a translatorisch verschieblich angeordnet ist. Die Drehung der Schnecke 3 mit einer Drehzahl n erfolgt über einen Drehantrieb 4, der einen Dosierantrieb bildet. Die translatorische Verschiebung wird von einem Verschiebeantrieb 5 vorgenommen, der einen Einspritzantrieb bildet. Der Dosiervorgang, d. h. das Aufschmelzen von Kunststoffmaterial und dessen Speicherung im Schneckenvorraum 7, wird von einer Steuerung 6 gesteuert bzw. geregelt. Hierbei erhält die Steuerung 6 unter anderem die aktuelle Schneckendrehzahl n sowie den von einem Sensor 9 gemessenen Staudruck p im Schneckenvorraum 7. Die Steuerung 6 steuert aufgrund vorgegebener und gespeicherter Profile den Dosierantrieb 4 und den Einspritzantrieb 5.
Der erfindungsgemäße Dosierprozess ist aus dem Verlauf der Schneckenrückzugsgeschwindigkeit v, der Schneckendrehzahl n und des Staudrucks p über dem Schneckenverschiebeweg bzw. Dosierweg s ersichtlich, wie er in 2 dargestellt ist. Der Dosiervorgang beginnt bei einer Schneckenposition von s = 0, d. h. an der Ordinate. Der Dosiervorgang ist abgeschlossen, wenn die Schneckenposition s die Endposition E erreicht hat. Die Schnecke 3 hat dabei den Dosierweg L zurückgelegt.
Wie aus 2 hervorgeht, ist ein wesentliches Charakteristikum des vorgeschlagenen Vorgehens die Definition einer Positionierrampe 8, die den Verlauf der Schneckenrückzugsgeschwindigkeit v in den Endpunkt E hinein angibt, in dem die Schnecke zur Ruhe kommt. Im Ausführungsbeispiel ist die Positionierrampe 8 linear ausgebildet, d. h. die Schneckenrückzugsgeschwindigkeit v verläuft über dem Schneckenweg s linear abfallend, bis sie im Endpunkt den Wert Null erreicht.
Die Schneckenrückzugsgeschwindigkeit v verläuft nach anfänglichem Ansteigen in einem Bereich zwischen s = 0 bis zu einem Umschaltpunkt U hin im wesentlichen konstant, um im Umschaltpunkt U auf die Positionierrampe 8 zu treffen. Ab diesem Punkt wird die Schneckenrückzugsgeschwindigkeit v gemäß dem Verlauf der Positionierrampe 8 bis v = 0 geregelt. Der Umschaltpunkt U liegt in einem Abstand A von der Endposition E, der im Ausführungsbeispiel etwa 10% des gesamten Schneckenverfahrwegs L beträgt.
Die Schneckendrehzahl liegt anfänglich auf einem höheren konstanten Niveau n₁, bevor es auf ein etwas geringeres konstantes Niveau n₂ abfällt, das bis zum Erreichen des Umschaltpunkts U aufrecht erhalten wird. Ab dem Umschaltpunkt ergibt sich die Schneckendrehzahl n als Stellgröße, um einen definierten vorgegebenen Staudruck p zu erreichen.
Demgemäß gilt, dass zunächst das Dosieren (zwischen s = 0 und dem Umschaltpunkt U) durch Drehen der Plastifizier- und Einspritzschnecke 3 durch den Drehantrieb 4 und translatorischem Bewegen der Plastifizier- und Einspritzschnecke 3 durch den Verschiebeantrieb 5 erfolgt. Hierbei werden eine vorgegebene Schneckendrehzahl n mittels des Drehantriebs 4 und ein vorgegebener Staudruck p in der Schmelze durch den Verschiebeantrieb gemäß einem vorgegebenen Profil gefahren.
In diesem ersten Bereich (zwischen s = 0 und dem Umschaltpunkt U) erfolgt also eine Schneckendrehzahlregelung mittels des Dosierantriebs und eine Staudruckregelung mittels des Einspritzantriebs. Der erste Bereich korrespondiert mit der Herstellung einer ersten Schmelzemenge.
Beim Erreichen des Umschaltpunkts U, d. h. an einer definierten axialen Position s der Plastifizier- und Einspritzschnecke 3, erfolgt eine Änderung der Regelungsstrategie: Nunmehr erfolgt zwar weiterhin das Dosieren durch Drehen der Plastifizier- und Einspritzschnecke 3 durch den Drehantrieb 4 und translatorischem Bewegen der Plastifizier- und Einspritzschnecke 3 durch den Verschiebeantrieb 5, wobei jetzt aber eine gemäß einem vorgegebenen Profil definierte axiale Verschiebegeschwindigkeit v der Schnecke 3 mittels des Verschiebeantriebs 5 bis zu der Endposition E gefahren wird. Dabei wird ein gemäß einem vorgegebenen Profil vorgegebener Staudruck p in der Schmelze durch den Drehantrieb 4 gefahren (der vorliegend konstant ist).
In diesem zweiten Bereich (zwischen dem Umschaltpunkt U und der Endposition E) erfolgt also eine Positionierregelung mittels des Einspritzantriebs und eine Staudruckregelung mittels des Dosierantriebs. Der zweite Bereich korrespondiert mit der Herstellung einer zweiten Schmelzemenge. Die erste und die zweite Schmelzemenge bilden zusammen das aufdosierte Schmelzevolumen, das nachfolgend ins Spritzgießwerkzeug eingespritzt wird.
Demgemäß läuft die Regelung ab dem Umschaltpunkt U in definierter Weise in den Endpunkt E ein, so dass ein hoher Grad an Reproduzierbarkeit der aufdosierten Schmelzemenge sichergestellt ist.
Bezugszeichenliste

1: Plastifizier- und Einspritzaggregat
2: Schneckenzylinder
3: Plastifizier- und Einspritzschnecke
4: Dosierantrieb (Drehantrieb)
5: Einspritzantrieb (Verschiebeantrieb)
6: Steuerung
7: Schneckenvorraum
8: Positionierrampe
9: Sensor
a: axiale Richtung
n, n₁ n₂: Schneckendrehzahl
s: Schneckenverschiebeweg/Dosierweg
v: Verschiebegeschwindigkeit
p: Staudruck
U: Umschaltpunkt
E: Endposition
A: Abstand
L: gesamter Schneckenverfahrweg/Dosierweg

Claims

Verfahren zum Dosieren von Kunststoffschmelze in einem Plastifizier- und Einspritzaggregat (1) einer Spritzgießmaschine, wobei das Plastifizier- und Einspritzaggregat (1) einen Schneckenzylinder (2) umfasst, in dem eine Plastifizier- und Einspritzschnecke (3) von einem Dosierantrieb (4) in Form eines regelbaren Drehantriebs drehbar und von einem Einspritzantrieb (5) in Form eines regelbaren Verschiebeantriebs in axiale Richtung (a) verschiebbar ist, wobei das Dosieren von Kunststoffschmelze erfolgt, indem die Plastifizier- und Einspritzschnecke (3) von einer Steuerung (6) veranlasst gedreht und von einem Schneckenvorraum (7) translatorisch weg bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosieren von Kunststoffschmelze die Schritte umfasst: a) Dosieren einer ersten Schmelzemenge durch Drehen der Plastifizier- und Einspritzschnecke (3) durch den Drehantrieb (4) und translatorischem Bewegen der Plastifizier- und Einspritzschnecke (3) durch den Verschiebeantrieb (5), wobei eine vorgegebene Schneckendrehzahl (n) mittels des Drehantriebs (4) und ein vorgegebener Staudruck (p) in der Schmelze durch den Verschiebeantrieb (5) gemäß einem vorgegebenen Profil gefahren werden; b) Bei Erreichen eines Umschaltpunkts (U) in Form einer definierten axialen Position der Plastifizier- und Einspritzschnecke (3): Dosieren einer zweiten Schmelzemenge durch Drehen der Plastifizier- und Einspritzschnecke (3) durch den Drehantrieb (4) und translatorischem Bewegen der Plastifizier- und Einspritzschnecke (3) durch den Verschiebeantrieb (5), wobei nunmehr eine gemäß einem vorgegebenen Profil definierte axiale Verschiebegeschwindigkeit (v) der Plastifizier- und Einspritzschnecke (3) mittels des Verschiebeantriebs (5) bis zu einer definierten Endposition (E) gefahren wird und wobei ein gemäß einem vorgegebenen Profil, vorgegebener Staudruck (p) in der Schmelze durch den Drehantrieb (4) gefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebegeschwindigkeit (v) vom Umschaltpunkt (U) bis zur Endposition (E) linear bis auf Null abfällt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltpunkt (U) in einem Abstand (A) von der Endposition (E) liegt, der zwischen 3% und 25% des gesamten Schneckenverfahrweges (L) während des Dosierens liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltpunkt (U) in einem Abstand von der Endposition (E) liegt, der zwischen 5% und 15% des gesamten Schneckenverfahrweges (L) während des Dosierens liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Staudruck (p) über mindestens 90% des Schneckenverfahrweges (L) während des Dosierens konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Staudruck (p) über den gesamten Schneckenverfahrweg (L) während des Dosierens konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckendrehzahl (n) vor dem Erreichen des Umschaltpunkts (U) zumindest abschnittsweise konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckendrehzahl (n) auf mindestens zwei unterschiedlichen Werten (n₁, n₂) abschnittsweise konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckendrehzahl (n) während zumindest 40% des Schneckenverfahrweges (L) während des Dosierens vor dem Erreichen des Umschaltpunkts (U) konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Drehantrieb (4) als auch der Verschiebeantrieb (5) von Servomotoren angetrieben werden oder Servomotoren sind.