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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoff-Formteilen aus thermoplastischem Kunststoff, das die Schritte aufweist: a) Herstellen von thermoplastischer Kunststoffschmelze durch Rotation einer Plastifizierschnecke in einem Schneckenzylinder; b) Versetzen der thermoplastischen Kunststoffschmelze mit einem Gas durch Eingabe des Gases in den Schneckenzylinder; c) Durchmischen der mit Gas versetzten thermoplastischen Kunststoffschmelze durch Ausführung einer Rotationsbewegung der Plastifizierschnecke; d) Einspritzen des Gemisches aus thermoplastischer Kunststoffschmelze und Gas in die Kavität eines Spritzgießwerkzeugs, wobei das Gas an einer axialen Position in den Schneckenzylinder eingeleitet wird, an der sich zumindest zeitweise die Schneckengänge der Plastifizierschnecke befinden.
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Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 198 48 151 A1 bekannt. Hier wird für die Herstellung von Kunststoff-Formteilen aus thermoplastischer Schmelze das Strukturschaumspritzen mit physikalischer Begasung der Schmelze eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird mit Treibmittel versehene Schmelze in die Kavität eines Spritzgießwerkzeugs eingespritzt. Der Gasdruck drückt die Schmelze während der Abkühlung gegen die Kavitätswände, so dass abkühlungsbedingte Volumenkontraktionen ausgeglichen werden können und die Formteiloberfläche frei von Einfallstellen ist.
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Hiermit können vorteilhaft geschäumte Formteile mit einer kompakten Haut und einem geschäumten Kern hergestellt werden. Insbesondere beim vorliegenden Einsatz eines physikalischen Treibmittels (Fluid, insbesondere Gas) ist es vorteilhaft, dass ein höherer Gasdruck als beim Einsatz eines chemischen Treibmittels aufgebaut werden kann, um höher viskose Kunststoffe gut verarbeiten und Formteile mit geringen Wanddicken herstellen zu können. So erfolgt eine gleichmäßige Verteilung des Gases in der Schmelze.
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Aufgrund der Viskositätsunterschiede zwischen Gas und Schmelze hat das Gas allerdings die Tendenz, eine oder mehrere große Blasen zu bilden. Um dies zu vermeiden, muss sowohl das Gasvolumen sehr genau zudosiert werden als auch die mit Gas versetzte Schmelze intensiv vermischt werden, wobei die Schmelze unter einem ausreichend hohen Druck gehalten werden muss, um ein unerwünschtes Aufschäumen im Schneckenzylinder zu vermeiden.
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Das Erreichen und die Aufrechterhaltung einer hohen Kunststoff-Formteilqualität sind dabei nicht einfach zu bewerkstelligen. Bei der Herstellung geschäumter Formteile mit der in Rede stehenden physikalischen Begasung kommen nämlich der eingespritzten Gasmenge bzw. dem Gasdruck eine besondere Bedeutung zu. Eine Veränderung der zudosierten Gasmenge oder des Gasdrucks bewirken eine Veränderung bei den hergestellten Formteilen. So kann eine zu geringe Gasmenge bewirken, dass die Formteile nicht mehr vollständig gefüllt werden. Eine zu große Gasmenge kann indes bei vorgegebener Kühlzeit ein Nachblähen des Formteils bewirken.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so fortzubilden, dass es in einfacherer Weise möglich ist, eine hohe Qualität beim Spritzgießen von Formteilen zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Hierzu sollen in einfacher Weise der Prozess erfasst, relevante Prozessparameter überwacht und dieselben dokumentiert werden. Insgesamt soll es damit in einfacher Weise möglich werden, einen hohen Qualitätsstandard aufrechtzuerhalten.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass während der Eingabe des Gases in den Schneckenzylinder gemäß obigem Schritt b) zumindest über einen Teil der Gaseinspritzzeit der Volumenstrom des in den Schneckenzylinder eingebrachten Gases gemessen wird und dass der Verlauf des gemessenen Volumenstroms des Gases in Normbedingungen umgerechnet und auf einem Display einer Steuerung dargestellt wird und/oder dass der Verlauf des gemessenen Volumenstroms des Gases in Normbedingungen umgerechnet und in einem Speichermittel der Steuerung gespeichert wird.
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Der gemessene Volumenstrom des Gases wird bevorzugt in der Steuerung mit einem zulässigen Bereich für den Volumenstrom verglichen. Ein Alarm kann ausgelöst werden, sobald sich beim Vergleich des gemessenen Volumenstroms des Gases mit dem zulässigen Bereich ergibt, dass der zulässige Bereich verlassen wird.
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Der Vergleich des gemessenen Volumenstroms des Gases mit dem zulässigen Bereich kann dabei für eine Vielzahl von gefertigten Kunststoff-Formteilen gespeichert und/oder am Display angezeigt werden.
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Der auf Normbedingungen umgerechnete Volumenstrom wird z. B. in Normliter/Minute angegeben und definiert die Gasmenge, die pro Zeit in den Kunststoff eingespritzt wird. Diese Norm-Gasmenge beschreibt das Gasvolumen von z. B. 1 Liter unter festgelegten Bedingungen.
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Ein Normkubikmeter (Vn) ist die Menge, die ein Kubikmeter (V) Gas bei einem Druck (pn) von 1,01325 bar, bei einer Luftfeuchtigkeit von 0% (trockenes Gas) und einer Temperatur (Tn) von 273,15 K (also 0°C, Normbedingungen nach DIN 1343) bzw. bei 15°C hätte (Normbedingungen nach ISO 2533). Eine andere Definition gilt nach DIN 1945-1 für die Druckluftindustrie (der Druck ist hier 1 bar, die Temperatur ist 20°C bei 0% Luftfeuchtigkeit).
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Die Umrechnung eines Volumens (V) von einem anderen Druck (p) und einer anderen Temperatur (T) auf Normbedingungen (T
n und p
n, s. oben) ergibt sich für ideale Gase über die Zustandsgleichung (mit der absoluten Temperatur in K):
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Zumindest über einen Teil der Gaseinspritzzeit kann auch der Druck des in den Schneckenzylinder eingebrachten Gases gemessen werden, wobei der Verlauf des gemessenen Drucks des Gases auf dem Display der Steuerung dargestellt werden kann und/oder wobei der Verlauf des gemessenen Drucks des Gases in dem Speichermittel der Steuerung gespeichert werden kann. Der gemessene Druck des Gases kann in der Steuerung mit einem zulässigen Bereich für den Druck verglichen werden. Analog wie oben erläutert, kann auch hier vorgesehen sein, dass ein Alarm ausgelöst wird, sobald sich beim Vergleich des gemessenen Drucks des Gases mit dem zulässigen Bereich ergibt, dass der zulässige Bereich verlassen wird.
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Der Vergleich des gemessenen Drucks des Gases mit dem zulässigen Bereich kann dabei für eine Vielzahl von gefertigten Kunststoff-Formteilen gespeichert werden.
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Der Volumenstrom des in den Schneckenzylinder eingebrachten Gases und/oder der Druck des eingebrachten Gases kann in dem Zeitraum gemessen werden, während Mittel zum Einspritzen des Gases zur Gaseingabe geöffnet werden.
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Wie erläutert, ist es also Ziel der vorliegenden Erfindung, durch das Erfassen qualitätsrelevanter Parameter bei der Begasung der Kunststoffschmelze eine Qualitätsüberwachung durchzuführen. Dabei ist es vorrangiges Ziel, die in jedem Zyklus eingespritzte Gasmenge genau zu erfassen und zu überwachen.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Erfassung des Gasdrucks oder der eingespritzten Gasmenge alleine zu keiner brauchbaren Aussage über den Prozess führt. Es wurde vielmehr festgestellt, dass sich eine verlässliche Aussage erst treffen lässt, wenn das Produkt aus Gasdruck und Gasmenge betrachtet wird, wobei insbesondere eine Umrechnung auf Normbedingungen zu einer Möglichkeit führt, den Spritzgießprozess zu beurteilen. Demgemäß ist der Volumenstrom Gas (in Normliter) pro Zeiteinheit die hier besonders interessierende Größe, die erfindungsgemäß erfasst, überwacht, mit vorgegebenen Werten verglichen und dokumentiert wird.
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Während der Zudosierung des Treibgases in die Schmelze wird also das Produkt aus Gasmenge und Gasdruck gemessen. Als Messmethoden werden an sich bekannte Verfahren (beispielsweise die Messung über eine Blende, mit dem Coriolis-Verfahren oder mit einer Turbine) eingesetzt.
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Hierbei wird der Gasvolumenstrom in Normliter pro Zeiteinheit, z. B. 1Norm/min, während der Eingasung gemessen. Der Beginn und das Ende der Messung kann beispielsweise das Öffnen bzw. Schließen des Eingasungsventils des Injektors sein. Der Anfang und das Ende der Messung können aber auch durch Freigabedrücke für die Ventile oder der Start und das Ende der Schneckendrehung sein.
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Diese Werte werden als Mittel zur Qualitätsüberwachung verarbeitet. Hierbei kann die eingespritzte Gasmenge während des Plastifiziervorgangs dargestellt werden, beispielsweise als Kurvenverlauf über der Zeit. Eine (ideale) Kurve kann als Sollwert gespeichert und mit einem Toleranzband versehen werden. Angestrebt wird, dass der tatsächliche Kurvenverlauf nicht das Toleranzband verlässt. Sobald der Ist-Kurvenverlauf der Gasmenge über der Zeit den Toleranzbereich verlässt, kann ein Alarm ausgegeben werden. Somit kann frühzeitig auf Unregelmäßigkeiten reagiert werden.
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Das Integral unter der Kurve des Volumenstroms über der Zeit ergibt den Gasverbrauch (Gasmenge) pro Spritzvorgang. Die gemessenen Werte können in einer Qualitätstabelle aufgeführt werden; dies erlaubt eine optische Überwachung des Prozessverlaufs (insbesondere der eingespritzten Gasmenge) von Teil zu Teil. Auch für den Wert der eingespritzten Gasmenge kann eine Toleranz vorgegeben werden, bei deren Überschreitung ein Alarm ausgegeben werden kann.
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Der Gasverbrauch kann beispielsweise pro Zyklus (in Norm-Litern Gas pro Zyklus) bzw. pro Formteil angezeigt werden. Wird das Formteilgewicht in die Steuerung eingegeben, kann auch die Gasmenge in Norm-Litern pro Gramm Kunststoff angezeigt werden.
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Auch kann der aktuelle Gaseingangsdruck je Zyklus in die Qualitätstabelle der Maschine mit aufgenommen und angezeigt werden, auch hier wiederum mit einem vorgegebenen Toleranzbereich.
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Durch diese für das eingespritzte Gas aufgenommen Werte erfolgt in Verbindung mit den für den Spritzgießprozess wichtigen und bekannten Parameter eine vollständige Überwachung der Qualität der Formteile mit hinreichender Aussagekraft.
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Da die Dokumentation des Spritzgießprozesses für die Qualitätssicherung wichtig ist, kann per Steuerung und anhand der gespeicherten Daten automatisch die Erstellung eines entsprechenden Qualitätsberichts für eine Anzahl der gefertigten Spritzgießteile veranlasst werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 schematisch eine Vorrichtung zum Spritzgießen,
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2 schematisch eine Steuerung der Vorrichtung und
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3 den Verlauf des Volumenstroms über der Zeit für einen Begasungszyklus.
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In 1 ist schematisch eine Vorrichtung zum Spritzgießen 1, also eine Spritzgießmaschine, in einem Verfahrensstadium dargestellt, in dem eine Schmelze-Gas-Mischung hergestellt wird. Später wird die hergestellte Kunststoffschmelze in das Spritzgießwerkzeug 11 eingespritzt, das eine entsprechende Kavität 12 aufweist. Im Schneckenzylinder 2 ist eine Plastifizier- und Einspritzschnecke 3 drehbeweglich und axial verschiebbar angeordnet. Zwecks Herstellung von thermoplastischer Kunststoffschmelze 4 rotiert die Schnecke 3 zunächst ohne Axialbewegung im Schneckenzylinder 2.
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Fluid in Form eines Gases 6 ist in einem Vorratsbehälter 13 gespeichert. Es wird einem Verdichter 14 zugeführt, der es auf einen gewünschten Druck bringt. Vom Verdichter 14 aus gelangt das Gas über eine Leitung zu einem Mittel 5 zum Einspritzen des Gases, nämlich zu einer Einspritzdüse, die am Schneckenzylinder 2 angebracht ist. Nicht dargestellt ist eine Volumenkontrollvorrichtung, mit der das Volumen des eingespritzten Gases gemäß einem vorgegebenen Wert geregelt werden kann. Durch die Düse 5 kann das Gas 6 gesteuert bzw. geregelt in den Schneckenzylinder 2 und damit in die Kunststoffschmelze 4 eingespritzt werden. Dies gelingt allerdings nur dann, wenn der Gasdruck pF grösser ist als der Druck in der Schmelze pS, d. h. die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Gas und in der Kunststoffschmelze Delta p = pF – pS muss positiv sein.
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Die Eingasung des Gases 6 über die Düse 5 erfolgt an einer axialen Einspritzposition G, an der sich zumindest zeitweise – namentlich während der Plastifizierung von Schmelze – die Schneckengänge 7 der Schnecke 3 befinden.
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Wenn genügend Schmelze-Gas-Gemisch für einen Schuss produziert ist, kann das Gemisch in die Kavität 12 des Spritzgießwerkzeugs 11 durch axiale Verschiebung der Schnecke eingespritzt werden, was nicht dargestellt ist.
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Zur Schaffung eines stabilen Spritzgießprozesses wird dafür Sorge getragen, dass die Druckdifferenz Delta p weitgehend konstant bleibt, zumindest in einem vorgegebenen Toleranzbereich, der z. B. 2 bar betragen kann. Die Vorrichtung ist dafür mit einem Drucksensor 15 zur Messung des Drucks pS in der Schmelze 4, mit einem Drucksensor 16 zur Messung des Gasdrucks pF sowie mit einem Differenzbilder 17 zur Bestimmung der Druckdifferenz Delta p = pF – pS ausgestattet. Die gemessene Druckdifferenz wird der Steuerung 18 der Spritzgießmaschine zugeleitet, die gemäß einem Programm dafür Sorge tragen kann, dass dieser Wert innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes bleibt. Als Eingriffsmöglichkeiten dienen diejenigen Spritzgießparameter, die dem Fachmann dafür geläufig sind, z. B. die Drehzahl der Schnecke und die axiale Kraft beim Einspritzen von Schmelze. Es ist evident, dass eine Reduzierung der Einspritzkraft den Schmelzedruck reduziert, worüber eine Eingriffsmöglichkeit besteht. Andererseits können auch der Gasdruck pF und/oder das Gasvolumen entsprechend geregelt werden, um die gewünschte Druckdifferenz Delta p einzuhalten.
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Statt eines Gases kann grundsätzlich ebenso natürlich auch ein anderes Fluid, also eine Flüssigkeit, der Schmelze zugegeben werden.
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Durch die Gaszugabe wird erreicht, dass ein Formteil aus einem Kunststoff-Gas-Gemisch hergestellt wird, das keine Einfallstellen und im Inneren eine Schaumstruktur aufweist. Damit können insbesondere auch große, geschäumte Kunststoff-Formteile wie Platten und Formteile mit dreidimensionaler Geometrie auch mit unterschiedlichen Wanddicken und Verrippungen prozesssicher und preiswert hergestellt werden.
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Um ein vorzeitiges Aufschäumen der Kunststoff-Gas- oder Kunststoff-Flüssigkeits-Mischung in der Kavität zu verhindern, kann vor der Injektion der Mischung in der Kavität ein Gegendruck aufgebaut werden, der erst allmählich mit dem Eintritt der Mischung abgebaut wird; der Schmelzefließfront wird somit ein Gaspolster entgegengesetzt. Das Aufschäumen kann darüber gesteuert bzw. geregelt werden.
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In 2 ist die Steuerung bzw. Regelung 18 der Spritzgießmaschine schematisch dargestellt. Sie hat ein Bedienfeld 19 und ein Display 8 (Bildschirm). In ihrem Inneren hat die Steuerung 18 Speichermittel 9. Des weiteren weist die Steuerung 18 noch Alarmmittel 10 auf. Bei diesen kann es sich um akustische oder optische Signalmittel handeln, mit denen ein abnormer Prozesszustand signalisiert wird. Das Display 9 kann natürlich auch an anderer Stelle, gegebenenfalls auch außerhalb der Spritzgießmaschine, angeordnet werden.
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Auf dem Display 8 kann ein Kurvenverlauf dargestellt werden, wie es in 3 zu sehen ist. Hier ist über der Zeit t in Sekunden der Volumenstrom V . in Norm-Litern pro Minute für den Zeitbereich dargestellt, in dem über die Mittel 5 Gas 6 in die Kunststoffschmelze 4 eingegeben wird. Die nicht dargestellten Ventilelemente der Mittel 5 öffnen zum Zeitpunkt t1 und Schließen zum Zeitpunkt t2.
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Demgemäß steigt der Volumenstrom V . zum Zeitpunkt t1 an, verharrt dann über eine gewisse Zeit auf einem Maximalwert und fällt dann bis zum Zeitpunkt t2 wieder auf Null ab.
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Die ausgezogene Linie ist der gemessene Werteverlauf für den Volumenstrom. Die obere und die untere gestrichelte Linie gibt einen oberen bzw. einen unteren Werteverlauf an, der ein Toleranzband bildet, innerhalb dessen der tatsächliche Verlauf bleiben muss, um ein Gut-Teil zu fertigen. Wird das Toleranzband verlassen, ist aufgrund der eingangs genannten Umstände nicht auszuschließen, dass der Spritzgießprozess nicht ordnungsgemäß stattgefunden hat; dann erkennt die Steuerung, dass ein Ausschuss-Teil gefertigt wurde, das gegebenenfalls automatisch entsorgt wird.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Überwachung der Fertigung der Teile in der Steuerung in zwei verschiedenen Bereichen bzw. Bildschirmansichten durchgeführt. In einem Bereich kann eine Qualitätstabelle vorgesehen werden, in der der Gasdurchfluss (Gasvolumen in Liter pro Zyklus) für jeden Zyklus bzw. jedes Formteil überwacht bzw. erfasst wird; in einem anderen Bereich kann eine Istwertgraphik vorgesehen werden, in der der Volumenstrom (in Litern/Minute) überwacht wird.
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Zusätzlich können die erlaubten Abweichungen von Sollwerten angezeigt werden. Sollte sich ein Teil außerhalb der Toleranz befinden, wird das Teil – wie erwähnt – automatisch als Ausschussteil definiert.
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Alle Parameter für die Überwachung können eingestellt werden.
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In einer Istwertgrafik kann der Volumenstrom (in Norm-Litern/Minute) über der Zeit dargestellt werden. Für jeden Zyklus wird eine neue Kurve gemäß derjenigen nach 3 generiert. Durch die Überwachung des genannten Toleranzbandes kann überwacht werden, ob der Füllprozess der Kavität stets gleich verläuft. Die Einstellung des Toleranzbandes kann frei gewählt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zum Spritzgießen
- 2
- Schneckenzylinder
- 3
- Plastifizier- und Einspritzschnecke
- 4
- Kunststoffschmelze
- 5
- Mittel zum Einspritzen eines Gases
- 6
- Gas
- 7
- Schneckengang
- 8
- Display
- 9
- Speichermittel
- 10
- Alarmmittel
- 11
- Spritzgießwerkzeug
- 12
- Kavität
- 13
- Vorratsbehälter
- 14
- Verdichter
- 15
- Drucksensor für Schmelze
- 16
- Drucksensor für Gas
- 17
- Differenzbilder
- 18
- Steuerung/Regelung
- 19
- Bedienfeld
- G
- Einspritzposition für Gas
- t
- Gaseinspritzzeit
- V .
- Volumenstrom
- V .Soll
- zulässiger Bereich des Volumenstroms
- pF
- Gasdruck
- pS
- Schmelzedruck
- Delta p
- Druckdifferenz: pF – pS
