DE102014001346A1

DE102014001346A1 - Temperiervorrichtung für ein Formwerkzeug sowie Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE102014001346A1
Application number: DE102014001346.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Raschke; Josef Gießauf
Original assignee: Engel Austria GmbH
Current assignee: Engel Austria GmbH
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2014-08-07
Also published as: AT513872A3; AT513872A2; CH707597A2; US9718219B2; CN103963255A; CH707597B1; AT513872B1; US20140217633A1; CN103963255B

Abstract

Verfahren zur Temperierung eines Formwerkzeugs (3) einer formgebenden Arbeitsmaschine mittels eines in wenigstens einem Temperierzweig (2) eines Temperiersystems befindlichen Temperiermediums, wobei ein vorermittelter Zusammenhang zwischen Geometriedaten des wenigstens einen Temperierzweigs (2) und Durchflussmengen des Temperiermediums bereitgestellt wird und mittels des vorermittelten Zusammenhangs für die Geometriedaten des wenigstens einen Temperierzweigs (2) eine Soll-Durchflussmenge eingestellt wird. Beschrieben wird auch eine entsprechende Steuer- oder Regeleinrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung eines Formwerkzeugs einer formgebenden Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine elektronische Steuer- oder Regeleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
Die folgende Diskussion des Standes der Technik erfolgt beispielhaft anhand einer Spritzgussmaschine als Spezialfall einer formgebenden Arbeitsmaschine und anhand eines Spritzgießwerkzeugs einer solchen Spritzgussmaschine als Beispiel für ein Formwerkzeug einer allgemeinen formgebenden Arbeitsmaschine. Die Offenbarung der folgenden Anmeldung ist aber nicht auf diesen Spezialfall beschränkt.
Im Stand der Technik erfolgte die Bestimmung von Durchflussmengen eines Temperiermediums zum Kühlen und/oder Heizen (im Allgemeinen Temperieren) des Spritzgießwerkzeuges entweder in kaum reproduzierbarer Weise in Abhängigkeit der Erfahrung eines Bedieners der Spritzgießmaschine oder unter zu Hilfenahme aufwändiger Instrumente (Simulation, im Zuge einer Werkzeugabmusterung gewonnene Messwerte und dergleichen). Manchmal wurde auch einfach die maximal mögliche Durchflussmenge (der Durchfluss in einem Temperierzweig oder in mehreren parallelen Temperierzweigen wird durch kein Stellglied begrenzt) eingestellt.
Die Vorgehensweisen nach dem Stand der Technik weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Sie sind einerseits sehr aufwändig und eignen sich andererseits nicht als Grundlage für weitergehende Fragestellungen, wie zum Beispiel:

• Hätten höhere Durchflussmengen einen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit und die Formteilqualität?
• Welche Auswirkungen haben Durchflussschwankungen auf die Prozesssicherheit?
• Wie wirken sich unterschiedliche Durchflussmengen auf die Energieeffizienz aus?

Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise ein wirtschaftliches Verfahren zur Temperierung eines Formwerkzeugs einer formgebenden Arbeitsmaschine sowie eine entsprechende Steuer- oder Regeleinrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer elektronischen Steuer- oder Regeleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Schutz wird auch begehrt für eine Anordnung mit einer solchen elektronischen Steuer- oder Regeleinrichtung und einer Temperiervorrichtung sowie für eine formgebende Arbeitsmaschine, insbesondere Spritzgießmaschine oder Pressmaschine mit einer solchen Anordnung.
Als Temperiermedium ist bevorzugt Wasser (gasförmig oder flüssig) oder Öl vorgesehen. Es können jedoch auch andere Fluide, wie beispielsweise Kohlendioxid oder Stickstoff, verwendet werden. Das Temperiermedium kann kontinuierlich oder pulsartig gefördert werden.
Im Normalfall wird die Temperiervorrichtung einen Temperierzweig oder mehrere parallel geschaltete Temperierzweige aufweisen. Der Querschnitt der Kanäle der Temperierzweige kann beispielsweise rund, oval oder polygonal sein. Auf die Form des Querschnitts kommt es nicht an.
Das Bereitstellen des vorermittelten Zusammenhangs ermöglicht eine Einstellung einer Durchflussmenge, die einen wirtschaftlichen Betrieb der Temperiervorrichtung gestattet, ohne sich auf die Erfahrung eines Nutzers der formgebenden Arbeitsmaschine verlassen zu müssen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Allgemein stellt der vorermittelte Zusammenhang eine Beziehung zwischen möglichen Geometriedaten und Durchflussmengen her. In den meisten Fällen wird es sich bei den Geometriedaten um Durchmesser (bzw. charakteristischen Dimensionierungen des Querschnitts des Kanals des Temperierzweiges) der einzelnen Temperierzweige des Temperiersystems handeln. Weisen in Serie geschaltete Temperierzweige des Temperiersystems unterschiedliche charakteristische Dimensionierungen, zum Beispiel Durchmesser auf, so ist für die nachfolgenden Erläuterungen auf die größte charakteristische Dimensionierung bzw. den größten Durchmesser Bezug zu nehmen.
Wenn zum Beispiel ein Zusammenhang zwischen einer mittleren Werkzeugwandtemperatur und der Durchflussmenge vorliegt (dieser kann empirisch oder durch Simulation ermittelt werden), kann es von Vorteil sein, wenn der vorermittelte Zusammenhang mittels Reynolds-Zahlen ausgedrückt wird, eine Reynolds-Zahl vorgegeben wird und die Soll-Durchflussmenge aufgrund der vorgegebenen Reynolds-Zahl bestimmt wird. Dies kann ganz einfach durch die allgemeine Formel für die Reynolds-Zahl (Re) geschehen: Re = ω·d / ν.
Dabei ist ω die mittlere Geschwindigkeit der Strömung des Temperiermediums, d eine charakteristische Dimensionierung – in diesem Fall meist ein Durchmesser eines Kanals eines Temperierzweiges – und ν eine kinematische Viskosität des Temperiermediums.
Da die Reynolds-Zahl dafür geeignet ist, zwischen laminarer und turbulenter Strömung zu unterscheiden, kann es für den Bediener von Vorteil sein, eine Reynolds-Zahl im turbulenten Bereich zu wählen. In den meisten Fällen wird bei Verwendung von Wasser als Temperiermedium der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung bei einer Reynolds-Zahl von etwa 3.200 beginnen und bei einer Reynolds-Zahl von 10.000 abgeschlossen sein. Deshalb sollte eine Reynolds-Zahl von über 10.000 gewählt werden, da in diesem Bereich eine besondere Unempfindlichkeit (Robustheit) der Werkzeugwandtemperatur gegenüber Fluktuationen der Durchflussmengen gegeben ist. Besonders bevorzugt sind Reynolds-Zahlen von größer als 15.000, 20.000, 25.000 oder 30.000. Die Soll-Durchflussmenge des Temperiermediums muss so groß sein, dass die sich ergebende Reynolds-Zahl numerisch in einem der oben angegebenen Bereiche liegt.
Bei Verwendung eines anderen Temperiermediums können die Reynolds-Zahlen leicht berechnet werden.
Dabei kann es auch von Vorteil sein, in der Formel der Reynolds-Zahl eine Temperaturabhängigkeit der kinematischen Viskosität des Temperiermediums zu berücksichtigen.
Um eine homogene Temperierung des Formwerkzeugs sicherzustellen, ist es bevorzugt vorgesehen, dass ein Zusammenhang zwischen mittleren Temperaturdifferenzen im wenigstens einen Temperierzweig und Durchflussmengen des Temperiermediums gemessen wird und beim Einstellen der Soll-Durchflussmenge der Zusammenhang zwischen mittleren Temperaturdifferenzen des wenigstens einen Temperierzweigs und den Durchflussmengen berücksichtigt wird.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass eine Durchflussmenge nur unter Berücksichtigung des vorermittelten Zusammenhangs zwischen Geometriedaten und Durchflussmengen bestimmt wird und eine weitere Durchflussmenge nur unter Berücksichtigung des gemessenen Zusammenhangs zwischen mittleren Temperaturdifferenzen und Durchflussmengen bestimmt wird und das Maximum aus Durchflussmenge und weiteren Durchflussmengen als Soll-Durchflussmenge für das Temperiermedium eingestellt wird.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass ein Mittel aus Durchflussmenge und weiterer Durchflussmenge eingestellt wird. Es kann auf diese Weise ein Kompromiss zwischen Wirtschaftlichkeit und Qualität der produzierten Spritzgießprodukte erreicht werden.
Am bedienerfreundlichsten ist die Steuer- oder Regelung auf die Soll-Durchflussmenge durch ein Stellglied mit einem Aktuator in den Temperierzweigen zu lösen. Natürlich ist auch eine manuelle Steuerung denkbar, wobei die Soll-Durchflussmenge über eine Visualisierungseinrichtung dem Bediener mitgeteilt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren diskutiert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer als Spritzgießmaschine ausgeführten formgebenden Arbeitsmaschine im Bereich eines Formwerkzeugs 3 mit einer erfindungsgemäßen elektronischen Steuer- oder Regeleinrichtung 1. Das oben beschriebene Verfahren kann in Form eines Einstellassistenten in der Steuer- oder Regeleinrichtung 1 ausgebildet sein. Diese weist eine Eingabevorrichtung 8, eine Recheneinheit 9, eine Speichereinheit 10 und eine Ausgabevorrichtung 11 auf.
Zu erkennen sind, parallele Temperierzweige 2, durch welche ein Temperiermedium (hier: Wasser) durch das Formwerkzeug 3 strömt. Durch einen Temperatursensor 4, welcher mit der Steuer- oder Regeleinrichtung 1 in signalübertragender Verbindung steht, kann die Temperatur des Temperiermediums im Vorlauf 5 zum Formwerkzeug 3 ermittelt werden. Je ein weiterer Temperatursensor ist im Rücklauf des jeweiligen Temperierzweiges angeordnet. Zu sehen ist auch je ein Durchflussmengensensor 7 pro Temperierzweig, diese sind hier ebenfalls in den Rückläufen der Temperierzweige angeordnet. Bevorzugt kommt ein Temperiermedienverteiler gemäß der AT 12 213 U1 zum Einsatz. In diesem sind die Sensoren 4, 4', 7 bereits integriert.
Beispielhaft ist pro Temperierzweig 2 ein Aktuator 12 dargestellt, der die Durchflussmengen einstellt.
Hinsichtlich der 2 und 3 sei vorausgeschickt, dass die dort angegebenen Zahlenwerte für ein Temperiermedium in Form von Wasser berechnet wurden, die 3 geht von einer vorgegebenen Reynolds-Zahl Re von 20.000 aus.
2 zeigt entlang der Ordinate die mittlere Werkzeugwandtemperatur in Grad Celsius und entlang der Abszisse die Durchflussmenge in Liter pro Minute des Temperiermediums in einem Temperierzweig 2. Erkennbar ist im Bereich des Ursprungs eine sehr starke Änderung der mittleren Werkzeugwandtemperatur bei Variation der Durchflussmenge. Entfernt vom Ursprung ist hingegen bei der Variation der Durchflussmenge kaum eine Änderung der mittleren Werkzeugwandtemperatur festzustellen. Hier ist also ein robuster Betrieb der Temperiervorrichtung möglich. Will man im robusten Bereich ökonomisch im Sinne des Energieverbrauchs der Temperiervorrichtung arbeiten, wird man sich im Diagramm der 2 so weit links wie möglich im robusten Bereich ansiedeln. Ein möglicher solcher Betriebspunkt ist beispielhaft durch einen vertikalen Strich dargestellt. Dieser entspricht einer Reynolds-Zahl Re von 20.000. Je nachdem wie robust und/oder ökonomisch man arbeiten will, kann man den Betriebspunkt in 2 weiter links oder weiter rechts wählen. Ein weiter rechts gelegener Betriebspunkt benötigt mehr Energie, hat aber den Vorteil einer kürzeren Zykluszeit, ein weiter links gelegener Betriebspunkt benötigt weniger Energie hat aber den Nachteil einer längeren Zykluszeit und einer geringeren Robustheit. Die dargestellte Reynolds-Zahl von 20.000 stellt insofern einen günstigen Kompromiss dar. Der Verlauf des Zusammenhangs zwischen mittlerer Werkzeugwandtemperatur und Durchflussmenge ist unabhängig vom Werkzeug, plastifiziertem Kunststoffmaterial usw.
3 zeigt entlang der Ordinate die Durchflussmenge des Temperiermediums in einem Temperierzweigs 2 in Litern pro Minute und entlang der Abszisse die durch den Temperatursensor 4 ermittelte Temperatur des Temperiermediums im Vorlauf 5 in Grad Celsius. Mittels dieses Diagramms kann die minimal benötigte Durchflussmenge ermittelt werden, die benötigt wird, um eine vorgegebene Reynolds-Zahl Re zu erreichen. Das dargestellte Diagramm gilt für eine Reynolds-Zahl Re von 20.000 und Wasser als Temperiermedium. Es sind Kurvenscharen für unterschiedliche Bohrungsdurchmesser dargestellt, beispielsweise ergibt sich unabhängig vom hergestellten Formteil, vom eingesetzten Werkzeug usw. bei einer Vorlauftemperatur von 60°C, bei Verwendung von Wasser und einem Bohrungsdurchmesser von 10 mm eine minimale Durchflussmenge von 4,5 l pro Minute.
Das oben beschriebene Verfahren zur Feststellung der minimalen Soll-Durchflussmenge kann für jeden der Temperierzweige 2 durchgeführt werden.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das beschriebene Verfahren zur Ermittlung der minimalen Soll-Durchflussmengen im laufenden Formgebungsprozess durchgeführt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

AT 12213 U1 [0024]

Claims

Verfahren zur Temperierung eines Formwerkzeugs (3) oder Komponenten einer formgebenden Arbeitsmaschine mittels eines in wenigstens einem Temperierzweig (2) eines Temperiersystems befindlichen Temperiermediums, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorermittelter Zusammenhang zwischen Geometriedaten des wenigstens einen Temperierzweigs (2) und Durchflussmengen des Temperiermediums bereitgestellt wird und mittels des vorermittelten Zusammenhangs für die Geometriedaten des wenigstens einen Temperierzweigs (2) eine Soll-Durchflussmenge eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometriedaten wenigstens einen Durchmesser- oder bei nicht kreisförmigen Querschnitten ein dem Durchmesser äquivalentes charakteristisches Maß – eines Kanals des wenigstens einen Temperierzweiges (2) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorermittelte Zusammenhang mittels Reynolds-Zahlen ausgedrückt wird, eine Reynolds-Zahl (Re) vorgegeben wird und die Soll-Durchflussmenge aufgrund der vorgegebenen Reynolds-Zahl (Re) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge so eingestellt wird, dass die sich ergebende Reynolds-Zahl größer oder gleich der vorgegebenen Reynolds-Zahl (Re) ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausdrücken des vorermittelten Zusammenhangs mittels Reynolds-Zahlen eine Temperatur des Temperiermediums berücksichtigt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusammenhang zwischen mittleren Temperaturdifferenzen im wenigstens einen Temperierzweig (2) und Durchflussmengen des Temperiermediums gemessen wird und beim Einstellen der Soll-Durchflussmenge der Zusammenhang zwischen mittleren Temperaturdifferenzen des wenigstens einen Temperierzweigs und den Durchflussmengen berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchflussmenge nur unter Berücksichtigung des vorermittelten Zusammenhangs zwischen Geometriedaten und Durchflussmengen bestimmt wird und eine weitere Durchflussmenge nur unter Berücksichtigung des gemessenen Zusammenhangs zwischen mittleren Temperaturdifferenzen und Durchflussmengen bestimmt wird und das Maximum aus Durchflussmenge und weiteren Durchflussmengen als Soll-Durchflussmenge für das Temperiermedium eingestellt wird.
Elektronische Steuer- oder Regeleinrichtung (1) für eine Temperiervorrichtung einer formgebenden Arbeitsmaschine zur Regelung oder Steuerung einer Durchflussmenge eines Temperiermediums durch einen Temperierzweig (2), mit einer Eingabevorrichtung (8), einer Recheneinheit (9), einer Speichereinheit (10) und einer Ausgabevorrichtung (11), dadurch gekennzeichnet, dass in der Speichereinheit (10) ein vorermittelter Zusammenhang zwischen Geometriedaten des wenigstens einen Temperierzweigs (2) und Durchflussmengen des Temperiermediums abgelegt ist und durch die Recheneinheit (9) in Abhängigkeit von über die Eingabevorrichtung (8) eingegebenen Geometriedaten des wenigstens einen Temperierzweigs (2) mittels des vorermittelten Zusammenhangs eine Soll-Durchflussmenge berechenbar und an die Ausgabevorrichtung (11) übermittelbar ist.
Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabevorrichtung (11) als Aktuator (12) für wenigstens ein Stellglied des Temperierzweigs (2) ausgebildet ist.
Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabevorrichtung (11) als Visualisierungseinrichtung ausgebildet ist.
Steuer- oder Regeleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometriedaten wenigstens einen Durchmesser- oder bei nicht kreisförmigen Querschnitten ein dem Durchmesser äquivalentes charakteristisches Maß – eines Kanals des wenigstens einen Temperierzweiges (2) umfassen.
Steuer- oder Regeleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der vorermittelte Zusammenhang mittels Reynolds-Zahlen (Re) ausgedrückt ist, eine Reynolds-Zahl (Re) mittels der Eingabevorrichtung vorgegebbar ist und die Soll-Durchflussmenge aufgrund der vorgegebenen Reynolds-Zahl (Re) von der Recheneinheit (9) bestimmbar ist.
Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge so einstellbar ist, dass sie der vorgegebenen Reynolds-Zahl (Re) entspricht.
Steuer- oder Regeleinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (9) so ausgebildet ist, dass sie zum Ausdrücken des vorermittelten Zusammenhangs mittels Reynolds-Zahlen eine Temperatur des Temperiermediums berücksichtigt.
Steuer- oder Regeleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Temperatursensor (4, 4') zur Ermittlung einer Temperatur des Temperiermediums vorgesehen ist.
Anordnung mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 15 und einer Temperiervorrichtung.
Formgebende Arbeitsmaschine, insbesondere Spritzgießmaschine, Druckgussmaschine oder Pressmaschine, mit einer Anordnung nach Anspruch 16.