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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Spritzgießen von Kunststoffen in den Hohlraum einer Form. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen von Kunststoffen sowie ein System zum Spritzgießen, das einen Kunststoffdispenser und eine Mehrzahl von Injektoren beinhaltet, die jeweils eine Ventilnadel aufweisen, die zwischen einer Schließposition und einer Öffnungsposition verschiebbar ist, um Kunststoff unter Druck in einen Hohlraum der Form einzubringen.
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Stand der Technik
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Die Verschiebungen der Ventilnadel jedes Injektors werden durch einen Fluidaktuator oder einen elektrischen Aktuator ausgeführt: Im zweiten Fall sind, wie beispielsweise im Dokument
EP 2 679 374 A1 des Anmelders dargestellt, die elektrischen Aktuatoren leicht mit Hilfe einer elektronischen Steuerungseinheit steuerbar, die nach Prozessparametern arbeitet, um sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit der Ventilnadel während ihrer Bewegung aus der Schließposition in die Öffnungsposition und umgekehrt präzise und genau zu steuern. Eine solche Steuerung wird sowohl nach eingestellten Zyklen, beispielsweise nach Daten, die während des Einspritzvorgangs erfasst werden, als auch durch spezifische Algorithmen erhalten. Die elektronische Steuerungseinheit ist gleichermaßen mit Fluidaktoren (hydraulische und pneumatische Aktoren) kombinierbar.
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US 2003/0012845 A1 beschreibt ein Spritzgießsystem umfassend mehrere Injektoren mit Ventilnadeln, die mittels eines Aktuators zwischen einer Schließposition und einer Öffnungsposition verschiebbar sind. Der Druck der einzuspritzenden Kunststtoffschmelze wird mittels Drucksensoren, die stromab der Ventilnadelköpfe in den Injektoren angeordnet sind, erfasst und geregelt.
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Aus US 2012/02 48652 A1 sind Injektoren für Spritzgießsysteme bekannt, deren Ventilnadeln neben einer vollständig geschlossen Position und einer maximal geöffneten Position gesteuert werden können. Darüber hinaus ist die Steuerunng ausgelegt, die Geschwindigkeit der Ventilnadelbewegung zwischen den verschiedenen Positionen zu variieren. Im Standardverfahrenszyklus erfolgt eine sequentielle Steuerung, wobei zunächst nur der zentral angeordnete Injektor geöffnet wird und anschließend die lateralen Injektoren. Beim Öffnungsvorgang werden die lateralen Injektoren zunächst mit einer reduzierten Ventilnadelgeschwindigkeit geöffnet und diese dann schrittweise oder kontinuerlich erhöht.
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Ein weiterer kaskadierter Spritzgießprozess ist in
WO 1998/22275 A1 beschrieben.
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Im Betrieb des Formgebungssystems besteht häufig der Bedarf, die Farbe des zu formenden Bauteils zu wechseln, was notwendigerweise vorbereitende Vorgänge zum Reinigen des Kunststoffdispensers und der Injektoren impliziert. Dies führt zu einer unvermeidlichen Unterbrechung der Produktion und zur Vergeudung einer erheblichen Polymermenge: So erfolgt das Reinigen in seiner einfachsten Form durch Einstellen der Prozessparameter auf die neue Farbe und das Formen einer bestimmten Anzahl an Bauteilen, die anschließend verworfen werden, bis die gewünschte Qualität erreicht ist. Es ist daher wichtig, in der großmaßstäblichen Fertigung die Häufigkeit und das im Zusammenhang mit dem Farbwechsel verworfene Material zu reduzieren.
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Darüber hinaus liegt das Einstellen der Zyklussequenz zum Öffnen der Injektoren, um den Farbwechsel auszuführen, herkömmlicherweise im Ermessen des Anwenders und wird vom betreffenden Anwender manuell ausgeführt, wodurch zusätzliche Produktionsunterbrechungen erforderlich werden.
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Das Dokument „Löcher Umspritzen“, Plastverarbeiter, Huething GmbH, Heidelberg, DE, Heft 49, Nr. 5, 01/05/1998, S. 50 - 52, beschreibt bezüglich des Kunststofffarbwechsels einen Zyklus, der sich auf ein Spritzgießgerät mit drei Injektoren bezieht, die in einer kaskadenartigen oder sequenziellen Weise betätigt werden, und der einfach die Wiederholung des normalen sequenziellen Standardformgebungszyklus vorsieht, nach dem zunächst die seitlichen Injektoren geöffnet werden, um die entsprechenden Regionen im Formhohlraum zu füllen, und anschließend, nach einem empirisch ermittelten Zeitraum, auch der mittlere Injektor geöffnet wird. Wenn der Fluss des durch den mittleren Injektor in die Form eingebrachten Kunststoffs die beiden seitlichen Regionen erreicht, werden die beiden seitlichen Injektoren geschlossen.
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Diese Wiederholung des normalen sequenziellen Formgebungszyklus ermöglicht, gemäß diesem Dokument, die Ausführung des Farbwechsels in 5 - 10 Formgebungsvorgängen. Diese Möglichkeit, die ohne jeden experimentellen Nachweis postuliert wird, hängt selbstverständlich von einer Reihe verschiedener Parameter ab:
- - Abmessungen des zu formenden Teils (Länge der Zufuhrkanäle und Kunststoffmenge),
- - Kunststoffeigenschaften (Viskosität, Formgebungstemperatur),
- - Injektoren (Anzahl, Position, Typ, Steuerungsverfahren),
- - Kunststofffarbe.
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Das Dokument nimmt auf keinen dieser Parameter Bezug: In Anbetracht der Tatsache, dass sich die beschriebenen Farbwechselzyklen in keiner Weise von der sequenziellen Einspritzung unterscheiden, ist grundsätzlich davon auszugehen, dass sich die angegebenen 5 - 10 Formgebungsvorgänge auf die günstigsten Bedingungen (kleine zu formende Teile, hohe Kunststoffviskosität und -temperatur, begrenzte Anzahl an Injektoren, Farbwechsel von gelb zu weiß oder umgekehrt) beziehen müssen.
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So wurde grundsätzlich nachgewiesen, dass im Fall von wesentlich weniger vorteilhaften Bedingungen (große zu formende Teile, wie beispielsweise Fahrzeugbleche oder Spoiler, geringe Kunststoffviskosität und -temperatur, hohe Anzahl an Injektoren, Farbwechsel von schwarz zu weiß) die Anzahl der für einen Farbwechsel erforderlichen Formgebungsvorgänge mit sequenziellen Standards deutlich, sogar um ein Mehrfaches von zehn, höher ist, woraus sich lange Zeiten und eine erhebliche Kunststoffvergeudung ergeben.
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Der Anmelder hat durch eine Reihe von Patentanmeldungen, die zum Zeitpunkt der Einreichung der vorliegenden Anmeldung noch zu veröffentlichen sind, spezifische und besondere Verfahren zum Steuern der Nadelventile der Injektoren entwickelt und geschützt, die insbesondere im Fall einer kaskadenartigen oder sequenziellen Einspritzung, eine wesentliche Qualitätsverbesserung der auf diese Weise geformten Artikel ermöglichen. Üblicherweise sieht der Standardzyklus bei der sequenziellen Einspritzung vor, dass einige der Injektoren, in der Regel die in Bezug auf den Formhohlraum am weitesten am Rand befindlichen, eine geringere Kunststoffmenge als die der anderen Injektoren einspritzen. Dieser Unterschied ist insbesondere von der Geometrie des Dispensers und der Injektoren abhängig, d. h. vom Querschnitt und der Geometrie der Kanäle, durch die der geschmolzene Kunststoff an die verschiedenen Einspritzpunkte gelangt. Die Menge hängt außerdem vom Öffnungsgrad der jeweiligen Nadelventile und von der Gesamteinspritzzeit ab.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Farbwechselprozess zu optimieren und auch zu automatisieren, um so die benötigten Zeiten deutlich zu verringern und auch die verworfenen Materialien und die Kunststoffvergeudung deutlich zu reduzieren.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die über die Aktivierung des jeweiligen Aktuators (elektrischer Aktuator oder Fluidaktuator) durch die elektronische Steuerungseinheit ausgeführte Steuerung der Position und der Verschiebungsgeschwindigkeit der Ventilnadel jedes Injektors zu jedem Zeitpunkt vorteilhafter Weise zur Beschleunigung des Farbwechselprozesses genutzt werden kann.
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In Anbetracht dessen stellt die Erfindung ein Verfahren und ein System zum Spritzgießen bereit, wie im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 4 definiert. Das Unterscheidungsmerkmal der Erfindung besteht in der umgehenden Aktivierung einer voreingestellten Funktion des Wechsels der Farbe des einzuspritzenden Kunststoffs, die nach einer optimierten Sequenz betätigt wird, die im vollständigen Öffnen der einigen Injektoren (die in einem Standardformgebungszyklus eine geringere Materialmenge einspritzen; nachfolgend auch als zweite Injektoren bezeichnet) besteht, um für eine begrenzte Anzahl an Einspritzzyklen, während derer die anderen Injektoren (diejenigen, die in einem Standardformgebungszyklus eine höhere Kunststoffmenge einspritzen; nachfolgend auch als erste Injektoren bezeichnet) geschlossen bleiben, eine maximale Kunststoffmenge einspritzen, um so die Anzahl der für den Farbwechsel erforderlichen Formgebungsvorgänge zu minimieren.
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So sieht dieses Unterscheidungsmerkmal vor, denjenigen Injektoren, die im Standardzyklus weniger abgeben, eine höhere Menge zuzuweisen, wodurch die übliche Situation des Standardformgebungszyklus im Wesentlichen umgekehrt wird.
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Der voreingestellte Farbwechsel soll in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern verarbeitet werden, zu denen selbstverständlich die Abmessungen und die Geometrie der zu formenden Artikel sowie die Materialeigenschaften und die Anzahl und Position der für deren Formgebung bereitgestellten Injektoren gehören.
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Sobald die elektronische Steuerungseinheit des Systems zum Spritzgießen mit der vorgenannten voreingestellten Funktion programmiert ist, kann der Farbwechselzyklus vom Anwender in einfacher Weise abgerufen und aktiviert werden, wodurch in erheblichem Maß Zeit gespart und die Vergeudung von Kunststoff reduziert werden.
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Die Erfindung ist insbesondere im Fall eines sequenziellen oder kaskadenartigen Systems zum Spritzgießen zum Formen großer Artikel, wie beispielsweise Fahrzeugkarosseriebleche und dergleichen, in der Automobilindustrie vorteilhaft. In diesem Fall umfasst das Formgebungsgerät in der bekannten Weise erste und zweite Injektoren, die jeweils in einem im Wesentlichen mittleren Bereich und einem oder mehreren im Wesentlichen peripheren Bereichen des Formhohlraums angeordnet sind, und die Einspritzung des Kunststoffs wird durch sequenzielles Steuern der ersten und zweiten Injektoren ausgeführt, so dass die Ventilnadeln der ersten Injektoren vor den Ventilnadeln der zweiten Injektoren aus der ersten Schließposition in die Schließposition verschoben werden, um so den Formhohlraum vom im Wesentlichen mittleren Bereich zu den im Wesentlichen peripheren Bereichen zunehmend zu füllen. In diesem Fall sieht die erfindungsgemäße voreingestellte Farbwechselfunktion vor, die Kunststoffmenge durch das komplette Öffnen der jeweiligen Ventilnadeln der zweiten Injektoren zu maximieren, während die ersten Injektoren geschlossen bleiben. Es wurde dabei experimentell nachgewiesen, dass sich die Anzahl an Formgebungsvorgängen, die für den Abschluss des Farbwechselvorgangs und zum Erreichen der gewünschten ästhetischen Qualität der Formartikel benötigt werden, von mehreren zehn auf einige Einheiten verringern und damit in erstaunlichem Maß reduzieren und minimieren lässt.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nun ausschließlich zur Veranschaulichung anhand von nicht einschränkenden Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. Es zeigen:
- - 1 in einer schematischen Teilansicht einen Teil eines die Erfindung nutzenden Spritzgießsystems;
- - 2 in einer schematischen Draufsicht eine Ausgestaltung des Formgebungssystems, die geeignet ist, eine sequenzielle oder kaskadenartige Einspritzung auszuführen;
- - 2A in einer schematischen Vorderansicht das System aus 2;
- - 3 in einem Diagramm die Menge des aus den in 2 dargestellten Injektoren austretenden Kunststoffs in Abhängigkeit von der Zeit und
- - 4 in einer Tabelle eine Veranschaulichung der Vorteile der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein System zum Spritzgießen von Kunststoffen, das in einer im Wesentlichen herkömmlichen Weise einen Injektor 3 umfasst, der mit einem Dispenser 2 von geschmolzenem Kunststoff oder einer Warmkammer verbunden ist und eine Düse 5 umfasst, die an ihrem freien Ende mit einem Düsenanschluss 6 bereitgestellt ist, der über einen Einspritzanguss mit dem Hohlraum einer Form S in Verbindung steht. Der Durchfluss des Kunststoffs durch den Düsenanschluss 6 wird durch eine Ventilnadel 7 gesteuert, die über einen Aktuator 8 entlang der Düse 5 zwischen einer abgesenkten Schließposition, die in 1 dargestellt ist, und einer angehobenen Öffnungsposition axial verschiebbar ist.
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Der Aktuator
8 ist, gemäß einer bevorzugten, jedoch nicht einschränkenden Darstellung der Erfindung, ein elektrischer Aktuator und insbesondere ein rotierender Elektromotor: Seine in
1 dargestellte Anordnung ist rein exemplarisch zu verstehen, da sie beispielsweise auch von der im bereits genannten Dokument
EP 2 679 374A1 beschriebenen und dargestellten Art sein kann, derzufolge die Welle des rotierenden Elektromotors (Aktuator
8) die Ventilnadel
7 über ein Getriebe der reversierbaren Art antreibt, welches üblicherweise eine SchraubenMutter-Einheit sowie einen Schwenkhebel beinhaltet.
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Der Elektromotor (Aktuator 8) ist mit einer programmierbaren elektronischen Steuerungseinheit 4 wirkverbunden, um die Ventilnadel 7 in einer kontrollierten Weise nach eingestellten Zyklen in Abhängigkeit von verschiedenen Umfängen zu steuern. Die elektronische Steuerungseinheit 4 ist insbesondere dazu programmiert, die Ventilnadel 7 im Hinblick auf Position und Geschwindigkeit während des Öffnens und Schließens des Injektors 3 in einer kontrollierten Weise zu betätigen.
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2 ist eine schematische Darstellung einer bekannten Anordnung des Formgebungssystems zur Fertigung von großen Artikeln, beispielsweise von Fahrzeugblechen P, mit Hilfe einer kaskadenartigen oder sequenziellen Einspritzung. Das in 2 veranschaulichte System umfasst eine Mehrzahl von jeweils mit 3a, 3b, 3c bzw. 3d gekennzeichneten Injektoren, die jeweils in einem mittleren Bereich, Zwischenbereich und Endbereich des Formhohlraums positioniert sind und durch jeweilige rotierende Elektromotoren 8a, 8b, 8c und 8d, die durch die Steuerungseinheit 4 gesteuert werden, betätigt werden.
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2A zeigt eine Vorderansicht des Formgebungssystems aus 2, in der die Geometrie des Blechs P und die Anordnung der Injektoren 3a - 3d jeweils in einem mittleren Bereich, Zwischenbereich und Endbereich des Formhohlraums S erkennbar sind. Darüber hinaus sind auch Kanäle 10 des Dispensers 2 erkennbar, durch die der geschmolzene Kunststoff von der Erweiterung der Pressdüse 9 bis zu den einzelnen Düsenanschlüssen 6 der Injektoren 3 gefördert wird. Es ist offenkundig, dass die Länge der Kanäle 10 und damit auch die Menge des diese durchfließenden Materials in Abhängigkeit von der Position der Injektoren 3 veränderbar sind.
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Das Diagramm aus 3 zeigt einen möglichen Betriebszyklus der Elektromotoren 8a - 8d, bezüglich welcher die elektronische Steuerungseinheit 4 dazu programmiert ist, die sequenzielle Einspritzung auszuführen. Die mit A, B, C und D gekennzeichneten Graphen zeigen in Abhängigkeit von der Zeit die jeweils aus dem mittleren Injektor 3a, den im Zwischenbereich angeordneten Injektoren 3b und 3c und den im Endbereich angeordneten Injektoren 3d austretende Menge. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, das, wie bereits erwähnt, lediglich eine der möglichen, von der elektronischen Steuerungseinheit 4 betätigbaren Zyklen veranschaulicht, wird im Schritt des Befüllens des Formhohlraums der mittlere Injektor 3a (Graph A) zuerst geöffnet, und eine vorgegebene Menge, die hauptsächlich vom Öffnungsgrad der Ventilnadel 7 abhängt, wird in den Hohlraum eingespritzt. Mit dem Abschluss des Befüllens des diesem zugewiesenen Hohlraums beginnt der mittlere Injektor 3a sich zu schließen, bis er einen Nullhöhenwert erreicht hat. Die ersten im Zwischenbereich angeordneten Injektoren 3b öffnen sich gleichzeitig bis zum Erreichen einer maximalen Höhe, die geringer als die vom mittleren Injektor 3a erreichte Höhe und beispielsweise so hoch wie etwa die Hälfte der Höhe desselben ist (Graph B). Analog zu dem vorstehend Dargestellten werden mit Abschluss des Befüllens in der Nähe der ersten im Zwischenbereich angeordneten Injektoren 3b die letzteren geschlossen, und gleichzeitig öffnen sich die zweiten im Zwischenbereich angeordneten Injektoren 3c bis zum Erreichen maximaler Höhenwerte, die ebenfalls geringer als der anfänglich vom mittleren Injektor 3a erreichte Wert und beispielsweise so hoch wie die Höhe der ersten im Zwischenbereich angeordneten Injektoren 3b sind (Graph C). Schließlich wird der Zyklus mit dem Öffnen der Injektoren 3d (Graph D) in analoger Weise abgeschlossen. Die Menge des durch die im Zwischenbereich angeordneten Injektoren 3b, 3c und die im Endbereich angeordneten Injektoren 3d in den Formhohlraum eingebrachten Kunststoffs ist somit deutlich geringer als die durch den mittleren Injektor 3a freigegebene Menge und wird hauptsächlich durch Einwirken auf die Öffnungspositionen der einzelnen Ventilnadeln 7 erhalten.
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Angesichts der Tatsache, dass das vorstehend beschriebene Formgebungssystem das Wechseln der Farbe des Formbauteils vorsieht, sollte ein Vorgang zur Reinigung des Dispensers 2 und der Injektoren 3a - 3d durchgeführt werden. Dies erfordert das Formen einer bestimmten Anzahl an Komponenten mit dem Kunststoff der neuen Farbe, die verworfen werden, bis die erforderliche ästhetische Qualität erreicht ist.
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Somit ist gemäß der bestimmten Eigenschaft der Erfindung die elektronische Steuerungseinheit 4 dazu gestaltet, d. h. programmiert, umgehend eine voreingestellte Farbwechselfunktion zu aktivieren, die nach einer optimierten Sequenz betätigt wird, wodurch die erforderliche Anzahl an Formgebungsvorgängen minimiert wird. Diese voreingestellte Funktion wird vorzugsweise mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse bestimmt und stellt, im Fall des hierin beschriebenen Beispiels der sequenziellen Einspritzung, eine begrenzte Reihe von mit Standardprozessparametern betätigten Einspritzzyklen bereit, die den im Diagramm aus 3 dargestellten entsprechen und denen eine begrenzte Anzahl von Zyklen folgt, in denen die Injektoren, die während des Standardeinspritzvorgangs durch die geringere Kunststoffmenge gekennzeichnet sind, bzw. die im gegebenen Fall mit 3b, 3c und 3d gekennzeichneten Injektoren durch Bewegen der Ventilnadeln 7 in die maximale bzw. komplette Öffnungsposition vollständig geöffnet werden, während der Injektor 3a geschlossen gehalten wird.
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Wie in der Tabelle aus 4 dargestellt, ermöglicht diese Sequenz das Abschließen des Farbwechsels, beispielsweise von schwarz zu einer hellen Farbe, innerhalb von lediglich 11 Formgebungsvorgängen, wovon 7 mit den Standardprozessparametern und 4 mit vollständiger Öffnung der Injektoren 3b, 3c, 3d erhalten werden, während der Injektor 3a geschlossen gehalten wird.
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Wie aus der Tabelle ersichtlich, ist diese mit „4“ gekennzeichnete Sequenz deutlich kleiner als die mit „1“ gekennzeichnete herkömmliche Sequenz, in der üblicherweise zumindest 32 Formgebungsvorgänge mit den Standardprozessparametern vorgesehen sind, und sogar deutlich kleiner als in dem Fall, in dem für den Farbwechsel alle Injektoren 3a - 3d über mehrere Formgebungsvorgänge vollständig geöffnet sind (Sequenz „2“), und in dem Fall, in dem eine gegebene Anzahl an Formgebungsvorgängen mit den Standardprozessparametern ausgeführt wird, denen weitere Formgebungsvorgänge folgen, bei denen alle der Injektoren 3a - 3d offen sind (Sequenz „3“).
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es selbstverständlich, sowohl die für den Farbwechsel erforderliche Zeit als auch die bis zum Erreichen der erforderlichen ästhetischen Qualität verworfenen Teile und somit die Kunststoffvergeudung zu minimieren.
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Die elektronische Steuerungseinheit 4 ist mit verschiedenen voreingestellten Farbwechselfunktionen programmierbar, beispielsweise entsprechend der Anzahl an Injektoren und Abmessungen der zu druckenden Komponenten, die unverzüglich abgerufen und automatisch aktiviert werden, ohne dass es bis zu ihrem Abschluss weiterer Maßnahmen des Anwenders bedarf.
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Die bevorzugte, jedoch nicht einschränkende Anwendung des elektrischen Aktuators bietet den weiteren Vorteil, dass sie die es ermöglicht, die Entfernung von Restmaterial aus dem Düsenanschluss 6 zu beschleunigen, was beim Farbwechselvorgang besonders wichtig ist. So wird der Injektor auf ein Mindestniveau geöffnet, sodass der Einspritzdruck in der Nähe des unteren Endes der Ventilnadel 7 extrem hoch ist und dadurch das Entfernen des Restmaterials erleichtert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Dispenser
- 3
- Injektor
- 3b, 3c, 3d
- einige der Injektoren (zweite Injektoren)
- 3a
- die anderen Injektoren (erste Injektoren)
- 4
- Steuerungseinheit
- 5
- Düse
- 6
- Düsenanschluss
- 7
- Ventilnadel
- 8
- Aktuator
- S
- Form
