DE102017100410A1

DE102017100410A1 - System und Verfahren zum Messen und Regeln einer Formatmung eines Mehrplatten-Formgebungswerkzeugs

Info

Publication number: DE102017100410A1
Application number: DE102017100410.6A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ruopp; Markus Lehr
Original assignee: SCHNEIDER FORM GmbH
Current assignee: SCHNEIDER FORM GmbH
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: DE102017100410B4

Abstract

Es wird offenbart ein Messsystem für eine Mehrplatten- Werkzeug, insbesondere für eine Mehrplatten-Spritzguss- Werkzeug, mit: einer ersten Formplatte des Werkzeugs, die mit einer gegenüberliegend und beweglich angeordneten zweiten Formplatte des Werkzeugs eine Formtrennebene und ein Formnest definiert, wobei die erste und zweite Formplatte entlang einer Öffnung/Schließachse relativ zueinander beweglich sind und Formflächen aufweisen, die gemeinsam das Formnest und die Formtrennebene definieren; und mindestens einer in die erste Formplatte integrierten Messvorrichtung, die eingerichtet ist, eine mechanische Materialverformung zu messen und in ein entsprechendes Messsignal umzuwandeln; wobei jede der Messvorrichtungen innerhalb eines Sacklochs in der ersten Formplatte positioniert ist; wobei jedes der Sacklöcher einen membranartig, unter Krafteinwirkung elastisch verformbar ausgebildeten Boden aufweist, der eine trennseitig angeordnete erste Fläche und eine rückseitig zur Trennebene angeordnete zweite Fläche aufweist, wobei die erste Fläche in der Formfläche der ersten Formplatte liegt; und wobei jeder der Böden so angeordnet und ausgebildet ist, dass eine Schließkraft, die die zweite Formplatte beim Schließen des Werkzeugs auf die erste Formplatte ausübt, eine mit der Messvorrichtung messbare mechanische Verformung der zweiten Fläche verursacht, wenn, und insbesondere sobald, sich die erste und zweite Formplatte im Bereich des entsprechenden Sacklochs berühren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem für eine Mehrplatten- Werkzeugs einer Formgebungsmaschine, insbesondere einer Spritzgießmaschine, wobei insbesondere ein „Atmen“ der Formplatten des Werkzeugs erfasst und kompensiert wird. Die Erfindung stellt ein exzellentes Beispiel für die Implementierung von „Industrie 4.0“ dar.
Spritzgieß-Formteile bzw. sogenannte „Spritzlinge“ werden mit Spritzgießwerkzeugen hergestellt, die üblicherweise mehrere, beweglich zueinander gelagerte Platten aufweisen. In der DE 10 2005 011 311 B3 ist ein sogenanntes Dreiplattenwerkzeug der Anmelderin gezeigt, das im Wesentlichen drei mittig angeordnete Platten zusätzlich zu den außen angeordneten Aufspannplatten aufweist. Zwischen einer ersten Aufspannplatte und einer zweiten Aufspannplatte können zum Beispiel eine Form- bzw. Matrizenplatte, ein plattenförmiger Abstreifrahmen sowie ein plattenförmiger Formrahmen angeordnet sein. Dieses spezielle (Mehrplatten-)Werkzeug lässt sich entlang von zwei Trennebenen, die durch die Kontaktflächen der mittigen Platten definiert sind, öffnen, wozu zum Beispiel die zweite Aufspannplatte zusammen mit dem Formrahmen und dem Abstreifrahmen entlang einer Formöffnungsachse (senkrecht zu den Plattenebenen) bewegt wird. In der Regel sind die erste Aufspannplatte und die Matrizenplatte fest mit einer Extrusionseinrichtung verbunden, die eine Schmelze aus einem Material (zum Beispiel Kunststoff oder Metall) liefert, aus welchem das zu bildende Spritzgieß-Formteil hergestellt wird.
Dabei werden die Formteile mit einer Grundeinstellung des Werkzeugs bzw. der Maschine hergestellt, die in der Regel noch nicht den geforderten Qualitätsanforderungen entsprechen. Deshalb werden die Einstellungen des Werkzeugs bzw. der Werkzeugmaschine häufig (standardisiert) optimiert. In diesem Zusammenhang können die folgenden Qualitätsmerkmale bewertet werden, die jeweils zu einer entsprechenden Korrekturmaßnahme führen können:

- unvollständige Werkzeugfüllung;
- Einfallstellen;
- Gratbildung;
- sichtbare schlechte Bindnähte;
- Freistrahlbildung;
- Rillenbildung (Schaltplatteneffekt); und/oder
- Schlieren auf der Oberfläche des Formteils.

Diese (Formteil-)Fehler lassen sich ohne weitere Hilfsmittel einfach diagnostizieren.
Während einer Optimierung der Maschine kann es zum Beispiel passieren, dass durch eingeleitete Maßnahmen das Formnest trotz erfolgreicher Grundeinstellung nicht mehr vollständig mit der Schmelze gefüllt wird. Dies trifft insbesondere auf solche Formenteilbereiche zu, wo eine Wanddicke geringer als eine mittlere Wanddicke ist, zum Beispiel an Spitzen von Rippen. Eine unvollständige Formteilfüllung kann im Einzelfall auch entlüftungsbedingt sein. Entlüftungsbedingte Formfüllprobleme sind verfahrenstechnisch mit einer geringeren Schließkraft (der Platten) und/oder mit einer geringeren Einspritzgeschwindigkeit zu beheben, so dass die Luft besser aus der Kavität bzw. dem Formnest entweichen kann. Ferner kann ein Umschaltzeitpunkt (von einer Einspritzphase in eine Nachdruckphase), eine Einspritzgeschwindigkeit oder ein Dosiervolumen geändert werden. Es ist wünschenswert, diese Parameter messen zu können.
Einfallstellen treten während einer Abkühlphase auf, wenn die Schmelze schwindet und nicht ausreichend Masse zur Kompensation des Schwunds nachgedrückt wird.
Grate oder auch Schwimmhäute im Bereich einer Trennnaht eines Formteils (Spritzling) treten auf, wenn ein Werkzeuginnendruck die von außen auf die Platten wirkende Schließkraft, die die Plattenflächen verbindet und aneinander drückt und somit das Formnest dicht verschließt, übersteigt und das Werkzeug leicht „atmet“. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer „Formatmung“. Während einer Formatmung entsteht ein - ungewollter - Spalt zwischen direkt benachbarten Platten, die eigentlich flächenbündig dicht in Kontakt miteinander stehen sollten. Es entsteht also eine Verbindung zwischen der eigentlich dicht zu haltenden Kavität und der Außenwelt. Diese Atmung bzw. Spaltbildung stellt üblicherweise ein lokales Ereignis dar und führt dazu, dass die Schmelze in Bereiche des Werkzeugs gelangt, wo sie eigentlich unerwünscht ist. So entstehen Grate.
Eine Gratbildung ist eine Vorstufe des Überspritzens (Einspritzen von mehr Schmelze als eigentlich benötigt wird). Der Spritzling selbst ist üblicherweise erheblich dicker als der Grat. Bei prozentual gleicher Schwindung im Formteil und im Grat wird also das Formteil stärker schwinden. Dadurch kommt es zwangsläufig zu einer stärkeren Belastung der Trennebene der Platten, weil die gesamte Schließkraft auf den Grat wirkt und deshalb hier eine Flächenpressung stark ansteigt. Bei einem wiederholten Spritzen werden die Trennebenen infolge von Stauchung stärker beschädigt. Eine beschädigte Trennebene kann nicht mehr dicht sein, so dass eine Gratvermeidung unmöglich ist. Dieser Effekt ist unerwünscht und zu vermeiden.
Grate sind grundsätzlich zu vermeiden. Es ist dabei zu beachten, dass im Hinblick auf schädigende hohe Flächenpressungen kleine Grate erheblich schneller zu Trennebenenschäden führen als großflächiges Überspritzen.
Herkömmlicherweise senkt man bei eintretender Gratbildung die Einspritzgeschwindigkeit und den Nachdruck ab. Verringert sich die Gratbildung dann nicht, kann in einem nächsten Optimierungsschritt die Nachdruckzeit auf mehrere Stufen aufgeteilt werden, wobei der Nachdruck geringer als ursprünglich eingestellt wird. In einem letzten Schritt können Nachdruckprofile und die Einspritzgeschwindigkeit erneut reduziert werden. Hilft diese Vorgehensweise nicht, muss mittels Füllbildstudie erneut überprüft werden, ob ein Umschaltpunkt nicht zu früh liegt. Dazu schaltet man den Nachdruck wieder aus. Mit dieser herkömmlichen Vorgehensweise kann auch geprüft werden, ab wann es zur Gratbildung kommt. Treten auch bereits ohne Nachdruck Grate auf, ist häufig die Trennebene bereits beschädigt. Diese Vorgehensweise ist zeitraubend und beruht auf einem Trial-and-Error-Prinzip.
Sichtbare schlechte Bindnähte treten auf, wenn zwei Fließfronten der Schmelze aufeinander treffen (Schweißlinie). Sind die Fließfronten zu kalt, lassen sich diese nicht mehr vollständig verschweißen und zeichnen sich sichtbar auf der Formteiloberfläche ab.
Ist die Einspritzgeschwindigkeit zu hoch gewählt oder wird zum Beispiel ein Querschnitt eines Formteils in einem Anschnitt sprunghaft größer, kann der Schmelzfluss auch die Form eines „Freistrahls“ annehmen. Dabei schießt die Schmelze in die Kavität, sodass je nach Geschwindigkeit des Strahls und Querschnittsprungs im Formteil Oberflächenfehler entstehen. Bei einer zu kleinen Einspritzgeschwindigkeit bilden sich quer zur Strömungsrichtung der Schmelze Rillen, im Erscheinungsbild ähnlich wie bei einer Schallplatte (Schallplatteneffekt).
Schlieren auf der Oberfläche des Spritzlings sind sehr schwierig zu beheben, weil die Ursache oft nicht eindeutig geklärt werden kann. Generell unterscheidet man zwischen Setzungsschlieren, Feuchtigkeitsschlieren, Farbschlieren und Luftschlieren.
Ursache von Brandstellen ist meistens eine schlechte Entlüftung, weil z.B. bei hoher Einspritzgeschwindigkeit die aus der Kavität zu verdrängende Luft nicht schnell genug entweichen kann. Verfahrenstechnisch löst man das Problem mit einer Reduzierung der Einspritzgeschwindigkeit und der Schließkraft. Beim Verringern der Schließkraft besteht allerdings die Gefahr der Überspritzung, wie oben erläutert.
All diese negativen Effekte gilt es abzustellen, insbesondere die durch eine Werkzeugatmung hervorgerufene Gratbildung.
Gegenwärtig wird die Werkzeugatmung üblicherweise durch Wegaufnehmer bzw. sogenannte Messuhren an der Trennebene gemessen. Eine Messuhr ist ein mechanisches Messgerät zum Messen von Längen bzw. Längendifferenzen. Üblicherweise weisen die Messuhren einen Messtaster auf, dessen Bewegung mittels einer Zahnstange und einem Zahnrad auf einen Zeiger übertragen wird (analoge Anzeige). Messuhren können sowohl im Druckbetrieb als auch im Zugbetrieb eingesetzt werden, da eine Rückführung des Messtasters über eine Feder erfolgt. Messuhren erreichen eine genaue Zeit von ca. 1/100 mm (10 µm) bei einem typischen Messbereich von 5 bis 60 mm. Messuhren mit einer Genauigkeit von 1 µm bezeichnet man auch als Feinzeiger.
Ein weiteres Messprinzip, bei dem ein Abstandmesssensor außen an die Platten angebracht wird, ist in der DE 39 17 361 A1 offenbart.
Außerdem kann alternativ die Schließkraft der Platten gemessen werden, um rechnerisch auf eine Werkzeugatmung zurückzuschließen (siehe zum Beispiel DE 10 2014 014 232 A1 ).
Die WO 2011/063537 A1 offenbart einen Druckmesssensor, der für Innendruckmessungen innerhalb der Kavität eingesetzt wird. Der Sensor misst eine mechanische Verformung einer Membran, die direkt mit einem Druckraum in Verbindung steht. Der Sensor wird als Einsatz in einem Durchgangsloch vorgesehen, das direkt in die Formteilfläche hineinreicht. Ein äußerer Rand des Sensors zeichnet sich im Formteil ab. Dies gilt es zu vermeiden. Der Sensor lässt sich nicht im Bereich einer Trennfläche, also außerhalb der Kontur einsetzen, wo sich die Platten dicht und flächenbündig berühren, weil dann kein Druck auf die Membran ausgeübt wird.
Die DE 2304149 A1 offenbart einen Sensor, der eine Formatmung außerhalb der Formteilfläche, d.h. des Formnests, induktiv misst. Der Sensor ist in einer Sacklochbohrung positioniert, die von einer Rückseite her in einer der Formhälften ausgebildet ist, die die Trennebene definiert. Da der Sensor induktiv misst, ist eine Stärke des Sacklochbodens, der der Trennebene unmittelbar gegenüberliegt, so auszubilden, dass der Boden zum Schutze des induktiven Sensors nicht (weder elastisch noch plastisch) deformiert wird und einen gewissen Druck aufzunehmen vermag, der durch die Schließkraft der Platten hervorgerufen wird. Im Falle einer Deformation würde die Position und die Eichung/Kalibrierung des induktiven Sensors verändert und verfälscht. Andererseits darf die Wandstärke des Bodens auch nicht zu groß sein, da ansonsten die Messempfindlichkeit negativ beeinträchtigt wird. Zur Erhöhung der Messempfindlichkeit ist der Sensor spielfrei, also bündig, am Sacklochboden zu positionieren. Außerdem ist der induktive Sensor oberhalb von 200° C temperaturempfindlich, was einem Einsatz im Gebiet des Spritzgießens abträglich ist. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass die Formplatten üblicherweise aus Stahl hergestellt sind, was die Messung einer Magnetfeldänderung erschwert, wenn sich ein unerwünschter Spalt zwischen den Platten bildet, die die Trennebene definieren. Schließlich ist der induktive Sensor auch nicht in der Lage, Änderungen der Schließkraft zu messen, bevor sich der Spalt tatsächlich gebildet hat, also während einer Phase, in der die Schließkraft abnimmt bzw. der Innendruck zunimmt und aber noch keine Formatmung stattgefunden hat. Somit ist auch nicht möglich frühzeitig (und rechtzeitig) einer Formatmung entgegenzuwirken.
Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Messsystem für ein Werkzeug einer Formgebungsmaschine zu schaffen, das die oben erwähnten Nachteile überwindet und das insbesondere eine frühzeitige gratfreie Messung und Erkennung einer Formatmung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Messsystem für eine Mehrplatten-Werkzeug einer Formgebungs-Maschine, insbesondere für eine Mehrplatten- Werkzeug, mit: einer ersten Formplatte des Werkzeugs, die mit einer gegenüberliegend und beweglich angeordneten zweiten Formplatte des Werkzeugs eine Formtrennebene und ein Formnest definiert, wobei die erste und zweite Formplatte entlang einer Öffnung/Schließachse relativ zueinander beweglich sind und Formflächen aufweisen, die gemeinsam das Formnest und die Formtrennebene definieren; und mindestens einer in die erste Formplatte integrierten Messvorrichtung, die eingerichtet ist, eine mechanische Materialverformung zu messen und in ein entsprechendes Messsignal umzuwandeln; wobei jede der Messvorrichtungen innerhalb eines Sacklochs in der ersten Formplatte positioniert ist; wobei jedes der Sacklöcher einen membranartig, unter Krafteinwirkung elastisch verformbar ausgebildeten Boden aufweist, der eine trennseitig angeordnete erste Fläche und eine rückseitig zur Trennebene angeordnete zweite Fläche aufweist, wobei die erste Fläche in der Formfläche der ersten Formplatte liegt; und wobei jeder der Böden so angeordnet und ausgebildet ist, dass eine Schließkraft, die die zweite Formplatte beim Schließen des Werkzeugs auf die erste Formplatte ausübt, eine mit der Messvorrichtung messbare mechanische Verformung der zweiten Fläche verursacht, wenn, und insbesondere sobald, sich die erste und zweite Formplatte im Bereich des entsprechenden Sacklochs berühren.
Das Messsystem ist gegenüber der anderen Formplatte und der Schmelze geschützt, weil es durch das Sackloch rückseitig in die Formplatte eingebaut ist. Das Sackloch verursacht keinen Abdruck in der Formteilfläche. Das Sackloch kann sowohl im Bereich der Formteilfläche (Formnest) zur Druckmessung (optional ergänzend auch zur Messung einer Temperatur, einer Schmelzeposition und/oder einer Schmelzefließgeschwindigkeit durch weitere Sensoren) als auch in Bereich einer Trennfläche zur Abstandsmessung der beteiligten Formplatten eingesetzt werden. Weil elastische Verformungen des membranartigen Bodens des Sacklochs gemessen werden, kann eine Abnahme der effektiv wirkenden Schließkraft bereits gemessen werden, bevor die Formplatten sich tatsächlich voneinander entfernen und somit „atmen“. Die Messvorrichtung kann nicht durch Schmelze verunreinigt werden. Die Messstelle verharzt nicht und ist gratfrei. Das Messsystem ist robust und hat eine lange Lebensdauer (mehr als 10⁷ Öffnung/Schließzyklen). Werden mehrere Messsystem verteilt angeordnet, können symmetrische wie asymmetrische Spaltbildungen genau gemessen werden (z.B. ein „Verkippen“ durch eine ungleichmäßige Druckverteilung). Der Flächenschwerpunkt bzw. einer Relativposition des Formnests kann besser eingestellt werden. Auch kann eine falsche Auslegung des Werkzeugs in Bezug auf seine relative Positionierung innerhalb der Maschine gemessen werden. Das Messsystem kann Deformationen von 0,1 µm bis 100 µm problemlos messen.
Des Weiteren ist ein bedeutender Unterschied zu induktiv messenden Systemen darin zu sehen, dass eine Deformation des Sacklochbodens im elastischen Bereich gewollt ist und die Größe der Verformung bzw. Deformation, solange sie im elastischen Bereich bleibt, keine Auswirkung auf eine Kalibrierung oder Genauigkeit des Systems hat.
Bei der Erfindung wird eigentlich nicht die Deformation des Sackbodens, sondern eine Entlastung gemessen. Beim Schließen der Form werden die Formflächen durch die Schließkraft dicht aneinander gedrückt, so dass sich der Sacklochboden verformt. Diese Verformung ist dann nicht das Messergebnis, sondern der Ausgangspunkt der Messung („Kalibrierung“). Diese „Vorspannung“ des Sacklochbodens verhindert auch, dass z.B. ein Spalt oder Spiel eine Falschmessung verursacht. Die Erfindung ist also unabhängig von z.B. Tuschierfehlern, Verschmutzungen, o.Ä. Diese Kalibrierung erfolgt bei jedem Öffnungs/Schließzyklus erneut, weil immer die Punkte bestimmt werden, wo die Form beginnt sich zu schließen bzw. wo sie vollständig geschlossen ist, so dass eine spätere (ungewollte) Spaltbildung sofort erkannt werden kann.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Sacklöcher innerhalb der ersten Formplatte selbst ausgebildet sind.
Die erste Formplatte dient dann selbst als Teil des Messsystems. Das Messsystem kann bereits bei der Herstellung in die Formplatte integriert werden. Das Material der Formplatte schützt die Messvorrichtung gegenüber den anderen Formplatte und der Schmelze. Die Messvorrichtung ist von hinten frei zugänglich. Durch die homogene Ausgestaltung des membranartigen Bodens des Sacklochs werden Grate sicher vermieden. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Messvorrichtung sowohl innerhalb als auch außerhalb der Kontur des Formnests anzuordnen.
Insbesondere ist für jedes Sackloch ferner ein Vorsprung vorgesehen, der in einem Nahbereich des entsprechenden Sacklochs in der Formfläche der ersten und/oder zweiten Formplatte so ausgebildet ist, dass der Boden des entsprechenden Sacklochs beim Schließen des Werkzeugs bereits verformt wird, bevor die erste und zweite Formplatte vollständig geschlossen sind.
Der Vorsprung ist bei einer Anordnung des Messsystems außerhalb der Kontur des Formnest von Vorteil, wo sich die Formflächen der beteiligten Formplatten im geschlossen Zustand flächig berühren. Das einsetzende Schließen der Platten kann frühzeitig erfasst werden, auch wenn die Platten noch nicht vollständig geschlossen sind. Eine Spaltbildung kann frühzeitig erfasst werden, auch wenn sich die Platten noch nicht voneinander getrennt haben. Ein verändertes Schließverhalten durch z.B. einseitig vorhandenes Rest- oder Fremdmaterial, was zu einer Beschädigung führen kann, wird erkannt.
Eine weitere Gruppe kann eingesetzt werden, um an den Ecken der Platten, nahe der Kraftübertragung der Maschine bzw. des Werkzeugs, ein Entfernen der Formplatten durch zu geringe Schließkraft festzustellen.
Bei einer besonderen Ausgestaltung ist eine Höhe des jeweiligen Vorsprungs so gewählt, dass die Höhe größer als ein durch eine Formatmung erwartbarer Öffnungsspalt zwischen der ersten und zweiten Formplatte ist.
So ist sichergestellt, dass das Messsystem über eine ausreichende Dynamik verfügt, den gesamten Vorgang einer Spaltbildung zu erfassen. Der Vorsprung hebt erst dann von der benachbarten Formplatte ab, wenn sich der Spalt sicher gebildet hat.
Weiter ist es von Vorteil, wenn der Vorsprung eine Kalottenwölbung ist, die im geschlossenen Zustand der ersten und zweiten Formplatte koaxial mit dem entsprechenden Sackloch, und vorzugsweise parallel zur Öffnung/Schließachse, ausgerichtet ist.
Der Vorsprung ist dann ballig ausgebildet und beschädigt die Formplatten selbst bei großen Schließkräften nicht dauerhaft und nachhaltig. Dennoch ermöglicht er durch seine koaxiale Platzierung eine genaue Krafteinleitung in die zu verformende Membran, die durch den Sacklochboden gebildet wird, wo die Verformung auch tatsächlich gemessen werden soll.
Vorzugsweise definieren die Messvorrichtungen und ihre zugehörigen Sacklöcher eine erste Gruppe, die außerhalb einer Kontur des Formnests in der Formfläche der ersten Formplatte angeordnet ist, wobei die Sacklöcher der ersten Gruppe umfänglich, vorzugsweise regelmäßig, entlang der Kontur verteilt angeordnet sind.
Diese erste Gruppe misst die Spaltbildung in der Trennfläche.
Insbesondere ist ferner eine zweite Gruppe von Messvorrichtungen und zugehörigen Sacklöchern innerhalb der Kontur des Formnest in der Formfläche der ersten Formplatte vorgesehen, wobei die Böden der Sacklöcher der zweiten Gruppe vorsprungsfrei, lediglich durch einen Innendruck im Formnest verformt werden.
Die zweite Gruppe misst eine Verformung des Sacklochbodens (Membran), die durch den Innendruck im Formnest verursacht wird, welche Information z.B. zur Kompensation einer Durchbiegung von einer oder mehreren Platten des Werkzeugs benutzt werden kann. Ergänzend oder alternativ können (generell) eine Schmelzefrontposition und/oder eine Fließgeschwindigkeit des Kunststoffs gemessen werden, vorzugsweise über zusätzliche Thermoelemente (nicht gezeigt).
Vorzugsweise erstrecken sich zumindest einige der, insbesondere alle, Sacklöcher von einer Rückseite der ersten Formplatte aus in die erste Formplatte hinein, die einer Seite der ersten Formplatte gegenüberliegt, die die Formfläche aufweist, und die vorzugsweise frei zugänglich ist.
Auf diese Weise ist die Messvorrichtung geschützt und kann ferner jederzeit frei zugänglich platziert werden.
Bei einer besonderen Ausgestaltung weist jede der Messvorrichtungen ein beweglich gelagertes Tastelement auf, das die zweite Fläche des jeweiligen Bodens, vorzugsweise unter Vorspannung, berührt und eine Verformung des Bodens auf eine Messskala abbildet.
Eine mechanische Messvorrichtung zeichnet sich durch eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit aus.
Weiter ist es von Vorteil, wenn jede der Messvorrichtungen einen Messbereich für effektive Bodenverformungen von 0 bis 1 mm bei einer Auflösung von vorzugsweise 0,1 µm und bei einer Genauigkeit von 1 µm aufweist.
Ferner wird die obige Aufgabe durch ein Mehrplatten-Werkzeug mit einem oder mehreren erfindungsgemäßen Messsystemen gelöst.
Dabei kann das Werkzeug ferner Kompensationsaktuatoren und eine Steuereinrichtung aufweisen, wobei die Kompensationsaktuatoren entlang einer der Platten des Werkzeugs angeordnet sind, so dass die Kompensationsaktuatoren einer unerwünschten Deformation der einen Platte entgegenwirken, und wobei die Steuereinrichtung mit den Kompensationsaktuatoren verbunden ist und ferner eingerichtet ist, basierend auf den Messsignalen der Messvorrichtungen unerwünschten Plattendeformation zu ermitteln und entsprechende Deformationskompensations-Steuersignale für die Kompensationsaktuatoren zu erzeugen und an diese zu übertragen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektive Ansicht eines exemplarischen Mehrplatten-Werkzeugs in einem geschlossen Zustand (1A) und einem teilweise geöffneten Zustand (1B);
2 eine Schnittansicht eines Teils eines Werkzeugs in einem ungefüllten Normalzustand (2A) und in einem gefüllten Zustand inkl. einer Formatmung (2B);
3 eine Projektionsdarstellung von Formplatten der 2;
4 eine Schnittansicht eines Messsystems der Erfindung in einem offenen Zustand der beteiligten Platten;
5 eine geschnittene Detailansicht der Formplatten der 2 in einem teilweise geschlossenen Zustand (5A) und einem vollständig geschlossenen Zustand (5B);
6A-6D verschiedene Ausführungen des Messsystems der Erfindung in geschnittener Darstellung;
7 einen Graphen zur Verdeutlichung eines Spaltabstands;
8 einen Graphen zur Verdeutlichung verschiedener Messsignale über eine Zeitdauer hinweg;
9 ein Diagramm eines abgewandelten Werkzeugs inkl. Kompensationsfunktion für durchgebogene Platten;
10 eine Schnittansicht mit biegekompensierten Platten; und
11 einen Graphen zur Verdeutlichung eines Spaltabstands und einen Graphen zur Verdeutlichung einer Kompensation.

Die vorliegende Erfindung kommt generell im Bereich von Formgebungs-Maschinen zum Einsatz, insbesondere bei sogenannten Mehrplatten-Formgebungs-Maschinen. Unter einer Formgebungs-Maschine versteht man beispielsweise Spritzgießmaschinen, Spritzpressen, Pressen und dergleichen. Derartige Maschinen umfassen Werkzeuge 10. Nachfolgend wird exemplarisch ausschließlich ein (Mehrplatten-)Werkzeug 10 für eine Spritzgießmaschine betrachtet werden. Es versteht sich, dass auch Werkzeuge eines anderen Typs (z.B. Etagenwerkzeuge, Würfelwerkzeuge oder Ähnliches), ggf. inklusive einer geeigneten Heißkanaltechnik, für ein gleichmäßiges Füllen des Formnests eingesetzt werden können.
1 zeigt perspektivisch ein schematisiert dargestellte Mehrplatten-Werkzeug 10 in einer geschlossenen Stellung (1A) und in einer teilweise geöffneten Stellung ( 1B). In der 1 sind exemplarisch fünf Platten 12, 14, 16, 18 und 20 gezeigt. Andere Details, wie zum Beispiel eine Extrusionseinrichtung (Heißkanal) zur Einbringung eines geschmolzenen Formteilmaterials, sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt. Die äußeren Platten 12 und 14 dienen als Aufspannplatten. Zwischen der ersten Aufspannplatte 12 und der zweiten Aufspannplatte 14 sind zum Beispiel eine Matrizenplatte (erste Formplatte) 20, eine Abstreifplatte 18 und eine Formplatte 16 angeordnet. Die Abstreifplatte 18 und die Formplatte 16 können gemeinsam die „zweite Formplatte“ bilden. Das Werkzeug 10 lässt sich in z.B. zwei Trennebenen 22 und 24 öffnen. Dazu wird die erste Aufspannplatte 12 zusammen mit der Formplatte 16 und der Abstreifplatte 18 entlang einer Öffnung/Schließachse 26 in einer Öffnungsrichtung 28 bewegt. In der Regel sind die zweite Aufspannplatte 14 und die Matrizenplatte 20 fest mit der (hier nicht dargestellten) Extrusionseinrichtung verbunden, die das geschmolzene Material liefert, aus dem das zu bildende Spritzgießteil (Formteil) hergestellt wird. Die 1B zeigt eine erste Öffnungsphase des Werkzeugs 10. Durch die Öffnungsbewegung entsteht ein Abstand zwischen der ersten Formplatte 20 und den Platten 16 und 18. In der 1B ist dieser Abstand mit 30 bezeichnet.
2 zeigt Schnittansichten einer ersten Formplatte 20 und einer zweiten Formplatte 16 in einem geschlossenen Zustand einer Maschine, bevor eine Schmelze in eine Kavität bzw. ein Formnest 32 eingespritzt wird (2A) und nachdem die Schmelze eingespritzt wurde und es zu einer unerwünschten Formatmung gekommen ist (2B), die sich durch einen Spalt 36 z.B. in der linken Hälfte der 2 äußert. Die Abstreifplatte 18 der 1 ist bei dem Werkzeug 10 der 2 nicht implementiert. In der 2 sind zur Vereinfachung der Veranschaulichung lediglich die erste Formplatte 20 und die zweite Formplatte 16 partiell im Schnitt gezeigt.
3 zeigt die Platten 16 und 20 der 2 in einer Projektion entlang der Öffnung/ Schließachse 26 zur Verdeutlichung einer Kontur 34 des Formnests 32 in der Trennebene 22, wenn man auf die geschlossenen Platten 20 und 16 der 2A schaut. In der Trennebene 22 (vgl. 2A) ist das Formnest 32 durch eine umfänglich geschlossene Kontur 34 begrenzt. Die beiden Formplatten 20 und 16 berühren sich flächig (im Normalfall hermetisch dicht) entlang der Kontur 34. Steigt ein Innendruck zum Beispiel durch die unter hohem Druck eingespritzte Schmelze über einen erwarteten Wert hinaus an, kann es dazu kommen, dass eine Schließkraft F_S (vgl. 2A) nicht ausreicht, um die Formplatten 20 und 16 vollumfänglich geschlossen zu halten. In diesem Fall kann es dazu kommen, dass sich (lokal) ein oder mehrere unerwünschte Spalte 36 zwischen den Formplatten 20 und 16 bilden, wo die Schmelze aus dem Formnest 32 austritt, sodass es zu einer Gratbildung im Bereich einer exemplarisch dargestellten Trennfläche 38 kommt, die in der 3 durch die Kontur 34 und eine weiter außen angeordnete Hilfslinie 40 begrenzt ist. Die Hilfslinie 40 liegt in der 3 außerhalb der Kontur 34 und ist hinsichtlich ihrer Lage und Geometrie lediglich exemplarisch gewählt. Die Trennfläche 38 verdeutlicht den Bereich, wo sich die Formplatten 20 und 16 im geschlossenen Normalzustand ( 2A) sicher, vorzugsweise flächig, berühren, um das Formnest 32 dicht zu verschließen. Es versteht sich, dass die Dimension und Geometrie der Trennfläche 38 anders gewählt sein kann.
In der 3 sind exemplarisch sechs Messsysteme 50-1 bis 50-6 gezeigt. Die Messsysteme 50-1 bis 50-6 sind verteilt in der Trennfläche 38 angeordnet. Die Messsysteme 50-1 bis 50-6 sind umfänglich außerhalb und entlang der Kontur 34 angeordnet. Auf den genauen Aufbau des Messsystems 50 wird nachfolgend noch näher eingegangen werden. Die Messsysteme 50-1 bis 50-6 sind bevorzugt im Bereich der Trennfläche 38 angeordnet, um die Formatmung direkt messen zu können. Andere Messsysteme 50 könnten auch innerhalb der Kontur 34 zur (Innen-)Druckmessung vorgesehen sein.
4 zeigt eine Schnittansicht eines Messsystems 50 der Erfindung. Das Messsystem 50 umfasst allgemein die erste Formplatte 20, mindestens ein darin direkt (4) oder indirekt (nicht gezeigt) integriertes Sackloch 54 sowie eine entsprechende Anzahl von Messvorrichtungen 52 (Sensoren). In der 4 umfasst das Messsystem 50 exemplarisch nur ein einziges Sackloch 54 und eine einzige Messvorrichtung 52. Es versteht sich, dass auch mehrere Messvorrichtungen 52 in entsprechend mehreren Sacklöchern 54 zu einem einzigen Messsystem 50 verschaltet werden können.
Allgemein gilt, dass die zweite Formplatte 16 nicht zwingend Teil des Messsystems 50 sein muss, weshalb sie in der 4 mittels einer Strichlinie dargestellt ist. Die erste Formplatte 50 zeichnet sich dadurch aus, dass sie gemeinsam mit einer anderen Platte, insbesondere mit der zweiten Formplatte 16, des Werkzeugs 10 die Trennebene 22, wo sich die Platten 20 und 16 im geschlossenen Zustand berühren, und das Formnest 32 über die sich gegenüberliegenden Formflächen 60, 62 der Formplatten 20, 16 definiert.
Die Messvorrichtung 52 wird vorzugsweise durch einen Wegmesssensor (z.B. einen taktilen Messtaster) implementiert, der eingerichtet ist, Längen- bzw. Abstandsänderungen zu erfassen. Die Messvorrichtung 52 ist innerhalb des Sacklochs 54 positioniert und vorzugsweise von einer Rückseite 55 der ersten Formplatte 20 frei zugänglich. Die Messvorrichtung 52 stützt sich (nicht gezeigt) insbesondere seitlich am Sackloch 54 ab und ist dort fest und unbeweglich relativ zur Platte 20 gelagert.
Das Sackloch 54 ist in der 4 direkt in der ersten Formplatte 20 selbst ausgebildet. Das Sackloch 54 ist dann „einstückig“ in der ersten Formplatte 20 ausgebildet. Das Sackloch 54 kann jedoch bei einer „indirekten“ Integration auch als ein separater Einsatz 90 (6D) mit einem eigenen Körper implementiert sein, der getrennt von der Platte 20 vorgesehen ist, wie es nachfolgend noch näher beschrieben werden wird.
Das Sackloch 54 der 4 weist Seitenwände 56 auf, die über einen membranartig ausgebildeten Boden 58 miteinander verbunden sind. Die Seitenwände 56 erstrecken sich vorzugsweise parallel zur Öffnung/Schließachse 26. Der Boden 58 erstreckt sich entlang der Formfläche 60 der ersten Formplatte 16 und weist eine, vorzugsweise konstante, Dicke D auf. Die Dicke D beträgt vorzugsweise bis zu 50 mm, bei üblichen Plattendicken D‘ von bis zu 1500 mm. Die Dicke D des membranartigen Bodens 58 ist so gewählt, dass der Boden 58 bei Kräften F von bis zu 10.000 t bzw. Drücken von bis zu 2.000 bar elastisch verformbar ist, ohne beschädigt zu werden oder plastisch verformt zu werden. Die Platten werden üblicherweise aus Stahl, Messing, Aluminium oder Ähnlichen gefertigt.
Eine Verformung des Bodens 58 ist in 4 durch (horizontal durchgebogene) Strichlinien angedeutet, die wiederum eine (maximale) Auslenkung dx des Bodens 58 verdeutlichen, wenn die Kraft F (senkrecht) auf den Boden 58 in einer Schließrichtung 72 (5) des Werkzeugs 10 wirkt. In 4 kann die Auslenkung dx des Bodens 58 im Bereich der kontaktierenden Trennfläche 38 z.B. durch einen Vorsprung 64 bewirkt werden, der dem Sackloch 54 in der Öffnungsrichtung 28, vorzugsweise koaxial, gegenüberliegt und aus der Formfläche 62 der zweiten Formplatte 16 parallel zur Öffnung/Schließachse 26 vorsteht. Der Vorsprung 64 kann z.B. als Kalottenwölbung realisiert sein, wie es nachfolgend noch näher ausgeführt werden wird. Wenn das Sackloch 54 und die zugehörige Messvorrichtung 52 im Bereich des Formnests 32 (nicht in 4 gezeigt) angeordnet sind, wird kein Vorsprung 64 benötigt, um eine ausreichend messbare Verformung des Bodens 58 zu bewirken. Im Bereich des Formnests 32 werden Verformungen des Bodens 58 allein durch einen Druck der (eingespritzten) Schmelze hervorgerufen.
Allgemein wird die Verformung des Bodens 58 mit der Messvorrichtung 52 gemessen. Die Messvorrichtung 52 kann mit einem taktilen Tastsensor 76 (vgl. 5), Dehnungsmessstreifen (DMS), Piezo-Elementen, optischen, kapazitiven und/oder induktiven Elementen versehen sein, um die Auslenkung dx des Bodens 58 (d.h. hier z.B. eine Abstandsänderung) zu messen (siehe Pfeile 65 in 4). Die Messvorrichtung 52 kann eine Auswerteeinheit (nicht gezeigt) umfassen, die die gemessene Auslenkung dx in ein Messsignal 66 wandelt, welches zur Optimierung von Maschinen- und/oder Heißkanalparametern (z.B. Schließkraft F_S, Einspritzgeschwindigkeit, Temperatur der Schmelze, Aktivierung von Kompensationsaktuatoren, Schaltzeiten für Heißkanal-Düsen, Geschwindigkeiten und Positionen von Nadeln bei gesteuerten Heißkanal-Systemen, o.Ä.) genutzt wird, wie es später noch genauer beschrieben werden wird.
Generell könnte das Sackloch 54 hinsichtlich seiner Längenerstreckung auch schräg zur Öffnung/Schließachse 26 orientiert sein (nicht gezeigt). Es ist jedoch bevorzugt, das Sackloch 54 parallel zur Öffnung/Schließachse 26 zu orientieren, da das Sackloch 54 dann von einer Rückseite 55 der ersten Formplatte 20 her in der ersten Formplatte 20, zum Beispiel durch Tiefbohren, hergestellt werden kann. Auch eine Installation der Messvorrichtung 52 im Sackloch 54 vereinfacht sich dadurch. Die erste Formplatte 20 ist üblicherweise aus Stahl (z.B. des Typs 1.2738) gemacht.
Das Sackloch 54 weist vorzugsweise eine zylindrische Form mit einem Durchmesser DM von bis zu 50 mm auf, wenn die Rahmenbedingungen wie oben beschrieben sind. Die Tiefe der Sacklöcher hängt von der Dicke der Platten ab und kann bis zu nahezu 1500 mm betragen.
Der Boden 58 weist eine trennseitig angeordnete erste Fläche 68 und auf der gegenüberliegende Seite, d.h. rückseitig, eine zweite Fläche 70 auf. Die Fläche 68 liegt innerhalb der Formfläche 60. Die Fläche 70 bildet den Boden des Sacklochs 54. Der Boden des Sacklochs 54 kann mit abgerundeten oder gefasten Rändern ausgebildet sein, um Kerbspannungen und Ermüdungserscheinungen im Verformungsbereich zu verringern.
5 zeigt Schnittansichten, die die erste Formplatte 20 und die zweite Formplatte 16, partiell während eines Schließvorgangs zeigen. In der 5A ist zu einem Zeitpunkt gezeigt, zu dem die zweite Formplatte 16 während des Schließens erstmalig die erste Formplatte berührt. Die 5B zeigt den Zeitpunkt, zu dem die erste und zweite Formplatte 20 und 16 vollständig geschlossen sind, analog zur 2A. In der 5 ist die zweite Formplatte 16 mit dem Vorsprung 64 in ihrer Formfläche 62 versehen, ebenfalls analog zur 2A. Der Vorsprung 64 liegt dem Sackloch 54 in der Schließrichtung 72 diametral (bzw. koaxial) gegenüber. Der Vorsprung 64 ist in einem Nahbereich 74 (durch Strichlinie angedeutet) angeordnet. Der Nahbereich 74 stellt den Bereich der Formplatten 20 und 16 dar, der das Sackloch 54 im geschlossenen Zustand der Platten 20 und 16 unmittelbar umgibt. Wenn der Vorsprung 64 im Nahbereich 74 angeordnet ist, verformt sich der Boden 58 messbar, bevor die Platten 16 und 20 sich vollständig berühren.
Die Messvorrichtung 52 ist in 5 exemplarisch durch einen Tastsensor 76 implementiert. Der Tastsensor 76 umfasst einen Messtaster 78, der gefedert in einem Befestigungselement 80 gelagert ist. Der Messtaster 78 berührt mit seiner freien Spitze 82 die rückseitige Fläche 70 des Bodens 58 und wird bei einer Auslenkung bzw. Verformung des Bodens 78 parallel zur Schließrichtung 72 nach „hinten“ ausgelenkt, wo die Auslenkung dx z.B. über eine Skala 84 ermittelbar ist. Die Auslenkung dx wird so erfasst und kann über eine hier nicht näher gezeigte Auswerteeinheit in ein entsprechendes Messsignal 66 umgewandelt werden. Es versteht sich, dass die Messvorrichtung 52 vorzugsweise vorab kalibriert wird, sodass das (nicht gezeigte) Messsignal 66 kalibriert ist.
Zur Kalibrierung kann eine mechanische Druckbelastung auf den Boden 58 ausgeübt werden, beginnend mit einem kontaktlosen offenen Zustand (nicht in 5 gezeigt) bis zum ersten mechanischen Druckkontakt bei der Berührung der zweiten Formplatte 16 mit der ersten Formplatte 20 (5A) genau an der Spitze des Vorsprungs 64, was zu einer ersten Deformation des Bodens 58 führt. Die Kalibriermessung wird fortgesetzt, indem die zweite Formplatte 16 weiter abgesenkt wird (vgl. Schließrichtung 72), bis sie vollständig an die erste Formplatte 20 anstößt (5B). In der 5B ist die Auslenkung der Rückseite 70 des Bodens 58 maximal und der Tastsensor 76 gibt ein maximales Auslenkungssignal 66 (vgl. 4) aus. Diesem speziellen Signal 66 wird ein (flächiger) Formschluss der ersten und zweiten Formplatte 20 und 16 mit einer Spaltweite bzw. einem Spaltabstand von 0 zugewiesen. Ein minimales Deformationssignal 66 wird erzeugt, wenn sich die Platten 20 und 16 in der Stellung der 5A befinden, das heißt wenn sich die Platten 20 und 16 gerade (noch) berühren. Dieser Abstand entspricht einer Höhe H (vgl. 4) des Vorsprungs 64. Die Höhe H ist so gewählt, dass sie größer als ein Öffnungsspalt (siehe Bezugszeichen 36 in 2B) ist, der sich im Falle einer Formatmung zwischen der ersten und zweiten Platte 20 und 16 einstellt. Alle Messwerte, die zwischen diesen beiden Extrempunkten der 5A und 5B gemessen werden, stellen die Kalibrierkurve dar, die in der Messvorrichtung 52 abgespeichert werden kann.
6 zeigt Schnittansichten von verschiedenen Ausführungsformen des Messsystems 50, die sich im Wesentlichen durch eine Abwesenheit oder Anwesenheit des Vorsprungs 64 unterscheiden. Die Messvorrichtung 52 ist jeweils exemplarisch in Form des Tastsensors 76 implementiert.
Das Messsystem 50 gemäß 6A weist keinen Vorsprung 64 auf. Der Boden 58 weist eine konstante Dicke D auf, sodass die trennseitige Fläche 68 und die rückseitliche Fläche 70 im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind. Das Messsystem 50 der 6A eignet sich besonders zum Einsatz innerhalb der Kontur 34 des Formnests 32, wie es nachfolgend noch näher erläutert werden wird. Das Messsystem 50 der 6A misst vorzugsweise den Innendruck des Formnests 32.
Das Messsystem 50 der 6B weist ebenfalls keinen Vorsprung 64 auf und ist somit ähnlich zum Messsystem 50 der 6A ausgebildet. Die Messsysteme 50 der 6A und 6B unterscheiden sich lediglich durch die Form des Bodens 58. Der Boden 58 des Messsystems 50 der 6B weist ebenfalls eine Dicke D auf, die aber im Randbereich durch eine (zum Beispiel ringförmige) Nut 76 verjüngt ist. Diese Messsysteme 50 der 6A und 6B messen vorzugsweise den hydraulischen Fülldruck des Formnests 32. Der Boden 58 wird entlang der trennseitigen Fläche 68 durch Druck belastet, sodass es zu einer Deformation des Bodens 58 - und somit einer Translation der rückseitigen Fläche 70 - kommt. Ein Zusammenhang zwischen dem hydraulischen Druck auf der Fläche 68 und der Translation des Messtasters 78 kann in Eichmessung ermittelt und abgespeichert werden.
In der 6C ist das Messsystem 50 mit einem Vorsprung 64 gezeigt, der auf der trennseitigen Fläche 68 des Bodens 58 ausgebildet ist, sodass die Formfläche 62 der zweiten Formplatte 16 (beide hier nicht gezeigt) plan ausgebildet sein kann. Der Vorsprung 64 ist also Teil des Bodens 58 und kann stufenlos und stoffschlüssig in den Boden 58 integriert sein.
6D zeigt eine weitere Ausgestaltung des Messsystems 50, bei der das Sackloch 54 in einem separaten Einsatz 90 vorgesehen ist, der in eine (hier nicht näher bezeichnete) Durchgangsöffnung in der ersten Formplatte 20, vorzugsweise mittels eines Presssitzes, eingesetzt ist. Der Einsatz 90 hat hier die Form eines Stufenzylinders mit einem Anschlag und trägt den membranförmigen Boden 50 mittig. Die Geometrie des Bodens 58 ist exemplarisch analog zum Boden 58 gemäß 6B ausgebildet. Alternativ könnte der Boden 58 der 6D analog zum Boden der 6C ausgeführt sein. Auch eine Ausführung gemäß dem Boden 58 der 6A ist möglich.
Die 7 und 8 dienen einer Veranschaulichung einer Formatmung, die mit einer Anordnung der Messsysteme 50-1 bis 50-6 gemäß der 3 messbar ist.
Die 7 zeigt tatsächliche Abstände der beiden Formplatten 20 und 16 im Bereich der jeweiligen Messsysteme 50-1 bis 50-6. Sobald ein Relativabstand zwischen den Platten 20 und 16 einen Grenzwert GW überschreitet, tritt an diesen Orten eine Formatmung bzw. Gratbildung durch eintretendes Schmelzmaterials auf. Die 7 sagt aus, dass an den Orten der Messsysteme 50-4 und 50-5 jeweils eine Formatmung auftritt, weil die Platten 20 und 16 dort sicher voneinander abheben. Dies spiegelt sich auch in den entsprechenden Messsignalen 66-1 bis 66-6 wider, wobei stillschweigend davon ausgegangen wird, dass das Messsystem 50 gemäß der 4 in der Anordnung der 3 zum Einsatz kommt, bei dem Vorsprünge 64 auf der Seite der zweiten Formplatte 16 diametral gegenüberliegend zu den Sacklöchern 54 vorgesehen sind.
Die 8 zeigt die invertierten Signale 66 bzw. die eingangs erwähnte „Entlastung“ der ursprünglichen Maximalauslenkung des Sacklochbodens 58 bei maximaler Schließkraft bzw. vollständig geschlossenen Platten. Die Signale 66-4 und 66-5 der Messsysteme 50-4 und 50-5 laufen in einen Anschlag, sobald die Vorsprünge 64 von der ersten Formplatte 20 abheben bzw. die Auslenkung nicht mehr länger gegeben ist. Dies ist dann der Fall, wenn der Abstand zwischen den Platten 20 und 16 größer als die Höhe H des jeweiligen Vorsprungs 64 wird. In diesem Fall atmet das Formwerkzeug zweifelsfrei. Natürlich kann ein Atmen auch schon bei kleineren Abständen auftreten, so dass Gegenmaßnahmen (z.B. Erhöhung der Schließkraft) schon früher eingeleitet werden können.
9 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Formgebungs-Werkzeugs 10, die in der linken oberen Ecke in Form einer Projektionsdarstellung analog zur 3 und in der rechten unteren Ecke in einer Schnittdarstellung analog zur 2 dargestellt ist. Neben den Messsystemen 50-1 bis 50-6, die eine erste Gruppe A von Messsystemen 50 bilden, die innerhalb der Trennfläche 38 angeordnet sind, sind weitere Messsysteme 50-7 bis 50-9 innerhalb der Kontur 34 vorgesehen. Die Messsysteme 50-7 bis 50-9 bilden eine zweite Gruppe B und sind zum Messen des Innendrucks ausgelegt. Dies bedeutet, dass bei den Messsystemen 50-7 bis 50-9 auf die Vorsprünge 64 verzichtet wird, wohingegen die Messsysteme 50-1 bis 50-6 der Gruppe A jeweils einen wie auch immer gearteten Vorsprung 64 aufweisen. Die Messsysteme 50-1 bis 50-6 der Gruppe A liefern ihre Messsignale 66-1 bis 66-6 an eine erste Auswerteeinheit 92, die unter anderem dazu eingerichtet ist, eine Formatmung zu bestimmen. Die Messsysteme 50-7 bis 50-9 der zweiten Gruppe B liefern Messsignale 60-7 bis 60-9 an eine zweite Auswerteeinheit 94, die insbesondere dazu eingerichtet ist, Durchbiegungen der Platten zu erfassen und zu erkennen. Die Auswerteeinheiten 92 und 94 könnten auch durch eine einzige Auswerteeinheit (nicht gezeigt) implementiert sein oder direkt in die Steuereinrichtung 96 integriert sein, die in der 9 mit den Einheiten 92 und 94 verbunden ist.
In der rechten unteren Ecke der 9 ist ein Querschnitt durch das gleiche Werkzeug 10 gezeigt. Das Werkzeug 10 unterscheidet sich von dem bisher beschriebenen Werkzeug 10 dadurch, dass z.B. zwischen der Aufspannplatte 14 und der ersten Formplatte 20 ein oder mehrere weitere Platten 100 sowie ein oder mehrere Kompensationsaktuatoren 98 vorgesehen sind. Kompensationsaktuatoren 98 sind exemplarisch in einem Bereich 104 zwischen der weiteren Platte 100 und der Aufspannplatte 14 angeordnet. Die Aktuatoren erhalten ihre Signale 102 von der Steuereinrichtung 96. Neben den Kompensationssignalen 102 kann die Steuereinrichtung 96 alternativ oder ergänzend auch die oben erwähnten Signale (siehe nicht weiter bezeichnet Leitung, die die Einheit 96 in 9 nach links verlassen) zur Beeinflussung der Schließkraft, der Einspritzgeschwindigkeit und weiterer Parameter (siehe oben) ausgegeben werden. Sie könnten aber auch in die Platten 20, 100 integriert sein. Die Kompensationsaktuatoren 98 sind eingerichtet, einer Durchbiegung der Platten 20, 100 entgegenzuwirken. Die Kompensationsaktuatoren 98 sind dazu entsprechend angeordnet. Analoges gilt für die Platte 16.
In der 9 erkennt man, dass sowohl die erste Formplatte 20 als auch die weitere Platte 100 durchgebogen sind. Ergänzend oder alternativ könnte auch die Platte 16 durchgebogen sein, was zur Vereinfachung der Beschreibung nachfolgend nicht näher betrachtet werden wird. Eine derartige Durchbiegung kann mehrere Gründe haben. Die Durchbiegung kann thermisch bedingt sein, wenn die heiße Schmelze in das Formnest 32 eingespritzt wird. Durchbiegungen können sich aber auch bereits früher einstellen, nämlich beim Verspannen der Platten selbst. Werden die Platten zu stark verspannt, kann es dazu kommen, dass sich die Platte 100 mittig abhebt.
Es versteht sich, dass neben den (Verformungs-)Messsystemen 50 auch weitere zusätzliche Sensoren, wie zum Beispiel Thermosensoren oder dergleichen, eingesetzt werden können, um weitere Parameter vor und während des Einspritzens zu messen, die auf die Einstellung der Maschine (und des Heißkanalsystems) Einfluss haben können.
10 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung, bei der mehrere Kompensationsaktuatoren 98 entlang der Platte 100 vorgesehen sind, um über die ganze Breite der Platten 20 und 100 einwirken zu können. Lediglich im Bereich eines Heißkanals 106 sind keine Kompensationsaktuatoren 98 vorgesehen. Man erkennt in der 10, dass die Platten 20 und 100 nicht mehr durchgebogen sind, wohingegen nun die Aufspannplatte 14 durchgebogen ist, sodass das Formteil formgetreuer gefertigt werden kann.
Dies ist möglich, weil die Messsysteme 50 der Gruppe A die Formatmung messen und die Messsysteme 50 der Gruppe B den Innendruck messen. So können belastungsabhängig auftretende Deformationen in den Platten 20 und 100 erkannt und kompensiert werden. Es versteht sich, dass die Kompensationsaktuatoren 98 auch auf der Seite der zweiten Formplatte 16 (ergänzend oder alternativ) vorgesehen werden können.
Generell gilt, dass die Auswertung der Messsignale 66 zeitabhängig erfolgt, bevorzugt mit einer feinen Zeitauflösung. Die Gruppe A erfasst somit zeitabhängige und räumlich unterschiedliche Formöffnungen (bzw. Spalte 36). Die zweite Gruppe B erfasst die zeitabhängige und örtlich unterschiedliche Druckverteilung sowie ein Abklingen des Drucks, insbesondere in der Phase der Formfüllung und Aushärtung.
Besonders bedeutsam ist eine Messung der Formöffnung bereits vor dem Einspritzen, während die Platten geschlossen werden. Hier bauen sich durch den mechanischen Kontakt der Platten hohe Kräfte auf, die bereits zu kraftabhängigen Veränderungen der Spalte 36 führen können.
Die Kompensationsaktuatoren 98 können zum Beispiel durch Schraubenelemente mit geringer Ganghöhe und hoher Belastbarkeit implementiert sein. Vorzugsweise sind diese selbsthemmend unter Belastung ausgeführt. Alternativ können die Kompensationsaktuatoren 98 aus Keilelementen gebildet werden, die relativ zueinander verschoben werden, um deren Dimension zu verändern. Ferner könnten Piezo-Elemente oder andere volumenverändernde Elemente eingesetzt werden, um eine Anpassung der Geometrie der Platten zu erreichen. Alternativ könnten auch passiv elastische Elemente eingesetzt werden, die zum Beispiel im Randbereich stärker nachgeben als in einem Mittenbereich der Platten, wo der Heißkanal 106 vorgesehen ist.
11 zeigt eine Abhängigkeit des (Formöffnungs-)Spalts 36 von der Zeit. Am Anfang sind die Platten 20 und 16 geöffnet und werden anschließend geschlossen. Beim Schließen nähern sich die Platten 20 und 16 durch die Schließkraft an, wobei dies lokal unterschiedlich passieren kann. Im oberen Graphen läuft das (invertierte) Messsignal 66-5 hier am Ende über dem Messsignal 66-1. Die Signale 66-5 und 66-1 liegen übereinander, wenn die Platten 20 und 16 vollständig geschlossen sind. Anschließend wird das Formnest 32 gefüllt. Der Innendruck steigt an. Ab einem bestimmten Innendruck beginnen sich die Platten 20 und 16 trotz der Zuhaltekraft voneinander zu entfernen. Der Spaltabstand wächst wieder an. Dieser Effekt kann an unterschiedlichen Orten unterschiedlich groß sein. Am Ort des Messsystems 50-1 ändert sich der Spaltabstand weniger als am Ort des Messsystems 50-5.
Im unteren Graphen der 11 ist der Spaltabstand gegen einen Innendruck aufgetragen, der mit den Messsystemen 50 der Gruppe B gemessen wird. Die Kurve b zeigt eine Spaltbildung unter Druckbelastung ohne aktive Kompensation. Man sieht, dass ab einem gewissen Innendruck der Spalt zu wachsen beginnt und mit steigendem Innendruck stetig ansteigt. Nach einem Aushärten (des Formteils) sinkt der Innendruck. Der Spalt bleibt aber größtenteils bestehen. Dies führt in der Kurve b zu starken Abweichungen von der Sollgeometrie des Formteils, vor allem am Ort des Messsystems, das für die Kurve b verantwortlich ist.
Die Kurve c zeigt den Spaltabstand am gleichen Ort, jedoch mit aktivierter Kompensation mithilfe der Kompensationsaktuatoren 98. Die aktive Kompensation kompensiert zumindest teilweise die Spaltbildung (Formatmung), indem die Deformation der Platten 20, 16 und/oder 100 verringert wird. Sobald die Messsysteme 50 der Gruppe A einen Spalt 36 registrieren und dies insbesondere mit einem (Innen-)Druckanstieg korreliert, erkennt die Steuereinheit 120 den Spritzdruck als Ursache für die Formöffnung und aktiviert entsprechende Kompensationsaktuatoren 98, um der Plattendurchbiegung und der Formatmung entgegenzuwirken. Im Ergebnis wird der Spalt 36 trotz ansteigendem Druck kaum größer. Die Kurve c verläuft also viel flacher als die Kurve b. Der Vorteil der Kompensation der Formatmung besteht darin, dass der Spalt 36 beim Einspritzen des Schmelzmaterials weitaus geringer gehalten wird. Die Maßhaltigkeit der Formteile ist folglich erheblich besser. Möglich wird die Kompensation durch die Rückkopplung der Messwerte der Messsysteme 50 der Gruppen A und B auf die Kompensationsaktuatoren 98, und optional auch auf andere Parameter der Maschine bzw. des Werkzeugs 10.
Bezugszeichenliste

10: Formgebungs-Werkzeug
12: Aufspannplatte
14: Aufspannplatte
16: Formplatte (zweite Formplatte)
18: Abstreifplatte
20: Matrizenplatte (erste Formplatte)
22, 24: (Form-)Trennebenen
26: Öffnung/Schließachse
28: Öffnungsbewegung
30: Abstand zwischen 18 und 20
32: Kavität/Formnest
34: Kontur von 32
36: Spalt zwischen 16 und 20
38: Trennfläche
40: Hilfslinie
50: Messsystem
52: Messvorrichtung
54: Sackloch
56: Seitenrand
58: Boden
60: Formfläche von 20
62: Formfläche von 16
64: Vorsprung
65: Messung von dx
66: Messsignal
68: trennseitige Fläche von 58
70: rückseitige Fläche von 58
72: Schließvorrichtung
74: Nahbereich
76: Tastsensor
78: Messtaster
80: Befestigungselement
82: freie Spitze
84: Skala
86: Nut
90: Einsatz
92: Auswerteeinheit A
94: Auswerteeinheit B
96: Steuereinrichtung
98: Kompensationsaktuator
100: Platte
102: Steuersignale
104: Bereich für 98
106: Heißkanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005011311 B3 [0002]
DE 3917361 A1 [0017]
DE 102014014232 A1 [0018]
WO 2011/063537 A1 [0019]
DE 2304149 A1 [0020]

Claims

Messsystem (50) für eine Mehrplatten- Werkzeug (10) einer Formgebungs-Maschine, insbesondere für eine Mehrplatten-Spritzguss- Werkzeug, mit: einer ersten Formplatte (20) des Werkzeugs (10), die mit einer gegenüberliegend und beweglich angeordneten zweiten Formplatte (16) des Werkzeugs (10) eine Formtrennebene (22) und ein Formnest (32) definiert, wobei die erste und zweite Formplatte (20, 16) entlang einer Öffnung/Schließachse (26) relativ zueinander beweglich sind und Formflächen (60, 62) aufweisen, die gemeinsam das Formnest (32) und die Formtrennebene (22) definieren; und mindestens einer in die erste Formplatte (20) integrierten Messvorrichtung (52), die eingerichtet ist, eine mechanische Materialverformung (dx) zu messen und in ein entsprechendes Messsignal (66) umzuwandeln; wobei jede der Messvorrichtungen (52) innerhalb eines Sacklochs (54) in der ersten Formplatte (20) positioniert ist; wobei jedes der Sacklöcher (54) einen membranartig, unter Krafteinwirkung (F) elastisch verformbar ausgebildeten Boden (58) aufweist, der eine trennseitig angeordnete erste Fläche (68) und eine rückseitig zur Trennebene (22) angeordnete zweite Fläche (70) aufweist, wobei die erste Fläche (68) in der Formfläche (60) der ersten Formplatte (20) liegt; und wobei jeder der Böden (58) so angeordnet und ausgebildet ist, dass eine Schließkraft (F), die die zweite Formplatte (16) beim Schließen des Werkzeugs (10) auf die erste Formplatte (20) ausübt, eine mit der Messvorrichtung (52) messbare mechanische Verformung (dx) der zweiten Fläche (70) verursacht, wenn, und insbesondere sobald, sich die erste und zweite Formplatte (20, 16) im Bereich des entsprechenden Sacklochs (54) berühren.
Messsystem nach Anspruch 1, wobei die Sacklöcher (54) innerhalb der ersten Formplatte (20) selbst ausgebildet sind.
Messsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei für jedes Sackloch (54) ferner ein Vorsprung (64) vorgesehen ist, der in einem Nahbereich (74) des entsprechenden Sacklochs (54) in der Formfläche (60, 62) der ersten und/oder zweiten Formplatte (20, 16) so ausgebildet ist, dass der Boden (58) des entsprechenden Sacklochs (54) beim Schließen des Werkzeugs (10) bereits verformt wird, bevor die erste und zweite Formplatte (20, 16) vollständig geschlossen sind.
Messsystem nach Anspruch 3, wobei eine Höhe (H) des jeweiligen Vorsprungs (64) so gewählt ist, dass die Höhe (H) größer ein durch eine Formatmung erwartbarer Öffnungsspalt (36) zwischen der ersten und zweiten Formplatte (20, 16) ist.
Messsystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Vorsprung (64) eine Kalottenwölbung ist, die im geschlossenen Zustand der ersten und zweiten Formplatte (20, 16) koaxial mit dem entsprechenden Sackloch (54), und vorzugsweise parallel zur Öffnung/Schließachse (26), ausgerichtet ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Messvorrichtungen (52) und ihre zugehörigen Sacklöcher (54) eine erste Gruppe (A) definieren, die außerhalb einer Kontur (34) des Formnests (32) in der Formfläche (60) der ersten Formplatte (20) angeordnet ist, wobei die Sacklöcher (54) der ersten Gruppe (A) umfänglich, vorzugsweise regelmäßig, entlang der Kontur (34) verteilt angeordnet sind.
Messsystem nach Anspruch 6, wobei ferner eine zweite Gruppe (B) von Messvorrichtungen (52) und zugehörigen Sacklöchern (54) innerhalb der Kontur (34) des Formnest (32) in der Formfläche (60) der ersten Formplatte (16) vorgesehen ist, wobei die Böden (58) der Sacklöcher (54) der zweiten Gruppe (B) vorsprungsfrei, lediglich durch einen Innendruck im Formnest (32) verformt werden.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich zumindest einige der, vorzugsweise alle, Sacklöcher (54) von einer Rückseite (55) der ersten Formplatte (20) aus in die erste Formplatte (20) hinein erstrecken, die einer Seite der ersten Formplatte (20) gegenüberliegt, die die Formfläche (60) aufweist, und die vorzugsweise frei zugänglich ist.
Messsystem (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede der Messvorrichtungen (52) ein beweglich gelagertes Tastelement aufweist, das die zweite Fläche (70) des jeweiligen Bodens (58), vorzugsweise unter Vorspannung, berührt und eine Verformung (dx) des Bodens (58) auf eine Messskala abbildet.
Messsystem (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jede der Messvorrichtungen (52) einen Messbereich für effektive Bodenverformungen von bis zu 1 mm bei einer Auflösung von vorzugsweise 0,1 µm und bei einer Genauigkeit von 1 µm aufweist.
Mehrplatten- Werkzeug (10) mit einem Messsystem (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Mehrplatten- Werkzeug (10) nach Anspruch 11, das ferner Kompensationsaktuatoren (98) und eine Steuereinrichtung (96) aufweist, wobei die Kompensationsaktuatoren (98) entlang einer der Platten (20, 100) des Werkzeugs (10) angeordnet sind, so dass die Kompensationsaktuatoren (98) einer unerwünschten Deformation der einen Platte (20, 100) entgegenwirken, und wobei die Steuereinrichtung (96) mit den Kompensationsaktuatoren (98) verbunden ist und ferner eingerichtet ist, basierend auf den Messsignalen (66) der Messvorrichtungen (50) unerwünschten Plattendeformation zu ermitteln und entsprechende Deformationskompensations-Steuersignale (102) für die Kompensationsaktuatoren (98) zu erzeugen und an diese zu übertragen.