DE3524310C1

DE3524310C1 - Verfahren und Vorrichtungen zum geregelten Spritzgiessen auf verschiedenen Kunststoff-Spritzgiessmaschinen mit stets gleichen Formteileigenschaften und gleichen Massen

Info

Publication number: DE3524310C1
Application number: DE19853524310
Authority: DE
Inventors: Wilbrand Prof. Dr.-Ing. 8700 Würzburg Woebcken
Original assignee: Individual
Current assignee: Battenfeld GmbH
Priority date: 1985-04-11
Filing date: 1985-07-06
Publication date: 1986-06-19
Also published as: EP0197431A2; EP0197431A3; EP0197431B1

Description

Schnecken-Anpassungsfaktor K_sA = s_EA : s_E

bzw. K_sB = s_EB : s_E gebildet und abgespeichert wird,

d) und daß jeder Punkt der Weg-Zeit-Kurve (s_EA = f(t) bzw. s_EB =fljt)) für die Schnecke (A bzw. B) durch Multiplikation eines Punktes der gespeicherten normierten Sollwert-Kurve (s_E =/(/)) mit dem Anpassungsfaktor K_sA bzw. K_sB gebil-, det wird

und die Bewegung der Schnecke (A bzw. B) diesem errechneten Weg-Zeit-Verlauf (s_EA =f(t) bzw. s_EB =f(t)) bei stets gleicher Einspritzzeit (fay) geregelt folgt (Fig. 3). 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Erzielung bestimmter Formteileigenschaften ein Nachdruck im Zylinderkopf der Einspritzeinheit oder das erforderliche zeit- bzw. wegabhängige Nachdruckprofil bis zum Erreichen erwünschter Formteileigenschaften optimiert und abgespeichert wird, und bei dem während der werkzeugbezogenen Einspritzzeit (t_EW) die sich ergebende Einspritzarbeit nach einer Formel ermittelt und abgespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die sich ergebende werkzeugbezogene Einspritzarbeit gemäß der Formel

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— arbeit (Ψ_ΕΆ) errechnet und der errechnete Wert (p_NZ) einem Stellglied zur Beeinflussung der Schneckenbewegung zugeführt wird, wobei der Faktor für die Nachdruckkoppelung NK = 1 gesetzt wird,

daß anschließend die Massetemperatur (<9_Λ/) um einen bestimmten Betrag A S_M erhöht wird, daß nach mehreren Spritzzyklen an den Spritzgußteilen eingetretene Maßabweichungen ermittelt werden,

daß je nach Abweichung der Maße von den Sollwerten der Faktor für die Nachdruckkoppelung (NK) über 1,0 erhöht oder unter 1,0 erniedrigt wird (Fig. 5), bis nach weiteren Spritzzyklen die gewünschten Sollwerte der Maße, insbesondere der Sollwert von einem entscheidenden Hauptmaß erreicht werden und daß die Massetemperatur (d_M) um den Betrag A d_M auf den ursprünglichen Wert zurückgestellt und die Prozeßregelung nach dieser Anpassung für die Fertigung freigegeben wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Spritzgießverfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem in Anschnittnähe im Werkzeug bzw. in der Maschinen-Angußdüse eingebauten Druckmeßfühler, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Messung des Beginns und/oder des Endes der werkzeugbezogenen Einspritzzeit (t_EW) und zugleich des Beginns und/oder des Endes des werkzeugbezogenen Schneckenweges (j_£·) und der werkzeugbezogenen Einspritzarbeit (W_EW).

4. Vorrichtung zur Durchführung des Spritzgießverfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem gegenüber dem Anschnitt mit dem ersten Formmasseeintritt (Fließfrontspitze) in der Prallwand des Werkzeuges eingebauten Thermoelement, gekennzeichnet durch seine Verwendung zum Messen des Beginns der werkzeugbezogenen Einspritzzeit (t_EW) und zugleich des Beginns des werkzeugbezogenen Schneckenweges (s_E) und der werkzeugbezogenen Einspritzarbeit (W_EW).

W_EW* = A_z j p_EZ · d s_E

ermittelt wird, daß der momentane Nachdruck (p_NZ) gemäß der Formel

PNZ= P NZ

W_EW\

WewV

NK

mit Hilfe der gespeicherten Werte für einen optimierten Nachdruck (p_m*) und für die ermittelte Einspritzarbeit (W_EVf) und dem unmittelbar vorher ermittelten momentanen Wert für die Einspritz-Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zum Spritzgießen von thermoplastischen Kunststoff-Formmassen gemäß dem Oberbegriff von Patent-

anspruch 1.

Aus Kunststofftechnik 11 (1972) Nr. 7/8 S. 180-183 ist ein Verfahren zum Spritzgießen von thermoplastischen Kunststoff-Formmassen aus einer Einspritzeinheit bekannt. Mittels einer verschiebbaren Schnecke wird Formmasse während einer Einspritz- und einer Nachdruckphase in ein geschlossenes Spritzgießwerkzeug eingespritzt. Durch Optimierung des Prozesses bezüglich der Formteileigenschaften wird ein Schnekkenweg als Funktion der Zeit ermittelt, und zwar indirekt durch Steuerung der Spritzgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Einspritzweg bzw. der Einspritzzeit. Die Werte für diese Sollwertkurve werden abgespeichert und dienen zur Steuerung der Schneckenbewegung während der Einspritzphase.

Der Zeitschrift Plastverarbeiter Nr. 10 (1983) S. 1105 bis 1108 kann eine Formel

W_E = A_K J

d s

zur Bestimmung der tiinspritzarbeit entnommen werden, lis wird gezeigt, daß die ermittelte Einspritzarbeit ein Maß für die Fließfähigkeit der Formmasse darstellt und daß Zusammenhänge zwischen der Einspritzarbeit, der Masse des Formteiles und der Maßhaltigkeit bestehen. Es wird weiter beschrieben, daß es möglich ist, die Einspritzarbeit als Kriterium für das Umschalten von Spritz- auf Nachdruck zu verwenden, wobei eine Korrektur des Nachdruckes als Funktion der im gleichen Spritzzyklus ermittelten Einspritzarbeit zur Beeinflussung des Formbildungsvorganges möglich erscheint.

Jedoch wird im Gegensatz zur Erfindung die Einspritzarbeit (W_F) errechnet aus der Querschnittsfläche des Hydraulikzylinders (A_K) und dem Druck im Hydraulikzylinder (p_N) und nicht aus der Querschnittsfläche des Schneckenzylinders (A₂) und dem Druck im Zylinderkopf (pe/} während der Einspritzphase. Das Verfahren der Entgegenhaltung hat den Nachteil, daß die über die Stirnfläche des Hydraulikkolbens (A_K) und den Ilydraulikdruck (p„) errechnete Einspritzarbeit (W_t.) nicht werkzeugbezogen ist, sondern die z.T. erheblichen Anteile für die Beschleunigungsarbeit und die Reibungsarbeit im I lydrauliksystem und im Schnekkenzylinder enthält. Daher ist die Einspritzarbeit (W_F) nach der Entgegenhaltung nicht geeignet zur Regelung des Nachdruckes im gleichen Spritzzyklus.

Aus der DE-OS 20 30 108 ist der Einsatz von Druckmeßfühlern und aus der DE-OS 23 58 911 der Einsatz von Thermoelementen in Spritzgießmaschinen bzw. Werkzeugen als Sensoren zur Steuerung von Spritzgieß-Prozessen bekannt.

Bei den obigen Entgegenhaltungen wurde die Gcfügeausbildung während der Einspritzphase nicht erwähnt und offensichtlich nicht für beachtenswert gehalten. Auch wurde das Problem der Qualität von Kunslstoff-Formteilen in der Gesamtheit hinsichtlich optimaler und reproduzierbarer Gefügestruktur und zugleich der Maßhaltigkeit nicht berührt.

Es ist bisher kein Verfahren bekannt, mit dem die Orientierungen von Molekülen, Kristalliten und faserartigen Verstärkungsstoffen sowie die Größe und der Anteil der Kristallite von teilkristallinen Thermoplasten reproduzierbar konstant gehalten werden und gleichzeitig auch die Maßkonstanz erreicht wird. Vor allem ist kein Verfahren bekannt, nach dem Spritzgußteile aus einem bestimmten Werkzeug, hergestellt mit verschiedenen Spritzgießmaschinen, insgesamt gleiche Eigenschaften haben, d. h. gleiche Orientierungen, gleiche Kristallitausbildungen und gleiche Maße. Das ist das bekannte Problem der Konstanz der Eigenschaften von Probekörpern, die aus zwar gleichen Werkzeugen, aber notwendigerweise auf verschiedenen Maschinen hergestellt werden müssen, da eine Normung der Maschinen aus technischen und wirtschaftlichen Gründen ausscheidet.

Die Lösung des Problems, nämlich mit standartisierten Spritzgießwerkzeugen für Probekörper auf zwar ähnlichen aber doch unterschiedlichen Spritzgießmaschinen völlig gleichartige Probekörper mit gleichen physikalischen Eigenschaften bei verschiedenen Firmen oder Instituten herzustellen, würde eine entscheidende Verbesserung der gesamten Kunststoffverarbeitung bedeuten, da ja auch Verarbeiter und Anwender die Einhaltung gleicher Qualitäten der Formteile wünschen. Im allgemeinen beschränkt man sich bisher darauf, Formteile mit konstanten Maßen, die innerhalb einer geforderten Toleranz liegen sollen, herzustellen, z. B. durch eine Nachdruck-Steuerung oder -Regelung.

Es ist dabei häufig schon schwierig, mit einem bestimmten Werkzeug auf zwei oder mehreren Maschinen zu befriedigend gleichen Ergebnissen zu kommen. Man nimmt bisher in Kauf, daß Unterschiede in der Gefügestruktur durch unterschiedliche Orientierungen auftreten, wenn nur die i. a. wichtigste Eigenschaft der Formteile, nämlich die Maßhaltigkeit, befriedigt.

Ein Teilproblem der Maßhaltigkeit ist die Vermeidung des gefürchteten Verzuges bzw. der Verwerfung und der Winkeländerung von Spritzgußteilen aus teilkristallinen Formmassen, insbesondere bei Glasfaserverstärkung, infolge einer anisotropen, orientierungsbedingten Gefügestruktur oder infolge einer asymetrischen Verteilung von Verstärkungsfasern in den beiden Außenschichten eines Formteiles, wodurch Schwindung und Nachschwindung in den Oberflächenschichten verschieden sind.

Die eingeschränkte Forderung lediglich nach einem konstanten Nachdruck und nach konstanten Formteilmaßen genügt somit nicht, insbesondere nicht bei der Herstellung von Probekörpern, an denen u. a. auch die mechanischen Eigenschaften zur Beurteilung der Formmassen gemessen werden. Wegen dieser Unzulänglichkeit in der Herstellung sind Werte der mechanischen Eigenschaften von Probekörpern keine zuverlässigen Kriterien der Formmasse-Eigenschaften, es handelt sich nur um Richtwerte von Herstellern dieser Formmassen, die bemüht sind, bei ähnlichen Herstellbedingungen für die Probekörper in einer Firma wenigstens Relativwerte zu erreichen, um so die Unterschiede der Formmassen ihres Programms zu charakterisieren.

Das Problem der z. Z. noch unzulänglichen Probekörperherstellung ist jedoch zugleich auch ein Problem der gesamten Spritzgießtechnik. Der Wechsel von Werkzeugen auf verschiedene Spritzgießmaschinen eines Betriebes ist wegen optimaler Nutzung des Maschinenparks häufig erforderlich. Bei der Herstellung von Präzisionsteilen kann man sich einen Werkzeugwechsel wegen der geschilderten maschinenbedingten Einflüsse meistens garnicht erlauben, höchstens bei identischen Maschinentypen. Aber selbst bei unveränderter Kombination von Werkzeug und Maschine ist die zuverlässige Reproduzierbarkeit der Herstellung über einen längeren Zeitraum oder bei wiederholtem Anfahren der Fertigung nach Wochen oder Monaten nicht immer gegeben, was u. a. durch geringe Schwankungen der Formmassen hinsichtlich ihrer Theologischen Eigenschaften zu erklären ist.

So ist selbst bei gleichem Schmelzindex (MFI, gemessen in g/10 min nach DIN 53 735) aber bei verschiedenen Lieferungen ein unterschiedliches Fließverhalten möglich. Der Schmelzindex als Einpunktwert kann nicht die unterschiedliche Strukturviskosität und unterschiedlichen Temperaturabhängigkeiten ausreichend erfassen. Daraus folgt, daß die Maschineneinstellungen in Temperaturen, Zeiten oder Drücken gelegentlich nachkorrigiert werden müssen, in Abweichung von den bei der Optimierung des Prozesses gefundenen und festgelegten Herstelldaten.

Diese Schwierigkeiten beim Bemühen um eine gleichbleibende Füllung der Kavitäten von Spritzzyklus zu Spritzzyklus und damit um konstante Maße der Formteile, auch bei schwankenden Viskositäten der Formmasse, versucht man z. Z. noch zu überwinden durch Messung und Regelung des Forminnendruckes. Aber auch ein konstanter Forminnendruck, der an einer bestimmten Stelle im Werkzeug gemessen wird - was im übrigen aus Platz- und Kostengründen nur bei einem

kleinen Teil der Werkzeuge realisierbar ist -, gibt keine 100%ige Gewähr für konstante Maße, geschweige denn für konstante Formteileigenschaften insgesamt.

Trotz der oben erläuterten Einschränkungen ist die Bestimmung des Schmelzindex wichtig für die erste Beurteilung der Verarbeitbarkeit und der Gleichmäßigkeit einer Formmasse von Lieferung zu Lieferung. Falls nämlich zwei Formmassen deutlich verschiedene Schmelzindexwerte aufweisen, ist auch das Fließverhalten in der Verarbeitung verschieden. Zwischen Schmelzindex und optimaler Verarbeitungstemperatur einer Formmasse gibt es einen Zusammenhang, F i g. 6. Nur innerhalb kleiner Schmelzindexbereiche (z. B. ±10% bis ±15%) ist eine bestimmte Formmasse-Temperatur (<9_W) optimal bezüglich vergleichbarer Orientierungen und Kristallitausbildungen. Weichen die MFI-Werte zu stark ab und werden die Grenzen nach Fig. 6 über- bzw. unterschritten, liegt eine »neue Klasse« der Formmasseart vor, die einen neuen Wert für d_M erforderlich machen kann.

Bei möglichst exakter Reproduzierbarkeit in der Herstellung von Probekörpern oder Präzisionsteilen mit stets gleichen mechanischen Eigenschaften ist daher auf eine bestimmte Tolerierung der Schmelzindexwerte zu achten, oder aber man gibt für unterschiedliche Schmelzindexwerte verschiedene mechanische Eigenschaften an, was bisher allerdings noch unterblieb. Man kann grundsätzlich nicht erwarten, daß bei größeren Streubreiten in den Schmelzindexwerten die Formteile sowohl in ihren mechanischen Eigenschaften als auch in der Maßhaltigkeit völlig gleich sind.

Während der Nachdruckphase bilden sich im Formteilinnem des außen schon erstarrten Formteiles sogenannte Nachdruckorientierungen. Da diese inneren Orientierungen die mechanischen Eigenschaften kaum beeinflussen und da sie andererseits bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als konstant anzusehen sind, können ihre Einflüsse auf die Eigenschaften hier ausgeklammert werden.

Bei einer Analyse der steuerbaren und regelbaren Prozeßparameter beim Spritzgießen ergibt sich, daß von acht maßgebenden, physikalisch wichtigen Prozeßparametern die meisten nicht direkt, bestenfalls indirekt geregelt werden können. Dazu gehört vor allem bisher die einflußreiche Einspritzzeit (t_FM). In der bisherigen Spritzgießtechnik überläßt man die Schnecke beim Einspritzen der Formmasse dem Kräftespiel zwischen hydraulisch erzeugter Schubkraft und den rheologischen und nicht sicher voraussehbaren Widerstandskräften der zähflüssigen Schmelze. Das hat zur Folge, daß während der Erstarrung der laminaren Schmelzeströmung infolge wechselnder Temperatur-Zeit-Verhältnisse von Spritzzyklus zu Spritzzyklus unterschiedliche Einfrier- und Kristallisationsvorgänge eintreten können, welche streuende Orientierungen und damit streuende mechanische Eigenschaften bewirken.

Ein erheblicher Mangel der bisherigen Spritzgießtechnik ist vor allem, daß nach einem Wechsel eines Spritzgießwerkzeuges auf eine andere Maschine infolge veränderter Angußlänge und veränderter Angußquerschnitte im Düsenbereich und veränderter Temperaturverhältnisse zwischen dem Zylinderkopf der Maschine und der Angußbuchse im Werkzeug sowie infolge unterschiedlicher Verhältnisse in der Hydraulik der Maschine, einschließlich der abweichenden Beschleunigungs- bzw. Trägheitskräfte, veränderte Theologische Randbedingungen vorliegen. Dadurch ist eine exakte Übertragung der bei der Optimierung auf einer ersten Maschine gefundenen Druckwerte im Zylinderkopi auf andere Maschinen nicht ohne weiteres möglich, ganz abgesehen davon, daß die verwendeten Druckmeßgeräte nicht geeicht sind und damit die Toleranzbrcite dieser Druckwerte prozentual i. a. größer ist als die geforderten Toleranzen der Maße von technischen Formteilen, speziell von Präzisionsteilen.

Es ist deshalb bisher nicht möglich, aus speziellen Maschinendaten einer ersten Spritzgießmaschine universelle Einstelldaten für ein gegebenes Spritzgießwerkzeug abzuleiten. Statt der maschinenbezogenen Prozeßdaten benötigt man, speziell für den Einspritzvorgang, werkzeugbezogene Daten. Das wird deutlich allein bei dem Unterschied zwischen der maschinenbezogenen Einspritzzeit (t_E) und der werkzeugbezogenen Einspritzzeit {t_EW), F i g. 2.

Daraus folgt, daß auch der für die mechanischen Eigenschaften und für die Stabilität der Maße bei Erwärmung so einflußreiche Einspritzvorgang, u. U. unter Nutzung vorteilhafter Abkühlbedingungen nach dem p-v-T-Zustandsdiagramm, sorgfältiger als das bisher üblich ist, optimiert und vor allem für die spätere Fertigung fixiert werden muß, damit Formteile reproduzierbar mit stets gleichen Eigenschaften hergestellt werden können. Die Optimierung des Spritzgießprozesses erfordert vor allem das Erreichen der Sollmaße und der Verzugsfreiheit sowie die Einhaltung bestimmter mechanischer Werte und einer fehlerfreien Oberfläche. Eine Optimierung bedeutet gelegentlich einen technisch-wirtschaftlichen Kompromiß, bei dem lediglich das Erforderliche erreicht wird, unter Verzicht auf eine höchstmögliche Qualität. Von entscheidender Bedeutung dabei ist, daß die einmal festgelegte Qualität eines Formteils in der laufenden Fertigung zuverlässig eingehalten wird. Deshalb kommt der Weiterentwicklung der Prozeßregelung beim Spritzgießen eine hohe Bedeutung zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Spritzgußtciien zu schaffen, mit denen es möglich ist, bei gleichen Spritzgießwerkzeugen auf verschiedenen Spritzgießmaschinen, auch mit unterschiedlichen Schneckendurchmessern, gleiche Orientierungen von Molekülen, Kristalliten und Zusatzstoffen, d. h. damit gleiche mechanische Eigenschaften der Formteile, bei gleichen Eigenspannungen und gleichen Maßen, zu erreichen. Dies soll auch bei Schwankungen der Viskosität der Schmelze, die insbesondere in der Nachdruckphase zu Eigenschaftsänderungen der Spritzgußteile führen können, möglich sein.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 bzw. 3 bis 5 gelöst. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die wichtigste Eigenschaft von Spritzgußteilen, nämlich die Maßhaltigkeit, durch die mehrfachen Maßkontrollen bei der Optimierung des Spritzgießprozesses, der Nachstellung auf folgenden Maschinen und bei der Koppelung der Nachdruckhöhe an die Einspritzarbeit direkt gemessen wird und nicht etwa sekundäre Größen wie Drücke, deren Werte maschinenbezogen sind. Damit wird die Artikelqualität sicherer. Die Druckwerte in der Hydraulik, im Zylinderkopf oder im Werkzeug sind lediglich Hilfsmittel zum Erreichen der geforderten Maße. Deshalb können die verwendeten Druckanzeigegeräte durchaus ungeeichte Geräte sein, sie müssen lediglich konstante und reproduzierbare Signale geben bzw. Anzeigewerte aufweisen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die

Gleichmäßigkeit der Fertigung insbesondere deshalb verbessert, weil die stets zu erwartenden geringen Schwankungen der Viskosität der Schmelze zu keinem Unterschied im Füllgrad und damit zu keinen Maßabweichungen führen, wie das bisher zu beobachten ist. Chargenschwankungen sind bis zu einem gewissen Umfang durch die angepaßte Nachdruckkoppelung ohne Auswirkung auf die Maße. Damit ist die neue Einstellstrategie für automatische Fertigungen besonders vorteilhaft.

Zum Verständnis der Erfindung wurden die Figuren 1 bis 6 erstellt. Es zeigen:

Fig. 1: Schema der Spritzeinheit einer Spritzgießmaschine mit verschiedenen Schneckenstellungen.

Fig. 2: Stellgrößen an einer Spritzgießmaschine.

Fig. 3: Weg-Zeit-Kurven von Schnecken (A bzw. B) bei gleicher Einspritzzeit (t_EH) und den normierten Schneckenweg (s,._: =ßt).

F i g. 4: Weg-Zeit-Kurven einer Schnecke bei gleicher Einspritzzeit (%»■), jedoch bei unterschiedlichem Geschwindigkeitsprofil:

1: zu Beginn langsamer Schneckenvorlauf
2: zu Beginn rascher Schneckenvorlauf
3: geregelter Schneckenvorlauf gemäß der normierten Sollwert-Kurve nach Fig. 3.

Fig. 5: Nachdruckregelung nach einer Potenzformel mit Koppelung der Nachdruckhöhe an die jeweilige Einspritzarbeit.

Fi g. 6: Zusammenhang zwischen Schmelzindexwert (MFI) und zu wählender Massetemperatur (d_M) bei einer bestimmten Formmasseart.

In den Figuren und im Text werden folgende Begriffe und Definitionen verwendet:

t_E

t_EW

t_S!e

t_D

t_K

t_z

t_N t_K t_P

p_EZ p_NZ

/?£_z

p%_z p_Nlt p_Sl

p_NW
NK

Zeiten

maschinenbezogene Einspritzzeit

werkzeugbezogene Einspritzzeit

Siegelzeit

Dosierzeit

wirksame Kühlzeit

Zykluszeit

Nachdruckzeit
Uhrzeit für Kühlung
Pausenzeit

indirekt einstellbar

direkt einstellbar

Drücke

momentaner Einspritzdruck im Zylinderkopf

momentaner Nachdruck im Zylinderkopf bei

Regelung

Einspritzdruck im Zylinderkopf bei

Optimierung

Nachdruck im Zylinderkopf bei Optimierung Nachdruck in der Hydraulik Staudruck in der Hydraulik Nachdruck im Werkzeug Faktor für Nachdruckkoppelung

Einspritzarbeit

W_EW momentane Einspritzarbeit im Zylinderkopf Wf _w Einspritzarbeit im Zylinderkopf bei

Optimierung
W_NW Nachdruckarbeit im Zylinderkopf

Schneckenstellungen

/ι - /(, Restmassepolster

/π vordere Schneckenendstellung

/ι Nachdruckstellung

Λ Umschaltpunkt auf Nachdruck

/i Dosierstellung

/.ι hintere Schneckenendstellung

λ· Schneckenweg

S₁. Schneckenweg während der Einspritzzeit

λ'/,ι Schneckenweg während der Einspritzzeit bei

Schnecke A

Sn) Schneckenweg während der Einspritzzeit bei

_ Schnecke B

i/. normierter Schnecken-Endweg = 100 mm

(= 100%) während der Einspritzzeit

Λ/.ι Schneckenendweg bei einer ersten Schnecke

s,_A Schneckenendweg bei Schnecke A

si.,) Schneckenendweg bei Schnecke B S\ Schneckenweg während der Nachdruckzeit
A/ Querschnittsfläche des Schneckenzylinders
/l/i Querschnittsfläche eines ersten Schneckenzylinders

A/i Querschnittsfläche eines zweiten Schneckenzylinders

Temperaturen

d_M Massetemperatur
du Werkzeugtemperatur

Schnecken-Anpassung

K_s Schnecken-Anpassungsfaktor K_sA Schnecken-Anpassungsfaktor bei Schnecke A K_sB Schnecken-Anpassungsfaktor bei Schnecke B.

Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, beginnt ein Einströmvorgang einer Schmelze in ein Werkzeug später als ein Druckanstieg in einem Hydrauliksystem. Beginn und Ende einer werkzeugbezogenen Einspritzzeit (t_EH), eines werkzeugbezogenen Schneckenweges (s) und einer werkzeugbezogenen Einspritzarbeit (W_En) werden bestimmt durch einen flachen Druckanstieg beim Einströmen und einen steilen Druckanstieg (p_Nw) nach Füllung eines Werkzeuges (Fig. 2) bzw. in unmittelbarer Nähe des Anschnittes (Fig. 1).

Die Schmelze einer Kunststoff-Formmasse wird während einer Einspritzphase aus einem Spritzzylinder einer Spritzeinheit von einer zweiten oder folgenden Spritzeinheit bzw. Spritzgießmaschine mit beliebigem Schneckendurchmesser nach einem gespeicherten Schneckenvorlaufprogramm in eine Kavität überfuhrt. Eine programmierte Schneckenvorlaufbewegung wird durch eine zentrale Prozeßregelung so durchgeführt, daß nicht nur die Einspritzzeit (i_£H,) gleich ist der bei einer Optimierung eines Spritzgießprozesses auf einer ersten Maschine. Zugleich wird auch eine Weg-Zeit-Kurve (s_EA =ß,t) bzw. s_EB =f(t)) einer Schnecke (A bzw.

B) in dieser Einspritzzeit (t_E») jeweils bezogen auf einen normierten Schnecken-Endweg (s_E) von 100 mm (bzw. 100%), durch eine Regelung einer Vorlaufgeschwindigkeit voll angeglichen an die Weg-Zeit-

Kurve des Optimierungs-Prozesses. Dies gelingt mit einem leistungsfähigen, geregelten Hydraulikantrieb, der zur Beeinflussung des Geschwindigkeitsprofils der Schnecke z. B. elektromagnetische Proportionalventile, ein Servosystem mit Verstärker oder einen elektrohydraulischen Drehmomentenverstärker verwendet. Dadurch gelingt es, daß der Einströmvorgang in das Werkzeug unverändert bleibt gegenüber dem bei der Optimierung, wodurch die Orientierungsvorgänge ebenfalls identisch sind mit denen bei der Optimierung des Prozesses.

Der werkzeugbezogene Schneckenweg (s) als Funktion der Zeit, der sich bei der Optimierung ergibt, stellt eine Sollwertkurve (s_E =ß,t)) dar (Fig. 3); sie wird, zugleich damit auch die werkzeugbezogene Einspritzzeit Oew), gespeichert.

In einem Prozeßrechner wird dann die gefundene Sollwert-Kurve (s_E =J{t)) in der Weise normiert, daßjhr Endwert rechnerisch gleich 100 Längeneinheiten (s_E = 100 mm) bzw. gleich 100% gesetzt wird. Nach Umspannen des Spritzgießwerkzeuges auf eine andere Maschine mit i. a. abweichendem Schneckendurchmesser wird der neue Endwert für den Schneckenweg (s_EA bzw. s_EB) einer Schnecke (A bzw. B) für die gleiche Einspritzzeit (t_EW) durch Versuch ermittelt und gespeichert (Fig. 3). Hierbei kann auch ein u.U. vorhandener Leckstrom der Schmelze infolge eines Verschleißes von Zylinder, Schnecke oder Rückströmsperre berücksichtigt werden. _

Aus den Schnecken-Endwerten (s_EA) und (s_E) bzw. (s_EB) und (if) wird ein Schnecken-Anpassungsfaktor K-sa ^{= s}ea '■ s_E bzw. K_sB = s_EB : s_E gebildet und im Prozeßrechner gespeichert. Daraufhin erfolgt die Regelung der Schneckenvorlaufbewegung auf der zweiten bzw. folgenden Spritzgießmaschine, indem jeder Punkt der Weg-Zeit-Kurve (s_EA =f(t) bzw. s_EB =/(/)) für die Schnecke (A bzw. B) durch Multiplikation eines Punktes der gespeicherten normierten Sollwert-Kurve (s_E = f(t)) mit dem Anpassungsfaktor (K_sA bzw. K_sB) gebildet wird, wobei die Schnecke (A bzw. B) diesem Weg-Zeit-Verlauf bei stets gleicher Einspritzzeit (t_EW) geregelt folgt (Fig. 3 und 4).

Die hierdurch erzeugten stets gleichen Einström- und Orientierungs-Vorgänge in der Schmelze mit stets gleichem zeitlichen Verlauf der Fließfront im Werkzeug sind eine wesentliche Voraussetzung nicht nur für gleiche mechanische Eigenschaften der Formteile, sondern auch für eine bessere Konstanz der Nachdruckverhältnisse in der folgenden Nachdruckphase. Dies Verfahren der Schneckenweg-Normierung schafft somit die Voraussetzung für die Universalität des Regelprogramms für beliebige Maschinen ähnlicher Leistung. Der Nachdruck im Zylinderkopf (p_wz) (Fig. 1) wird während der Nachdruckphase nach Umspannen des Spritzgießwerkzeuges auf eine zweite oder folgende Maschine auf einen Nachdruck (p_NZ*) nachgestellt in einer solchen Höhe, daß sich wieder gleiche Formteilmaße wie bei der Optimierung ergeben. Sofern bei der Optimierung während der Nachdruckphase ein bestimmtes Nachdruckprofil als Funktion der Zeit oder eines Nachdruckweges (s_N) (Fig. 3) gewählt wurde, wird dieses Nachdruckprofil multiplikativ erhöht bzw. erniedrigt, bis sich wieder gleiche Formteilmaße wie bei der Optimierung ergeben. Ein so nachgestellter Nachdruck (p_NZ*) wird gespeichert.

Eine sich hierbei ergebende Einspritzarbeit (W_EIV*) während der werkzeugbezogenen Einspritzzeit (t_EW) ergibt sich aus der Beziehung:

\ p_EZ ■ d s_E

Dieser Wert für die Einspritzleistung bei Optimierung (W_Etv*) wird ebenfalls im Prozeßrechner gespeichert.

Ein Nachdruck (p_NZ) bzw. eine Nachdruckarbeit (W_NW) wird nunmehr gekoppelt an eine im gleichen Spritzzyklus unmittelbar vorher ermittelte Einspritzarbeit (W_EW), die sich ein wenig von der bei der Optimierung ermittelten Einspritzarbeit (W_EW*) unterscheiden kann, weil die Viskosität der Schmelze infolge Chargenschwankungen oder Temperaturschwankungen abweichen kann von dem Wert während der Optimierung. Die Koppelung der Nachdruckarbeit (W_NW) erfolgt in erster Näherung proportional zur jeweiligen Einspritzarbeit (W_Ew), dabei ist unter der werkzeugbezogenen Nachdruckarbeit (W_NW) zu verstehen:

W_NW = A_z j p_NZ · d s_N

Da der Nachdruck (p_NZ) wegen der geringen Schnekkengeschwindigkeiten während der Nachdruckphase praktisch unabhängig von den geringen Massenbeschleunigungen bzw. Trägheitskräften und von hydraulischen Druckverlusten und damit nahezu als konstant anzusehen ist, und da ebenso auch der normierte Schneckenweg in dieser Zeit (s_N) (F i g. 3) wegen des stets gleichen Füllgrades konstant ist, wird p_NZ auf einen Wert geregelt, der zunächst proportional zur Einspritzarbeit (W_EW) ist. Bei einem Schneckenverschleiß sind sowohl die Einspritzarbeit (W_EW) als auch die Nachdruckarbeit (W_NW) größer, eine möglicherweise notwendige Feinregulierung des Nachdruckes (p_NZ) wird durch die Anpassung des Faktors für die Nachdruckkoppelung (NK) vorgenommen (Fig. 5) nach der Formel:

Pnz-Pnz

: / W_EW\

\WewV

NK

Der Umschaltpunkt auf Nachdruck wird - i. a. wegabhängig - so fixiert, daß der Nachdruck am Rückstau-Punkt (Steilanstieg des p_NW- und des p^-Wertes) wirksam wird, und zwar vor dem Maximum von p_NW bzw. p_NZ(Fig. 2).

Die Nachdruckzeit (t_N) (Fig. 2) wird so festgesetzt, daß der tatsächliche Siegelpunkt (nicht zu verwechseln mit dem nach Fig. 2 zeichnerisch ermittelten Siegelpunkt) gerade überschritten wurde, was durch die Konstanz der Formteilgewichte nachzuweisen ist. Ebenso sind Kühlzeit (t_K) und Zykluszeit (t_z) (F i g. 2) nach diesem Verfahren zur Erzielung eines stets gleichen Gefüges konstant zu halten und dürfen nicht etwa mit den sonst üblichen kleineren oder größeren Schwankungen der Einspritzzeit (t_EW) veränderlich sein.

Die in diesem Verfahren definierte Einspritzarbeit (W_EW) ist nicht identisch mit der von B. Just vorgeschlagenen, in der Ölhydraulik gemessenen Arbeit, bezeichnet als »Fließindex« oder »Füllindex« (Bosch, Technische Berichte, Band 7 (1981), Robert Bosch GmbH); auf die fehlerhafte Bestimmung der Einspritzarbeit durch Messung in der Ölhydraulik wurde eingangs bereits hingewiesen (A. Lampl u. a. in: Plastverarbeiter Nr. 10 (1983) S. 1105-1108). Eine Regelung des Nachdruckes (p_NZ) über den »Fließindex« aus der Hydraulik ist u. U. vorteilhaft aber nicht fehlerfrei. Die direkte Messung der werkzeugbezogenen Einspritzarbeit (W_Ew) vermeidet diese Fehler oder Abweichungen in der Hydraulik, z. B. aus Druckstößen, und vor allem aus

der Reibung zwischen Schnecke und Zylinder. Weiterhin ist die gleichzeitige Nutzung des Druckfühlers im Zylinderkopf für andere Verfahrensschritte vorteilhaft bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren.

Der Nachdruck (p_N/) kann innerhalb der zulässigen Nachdruckbereiche variiert werden, ohne daß infolge zu geringen Druckes Einfallstellen in der Formteiloberfläche oder infolge zu großen Druckes zu große Zugeigenspannungen in der Formteiloberfläche mit der Gefahr der Spannungsrißbildung entstehen. Bei vielen Formmassen und Formteil-Geometrien kann der Nachdruck im Werkzeug (p_NW) 200 bis 600 bar betragen; der Nachdruck im Zylinder (p_NZ) ist dann entsprechend dem Druckabfall in Düse und Angußkanal etwas höher.

Nach den ersten Anpassungsmaßnahmen der Schnekkenweg-Normierung und der Nachstellung des Nachdruckes (p_N/) zur Erzielung gleicher Formteilmaße erfolgt als dritter Schritt die Koppelung des Nachdrukkes (py/) an die Einspritzarbeit (W_En) bei Variation des Faktors Mf über bzw. unter NK = 1,0, um die Nachdruckregelung stabil gegenüber kleinen Viskositätsschwankungen der Schmelze zu machen.

Eine Formmasse-Temperatur (d_M), welche - wie auch eine Werkzeug-Temperatur (d_u) - in bekannter Weise einzuregeln ist, wobei Schneckendrehzahl in Staudruck {p_Sl) (Fig. 1 und 2) mit ihren Auswirkungen auf die Höhe der Massetemperatur (<9_W) ebenfalls fixiert werden müssen, wird vorübergehend um einen bestimmten Betrag, z. B. 7 bis 10 K, höher eingestellt. Die Höherstellung kann in diesem Fall unter Verzicht auf eine direkte Temperaturmessung der Schmelze mit einem Einstichthermometer erfolgen, indem lediglich die dem Düsenausgang am nächsten gelegenen Temperaturfühler für die Temperaturregelung benutzt werden. Nach Angleichung des Temperatur-Istwertes an den neuen Sollwert sind Maßkontrollen an den Formteilen durchzuführen. Sofern ein entscheidendes Formteilmaß dann größer wurde (stärkere Werkzeugfüllung), ist die Nachdruckkoppelung (NK) (F i g. 5) auf einen Wert über 1,0 einzustellen und die Maßkontrolle zu wiederholen, bis Maßgleichheit eintritt. Sofern das Formteilmaß kleiner wurde (geringere Werkzeugfüllung), ist die Nachdruckkoppelung (NK) auf einen Wert unter 1,0 einzustellen und die Maßkontrolle zu wiederholen, bis Maßgleichheit erreicht ist. Anschließend wird die Massetemperatür (du) auf den ursprünglichen Sollwert zurückgestellt und die Maßgleichheit noch einmal kontrolliert. Danach ist die Prozeßregelung für die Fertigung freigegeben.

Die Regelung des Restmassepolsters (/, - /₀)(Fig. 1) wird im Hinblick auf zunehmende Verwendung von Glasfasern, Glaskugeln, Talkum u. a. dringender als in früheren Jahren, wenn auch angestrebt werden sollte, gut gepanzerte Schnecken und Zylinder zu wählen, um Verschleiß an diesen Elementen zu vermeiden oder zu mindern. Davon hängt auch ab, ob der Umschaltpunkt auf Nachdruck wegabhangig fixiert werden kann. Wenn als Zielvorstellung das starre, unveränderliche Zeitprogramm der Schnecke mit einer Zwangsförderung der Schmelze, unabhängig von ihrer momentanen Viskositat, richtig und optimal ist, so muß man auch das Problem der Restmassepolster-Veränderung aufgreifen. Zweifellos wäre es ratsam, von einer gewissen Leckströmung an ein Signal zu geben für den Austausch der verschlissenen Schnecke, des Zylinders oder der Rückströmsperre. Auch aus diesem Grunde ist die Regelung des Restmassepolsters ein wichtiger Schritt. Für bestimmte Formteil-Fcrtigungen sollte diese Regelung abschaltbar sein.

Zur Durchführung des Verfahrens: Normierung der Weg-Zeit-Kurven der Schneckenbewegung zusammen mit der Nachdruckkoppelung an die werkzeugbezogene Einspritzarbeit (W_En) sind folgende Vorrichtungen vorgesehen:

Zur Messung von Beginn und Ende der werkzeugbezogenen Einspritzzeit (t_Eiy) und zugleich des werkzeugbezogenen Schneckenweges (s_E) und der werkzeugbezogenen Einspritzarbeit (W_EW) sind einige Sensoren vorgesehen, die den Einströmvorgang der Schmelze in das Werkzeug und den Rückstau nach voller Benetzung aller Konturen registrieren und an die zentrale Prozeßregelung zur Auslösung weiterer Verfahrensschritte weitergeben.

So kann ein in Anschnittnähe eingebauter Druckmeßfühler, der sich entweder im Spritzgießwerkzeug 1 oder in der Düse einer Spritzeinheit 2 befindet, mit Hilfe der Differenzierung des plötzlich einsetzenden flachen Druckanstieges für den Werkzeuginnendruck (p_NW) (Fig. 2) den Beginn, nach Einsetzen des Steilanstieges des Druckes das Ende der werkzeugbezogenen Einspritzzeit (t_EH) messen. Der Beginn kann andererseits auch durch ein Thermoelement im Spritzgießwerkzeug gemessen werden, welches gegenüber dem Anschnitt mit dem ersten Formmasseeintritt (Fließfrontspitze) eingebaut ist. Das Ende der Einspritzzeit (i_£(r) kann alternativ auch durch einen Druckmeßfühler im Zylinderkopf mit einem Druckmeßfühler gemessen werden, der zur Vergleichbarkeit verschiedener Spritzgießmaschinen stets in der Mitte der kegeligen Fläche des Zylinderkopfes angebracht sein sollte (Fig. 1). Mit diesem Fühler kann gleichzeitig der Istwert des zu regelnden Nachdruckes (p_s/) gemessen werden.

Statt mit Druckmeßfühlern kann man auch mit einem Thermoelement, welches am Ende der Fließfront im Werkzeug einzubauen ist, das Ende der Einspritzzeit (t_Ett) bestimmen. Dies setzt jedoch voraus, daß man zuverlässig voraussehen kann, wie der Fließfrontverlauf im Werkzeug ist, was u. U. mit einem CAD-Verfahren (Füllbildmethode) erfolgen kann.

Die Anzeige der normierten Weg-Zeit-Kurve der Schnecke (s_E =f(i)) auf einem Bildschirm ermöglicht in einer gemeinsamen Wiedergabe von Sollwert-Kurve und Istwert-Kurve die Kontrolle der Genauigkeit der Regelung der Schneckenbewegung. Gleichzeitig sind weitere Prozeßdaten sichtbar zu machen, wie z. B. der genaue Wert der letzten Einspritzzeit (t_EW), der Schnekken-Anpassungsfaktor (KJ und seine mögliche Abweichung vom rechnerischen Wert bei Erhaltung des Volumens (K_S2 = J/n · A_Z\ : 100 · A₂₂), die jeweilige letzte Einspritzarbeit (W_EH) und der Nachdruck (p_sz) sowie der Faktor für die Nachdruckkoppelung (NK). Weiterhin sollte die Verschiebung der Dosierstellung bei Schneckenverschleiß innerhalb eines zu tolerierenden Bereiches angezeigt werden können, u. U. mit Warnzeichen bei Erreichen zu großer Werte.

Der Heißkanal und ebenso der Isolierkanal als Varianten für Angußsysteme in Werkzeugen bedeuten für den Schmelzefluß eine Verlängerung der Düse bis in das Innere des Werkzeuges, wodurch größere Druckverluste zu erwarten sind. Andererseits sind Punkt- und Filmanschnitte Engpässe im Fließweg, welche die Siegelzeit (t_su) verkürzen und die Nachdruckwirkung begrenzen. Das wird Einfluß auf den Faktor für die Nachdruckkoppelung (NK) in der Anpassung eines Werkzeuges an eine Spritzgießmaschine haben.

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Bei dünnwandigen Formteilen ist die Messung der werkzeugbezogenen Daten besonders wichtig, weil die an der Maschine gemessenen Zeiten deutlich von den Werkzeugdaten abweichen können. Man sollte an dem Prinzip festhalten, möglichst echte Werkzeugdaten am Ort des Geschehens - zu messen und zur Regelung zu verwenden. Dies ist verfahrenstechnisch sinnvoll, macht allerdings häufig technische Schwierigkeiten. Deshalb muß gelegentlich ein Kompromiß gesucht werden, indem man die Maschine - im Sinne der Werkzeugdaten - mit Maschinen-Daten regelt.

Schließlich ist zu bedenken, daß die beschriebenen Maßnahmen und Merkmale zwar die Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe betrifft, jedoch sind auch einige Elastomere und thermoplastische Elastomere in ähnlicher Weise zu verarbeiten, sodaß das vorgeschlagene Verfahren für solche Polymere ebenfalls anzuwenden ist. Bei Duroplasten spielt der exakte Zeitablauf in der Einspritzphase nicht die gleiche Rolle, jedoch kann die Nachdruckregelung des vorgeschlagenen Verfahrens auch bei diesen Formmassen vorteilhaft sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Spritzgießen von thermoplastischen Kunststoff-Formmassen aus einer Einspritzeinheit mit einer verschiebbaren Schnecke während einer Einspritz- und Nachdruckphase in ein geschlossenes Spritzgießwerkzeug, bei dem ein durch Optimierung gewonnener, werkzeugbezogener Schneckenweg (s) als Funktion der Zeit als Sollwert-Kurve (s_E =f(t)) mit der werkzeugbezogenen Einspritzzeit (t_EW) abgespeichert wird und die Bewegung der Schnecke während der Einspritzphase entsprechend diesen abgespeicherten Werten erfolgt, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die auf einer ersten Spritzgießmaschine gefundene, optimierte Sollwert-Kurve (s_E = y(i)) durch Setzen ihres Endwertes gleich 100 Längeneinheiten (s_E = 100 mm) bzw. gleich 100% normiert wird,

b) daß_ ein neuer Endwert für den Schneckenweg (s_EA bzw. s_EB) einer Schnecke (A bzw. B) einer anderen Einspritzeinheit oder einer anderen Spritzgießmaschine für die gleiche Einspritzzeit (t_EW) ermittelt und abgespeichert wird (Fig. 3),

c) daß aus den abgespeicherten Schnecken-Endwerten (s_EA) und (s_E) bzw. (s_EB) und (s_E) ein