DE4026731A1 - Verf. u. vorr. zur beherrschung der isochoren prozessphase beim spritzgiessen thermoplastischer kunststoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beherrschung der isochoren Prozeßphase beim Spritzgießen von wärmeplastifizierbarem Material, z. B. von thermoplastischen Kunststoffen, wobei die Formgebung in einem Formwerkzeug erfolgt und nach der volumetrischen Füllung des Formwerkzeugs durch Kolbenwirkung des Spritzaggregates ein Verdichtungsdruck über eine vorzubestimmende Haltezeit ausgeübt wird, während gleichzeitig die Abkühlung der Formmasse durch Wärmeabfuhr aus dem Formwerkzeug voranschreitet. Mit der Verdichtungsphase ist eine Massenachlieferung in das Formwerkzeug verbunden, die beendet wird, sobald ein Verschließen oder eine Versiegelung des Angußkanals erfolgt. Der durch Druck und Temperatur der Formmasse zum Zeitpunkt der Versiegelung gegebene Verdichtungszustand bestimmt die Schwindung der Formmasse bis zum vollständigen Abkühlen und damit die Abmessungen und das Gewicht des Formteils.

Eine hohe Maßgenauigkeit der Formteile wird nach einem bekannten Verfahren (Deutsche Offenlegungsschrift P 36 08 973.7) dadurch erzielt, daß das Beenden der Massezufuhr durch ein Verschlußorgan erfolgt, das bei einem bestimmten Verdichtungszustand der Formmasse betätigt wird damit die Phase konstanten spezifischen Volumens der Formmasse, die sogenannte isochore Prozeßphase einleitet. Die beiden, den Verdichtungszustand bestimmenden physikalischen Größen Druck und Temperatur der im Formwerkzeug befindlichen Formmasse werden mit Hilfe eines Prozeßrechners korreliert und mit einem vorgegebenen, den gewünschten Verdichtungszustand bestimmenden Druck-Temperatur-Zusammenhang verglichen. Bei Übereinstimmung des tatsächlichen Druck-Temperatur-Zusammenhangs mit dem vorgegebenen Druck-Temperatur-Zusammenhang wird die isochore Phase durch Verschließen des Massezuflußweges herbeigeführt. Auf diese Weise werden störeinflußbedingte Schwankungen des Druck-Zeit-Verlaufes und/oder des Temperatur-Zeit-Verlaufes kompensiert und so die Maßgenauigkeit der Formteile gesteigert. Allerdings ist die Anwendbarkeit dieses Steuerungsprinzips dadurch eingeschränkt, daß der isochorenbestimmtende Druck-Temperatur-Zusammenhang im allgemeinen und für die meisten Formmassen nicht explizit vorliegt, sondern erst durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen oder durch Zuhilfenahme von Datenbanken ermittelt werden müßte, wobei nur dann eine gute Zuverlässigkeit besteht, wenn die Daten der genauen Formmassetype verfügbar sind. Es ist deshalb eines der Ziele der Erfindung, die externe Ermittlung materialspezifischer, den Verdichtungszustand der Formmasse bestimmender Daten zu erübrigen und damit die Voraussetzungen für die Anwendung des geschilderten Steuerungsprinzips zu vereinfachen.

Erschwerend für die Anwendung einer durch die Isochore bestimmten Prozeßführung ist es auch, daß die Temperatur der im Formwerkzeug befindlichen Formmasse mit handelsüblichen Sensoren nur als Formteilberandungstemperatur erfaßt werden kann, die als tiefster Wert eines Formteilinneren hin ansteigenden Temperaturprofils zu betrachten ist.

Die Formteilberandungstemperatur ist für die über den Formteilquerschnitt gemittelte Temperatur nur schwach repräsentativ, so daß es Aufgabe der Erfindung ist, mit Hilfe rechnerunterstützter Meßwertanalyse, Verknüpfung und/oder Beobachtung des zeitlichen Verlaufs der verdichtungsbestimmenden Meßgrößen eine repräsentative Formteiltemperatur selbsttätig zu ermitteln, mit der die isochore Prozeßphase besser beherrscht werden kann als mit der Formteilberandungstemperatur. Erfindungsgemäß werden die dargelegten Ziele dadurch erreicht, daß der isochorenbestimmende Druck-Temperatur-Zusammenhang prozeßintern mit Hilfe eines grafischen Vergleichs mit dem realen Druck-Temperatur-Verlauf nach der Versiegelung der Werkzeughöhlung auf einem grafikfähigen Medium, vorzugsweise auf einem Bildschirm mit einem Druck-Temperatur-Diagramm, ermittelt wird. Diese Methode gründet sich auf die Beobachtung, daß immer nach einer Versiegelung der Werkzeughöhlung im Druck-Temperatur-Diagramm ein isochorer Verlauf erscheint. Dieser Verlauf wird erfindungsgemäß in extrapolierender Weise herangezogen für die Darstellung der Soll-Isochore. Da es Zweck der isochoren Prozeßführung ist, die Reproduzierbarkeits- Genauigkeit der Formteilmaße zu verbessern, können die aktuellen Parameter des Spritzgießprozesses als Soll-Parametersatz verwendet werden bzw. wird der grafisch dargestellte Prozeßverlauf der Anfangs-Einstellung der Spritzgießmaschine als maßgebend für die grafische Vorgabe der Soll-Isochoren eingesetzt. Damit erübrigt sich die Heranziehung umfangreicher materialspezifischer Daten.

In annähernder Weise kann der isochorenbestimmende Druck-Temperatur-Zusammenhang erfindungsgemäß als linear betrachtet werden und mittels der Koordinaten eines Bezugspunktes und mittels eines Neigungswinkels eingegeben werden, wobei die Angleichung an den realen Verlauf durch Verschieben und Parallelisieren erfolgt. Die Annäherung höherer Ordnung wird erfindungsgemäß erreicht durch die Hinzunahme eines oder mehrerer Krümmungsfaktoren für die isochore Druck-Temperatur-Beziehung.

Die Kenngrößen des isochorenbestimmenden Druck-Temperatur- Zusammenhangs können jedoch auch in der Weise adaptiert werden, daß die Reaktion der Formteile- und/oder des Formteilgewichts auf Störgrößen des Spritzgießprozesses beobachtet wird und diejenigen Parameterwerte als prozeßbeeinflussende Größen übernommen werden, die die geringsten Maß- oder Gewichtsveränderungen der hergestellten Spritzgußteile bewirken. Erfindungsgemäß analysiert ein Prozeßrechner den Druck- Temperatur-Verlauf eines der vorangehenden Spritzgießprozesse selbstätig daraufhin, welche Druck-Temperatur-Beziehung sich nach der Versiegelung der Werkzeughöhlung vorfindet und verwendet diese analytisch ermittelte Beziehung zur rechnerischen Darstellung einer Soll-Isochoren für die folgenden Spritzgießprozesse.

Die Aufrechterhaltung und Reproduzierung eines vorzugebenden Verdichtungszustandes der Formmasse ist erfindungsgemäß nicht auf die Herbeiführung der Versiegelung oder das Verschließen der Massezufuhr beschränkt, sondern kann auch durch eine Drucksteuerung in Abhängigkeit von der repräsentativen Temperatur des Formteils erreicht werden entsprechend dem vorgegebenen oder ermittelten isochorenbestimmenden Druck-Temperatur- Zusammehang. Dabei können stärkere Druckänderungen in der Nähe des für den Beginn der isochoren Phase entscheidenden Schaltpunkts dadurch vermieden werden, daß in der Phase unmittelbar vor dem Initiieren der isochoren Phase eine in Abhängigkeit von der für die Formteilinnentemperatur repräsentativen Temperatur geführte Druckänderung in der Weise erfolgt, daß die isochore Phase allmählich erreicht wird, wobei die geführte Druckänderung um so größer ist, je stärker das effektive Druck-Temperatur-Wertepaar vom vorgegebenen isochoren Druck-Temperatur-Zusammenhang abweicht. Zur Eliminierung von extremen Reaktionen des Prozeßsteuerungssystems, beispielsweise beim Ausfall von Meßfühlern werden auch Toleranzen für das Erreichen der isochoren Prozeßphase festgelegt. Bei Überschreiten der Toleranzgrenzen in Form eines Zeitbereichs und/oder eines Bereichs für die Formteilinnentemperatur repräsentativen Temperaturwertes wird die isochore Phase zwangsweise herbeigeführt.

Die Ermittlung einer für die Formteilinnentemperatur repräsentativen Temperatur aus Meßwerten, die von der Formteilinnentemperatur beeinflußt werden kann erfindungsgemäß durch gewichtete Verknüpfung der gemessenen Formteilberandungstemperatur mit der Temperatur der Formmasse vor Beginn des Einspritzens und/oder mit der Temperatur des Formwerkzeugs am Beginn oder unmittelbar vor Beginn des Einspritzens erfolgen.

Ausgehend von der Tatsache, daß sich in der zeitlichen Änderung des Forminnendruckes ab der Versiegelung der Werkzeughöhlung die zeitliche Änderung der Temperatur wiederspiegelt, kann erfindungsgemäß auch aus dem zeitlichen Verlauf des Druckes und der Formteilberandungstemperatur im Zusammenhang mit der Temperatur der Formmasse vor dem Einspritzen auf den örtlichen Verlauf der Temperatur über den Formteilquerschnitt geschlossen und daraus die für die Formteilinnentemperatur repräsentative Temperatur gewonnen werden.

Die für den isochorenbestimmenden Druck-Temperatur-Zusammenhang entscheidende repräsentative Temperatur kann erfindungsgemäß auch dadurch gewonnen werden, daß der örtliche Verlauf der Temperatur über den Formteilquerschnitt durch rechnerische Aufteilung der Formteilwanddicke in eine vorgebbare Anzahl von Schichten näherungsweise ermittelt wird und durch schichtenweise Berechnung des Wärmestroms unter Einbeziehung der Temperaturleitfähigkeit der Formmasse und des Meßwerts der Formteilberandungstemperatur erfolgt.

Dabei wird beispielsweise aus der beobachteten zeitlichen Veränderung der Formteilberandungstemperatur die aktuelle Abkühlgeschwindigkeit ermittelt und unter Einbeziehung der zeitlichen Veränderung des Forminnendruckes zur Bestimmung der voraussichtlich verbleibenden Restzeit bis zum Erfüllen des isochorenbestimmenden Druck-Temperatur-Zusammenhangs herangezogen, so daß die Einleitung der isochoren Prozeßphase bereits dann herbeigeführt ist, wenn die verbleibende Restzeit kleiner ist als die durch mechanische, hydraulische und elektrische Schaltvorgänge bedingte Reaktionszeit.

Da die Druckverteilung und insbesondere die Temperaturverteilung in der im Formwerkzeug befindlichen Formmasse neben der allgemeinen zeitlichen Veränderung auch in der Regel lokal unterschiedliche Veränderungen aufweist, ist zur Überwachung der isochoren Abkühlung Druck und Temperatur an einer Stelle zu messen bzw. zu berechnen, die für die gesamte im Formwerkzeug befindliche Formmasse hinsichtlich Druck und Temperatur, aber auch hinsichtlich Wandstärke repräsentativ ist.

Unmittelbar nach der volumetrischen Füllung des Formwerkzeugs beginnt erfindungsgemäß die numerische Aufbereitung der Meßgrößen Druck und Temperatur. Vom Prozeßrechner kann die volumetrische Füllung beispielsweise erkannt werden, wenn der gemessene Forminnendruck eine vorgebbare Druckschwelle überschreitet. Eine alternative Methode vergleicht in ähnlicher Weise die gemessene Druckanstiegsrate, die unmittelbar nach der volumetrischen Formfüllung sehr große Werte annimmt, mit einer ebenfalls vorgebbare Schwelle für die Druckanstiegsrate.

Da von einer nahezu konstanten Druckverteilung über die gesamte Dicke der Formmasse ausgegangen werden kann, wird der gemessene Druckwert als repräsentativ angesehen, zumal sich der Druckfühler an einer charakteristischen Stelle des Formteils befindet. Eine entsprechende Annahme für die Temperaturverteilung ist unrealistisch, weil gerade durch die anfänglichen großen Unterschiede zwischen Formmassetemperatur und Werkzeugtemperatur ein Temperaturprofil mit großen Temperaturgradienten hervorgerufen wird. Mit zunehmender Abkühldauer nimmt einerseits die maximale Temperatur in der Mitte des betrachteten Querschnitts ab, andererseits ändert sich aber auch die Form des Temperaturprofils. Zur Bildung einer repräsentativen Temperatur wird deshalb nicht nur die gemessene Oberflächentemperatur herangezogen, sondern das ganze Temperaturprofil bewertet. Zur numerischen Bestimmung des momentanen Temperaturprofils eignet sich beispielsweise ein Differenzverfahren, das eine Näherungslösung der Wärmeleitungsgleichung

liefert. Dazu wird der Querschnitt des Formteils mathematisch in mehrere Schichten unterteilt, wobei dieses Schichtenmodell auch noch die metallischen Schichten zwischen Werkzeugoberfläche und Temperaturfühlermitte enthält. Das mathematische Modell basiert auf der Annahme, daß an der charakteristischen Stelle des Formteils der Wärmetransport hauptsächlich senkrecht zur Werkzeugoberflcähe erfolgt.

Die dynamische Berechnung des Temperaturprofils beginnt nach der Erkennung der vollständigen Formfüllung ausgehend von einer Anfangstemperaturverteilung, welche von der durch die Temperierung eingeregelten und vom Temperaturfühler zunächst registrierten Werkzeugtemperatur sowie von der Temperatur abhängt, welche die Formmasse vor Beginn der Einspritzung aufweist. Diese Größe wird entweder mit einem weiteren Temperaturfühler maschinen- oder werkzeugseitig gemessen oder über analoge Bedienelemente bzw. über ein Tastenfeld ins Steuergerät eingegeben.

Ein einfaches Verfahren zur Bestimmung der Temperaturen an den Stützstellen berechnet aus der aktuellen Temperaturverteilung den Wärmetransport durch die verschiedenen Schichten und bestimmt daraus die Temperaturerhöhung an den Stützstellen während eines Abtastintervalls. Daraus ergeben sich schließlich die Temperaturen und somit auch die Temperaturverteilung beim nachfolgenden Abtastzeitpunkt. Die Aufteilung in die erwähnten Schichten umfaßt die Formmasse sowie die formteilseitige Hälfte des Temperaturfühlers, da man erwarten kann, daß der erfaßte Temperaturwert in guter Näherung der Temperatur in der Mitte des Fühlers entspricht. Da die Temperatur an diesem äußeren Rand des "Schichtenmodells" als Meßwert zu jedem Abtastzeitpunkt vorliegt, wird sie als Randbedingung bei der numerischen Lösung der beschriebenen Wärmeleitungsgleichung verwendet.

Bei der Festlegung der Schichtdicken und der Abtastrate ist darauf zu achten, daß die numerische Stabilität für realistische Parameterwerte gewährleistet ist. Gegebenenfalls läßt sich mit anderen bekannten Lösungsverfahren eine bessere numerische Stabilität erreichen, wobei aber auch der höhere Rechenaufwand zu berücksichtigen ist. Da man häufig symmetrische Temperaturprofile erwarten kann, läßt sich in einem solchen Fall der Rechenaufwand halbieren.

Dieses oder ein entsprechendes numerisches Verfahren zur Lösung der Wärmeleitungsgleichung wird nach jeder Temperaturmessung angewendet, um das Temperaturprofil zum aktuellen Zeitpunkt zu berechnen.

Danach wird die repräsentative Temperatur als gewichtete Summe der nun bekannten, an den Übergängen der verschiedenen Schichten herrschenden Temperaturen berechnet.

Ein schnelleres, weniger Rechenzeit beanspruchendes Verfahren zur Bestimmung der repräsentativen Temperatur stellt die gewichtete Verknüpfung der gemessenen Formteilberandungstemperatur mit der Temperatur der Formmasse vor Beginn des Einspritzens und/oder mit der Temperatur des Formwerkzeugs am Beginn oder unmittelbar vor Beginn des Einspritzens dar.

Aufgrund der unvermeidlichen Reaktionszeiten, welche mechanische, hydraulische und elektrische Schaltvorgänge erfordern, ist nicht nur der aktuelle Verdichtungszustand der Formmasse wichtig, sondern auch derjenige Zustand, der sich nach Ablauf der Reaktionszeiten einstellen wird. Eine Prädikation ist insbesondere für den Verlauf der repräsentativen Temperatur von umso größerer Bedeutung, je schneller sich das Formteil abkühlt. Entscheidenen Einfluß hat deshalb die aktuelle Abkühlgeschwindigkeit, die als zeitliche Änderung der repräsentativen Temperatur definiert wird. Diese Abkühlgeschwindigkeit wird aus dem aktuellen repräsentativen Temperaturwert und einem oder mehreren gespeicherten, zurückliegenden Temperaturwerten berechnet. Entsprechend wird der Druckgradient aus dem aktuellen und einem oder mehreren zurückliegenden Druckmeßwerten bestimmt. Unter der Annahme einer gleichbleibender Abkühlgeschwindigkeit und eines gleichbleibendes Druckgradienten können die Druck- und Temperaturwerte nach Ablauf der durch mechanische, hydraulische und elektrische Schaltvorgänge bedingten Reaktionszeiten entsprechend der Fig. 3 näherungsweise vorausberechnet werden.

Da die erfindungsgemäßen Verfahren zur Beherrschung der isochoren Prozeßphase die Anwendbarkeit einer isochoren Prozeßführung wesentlich erleichtern und vereinfachen, indem sie prozeßinterne Daten anstelle externer materialspezifischer Daten für die Einleitung der isochoren Phase und/oder Ergebnisdaten der produzierten Formteile verwenden, bringen sie dem Anwender der isochoren Prozeßsteuerung erhebliche Vorteile aufgrund der nicht mehr erforderlichen externen Datenbeschaffung, wobei gegenüber bekannten Verfahren eine Verbesserung der Extrapolationsgenauigkeit und der Prädiktionssicherheit erreicht wird und damit insgesamt eine Steigerung der Prozeßsteuerungsgenauigkeit und der Reproduzierbarkeit der Formteilabmessungen eintritt. Darüber hinaus wird die Anzahl einzugebender und wahrscheinlich meist mit unvermeidbaren Fehlern behafteter Parameter auf ein Mindestmaß reduziert, so daß hiervon eine Verbesserung der Handhabbarkeit und eine Reduzierung der Störungseinflüsse ausgeht. Wenn in Betracht gezogen wird, daß beim Spritzgießen thermoplastischer Kunststoffe hunderte verschiedener Materialtypen und -Modifikationen im Einsatz sind und daß für jede Materialtype die für diie Verdichtungsphase erforderlichen Datensätze verfügbar sein müssen, wenn keine prozeßinterne Datengewinnung mit hohem Zuverlässigkeitsgrad erfolgt, so wird deutlich, daß die Anwendbarkeit der isochoren Prozeßführung im Spritzgießbetrieb der Praxis eigentlich erst durch die erfindungsgemäße Methodik erreicht wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betreffen.

Darin zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Einspritzaggregates einer Spritzgießmaschine mit einer zugehörigen Steuerung zur Einleitung der isochoren Prozeßphase und mit dem Formwerkzeug. Die Schließeinhheit der Spritzgießmaschine ist lediglich angedeutet,

Fig. 2 eine beispielhafte grafische Darstellung der für die Einleitung der isochoren Prozeßphase relevanten Prozeßdaten in Form eines Druck-Temperatur-Diagramms,

Fig. 3 den beispielhaften Verlauf einer Trajektorie im Druck- Temperatur-Diagramm und den vorausberechneten Verdichtungszustand nach Ablauf der maschinenbedingten Reaktionszeiten.

In Fig. 1 ist ein Schneckenzylinder 10 einer Spritzgießmaschine dargestellt, in dem eine Schubschnecke 11 axial beweglich ist, ausgerüstet mit einem den Schneckenvorraum 14 absperrenden Ring 12 und mit einer Schneckenspitze 13. Mit Hilfe der Heizbänder 22 wird die Formmasse im Schneckenvorraum 14 fließfähig gehalten und bei einer Druckbeaufschlagung des Zylinderraums 30 durch die Hydraulikpumpe 33 mittels der als Kolben wirkenden Schubschnecke 11 in die Formhöhlung 17 des Formwerkzeugs 18, 19 gepreßt, wobei als Verbindungskanäle der Düsenkanal 15 und der Ansaugkanal 16 dienen. An die volumetrische Ausfüllung der Werkzeughöhlung 17 mit Formmase schließt sich eine Verdichtungsphase an, während der ein weiterer Massestrom durch den Angußkanal 16 erfolgt, hervorgerufen durch eine weitere axiale Bewegung des Kolbens 29 im Zylinder 36, der beispielsweise ein Hub der Schnecke 11 von der Position 56 der Schneckenspitze 13 zur Position 57 entspricht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung ist dieser Hub übertrieben groß eingezeichnet. Der mit der Verdichtung verbundene Druckaufbau in der Werkzeughöhlung 17 wird als elektrisches Signal des Druckfühlers 42 über die Signalleitung 44 an den Prozeßrechner 46 gemeldet. Das Formwerkzeug 18, 19 wird vom Kühlmittel in nicht dargestellten Kühlmittelkanälen durchströmt und entzieht damit der mit hoher Temperatur eingeflossenen Formmasse Wärme. Der daraus sich ergebende Temperaturverlauf der Formteilberandungstemperatur wird mit dem Temperaturfühler 41 gemessen und als elektrisches Signal über die Signalleitung 43 dem Prozeßrechner 46 zugeführt. Die im Formwerkzeug herrschende und an repräsentativer Stelle gemessene Temperatur wird mit dem Temperaturfühler 45 über die Signalleitung 47 an den Prozeßrechner 46 gemeldet. Im Prozeßrechner 46 wird nach den erfindungsgemäßen Verfahren ein Temperaur-Druck-Zusammenhang ermittelt, der einer isochoren Abkühlung entspricht und wie er in der Beschreibung von Fig. 2 näher erläutert wird. Der Prozeßrechner 46 führt außerdem aufgrund der eingehenden Temperatursignale des Fühlers 41 und/oder des Fühlers 45 und/oder mit Hilfe des zeitlichen Verlaufs dieser Temperatursignale nach den erfindungsgemäßen Verfahren eine Temperatur-Extrapolation zur Ermittlung einer für den Querschnitt des Formteils räpresentativen Temperatur und eine Temperaturverlaufs-Prädiktion durch. Zur Extrapolation und/oder zur Prädikation wird auch der zeitliche Verlauf des vom Druckfühler 42 gemeldeten Druckes herangezogen. Eine weitere Möglichkeit der Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, daß in die Extrapolation und Prädiktion ein Temperaturfühler 48 für die Erfassung der im Schneckenvorraum, beispielsweise im Düsenkanal 15 herrschenden Formmassetemperatur, mit einer Meßsignalleitung 49 einbezogen wird.

Im Prozeßrechner 46 wird nach bekannten Methoden durch Vergleich der effektiven bzw. durch Extrapolation oder Prädiktion gewonnenen Wertepaare von Druck und Temperatur mit den isochorenbestimmenden, durch Prozeßbeobachtung mit Hilfe des Prozeßrechners 46 gewonnenen Zusammenhängen der günstigste Zeitpunkt zum Einleiten der isochoren Phase erkannt und ein Betätigungssignal über die Befehlsleitung 50 an den elektro-hydraulischen Verstärker 52 gegeben, der das Verschlußorgan 51 im Massekanal 16 mit Hilfe der Druckbereitstellung über die Hydraulikleitung 34 und des Druckbegrenzers 32, sowie der Hydraulikpumpe 33 zum Verschließen bringt. Der Verlauf der effektiven, errechneten und/oder der isochorenbestimmenden Kenngrößen wird vorzugsweise durch den grafikfähigen Bildschirm 61 im Rahmen eines Druck-Temperatur- Diagramms dargestellt, wie es in Fig. 2 näher erläutert ist. Der Prozeßrechner steht mit dem Bildschirm 61 und der Eingabetastatur 62 über die Dialogleitung 60 in Verbindung, so daß die erfindungsgemäßen Verfahren auch durch manuelle Eingriffe durchgeführt oder beeinflußt werden können. Die Schließeinheit der Spritzgießmaschine ist durch die Formträgerplatten 20 und 21 angedeutet.

Fig. 2 zeigt eine beispielhafte grafische Darstellung und grafikbasierte Prozeßführungsmethode gemäß der Erfindung. Dabei wird im Druck-Temperatur-Diagramm die Schaltgerade 70 zur Annäherung an den isochorenbestimmenden Druck-Temperatur- Zusammenhang zunächst fiktiv so vorgegeben, daß sie mit dem effektiven Druck-Temperatur-Verlauf 74 nicht in Berührung kommen kann. Die Schaltgerade 70 ist bestimmt durch ihren Bezugspunkt 71 mit seinen Koordinaten 71′ und 71″ und mit ihrem Neigungswinkel 73. Im effektiven Druck-Temperatur-Verlauf 74 ist der Versiegelungspunkt des Angußkanals oder die aktive Versiegelung durch ein Verschlußorgan erkennbar an einer drastischen Änderung des Temperatur-Druck-Gradienten im Punkt 75. Annäherungsweise ist als Ausführungsbeispiel zwischen dem Punkt 75 und dem Fußpunkt 72 ein linearer Verlauf gegeben, dessen Neigung 76 herangezogen wird, um die Neigung 73 der Schaltergeraden 70 zu korrigieren, so daß z. B. eine angepaßte Schaltgerade so in Richtung höherer Temperaturwerte verschoben, daß eine durch die Schaltgerade veranlaßte Versiegelung vor einer thermischen oder zeitfixierten Versiegelung erfolgt. Dies entspricht dann der Schaltgeraden 77. Die beschriebene Methode kann manuell und/oder durch Dialogführung des Prozeßrechners und/oder durch prozeßrechnergesteuerte selbsttätige Adaption erfolgen.

Anstelle einer Schaltgeraden und der linearen Annäherung des isochorenbestimmenden Druck-Temperatur-Zusammenhangs können andere Kurven-Annäherungsformen angewendet werden. Fig. 3 zeigt eine beispielhafte grafische Darstellung des Prozeßverlaufs im Druck-Temperatur-Diagramm, wie sie gegebenenfalls auch auf einem angeschlossenen Bildschirm während des Prozesses dargestellt werden kann. Die Aufzeichnung der Druck- Temperatur-Wertepaare beginnt in der Regel mit dem Erkennen der vollständigen Formfüllung im Punkt 85. Die nachfolgend gemessenen Wertepaare liegen auf der Druck-Temperatur-Kurve 83, wobei die Anzahl der auftretenden Meßpunkte von der gewählten Abtastfrequenz abhängt. Die aktuellen Druck- und Temperaturwerte sind im dargestellten Diagramm auf der jeweiligen Koordinatenachse durch die Punkte 81 und 82 gekennzeichnet und ergeben als Wertepaar im Diagramm den Punkt 84. Aus diesen beiden aktuellen Meßwerten und jeweils einem oder mehreren vorangegangenen Druck- und Temperaturwerten wird auf die aktuelle Abkühlgeschwindigkeit, sowie auf den aktuellen Druckgradienten geschlossen. Durch die Prädiktion sollen die Reaktionszeiten, die durch die mechanischen, hydraulischen und elektrischen Schaltvorgänge entstehen, berücksichtigt und kompensiert werden. Unter der Annahme einer gleichbleibenden Abkühlgeschwindigkeit und eines gleichbleibenden Druckgradienten würde bei einem sofort ausgelösten Befehl zur Betätigung des Verschlußmechanismus eine Versiegelung im Punkt 86 ergeben. Ob der Verschlußmechanismus angesteuert wird, entscheidet sich aufgrund der Lage dieses Punktes 86 relativ zur Schaltkurve 80.

Die beschriebene Prädiktion gewährleistet, daß die sich nach der aktiven Versiegelung einstellenden Druck-Temperatur-Kurve die vorgegebene Schaltkurve nicht deutlich überschreitet und anschließend parallel zu dieser verläuft, sondern unter Berücksichtigung gewisser Toleranzen mit der Schaltkurve zusammenfällt.

Claims (23)

1. Verfahren zur Beherrschung der isochoren Prozeßphase beim Spritzgießen thermoplastischer Kunststoffe, wobei in bekannter Weise nach der vollständigen Füllung des Formwerkzeugs ein Verdichtungsdruck auf die Formmasse ausgeübt wird und bei gleichzeitiger Abkühlung der Formmasse unmittelbar oder verzögert nach der vollständigen Füllung des Formwerkzeugs eine Prozeßphase mit gleichbleibendem spezifischen Volumen der Formmasse (isochore Prozeßphase) herbeigeführt wird und wobei die Einleitung der isochoren Prozeßphase in Abhängigkeit vom Druck im Formwerkzeug und von einer für die Formteilinnentemperatur repräsentativen Temperatur erfolgt und ein Zusammenhang von Druck und Temperatur steuerungsbeherrschend wird, der ein konstantes spezifisches Volumen der Formmasse ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß der isochorenbestimmende Druck-Temperatur-Zusammenhang prozeßintern ermittelt und rechnerunterstützt der Maschinensteuerung aufgeprägt wird und daß die Ermittlung der für die Formteilinnentemperatur repräsentativen Temperatur mit Hilfe rechnerunterstützter Beobachtung und Analyse des zeitlichen Verlaufs prozeßrelevanter Meßgrößen innerhalb des Prozeßablaufs durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der isochorenbestimmende Druck-Temperatur-Zusammenhang mit Hilfe eines grafischen Vergleichs mit dem realen Druck-Temperatur- Verlauf nach der Versiegelung der Werkzeughöhlung auf einem grafikfähigen Medium, vorzugsweise auf einem Bildschirm, ermittelt wird und die Eingabe ebenfalls grafisch erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der isochorenbestimmende Druck-Temperatur-Zusammenhang mittels der Koordinaten eines Bezugspunktes und mittels eines Neigungswinkels angenähert wird, wobei die Angleichung an den realen Verlauf durch Verschieben und Parallelisieren erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der isochorenbestimmende Druck-Temperatur-Zusammenhang mittels der Koordinaten eines Bezugspunktes, mittels eines Neigungswinkels und mittels eines oder mehrerer Krümmungsfaktoren angenähert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Kenngrößen des isochorenbestimmenden Druck- Temperatur-Zusammenhangs in der Weise adaptiert werden, daß die Reaktion der Formteilmaße- und/oder des Formteilgewichts auf Störgrößen des Spritzgießprozesses beobachtet wird und diejenigen Parameterwerte als prozeßbeeinflussende Größen übernommen werden, die die geringsten Maß- oder Gewichtsveränderungen der hergestellten Spritzgußteile bewirken.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Größen des isochorenbestimmenden Druck- Temperatur-Zusammenhangs durch numerische Analyse des Druck- Temperatur-Verlaufs eines der vorangehenden Spritzgießprozesse selbsttätig in der Weise ermittelt werden, daß der Druck- Temperatur-Verlauf nach der Versiegelung der Werkzeughöhlung für die Analyse herangezogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isochore Prozeßphase durch Regelung des den Forminnendruck bestimmenden Hydraulikdruckes in der Weise beherrscht wird, daß sich in Abhängigkeit von der für die Formteilinnentemperatur repräsentativen Temperatur der Druck entsprechend dem isochorenbestimmenden Druck-Temperatur-Zusammenhang einstellt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Phase unmittelbar vor dem Initiieren der isochoren Phase eine in Abhängigkeit von der für die Formteilinnentemperatur repräsentativen Temperatur geführte Druckänderung in der Weise erfolgt, daß die isochore Phase allmählich erreicht wird, wobei die geführte Druckänderung um so größer ist, je stärker das effektive Druck-Temperatur-Wertepaar vom vorgegebenen isochoren Druck-Temperatur-Zusammenhang abweicht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die geführte Druckänderung selbsttätig erfolgt unter Vorgabe eines Zeitpunktes und/oder des für die Formteilinnentemperatur repräsentativen Temperaturwertes, bei dem die isochore Prozeßphase innerhalb einer vorgebbaren Toleranz erreicht sein muß.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Formteilinnentemperatur repräsentative Temperatur durch gewichtete Verknüpfung der gemessenen Formteilberandungstemperatur mit der Temperatur der Formmasse vor Beginn des Einspritzens und/oder mit der Temperatur des Formwerkzeugs am Beginn oder unmittelbar vor Beginn des Einspritzens ermittelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem beobachteten zeitlichen Verlauf des Druckes und der Formteilberandungstemperatur im Zusammenhang mit der Temperatur der Formmasse vor dem Einspritzen auf den örtlichen Verlauf der Temperatur über den Formteilquerschnitt geschlossen und daraus die für die Formteilinnentemperatur repräsentative Temperatur gewonnen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die näherungsweise Ermittlung des örtlichen Verlaufs der Temperatur über den Formteilquerschnitt durch rechnerische Aufteilung der Formteilwanddicke in eine vorgebbare Anzahl von Schichten und durch schichtenweise Berechnung des Wärmestroms unter Einbeziehung der Temperaturleitfähigkeit der Formmasse und des Meßwertes der Formteilberandungstemperatur erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der beobachteten zeitlichen Veränderung der Formteilberandungstemperatur die aktuelle Abkühlgeschwindigkeit ermittelt und unter Einbeziehung der zeitlichen Veränderung des Forminnendruckes zur Bestimmung der voraussichtlich verbleibenden Restzeit bis zum Erfüllen des isochorenbestimmenden Druck-Temperatur- Zusammenhangs herangezogen wird, so daß die Einleitung der isochoren Prozeßphase bereits dann herbeizuführen ist, wenn die verbleibende Restzeit kleiner ist als die durch mechanische, hydraulische und elektrische Schaltvorgänge bedingte Reaktionszeit.

14. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Einstellmöglichkeiten für einen Druck-Temperatur-Bezugspunkt und für einen Druck-Temperatur-Gradienten bestehen und die eingestellten Werte grafisch oder numerisch-analytisch auf Übereinstimmung mit dem Druck-Temperatur-Verlauf nach der Versiegelung der Werkzeughöhlung überprüft werden können.

15. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein oder mehrere Krümmungsfaktoren für die Annäherung des isochorenbestimmenden Druck-Temperatur-Zusammenhangs eingegeben werden können.

16. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfung der Temperaturmeßwerte selbsttätig mit Hilfe digitaler Rechnerschaltungen erfolgt und/oder mittels aufaddierender oder subtrahierender Verstärker, deren Verstärkungsfaktoren einstellbar sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfung der Temperaturmeßwerte selbsttätig mit Hilfe aufaddierender oder substrahierender Verstärker und/oder mittels digitaler Rechnerschaltungen erfolgt, deren Verstärkungsfaktoren selbsttätig durch Vergleichsrechnung bei Veränderung temperaturbeeinflussender Parameter des Spritzgießprozesses, vorzugsweise bei Veränderung der Temperatur des Formwerkzeugs, ermittelt werden.

18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Veränderungsprogramm für die Parameter des isochorenbestimmenden Druck-Temperatur-Zusammenhangs vorgebbar ist und die resultierenden Meßwerte des Formteilgewichtes und/oder der Formteilmaße in den Prozeßrechner eingegeben werden können und eine Auswertung der Meßwerte dahingehend erfolgt, daß den Meßwertreihen mit geringeren Schwankungen eine höhere Priorität zugewiesen wird als den Meßwertreihen mit größeren Schwankungen und der Prioritätswert für die selbsttätige Adaption der charakteristischen Größen des isochorenbestimmenden Druck-Temperatur-Zusammenhangs in Richtung kleinster Formteilgewichtsschwankungen maßgebend ist.

19. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Werkzeughöhlung als Regelgröße dient und der jeweilige Drucksollwert dem isochorenbestimmenden Druck-Temperatur-Zusammenhang bzw. einem Programm zur Annäherung an die isochore Prozeßphase entnommen wird.

20. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß feste oder mit den gemessenen Temperaturen analog veränderliche Verknüpfungsfaktoren eingegeben werden können.

21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der als Steuergerät fungierende Prozeßrechner mit dem Fühler für Werkzeuginnendruck, dem Fühler für Formteilberandungstemperatur, dem Fühler für die Temperatur der Formmasse vor dem Einspritzen und/oder dem Fühler für die Temperatur des Formwerkzeugs verbunden ist und der zeitliche Verlauf der Fühlermeßwerte in der Weise analysierbar ist, daß zu jeder Änderungsgeschwindigkeit der Formteilberandungstemperatur unter Berücksichtigung der übrigen Fühlermeßwerte eine charakteristische örtliche Temperaturverteilung im Formteilquerschnitt zugeordnet wird, die zur Ermitllung der die Formteilinnentemperatur repräsentierenden Temperatur dient.

22. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der als Steuergerät fungierende Prozeßrechner mit dem Fühler für Werkzeuginnendruck, mit dem Fühler für Formteilberandungstemperatur, mit dem Fühler für die Temperatur der Formmasse vor dem Einspritzen und/oder mit dem Fühler für die Temperatur des Formwerkzeugs verbunden ist und Eingabemöglichkeiten für die Formteilwanddicke und die Temperaturleitfähigkeit der Formmasse vorhanden sind, sowie daß der Prozeßrechner ein Programm zur Bestimmung der örtlichen Temperaturverteilung im Formteilquerschnitt mittels diskretisierter Wärmestromberechnung aus der Formteilberandungstemperatur und ihrer zeitlichen Änderung enthält mit der Möglichkeit, daraus die die Formteilinnentemperatur repräsentierende Temperatur zu gewinnen.

23. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der als Steuergerät fungierende Prozeßrechner mit dem Fühler für Werkzeuginnendruck, dem Fühler für Formteilberandungstemperatur und dem Fühler für die Temperatur der Formmasse vor dem Einspritzen verbunden ist und mit einem Programm zur Analyse der zeitlichen Druck- und Temperaturgradienten sowie einem daraus prognostizierenden Rechenalgoritmus ausgestattet ist, der eine Restzeit bis zum Erfülllen des isochorenbestimmenden Druck-Temperatur-Zusammenhangs ermittelt, diese mit einer vorgebbaren Reaktionszeit der beteiligten Schaltgeräte vergleicht und die Einleitung der isochoren Prozeßphase herbeiführt, sobald die Restzeit kleiner ist als die vorgegebene Reaktionszeit.