DE4140392A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung eines spritzgiessprozesses - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regelung eines Spritzgießprozesses nach der Gattung des Hauptanspruches. Bei einem derartigen Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Kunststoff­ teile ist es aus der DE-OS 38 38 909 bekannt, den Druck im Spritz­ gießwerkzeug zu erfassen und zu einer bestimmten Zeit vom Spritz­ druck auf Nachdruck umzuschalten. Hierbei wird überwacht, ob der Umschaltpunkt innerhalb eines bestimmten Druck-Zeit-Fensters be­ stimmte Grenzen nicht über- oder unterschreitet. Werden die ent­ sprechenden Vorgaben nicht eingehalten, so wird das gespritzte Teil als Ausschußteil gekennzeichnet und im Wiederholungsfalle die Spritzgießmaschine stillgesetzt.

Aus der DE-OS 25 39 066 ist es bekannt, ein Druckmeßglied in Anguß­ nähe des Werkzeuges anzuordnen und ein dem Forminnendruck propor­ tionales Signal einem Regler zuzuführen, der entsprechend der Ab­ weichung einer Sollvorgabe den Hydraulikdruck der Spritzgießmaschine im Sinne einer Minimierung der Abweichung verändert und gegebenen­ falls die Nachdruckphase abschaltet. Für dieses Verfahren ist es nötig, eine Sollkurve vorzugeben, die unter anderm vom Material, Werkzeug und Formteil abhängt.

Im Artikel "Einfluß der Verarbeitungsparameter auf die Qualität von Spritzgußteilen" von G. Maier (PLASTverarbeiter 33. Jahrgang 1982 Nr. 3, Seiten 253 ff) wird für Qualitätsspritzguß der Einsatz einer Werkzeug-Innendruck-abhängigen Druckschaltung empfohlen. Dazu wird von Spritz- auf Nachdruck umgeschaltet, sobald ein vorgegebener Druck im Formnest erreicht wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines Spritzgießpro­ zesses, insbesondere eines Prozesses zur Herstellung thermoplasti­ scher Kunststoffteile, hat den Vorteil, daß die Umschaltung zum optimalen Zeitpunkt der volumetrischen Formfüllung ohne manuelle Druck- , Zeit- oder Schneckenwegvorgabe ausgelöst wird. Dadurch wird das System unabhängig vom Bedienpersonal und von Parametern, die durch die Spritzgießmaschine, das Werkzeug oder die Formmasse beein­ flußt werden. Außerdem wird die Ausschußrate erheblich reduziert und die Qualitätskonstanz verbessert, da die Umschaltung innerhalb des laufenden Zyklus spezifisch für jedes Teil erfolgt und nicht erst im Folgezyklus Berücksichtigung findet.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteil­ hafte Verbesserungen des Verfahrens oder der Ausführungen nach dem Hauptanspruch möglich.

Das starke Ansteigen des Druckverlaufes kann einfach dadurch erkannt werden, daß vom Druckverlauf die zweite zeitliche Ableitung gebildet wird. Vorzugsweise wird das Erreichen oder Überschreiten eines vor­ bestimmten Wertes, zum Beispiel des Maximums der zweiten Ableitung, dann als Umschaltkriterium herangezogen. Bei nicht allzusehr schwankenden Parametern kann es auch genügen, den Zeitpunkt zu überwachen, bei dem die zweite Ableitung vorbestimmte Randbe­ dingungen erfüllt.

Wird der Druck im Spritzgießwerkzeug in bestimmten Zeitabständen gemessen und die Werte in einem Datenfeld abgelegt, ist es möglich, durch Subtraktion von jeweils aufeinanderfolgenden Werten die erste und entsprechend die zweite Ableitung zu bilden. Dies sind einfache Verfahrensschritte, die von einem Rechner schnell ausgeführt werden können. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Berechnung und die Reaktion auf die berechneten Werte noch innerhalb des gleichen Spritzgießzyklus erfolgen können.

Es ist auch möglich, anstelle des Druckes im Spritzgießwerkzeug einen mit diesem korrelierenden Druck, wie zum Beispiel der Hydrau­ likdruck oder der Düsendruck, zur Messung zu verwenden. Die Be­ stimmung dieser Drücke ist einfach und deshalb kostengünstig. Jedoch muß in Kauf genommen werden, daß die Korrelation zwischen den Drücken nicht immer exakt ist.

Durch die Automatisierung der Umschaltung wird erreicht, daß das Einstellen des Umschaltpunktes nicht mehr vom Einrichterpersonal abhängig ist und dadurch objektiviert wird.

Zeichnung

In den Abbildungen ist die erfindungsgemäße Regelung schematisch dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 den Verlauf des Forminnendrucks im Werkzeug (durchgezogene Linie), des Düsendrucks (punktierte Linie) und des Hydraulikdrucks (gestrichelte Linie) über der Zeit und Fig. 2 das Gesamtkonzept der Prozeßregelung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist der Druck über der Zeit aufgetragen. Das Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen dem Forminnendruck (durchgezogene Linie) 10, dem Hydraulikdruck (gestrichelte Linie) 12 und dem Düsendruck (punktierte Linie) 14.

Diese Drücke können mittels Sensoren in den in Fig. 2 näher be­ schriebenen Bereichen gemessen werden. Dazu zeigt Fig. 2 als Konzept eine Spritzgießeinheit 20, enthaltend die Baugruppen: Materialversorgungseinheit 22, Werkzeug 24 und eine Steuereinheit mit einem elektrischen Teil 26 und einem hydraulischen Teil 28.

Die Materialversorgungseinheit 22 enthält eine in einen Zylinder 21 gekapselte Förderschnecke 30, ein Materialreservoir 23 und einen hydraulischen Antrieb 32, der es der Förderschnecke 30 gestattet, eine Dreh- und Vorschubbewegung auszuführen. Am Ende des Zylinders 21 ist eine Düse 34 gebildet. Weitere Baueinheiten, wie Heizung, Umlaufwassersystem etc. sind hier nicht dargestellt.

Mittels einer Drehbewegung der Schnecke 30 (Antriebsdetail nicht dargestellt) wird der Kunststoff durch die Schneckengänge zwischen die Spitze der Schnecke 30 und die Düse 34 gefördert und dabei auf­ geschmolzen. Beim Einspritzvorgang wird die dosierte Kunststoff­ schmelze vor der Schneckenspitze durch die Düse 34 und durch einen Angußkanal 36 in einen Werkzeughohlraum, das Formnest 38, gespritzt. Die Schnecke 30 wirkt dabei als Kolben, der von einem Zylinder 32′ des hydraulischen Antriebs 32 betätigt wird.

Im Formnest 38 befindet sich ein Drucksensor 40, der sein Signal über eine Leitung 42 an die elektrische Steuereinheit 26 abgibt. Diese enthält eine Regelschaltung 44 und wirkt auf die hydraulische Steuereinheit 28, die ihrerseits ein elektrohydraulisches Regelven­ til 46 enthält und über Leitungen 48 auf den hydraulischen Antrieb 32 wirkt.

Die Druckverläufe, wie in Fig. 1 für einen laufenden Prozeß darge­ stellt, ergeben sich wie folgt:
Nachdem das vorhergehende Teil ausgestoßen ist, das Werkzeug 24 wieder geschlossen ist und die Düse 34 am Werkzeug 24 anliegt, beginnt der neue Spritzzyklus zum Zeitpunkt t₀ mit dem Einspritzen geschmolzenen Kunststoffs aus dem Zylinder 21 in das Werkzeug 24. Das Material strömt durch den Angußkanal 36 in das Formnest 38. Zum Zeitpunkt t₁ erreicht die Fließfront den Drucksensor 40 und der Forminnendruck 10 steigt dadurch stetig und relativ gleichmäßig an. Sobald das Formnest 38 vollständig gefüllt ist, das heißt, wenn alle Hohlräume im Formnest 38 ausgefüllt sind, steigt der Forminnendruck 10 steil an. Dies erfolgt bei einer Zeit t₂.

Der Hydraulikdruck 12 und der Düsendruck 14 steigen vor der Zeit t₂ entsprechend dem Forminnendruck 10 gleichmäßig an, um zum Zeitpunkt t₂ ebenfalls überproportional stark zu wachsen. Der Zeitpunkt t₂ stellt den optimalen Zeitpunkt dar, bei dem vom Spritzdruck auf Nachdruck umgeschaltet werden soll.

Nach der Umschaltung durch das Regelventil 46 wird der Hydraulik­ druck 12 auf einen für den Nachdruck erforderlichen Wert zurückge­ nommen und eine bestimmte Zeit gehalten.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Hydraulikdruck 12 nach dem Zeitpunkt t₂ und einer systembedingten Einschwingphase über der Zeit konstant. Der Düsendruck 14 stellt sich auf einen um die Reibungsverluste im Zylinder 21 reduzierten Wert des Hydraulik­ druckes 12 ein. Der resultierende Forminnendruck 10 bleibt so lange konstant, wie die durch das Erkalten der Formmasse im Werkzeug 24 bedingte Volumenkontraktion durch Nachdrücken von geschmolzenem Kunststoff durch die noch plastische Seele ausgeglichen werden kann. Danach fällt der Forminnendruck 10 ab. Der Druck im hydraulischen Antrieb 32 wird abgeschaltet, das Werkzeug 24 nach Ablauf einer Kühlzeit aufgefahren und das gespritzte Teil ausgestoßen (nicht mehr dargestellt).

Um den Zeitpunkt t₂ zu erfassen, wird das Signal des Drucksensors 40 einer Regelschaltung 44 zugeführt. In dieser werden die Druck­ werte mit einer Taktfrequenz, von beispielsweise 100 Hz abgetastet und in einem Datenfeld abgelegt. Durch Differenzbildung zweier auf­ einanderfolgender Druckwerte wird die erste Ableitung nach der Zeit gebildet und ebenfalls in einem Datenfeld abgelegt. Die zweite Ab­ leitung nach der Zeit wird analog durch Differenzbildung zweier aufeinanderfolgender Werte der ersten Ableitung gebildet und abge­ legt. Wenn die zweite Ableitung einen bestimmten Schwellwert über­ steigt, wird dies zwei Taktzyklen später erkannt, worauf die Regelschaltung 44 ein Umschaltsignal an das Regelventil, das den Hydraulikdruck 12 von dem für die Einspritzphase I benötigten Wert auf den für die Nachdruckphase II benötigten Wert umstellt, abgibt.

Sind die Systemparameter hinreichend bekannt und innerhalb gewisser Toleranzen konstant, kann es genügen wenn gewisse Randbedingungen im Verlauf der ersten oder zweiten Ableitung von der Regelschaltung erkannt werden. Eine solche Randbedingung schreibt zum Beispiel vor, daß zwei aufeinanderfolgende Werte der zweiten Ableitung positiv sein müssen.

Es ist auch möglich, statt des Forminnendrucks 10 den Düsendruck 14 oder den Hydraulikdruck 12 zur Ermittlung des Umschaltpunktes t₂ heranzuziehen. Dazu wird in die Düse 34 ein Drucksensor 50 einge­ bracht, der über eine Leitung 52 sein Signal an die elektrische Steuereinheit 26 abgibt, oder es wird direkt ein Drucksignal von der hydraulischen Steuereinheit 28 über eine Leitung 54 an die elektrische Steuereiheit 26 übermittelt. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, steigen der Düsendruck 14 und der Hydraulikdruck 12 erst nach der Zeit t₂ merklich an. Die Ursachen hierfür liegen im Fließver­ halten des Materials und in den mechanischen Zusammenhängen zwischen Förderschnecke 30 und hydraulischem Antrieb 32. Während der Form­ innendruck 10 als systemunabhängiger Parameter direkt zur Bestimmung des Umschaltpunktes herangezogen werden kann, müssen beim Aus­ weichen auf den Düsendruck 14 oder den Hydraulikdruck 12 Schwankungen von solchen Systemparametern Berücksichtigung finden.

Schwankungen der Temperatur oder der Viskosität des Materials wirken ebenfalls auf das Verhältnis zwischen Forminnendruck 10 und Düsen­ druck 14 bzw. Hydraulikdruck 12.

Da die Umschaltung von der Einspritzphase I in die Nachdruckphase 11 maßgeblich die Formteilqualität und deren Konstanz beeinflußt, ver­ langen vor allem Präzisionsspritzgußteile mit geforderter Maßhaltig­ keit nach korrekter Einstellung des Umschaltpunktes.

Mit der vorbeschriebenen Messung des Forminnendrucks beim Spritz­ gießen ist eine schnelle praxisnahe Beurteilung der Fließfähigkeit von Kunststoffschmelzen möglich. Diese Messung kann unter Produk­ tionsbedingungen und voll automatisch direkt während des Spritzgieß­ prozesses erfolgen. Änderungen der Fließfähigkeit der Kunststoff­ schmelze oder Änderungen der Schmelztemperatur werden erkannt und können berücksichtigt werden. Durch eine automatische Umschaltung in Abhängigkeit des Forminnendrucks finden Schwankungen des Systems Berücksichtigung und beeinflussen die Qualität des zu spritzenden Teiles nicht.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regelung eines Spritzgießprozesses, insbesondere für thermoplastische Kunststoffe, bei dem der Druck, vorzugsweise der Forminnendruck im Spritzgießwerkzeug, erfaßt wird und eine Umschaltung von einer Einspritzphase in eine Nachdruckphase bei einem bestimmten Umschaltdruck erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschaltdruck vom im laufenden Zyklus, vorzugsweise im Spritz­ gießwerkzeug (24), gemessenen Druck (10) abgeleitet wird, wobei das starke Ansteigen des Druckes (10, t₂), das erfolgt, wenn die Hohl­ räume (38) in der Form vollständig ausgefüllt sind, erfaßt und als Umschaltkriterium herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom ge­ messenen Druckverlauf (10), vorzugsweise im Spritzgießwerkzeug (24), laufend die erste und zweite Ableitung nach der Zeit gebildet werden und bei Erreichen eines vorbestimmten Wertes der zweiten Ableitung von der Einspritzphase auf die Nachdruckphase umgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom gemessenen Druckverlauf (10), vorzugsweise im Spritzgießwerkzeug (24), laufend die erste und zweite Ableitung nach der Zeit gebildet werden und bei Erreichen des Maximums der zweiten Ableitung von der Einspritzphase auf die Nachdruckphase umgeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druck (10), vorzugsweise im Spritzgießwerkzeug (24), in bestimmten Zeitabständen gemessen wird, daß die Werte in einem Datenfeld abgelegt werden, daß durch Subtraktion jeweils aufeinanderfolgender Werte des Druckes die erste Ableitung und durch Subtraktion von jeweils aufeinanderfolgender Werte der ersten Ab­ leitung die zweite Ableitung nach der Zeit gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß anstelle des Druckes (10) im Spritzgießwerkzeug (24) ein mit diesem korrelierender Druck, insbesondere der Hydrau­ likdruck (12) oder der Düsendruck (14), zur Messung herangezogen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Erkennen des starken Ansteigens des Druckes (10, 12, 14) und die Umschaltung von der Einspritzphase auf die Nachdruckphase automatisch erfolgen.

7. Spritzgießvorrichtung, die mindestens die Baugruppen einer an sich bekannten Spritzgießmaschine und ein Spritzgießwerkzeug ent­ hält, mit einer Regelschaltung, die insbesondere nach einem in den vorhergehenden Ansprüchen aufgeführten Verfahren arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (44) mit mindestens einem den Druck (10) im Spritzgießwerkzeug (24) erfassenden Sensor (40) und mit einem auf den Hydraulikdruck (12) wirkenden Regelventil (46) verbunden ist und daß die Regelschaltung (44) ein automatisches Umschalten des Regelventils (46) von Spritz- auf Nachdruck bewirkt, wenn der Druck (10) im Spritzgießwerkzeug (24) überproportional an­ steigt.

8. Spritzgießvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (44) mit einem Drucksensor (50) in der Düse (34) einer Förderschnecke (30) verbunden ist.

9. Spritzgießvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (44) mit einer den Hydraulikdruck (12) über­ mittelnden Leitung (54) verbunden ist.