DE4141996A1

DE4141996A1 - Verfahren zur ueberwachung und/oder regelung eines formgebungsprozesses fuer vernetzende formmaterialien

Info

Publication number: DE4141996A1
Application number: DE19914141996
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Eigen; Dieter Dipl Ing Egert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-12-19
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1993-06-24

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung eines Formgebungsprozesses für vernetzende Formmateralien nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Bei der Herstellung von Kunststoffteilen aus vernetzenden Formmaterialien, sogenannten Duroplasten, wird das sich aus mindestens zwei Komponenten zusammen setzende Formmaterial unter Druck in eine vorgewärmte Spritzgußform gepreßt. Die Temperaturerhöhung des kalten Materials, das durch die beim Einpressen entstehende Friktionswärme noch zusätzlich erhöht wird, setzt eine chemische Reaktion der Materialkomponenten in Gang, wodurch das Material auszuhärten beginnt und ein Formteil in der Gestalt des Formhohlraums entsteht. Nachdem das fertige Teil ausge stoßen ist, erfolgt eine Sichtkontrolle bezüglich der Formhaltigkeit und in bestimmten Zeitabständen eine Kontrolle der Maßhaltigkeit.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung eines Formgebungsprozesses für vernetzende Formmaterialien hat den Vorteil, daß durch die Erfassung der Reaktionsgeschwindigkeit, hierunter ist die Konzentrationsänderung der Ausgangsmaterialien während des Vernetzungsprozesses pro Zeiteinheit zu verstehen, eine automatische qualitative Bewertung des momentan gefertigten Teiles ermöglicht wird.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Verbesserungen des angegebenen Verfahrens möglich.

Am vorteilhaftesten wird die Reaktionsgeschwindigkeit durch Messen des Forminnendrucks bestimmt, der mit dieser aufgrund der geringen Kompressibilität des Formmaterials in direktem Zusammenhang steht und annähernd frei von äußeren Einflüssen ist. Sind die An forderungen an die quantitative Erfassung der Reaktionsgeschwindig keit geringer, kann in einfacher Weise die nach außen abgegebene Wärme des exothermen Vernetzungsprozesses gemessen und zur Über wachung und/oder Regelung des Vernetzungsprozesses herangezogen werden.

Durch Erfassen des maximalen Abfalls des Forminnendrucks nach Er reichen des maximalen Forminnendrucks wird eine detailliertere Aus sage über den Zustand des herzustellenden Teiles ermöglicht. Ist der Abfall zu steil, so reagieren die Komponenten des Formmaterials zu schnell, das heißt, das Formmaterial härtet zu schnell aus und eine vollständige Formfüllung kann nicht erzielt werden. Ein zu flacher Abfall deutet auf einen langsamen Reaktionsverlauf und bei vorge gebenem Taktzyklus auf ein unvollständiges Vernetzen der beiden Komponenten hin.

Wenn sichergestellt ist, daß der gemessene Kurvenverlauf des Form innendrucks in engen Grenzen konstant ist, stellt die Fläche unter dem Graphen des Forminnendrucks ein Maß für die Reaktionsgeschwin digkeit dar. Eine gegenüber einem Sollwert vergrößerte Fläche deutet auf einen flacheren, eine kleinere Fläche auf einen steileren Kurvenverlauf des Forminnendrucks und damit auf eine kleinere beziehungsweise größere Reaktionsgeschwindigkeit hin. In vorteilhafter Weise läßt sich das Integral durch Aufsummierung zeitlich hintereinander aufgenommenen Werten des Forminnendrucks errechnen.

Sind dem Formmaterial Additive beigemengt, kann die Reaktionsge schwindigkeit nicht immer einwandfrei bestimmt werden, so daß es hier vorteilhaft ist, den Zeitpunkt eines Druckminimums, das durch die Überlagerung der durch den Vernetzungsprozeß bedingten Schwindung und der durch die Reaktion der Additive bedingten Expansion entsteht, zu bestimmen und zur Überwachung und/oder Regelung des Formgebungsprozesses heranzuziehen. In bestimmten Fällen kann es von Vorteil sein, statt des Zeitpunkts den minimalen Wert des Druckminimums zu bestimmen.

Weiterhin hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, aus den Meß werten für die Reaktionsgeschwindigkeit über mehrere Zyklen hinweg durch Bildung eines Mittelwertes eine Kenngröße zur Überwachung des laufenden und zur Regelung des folgenden Prozesses zu bilden. Mit der vorgeschlagenen Mittelwertsbestimmung wird erreicht, daß die Wirkung jedes einzelnen Meßwertes theoretisch unendlich lang in dieser Kenngröße enthalten bleibt, jedoch mit abklingender Ge wichtung Berücksichtigung findet. Ferner kann diese Mittelwertsbe stimmung einfach programmiert werden und benötigt nur einen geringen Speicherplatzbedarf.

Zeichnung

In den Abbildungen ist die erfindungsgemaße Überwachung in Form von Diagrammen dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 den Verlauf des Forminnen drucks im Werkzeug über der Zeit beim Verarbeiten von vernetzenden Materialien und Fig. 2 den Verlauf des Forminnendrucks über der Zeit beim Verarbeiten von vernetzenden Materialien, denen Additive beigemischt sind.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei einer nicht dargestellten Spritzgießanordnung werden die vorge mischten, kalten Komponenten des Formmaterials mittels einer Schnecke in eine Spritzgießform gepreßt.

Die Spritzgießform weist ein Formnest mit einem Hohlraum in der Gestalt des herzustellenden Teils auf und ist vortemperiert. Ferner ist in der Spritzgießform ein den vom eingepreßten Formmaterial erzeugten Forminnendruck aufnehmender Drucksensor eingebaut. Diese Anordnung ist allgemein bekannt und soll nicht näher beschrieben werden.

Zu einer Zeit t₀(Fig. 1) wird das kalte Formmaterial einge spritzt, das sich durch die entstehende Friktionswärme teilweise erwärmt und zu einer Zeit t₁ den Drucksensor erreicht. Mit fort schreitender Füllung des Formnests steigt der Druck an und wächst, wenn das Formnest bei einer Zeit t₂ vollständig gefüllt ist, über proportional stark. Nach der Zeit t₂ schaltet die Steuerung der Maschine vom Fülldruck auf Nachdruck um und hält diesen Druck auf recht. Durch die weitere Erwärmung des sich in der Form befindlichen Materials steigt der Forminnendruck und das Material beginnt zu ver netzen. Bei einer Zeit t₃ wird das Druckmaximum erreicht. Ab einem Zeitpunkt t₄ ist die Masse soweit verfestigt, daß ein Nachpressen von Formmaterial mittels der Schnecke nicht mehr möglich ist. Das Formmaterial vernetzt weiter, wodurch der Formeninnendruck sinkt. Der Vorgang des Vernetzens kann somit direkt durch Messen des Druck abfalls des Forminnendrucks beobachtet werden.

Der Knick zur Zeit t₅ entsteht durch das Abheben der Schnecke der Spritzgießmaschine von der Spritzgießform. Danach sinkt der Form innendruck weiter mit steigender Vernetzung. Zu einem nicht mehr dargestellten Zeitpunkt wird nach Öffnen der Spritzgießform das Teil ausgestoßen.

Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit liegt erfahrensgemäß zwischen den Zeiten t₄ und t₅ und fließt in den Verlauf des Forminnen drucks so ein, daß der Druckabfall maximal wird. Durch Bestimmen des Druckabfalls, insbesondere des maximalen Druckabfalls je Zeitein heit, kann auf die Reaktionsgeschwindigkeit, insbesondere auf die maximale Reaktionsgeschwindigkeit geschlossen und ein Maß für die Qualität des herzustellenden Teils abgeleitet werden. Ein zu flacher Druckabfall weist auf eine geringe Reaktionsgeschwindigkeit und damit auf eine langsame Vernetzung hin, während ein sehr steiler Druckabfall mit einer großen Reaktionsgeschwindigkeit verbunden ist und eine sehr schnelle Vernetzung erkennen läßt. Der maximale Forminnendruckabfall je Zeiteinheit während der Nachdruck- und/oder Dosierphase wird somit als Maß für die Reaktionsgeschwindigkeit oder Reaktivität erfaßt. Durch diese Messung des Druckabfalls erhält man neben einem Hinweis auf die Konstanz des Verarbeitungsprozesses auch eine Aussage über die Stoffkonstanz. Änderungen der Reaktionsge schwindigkeit geben einen Hinweis auf die Teilqualität in optischer Hinsicht, auf die Maßhaltigkeit und weitere Merkmale. Diese Art der Messung ist unabhängig vom Druckmaximum oder vom Zeitpunkt des maximalen Druckabfalls.

In Fig. 2 ist ein Forminnendruckverlauf dargestellt, wie er für einen wie oben beschriebenen Herstellungsprozeß auftritt, bei dem vernetzende Formmaterialien Verwendung finden, denen LS-(low shrink) oder LP-(low profil) Additive beigemengt sind. Diese Additive, die dem Formmaterial zum Beispiel zur Minderung bei der Herstellung auftretender Rißbildung beigemengt werden, können den Druckverlauf derart beeinflussen, daß die Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund der Überlagerung des Vernetzungsprozesses und des Wirkprozesses der Additive nicht immer eindeutig bestimmt werden kann.

Durch die Überlagerung dieser Prozesse entsteht zum Zeitpunkt t₆ ein Druckminimum, von dem eine Aussage über die Qualität des her gestellten Formteils abgeleitet werden kann. Hierzu wird der Zeit punkt des Druckminimums herangezogen oder der minimal erreichte Druckwert.

Die Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit aus dem Forminnendruck verlauf erfolgt durch kontinuierliche oder getaktete Aufnahme des vom Drucksensor im Formnest abgegebenen Signals. Dieses Meßsignal kann entweder in einem Datenfeld abgelegt oder mittels analoger Schaltkreise direkt ausgewertet werden. Dazu wird entweder die Steigung, das Druckminimum oder der Zeitpunkt des Druckminimums be stimmt. Es ist jedoch auch möglich, die Fläche des Druckverlaufs über der Zeit, zum Beispiel zwischen den Zeiten t₃ und t₅ oder zwischen t₂ und einem späteren Zeitpunkt zu bestimmen. Aus der Flächengröße lassen sich Rückschlüsse auf den Druckverlauf schließen. Ein gegenüber einem vorher festgelegten Sollwert ge ringerer Flächenbetrag weist auf ein steiles Abfallen, ein geringes Druckminimum oder ein frühzeitiges Erreichen des Druckminimums hin, ein größerer Flächenbetrag kann entsprechend ausgewertet werden.

Soll lediglich eine Prozeßüberwachung zur Qualitätssicherung, Aus schußerkennung, Ausscheidung schadhafter Teile oder zur Dokumen tation und Prozeßanalyse erfolgen, so wird jeder Meßwert dem ent sprechenden Formteil direkt zugeordnet. Beim Aufbau einer Regel strecke hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, mehrere Meß werte zusammenzufassen und eine Kenngröße in Form eines Mittelwertes zu bilden.

Der Mittelwert M(i) wird aus den einzelnen Meßwerten x(i), dem bis herigen Mittelwert M(i-1) und einem Gewichtungsfaktor f nach der Vorschrift:

M(i)=(M(i-1)*(f-1)+x(i))*1/f,
gebildet oder mit S(i)=M(i)*f,
S(i)=S(i-1)-S(i-1)*1/f+x(i).

Dieser Mittelwert, mit dem sich eine Prozeßabweichung schnell und sicher von allgemeinen Meßwertstreuungen unterscheiden läßt, kann entweder direkt als Regelgröße in die Prozeßsteuerung einfließen oder bei Über- oder Unterschreitung eines vorbestimmten Toleranz bereiches dazu benutzt werden, die Spritzgießmaschine abzuschalten und ein Störsignal auszugeben.

Der Gewichtungsfaktor f, der typischerweise in einem Bereich zwischen 2 und 10 liegt, bestimmt dabei, wie schnell oder träge der Mittelwert jedem neuen Meßwert folgt. Soll der Mittelwert dem neuen Meßwert schnell folgen, weil dieser beispielsweise äußerst relevant für den Formgebungsprozeß ist oder die Meßwertfolge insgesamt nur wenig variiert, muß f einen eher kleinen Wert annehmen, sind die einzelnen Meßwerte dagegen weniger relevant und/oder weisen vermehrt sogenannte Ausreißer auf, muß der Gewichtungsfaktor entsprechend größer sein.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung eines Formgebungs prozesses für vernetzenden Formmaterialien, wobei die Form materialien unter Druck und vorzugsweise unter Wärmezufuhr umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Parameter für die Über wachung und/oder Regelung die Reaktionsgeschwindigkeit des Ver netzungsprozesses herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgeschwindigkeit durch Messung des Forminnendrucks bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Abfall des Forminnendrucks pro Zeiteinheit nach Erreichen des maximalen Forminnendrucks als Maß für die Reaktionsgeschwindig keit erfaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Integral des Forminnendrucks über der Zeit gebildet wird und die Größe der Fläche innerhalb bestimmter Zeitgrenzen als Maß für die Reaktionsgeschwindigkeit erfaßt wird.

5. Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung eines Formgebungs prozesses für vernetzenden Formmaterialien, insbesondere unge sättigte Polyester- (UP-)Kunststoffe, denen Additive beigemengt sind, wobei die Formmaterialien unter Druck und vorzugsweise unter Wärmezufuhr umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Para meter für die Überwachung und/oder Regelung der Zeitpunkt (t₆) eines Druckminimums herangezogen wird, das durch die Überlagerung der durch den Vernetzungsprozeß bedingten Schwindung und der durch die Reaktion der Additive bedingten Expansion entsteht.

6. Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung eines Formgebungs prozesses für vernetzenden Formmaterialien, insbesondere UP-Kunst stoffe, denen Additive beigemengt sind, wobei die Formmaterialien unter Druck und vorzugsweise unter Wärmezufuhr umgeformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Parameter für die Überwachung und/oder Regelung der Wert eines Druckminimums herangezogen wird, das durch die Überlagerung der durch den Vernetzungsprozeß be dingten Schwindung und der durch die Reaktion der Additive bedingten Expansion entsteht.

7. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß aus den für die Überwachung und/oder Regelung heran gezogenen Meßwerten, wie die Reaktionsgeschwindigkeit, der Form innendruck oder der Wert oder der Zeitpunkt des Druckminimums eine Kenngröße in Form eines Mittelwertes mit gewichteten Einzelwerten gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert mit jedem neuen Meßwert neu gebildet wird und sich dabei der neue Mittelwert aus dem gewichteten bisherigen Mittelwert und dem gewichteten neuen Meßwert zusammensetzt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der neue Mittelwert nach der Vorschrift: M(i) = (M(i-1)*(f-1)+x(i))*1/f,gebildet wird, wobei M(i) der neue Mittelwert, M(i-1) der alte Mittelwert, x(i) der Meßwert und f ein bestimmbarer Gewichtungs faktor ist.