DE4210259A1 - Verfahren zum Steuern und Regeln des Plastifiziervorganges von viskosen Stoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern und Regeln des Plastifi­ ziervorganges von viskosen Stoffen in intermittierend arbeitenden Plasti­ fiziereinrichtungen mit einer als verschiebbarer Schneckenkolben ausgebil­ deten Mehrzonenschnecke, insbesondere durch Änderung der die Massetempera­ tur beeinflussenden Parameter Zylindertemperatur, Schneckenkolbendrehzahl und Staudruck.

Beim Plastifizieren von viskosen Stoffen in intermittierend arbeitenden Spritzeinheiten von Spritzgießmaschinen weist die Kunststoffschmelze im Stauraum radiale und axiale thermische Inhomogenitäten auf. Diese system­ bedingten thermischen Inhomogenitäten wirken sich negativ auf die Form­ teilqualität aus und sind abhängig vom Dosierweg und vom Material. Die radialen Temperaturunterschiede bilden sich insbesondere während der Plastifizierphase aufgrund des sich ausbildenden Strömungsprofils im Schneckengang aus. Durch die Überlagerung von Längs- und Querströmung unterliegen die Masseteilchen in Abhängigkeit von der Position zwischen Schneckenkern und Zylinderinnenwand unterschiedlichen Scherdeformationen und demzufolge entstehen radiale Temperaturunterschiede. Diese Temperatur­ unterschiede werden allerdings im wesentlichen durch den Einspritzvorgang ausgeglichen.

Die axialen Temperaturunterschiede werden durch die Lage und die Verweil­ zeit der Masse in der Plastifiziereinheit bestimmt.

Die Firma Battenfeld hat ein Verfahren zur Verbesserung der Schmelze­ qualität im Stauraum entwickelt (K-Plastic u. Kautschuk-Zeitung Nr. 336), wobei die systembedingten axialen Massetemperaturunterschiede weitgehend ausgeglichen werden. Bei dieser sogenannten "CT-Optimierung" wird der axiale Massetemperaturverlauf an der Stelle des Temperaturmaximums in zwei Bereiche aufgeteilt. Im ersten Bereich werden die Massetemperatur­ verläufe über die Schneckendrehzahl und im zweiten Bereich über den Stau­ druck und gegebenenfalls über die Zylinderwandtemperatur ausgeregelt. Dabei wird die Einteilung der Bereiche nach einer im vorhergehenden Spritzzyklus in der Düse durchgeführten Massetemperaturmessung vorgenom­ men. Nachteilig in diesem Verfahren ist, daß für die Messung im Düsen­ bereich ein zusätzlicher Temperaturfühler erforderlich ist. Weiterhin beeinflussen Meßfehler aufgrund von Reib- und Wärmeleitfehlern während des Einspritzens die Regelung erheblich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung und Regelung des Plastifiziervorganges in Spritzgießmaschinen zu schaffen, bei dem die für die Steuerung der Parameter Schneckenkolbendrehzahl und Stau­ druck relevanten Bereiche des Plastifizierhubes ermittelt werden können ohne technisch aufwendige und störgrößenbehaftete Meßmethoden und Meß­ einrichtungen. Hierbei soll insbesondere eine Lösung ohne unmittelbare Berücksichtigung der Massetemperatur als Bezugsgröße der Parameterände­ rung erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die Parameteränderungen in Wegabschnitten erfolgen, die in Abhängigkeit von Verweilzeitänderungen und der Lage des Kunststoffes in der Plastifiziereinrichtung gebildet und zu einem adaptiven Ausgleich der axialen Massetemperatur genutzt werden. In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Wegabschnitte für die Parameteränderungen jeweils festgelegt werden durch das Verhältnis von Spritz- zu Gangvolumen der gesamten Schnecke oder durch das Verhältnis von Spritz- zu Gangvolumina der einzelnen Zonen der Schnecke.

Hierbei ist vorgesehen, daß die Faktoren für die Änderung der Parameter Schneckenkolbendrehzahl und Staudruck gebildet werden aus den Verhältnissen der Antriebsleistungen oder anderer von der Massetemperatur abhängiger Meß­ größen der einzelnen Wegabschnitte.

Ferner ist es im Rahmen der Erfindung zweckmäßig, daß die Parameter Schnek­ kenkolbendrehzahl und Staudruck pro Wegabschnitt derart verändert werden, daß die Gesamtplastifizierzeit die erforderliche Kühlzeit nicht übersteigt. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß meßtechnischer Aufwand und mögliche Fehlerquellen zur Festlegung der Para­ meteränderungen vermindert werden. Gleichzeitig wird durch Einflußnahme auf die Ursachen der axialen thermischen Inhomogenitäten ein weitgehend homogenes Temperaturfeld im Stauraum erreicht und somit das Einspritzver­ halten sowie die Formteilqualität verbessert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm für den axialen Massetemperaturverlauf im Stauraum einer Spritzgießmaschine

Fig. 2 ein Diagramm für die Umschaltpunkte innerhalb eines Pla­ stifizierhubes.

Beim Plastifizieren rotiert der Schneckenkolben und fördert die Kunst­ stotfschmelze in den vor dem Schneckenkolben befindlichen Stauraum. Durch den Druckaufbau im Stauraum verschiebt sich der Schneckenkolben bis zur Hubbegrenzung in Richtung einer Masseraumvergrößerung. Dabei wird die Kunststotfschmelze thermisch unterschiedlich aufbereitet, was sich vor allem im axialen Temperaturverlauf zeigt. Dieses Temperaturprofil steht systembedingt im Zusammenhang mit der Schneckengeometrie (Lage) und der Verweilzeit im Plastifizierzylinder.

In Fig. 1 wird der Verlauf der mittleren Massetemperatur im Stauraum in Abhängigkeit vom Schneckenkolbenhub, so wie er sich für einen üblichen Dreizonen-Schneckenkolben ergibt, dargestellt. Auf der Ordinate ist die axiale mittlere Massetemperatur TM und auf der Abzisse der Schneckenkol­ benhub H aufgetragen.

In Fig. 2 ist das Hubvolumen über dem Schneckenkolbenhub dargestellt. Dabei werden die jeweils durch die Umschaltpunkte UP festgelegten Wegabschnitte für die Änderung der Plastifizierbedingungen mit einem geeigneten Rechen­ programm berechnet.

Während der Plastifizierung über einem aus dem erforderlichen Hubvolumen Herf errechneten Schneckenkolbenhub wird zuerst die vom vorhergehenden Spritzzyklus während der Standzeit in der, von der Schneckenkolbenspitze aus gesehenen ersten Schneckenkolbenzone des Schneckenkolbens, im allge­ meinen der Metering- oder Austragszone befindliche Kunststoffschmelze mit einem ersten Schneckenkolbenhub HM des Schneckenkolbens in den Stauraum gefördert. Diese Schmelze weist eine erste mittlere Temperatur TM1 und eine sehr gute thermische Homogenität auf.

Im Anschluß daran wird der vom vorherigen Spritzzyklus während der Stand­ zeit in der zweiten Schneckenkolbenzone, meist der Kompressionszone, be­ findliche Kunststoff in den Stauraum gefördert, womit sich ein zweiter Schneckenkolbenhub HK ergibt. Diese Kunststoffschmelze besitzt eine zweite mittlere Massetemperatur TM2, die sich von TM1 unterscheidet und in der Regel geringer ist.

Mit weiterer Plastifizierung wird beim Schneckenkolbenhub HE der sich wäh­ rend der Standzeit in der von der Schneckenkolbenspitze aus gesehenen drit­ ten Schneckenkolbenzone, meist der Einzugszone befindliche Kunststoff mit einer dritten mittleren Massetemperatur TM3 in den Stauraum gefördert. Nachfolgend wird die Schmelze ab einsetzendem Schneckenkolbenhub HU mit einer um einen Zyklus geringeren Verweilzeit in den Stauraum gefördert. Das führt zu einer weiteren mittleren wesentlich niedrigeren Temperatur TM4.

Wird ein Plastifiziervolumen benötigt, das größer ist als das gesamte Gangvolumen, dann wird Schmelze direkt vom Massetrichter in den Stauraum gefördert und unterliegt somit keiner Vorwärmung während der Standzeit. Es ist ersichtlich, daß bei einem Mehrzonenschneckenkolben bei üblichem Plastifiziervorgang abgegrenzte Bereiche der mittleren Massetemperatur TM im Stauraum nach dem Plastifizieren vorliegen.

Diese Bereiche HM, HK und HE berechnen sich aus dem Volumen der Schmelze in der jeweiligen Schneckenkolbenzone des Schneckenkolbens und der Quer­ schnittsfläche des Stauraumes. Der Bereich HU unterteilt das Hubvolumen in zwei Bereiche mit unterschiedlicher Verweilzeit und wird aus dem Ver­ hältnis Spritz- zu Gangvolumen berechnet.

Die unterschiedliche Lage der Schmelze in den Schneckengängen und die unterschiedlichen Verweilzeiten während der Standzeit sind die eigentli­ chen Ursachen für die axialen Temperaturdifferenzen im Stauraum, die sich ungünstig auf das Einspritzverhalten und die Formteilqualität auswirken. Deshalb wird angestrebt, ein homogenes Temperaturfeld im Stauraum zu er­ zielen. Hierbei werden abhängig von den berechneten Wegabschnitten während des Plastifiziervorganges die Parameter Schneckenkolbendrehzahl und/oder Staudruck verändert. Mit Festlegung des Schneckenkolbenhubes liegen die Bereiche H1 fest und können in die Maschinensteuerung implementiert wer­ den. Moderne Maschinensteuerungen umfassen interne Rechner und können da­ für eingesetzt werden.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind vorzugsweise solche Spritzgießmaschinen geeignet, mit denen die Parameter Schnecken­ kolbendrehzahl und/oder Staudruck nach einer Führungsgröße entlang des Plastifizierhubes in bestimmten Teilabschnitten geändert werden können. Als Führungsgröße sind Parameter geeignet, die ohnehin während der Plasti­ fizierung in Abhängigkeit der Massetemperatur Änderungen unterworfen sind, beispielsweise das Drehmoment oder korrelierende Größen wie der Hydraulik­ druck bei hydromechanischen Antrieben.

Bei einem Massetemperaturprofil nach Fig. 1 wird das Drehmoment bei konstan­ ten Plastifizierbedingungen mit größer werdenden Plastifizierhub ansteigen. Dabei ist es zweckmäßig, die Drehmomente der einzelnen Wegabschnitte ins Verhältnis zu setzen und diese Verhältnisse als Faktoren für Schneckenkol­ bendrehzahl und/oder Staudruck einzusetzen. Die Führung des Plastifizier­ prozesses sieht dann folgendermaßen aus:

Der gesamte Plastifiziervorgang wird mit einer Schneckenkolbendrehzahl, die sich aus der Umfangsgeschwindigkeit von 0,5 m/s ergibt und mit mini­ malem Staudruck durchgeführt.

Für die einzelnen Wegabschnitte HM, HK, HE und HU werden dabei unter­ schiedliche mittlere Drehmomente MHM, MHK, MHE und MHU ermittelt. Im nächsten Spritzzyklus wird der Staudruck im Bereich HK mit dem Quotient MHK/MHM und im Bereich HU mit dem Quotient MHU/MHK multipliziert. Durch den erhöhten Staudruck erfolgt in den darauffolgenden Zyklen eine Temperaturerhöhung in den Bereichen HK und HU. Nach einer festgelegten Zykluszahl von beispielsweise fünf erfolgt eine weitere Messung des Dreh­ momentes mit entsprechender Bildung der oben dargestellten Faktoren und nach ihnen wiederum eine Änderung des Staudruckes in den Plastifizierbe­ reichen. Dieser Vorgang wird solange durchgeführt, bis alle Bereiche das gleiche Drehmoment erreicht haben und somit der mechanisch - thermische Energieumsatz konstant ist. Dabei darf die Plastifizierzeit die Kühlzeit nicht überschreiten.

Wird nach einer vorgegebenen Anzahl von Zyklen kein konstantes axiales Temperaturprofil TMG erreicht und die Kühlzeit ist noch größer als die Plastifizierzeit, erfolgt eine Reduzierung der Schneckenkolbendrehzahl in den einzelnen Bereichen, wobei die Faktoren, mit denen die Schnecken­ kolbendrehzahlen multipliziert werden, sich aus den Kehrwerten der Stau­ druckfaktoren ergeben.

Bei der Steuerung des Plastifiziervorganges in Spritzgießmaschinen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Wärmeübertragung und der mechanisch - thermische Energieumsatz, also die eingebrachte Scherdefor­ mation so gestaltet, daß sich ein homogenes Temperaturfeld TMG im Stau­ raum ergibt. Somit wird eine wesentlich bessere thermische Homogenität erreicht.

Claims (4)

1. Verfahren zum Steuern und Regeln des Plastifiziervorganges von viskosen Stoffen in intermittierend arbeitenden Plastifiziereinrichtungen mit einer als verschiebbarer Schneckenkolben ausgebildeten Mehrzonenschnecke, insbesondere durch Änderung der die Massetemperatur beeinflussenden Parameter Zylindertemperatur, Schneckenkolbendrehzahl und Staudruck, gekennzeichnet dadurch, daß die Parameteränderungen in Wegabschnitten erfolgen, die in Abhängig­ keit von Verweilzeitänderungen und der Lage des Kunststoffes in der Plastifiziereinrichtung gebildet und zu einem adaptiven Ausgleich der axialen Massetemperatur genutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Wegabschnitte für die Parameteränderungen jeweils festgelegt werden durch das Verhältnis von Spritz- zu Gangvolumen der gesamten Schnecke oder durch das Verhältnis von Spritz- zu Gangvolumina der einzelnen Zonen der Schnecke.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Faktoren für die Änderung der Parameter Schneckenkolbendrehzahl und Staudruck gebildet werden aus den Verhältnissen der Antriebslei­ stungen oder anderer von der Massetemperatur abhängiger Meßgrößen der einzelnen Wegabschnitte.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Parameter Schneckenkolbendrehzahl und Staudruck pro Wegabschnitt derart verändert werden, daß die Gesamtplastifizierzeit die erforderliche Kühlzeit nicht übersteigt.