DE4307347A1 - Verfahren zum Temperieren einer Spritzgießform - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Temperieren einer Spritzgießform, insbesondere für Kunststoffe und Aluminiumdruckguß, wobei mittels eines Extruders od. dgl. in einem wiederkehrenden Zyklus der auf­ geschmolzene Werkstoff unter Druck in die Formausnehmung bzw. die Formausnehmungen einer Spritzgießform eingebracht wird, dort aushärtet, aus der Form entfernt und mit Beginn eines neuen Zyklus wiederum unter Druck geschmolzener Werkstoff zugeführt wird, wobei über wenigstens einen Temperaturmeßfühler die Temperatur während des Zyklus gemessen und mit einer vorgegebenen Soll-Temperatur verglichen wird, und wobei Kühl- oder Heizmedium in Abhängigkeit von der Abweichung der gemesse­ nen Ist-Temperatur von der gewünschten Soll-Temperatur zugeführt wird.

Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren ist beispielsweise aus der US-PS 4 420 446 oder der US-PS 4 354 812 bekannt. Bei diesen vorbekann­ ten Verfahren wird mittels eines Meßfühlers kontinuierlich die Temperatur der Spritzgießform erfaßt, mit dem Sollwert verglichen und in Abhängig­ keit von einer Über- oder Unterschreitung Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, durch Kühlkanäle zugeführt bzw. abgeschaltet. Dieses Verfah­ ren arbeitet ohne spezifische Berücksichtigung der Temperaturverteilung bzw. des Bedarfs an Kühlmedium in der jeweiligen Form, wobei diese Größen in Abhängigkeit von der Formgeometrie und -größe von Fall zu Fall sehr stark variieren können. Dementsprechend kann mit dem vorbe­ kannten Verfahren eine optimale Temperierung nicht erreicht werden. Eine optimale Temperierung ist aber erforderlich, um einerseits eine von der Qualität des Endprodukts her zufriedenstellende Verfahrensführung zu gewährleisten, und um andererseits optimal kurze Taktzeiten zu erzielen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Taktzeiten einerseits hinreichend lang sein müssen, um ein genügendes Aushärten der Schmelze in der Form vor dem Entformungsvorgang zu gewährleisten, und andererseits natürlich überflüssige Verweildauern des ausgehärteten Formlings in der Form ver­ mieden werden müssen. Hinsichtlich der Temperaturführung ist bei zu be­ rücksichtigen, daß vermieden werden muß, daß gerade bei längeren Form­ kanälen auch das entlegendste Ende der Formausnehmung durch das Spritzgußmaterial noch im flüssigen Zustand erreicht wird, so daß keine Hohlräume verbleiben, wobei andererseits natürlich auch die hierfür ge­ rade notwendige Temperatur nicht wesentlich überschritten werden sollte, um zu vermeiden, daß zur Abkühlung und zum Aushärten des Formlings mehr Kühlmedium als notwendig zugeführt bzw. Abkühlzeit verstreichen muß.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß unter Wahrung einer optimalen Spritzgußqualität die Taktzeiten minimiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß über einen Meß­ fühler eine Mehrzahl von Durchflußsteuerventilen für das Kühl- bzw. Heizmedium gesteuert wird, die mengenmäßige räumliche Bedarfsverteilung an Kühlmittel bezogen auf die jeweils verwendete Form und die in dieser Form vorgesehenen Kanäle für das Kühl- oder Heizmittel empirisch oder rechnerisch ermittelt wird, bei jedem Zyklus an wenigstens einem be­ stimmten Zeitpunkt der Zyklusperiode ein Vergleich von Soll- und Ist-Temperatur des einen Meßfühlers vorgenommen wird und die Mehrzahl von Durchflußsteuerventilen in Abhängigkeit von der festgestellten Temperaturabweichung und in Abhängigkeit von dem abgespeicherten, räumlichen Kühl- oder Heizmittel-Mengenverteilungsprofil angesteuert werden. Demnach besteht eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung also darin, daß einerseits eine Individualisierung des Temperiervorganges unter Berücksichtigung der Form-Geometrie vorgenommen wird, die dann bei jedem einzelnen Nachregelvorgang entsprechend berücksichtigt wird, und daß andererseits die Regelung taktweise so vorgenommen wird, daß sie mit dem Zyklus des Spritzvorgangs synchronisiert ist bzw. jeweils korrespondierende Zeitpunkte des Zyklus miteinander vergleicht. Hierdurch wird eine Mittelwertbildung vermieden und dementsprechend können einer­ seits Abweichungen der Temperatur von dem vorgegebenen Sollwert schnel­ ler erkannt und andererseits auch gezielter korrigiert werden. Es wird also z. B. bei einer Wärmezufuhr im gleichen Zeittakt, in dem die Wärme­ zufuhr erfolgt, auch eine Wärmeabführung erreicht, wobei auch die je­ weils zugeführte Wärmemenge entsprechend wieder abgeführt wird. Es kann deshalb ein zu starkes Überschwingen des Temperatur-Regelsystems ver­ hindert werden und mit ein und derselben Steuerung der Spritzgießvor­ gang an ganz unterschiedlichen Spritzgießformen optimal geregelt werden.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß die Durchflußmenge pro Zyklus an Kühl- bzw. Heizmedium durch Vorgabe der Öffnungsdauer jedes einzelnen Durchflußsteuerventils in jedem einzelnen Zyklus vorgegeben wird. Diese Öffnungsdauer kann elektronisch sehr einfach und sehr genau gesteuert werden, wobei nicht nur eine Mengendosierung in Abhängigkeit von der Sollwertabweichung, sondern auch in Abhängigkeit von dem abgespeicher­ ten räumlichen Verteilungsprofil, d. h. von der Position jedes einzelnen Durchflußsteuerventils erfolgen kann.

Mit besonderem Vorteil kann vorgesehen sein, daß jedem Durchfluß­ steuerventil eine Durchfluß-Meßturbine zur Erfassung des tatsächlichen Durchflusses in jedem Zyklus zugeordnet ist und daß die Dosierung des Kühl- bzw. Heizmediums in Abhängigkeit von einem Vergleich des Soll- Durchflusses von dem Ist-Durchfluß vorgenommen wird. Die Drehung einer derartigen Meßturbine kann beispielsweise induktiv oder durch IR-Fühler in Impulse umgewandelt werden, wobei die Impulszahl pro Zeit der tat­ sächlichen Durchflußmenge proportional ist, so daß beispielsweise die Soll-Durchflußmenge durch die Vorgabe einer entsprechenden Impulszahl festgelegt werden kann. Dementsprechend ist es möglich, eine optimale Dosierung des Kühlmediums unabhängig davon zu erreichen, wie die Druckverhältnisse des Kühlmediums durch die jeweils individuell vorge­ sehene Anzahl von Kühlkanälen und/oder das Öffnen von parallel oder in Reihe geschalteten Ventilen beeinflußt wird. Auch die Abhängigkeit von dem Basisleitungsdruck wird auf diese Weise beseitigt.

Zusätzlich oder alternativ wäre es auch denkbar, die Durchflußmenge je­ des einzelnen Durchflußsteuerventils durch den Öffnungsgrad desselben, d. h. durch den Durchlaßquerschnitt, vorzugeben.

Grundsätzlich ist es auch denkbar, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens nicht nur die Zuführung des Kühlmediums zu steuern, sondern auch ein Heizmedium zuzuführen, um z. B. die Aufrechterhaltung des Schmelzzustandes in weit abgelegenen Formbereichen sicherzustellen.

Neben der Verwendung eines flüssigen Heizmediums wäre zudem grundsätz­ lich eine elektrische Heizeinrichtung denkbar, welche in gleicher Weise angesteuert wird.

Vorteilhafterweise kann die Phase in dem jeweiligen Zyklus aus der Periodizität (Minimum-Maximum) des zyklusabhängigen Temperaturverlaufs am Meßfühler ermittelt werden. Die Phase ist also derjenige Relativ­ zeitpunkt in dem Zyklus von Einspritzen und Entformen bezogen z. B. auf den Beginn des Zyklus, der durch einen neuen Einspritzvorgang und der damit einhergehenden Erwärmung bis zur Erreichung einer Maximaltempe­ ratur und der abschließenden Abkühlung auf die ursprüngliche Formge­ bung vorgegeben ist. Der Vergleich von Soll- und Istwert erfolgt jeweils zu einer bestimmten Phase oder zu mehreren verschiedenen, aber doch bestimmten Phasen.

Alternativ hierzu ist auch vorgesehen, daß die Phase in dem jeweiligen Zyklus in Abhängigkeit von dem Arbeitszyklus des Extruders od. dgl. er­ mittelt wird. Dementsprechend kann z. B. ein Ansteuersignal für den Extruder gleichzeitig auch als Trigger-Signal für die Ansteuerung der Durchflußsteuerventile verwendet werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Spritzgießmaschine, an welcher das erfindungsgemäße Verfahren realisiert wird, und

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Temperaturverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit bei einem Spritzgießzyklus und der Öffnungszeiten der einzelnen Ventile.

In Fig. 1 ist eine Spritzgießmaschine 1 dargestellt, welche einen Extru­ der 2 mit einem Motors 3, einem Materialzuführtrichter 4 und einem Schneckengehäuse 5 und einer Austragsdüse 6 umfaßt, welche in eine nachfolgend angeordnete und über eine Zuhaltung 7 positionierte und ge­ schlossene Spritzgießform 8 mündet.

Die Spritzgießform 8 umfaßt eine Formausnehmung 9 und Gießkanäle 10, die den flüssigen Kunststoff in die Formausnehmung führen.

Um die Formausnehmung herum ist eine Mehrzahl von Leitungen 11 für das Kühlmedium, in der Regel also kaltes Wasser, angeordnet.

Die Leitungen 11 für das Kühlmedium sind in unterschiedliche, jeweils einen bestimmten örtlichen Bereich der Spritzgießform 8 umgreifenden Kreise 11a, 11b, 11c und 11d unterteilt. Selbstverständlich können statt der im Ausführungsbeispiel dargestellten vier Kreise je nach der spe­ ziellen Geometrie der Spritzgießform 8 auch mehr oder weniger Kreise vor­ gesehen sein.

Jedem dieser Kreise 11a bis 11d ist ein Durchflußsteuerventil 12a bis 12d zugeordnet. Jedes der Durchflußsteuerventile 12 wird gesteuert durch eine Steuereinrichtung 13. Ein Eingang 14 der Steuereinrichtung 13 ist mit einem Temperaturmeßfühler 15 verbunden, der die Temperatur an der Wand 16 der Formausnehmung 9 erfaßt. Die Steuereinrichtung 13 steht außerdem über schematisch angedeutete Leitungen 17 in Verbindung mit einem Indu­ strie-Computer 18, der im Ausführungsbeispiel als externes Gerät gezeich­ net ist, der aber auch in die Steuereinrichtung 13 integriert sein kann. Die Steuereinrichtung 13 steuert über die Leitung 19 im übrigen auch den Motor 3 und damit den Spritzgießvorgang.

In Fig. 2 ist ein Zyklus eines Spritzgießvorgangs dargestellt, und zwar der Temperaturverlauf an der Formwand in Abhängigkeit vom fortschrei­ tenden Zeitverlauf. Bei dem Zeitpunkt 0 weist die Formwand eine be­ stimmte vorgegebene Temperatur auf, wobei sich diese Temperatur durch das Einspritzen unter Druck der heißen Schmelze erhöht, bis ein Tempe­ raturmaximum erreicht ist, wobei unter dem Einfluß der Kühlung durch das Kühlmedium in den Kühlkanälen 11 und durch das Abkühlen der Schmelze die Temperatur dann wieder abfällt. Es wird dann der erkaltete Formling entformt und ein neuer Zyklus beginnt.

Die voneinander getrennten Kühlkanäle 11a bis 11d werden durch die Durchflußsteuerventile 12a bis 12d je nach der spezifischen Geometrie unterschiedlich lange angesteuert. Die geometrieabhängige Verteilung der Ansteuerzeit auf die einzelnen Kühlkanal-Kreise 11a bis 11d wird für jede Form 8 vorab entweder empirisch oder durch mathematische Approximation ermittelt und in dem Industrie-Computer 18 abgespeichert. Dieses vorge­ gebene Profil wird dann noch überlagert durch die von dem Meßfühler 15 erfaßte, gegebenenfalls vorhandene Temperaturabweichung der Ist-Tempera­ tur von der Sollwert-Temperatur, wobei Messung und Vergleich jeweils im Nullpunkt des in Fig. 2 gezeichneten Zyklus vorgenommen werden. Dement­ sprechend wird durch eine Verlängerung oder Verminderung der Öffnungs­ zeiten der Ventile 12a bis 12d unter Wahrung des Verteilungsprofils er­ reicht, daß bei jedem Spritzgießzyklus und damit bei jedem Kühlzyklus jeweils so viel Wärme abgeführt wird wie zugeführt worden ist.

Bei 20 ist eine Durchfluß-Meßturbine angedeutet, welche den tatsächlichen Durchfluß an jedem Durchflußsteuerventil 12a bis 12d mißt. Die Drehung der Durchfluß-Meßturbine kann beispielsweise induktiv oder über IR-Sen­ soren in Impulse umgesetzt werden, welche wiederum in dem Computer 18 mit abgespeicherten Soll-Impulszahlen entsprechend Soll-Durchflußmengen verglichen werden. Bei Verwendung einer derartigen Durchfluß-Meßturbine ist es auch möglich, über den Computer zu ermitteln, welche tatsächlich zugeführte Menge von Kühlmedium zu einer bestimmten Temperaturerniedri­ gung führt. Dies kann entweder durch eine selbstlernende Arbeitsweise des Computers anhand vorhergehender Kühl-Zyklen oder durch Abspeiche­ rung theoretisch ermittelter, entsprechender Werte realisiert werden. Dem­ entsprechend ist es weiterhin möglich, bei einer festgestellten bestimmten Ist-Wertabweichung vom Sollwert mittels des Computers 18 die Kühlwasser­ dosierung so vorzunehmen, daß exakt jene Menge Kühlwasser in die Kühl­ kanäle bzw. Kühlleitungen dosiert wird, welche ausreicht, um die erfor­ derliche Temperaturabsenkung zum Wiedererreichen des Sollwertes zu be­ werkstelligen.

Der Temperaturmeßfühler 15, der die Ist-Temperatur ermittelt, kann im Bereich der Formwandung angeordnet werden, wie dies bereits beschrieben wurde, oder aber im Rücklaufbereich des Kühlmediums, wobei die Rück­ lauftemperatur des Kühlmediums ja auch ein unmittelbares Maß für Tempe­ raturänderungen im Formbereich ist.

Claims (8)

1. Verfahren zum Temperieren einer Spritzgießform, insbesondere für Kunststoff und Aluminiumdruckguß, wobei mittels eines Extruders od. dgl. in einem wiederkehrenden Zyklus der aufgeschmolzene Werkstoff unter Druck in die Formausnehmung bzw. die Formausnehmungen einer Spritz­ gießform eingebracht wird, dort aushärtet, aus der Form entfernt und mit Beginn eines neuen Zyklus wiederum unter Druck geschmolzener Werkstoff zugeführt wird, wobei über wenigstens einen Temperaturmeßfühler die Temperatur während des Zyklus gemessen und mit einer vorgegebenen Soll- Temperatur verglichen wird, und wobei Kühl- oder Heizmedium in Abhän­ gigkeit von der Abweichung der gemessenen Ist-Temperatur von der ge­ wünschten Soll-Temperatur zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - über einen Meßfühler eine Mehrzahl von Durchflußsteuerventilen für das Kühl- bzw. Heizmedium gesteuert wird,
• - die mengenmäßige räumliche Bedarfsverteilung an Kühlmittel bezogen auf die jeweils verwendete Form und die in dieser Form vorgesehenen Ka­ näle für das Kühl- oder Heizmittel empirisch oder rechnerisch ermittelt wird,
• - bei jedem Zyklus an wenigstens einem bestimmten Zeitpunkt der Zyklus­ periode ein Vergleich von Soll- und Ist-Temperatur des einen Meßfühlers vorgenommen wird und die Mehrzahl von Durchflußsteuerventilen in Ab­ hängigkeit von der festgestellten Temperaturabweichung und in Abhän­ gigkeit von dem abgespeicherten, räumlichen Kühl- oder Heizmittel-Men­ genverteilungsprofil angesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch­ flußmenge pro Zyklus an Kühl- bzw. Heizmedium durch Vorgabe der Öff­ nungsdauer jedes einzelnen Durchflußsteuerventils in jedem einzelnen Zyklus vorgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Durch­ flußsteuerventil eine Durchfluß-Meßturbine zur Erfassung des tatsächlichen Durchflusses in jedem Zyklus zugeordnet ist und daß die Dosierung des Kühl- bzw. Heizmediums in Abhängigkeit von einem Vergleich des Soll- Durchflusses von dem Ist-Durchfluß vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch­ flußmenge jedes einzelnen Durchflußsteuerventils in jedem einzelnen Zyklus durch den Öffnungsgrad jedes Durchflußsteuerventils bei jeweils gleich­ bleibender Durchflußdauer vorgegeben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch wenig­ stens eines der Durchflußsteuerventile die Durchflußmenge für ein Heizme­ dium pro Zyklus gesteuert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich vorgesehene elektrische Heizeinrichtungen individuell dosiert in Abhän­ gigkeit von der durch den Meßfühler gemessenen Temperatur angesteuert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase in dem jeweiligen Zyklus aus der Periodizität (Minimum-Maximum) des zyklusabhängigen Temperaturverlaufs am Meßfühler ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase in dem jeweiligen Zyklus in Abhängigkeit von dem Arbeitszyklus des Extru­ ders od. dgl. ermittelt wird.