DE4314722C1 - Spritzgießmaschine mit elektrischem Antrieb sowie Verfahren zur Steuerung derselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen von Formteilen mittels einer Spritzgießmaschine, bei welchem die Einspritzschnecke mittels eines Elektromotors und eines sich daran anschließenden Übersetzungsgetriebes axial bewegt wird und Verfahrensparameter geregelt oder gesteuert werden. Die Erfindung betrifft auch eine Spritzgießmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, mit einer Einspritzschnecke, die mittels eines Elektromotors und mechanischer Übersetzungsmittel axial verschiebbar ist und einer Elektronik zur Regelung oder Steuerung von Verfahrensparametern. Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Druckgußmaschine mit einem Gießkolben, der mittels eines Elektromotors und mechanischer Übersetzungsmittel axial verschiebbar ist, und mit einer Elektronik zur Regelung oder Steuerung der Axialverschiebung des Gießkolbens.

Spritzgießmaschinen dienen der Herstellung von Formteilen, aus zum Beispiel thermoplastischem Kunststoff. Der Rohstoff, das Kunststoffgranulat, wird dabei in einem Heizzylinder mittels Plastifizierschnecke aufgeschmolzen und durch Längsverschieben der Plastifizierschnecke in eine Form gepreßt. Die Form ist die Kavität eines meist zweiteiligen Werkzeuges, welches durch eine bewegliche und eine feste Werkzeugaufspannplatte mittels der Schließkraft zusammengepreßt wird. Zur Entnahme des Formteils wird die bewegliche Formhälfte in eine Form-offen-Position gefahren und das Teil durch eine Auswerfvorrichtung aus der Kavität entfernt. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch. Werkzeug- als auch die Auswerferbewegung sind an sich nichtprozeßabhängige Bewegungen und sollten aus Gründen der Produktivität sehr schnell, das heißt in möglichst kurzer Zeit ausgeführt werden. Alle diese nichtprozeßabhängigen Bewegungen werden in der sogenannten Trockenlaufzeit zusammengefaßt.

Typische Trockenlaufzeiten einer modernen Spritzgießmaschine mit 100 t Schließkraft betragen 1,4 bis 2,1 Sekunden. Die Trockenlaufzeit ist eine der Hauptfaktoren der die Produktivität begrenzt.

Spritzgießmaschinen werden heute meistens noch ölhydraulisch angetrieben. Der hydraulische Antrieb hat den Vorteil, auf einfache Art (Elektromotor→Pumpe→ Ventilsystem→Hydraulikzylinder) Energie genau geregelt in lineare Bewegungen und große Kräfte umsetzen zu können. Nachteilig ist der relativ schlechte Gesamtwirkungsgrad, welcher bei Spritzgießmaschinen je nach Belastung um ca. 20-40% liegt. Die Verlustleistung wird üblicherweise mit Öl- oder Wasser-Kühlern abgeführt. Weiter fallen die ölhydraulischen Anlagen durch einen relativ hohen Geräuschpegel auf. Ein weiteres Problem sind die Leckagen, welche bei allen ölhydraulischen Anlagen mehr oder weniger vorhanden sind. Die Hydrauliköle basieren fast ausschließlich auf Mineralöle, und stellen deshalb eine gewisse Gefährdung für die Umwelt dar. Obwohl die Einsatzdauer der Hydrauliköle im Normalfall mehrere Jahre betragen kann, stellt sich die Frage nach der Entsorgung.

In den letzten Jahren sind Spritzgießmaschinen vorgestellt worden, welche mit einem elektrischen Servomotor angetrieben werden. Diese zeichnen sich durch einen viel kleineren Energieverbrauch aus, konnten sich aber weltweit noch nicht richtig durchsetzen. Ein mechanischer Aufbau muß hier von der rotierenden Bewegung des Servomotors bis zu der Spritzgießmaschine eine Linearbewegung erzeugen. Aus der Erfahrung bei Werkzeugmaschinen bieten sich zwei Methoden an, um die Rotationsbewegung eines Elektromotores in eine Längsbewegung umzusetzen: die Gewindespindel und die Zahnstange.

Bei vollelektrischen Spritzgießmaschinen kommt für die Schließeinheit nur der Kniehebel als Grundkonzept in Frage. Der Grund dafür liegt in der Umsetzung des Motor- Drehmomentes in die Schließkraft. Je nach Auslegung der Kniegelenk-Geometrie sind Kraftübersetzungen bis zum Faktor 50 möglich. Zum Antrieb des Gelenkkopfes dient ein doppeltes Zahnstangengetriebe mit vorgeschaltetem zweistufigem Stirnradsatz. Dieses Konzept hat den Vorteil, daß technisch praktisch keine Einschränkung bezüglich der Schließ- und Öffnungsgeschwindigkeit besteht. Ausgelegt werden solche Maschinen auf eine Trockenlaufzeit von 0,7 s (nach Euromap.). Dieser Wert wird selbst mit schnellen, hydraulisch angetriebenen Maschinen nicht erreicht.

Das zentrale Problem der Spritzgießtechnik ist das Einspritzen an sich, welches unter hoher Geschwindigkeit, mit hohem Druck und zur richtigen Zeit erfolgen muß. Die Plastifizierschnecke erreicht zum Beispiel einen maximalen Spritzdruck von bis zu 2000 bar. Bei der Düsenanpreßbewegung ist speziell die Beherrschung der Anpreßkraft gefragt. Das stellt ferner die Aufgabe einer genauen Positionierung der Plastifizierschnecke. Beim Einspritzen muß während der Füllphase die Schneckenvorlaufgeschwindigkeit geregelt sein. Dagegen erfordert die Nachdruckphase einen geregelten Einspritzdruck. Der entsprechende Ist-Wert stammt von einer oder mehreren Druck-Meßvorrichtungen.

Entgegen allen Erwartungen war es bis heute aber bei elektrischen Antrieben nicht möglich, die eigentlich kritischen Phasen des Staudruck-Aufbaues bei der Plastifizierung sowie der Druckhaltung speziell in der Nachdruckphase genügend zu beherrschen. Es wurden hierzu in jüngster Zeit eine große Anzahl Vorschläge gemacht, die versuchen, unter Ausnutzung von verschiedenen Detektorimpulsen zum Beispiel für die Positionierung der Spindel beziehungsweise der Plastifizierschnecke, für die Einspritzmenge und den Einspritzdruck zu beherrschen (siehe EP PS Nr. 216 940, 217 963, 167 631, 249 641). Dabei werden die Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsparameter insbesondere über die Steuerung oder Regelung des Drehmomentes des Antriebsmotores geregelt oder gesteuert.

Es wurde versucht alle Abweichungen, d. h. die entstehenden Fehler schrittweise mit einer Vielzahl spezieller Korrekturvorgänge unter Zuhilfenahme eines Fehlerregisters auszumerzen (EP-PS Nr. 280 734). In Analogie zu dem hydraulischen Steuerungs- beziehungsweise Antriebsmodell basiert dieses Verfahren auf dem Antriebs- Drehmoment zur Kontrolle der Spritzkraft oder des (hierzu korrespondierenden) Spritzdruckes. Physikalisch gesehen wird ein mehr oder weniger direkter Zusammenhang erwartet, zwischen dem Rotordrehmomentsignal zum Motorsteuer- und Regelgerät (Drive) und dem erzielten oder erzielbaren Spritzdruck.

Die entsprechenden Verfahren haben aber große Nachteile. Über den analogen Motorstrom-Begrenzungseingang an dem Drive läßt sich nämlich nur im Prinzip eine Kraftsteuerung/Regelung erreichen. Die folgenden Randbedingungen stehen dabei aber einer genaueren Kraftkontrolle im Wege:

Erstens: Die statische Ist-Kraft wird u. a. wesentlich gestört durch schlecht voraussehbare Reibkräfte. Diese verfälschen das Drehmoment-Signal auf dem Pfad, beginnend bei der Drehmomentumsetzung des Motorstromes, über das Getriebe auf Kräfte beziehungsweise Drücke.

Zweitens: Im Gegensatz zu dem hydraulischen System wirken sich Massenträgheiten unter anderem bei der Umschaltung von Fülldruck auf Nachdruck wesentlich gravierender aus. Zusammen mit der elastischen Kunststoffmasse im Schneckenzylinder bilden diese bewegten Massen tieffrequente Masse/Feder-Schwinger. So antwortet die Einspritzanordnung, wie die in den genannten Patenten beschriebene Anordnung mit einer Schwingungsfrequenz von etwa 2,5 Hz auf Drehmoment- oder Spritzdrucksollwert- Änderungen. Dieses Verhalten stellt einen wesentlichen Nachteil dar und erschwert das schnelle und genaue Regeln des Spritzdruckes. Insbesondere wird dadurch das Fertigen von genauen, insbesondere dünnwandigen Teilen erschwert, vielfach sogar verhindert. Die Beherrschung aller Parameter während des Einspritzens und des Plastifizierens, ganz besonders aber in den Übergangsphasen von dem Füllen zu dem Nachdruck und von dem Nachdruck zu der Plastifizierung begrenzt die Qualität des Spritzgießteiles.

Die EP-Anmeldung Nr. 88 906 096, die EP Nr. 05 28 040 A1, die JP-A 21 30 117 sowie die JP-A 62 198 426 befaßen sich mit der Steuerung von Spritzgießmaschinen, jedoch mit Speziallösungen, die im vorliegenden Fall nicht relevant sind.

Im Übrigen ist die sogenannte feldorientierte Steuerung bekannt, bei welcher die Regelvorgänge in einem synchron mit dem Magnetfeld umlaufenden Koordinatensystem abgewickelt werden. Zur Bildung dieses Koordinatensystems wird das resultierende Magnetfeld gemessen oder berechnet (vgl. Literaturstelle VDI-Bildungswerk BW 3898, Seiten 1-18, BLASCHKE: "Regelverfahren für Drehfeldmaschinen" sowie der Konferenzbericht EPE FIRENZE, 1991, Seiten 3-659-663, BACKHAUS et al: "A procedure to estimate the absolute position of the rotor flux of a permanent magnet synchronous machine"). Bürstenlose Gleichstrommotorantriebe sind in der Literaturstelle "Elektrische Maschinen, 5/92, Seiten 125-129, TEODERESCU, beschrieben. Mit diesem Thema befaßt sich ebenfalls die Literaturstelle "Archiv für Elektrotechnik" 74 (1991) S. 343-355, BRUNSBACH et al., "Sensorloser Betrieb von bürstenlosen Servomotoren mittels KALMAN-Filter."

Ausgehend von o. g. Stand der Technik befaßt sich die Erfindung mit der Aufgabe, das eingangs genannte Spritzgießverfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Spritzgießmaschine dahingehend weiterzuentwickeln, daß die bei hohen Axialgeschwindigkeiten der Einspritzschnecke auftretenden Schwingungen vermieden, mindestens aber reduziert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche 1 oder 6 gelöst; aber auch durch die Gegenstände der Patentansprüche 2 oder 7 in ihrer nebengeordneten Fassung. Die vorgenannten Gegenstände haben den Vorteil einer besonders hohen Genauigkeit und Reproduktionsmöglichkeit aller wichtigen Parameter beim Spritzgießen, insbesondere während der Plastifizierphase (Staudruck) und/oder der Nachdruckphase, so daß selbst dünnwandige Teile höchster Präzision mit sehr kurzer Zykluszeit herstellbar sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den UA zu entnehmen.

Zur Überraschung aller beteiligten Fachleute konnten nicht nur aufwendige Fehlerprogramme vermieden sondern - bereits mit einer ersten Testeinrichtung - mit wenig Aufwand bisher nicht für möglich gehaltene, dünnwandige Teile mit hoher Präzision sowie einer überdurchschnittlich guten Reproduzierbarkeit hergestellt werden. Es war möglich, sehr genau die Einspritzschnecke zu führen und einen gewünschten Druckverlauf der Spritzmasse über der ganzen Zeit des Spritzvorganges zu erhalten. Auf Grund der Erfindung ist erkannt worden, daß man bisher teilweise zu Unrecht auf einem Analogiedenken zwischen Hydraulik und Elektrik basierte. Man hatte übersehen, daß zwischen dem elektrischen System und dem Verhalten der ganzen Maschine insbesondere der Spritzmasse physikalische Grund- Gesetzmäßigkeiten mitspielen, die über nachträgliche Fehler-Korrektur- Programme sinnvollerweise gar nicht richtig berücksichtigt werden können. Der Erfinder erkannte, daß das System der elektrisch angetriebenen Einspritzschnecke folgende Eigenheiten hat:

• - Die Kunststoffmasse ist bei einem Druck bis über 2000 bar ein elastischer Stoff der, gleich einer Feder, mehr als 20% komprimierbar ist. Noch schlimmer wirkt sich die Tatsache aus, daß die ganze Kunststoffmasse in der Form und im Einspritzzylinder sich elastisch verhält, so daß die Einspritzschnecke im Einspritzzylinder - bedingt durch die Elastizität - zum Beispiel bis zu mehreren cm Hub machen kann. Die genaue Lage der Einspritzschnecke ist abhängig von dem momentanen Druck in der Kunststoffmasse. Der Druck ändert sich, wenn das System schwingt.
• - Die mechanische Übersetzung von dem Servomotor auf die Einspritzschnecke kann demgegenüber als starrer inkompressibler Körper angenommen werden.
• - Der Rotor und das mechanische Getriebe sind reale Massen, die der Massenträgheit unterworfen sind, wobei insbesondere der Rotor des Elektromotors an sich eine relativ kleine Masse dargestellt, jedoch in der dynamischen Betrachtung den größten Beitrag zur Gesamtträgheit des Systems liefert.
• - Erfolgt die Steuerung der Einspritzschnecke über die Veränderung des Antriebsmomentes des Elektromotores, so kann dies nur nach den Gesetzen: Kraft = Masse × Beschleunigung geschehen W = (W = kinetische Energie, v = Geschwindigkeit, m = Masse) erfolgen. Eine Geschwindigkeitsänderung der Masse, d. h. eine entsprechend große Beschleunigung bedingt eine entsprechende Kraft. Das Aufbringen einer Kraft auf eine Masse, die in ein Federsystem eingespannt ist, bewirkt nun nicht nur die gewünschte Beschleunigung oder Verzögerung sondern auch eine starke, und im Zusammenwirken mit anderen Faktoren wie Reibung usw. unkontrollierbare Schwingung. Die Frequenz der Schwingung ist aber nicht im voraus berechenbar, da diese von der wirksamen Menge der Einspritzmasse abhängt von den speziellen Werkzeugen, der Qualität des Kunststoffes, der Temperatur oder der Zeit usw.
• - Weil letztlich die Funktionseinheit des Einspritzsystems mit der Form sowie den Formhalteelementen der Spritzgießmaschine als ganzes ein ausgeprägtes Schwingsystem darstellen, ist der Ansatz der Systembeherrschung über eine Steuerung oder Regelung basierend auf dem Antriebs-Drehmoment falsch.

An sich ist es bekannt, daß bei Elektromotoren, insbesondere bei bürstenlosen Servomotoren zum Beispiel vom Typ der "Elektronically commutated brushless motor" (Marke "Fastact") das Magnetfeld in einem sehr hohen Grad beherrschbar ist. Der Rotor kann hier gleichsam in Kombination mit dem Drive als ein in das Magnetfeld eingespannter Körper angenommen werden, der wegen seiner an sich relativ kleinen Masse und den unverhältnismäßig großen elektromagnetischen Kräften nahezu gleichzeitig dem Magnetfeld folgt. Magnetfeld und Lage des Rotors können mit extrem hoher Sequenz, d. h. einem der Sequenz entsprechenden Feld-Wechselspiel, gesteuert werden, so daß tieffrequente Schwingungen des Systems mit der neuen Erfindung unterdrückt werden. Viel mehr können Signaländerungen bis über 100 Hertz erfolgen und damit einer vorgegebenen Sollkurve schnell und präzise gefolgt werden. Ein entsprechender Prozeßvelauf ist über eine nahezu vollkommende Beherrschung der Bewegung direkt steuerbar und/oder regelbar.

Es wird nicht - wie beim St. d. T. - zur Regelung des Druckes direkt der Strom (das Drehmoment) des Motors von außen gestellt, d. h. intern geregelt, sondern die Drehzahl, d. h. die Rotorgeschwindigkeit, wird von außen gestellt, d. h. intern geregelt. Dadurch läßt sich die kinetische Energie, mit welcher die Einspritzschnecke auf die elastische Kunststoffmasse auffährt und somit zu den tieffrequenten Eigenschwingungen des Systems führen kann, bis hin zur vollständigen Unterdrückung beherrschen.

Damit können die bisher verwendeten letztlich gesetztmäßig unkontrollierbaren Fehler- Korrekturen mit aufwendigen Fehlerregistern weggelassen werden. Vorteilhaft bei der neuen Erfindung ist eine genügende Drehmomentreserve, die eine vollkommene Beherrschung sowohl der Position beziehungsweise des Hubweges wie auch der Geschwindigkeit erlaubt.

Die neue Erfindung erlaubt eine Anzahl ganz besonders vorteilhafter, weiterer Ausgestaltungen. Bevorzugt werden Sollkurven oder Grenzwertkurven für die Steuerung zu Grunde gelegt. Je nach spezifischen Anforderungen an eine einzige Spritzgießmaschine kann nun ein Speicher der Maschine zugeordnet werden, wobei für jeden spezifischen Spritzkörper eine entsprechende Kurve abrufbar bereit gestellt wird.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn in einem von der Maschinensteuerung getrennten Speicher zum Beispiel in der Form eines PC′s, alle Grunddaten in der Art von Rezepten für die einzelnen Produkte gespeichert werden und der Maschinensteuerung als Steuergrunddaten oder als ganzes Rezept übergeben werden. Bei einer weiteren ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden zusätzliche Druckgrenzwerte über der Zeit und/oder über dem Weg vorgegeben, wobei der Druck-Ist-Wert oder ein dazu korrelierender Wert gemessen und der Steuerung nach dem vorgewählten Rezept als Regelung überlagert oder zu dessen Korrektur verwendet wird.

Die neue Erfindung betrifft ferner eine Spritzgießmaschine nach den Merkmalen der t′e 6, 7 oder 8.

Es ist ferner möglich, die erfindungsgemäße Lösung auch bei Druckgießmaschinen anzuwenden, vorausgesetzt, daß das System mit der an sich inkompressiblen Metallschmelze durch Anbringen eines echten federnen Gliedes zum Beispiel einer Druckfeder zwischen dem Antrieb und den beweglichen Einspritzelementen zu einem analogen Systemverhalten überführt wird, wie bei Spritzgießmaschinen.

Gemäß einem weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltungsgedanken der Erfindung wird der Maschinensteuerung ein Feldbus zugeordnet, welcher auch alle wesentlichen Sensorsignale überträgt. Ferner kann der Drive eine entsprechende lokale Intelligenz haben zur Erzeugung der Steuersignale ausgehend von den zugehörigen Kurven.

Die Erfindung wird nun an Hand einigerr Ausführungsbeispiele mit weiteren Einzelheiten erläutert: Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die zentralen Funktionselemente der neuen Erfindung einer Spritzgießmaschine;

Fig. 2 vereinfacht den prinzipiellen Verlauf des Druckes in Funktion der Zeit;

Fig. 3 entsprechend vereinfacht den Druck in Funktion des Weges über einen ganzen Spritzzyklus;

Fig. 4 und 4a zwei tatsächliche Druck- beziehungsweise Geschwindigkeitsverläufe gemäß dem Stand der Technik und teils gemäß der neuen Erfindung;

Fig. 5 eine vollständige Spritzgießmaschine;

Fig. 6 die Anwendung der Erfindung bei einer Druckgießmaschine;

Fig. 7 schematisch ein vollständiges Steuerkonzept für eine ganze Maschine.

In der Folge wird nun auf die Fig. 1 Bezug genommen. Ein elektrischer Antriebsmotor 1 weist einen Rotor 2 mit Permanentmagnet sowie einem Positionssensor 3 auf. Der Stator 4 weist mehrere, meistens drei, Wicklungen sowie einen Inverter auf. Über ein Abtriebsritzel 5, das fest auf der Welle des Rotors 2 aufgekeilt ist, wird über einen Übertrieb 6 welcher zum Beispiel ein Zahnriemen, bevorzugt jedoch ein Zahnradübertrieb ist, ein eigentliches Übersetzungsgetriebe 7 angetrieben. Das Übersetzungsgetriebe 7 formt die Rotationsbewegung des motorischen Antriebes 1 in eine Linearbewegung um, welche direkt auf eine Zahnstange 8 aufgebracht wird. Die Zahnstange ist kraftschlüssig verbunden mit der Schneckenwelle 9, so daß die Rotationsbewegung des Rotors 2 unmittelbar in die vom Spritzgießprozeß verlangte Linearbewegung der Plastifizierschnecke 10 umgeformt wird. Die gezeichnete Stellung der Plastifizierschnecke 10 in dem Spritzzylinder 11 entspricht etwa dem Ende der Füllphase, so daß sich noch eine beachtliche Menge von Spritzmaterial 12 in dem Spritzzylinder 11 befindet, welches nun über die Einspritzdüse 13 noch in die Kavität 14 der beiden Formhälften 15 und 16 gepreßt wird. Der beschriebene Ablauf wird über die Steuerung der Lageänderung des resultierenden Magnetfeldes oder die entsprechende Steuerung der Bewegung des Rotors 2 von einem Drive 20 durchgeführt.

Alle erforderlichen Steuersignale an den Drive 20 werden von einer hardwaremäßig getrennt angeordneten elektronischen Steuerung 21 aufbereitet, und zugeführt. Dazu weist die elektronische Steuerung 21 einen Datenspeicher 22 auf, von dem je ein erforderliches Grundrezept abgerufen wird, welches den Bewegungsablauf moduliert und als Folge davon der gewünschte Geschwindigkeits- und Druckverlauf erzeugt. Mit den beschriebenen Grundfunktionen kann ein ganzer Spritzgießvorgang gesteuert werden. Einerseits für neue noch nicht bekannte Formen oder Materialien, und auch als Sicherung bei Materialqualitätsänderungen ist es vorteilhaft, zusätzliche Prozeßparameter laufend über entsprechende Sensoren aufzunehmen. So ist es sehr vorteilhaft über einen Kraftsensor 24 die axiale Kraft in der Schneckenwelle 9 während des ganzen Spritzvorganges zu erfassen und über eine Signalleitung 23, welche ein Busübertragungssystem sein kann, der elektronischen Steuerung zu übermitteln, so daß zum Beispiel beim Überschreiten von Grenzwerten sofort ein Korrekturbefehl über die Bewegungssteuerung abgegeben wird. Eine weitere Mölichkeit ist die unmittelbare Druckerfssung über einen Drucksensor 25, dessen Signal ebenfalls zur Bewegungsführung in der elektronischen Steuerung 21 verwendbar ist.

In der Fig. 2 ist der Druckverlauf über einen ganzen Spritzzyklus dargestellt. Dabei sind speziell die kritischen Übergänge markiert. A bezeichnet den Übergang von der Füllphase in die Nachdruckphase. B markiert die Überleitung der Nachdruckphase in die Plastifizierphase sowie C den eigentlichen Übergang in die Plastifizierung.

Die Fig. 3 zeigt die Druck-Weg-Funktion des linearen Bewegungsablaufes für die Plastifizierschnecke 10. Die Bewegung beginnt bei einem Start und endet am selben Start und ist damit bereit für den folgenden Zyklus.

Die Fig. 4 und 4a zeigen eine ganz besonders interessante Gegenüberstellung des Standes der Technik und der neuen Erfindung. Beide Figuren sind mit einem vertikalen Trennstrich 29 in eine linke den bekannten Stand der Technik entsprechende Bildhälfte sowie eine rechte der neuen Erfindung entsprechenden Bildhälfte aufgeteilt. Im Stand der Technik ist es alte Tradition, daß die erste Phase, die Füllphase geschwindigkeitsgeführt (Vco) und die zweite die Nachdruckphase druck- resp. drehmoment- kontrolliert (mdco) wird, letzteres bei den bisher bekannten, elektrischen Antrieben für Spritzgießmaschinen. Die Füllphase wird rein geschwindigkeitsgeführt und ist im Ergebnis gut. Dagegen bildet sich im Bereich des Nachdruckes wie mit den Umkreisungen D für die Druckkurve und E für die Geschwindigkeitskurve markiert ist, eine sehr nachteilige Schwingbewegung mit einer halben Wellenlänge von etwa 200 Millisekunden.

Damit aber konnte nicht nur die dem System eigene Eigenschwingung von ca. 2½ Hertz sondern auch der zentrale Nachteil des Standes der Technik sichtbar gemacht werden. Im Stand der Technik mußte über viele Korrekturregelungen oder Korrektursteuerungen gegen die unakzeptablen Störgrößen während der entscheidenden Phase des Spritzvorganges so gut wie möglich angekämpft werden. Der Hauptgrund für die Ausbildung der Störschwingung lag in der Wahl des Drehmomentes als Stellgröße, das in dem dynamischen System falsch ist. Wird ein Impuls in ein schwingungsfähiges System gegeben, so kann dieser nicht einfach zurückgeholt werden. Der Impuls wirkt sich wegen der Massenträgheiten zuerst aus. Ein Gegendrehmoment kann erst über das Resulat der Einleitung der Schwingbewegung oder durch Verarbeitung entsprechender Sensorsignale wieder korrigiert werden. Dann aber ist die Schwingbewegung schon eingeleitet.

Aus der rechten Bildhälfte kommt deutlich zum Ausdruck, daß demgegenüber bei der Erfindung an sich die vorhandene Schwingbewegung sofort unterdrückt wird und sich eine große Stabilität sowohl des Druck- wie des Geschwindigkeitsverlaufes einstellt. Alle Versuche haben gezeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Steuerung der Bewegung, d. h. bei Verwendung eines Geschwindigkeitssignales für die Axialbewegung der Einspritzschnecke als Stellgröße, die entsprechenden Schwingungen sich gar nicht einstellen und ein Idealverlauf etwa nach Fig. 2 entsprechend dem gewählten Rezept erzeugbar ist.

Fig. 5 zeigt eine ganze Spritzgießmaschine auf einem Maschinenständer 30 mit einer Formschließeinrichtung 31, welche über einen Rotor 32 sowie einer Übersetzung 39 und ein Doppelkniegelenk 34 eine bewegbare Grundplatte 35 mit der Formhälfte 16 vor und nach jedem Füllvorgang in die entsprechende Offen- oder Schließstellung bringt.

Ein weiterer Antrieb 36 betätigt einen Auswerfer 37. Das Kunststoffrohmaterial wird über einen Speisetrichter 40 zugeführt. Die Rotationsbewegung der Schneckenwelle der Plastifizierschnecke 10 wird über einen Antriebsmotor 41 mit entsprechendem Übertrieb erzeugt.

Die Fig. 6 zeigt einen analogen Aufbau wie die Fig. 1, wobei die übereinstimmenden Merkmale mit den selben Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei es sich hier jedoch um eine Druckgußmaschiene handelt. Bei der Druckgießmaschine werden mehrheitlich metallische Grundstoffe wie Aluminium usw. verarbeitet. Im Unterschied zu dem Kunststoff bei Spritzgießmaschinen ist aber Metall auch in flüssiger Form nahezu nicht komprimierbar. Es hat sich gezeigt, daß - abgesehen von den spezifischen Werten der einzelnen Rezepte - die neue Erfindung sehr vorteilhaft auch bei Druckgießmaschinen realisierbar ist, vorausgesetzt, daß rein baulich zwischen dem Antrieb 7 sowie einem Gießkolben 60 ein elastisches Element, etwa eine Druckfeder 61 angeordnet wird, welche die Funktion des federelastischen Verhaltens der Kunststoffmasse verkörpert. Selbstverständlich muß die Druckfeder 61 jeweils angepaßt werden zum Beispiel der Größe der Form und der Einpreßkraft. Es könnte auch eine einstellbare Feder irgendwelcher Art verwendet werden.

Die Fig. 7 zeigt eine ganz besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer Gesamtsteuerung mit ausgelagerter Intelligenz, wobei die Kommunikation über einen Feldbus 50 erfolgt. Alle Rezepte können dabei in einen Rechner- Speicher zum Beispiel ein PC 51 abgelegt sein und form- und materialspezifisch für den jeweiligen Arbeitsauftrag, also die Herstellung einer bestimmten Anzahl gleicher Teile, zum Beispiel einer SPS 52 überspielt und von dort aus den Feldbus so alle übrigen Sensorsignale koordiniert und alle Arbeitssignale abgegeben werden.

Claims (14)

1. Verfahren zum Spritzgießen von Formteilen mittels einer Spritzgießmaschine, bei welchem

• a) die Einspritzschnecke mittels eines Elektromotors und eines sich daran anschließenden Übersetzungsgetriebes axial bewegt wird und
• b) Verfahrensparameter geregelt oder gesteuert werden, wobei
• c) bei der Regelung/Steuerung, einschließlich Begrenzung des auf die Spritzgußmasse ausgeübten Druckes als Stellgröße ein Geschwindigkeitssignal für die Axialbewegung der Einspritzschnecke gewählt wird.

2. Verfahren zum Spritzgießen von Formteillen mittels einer Spritzgießmaschine, bei welchem

• a) die Einspritzschnecke mittels eines Elektromotors und eines sich daran anschließenden Übersetzungsgetriebes axial bewegt wird und
• b) Verfahrensparameter geregelt oder gesteuert werden, insbesondere nach Anspruch 1, wobei
• c) bei der Regelung/Steuerung, einschließlich Begrenzung des Einspritzschneckenweges als Stellgröße ein Geschwindigkeitssignal gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem zur Regelung/Steuerung, einschließlich Begrenzung der Axialgeschwindigkeit der Einspritzschnecke als Stellgröße ein Geschwindigkeitssignal für die Axialbewegung der Einspritzschnecke gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem aus der Gruppe der Verfahrensparameter: der auf die Spritzgußmasse ausgeübte Druck, die Axialgeschwindigkeit der Einspritzschnecke und der Einspritzschneckenweg, jeweils derjenige Verfahrensparameter geregelt/gesteuert wird, welcher Grenzwerte oder Bandbreiten erreicht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Grenzwerte oder Bandbreiten der Verfahrensparameter als Funktionen der Zeit und/oder des Weges vorgegeben werden.

6. Spritzgießmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit

• a) einer Einspritzschnecke (11), die mittels eines Elektromotors (1) und mechanischer Übersetzungsmittel (6, 7, 8) axial verschiebbar ist und
• b) einer Elektronik (20, 21, 22) zur Regelung oder Steuerung von Verfahrensparametern, wobei
• c) die Regel-/Steuer-Elektronik (20, 21, 22) derart ausgelegt ist, daß bei der Regelung/Steuerung, einschließlich Begrenzung des auf die Spritzgußmasse (12) ausgeübten Druckes der Stellgrößeneingang mit einem Geschwindigkeitssignal für die Axialbewegung der Einspritzschnecke (11) beaufschlagt wird.

7. Spritzgießmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, mit

• a) einer Einspritzschnecke (11), die mittels eines Elektromotors (1) und mechanischer Übersetzungsmittel (6, 7, 8) axial verschiebbar ist und
• b) einer Elektronik (20, 21, 22) zur Regelung oder Steuerung von Verfahrensparametern, insbesondere mit dem Merkmal c des Anspruches 6, wobei
• c) die Regel-/Steuer-Elektronik (20, 21, 22) derart ausgelegt ist, daß bei der Regelung/Steuerung, einschließlich Begrenzung des Einspritzschneckenweges der Stellgrößeneingang mit einem Geschwindigkeitssignal beaufschlagt wird.

8. Spritzgießmaschine nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher die Regel-/Steuer-Elektronik (20, 21, 22) zusätzlich derart ausgelegt ist, daß bei der Regelung/Steuerung, einschließlich Begrenzung der Axialgeschwindigkeit der Einspritzschnecke (11) der Stellgrößeneingang ebenfalls mit einem Geschwindigkeitssignal für die Axialbewegung der Einspritzschnecke (11) beaufschlagt wird.

9. Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welcher die Regel-/Steuer-Elektronik (20, 21, 22) einen Speicher (22) für Sollmodulationswerte für die Axial-Geschwindigkeit der Einspritzschnecke (11) sowie eine entsprechende Steuereinheit (20) für den Elektromotor (1) aufweist.

10. Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei welcher der Elektromotor (1) ein Servomotor ist.

11. Spritzgießmaschine nach Anspruch 10, bei welcher der Servomotor ein Synchronmotor ist.

12. Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 11, welche einen Drucksensor (25) im Bereich der Kunststoffschmelze (12) und/oder einen Sensor (24) zur Erfassung der auf die Einspritzschnecke (11) ausgeübten Kraft aufweist.

13. Spritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 12, bei welcher der Regel-/Steuer-Elektronik (20, 21, 22) ein Feldbus zugeordnet ist, welcher alle wesentlichen Sensorsignale überträgt.

14. Druckgußmaschine mit

• a) einem Gießkolben (60), der mittels eines Elektromotors (1), mechanischer Übersetzungsmittel (6, 7, 8) und eines elastischen Elementes (61) axial verschiebbar ist, und
• b) einer Elektronik (20, 21, 22) zur Regelung oder Steuerung der Axialverschiebung des Gießkolbens (60), wobei
• c) die Regel-/Steuer-Elektronik (20, 21, 22) derart ausgelegt ist, daß bei der Regelung/Steuerung, einschließlich Begrenzung des auf die Schmelze (12) ausgeübten Druckes der Stellgrößeneingang mit einem Geschwindigkeitssignal für die Axialbewegung des Gießkolbens (60) beaufschlagt wird.