DE4436126A1 - Verfahren zur Temperierung von Spritzgießmaschineneinheiten und Formwerkzeugeinheiten für die Kunststoffverarbeitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung von Spritzgießmaschineneinheiten, insbesondere für die Verarbeitung vernetzbarer Polymere, und Formwerkzeugeinheiten für die Kunststoffverarbeitung, mit mindestens einem Temperierkreislauf.

Beim Spritzgießen ist der thermische Betriebszustand des Werkzeuges mit der Werkzeugtemperatur als Maß neben der Zylinder- und Schmelzetemperatur eine der wichtigsten thermischen Funktionsgrößen. Er übt einen großen Einfluß auf die Fließfähigkeit der Kunststoffschmelze, die Zykluszeit und die Qualität der Formteile, insbesondere die Oberflächengüte, die Schwindung und den Verzug aus.

Der thermische Betriebszustand des Plastifizierzylinders ist für die Verarbeitung von vernetzenden Hochpolymeren von entscheidender Bedeutung. Derartige Werkstoffe erfordern bei der Verarbeitung zu Formteilen beim Spritzgießen ein relativ niedriges Temperaturniveau während der Verweilzeit im Plastifizierzylinder, um eine vorzeitige Vernetzung bzw. Teilvernetzung der Formmasse zu verhindern. Die bei der Plastifizierung durch Friktion der Masse, d. h. durch Umwandlung von mechanischer Energie, entstehende Wärmemenge ist im stationären, d. h. eingefahrenen, Maschinenzustand gewöhnlich größer als die Wärmemenge, die zum Erreichen einer optimalen Masseviskosität notwendig ist.

Die Temperaturführung der Formmasse bzw. Schmelze im System Schnecke/Zylinder muß so gesteuert werden, daß keine vorzeitigen Vernetzungsreaktionen infolge zu hoher Massetemperaturen auftreten. Die exakte Temperaturführung für die Formmasse über die Zylindertemperierung übt einen wesentlichen Einfluß auf die Qualität der herzustellenden Formteile aus.

In der Praxis konnte sich bisher nur die Arbeitsweise mit Temperiergeräten durchsetzen, die aber einige grundlegende Nachteile haben, die im einzelnen nachfolgend bei der Beschreibung des Einsatzes von Temperiergeräten für Spritzgießwerkzeuge mit genannt sind.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Steuerung des thermischen Betriebszustandes, d. h. zum Temperieren von Spritzgießwerkzeugen, bekannt.

In der Praxis konnte sich bisher nur die Arbeitsweise mit Temperiergeräten durchsetzen. An der Einführung der Werkzeugtemperierung als integraler Bestandteil der Spritztgießmaschinen wird zur Zeit noch gearbeitet. Eine erste Variante besteht darin, das Temperiergerät in der Spritzgießmaschine unterzubringen (Plaste und Kautschuk 1982, Heft 2, S. 86).

Das Temperiergerät befindet sich somit in unmittelbarer Werkzeugnähe, um Wärmeverluste durch das Leitungssystem zu vermeiden. Diese Lösung führt zu einem geringen Platzbedarf für die Aufstellung der Spritzgießmaschine, die grundlegenden Nachteile dieses Temperierverfahrens bleiben jedoch bestehen. Das sind vor allem die energetisch ungünstige Arbeitsweise und die hohen Anschaffungskosten für die Temperiergeräte.

Aus der DD-PS 2 03 011 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Kühlphase nach dem Einspritzvorgang unterbrochen wird, danach eine Temperphase erfolgt und sich daran eine erneute Kühlphase anschließt, die so lange andauern soll, bis der Restenergiegehalt des Formteiles ausreicht, um das Spritzgießwerkzeug auf eine für den nachfolgenden Spritzgießzyklus günstige Temperatur zu erwärmen.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht vor allem darin, daß technologisch bedingte Unterschiede in der Wärmeabfuhr der einzelnen Kühlphasen zu Beginn des Fertigungsprozesses manuell durch unterschiedliche Drosselung des Kühlwasserstromes an den Stellventilen oder durch Variationen der Einstellung stellbarer Zeitrelais die Dauer der Kühlphasen abgestimmt werden müssen. Dies erfordert einen erheblichen Arbeitsaufwand und stellt an das Bedienpersonal erhöhte Anforderungen. Außerdem können mit diesem Verfahren, ebenso wie bei den konventionellen Temperiergeräten, unvermeidbare Störungen des Fertigungsablaufes, wie z. B. Kühlwassertemperatur- und Kühlwasserdurchsatzschwankungen, Änderungen hinsichtlich der Temperatur, insbesondere der Temperatur der Schmelze, und der Zykluszeit, in ihrer energetischen Auswirkung auf die Formteilqualität nicht ausgeregelt werden. In Abhängigkeit von der Größe der energetischen Wirkung dieser Störgrößen kann sich der thermodynamische Zustand des Werkzeuges mehr oder weniger stark ändern und bei den hergestellten Formteilen können Qualitätsunterschiede auftreten, die zu Ausschuß führen.

In der US-PS 4 420 446 ist ein Verfahren zur Werkzeugtemperaturkontrolle beim Spritzgießen beschrieben. Dabei wird eine ausgewählte Kontrolltemperatur als Solltemperatur vorgegeben. Die Werkzeugtemperatur wird in unmittelbar Nähe des Formnestes gemessen. In Abhängigkeit von Über- bzw. Unterschreiten der Solltemperatur werden die Ventile des Kühlkreislaufes geöffnet bzw. geschlossen. Zusätzlich werden bei Über- bzw. Unterschreiten vorgegebener oberer und unterer Grenztemperaturen optische und akustische Warnsignale abgegeben.

Eine ähnliche Lösung, bei der die mit der Schmelze zugeführte Wärme zum Temperieren der Werkzeugwand ausgenutzt werden soll, ist in der Zeitschrift "Plastverarbeiter" 1984, Heft 5, S. 77 bis 80 beschrieben. Die Temperierung wird dabei durch einen Mikroprozessor gesteuert, über einen Thermosensor wird an der Werkzeugkontur die durch die Einbringung der Schmelze hervorgerufene Temperaturerhöhung gemessen und der Mikroprozessor regelt (in Abhängigkeit davon) die Öffnungszeit des Magnetventilsystems für die Kühlwasserzufuhr. Es findet eine sogenannte Impulskühlung statt und das Werkzeug übernimmt die Funktion des Wärmetauschers.

Aus der EP 0 218 919 B1 ist ein Verfahren zur Eichung und Korrektur der Vorrichtung zur Werkzeugtemperierung bei Spritzgießmaschinen bekannt, bei dem ein Rechner das Schließen und Öffnen der Ventile als Funktion eines Temperaturunterschieds in den Formwerkzeugen nach einer Meßperiode mit maximal geöffneten Ventilen und einer Meßperiode mit geschlossenen Ventilen steuert. Nach Erreichen der Solltemperaturen werden zwei Eichzyklen durchgeführt, in denen das Streckenverhalten des Werkzeuges durch den gemessenen Temperaturabfall bzw. -anstieg getestet wird. Ausgehend von den ermittelten Temperaturdifferenzen errechnet der Rechner die Öffnungszeiten der Ventile, die notwendig sind, um die vorgegebene Solltemperatur einzuhalten. Die Temperierung erfolgt nur auf der Basis der momentan gemessenen Werkzeugtemperatur. Diese bekannten, auf dem gleichen Prinzip basierenden Verfahren, haben folgende Nachteile.

Die große Nähe der Temperaturfühler zur Werkzeugkontur, also zur heißesten Zone des Werkzeuges, führen notwendigerweise bei jedem Einspritzvorgang, auch beim Anfahren, zu einer Überschreitung der Solltemperatur und damit zur Auslösung der Kühlung. Die Temperierung in alleiniger Abhängigkeit von der momentan gemessenen Temperatur kann bei einer immer vorhandenen Trägheit des thermischen Ausgleichs zwischen Schmelze und Werkzeug, sowie zwischen Kühlmedium und Werkzeug zu einer zeitlichen Verschiebung der Werkzeugtemperierung und damit zu Werkzeugtemperaturen führen, die deutlich unterhalb bzw. oberhalb der gewählten Kontrolltemperatur liegen. Sowohl Störgrößen im Spritzgießprozeß, z. B. ein vermindertes Kühlmittelangebot, als auch die ungünstige Lage von Kühlflächen zur Werkzeugkontur bei komplizierten Werkzeugen, werden durch diese Verfahren nicht immer ausreichend kompensiert, eine Anpassung der Temperierbedingungen an die momentanen Prozeßparameter ist somit nicht durchgängig möglich.

Ein weiteres bekanntes Temperierverfahren (WO 92/08598) steuert den Temperiermediendurchfluß nach Errechnung einer mittleren Werkzeugtemperatur oder mittleren Rücklauftemperatur des Temperiermediums bzw. nach einer Trendermittlung der mittleren Werkzeugtemperaturen oder der mittleren Rücklauftemperatur mehrerer zurückliegender Zyklen. Dabei wird die mittlere Werkzeugtemperatur mit einer vorgegebenen Solltemperatur verglichen und das Kühlregime im Folgezyklus verändert, falls die mittlere Werkzeugtemperatur von der vorgegebenen Solltemperatur abweicht. Der Meßort für die Temperaturmessung im Werkzeug bzw. im Rücklauf des Temperiermediums wird als nicht kritisch angesehen, was jedoch im Widerspruch zu den Erkenntnissen aus der Praxis steht.

Zur Öffnungsdauer der Magnetventile im Zyklus werden in oben beschriebenem Verfahren nur allgemeine Aussagen getroffen. Zum einen wird das Magnetventil geöffnet, falls die mittlere Temperatur des vorangegangenen Zyklus oberhalb einer oberen Grenztemperatur liegt, zum anderen, wenn die mittleren Temperaturen einer Anzahl vorangegangener Zyklen einen steigenden Trend in der Nähe der Solltemperatur signalisieren. Die Öffnungsdauer selbst soll abhängig sein von der "Rate" der Temperaturänderung bzw. der Größe der Differenz zum akzeptierten Temperaturbereich. Auf eine konkrete nachvollziehbare Berechnungsvorschrift wird dabei jedoch nicht näher eingegangen.

Die mit diesem Verfahren praktizierte Regelung der Werkzeugtemperatur im Folgezyklus läßt akut auftretende Störungen im Zyklus unberücksichtigt. Diese Störungen werden erst nachträglich und über den relativ trägen Mechanismus einer mittleren Temperatur ausgeregelt. Es ist anzunehmen, daß die beschriebene Regelung im allgemeinen und bei wirkenden Störgrößen im besonderen der tatsächlichen Werkzeugtemperatur "hinterherläuft", wobei die beabsichtigte hohe Prozeßstabilität nicht erreicht wird.

Mit der Aussage zum Meßort und in Kenntnis dessen, daß die Temperaturverteilung im Werkzeug einem Temperaturfeld genügt, bestehen aus praktischen Erfahrungen heraus bei einer willkürlichen Festlegung des Meßortes im Werkzeug berechtigte Zweifel an der Erreichung des angestrebten Zieles. Bei der Temperaturmessung im Temperiermedienrücklauf sind es mehrere Kritikpunkte, die die beabsichtigte Wirkung des Verfahrens mehr oder weniger in Frage stellen. Um die mittlere Rücklauftemperatur in Bezug auf die jeweilige Werkzeugtemperatur zu errechnen, ist eine Temperaturmessung über die gesamte Zyklusdauer im fließenden Medium erforderlich. Das wiederum bewirkt eine ständige, wenn auch gedrosselte, zusätzliche Wärmeabfuhr aus dem Werkzeug. In Anwendungen, bei denen mittlere oder sogar hohe Werkzeugtemperaturen benötigt werden, kann das geforderte Temperaturniveau im Werkzeug nicht gehalten werden. Eine Messung der Vorlauftemperatur findet nicht statt, das hat zur Folge, daß ein wesentlicher Einflußfaktor des thermischen Betriebszustandes des Werkzeuges unberücksichtigt bleibt und bei Veränderungen unvermeidbar zu Abweichungen vom thermischen Sollzustand des Werkzeuges führt. Des weiteren sind die bei der eingefahrenen Maschine im Störfall auftretenden Abweichungen einer mittleren Rücklauftemperatur zu einer vorgegebenen Solltemperatur, vor allem bei größeren Volumenströmen, erfahrungsgemäß so gering, daß eine sinnvolle Einflußnahme auf die Durchflußdauer des Temperiermediums nicht immer möglich ist.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Temperierung von Spritzgießmaschineneinheiten, insbesondere für die Verarbeitung vernetzbarer Polymere, und Formwerkzeugeinheiten für die Kunststoffverarbeitung, mit mindestens einem Temperierkreislauf, wobei die Zylinder- oder Werkzeugtemperatur gemessen und im Ergebnis eines Ist-Sollwert-Vergleiches der Durchfluß des Temperiermediums verändert wird, zu schaffen, das unter Berücksichtigung der momentanen Parameter des Spritzgießvorganges bzw. des Plastifizierprozesses, einschließlich auftretender Störungen des Prozesses, eine hinreichend genaue Konstanz des thermischen Betriebszustandes des Werkzeuges bzw. des Plastifizierzylinders bei gleichzeitig selbsteinstellender Regelung gewährleistet und ohne zusätzliche Energie arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungsvarianten der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben.

Bei der Lösung der Aufgabe wurde von folgendem Grundgedanken ausgegangen:
Der Wärmeinhalt im Werkzeug bzw. Plastifizierzylinder wird bestimmt von wärmezuführenden Komponenten (Wärmemenge der eingespritzten Schmelze, Heißkanaltemperierung, . . .) und wärmeabführenden Komponenten (Werkzeug- bzw. Plastifizierzylinderkühlung, Wärmeabfuhr durch Konvektion und Strahlung, Wärmeleitung). Soll der thermische Betriebszustand des Werkzeuges bzw. Plastifizierzylinders während des Spritzgießens konstant gehalten werden, müssen die im Fertigungsprozeß unvermeidbaren Schwankungen in den einzelnen Komponenten, die den Wärmeinhalt bestimmen, in ihrer Auswirkung auf den thermischen Betriebszustand z. B. des Werkzeuges kompensiert werden. Dabei ist als Wärmeabfuhr aus dem Werkzeug nur die Werkzeugkühlung gezielt beherrschbar. Insbesondere besteht die Notwendigkeit, die zeitliche Dauer des Temperiermediendurchflusses im Werkzeug so zu steuern, daß Störungen jeder Art, die auf den Wärmeinhalt des Werkzeuges wirken, wie z. B. Veränderungen in der Temperatur der Schmelze, Schwankungen der Temperiermedienvorlauftemperatur und des -volumens, Veränderungen der Zykluszeit, Schwankungen der Umgebungstemperatur u. a., ausgeglichen werden.

Die folgenden prinzipiellen Erläuterungen sollen sich ohne Einschränkung vorrangig auf die Temperierung eines Spritzgießwerkzeuges beziehen.

Der Temperierprozeß wird in zwei Phasen, eine Anfahrphase und eine stationäre Betriebsphase, mit jeweils unterschiedlichen Temperierbedingungen getrennt. Die je Zyklus abgesetzten Temperierimpulse, insbesondere in der stationären Betriebsphase, werden immer zum Zeitpunkt Z₁, der durch ein Signal der Maschinenablaufsteuerung festgelegt wird, in zeitlicher Nähe des Einspritzvorganges bei der Werkzeugtemperierung bzw. in zeitlicher Nähe des Plastifiziervorganges, des Beginns der Schneckenrotation, bei der Temperierung von Plastifizierzylindern eingeleitet, um im Zeitbereich der größten Temperaturdifferenz zwischen eingespritzter Schmelze und Temperierkanal die erforderliche Wärmeableitung zu bewirken. Spätestens zum Zeitpunkt Z₂ wird jede Temperierung im Zyklus beendet, wobei der Zeitpunkt Z₂ durch ein Signal aus der Maschinenablaufsteuerung festgelegt wird, das zu einem definierten Zeitpunkt in zeitlicher Nähe des Zyklusendes ausgelöst wird. Während der gesamten Zyklusdauer wird kontinuierlich die mittlere Werkzeugtemperatur an dem für den jeweiligen Temperierkreislauf, thermisch sowohl von der eingespritzten Schmelze als auch der Temperierung gleichwertig beaufschlagtem Ort gemessen, wobei dieser Ort sich etwa im Bereich der geometrischen Mitte zwischen Formkontur und Kühlkanal bzw. -fläche und im Bereich der Mitte zwischen Kühlwassereingang und -ausgang in einem hinreichend großem Abstand zur Formkontur befindet, bzw. bei der Zylindertemperierung im Bereich der geometrischen Mitte zwischen Zylinderinnenwand und Temperierkanal. Nach dem erstmaligen Erreichen oder Überschreiten der vorgegebenen Werkzeugsolltemperatur wird nach einem noch zu beschreibenden vorgegebenen Modus ein sogenannter Referenzzyklus ausgewählt, womit die Anfangsphase beendet ist. Der Wärmeinhalt in diesem Referenzzyklus dient in der Regel als Sollgröße für den Wärmeinhalt aller nachfolgenden Zyklen.

Als die für den Wärmeinhalt des Werkzeuges in Abhängigkeit von einem Zeitintervall im Zyklus relevante Größe wird WRG(u₁,u₂) (die dem Wärmeinhalt relevante Größe) gemäß (1) eingeführt.

WRG(u₁,u₂) wird analog zum Integral der Temperaturkurve T(t) über der Zeitachse zwischen den Zeitpunkten u₁ und u₂ definiert und berechnet, wobei u₁ und u₂ die Intervallgrenzen des Zeitintervalls bezeichnen.

Erstmalig wird WRG(Z₁,t_D) für den ausgewählten Referenzzyklus berechnet, wobei t_D die für den Referenzzyklus berechnete Temperierdauer bedeutet.

In allen Folgezyklen wird zum Zeitpunkt Z₁ des jeweiligen Zyklus der Temperierimpuls der Dauer t_D gestartet, wobei t_D als Gegenstand eines noch zu beschreibenden Korrekturverfahrens im Verlauf des jeweiligen Zyklus und bei auftretenden Abweichungen des Temperaturverlaufes zum Temperaturverlauf des sogenannten Referenzzyklus korrigiert wird. Dazu wird jeder Folgezyklus beginnend vom Zeitpunkt Z₁ bis zum Ende der Temperierdauer t_D in kleinste Zeitintervalle (t_i-1,t_i) unterteilt, in jedem Zeitpunkt t_i die Temperatur gemessen und der Wert WRG_ist(t_i-1,t_i) gemäß (1) berechnet.

WRG_ist(t_i-1,t_i) wird permanent für jeden Zeitpunkt t_i und bis zum Ablauf der Temperierdauer t_D mit dem Wert WRG_ref(t_i-1,t_i) des Referenzzyklus und immer zum zyklisch gleichen Zeitpunkt gemäß (2) verglichen:

WD(t_i)=WRG_ist(t_i-1,t_i) - WRG_ref(t_i-1,t_i) (2)

Die Differenz beider Wertgrößen WD(t_i) signalisiert eine Differenz der aus dem Werkzeug in diesem Zeitintervall (t_i-1, t_i) abgeführten Wärmemenge und wird verfahrensgemäß für eine Korrektur der Temperierdauer t_D um die Korrekturzeit t_korr(t_i) im laufenden Zyklus genutzt.

Dabei gilt für die Ergebnisse von (2) folgende Fallunterscheidung:

WD(t_i) < 0: im Vergleich zum zyklisch gleichen Zeitintervall des Referenzzyklus ist der Wärmeinhalt des Werkzeuges im Istzyklus höher, die Dauer der Temperierung muß um den Wert t_korr(t_i) verlängert werden.
WD(t_i) < 0: im Vergleich zum zyklisch gleichen Zeitintervall des Referenzzyklus ist der Wärmeinhalt des Werkzeuges im Istzyklus geringer, die Dauer der Temperierung muß um den Wert t_korr(t_i) verkürzt werden.
WD(t_i) = 0: eine Korrektur der Temperierdauer ist nicht notwendig

Zur wertmäßigen Berechnung von t_korr(t_i) wird von folgenden Überlegungen ausgegangen:
Angenommen es gelte der Fall WD(t_i) < 0. Die zur Abfuhr des gemäß (2) errechneten wärmemengenproportionalen Überschußbetrages notwendige Zeit t_korr(t_i) wird zum Zeitpunkt t_i zur vorgegebenen Temperierdauer t_D addiert.

Es gilt

t_D(t_i) = t_D(t_i-1)+t_korr(t_i),

wobei t_korr(t_i) aus folgender Beziehung herzuleiten ist:

wobei TE(t) als Temperatureinheit verstanden wird, für die gilt:

TE(t) = 1 für t<0 (3)

Damit gilt

Nach Einsetzen der Zeitwerte und unter der Voraussetzung, daß die Länge des Zeitintervalles gegen Null und damit die Werte T(t_i-1) gegen die Werte T(T_i) gehen, ergibt sich

T(T_i)_{ist *} (t_i-t_i-1) - T(t_i)_{ref *} (t_i-t_i-1) = TE(t_D)_{ref *} (t_D+t_korr-t_-D)

(T(t_i)_ist - T(t_i)_ref) _* (t_i-t_i-1) = TE(t_D)_{ref *} (t_korr)

und damit ist

und nach (3)

t_korr(t_i) = (T(t_i)_ist - T(t_i)_ref) _* (t_i-t_i-1) (4)

wobei
t_i einen einzelnen Zeitpunkt für die Messung der Werkzeugtemperatur,
T(t) die Temperatur im Werkzeug
(.)_ist · Term bezieht sich auf den jeweils aktuellen Zyklus,
(.)_ref · Term bezieht sich auf den Referenzzyklus und
t_D die Temperierdauer im Zyklus
bedeuten.

Für Anwendungen, die durch äußere Gegebenheiten, z. B. eine ungünstige temperiertechnische Auslegung des Werkzeuges, eine übermäßige Trägheit in der Wärmeübertragung von der Schmelze zum Temperiermedium zeigen, wird in (4) ein Faktor K zwischen 0,2 und 1,0 eingeführt, der bei gegebener Notwendigkeit dämpfend auf die errechnete Korrekturzeit t_korr(t_i) wirkt. Damit ergibt sich:

t_korr(t_i) = K _* (T(t_i)_ist - T(t_i)_ref) _* (t_i-t_i-1)

Für den Fall WD(t_i) < 0 ergibt sich sinngemäß die gleiche Herleitung für t_korr(t_i), wobei die Korrekturzeit t_korr(t_i) ein negatives Vorzeichen erhält.

In der Anfahrphase erfolgt im ersten Zyklus, zum Zeitpunkt Z₁ beginnend, ein Initialimpuls t_init mit festgelegter Dauer, um eine erste vollständige Durchspülung des betreffenden Temperierkreislaufes zu erzielen, und beim Erreichen eines definierten Abstandes der mittleren Werkzeugtemperatur zur vorgegebenen Solltemperatur wird im Folgezyklus zum Zeitpunkt Z₁ ein Temperierimpuls t_ann geringerer zeitlicher Dauer eingeleitet, wobei der Temperierimpuls t_ann in allen nachfolgenden Zyklen bis zur erstmaligen Überschreitung der vorgegebenen Solltemperatur eingeleitet wird und ein gedämpftes Annähern der mittleren Werkzeugtemperatur an die gewählte Solltemperatur gewährleistet.

Eine als Sonderfall in der Anfahrphase auftretende Variante besteht darin, daß bei Vorgabe einer Solltemperatur, die unter der gemessenen Isttemperatur liegt, in allen nachfolgenden Zyklen zwischen den Zeitpunkten Z₁ und Z₂ so lange eine ständige Temperierung erfolgt, bis die gemessene Isttemperatur die vorgegebene Solltemperatur erstmalig unterschreitet. Nach Unterschreitung der Solltemperatur wird die Anfahrphase mit der Einleitung des Kühlmittelimpulses der Dauer t_ann zum Zeitpunkt Z₁ des auf die erste Unterschreitung folgenden Zyklus fortgesetzt und mit der erneuten Überschreitung der Solltemperatur und der späteren Auswahl des Referenzzyklus beendet.

Nach Überschreitung der vorgegebenen Solltemperatur wird das Werkzeug bzw. der Plastifizierzylinder mittels einer je Zyklus aktualisierten Vorgabe eines errechneten Temperiermittelimpulses und einer vom aktuellen Soll-Istwertvergleich im Zyklus abhängigen Temperierphase innerhalb einer Anzahl von n Zyklen zum thermischen Gleichgewicht geführt. Dazu wird aus der Gesamtdauer der Temperiermittelimpulse einer festgelegten Anzahl unmittelbar vorausgegangener Zyklen das arithmetische Mittel der Kühldauer je Zyklus ermittelt, mit einem Faktor K₁, der ein Reagieren auf die praktisch unvermeidbar auftretenden thermischen Störungen auf den Temperaturzustand des Werkzeuges ermöglicht, bewertet und als errechnete Impulsdauer t_E für die Einleitung des Temperiermittels im Folgezyklus zum Zeitpunkt Z₁ genutzt.

Nach Einleitung des Temperiermittelimpulses der Länge t_E erfolgt im Ergebnis des kontinuierlich durchgeführten Soll-Ist-Vergleiches der Werkzeugtemperatur für die Dauer der jeweiligen Solltemperaturüberschreitung und damit temperaturabhängig spätestens bis zum Zeitpunkt Z₂ des aktuellen Zyklus die Einleitung weiterer Temperiermittelimpulse.

Die Zeitdauer diese Temperierimpulses t_E wird nach der Berechnungsformel

ermittelt wobei,
n die vorgegebene Mindestanzahl von aufeinanderfolgenden Zyklen nach erstmaliger Überschreitung der vorgegebenen Werkzeugsolltemperatur zur Findung des thermischen Gleichgewichtes,
t_Ei der für den Zyklus i der n Zyklen errechnete Temperierimpulse des Zyklus i der n Zyklen
j die Zykluszahl nach der erstmaligen Überschreitung der vorgegebenen Solltemperatur und
K1 (j) die von j abhängige maschinen- und verfahrensabhängige Größe, die zur Bewertung der mittleren Temperierzeit aus den n Zyklen dient
bedeuten.

Für die Berechnung gelten folgende Anfangsbedingungen ab Zyklus 1 nach der erstmaligen Solltemperaturüberschreitung:

(*) t_E1 = t_ann
(**) Die Berechnung von (5) erfolgt für j < n, indem n durch j ersetzt wird.
(***) K1(j) = a₀+a₁ _* j für j < n
K1(j) = 1 für j = n

Ist die vorgegebene Anzahl von n-Zyklen nach erstmaliger Überschreitung der vorgegebenen Solltemperatur erreicht, wird zum Zeitpunkt Z₁ des Referenzzyklus ein Temperierimpuls der Dauer t_D ausgelöst, wobei t_D gleich dem im n-ten Zyklus nach (5) errechneten Wert t_E ist, und der Wert WRG_ref(Z₁,t_D) berechnet.

Im Folgezyklus erfolgt wiederum eine Temperierung der Dauer t_D und eine Berechnung des beschriebenen Temperaturintegrales. Ist die Differenz beider Integrale kleiner als ein vorgegebener Wert W_G, so wird der zuletzt gefahrene Zyklus als Referenzzyklus gekennzeichnet, der zeitliche Temperaturverlauf im Werkzeug in geeigneter Weise festgehalten und die Anfahrphase gilt als abgeschlossen. Für W_G wird ein Wert zwischen 0,1 und 5%, vorzugsweise von 2% des als Referenz berechneten Integrals WRG(Z₁,t_D) vorgegeben. Ist die Differenz beider Integrale größer als dieser vorgegebene Wert W_G, werden mit j=1 beginnend erneut n Zyklen nach dem beschriebenen Modus zur Referenzfindung gefahren, wobei für n vorzugsweise drei und K1(j)=0,75 gewählt werden, wobei in diesen drei Zyklen wieder aus dem Soll-Ist- Vergleich resultierende Temperierimpulse ausgelöst werden können. Nach jedem der drei Zyklen wird die Temperierdauer t_E für den Folgezyklus gemäß (5) berechnet. Nach dem 3. Zyklus wird K1(j)=1 und t_D=t_E gesetzt, der Temperierimpuls der Dauer t_D ausgelöst und das Integral WRG(Z₁,t_D) berechnet. Temperierimpuls und Integralberechnung werden im Folgezyklus gleichfalls durchgeführt, die Integralwerte mit dem Vorgängerzyklus verglichen und die beschriebene Referenzauswahl wird, gegebenenfalls mit j=1 beginnend, wiederholt, bis die Bedingung

WRG_j-1(Z₁,t_D) - WRG_j(Z₁,t_D) < W_G

erfüllt ist. Der aktuelle Zyklus wird als Referenzzyklus gekennzeichnet und die Anfahrphase abgeschlossen.

Bereits vor dem ersten Maschinenzyklus kann eine Zusatzheizung zugeschaltet werden, die in den für den thermischen Betriebszustand relevanten Temperierkreisen bzw. in den für den thermischen Betriebszustand der zu plastifizierenden Masse wichtigen Zylinderzonen die Zeitdauer der Erwärmung auf das angestrebte thermische Niveau minimiert. Bei Nutzung der Zusatzheizung wird diese in einem vorgegebenen Abstand der Werkzeug- bzw. Zylindertemperatur zur vorgegebenen Solltemperatur abgeschaltet.

Hinsichtlich der Signale aus der Maschinenablaufsteuerung, die für die Zeitpunkt Z₁ und Z₂ herangezogen werden, gibt es für die Werkzeugtemperierung z. B. folgende Möglichkeiten.

Als Zeitpunkt Z₁ wird der Beginn der Nachdruckzeit und als Z₂ das Ende der Werkzeugöffnungsbewegung gewählt oder als Zeitpunkt Z₁ der Beginn des Einspritzvorganges und als Z₂ das Ende der Werkzeugöffnungsbewegung oder der Zeitpunkt Z₁ und der Zeitpunkt Z₂ werden durch die gleichen Signale der Maschinenablaufsteuerung festgelegt, wobei in diesem Fall Z₂ mit dem Signal Z₁ des Folgezyklus identisch ist. Dieser letztere Fall wird vorzugsweise bei relativ niedrig gewünschtem Temperaturzustand des Werkzeuges angewandt.

Bei der Zylindertemperierung wird als Zeitpunkt Z₁ z. B. der Plastifizierbeginn festgelegt, für den Zeitpunkt Z₂ bieten sich die gleichen Varianten wie bei der Werkzeugtemperierung an.

Durch das erfindungsgemäße Temperierverfahren wird die Prozeßstabilität beim Spritzgießen wesentlich erhöht. Die Ausschußquote kann gegenüber der konventionellen Temperiermethode um ca. 30% gesenkt werden. Zykluszeitverkürzungen von ca. 5% führen zu einer beachtlichen Produktivitätssteigerung. Externe Temperiergeräte mit Heizung und Umwälzpumpen werden nur benötigt, wenn hohe Temperiermedientemperaturen erforderlich sind. Infolgedessen verringert sich der spezifische Energieverbrauch des Spritzgießprozesses um ca. 10%. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei Spritzgießmaschinen die Temperierung sowohl des Zylinders als auch des Spritzgießwerkzeuges nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen kann. Beide Prozeßabläufe können somit in ein gemeinsames Steuergerät eingebunden werden, wodurch sich der gerätetechnische Aufwand wesentlich verringert.

Die Erfindung soll nachfolgend näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsschaltbild für die Temperierung eines Spritzgießwerkzeuges und

Fig. 2 ein Funktionsschaltbild für die Temperierung des Zylinders einer Spritzgießmaschine.

In dem Funktionsschaltbild gemäß Fig. 1 ist eine Spritzgießmaschine 1 mit einem Spritzgießwerkzeug 2 dargestellt.

Die Temperierung des Spritzgießwerkzeuges 2 erfolgt über Temperiermedienkreisläufe K₁ bis K_n, wobei der Durchfluß des Temperiermediums für jeden Temperiermedienkreislauf mittels der Magnetventile M₁ bis M_n unterbrochen oder freigegeben werden kann.

In dem Funktionsschaltbild gemäß Fig. 2 ist eine Spritzgießmaschine 1 mit dem Plastifizierzylinder 2′ dargestellt.

Die Temperierung des Plastifizierzylinders 2′ erfolgt über Temperierkreisläufe K₁ bis K_n, wobei der Durchfluß des Temperiermediums für jeden Temperierkreislauf mittels der Magnetventile M₁ bis M_n unterbrochen oder freigegeben werden kann. Der thermische Betriebszustand der Zylinderzonen, die den Kühlkreisen K₁ bis K_n zugeordnet werden, können durch die Heizkreise H₁ bis H_n auf ein vorgegebenes Temperierniveau angehoben werden, bei ausschließlicher Nutzung der Plastifizierabwärme kann auf die Zusatzheizung verzichtet werden.

Das Steuergerät 3 zur Werkzeug- bzw. Plastifizierzylindertemperierung besteht aus den Baugruppen Anpaßstufe, Analog-Digitalwandler (ADU), Recheneinheit (CPU), Eingabeeinheit, Ausgabeeinheit und verschiedenen Schnittstellen. Die funktionelle Einbindung der einzelnen Baugruppen in dieses Gerät und damit in das System Spritzgieß- bzw. Plastifiziervorgang, Temperaturmessung und Anpassung des Temperiermedienstromes ist folgende:
Je Kühlkreislauf K_i (i=1, . . ., n) des Spritzgießwerkzeuges wird an einem, thermisch sowohl durch die eingespritzte Schmelze als auch durch die Kühlung gleichwertig beaufschlagten Meßort möglichst im Bereich der geometrischen Mitte zwischen Formkontur und Kühlkanal bzw. -fläche und im Bereich der Mitte zwischen Temperiermitteleingang und Temperiermittelausgang ein Thermosensor Th_i (i=1, . . ., n) in das Werkzeug eingebracht, der flexibel mit der Anpaßstufe des Steuergerätes verbunden ist. Durch die Anpaßstufe werden die anliegenden thermischen Signale entsprechend der gewählten Sensoren und Übertragungsmaterialien an den angeschlossenen Analog-Digital-Umwandler (ADU) angepaßt. Dieser übermittelt die empfangenen thermischen Signale als elektrische Signale an eine Recheneinheit (CPU), auf der sie verarbeitet werden. Dabei bestimmt die auf der CPU installierte Software, ausgehend vom Integral über dem Temperaturverlauf in einem ausgewählten Referenzzyklus, vom zyklussynchron gemessenen Temperaturverlauf in jedem Folgezyklus und des darüber berechneten Vergleichsintegrales, die Durchflußdauer des Temperiermediums im jeweiligen Temperierkreislauf.

Beginn und Ende des Temperiermediendurchflusses legt die CPU durch Ausgabe von Schaltsignalen an das Magnetventil des jeweiligen Temperierkreises fest. Die Zuordenbarkeit von Meßwerten, Rechenergebnissen und Temperierkreisen ist gewährleistet.

An die CPU gleichfalls angeschlossen sind eine Eingabeeinheit zur Eingabe der Stellgrößen und eine Ausgabeeinheit für die Bedienerführung. In die CPU eingeleitete Signale Z₁ und Z₂ aus der Ablaufsteuerung der Spritzgießmaschine liefern die zeitlichen Bezüge zum Spritzgießprozeß.

Beispiel 1

Auf einer Spritzgießmaschine vom Typ Krauss Maffei 150-620 B wird ein Automobilteil Motorentlüftung aus Polyamid 6.6 hergestellt. Die verfahrenstechnischen Parameter sind folgende:

- Werkzeugauslegung: 2fach
- Masse eines Schusses (2 Formteile + Anguß): 204 g
- Werkzeugmasse: 850 kg
- Spritzdruck: 920 bar
- Einspritzzeit: 1,8 s
- Schließkraft: 1300 kN
- Nachdruck: 750 bar
- Nachdruckzeit: 5,5 s
- Vorlauftemperatur: 37°C
- Zykluszeit: 33 s

Das Spritzgießwerkzeug ist mit vier Temperierkreisläufen ausgerüstet, die über Temperaturfühler mit der Steuereinheit gekoppelt sind. Als Werkzeugsolltemperatur T_soll werden für die Temperierkreise 1 und 2 (Düsenseite) 65°C und für die Temperierkreise 3 und 4 (Fahrseite) 55°C vorgegeben.

Die Werkzeugtemperaturen im Bereich der betreffenden Temperierkreisläufe werden in der geometrischen Mitte zwischen Temperierkanal und Formkontur und in der etwaigen Mitte zwischen Temperiermedieneingang und -ausgang des jeweiligen Kreises gemessen.

Am Beispiel des Temperierkreises 1 soll die Art und Weise der Einbringung der sensoraufnehmenden Bohrung beschrieben werden. In der Mitte zwischen Temperiermitteleingang und Temperiermittelausgang wird die Bohrung zwischen zwei zueinander und zur Werkzeugkontur parallel verlaufende Temperierkanäle in der geometrischen Mitte zwischen beiden Kanälen und senkrecht zur Werkzeugkontur eingebracht. Die Bohrung endet im halben Abstand zwischen Temperierkanal und Werkzeugkontur vor der Werkzeugkontur. Die für den Temperierkreis 1 konkreten Maße sind folgende:

- Mittenabstand zwischen beiden Temperierkanälen: 40 mm
- Abstand zwischen Temperierkanalmitte und Kontur: 40 mm
- Abstand zwischen Bohrungsgrund und Kontur: 20 mm.

Die für die Temperaturmessung notwendigen Bohrungen für die Temperierkreise K₂, K₃ und K₄ wurden analog zu Kreis 1 eingebracht.

Die Messungen erfolgen kontinuierlich über die gesamte Zyklusdauer. Als Reaktion auf die gemessenen Werte werden Temperiermittelimpulse begrenzter zeitlicher Dauer in den zugehörigen Kühlkreislauf eingeleitet.

Im ersten Zyklus der Anfahrphase erfolgt, zum Zeitpunkt Z₁ ("Beginn Nachdruck") beginnend, einen Temperierimpuls t_initfestgelegter Dauer, mit der eine erste vollständige Durchspülung des betreffenden Kühlkreises erzielt wird. Die Dauer des Initialimpulses t_init wird jeweils empirisch aus vorliegenden Erfahrungswerten festgelegt, wobei für dieses Beispiel 5 Sekunden als ausreichend angesehen werden. Im Folgezyklus erfolgt bei Erreichen eines definierten Abstandes der gemessenen mittleren Werkzeugtemperatur zu den vorgegebenen Solltemperaturen von 3 K in den jeweiligen Temperierkreisläufen zum Zeitpunkt Z₁ ("Beginn Nachdruck") die Einleitung eines Temperierimpulses t_ann über eine Zeitdauer von 0,3 Sekunden. Dieser Temperierimpuls von 0,3 Sekunden wird in allen nachfolgenden Zyklen bis zur erstmaligen Überschreitung der vorgegebenen Solltemperatur eingeleitet. Mit Erreichen bzw. Überschreiten der Solltemperatur beginnt die Findung des thermischen Gleichgewichtes im Werkzeug.

Das heißt in den n Zyklen (n=5) nach erstmaligem Erreichen oder Überschreiten der vorgegebenen Solltemperatur wird zum Zeitpunkt Z₁ ein Temperiermittelimpuls t_E eingeleitet, der als Mittelwert aus der Gesamtkühldauer der vorhergehenden fünf Zyklen errechnet und mit einem Faktor K1 bewertet wird, nach der Formel

mit n=5, wobei für K1(j) gilt:
K1(j) = a₀+a₁ _* j für j<6
K1(j) = 1 für j<5

Unter Beachtung der thermischen Trägheit der Wärmeübertragungsvorgänge zu Beginn der stationären Betriebsphase und der daraus häufig resultierenden "Überschwingvorgänge" in der Temperaturregelung wurden für die Konstanten a₀ und a₁ folgende Werte gewählt:

a₀ = 0,25; a₁ = 0,15;

Für K1(j) ergibt sich ein monoton wachsender Verlauf in Abhängigkeit von j, der gewährleistet, daß erst der nach dem 5. Zyklus nach Überschreitung der Solltemperatur errechnete Impulse die zur Einhaltung der vorgegebenen Solltemperatur notwendige Dauer t_D hat. Die Dauer t_D ist gleich dem für den 6. Zyklus nach (5) errechneten Wert t_E, für das Beispiel ist t_D = 12,7 s.

Die Temperierung im Ergebnis des Soll-Ist-Temperaturvergleiches wird von nun an eingestellt.

Für diesen, im Beispiel 6. Zyklus nach Überschreitung der Solltemperatur, wird erstmals das beschriebene Integral WRG(Z₁,t_D) über den Temperaturverlauf errechnet, WRG(Z₁,t_D) = 820,9. Im Folgezyklus erfolgt erneut eine Temperierung der errechneten Dauer t_D und wiederum eine Berechnung des beschriebenen Temperaturintegrales, WRG(Z₁,t_D) = 826,7. Die Differenz beider Integrale (5,8) ist kleiner als ein vorgegebener Wert W_G (W_G = 16,4), das bedeutet, der zuletzt gefahrene Zyklus wird als Referenzzyklus gekennzeichnet, der im Werkzeug bzw. im Zylinder gemessene zeitliche Temperaturverlauf gespeichert und die Anfahrphase gilt als abgeschlossen. In allen Folgezyklen wird zum Zeitpunkt Z₁ des jeweiligen Zyklus der Temperierimpuls der Dauer t_D gestartet, wobei t_D (12,7 s) unter Anwendung des Korrekturverfahrens im Verlauf des jeweiligen Zyklus und bei auftretenden Abweichungen des Temperaturverlaufes zum Temperaturverlauf des sogenannten Referenzzyklus korrigiert wird. Dazu wird jeder Folgezyklus beginnend vom Zeitpunkt Z₁ bis zum Ende der errechneten Temperierdauer t_D in kleinste Zeitintervalle (t_i-1, t_i) der Dauer 0,05 s unterteilt, in jedem Zeitpunkt t_i die Werkzeugtemperatur gemessen und der Wert WRG_ist(t_i-1, t_i) gemäß (1) berechnet.

WRG_ist(t_i-1, t_i) wird permanent für jeden Zeitpunkt t_i und bis zum Ablauf der Temperierdauer t_D mit dem Wert_ref(t_i-1, t_i) des Referenzzyklus und immer zum zyklisch gleichen Zeitpunkt gemäß (2) verglichen. Die Differenz WD(t_i) beider Wertgrößen wird verfahrensgemäß für eine Korrektur der Temperierdauer t_D um die Korrekturzeit t_korr(t_i) im laufenden Zyklus genutzt.

WD(t_i) = WRG_ist(t_i-1, t_i)-WRG_ref(t_i-1, t_i)

t_korr(t_i = K _* (T(t_i)_ist-T(t_i)_ref) _* (t_i-t_i-1) mit K = 1.

Aus den Meß- und Rechenergebnissen werden beispielhaft die Werte T(t_i)_ist, WRG_ist(t_i-1,t_i), WD(t_i), t_korr(t_i) und t_D für den 1., 50., 80., 120. und 200. Meßpunkt des 20. Zyklus des Temperierkreislaufes 1 angegeben.

Wie aus dem Beispiel ersichtlich ist, wird der im Referenzzyklus eingeleitete Temperierimpuls von 12,7 s, der im Referenzzyklus notwendig war, um die vorgegebene Solltemperatur zu halten, im Verlaufe des 20. Zyklus von 12,7 über 12,1, 11,8, 11,6 hin zu 12,0 s korrigiert.

Alle Temperierkreisläufe werden mit Brauchwasser aus dem geschlossenen Kühlwassernetz des Betriebes gespeist, das im Vorlauf eine Temperatur von 37°C aufweist. Der Einsatz eines Temperiergerätes ist nicht erforderlich. Nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wurden im Dauerbetrieb die eingangs genannten Formteile qualitätsgerecht in einer Zykluszeit von 33 Sekunden hergestellt. Die ermittelte Ausschußquote betrug 2,6% und der spezifische Energieverbrauch lag bei 0,59 kWh/kg.

Beispiel 2

Auf einer Spritzgießmaschine vom Typ Krauss Maffei 250-1200 B wird ein Automobilteil Abdeckung aus Polypropylen gefüllt mit 40% Talkum hergestellt. Die verfahrenstechnischen Parameter sind folgende:

- Werkzeugauslegung: 1fach
- Masse eines Schusses (2 Formteile + Anguß): 210 g
- Werkzeugmasse: 770 kg
- Spritzdruck: 800 bar
- Einspritzzeit: 2,0 s
- Schließkraft: 2000 kN
- Nachdruck: 700 bar
- Nachdruckzeit: 3,5 s
- Vorlauftemperatur: 14°C
- Zykluszeit: 26,5 s

Das Spritzgießwerkzeug ist mit vier Temperierkreisläufen ausgerüstet, verfahrensgemäß im Werkzeug plazierte Thermofühler im Bereich eines jeden Temperierkreislaufes sind mit der Steuereinheit gekoppelt. Als Zeitpunkt Z₁ wird "Beginn Nachdruck", als Z₂ das "Ende der Werkzeugsöffnungsbewegung" gewählt. Die Zeitdauer zwischen Z₁ und Z₂ beträgt 19 s. Als Solltemperaturen werden für die Temperierkreise 1 und 2 (Düsenseite) 55°C und für die Temperierkreise 3 und 4 (Fahrseite) 45°C vorgegeben.

Der Verfahrensablauf ist analog wie im Beispiel 1, die Anfahrphase ist nach 8 Zyklen abgeschlossen.

Die in den Folgezyklen errechneten Temperierimpulse erreichen unter dem Einfluß praktisch auftretender Störeinflüsse auf den thermischen Betriebszustand des Werkzeuges eine Dauer zwischen 4,2 s und 7,5 s für die Kreise 1 und 2 und zwischen 5,4 s und 8,0 s für die Kreise 3 und 4.

Alle Temperierkreisläufe werden mit Brauchwasser aus dem geschlossenen Kühlwassernetz des Betriebes gespeist, das im Vorlauf eine Temperatur von ca. 14°C aufweist. Der Einsatz eines Temperiergerätes ist nicht erforderlich.

Nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wurden über einen Produktionstag im Dreischichtbetrieb die eingangs genannten Formteile infolge der erreichten Konstanz des thermischen Betriebszustandes mit optimaler Prozeßstabilität qualitätsgerecht in einer Zykluszeit von 26,5 Sekunden hergestellt. Die ermittelte Ausschußquote betrug 0,85% und der spezifische Energieverbrauch lag bei 0,55 kWh/kg.

Beispiel 3 Fertigung des Formteiles "Dämpfungspuffer" aus einer Gummimischung auf SBR/NR- Kautschukbasis im Spritzgießverfahren

Die verfahrenstechnischen Parameter sind folgende:

Spritzgießmaschine:
- Schließkraft: 850 kN
- Schneckenkolbendurchmesser: 45 mm
- Schneckendrehzahl: 90 U/min
- Staudruck in Prozent: 35%
- Zykluszeit: 45 s

Spritzgießform:
- vollautomatisch ausformend
- elektrisch beheizt

Formteil:
- offen, direkt über Angießsystem angespritzt
- Fachzahl: 24
- Schußgewicht (einschl. Anguß): 0,064 kg

Der Plastifizierzylinder ist mit drei Temperierkreisläufen ausgerüstet, die über verfahrensgemäß in der Zylinderwand plazierte Thermosensoren mit der Steuereinheit gekoppelt sind. Kreis 1 (Masseeinzug) und Kreis 3 (Düsenbereich) sind mit Zusatzheizungen ausgestattet. Als Zeitpunkt Z₁ wird "Plastifizierbeginn", als Z₂ das "Ende der Werkzeugsöffnungsbewegung" gewählt. Die Zeitdauer zwischen Z₁ und Z₂ beträgt 37 s.

Als Zylindersolltemperaturen T_soll werden für

Temperierkreis 1 (Einzugszone): 45°C
Temperierkreis 2 (Erwärmungs- und Verdichtungszone, Beginn Ausstoßzone): 52°C
Temperierkreis 3 (Ausstoßzone und Düsenstock): 60°C

vorgegeben.

Die Einschalttemperatur für die Heizung beträgt: t_soll-2,5 K,
die Ausschalttemperatur beträgt: T_soll-2,0 K.

Die Zylindertemperaturen im Bereich der betreffenden Temperierkreisläufe werden in etwa im Masseschwerpunkt der Zylinderwandung, d. h. bei gegebenem Innendurchmesser von 45 mm und gegebenem Zylinderaußendurchmesser von 90 mm, etwa 15 mm von der Außenwand in radialer Richtung und der etwaigen Mitte zwischen Temperiermedieneingang und -ausgang des jeweiligen Kreises gemessen. Die Temperaturmessung erfolgt kontinuierlich über die gesamte Zyklusdauer. In der Anfahrphase wurde bereits nach wenigen Minuten die Ausschalttemperatur der Zusatzheizungen erreicht, von der ab zu den jeweiligen Zeitpunkten Z₁ der einzelnen Zyklen Temperierimpulse t_ann von 0,3 s eingeleitet wurden, um ein gedämpftes Erreichen von T_soll zu bewirken. Nach Erreichen von T_soll wurde nach dem 5. Zyklus der erstmaligen Solltemperaturüberschreitung der Referenzzyklus ausgewählt und damit die Anfahrphase beendet.

Die in den Folgezyklen errechneten Temperierimpulse erreichen unter dem Einfluß praktisch auftretender Störeinflüsse auf den thermischen Betriebszustand des Plastifizierzylinders eine Dauer zwischen 2,0 s und 5,5 s für den Kreis 1 und zwischen 5,4 s und 8,6 s für die Kreise 2 und 3.

Alle Temperierkreisläufe werden mit Brauchwasser aus dem geschlossenen Kühlwassernetz des Betriebes gespeist, das im Vorlauf eine Temperatur von ca. 14°C aufweist. Der Einsatz eines Temperiergerätes ist nicht erforderlich.

Nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wurden im Dauerbetrieb die eingangs genannten Formteile qualitätsgerecht unter folgenden Parametern hergestellt:

Zykluszeit: 45 s
Ausschußquote: 2,9%
spezifischer Energieverbrauch: 0,60 kWh/kg
zusätzl. Bedienaufwand für Nachstellarbeiten je Schicht: 22 min

Vergleichsbeispiel 1

Analog wie im Beispiel 1 werden die Formteile unter Anwendung der konventionellen Temperierung bei folgenden Temperierbedingungen hergestellt:

- Temperiermethode: 2 zweikreisige Bestelltemperiergeräte
- Temperiermedium: Wasser
- Temperiermedientemperatur: 2 × 55°C, 2 × 60°C.

Die erforderliche Zykluszeit betrug dabei 37 Sekunden. Im Dauerbetrieb wurde eine Ausschußquote von 3,1% erreicht und der spezifische Energieverbrauch lag bei 0,72 kWh/kg.

Vergleichsbeispiel 2

Analog wie im Beispiel 2 werden die Formteile unter Anwendung der konventionellen Temperierung bei folgenden Temperierbedingungen hergestellt, wobei das Werkzeug mittels zweier Beistelltemperiergeräte temperiert wird:

- Temperiermethode: 2 zweikreisige Beistelltemperiergeräte
- Temperiermedium: Wasser
- Temperiermedientemperatur:
2 × 50°C (düsenseitig),
2 × 45°C (fahrseitig).

Die erforderliche Zykluszeit betrug 29 Sekunden. Im Dauerbetrieb wurde eine Ausschußquote von 2,6% erreicht und der spezifische Energieverbrauch lag bei 0,69 kWh/kg.

Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise wird gegenüber der konventionellen Temperierung eine deutlich verbesserte Prozeßstabilität erreicht. Neben der Einsparung an Temperiergeräten, in beiden Beispielen sind es je zwei, besteht der wesentliche Vorteil in einer Verkürzung der Zykluszeit. Gemäß den Beispielen liegt diese bei etwa 10%. Dadurch wird eine erhebliche Produktivitätssteigerung erreicht. Auch die Ausschußquote konnte beträchtlich gesenkt werden. In den Beispielen liegen die erzielten Senkungen der Ausschußquote bei 38 bzw. 67%. Insgesamt ergibt sich dadurch auch eine Senkung des spezifischen Energieverbrauchs, die zwischen 10 und 20% liegt.

Vergleichsbeispiel 3

Analog wie im Beispiel 3 werden die Formteile unter Anwendung der konventionellen Temperierung bei folgenden Temperierbedingungen hergestellt:

- Temperiermethode: ein Beistelltemperiergerät, stetige Temperierung über den gesamten Plastifizierzylinder
- Temperiermedium: Wasser
- Temperiermedientemperatur: 75°C

Im Dauerbetrieb wurden die in Beispiel 2 genannten Formteile unter folgenden Parametern hergestellt:

- Zykluszeit: 52 s
- Ausschußquote: 4,2%
- spezifischer Energieverbrauch: 0,70 kWh/kg
- zusätzl. Bedienaufwand für Nachstellarbeiten je Schicht: 37 min.

Claims (10)

1. Verfahren zur Temperierung von Spritzgießmaschineneinheiten, insbesondere für die Verarbeitung vernetzbarer Polymere, und Formwerkzeugeinheiten für die Kunststoffverarbeitung, mit mindestens einem Temperierkreislauf, wobei die Zylinder- oder Werkzeugtemperatur gemessen und im Ergebnis eines Ist-Sollwertvergleiches der Durchfluß des Temperiermediums verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich die Temperatur an dem für den betreffenden Temperierkreislauf thermisch sowohl von der Schmelze bzw. der erwärmten Formmasse als auch der Temperierung gleichwertig beaufschlagten Ort gemessen wird und nach Erreichen des thermischen Gleichgewichtes der jeweiligen Einheit, im Folgezyklus als Sollwert eine dem Wärmeinhalt der Einheit relevante Wertgröße WRG als Fläche über die in Abhängigkeit von der Zeit vom Zeitpunkt Z₁ bis zum Ablauf einer aus dem Ende des Anfahrmodus ermittelten Temperierdauer t_D gemessene Temperatur eines sogenannten Referenzzyklus ermittelt und gespeichert wird und in allen nachfolgenden Zyklen die durch den Kurvenverlauf des momentanen Istzustandes und die daraus analog zu dem Referenzzyklus ermittelte Fläche mit der im Referenzzyklus ermittelten Fläche verglichen wird und aus der ermittelten Flächendifferenz als Maß für die Abweichung vom Wärmeinhalt des Referenzzyklus der Korrekturwert für die Dauer des für den jeweiligen Zyklus ausgelösten Temperierimpulses t_D bestimmt wird, und der Temperierimpuls t_D zu einem Zeitpunkt Z₁ ausgelöst wird und spätestens zu einem Zeitpunkt Z₂ jede mögliche Temperierung im Zyklus beendet wird, wobei Z₁ und Z₂ Zeitpunkte aus der Maschinenablaufsteuerung sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperierung von Formwerkzeugen für das Spritzgießen als Zeitpunkt Z₁, der Beginn der Nachdruckzeit oder der Beginn des Einspritzvorganges und als Zeitpunkt Z₂ das Ende der Werkzeugöffnungsbewegung festgelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zylindertemperierung von Spritzgießmaschinen als Zeitpunkt Z₁ der Plastifizierbeginn (Beginn der Schneckenrotation) und als Zeitpunkt Z₂ das Ende der Werkzeugöffnungsbewegung festgelegt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitpunkte Z₁ und Z₂ durch die gleichen Signale der Maschinenablaufsteuerung festgelegt werden, wobei der Zeitpunkt Z₂ mit dem Zeitpunkt Z₁ des Folgezyklus identisch ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Meßort für die Temperaturmessung im Bereich der geometrischen Mitte zwischen Formteilkontur (Werkzeugwand) und Temperierkanälen oder Temperierfläche für die Durchströmung des Temperiermediums und im Bereich der Mitte zwischen Temperiermedieneingang und Temperiermedienausgang in einem hinreichend großen Abstand der Formteilkontur befindet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Meßort für die Temperaturmessung in etwa der geometrischen Mitte zwischen Zylinderaußen- und Zylinderinnenwand im mittleren Bereich zwischen Temperiermedieneingang und -ausgang des jeweiligen Temperierkreislaufes befindet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Gleichgewichtszustand während der Anfahrphase zu Beginn des Prozesses durch folgende Verfahrensschritte erreicht wird:

• a) im allerersten Zyklus, zu Produktionsbeginn, wird zum Zeitpunkt Z₁ ein Initialimpuls t_init mit fester Dauer eingeleitet, um eine erste vollständige Durchspülung des betreffenden Temperierkreislaufes zu erzielen,
• b) beim Erreichen eines definierten Abstandes der gemessenen mittleren Temperatur zur vorgegebenen Solltemperatur wird im Folgezyklus zum Zeitpunkt Z₁ ein Temperierimpuls t_ann geringerer zeitlicher Dauer eingeleitet, wobei dieser Impuls gleicher Zeitdauer in allen nachfolgenden Zyklen bis zur erstmaligen Überschreitung der vorgegebenen Solltemperatur eingeleitet wird, um ein gedämpftes Annähern der mittleren Werkzeug- bzw. Zylindertemperatur an die gewählte Solltemperatur zu gewährleisten.
• c) mit Erreichen bzw. Überschreiten der vorgegebenen Solltemperatur wird das Werkzeug bzw. der Plastifizierzylinder mittels einer je Zyklus aktualisierten Vorgabe eines errechneten Temperiermittelimpulses und einer vom aktuellen Soll-Istwertvergleich im Zyklus abhängigen Temperierphase innerhalb einer Anzahl von n-Zyklen in die Nähe des thermischen Gleichgewicht geführt, indem aus der Gesamtdauer der Temperiermittelimpulse einer festgelegten Anzahl unmittelbar vorausgegangener Zyklen das arithmetische Mittel der Temperierdauer je Zyklus ermittelt, mit einem Faktor K1, der den Ausgleich praktisch unvermeidbar auftretender thermischer Störungen auf den Temperaturzustand der Einheit ermöglicht, bewertet und als errechnete Impulsdauer t_E für die Einleitung des Temperiermediums im Folgezyklus zum Zeitpunkt Z₁ genutzt wird.
• d) ist die vorgegebene Anzahl von n Zyklen nach erstmaliger Überschreitung der vorgegebenen Solltemperatur erreicht, wird im Folgezyklus, zum Zeitpunkt Z₁ ein Temperierimpuls der Dauer t_D eingeleitet, wobei t_D gleich dem für diesen Zyklus errechneten Wert t_E ist, und der Wert WRG (Z₁, t_D) wird berechnet und
• e) in dem der erstmaligen Berechnung des Wertes WRG (Z₁1, t_D) folgenden Zyklus, wird der Wert WRG (Z₁, t_D) für den aktuellen Zyklus errechnet und die Differenz beider Werte verglichen, ist diese Differenz kleiner als ein vorgegebener Wert W_G, wird der aktuelle Zyklus als Referenzzyklus festgelegt und der zeitliche Temperaturverlauf im Werkzeug in geeigneter Weise gespeichert und die Anfahrphase gilt als abgeschlossen, andernfalls wird die Anfahrphase mit modifizierten Parametern n und K1 ab Verfahrensschritt c) bis zur Unterschreitung des vorgegebenen Wertes W_G im Verfahrensschritt e) fortgesetzt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während der Anfahrphase bei Vorgabe einer Solltemperatur, die unter der ermittelten Isttemperatur liegt, in allen nachfolgenden Zeitpunkten Z₁ und Z₂ so lange eine ständige Temperierung erfolgt, bis die gemessene Isttemperatur die vorgegebene Solltemperatur erstmalig unterschreitet, wobei nach Unterschreitung der Solltemperatur die Anfahrphase mit der Einleitung des Temperierimpulses t_ann zum Zeitpunkt Z₁ des auf die erste Unterschreitung folgenden Zyklus fortgesetzt wird und mit der erneuten Überschreitung der Solltemperatur und der späteren Auswahl des Referenzzyklus beendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß während des stationären Betriebes in allen Folgezyklen zum Zeitpunkt Z₁ des jeweiligen Zyklus die Temperierung mit der Impulsdauer t_D gestartet wird, wobei in aufeinanderfolgenden kurzen Zeitintervallen zwischen Z₁ bis zum Ende der berechneten Temperierdauer t_D die Temperatur gemessen und das Integral WRG_ist(t_i-1, t_i) berechnet, mit dem Integral des Referenzzyklus zum jeweils zyklisch gleichen Zeitpunkt verglichen und im Ergebnis der ermittelten Differenz die Temperierdauer t_D im laufenden Zyklus korrigiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzheizung vorgesehen ist, die wahlweise vor der Anfahrphase, während der Anfahrphase und der stationären Betriebsphase zuschaltbar ist und nach Erreichen des erforderlichen thermischen Niveaus wieder abgeschaltet wird.