DE4444092C2 - Verfahren und Anordnung zum Temperieren einer Spritzgießform mit wenigstens einer beheizten Düse oder einem Heißkanal - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Temperieren einer Spritzgießform, insbesondere für Kunststoff- und Aluminium-Druckguß, wo­ bei mittels eines Extruders in einem wiederkehrenden Zyklus der aufgeschmolzene Werkstoff unter Druck in die Formausnehmung oder 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 ei­ nen 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 gemessenen Ist-Tem­ peratur von der gewünschten Soll-Temperatur zugeführt wird. Solche Verfahren sind an sich beispielsweise aus der US 4 420 446 oder der US 4 354 812 oder der US 5 055 025 bekannt. Weiterhin beschäftigen sich mit diesem Problem­ kreis die Veröffentlichung des Anmelders "Exakte Temperierung bei ge­ ringem Kostenaufwand" in der Zeitschrift "PLASTverarbeiter", 1984, Nr. 5, Seite 74 bis 81 und die Veröffentlichung von Rolf Roßbach "Konstruktive Auslegung der Temperierkanäle in Hochleistungsspritzwerkzeugen" in "Pla­ ste und Kautschuk", 1988, Seite 132 bis 134.

Ein Verfahren, welches gegenüber dem bekannten Stand der Technik be­ reits eine erhebliche Verbesserung der Temperierung gebracht hat und zwischenzeitlich mit großem Erfolg praktiziert wird, ist aus der deutschen Patentanmeldung P 40 32 562 bekannt. Danach ist vorgesehen, daß über einen Meßfühler eine Mehrzahl von Durchfluß-Steuerventilen für das Kühl- bzw. Heizmedium gesteuert wird, daß die mengenmäßige räumliche Be­ darfsverteilung 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, und daß 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 Durchfluß-Steuerventilen in Abhängigkeit von der festge­ stellten Temperaturabweichung und in Abhängigkeit von dem abgespeicher­ ten, räumlichen Kühl- oder Heizmittel-Mengenverteilungsprofil angesteuert werden. Hierdurch gelingt es, unter Wahrung einer optimalen Spritzguß­ qualität die Taktzeiten zu minimieren.

In neuerer Zeit finden zur Realisierung von angußfreien Spritzlingen zu­ nehmend Spritzwerkzeuge mit einem Heißkanal Verwendung. Derartige Heiß­ kanäle haben den Vorteil von Materialeinsparung aufgrund des Wegfalls der Angußstangen, eines minimalen Punktangusses ohne Ringmarkierung, eines strömungsgünstigen Verhaltens der Thermoplastschmelze bei geringem Druckverlust und eines problemlosen Farb- und Materialwechsels. Proble­ matisch sind derartige Spritzgießwerkzeuge allerdings bei sehr dünnwan­ digen Teilen, wo die Wärmemenge der Schmelze größenordnungsmäßig der Wärmemenge der externen Heizung entspricht, so daß durch die Wärmezu­ fuhr aufgrund der Heizung des Heißkanals die Zyklus-Zeiten letztlich wie­ der verlängert werden, wodurch die von Haus aus gegebenen Vorteile von Spritzwerkzeugen mit Heißluftkanälen wieder kompensiert werden.

Darüber hinaus ergeben sich herkömmlicherweise Probleme dadurch, daß für Heizung und Kühlung jeweils gesonderte Regelungen vorgesehen sind, so daß es zu einem wechselseitigen "Aufschaukeln" der Regelungskreise kommen kann.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren und eine Anordnung, wie sie aus der Patentanmeldung P 43 07 347 an sich bekannt sind, so zu verbessern, daß unter Berücksichtigung der Wärmezufuhr zu dem Heißluftkanal und der hiervon ausgehenden Wärme­ ausbreitung im Spritzwerkzeug das Temperierverhalten so verbessert wird, daß optimal kurze Taktzeiten realisierbar sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß für die Kühlung und Heizung je­ weils eine gesonderte Steuerung mit jeweils einem gesonderten Prozessor vorgesehen sind, daß diese über einen Datenbus miteinander verbunden sind, und daß die zu den einzelnen Formbereichen bei dem jeweils näch­ sten Spritz-Zyklus zuzuführenden Wärmemengen resuitierend aus Heizung und Wärmemenge der Schmelze vorab der Steuerung der Kühlkanäle über­ mittelt wird und die Kühlmittelmengen in Abhängigkeit von diesen vorab übermittelten Wärmemengen für den jeweils darauffolgenden Zyklus gesteu­ ert werden.

Erfindungsgemäß wird also eine Wärmemengenbilanz und abhängig davon eine Kühlmittelmengen-Bilanz eines Spritz-Zyklus realisiert und dafür ge­ sorgt, daß ein Abdriften der Temperatur, insbesondere nach oben, durch Zurverfügungstellung einer angemessenen Menge an Kühlmittel von vornhe­ rein vermieden wird. Dies bedeutet auch, daß sehr bald nach dem Ein­ spritzen die Wärmeenergie aus der Schmelze und dem Heißkanal abgeführt ist und die optimale Temperatur zum Auswerfen des Spritzlings und zum erneuten Einspritzen zur Verfügung steht und dementsprechend sehr kurze Taktzeiten erreicht werden können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß der in der Nähe des Formhohlraums angeordnete Temperaturmeßfühler lau­ fend die Temperatur überwacht, daß diese so erfaßte Temperatur mit einer unteren Temperaturschwelle verglichen wird und, sobald diese untere Tem­ peraturschwelle unterschritten wird, über die Steuerung der Heißkanäle die Heizleistung herabgesetzt wird. Ein Unterschreiten der Temperatur­ schwelle wird als Zeichen dafür angesehen, daß, aus welchen Gründen auch immer, ein von der Taktzeit her an sich anstehender erneuter Spritzvorgang nicht erfolgt ist. Bei derartigen Gegebenheiten besteht die Gefahr, daß die erwärmte Spritzgießmasse im Heißkanal verkokt und es zu Verstopfungen kommt. Dies wird durch die erfindungsgemäß bewerkstelligte Herabsetzung der Heizleistung zuverlässig vermieden.

Günstigerweise ist weiterhin vorgesehen, daß zur Steuerung der Kühlmit­ telmengen eine Energiebilanz des Spritzzyklus erstellt wird. Dieses Vor­ gehen liefert deutlich bessere Ergebnisse als herkömmliche Verfahren, bei welchen mit einer Wärmestrombilanz gearbeitet wird.

Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, daß eine differenzierte Erfassung der Temperaturgradienten zwischen der Kavität und den Außenflächen in Ab­ hängigkeit davon erfolgt, ob es sich um eine Formplatte, eine Zwischen­ platte oder eine entfernte Platte des Spritzwerkzeugs handelt. Es können dementsprechend Kühlkanäle, die nicht direkt an der Kavität angeordnet sind, in der Energiebilanz berücksichtigt werden, d. h. die Temperaturdif­ ferenzen zwischen dem Medium und den Kühlkanälen und den betreffenden Plattenbereichen werden erfaßt. Die Zeit für den Wärmedurchgang und -übergang kann bestimmt werden. Weiterhin läßt sich der optimale Ab­ stand der Kühlkanäle zueinander unter Berücksichtigung der Wärmeablei­ tung aus zum Kühlkanal entfernten Kavitätsbereichen innerhalb der Zyk­ luszeit berechnen.

Mit Vorteil ist weiterhin vorgesehen, daß bei der Erfassung des Wärme­ übergangs in den Kühlkanälen unterschiedliche Wärmeübergangskoeffizien­ ten für stehendes und fließendes Kühlmittel, insbesondere Wasser, be­ rücksichtigt werden.

Eine Anordnung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß das Steuermodul für die Heizung und das Steuermodul für die Kühlung jeweils einen gesonderten Mikroprozessor auf­ weisen, welche über einen Datenbus miteinander verbunden sind.

Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung günstigerweise vorgesehen sein, daß in dem Kühlmittel-Vorlauf und dem Kühlmittel-Rücklauf je ein zusätz­ licher Temperaturfühler angeordnet ist. Hierdurch können anhand der festgestellten Temperaturerhöhungen in Verbindung mit der Mengenmessung die Wärmeenergien und die Wärmeübergangskoeffizienten am Werkzeug er­ mittelt werden. Darüber hinaus können bei der Berechnung der Impulslän­ gen die so ermittelten Wärmeenergien berücksichtigt und zusammen mit den vorkalkulierten Impulslängen angesetzt werden.

Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, daß ein weite­ rer Temperatursensor an der Außenkontur des Werkstücks plaziert wird. Dementsprechend kann anhand der festgestellten Temperatur die abzufüh­ rende Enthalpie aus hinterlegten Tabellen in Verbindung mit dem aktuel­ len Maschinenzyklus berechnet werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemaßen Spritzgieß­ form mit zugeordneter Temperieranordnung und

Fig. 2 ein Diagramm zweier aufeinanderfolgender Spritz-Zyklen, darge­ stellt anhand des Temperaturverlaufes in Abhängigkeit von der Zeit und in Verbindung mit der Wärmemengenzufuhr in den einzel­ nen Kanälen.

In Fig. 1 ist ein Spritzgießwerkzeug 1 dargestellt, welches zwei Formteile 2, 3 umfaßt, nämlich ein äußeres Formteil 3 und ein Kern-Formteil 2, welche sich in Richtung der Pfeile 4 bzw. 5 zum Öffnen der Form und zur Entnahme des Formteils aus dem Formhohlraum 6 voneinander entfernen bzw. öffnen lassen. Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Gießform ist für Kunststoff bestimmt, wobei der Kunststoff über einen Heißkanal 7 zu­ geführt wird, der über Heizwicklungen 8 beheizt wird.

Zum Temperieren der Formteile 4, 5 dienen Kreisläufe K1, K2, K3 und K4, wobei das Temperiermedium, wie anhand des Kreislaufes K4 dargestellt, über eine Verteileranordnung 9, wie sie beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung P 40 32 562 bekannt ist, auf einzelne Kanalabschnitte 10, 11, 12, 13 verteilt werden kann. Mittels eines nahe dem Formhohlraum 6 angebrachten Temperaturfühlers 14 wird die Temperatur im Bereich des Formhohlraums 6 laufend erfaßt.

Eine Gesamt-Steuerung 15 umfaßt ein Steuermodul 16 in Form einer Steck­ karte mit einem gesonderten Mikroprozessor und ein Kühlungs-Steuermodul 17 in Form einer Steckkarte, welches ebenfalls einen gesonderten Mikro­ prozessor aufweist. Beide Module 16, 17 sind über einen Datenbus 18 un­ tereinander und über weitere Busleitungen 19, 20 mit einer zentralen Ein­ gabe-Einheit 21 umfassend einen Touch-Screen 22 verbunden.

Das Heizmodul 16 wirkt auf die Heizung (Heizwendeln 8) des Heißkanals ein sowie auf nur angedeutete Vorheizelemente 23 für die Schmelze.

Das Kühlmodul 17 wirkt auf Ventilanordnungen 24, 25 ein. Die Ventilan­ ordnung 25 steuert die Kreisläufe K1 und K2 und die Ventilanordnung 24 die Kreisläufe K3 und K4. Die Ventilanordnungen ermöglichen es, die Kühlmittelmenge und damit auch die durch die Kühlung abzuführende Wär­ memenge über die Öffnungsdauer der Ventile und/oder den Öffnungsquer­ schnitt der Ventile zu steuern.

In Fig. 2 ist der Temperaturverlauf in Grad Celsius in Abhängigkeit von der Zeit t in Sekunden für zwei Spritzzyklen aufgetragen, wobei ein Spritzzyklus gebildet wird durch das Einspritzen des flüssigen Kunststoffs in die leere Spritzform bzw. den Hohlraum des Spritzwerkzeuges, durch das Aushärten des Formlings und das Ausstoßen desselben, bis wieder ein leerer Formhohlraum vorliegt und ein erneuter Einspritzvorgang statt­ finden kann. Dabei wird deutlich, daß nach dem Einspritzen des heißen, flüssigen Kunststoffes über den Heißkanal die Temperatur, die von dem Meßfühler 14 in der Nähe des Formhohlraumes gemessen wird, zunächst bis zu einem Maximalwert ansteigt und nach dem Erkalten der Schmelze und deren Auswerfen wieder auf die Ausgangstemperatur absinkt.

Unterhalb der Zeitachse, die der Temperatur zugeordnet ist, also unter­ halb der in Fig. 2 oberen Zeitachse, ist für die einzelnen Kreisläufe K1 bis K4 des Temperiermediums die Energiebilanz aufgetragen.

Im Kreislauf K1, der im Übergangsbereich zwischen der Formausnehmung 6 und dem Heißluftkanal 7 verläuft, umfaßt diese Energiebilanz einerseits die Schmelzwärme der zugeführten Schmelze und andererseits den prozen­ tualen Anteil der Heizleistung der Heizwendeln 8 des Heißluftkanals 7, wobei diese Wärmemenge über ein entsprechendes Kühlmittelvolumen je Zyklus bzw. Zeitspanne des Zyklus abgeführt werden muß.

Im Kreislauf K2 ist der prozentuale Anteil der Heizleistung der Heizwen­ deln 8 mit einem entsprechenden Kühlvolumen zu berücksichtigen, wohin­ gegen in den Kreisläufen K3 und K4 nur die der zugeführten Schmelze in­ newohnende Wärmemenge abgeführt werden muß.

Erfindungsgemaß werden die entsprechenden Wärmemengenanteile von dem Heizungsmodul nach einem ersten Zyklus I vor dem jeweils folgenden Zyk­ lus, z. B. dem Zyklus II, über den Datenbus 18 an das Kühlmodul 17 ge­ geben, so daß das Kühlmodul 17 seine anteiligen Kühlmittelmengen exakt so voreinstellbar dosieren kann, daß möglichst genau die zu erwartende Wärmemenge wieder abgeführt wird und dementsprechend in einer möglichst kurzen Taktzeit die Formwandung wieder die gewünschte Ausgangstempera­ tur aufweist.

In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden die Steuer­ module für Heizung und Kühlung als gesonderte Steckkarten beschrieben. Wenn Prozessoren mit hinreichender Kapazität zur Verfügung stehen, ist es im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auch möglich, innerhalb eines Prozessors sowohl die Heizregelung als auch die Kühlregelung vorzuneh­ men.

Claims (8)

1. Verfahren zum Temperieren einer Spritzgießform, insbesondere für Kunststoff- und Aluminium-Druckguß mit wenigstens einer beheizten Düse oder einem Heißkanal, wobei mittels eines Extruders in einem wie­ derkehrenden Zyklus der aufgeschmolzene Werkstoff unter Druck in die Formausnehmung oder die Formausnehmungen der Spritzgießform einge­ bracht wird, dort aushärtet, aus der Form entfernt und mit Beginn eines neuen Zyklus wieder unter Druck geschmolzener Werkstoff zugeführt wird, wobei über wenigstens einen Temperaturmeßfühler die Temperatur während des Zyklus gemessen und mit einer vorgegebenen Soll-Temperatur vergli­ chen wird, und wobei Kühl- oder Heizmedium in Abhängigkeit von der Ab­ weichung der gemessenen Ist-Temperatur von der gewünschten Soll-Tempe­ ratur zugeführt wird, wobei vorzugsweise über einen Meßfühler eine Mehr­ zahl von Durchfluß-Steuerventilen für das Kühl- oder Heizmedium gesteu­ ert wird, die mengenmäßige räumliche Bedarfsverteilung an Kühlmittel be­ zogen auf die jeweils verwendete Form und die in dieser Form vorgesehe­ nen Kanäle für das Kühl- oder Heizmittel empirisch oder rechnerisch er­ mittelt wird, und bei jedem Zyklus an wenigstens einem Zeit­ punkt der Zyklus-Periode ein Vergleich von Soll- und Ist-Temperatur des einen Meßfühlers vorgenommen wird und die Mehrzahl von Durchfluß-Steu­ erventilen in Abhängigkeit von der festgestellten Temperaturabweichung und in Abhängigkeit von dem abgespeicherten, räumlichen Kühl- oder Heizmittel-Mengenverteilungsprofil angesteuert werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Kühlung und Heizung jeweils eine gesonderte Steu­ erung mit jeweils einem gesonderten Prozessor vorgesehen sind, und daß die zu den einzelnen Formbereichen bei dem jeweils nächsten Spritz-Zyklus zuzuführenden Wärmemengen resultierend aus Heizung und Wärmemenge der Schmelze vorab der Steuerung der Kühlkanäle übermittelt wird und die Kühlmittelmengen in Abhängigkeit von diesen vorab übermittelten Wärme­ mengen für den jeweils darauffolgenden Zyklus gesteuert werden.

2. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem in der Nähe des Formhohlraums angeordneten Temperaturmeß­ fühler laufend überwachte Temperatur mit einer unteren Temperaturschwel­ le verglichen wird und, sobald diese untere Temperaturschwelle unter­ schritten wird, über die Steuerung der Heißkanäle die Heizleistung herab­ gesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizlei­ stung derart geregelt herabgesetzt wird, daß die Temperatur auf einen zweiten unteren Soll-Wert eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steue­ rung der Kühlmittelmengen eine Energiebilanz des Spritzzyklus erstellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine diffe­ renzierte Erfassung der Temperaturgradienten zwischen der Kavität und den Außenflächen in Abhängigkeit davon erfolgt, ob es sich um eine Formplatte, eine Zwischenplatte oder eine entfernte Platte des Spritz­ werkzeugs handelt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tempera­ turdifferenzen zwischen dem Medium in den Kühlkanälen, die nicht direkt an der Kavität angeordnet sind, und den korrespondierenden Plattenberei­ chen des Formwerkzeugs berücksichtigt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Er­ fassung des Wärmeübergangs in den Kühlkanälen unterschiedliche Wärme­ übergangskoeffizienten für stehendes und fließendes Kühlmittel, insbe­ sondere Wasser, berücksichtigt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängig­ keit von einer zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Spritzzyklen gemessenen Temperatur über die Steuerung die Heizelemente des Heißkanals geschaltet werden.