DE69126700T2

DE69126700T2 - Steuerung einer spritzgiessmaschine

Info

Publication number: DE69126700T2
Application number: DE69126700T
Authority: DE
Inventors: Colin Austin
Original assignee: Moldflow Pty Ltd
Current assignee: Moldflow Pty Ltd
Priority date: 1990-03-28
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: US5578256A; JPH05507659A; ATE154908T1; DE69126700D1; EP0522061A4; EP0522061B1; EP0522061A1; JP3431138B2; HK1006792A1; WO1991014562A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Spritzgießmaschine und eine Spritzgießmaschine für die Erzeugung von Formartikeln aus Kunststoff.

Beschreibung des Stands der Technik

Eine Spritzgießmaschine weist typischerweise eine Zylinder- und Kolbenanordnung auf, die eine Kunststoffschmelze durch Verschiebung des Kolbens durch eine Düse in ein Werkzeug oder eine Form zum Angußverteiler- und Anschnittsystem treibt, um so einen bestimmten Artikel zu erzeugen.
Der Vorgang des Gießens eines Gegenstandes in einem Werkzeug umfaßt drei grundlegende Schritte. Diese sind die Füllphase, in welcher der Kunststoff in den Hohlraum des Werkzeugs fließt, die Druckerzeugungsphase und schließlich die Kompensationsphase. Die Druckerzeugungsphase bewirkt die Kompressibilität des Kunststoffes in seinem geschmolzenen Zustand, während die Kompensationsphase die Volumenänderung beim übergang zwischen einem geschmolzenen und einem festen Zustand des Kunststoffes bewirkt.
Ausführungskriterien des Spritzgießprozesses verlangen häufig, daß die zum Einspritzen der Kunststoffschmelze zur Verfügung stehende Zeit sehr kurz ist, vielleicht Bruchteile einer Sekunde, was eine strikte Kontrolle über den Kolben der Spritzgießmaschine notwendig macht. Überdies muß sich der Kolben während der Füllphase mit einer hohen Geschwindigkeit bewegen, um die erforderliche Fließgeschwindigkeit des Kunststoffes zu erreichen, wohingegen sich der Kolben während der Druckerzeugungsphase langsam bewegen muß, um den erforderlichen Kunststoffdruck zu erreichen. Beim Übergang zwischen der Füll- und der Druckerzeugungsphase können übermäßige Druckspitzen auftreten, die beträchtliche Schwierigkeiten verursachen können, welche die Gußqualität beeinträchtigen.
In dieser Beschreibung wird das Gießen eines einzigen Gegenstands als ein Schuß bezeichnet. Ein einziger Schuß beinhaltet die Ausführung mehrerer aufeinanderfolgender Schritte mit sich, die den Gießvorgang bilden und die bei jedem einzelnen Schuß wiederholt werden. Mit einem Schuß konnen ein oder mehrere einzelne Artikel erzeugt werden.
Konstrukteure herkömmlicher Spritzgießmaschinen haben raffinierte Prozeßsteuerungen verwendet, um die Geschwindigkeit oder Verschiebung des Kolbens der Maschine nach einem Profil oder einer Kennlinie einzustellen, die der Prozeßsteuerung eingegeben worden ist. Diese Technik stützt sich meistens auf den Bedienungsmann der Maschine, der die Kolbeneingabekennlinie gemäß einem Verfahren von Versuch und Irrtum korrigieren muß. Bei so einer Technik wird ein Guß durchgeführt, geprüft, und es werden dann auf der Grundlage dieser Beobachtung geeignete oder auf möglichst guter schätzung beruhende Veränderungen vorgenommen. Solch eine Praktik ist beschwerlich und sowohl zeit- als auch materialaufwendig.
Das australische Patent Nr. 435 562 offenbart eine Spritzgießmaschine mit einer Prozeßsteuerung, die Messungen des Höchstdruckes einer plastifizierten Schmelze empfängt und periodisch die Messungen mit einem vorgewählten Höchstdruckpegel vergleicht. Es wird ein Fehlersignal abgeleitet, und es werden automatische Korrekturen an der Einspritzkraft für die nachfolgenden Zyklen der Maschine vorgenommen.
Herkömmliche Techniken sind überwiegend im Bereich der Steuerung des Kolbens entwickelt worden und stützen sich sämtlich auf die Berechnungsvariable (die oft geschätzt wird) als charakteristische Eigenschaft der Kolbendynamik, statt das Verhalten der Kunststoffschmelze selbst zu betrachten. Darin liegt ein besonderer Nachteil beim bisherigen Stand der Technik, daß die tatsächliche Position der Front des Kunststoffstromes beim Eintritt in ein Werkzeug unbekannt ist. Daher muß in Bereichen, wo eine langsame Geschwindigkeit des Einspritzkolbens erforderlich ist (wie die Anschnittregion), die Dauer des langsamen Betriebs verlängert werden, um einen korrekten Guß sicherzustellen. Dies kann eine Abkühlung des Kunststoffes mit einem anschließenden Anstieg der Restspannungen innerhalb des gegossenen Artikels zur Folge haben, sogar in dem Ausmaß, daß das Werkzeug gegebenenfalls nicht vollständig gefüllt wird.
Die japanische Patentanmeldung Nr. 57-142337 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung einer Spritzgießmaschine. Der Innendruck eines Werkzeughohlraums wird gemessen und das Signal wird dann zweimal differenziert. Wenn das zweifach differenzierte Signal gleich 0 ist, was anzeigt, daß der Druck in dem Hohlraum konstant ist, wird die Druckmessung mit einem Bezugssignal verglichen und der Haltedruck der Maschine wird so eingestellt, daß die Abweichung zwischen dem gemessenen und dem Bezugssignal verringert wird.
Die US-A-3859400 offenbart ein Verfahren zur Steuerung einer Spritzgießmaschine, so daß diese in Antwort auf ein Signal, welches das Zeitintervall für die Einspritzphase oder die Kolbenposition am Ende der Einspritzphase repräsentiert, automatisch von der Einspritz- in die Verdichtungsphase überwechselt. Dies ist ein iteratives System, was bedeutet, daß Korrekturund Umschaltsignale in einem ersten Schuß erhalten werden, aber erst beim nächstfolgenden Schuß zur Anwendung kommen, wenn das Umschaltsignal zum automatischen Wechsel verwendet wird und als Bezugssignal zur Gewinnung des Umschaltsignals beim nächsten Schuß dient.
Die US-A-3924840 offenbart eine Steuerung für eine Kunststoff-Gießmaschine. Die Steuerung umfaßt Mittel zur Erfassung von Geschwindigkeits- und Druckfaktoren bezüglich der Kunststoffschmelze, und indem sie die Geschwindigkeits- und Druckfaktoren richtig in Beziehung setzt, liefert die Steuerung eine Viskositätsmessung, die zur Steuerung verschiedener Betriebsparameter der Maschine verwendet wird.
Die JP-A-57-25928 offenbart die Verringerung der Größenstreuung jedes Produkts einer Spritzgießmaschine durch ein Verfahren, bei dem ein Druckmesser in einem Hohlraum eines Werkzeugs vorgesehen ist, bei jedem Gießschuß der Druck gemessen wird und die Standzeit eingestellt wird.
Die Anmelderin hat Computerberechnungsprogramme entwickelt, welche den Spitzgießhohlraum, die Angußverteiler- und Anschnittgestaltung sowie den Strom der Kunststoffe in das Werkzeug simulieren und optimieren. Diese Programme werden in vielen Ländern verkauft tragen die Markennamen MOLDFLOW/FLOW oder MF/FLOW.
Die Programme berücksichtigen die rheologischen, thermischen und physikalischen Eigenschaften (wie die Druck-Volumen-Temperatur-Beziehung und Kompressibilität) der Kunststoffmaterialien Das Berechnungsverfahren greift auf das Füllmuster des Kunststoffes zurück, wenn dieser als eine Funktion von Temperatur, Druck, Schergeschwindigkeit, Spannung und anderen für den Prozeß des Spritzgießens maßgeblichen Faktoren in einen Hohlraum strömt. Die Berechnungsprogramme sagen daher optimierte Gießbedingungen hinsichtlich der Schmelzen- und Werkzeugtemperatur und der Füllgeschwindigkeit des Hohlraums voraus. Insbesondere können diese Programme dazu verwendet werden, eine optimierte oder Bezugsfließkennlinie für das Einspritzen des Kunststoffs an jedem Punkt innerhalb eines Werkzeughohlraums als Funktion der Zeit oder Kolbenverschiebung im voraus zu berechnen.
Die Fließkennlinie ist als Fortbewegung eines Kunststoffes in ein Werkzeug als Funktion der Zeit oder alternativ auf Basis der Verschiebungskontur in dem Werkzeug anzusehen. Die Kennlinie kann entweder auf der tatsächlichen Fortbewegung der Strömungsfront durch das Werkzeug oder auf dem erforderlichen Druck des Kunststoffstromes an einem festen Punkt in dem Werkzeug wie dem Anschnitt basieren.
Auch bei Verwendung der Berechnungssoftware der Anmelderin, die auf äußerst genaue Weise die richtige Angußverteiler- und Anschnittgestaltung des Werkzeughohlraums sowie Schmelzen- und Werkzeugtemperatur und die Bezugskennlinie des plastischen Fließens vorgibt, erfordern herkömmliche Spritzgießmaschinen immer noch ein ständiges Nachstellen zur Korrektur von Abweichungen bei den Gießbedingungen.

Ziele und Offenbarung der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Spritzgießmaschine und eines Verfahrens für den Betrieb einer solchen Maschine, wobei das Spritzgießen optimiert werden kann, so daß Artikel hergestellt werden, die verlangten Ausführungskriterien, der erforderlichen Qualität oder Standzeit entsprechen.
Daher stellt die Erfindung ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Spritzgießmaschine für die Erzeugung von Formartikeln aus Kunststoff bereit, wobei die Maschine einen Kolben und Datenverarbeitungsmittel zur Gewährleistung dieser Optimierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Eingabe einer Kennlinie des plastischen Fließens des geschmolzenen Kunststoffmaterials, aus dem der Artikel oder die Artikel geformt werden sollen, als Bezugsgröße in die Datenverarbeitungsmittel;
Analyse einer an einem unmittelbar vorausgegangenen Schuß der Spritzgießmaschine gemessenen Kennlinie durch die Datenverarbeitungsmittel, um merkliche Veränderungen in der Steigung der gemessenen Kennlinie im Vergleich zur Steigung der Bezugskennlinie zu bestimmen;
Vergleich durch die Datenverarbeitungsmittel von Steigungsveränderungen zwischen der Steigung der Bezugskennlinie und der Steigung der gemessenen Kennlinie als Funktion der Zeit oder Kolbenverschiebung, um einen Einstellwert zu erhalten;
Einstellung der Spritzgießmaschine gemäß dem so erhaltenen Einstellwert; und
Durchführung eines nächsten Schusses der Spritzgießmaschine auf der Grundlage des eingestellten Wertes, um den Betrieb der Spritzgießmaschine genauer zu steuern.
Dieses Verfahren ist in Anspruch 1 dargelegt, dessen Oberbegriff auf dem australischen Patent Nr. 435562 beruht.
Eine bevorzugte Ausführungsform stellt ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Spritzgießmaschine für die Erzeugung von Formartikeln aus Kunststoff bereit, wobei die Maschine einen Kolben zum Treiben eines geschmolzenen Kunststoffmaterials aus einem Reservoir in eine Spritzdüse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren außerdem die folgenden Schritte umfaßt:
Ableitung einer Kolbenverschiebungskennlinie aus der Bezugskennlinie durch die Datenverarbeitungsmittel;
Durchführung eines Schusses;
Messung einer Meßkennlinie des plastischen Fließens an einem oder mehreren vorausgegangenen Schüssen durch Sensormittel;
Analyse der an vorausgegangenen Schüssen gemessenen Kennlinien durch die Datenverarbeitungsmittel, um merkliche Veränderungen in deren Steigung zu bestimmen;
Vergleich durch die Datenverarbeitungsmittel von Steigungsveränderungen zwischen der Bezugskennlinie und der gemessenen Kennlinie als Funktion der Zeit oder Verschiebung, um eine Fehlerfunktion zu erzeugen;
Ableitung einer kompensierten Kolbenverschiebungskennlinie für den nächsten Schuß aus der Fehlerfunktion durch die Datenverarbeitungsmittel;
und
Durchführung des nächsten Schusses auf der Grundlage der Kolbenverschiebungskennlinie.
Vorzugsweise ist das Verfahren außerdem dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vergleichens nur mit der gemessenen Kennlinie des unmittelbar vorausgegangenen Schusses durchgeführt wird.
Die Erfindung stellt ferner eine Spritzgießmaschine für die Erzeugung von Formartikeln aus Kunststoff bereit, wobei die Maschine einen Kolben zum Treiben von geschmolzenem Kunststoffmaterial aus einem Reservoir in eine Spritzdüse aufweist und der Kolben von Steuermitteln gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprit zgießmaschine außerdem umfaßt:
ein Sensormittel zur Messung der tatsächlichen Kennlinie des plastischen Fließens an jedem Schuß; und
Datenverarbeitungsmittel, die Eingangsgrößen aufweisen, welche zumindest der gemessenen Kennlinie und einer Bezugskennlinie für den oder die zu formenden Artikel entsprechen, und während des Betriebs diese an dem unmittelbar vorausgegangenen Schuß gemessene Kennlinie analysieren, um merkliche Veränderungen in der Steigung der gemessenen Kennlinie und der Bezugskennlinie zu bestimmen, die merklichen Steigungsveränderungen zwischen der Bezugskennlinie und der gemessenen Kennlinie als Funktion der Zeit oder Kolbenverschiebung vergleichen, um eine Fehlerfunktion zu erzeugen, eine Kolbenverschiebungskennlinie aus der Bezugskennlinie ableiten, diese Kolbenverschiebungskennlinie mittels der Fehlerfunktion kompensieren, um eine kompensierte Kolbenverschiebungskennlinie zu erzeugen, und diese kompensierte Kolbenverschiebungskennlinie den Steuermitteln zur Verwendung bei einem nachfolgenden Schuß zur Verfügung stellen, wodurch eine genaue Steuerung der Spritzgießmaschine gewährleistet wird.
Diese Maschine ist in Anspruch 8 dargelegt, dessen Oberbegriff auf dem australischen Patent Nr. 435562 beruht.
Die Spritzgießmaschine ist vorzugsweise außerdem dadurch gekennzeichnet, daß eine kompensierte Kennlinie des plastischen Fließens erzeugt wird, um eine neue Kolbenverschiebungskennlinie aus der kompensierten Kennlinie abzuleiten, und daß diese neue Kolbenverschiebungskennlinie den Steuermitteln zur Verwendung bei einem nachfolgenden Schuß zur Verfügung gestellt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zur deutlicheren Beschreibung der Erfindung werden die Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten zeichnungen beschrieben werden, wobei:
Figur 1 eine Querschnittansicht einer einfachen Spritzgießmaschine ist;
Figur 2 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäß konstruierten Maschine ist;
Figur 3 ein Blockdiagramm ist, welches das System von Figur 2 näher erläutert;
Figur 4 ein Flußdiagramm ist, das ein erstes Beispiel für das Verfahren erläutert;
Figur 5 ein Flußdiagramm ist, das ein weiteres Beispiel für das Verfahren erläutert;
Figur 6 eine idealisierte Bezugs-Fließkennlinie ist;
Figur 7 eine tatsächliche Bezugs-Fließkennlinie zeigt, die durch die FLOW-Software bestimmt wurde;
Figur 8 eine mathematische Ableitung der Kennlinie von Figur 6 ist;
Figur 9 die aus der Bezugskennlinie von Figur 6 abgeleitete Kolbenverschiebungskennlinie darstellt;
Figur 10 eine graphische Darstellung ist, die den Vergleich zwischen der Bezugs- und der tatsächlichen Kennlinie veranschaulicht;
Figur 11 die kompensierte Kolbenkennlinie zeigt.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen

Eine erfindungsgemäß konstruierte Maschine arbeitet auf Grundlage der Voraussage der Fortbewegung des Kunststoffstromes in einem Werkzeug während des Gießvorgangs und justiert automatisch die Produktion von Formartikeln unter Berücksichtigung der Systemdynamik und steuert insbesondere die Kolbengeschwindigkeit.
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer einfachen Spritzgießmaschine 10. Ein Trichter 11, in den festes Kunststoffmaterial, gewöhnlich in Pelletform, eingespeist wird, ist auf der nach oben gerichteten Oberfläche des zylindrischen Körpers 12 montiert. Der zylindrische Körper 12 bildet eine Zylinderkammer, in der ein konzentrischer Kolben 13 und eine Schnecke 14 enthalten sind. Die Kunststoffschmelze 16 nimmt den vorderen Raum der Kammer zwischen dem Kolben 13 und der Maschinendüse (oder dem Paßstück am Zylinderende) 17 ein. Die Wände des Körpers 12 sind temperaturgeregelt, um den Kunststoff in einem geschmolzenen Zustand zu halten. Heizelemente zur Gewinnung der Schmelze sind nicht dargestellt.
Der Körper der Spritzgießmaschine ist an einer Formwerkzeugstruktur 19 befestigt, die im wesentlichen zwei Abschnitte umfaßt, welche den Formhohlraum 20 bilden. Die Düse 17 ist mit dem Formhohlraum 20 mittels eines Angusses, Angußverteilern und Anschnitten verbunden, die sämtlich von wechselnden und festgelegten Abmessungen sein können. In dem vorliegenden Beispiel ist eine einfache Darstellung eines solchen Systems als eine einzige Anguß/Angußverteiler/Anschnitt-Kombination 18 gezeigt. Wie der Körper 12 wird die Werkzeugstruktur 19 durch Heizelemente, die wiederum nicht dargestellt sind, auf einer bestimmten Temperatur gehalten.
Der Spritzgießvorgang beinhaltet die Schritte des Einbringens der gewünschten Menge an Kunststoffmaterial in die Zylinderkammer unter Verwendung der Schnecke 14, um eine Schmelze 16 zu bilden. Sobald die Schmelze 16 und das Werkzeug 19 die gewünschte Temperatur erreicht haben, kann der Gießvorgang beginnen. Die Temperaturen der Schmelze 16 und des Werkzeugs 19 spielen eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung des Ergebnisses des spritzgegossenen Produkts.
Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für die Erfindung verkörpert. Die Spritzgießmaschine 10 entspricht dem Gegenstand mit der gleichen Nummer in Figur 1.
Mit der Spritzgießmaschine 10 ist eine Prozeßsteuerung 22 verbunden, die verschiedene Steuersignale wie Schmelzentemperatur, Hohlraumtemperatur und Kolbenverschiebung ausgibt. Die Prozeßsteuerung 22 leistet auch die Ablaufsteuerung und überwacht die hydraulischen Arbeitsvorgänge der Spritzgießmaschine.
Die Rückkopplung von der Spritzgießmaschine 10 zur Prozeßsteuerung 22 stellt eine Regelung der Kolbenverschiebung im geschlossenen Kreis dar.
Sensoren 24 erfassen die Temperaturen des Werkzeugs und der Schmelze, und es erfolgt ebenfalls die zeitliche Messung des Fließdrucks der Düse 17 durch einen an dieser montierten Drucksensor (nicht dargestellt). Dies ist der bevorzugte Ort für den Sensor, da er dann nicht mit jedem neuen Werkzeug ausgetauscht werden muß. Der Sensor könnte von jeder handelsüblichen Art mit dem erforderlichen Frequenzverhalten und der erforderlichen Empfindlichkeit sein und ist typischerweise vom piezoelektrischen Typ. Es kann auch vorzuziehen sein, Druck- oder Mengendurchflußsensoren so in der Formwerkzeugstruktur 19 vorzusehen, daß sie einen Teil der Wand des Hohlraums 20 bilden.
Alle diese Meßfühler sind mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 26 verbunden, bei der es sich um ein Datenerfassungssystem oder ein anderes größeres Gerät auf Mikroprozessorbasis handeln kann. Die Datenverarbeitungseinrichtung verfügt auch über eine Eingabevorrichtung 27, die mit ihr verbunden ist und die ein Mittel darstellt, durch das eine durch die FLOW- Software bestimmte Bezugskennlinie des plastischen Fließens eingegeben wird, wie gleich noch genauer beschrieben werden wird. Geeignete Ausführungsformen der Eingabevorrichtung 27 schließen Speicherung auf optischen Datenträgern oder ein Disketten- oder Festplattenlaufwerk ein, die gewöhnlich in Verbindung mit einer Tastatur betrieben werden. Alternativ könnte die Eingabevorrichtung 27 ein vernetztes Computersystem darstellen. Tatsächlich könnten alle Elemente 22, 26 und 27 ein einziges Datenverarbeitungsmittel wie ein Personalcomputer sein.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 26 gibt ein Analogsignal an die Prozeßsteuerung 22 aus, das die gewünschte zeitliche Kolbenverschiebungskennlinie repräsentiert. Weitere Signale wie Temperatureinstellungen für die Schmelze 16 und das Werkzeug 19 werden an die Prozeßsteuerung 22 übermittelt.
Figur 3 zeigt das System in Form von Funktionsblockelementen. Gleiche Gegenstände tragen dieselben Nummern wie in früheren Figuren.
Block An(t) stellt die Datenverarbeitungseinrichtung 26 dar. Diese und andere Blockelemente sind so dargestellt, als hätten sie mathematische Bedeutung als eine Funktion der Zeit, um den kontinuierlichen Charakter des Verfahrens anzuzeigen. Ferner gibt das tiefgestellte Zeichen n an, daß es auch eine diskrete Betrachtungsweise gibt, insofern als der Vorgang des Spritzgießens in Schüssen erfolgt; das heißt, ein (oder mehrere) Artikel wird (werden) hergestellt, dann kehrt die Maschine in den Ausgangszustand zurück, und der Vorgang wird wiederholt. Demgemäß kann n als eine Menge ganzer Zahlen [n: n = 0, 1, ...] definiert werden.
Das Summationszeichen z repräsentiert die Prozeßsteuerung 22. Die Prozeßsteuerung erfüllt viele weitere Funktionen, jedoch sind diese für den Zweck des vorliegenden Beispiels unwichtig.
Der Block G(t) stellt die Spritzgießmaschine 10 dar, während Pn-1i(t) ein Drucksensor 24 ist, der sich an der Düse 17 befindet. Hn(t) repräsentiert einen Kolbenwegfühler 28, der sonst nirgends dargestellt ist.
Die Eingabe dPr/dt stellt die Druck-Bezugskennlinie des plastischen Fließens über die Zeit dar, wie sie an der Düse bestimmt wird. Obwohl die Zeit als die unabhängige Variable verwendet wird und bei Ableitung einer gewünschten zeitlichen Kolbenverschiebungskennlinie zweckmäßig ist, wäre es ebenfalls annehmbar, die Eingabe als eine Funktion der Kolbenverschiebung vorzusehen.
Die Bestimmung der dPr/dt-Kennlinie erfolgt mittels der Berechnungsprogramme, die von der Anmelderin entwickelt wurden und wie oben erwähnt unter den Markennamen MOLDFLOW/ FLOW oder MF/FLOW erhältlich sind.
Die Kennlinie des plastischen Fließens läßt sich aufgrund der Kompressibilität und Wärmekontraktion des Kunststoffes, wenn dieser aus dem Zylinder in den Hohlraum strömt, nicht direkt auf eine Kolbenverschiebungskennlinie übertragen. Zum Beispiel wird sich in den frühen Einspritzstadien der Kolben 13 vorwärtsbewegen, muß jedoch eine beträchtliche Strecke durchlaufen, um den Kunststoff zu komprimieren, bevor die Geschwindigkeit des Kunststoffes an der Strömungsfront der Geschwindigkeit des Kolbens entspricht. Umgekehrt wird am Ende des Strömungsvorgangs der Druck an der Strömungsfront aufgrund der Ausdehnung des unter Druck stehenden Kunststoffes noch weiterhin hoch sein, nachdem sich der Kolben verlangsamt hat oder zum Stillstand gekommen ist. Dies ist die Funktion, die durch den Block An(t) ausgeführt wird.
Nun ist - angenommen, wir beschreiben das Gießen des ersten Artikels in einem Produktionsablauf - keine Information von dem Meßfühler 24 verfügbar, wenn n = 1, und daher ist (Pact(t))&sub0; = 0 für alle t.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 26 nimmt die Eingabe dPr/dt und leitet eine erste Kolbenverschiebungskennlinie dxram/dt ab. Dies erfolgt durch eine erste konservative Schätzung, die auf der Kompressibilität und Ausdehnung des Kunststoffmaterials beruht (eine bekannte Beziehung, die in der Prozeßsteuerung 22 gespeichert ist). Zu diesem Zeitpunkt wird kein spezieller Versuch unternommen, die Systemdynamik zu kompensieren, vielmehr handelt es sich nur um einen Ausgangspunkt.
Es wird ein erster Schuß durchgeführt, und aufgrund der ersten Schätzung wird die Zeit, die der Kolben 13 bei jeder Geschwindigkeit der Verschiebungskennlinie benötigt, länger sein als die von der FLOW-Software bestimmte optimierte Zeit. Bei nachfolgenden Schüssen werden sich die Zeitpunkte der Geschwindigkeitsänderung zunehmend den optimierten Zeitpunkten annähern. Tatsächlich wird es bei den meisten optimierten Bezugskennlinien deutlich definierte Geschwindigkeitsübergangspunkte geben, die diskrete Bereiche beschreiben.
Während des ersten und auch der nachfolgenden Schüsse gewährleistet die Prozeßsteuerung 22 eine Regelung des Kolbens 13 im geschlossenen Kreis durch die Rückführung des Wertes von dxact/dt über den Wegfühler 28. Der Wert von dxact/dt wird auch an die Datenverarbeitungseinrichtung 26 geliefert, die diese Information zur Bestimmung einer Kolbenverschiebung verwendet, was durch eine einfache Zeitmultiplikation erreicht wird. Es wird eine gemeinsame Zeitachse bestimmt, um einen sinnvollen Vergleich der Bezugskennlinie mit der gemessenen Kennlinie zu ermöglichen. Überdies übermittelt der Meßfühler 24 Informationen, die den tatsächlichen Druck Pact an der Düse 17 betreffen, an die Datenverarbeitungseinrichtung 26, wo diese in dPact/dt umgerechnet und gespeichert werden. Alternativ könnte der Meßfühler 24 vom Typ sein, der die Geschwindigkeit der Veränderung der Druckkennlinie ausgibt.
Vor dem zweiten Schuß, daß heißt n 2, erfolgt ein Vergleich zwischen dPr/dt und (dPact/dt)1, um eine Fehlerfunktion zu erzeugen, wonach eine Justierung erfolgt, um den ausgegebenen Wert von (dxram/dt)2 so zu kompensieren, daß eine engere Annäherung an die durch das FLOW-Berechnungsverfahren bestimmte Bezugskennlinie des plastischen Fließens erreicht wird. Diese Kompensation berücksichtigt Fehler sowohl im Druck- als auch im Zeitbereich.
Sobald der zweite Schuß abgeschlossen ist, wird der Wert von (dPact/dt)2 mit dPr/dt verglichen, und es wird erforderlichenfalls eine weitere Kompensation an (dxram/dt)3 vorgenommen. Der Vergleichs- und Kompensationsprozeß wird gleich noch näher erörtert werden.
Figur 4 ist ein Block-Flußdiagramm, welches das gerade beschriebene Verfahren erläutert. Durch dieses Verfahren kann der Spritzguß ständig optimiert werden und Spritzlinge von gleichmäßig hoher Qualität erzielen, die im wesentlichen den geforderten theoretischen Auslegungsbestimmungen entsprechen. Überdies ermöglicht das Verfahren, daß sich der Kolben während des gesamten Füllvorgangs mit der größtmöglichen Geschwindigkeit und während der unvermeidlich langsamen Geschwindigkeitsabschnitte mit minimaler Zeitvergeudung vorwärtsbewegt, so daß die Werkzeugtemperatur auf größstmöglicher Höhe gehalten wird, was zu schnelleren Produktionszeiten und einer bessere Artikelqualität führt.
Eine Variante des Verfahrens von Figur 4 ist in Figur 5 dargestellt, die vorsieht, daß ein Vergleich zwischen der Bezugskennlinie dPr/dt und der umgerechneten Kennlinie des tatsächlichen Drucks dPact/dt durchgeführt wird. Das Ergebnis des Vergleichs ist die Erzeugung einer kompensierten dP/dt-Kennlinie, von welcher die Kolbenverschiebungskennlinie dxram/dt abgeleitet wird. Dann wird der nächste Schuß durchgeführt und der Vorgang wiederholt.
Das Verfahren von Figur 4 wird nun unter Bezugnahme auf Figur 6 bis 11 näher beschrieben werden.
Figur 6 ist ein Graph des idealisierten oder Bezugs- Düsendrucks Pn als Funktion der Zeit, der hinsichtlich des Mengendurchflusses normalisiert wurde. Es wird angenommen, daß die FLOW-Berechnungssoftware bestimmt hat, daß die in dieser Figur beschriebene Kennlinie für den gegossenen Artikel optimal ist. Der Graph umfaßt drei Abschnitte, die allgemein als A, B und C beschrieben werden. Diese Abschnitte sind stückweise linear und entsprechen der Druckveränderung des Kunststoffstromes an der Düse 17, während der Kunststoff den Hohlraum 20 füllt.
Figur 7 zeigt eine typische reale Bezugsfließkennlinie, wie sie von der FLOW-Software bestimmt wird, und es lassen sich wiederum drei spezifischen Bereiche durch eine Veränderung in der Steigung identifizieren, obwohl jeder Abschnitt nicht notwendigerweise A, B oder C von Figur 6 entspricht. Das Beispiel von Figur 6 ist der Einfachheit halber gewählt worden.
Figur 8 ist ein Graph der Geschwindigkeit der Veränderung (oder Zeitableitung) des normalisierten Düsendruckes, dPn/dt, die in dem Vergleich und zur Ableitung der dxram/dt-Kennlinie verwendet wird. Wiederum sind deutlich die drei Abschnitte zu erkennen und als Ar, Br und Cr bezeichnet, um diese Kennlinie als die berechnete Bezugsvorgabe für das spezielle Werkzeug zu kennzeichnen. Die dP/dt-Kennlinie entspricht der in Figur 3 gezeigten Eingabe gleicher Bezeichnung.
Figur 9 zeigt die von der Datenverarbeitungseinrichtung 26 bestimmte abgeleitete Kolbenverschiebungskennlinie. Wie oben erwähnt, basiert die Ableitung von dxram/dt auf einer konservativen Schätzung der Systemdynamik mittels einer in der Prozeßsteuerung 22 gespeicherten geeigneten mathematischen Transformation. Typischerweise beinhaltet dies die Markierung der Zeitpunkte einer wesentlichen Veränderung in der Steigung der Druckkennlinie, dann die Anwendung einer Zeitverzögerung auf jeden Abschnitt auf stückweiser Basis zusammen mit einer geeigneten Kurvenumformung, um hohe Geschwindigkeiten der Veränderung an diesen Schlüsselpunkten zu verringern, sowie eine Skalierung hinsichtlich der Amplitude.
Der erste Schuß wird unter Verwendung von (dxram/dt)1 durchgeführt, um einen ersten Spritzling herzustellen. Während des Schusses mißt der Meßfühler 24 die tatsächliche zeitlich Kennlinie der Kunststoffströmungsfront, um (Pact(t))&sub0; zu erzeugen, das zur Verwendung im Vergleich für den folgenden Schuß an die Datenverarbeitungseinrichtung 26 übermittelt wird.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 26 kann einen Vergleich auf der Basis von Pr versus Pact oder dPr/dt versus dPact/dt durchführen, je nachdem, wie dies zweckmäßig ist.
In Wirklichkeit ist das System einem beträchtlichen elektrischen Rauschen unterworfen und daher auch dPact/dt. Deshalb ist es zur Analyse dieser Kennlinie und zur Durchführung des Vergleichs erforderlich, durch eine Regressionsanalyse ein gewisses Maß an Kurvenglättung einzuführen, bei der Abschnitte der Kurve durch eine glatte mathematische Funktion zum Beispiel von der Form y = a+Bx+Cx² nachgebildet werden.
Die Vorgangsweise bei Anwendung der Analyse ist es, die gesamte gemessene Kurve dPact/dt zu nehmen und auf diese die Regressionsanalyse zweiter Ordnung anzuwenden. Dies ergibt beträchtliche Fehler an verschiedenen Punkten in der Zeit. Die Kurve wird dann untersucht, um den Punkt zu bestimmen, der den größten Fehler aufweist. Die Kurve wird dann in zwei getrennte Kurven geteilt, und es wird an jedem einzelnen Teil eine weitere Regression zweiter Ordnung durchgeführt, um wiederum einen Punkt des größten Fehlers zu ermitteln. Wenn dieser Fehler immer noch signifikant ist, dann wird dieser spezielle Teil der Kurve nochmals in zwei weitere Unterkurven geteilt usw., bis die ursprüngliche Kurve in eine Anzahl von Unterkurven zerteilt worden ist, die eine gute Übereinstimmung mit dem Ausgleich zweiter Ordnung zeigen.
Figur 10 zeigt nochmals die Bezugskennlinie von Figur 8, über die der gemessene Wert von (dPact/dt)&sub0; für den ersten Schuß gelegt wurde.
Zur Durchführung des Vergleichs (nach Kurvenglättung) werden die folgenden Schritte durchgeführt. Die gemessene dPact/dt-Kennlinie wird in lokalen Bereichen der Kurve analysiert, um alle merklichen Steigungsveränderungen zu identifizieren, die an Schlüsselpunkten auftreten (d.h. Veränderungen zwischen den Abschnitten A, B und C), welche eine Veränderung in der Kolbengeschwindigkeit repräsentieren. Daher ist die tatsächliche Position dieser Punkte, welche die Geschwindigkeitsveränderungen repräsentieren, in bezug auf einen gemeinsamen Zeitnullpunkt bekannt und kann mit der Bezugskennlinie dPr/dt verglichen werden, um hierdurch ein Maß für die Ansprechzeit des Systems zu erhalten. Auf der Grundlage dieses Vergleichs kann die kompensierte dxram/dt-Kennlinie für den nächsten Schuß abgeleitet werden. Beim Ableiten der Kennlinie für den nächsten Schuß würde vorzugsweise ein Sicherheitsfaktor einbezogen werden, wie zum Beispiel ein Schema, durch das eine Fehlerhalbierung erfolgt, um sich über mehrere Schüsse schrittweise der optimierten dxram/dt-Kennlinie anzunähern.
Die Fehlerfunktion wird in der Zeit in bezug auf jeden Schlüsselpunkt ermittelt, und die dxram/dt- Kennlinie wird um, sagen wir, den halben Fehler in der Zeit kompensiert und auch in Geschwindigkeit (oder Druck), womit eine zweidimensionale Verschiebung angestrebt wird, um die Schlüsselpunkte übereinander abzubilden. Die Segmente der Kurve zwischen den Schlüsselpunkten bleiben für die dxram/dt-Kennlinie im wesentlichen die gleichen, wie sie ursprünglich von der Bezugskennlinie dPr/dt abgeleitet wurden.
Eine alternative Methode wäre, die gesamte tatsächliche Kennlinie durch eine x-y Translation zu verschieben, so daß es eine solche Überlagerung der Bezugs- und der tatsächlichen Kurve gibt, daß diese sich an einem bestimmten Punkt schneiden. Die Abweichung zwischen den Kurven in der beschränkten Region um diesen Schnittpunkt kann als Fehlerfunktion genommen werden. Es kann jede weitere Manipulation der tatsächlichen Kennlinie erfolgen, bis die Fehlerfunktion minimiert ist, in welchem Fall die Kurven als sich überdeckend angesehen werden können. Die entsprechenden Verschiebungen bei der Minimierung der Fehlerfunktionen können dann zur Ableitung der kompensierten dxram/dt-Kennlinie für den folgenden Schuß verwendet werden.
Es könnten auch andere wohlbekannte numerische oder adaptive Verfahren beim Vergleich der tatsächlichen Kennlinie und der Bezugskennlinie zur Annäherung an die optimierte dxram/dt-Kennlinie angewendet werden, welche die spezielle Reaktion des Systems als Ganzes berücksichtigt.
Nun, da eine Fehlerfunktion bestimmt worden ist, muß die Kolbenverschiebung für den zweiten Schuß kompensiert werden. Figur 11 zeigt die (dxram/dt)&sub2;-Kennlinie. Entsprechend wiederholt sich das Verfahren für den zweiten Schuß.
Es wäre auch möglich, statt der Alternative der einfachen Verwendung der Kennlinie von dem unmittelbar vorausgehenden Schuß zu Vergleichszwecken tatsächliche dPact/dt-Kennlinien zu summieren und den Vergleich auf Basis einer Mittelwertbildung durchzuführen.
Das oben beschrieben Verfahren entspricht Figur 4, könnte jedoch leicht abgeändert werden, um mit den in Figur 5 dargestellten Schritten übereinzustimmen.
Weitere Vorteile des Systems der vorliegenden Erfindung sind, daß die Spritzgießmaschinen weniger Überwachung erfordern und daß es einen geringeren Artikelausschuß gibt, wodurch beträchtliche Produktionszeit und Material gespart wird.

Claims

1. Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Spritzgießmaschine (10) für die Erzeugung von Formartikeln aus Kunststoff, wobei die Maschine einen Kolben (13) und Datenverarbeitungsmittel (26) zur Gewährleistung dieser Optimierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Eingabe (27) einer Kennlinie des plastischen Fließens des geschmolzenen Kunststoffmaterials, aus dem der Artikel oder die Artikel geformt werden sollen, als Bezugsgröße in die Datenverarbeitungsmittel (26);

Analyse einer an einem unmittelbar vorausgegangenen Schuß der Spritzgießmaschine (10) gemessenen Kennlinie durch die Datenverarbeitungsmittel (26), um merkliche Veränderungen in der Steigung der gemessenen Kennlinie im Vergleich zur Steigung der Bezugskennlinie zu bestimmen;

Vergleich durch die Datenverarbeitungsmittel (26) von Steigungsveränderungen zwischen der Steigung der Bezugskennlinie und der Steigung der gemessenen Kennlinie als Funktion der Zeit oder Kolbenverschiebung, um einen Einstellwert zu erhalten;

Einstellung der Spritzgießmaschine (10) gemäß dem so erhaltenen Einstellwert; und

Durchführung eines nächsten Schusses der Spritzgießmaschine (10) auf der Grundlage des eingestellten Wertes, um den Betrieb der Spritzgießmaschine (10) genauer zu steuern.

2. Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Spritzgießmaschine (10) für die Erzeugung von Formartikeln aus Kunststoff nach Anspruch 1, wobei die Maschine einen Kolben (13) zum Treiben eines geschmolzenen Kunststoffmaterials (16) aus einem Reservoir (12) in eine Spritzdüse (19) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren außerdem die folgenden Schritte umfaßt:

Ableitung einer Kolbenverschiebungskennlinie aus der Bezugskennlinie durch die Datenverarbeitungsmittel;

Durchführung eines Schusses;

Messung einer Meßkennlinie des plastischen Fließens an einem oder mehreren vorausgegangenen Schüssen durch Sensormittel (24);

Analyse der an vorausgegangenen Schüssen gemessenen Kennlinien durch die Datenverarbeitungsmittel (26), um merkliche Veränderungen in deren Steigung zu bestimmen; Vergleich durch die Datenverarbeitungsmittel (26) von Steigungsveränderungen zwischen der Bezugskennlinie und der gemessenen Kennlinie als Funktion der Zeit oder Verschiebung, um eine Fehlerfunktion zu erzeugen;

Ableitung einer kompensierten Kolbenverschiebungskennlinie für den nächsten Schuß aus der Fehlerfunktion durch die Datenverarbeitungsmittel (26); und

Durchführung des nächsten Schusses auf der Grundlage der Kolbenverschiebungskennlinie.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vergleichens nur mit der gemessenen Kennlinie des unmittelbar vorausgegangenen Schusses durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Datenverarbeitungsmittel (26) auf der Grundlage des Vergleichs der Veränderungen in der Steigung eine kompensierte Kennlinie des plastischen Fließens für den nächsten Schuß erzeugt wird;

durch die Datenverarbeitungsmittel (26) aus der kompensierten Kennlinie eine Kolbenverschiebungskennlinie abgeleitet wird; und

auf der Grundlage der Kolbenverschiebungskennlinie ein nächster Schuß durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des vergleichens umfaßt: Identifikation von Punkten der Bezugskennliniensteigung, welche einer maximalen Steigungsveränderung bei der Bezugskennlinie entsprechen, Durchführung einer numerischen Analyse, um die einer maximalen Steigungsveränderung bei der gemessenen Kennlinie entsprechenden Punkte der Meßkennliniensteigung zu identifizieren, welche den genannten Punkten der Bezugskennliniensteigung entsprechen; und Bestimmung der Abweichungen in Zeit oder Kolbenverschiebung bezüglich eines gemeinsamen Nullpunkts.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugskennlinie und die gemessene Kennlinie ein Maß für den Druck der Kunststoffschmelze sind oder damit in Beziehung stehen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Kennlinien mit einem Differential nach der Zeit oder einer Funktion der Kolbenverschiebung in Beziehung stehen.

8. Spritzgießmaschine (10) für die Erzeugung von Formartikeln aus Kunststoff, wobei die Maschine (10) einen Kolben (13) zum Treiben von geschmolzenem Kunststoffmaterial (16) aus einem Reservoir (12) in eine Spritzdüse (19) aufweist und der Kolben (13) von Steuermitteln (22) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzgießmaschine (10) außerdem umfaßt:

ein Sensormittel (24) zur Messung der tatsächlichen Kennlinie des plastischen Fließens an jedem Schuß; und Datenverarbeitungsmittel (26), die Eingangsgrößen (24, 27) aufweisen, welche zumindest der gemessenen Kennlinie und einer Bezugskennlinie für den oder die zu formenden Artikel entsprechen, und während des Betriebs diese an dem unmittelbar vorausgegangenen Schuß gemessene Kennlinie analysieren, um merkliche Veränderungen in der Steigung der gemessenen Kennlinie und der Bezugskennlinie zu bestimmen, die merklichen Steigungsveränderungen zwischen der Bezugskennlinie und der gemessenen Kennlinie als unktion der Zeit oder Kolbenverschiebung vergleichen, um eine Fehlerfunktion zu erzeugen, eine Kolbenverschiebungskennlinie aus der Bezugskennlinie ableiten, diese Kolbenverschiebungskennlinie mittels der Fehlerfunktion kompensieren, um eine kompensierte Kolbenverschiebungskennlinie zu erzeugen, und diese kompensierte Kolbenverschiebungskennlinie den Steuermitteln zur Verwendung bei einem nachfolgenden Schuß zur Verfügung stellen, wodurch eine genaue Steuerung der Spritzgießmaschine (10) gewährleistet wird.

9. Spritzgießmaschine (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine kompensierte Kennlinie des plastischen Fließens erzeugt wird, um eine neue Kolbenverschiebungskennlinie aus der kompensierten Kennlinie abzuleiten, und daß diese neue Kolbenverschiebungskennlinie den Steuermitteln (22) zur Verwendung bei einem nachfolgenden Schuß zur Verfügung gestellt wird.

10. Spritzgießmaschine (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vergleichens nur mit der gemessenen Kennlinie eines dem nachfolgenden Schuß unmittelbar vorausgegangenen Schusses durchgeführt wird.

11. Spritzgießmaschine (10) nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugskennlinie und die gemessene Kennlinie Kennlinien des Drucks der Kunststoffschmelze sind.

12. Spritzgießmaschine (10) nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Kennlinien mit einem Differential nach der Zeit oder einer Funktion der Kolbenverschiebung in Beziehung stehen.