HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Spritzgießverfahren zum Formen bzw. Spritzen eines Gegenstands mittels
einer Spritzgießmaschine.
Beschreibung des relevanten Stands der Technik:
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Ein herkömmliches Spritzgießverfahren wendet eine solche
Steuerung oder Regelung an, bei welcher die
Spritzgeschwindigkeit unmittelbar vor dem (vollständigen) Füllen des
Formraums herabgesetzt und der Druck vom Spritzdruck auf den
Haltedruck in Abhängigkeit von einem das Füllen des Formraums
anzeigenden Signal umgeschaltet werden. Solche, das
(vollständige) Füllen des Formraums anzeigende Signale sind z.B.
ein die Schneckenstellung anzeigendes Signal, ein den
Spritzlastdruck angebendes Signal, ein den Innendruck des Angusses
bzw. Hauptkanals oder des Formraums anzeigendes Signal oder
ein den Öffnungsgrad der Form repräsentierendes Signal.
Wahlweise wird der Spritzdruck entsprechend dem Öffnungsgrad der
Form in der Haltedruckanlegestufe des Spritzvorgangs
eingestellt. Die Regelung des Spritzdrucks erfolgte somit auf der
Grundlage eines einzigen Faktors, obgleich das Harz vor und
nach dem Ausfüllen des Formraums ein kompliziertes Verhalten
zeigt. Folglich war es unmöglich, Defekte wie Preßgrate,
ungenügende Füllung bzw. unvollständiges Spritzteil und
Einsackstellen gleichzeitig in einem zufriedenstellenden Maße
zu beseitigen.
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Gemäß Fig. 2 erfordert das herkömmliche
Spritzgießverfahren im wesentlichen eine Wartezeit, in welcher das Füllen
mit einer sehr geringen Geschwindigkeit
(Niedergeschwindigkeit- bzw. Langsamfülimodus) unter einem Druck fortgesetzt
wird, der ausreichend niedrig ist, um die Entstehung von
Preßgraten (vgl. Fig. 4) zu vermeiden, bis die Gase im
Gasraum 11 innerhalb des Formraums 6 vollständig durch das Harz
ersetzt (bzw. verdrängt) sind. Es ist auch darauf
hinzuweisen, daß eine zu frühe Senkung des Drucks vom
Primärspritzdruck oder ein zu frühes Umschalten auf den Langsamfüllmodus
infolge einer Erhöhung der Viskosität des Harzes am
dünnwandigen Abschnitt 12 zu ungenügender Füllung (short shot)
führen kann. Mit anderen Worten: es ist nicht zulässig, die
Herabsetzung des Spritzdrucks oder das Umschalten auf den
Langsamfüllmodus zu zeitig vor dem (vollständigen) Füllen des
Formraums vorzunehmen.
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Wenn die (Spritz-)Form gemäß Fig. 3 mehrere Formräume
aufweist, kann es in einem oder mehreren Formräumen 6a auch
nach dem Füllen der anderen Formräume 6a zu einer
ungenügenden Füllung 13 kommen. Dabei ist eine lange Wartezeit
nötig, bis der oder die ungenügend gefüllte(n) Formraum oder
Formräume 6a vollständig gefüllt ist bzw. sind, weil dieses
Füllen unter einem ausreichend niedrigen Druck erfolgen muß,
um die Entstehung von Preßgraten (burrs) in den bereits
vollständig gefüllten Formräumen 6a zu vermeiden.
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Wenn gemäß den Fig. 1, 2 und 4 der Formraum vollständig
gefüllt worden ist, ist das Harz so verdichtet bzw.
komprimiert worden, daß es - wie in Fig. 4 durch Pfeile angedeutet
- bestrebt ist, zur Schnecke 16 zurückzufließen. Mit anderen
Worten: auf die Schnecke 16 wird eine Gegenwirkkraft
ausgeübt. Diese Erscheinung ist häufig zu beobachten, wenn die
Betriebsart bzw. der Modus auf den Haltedruckmodus
umgeschaltet worden ist. Sobald es aufgetreten ist, erschwert
ein solches Rückfließen des Harzes das vollständige Füllen
dünnwandiger Bereiche des Formraums unter Herbeiführung von
Defekten wie ungenügende Füllung 13 oder Einsackstellen 14.
Es ist folglich notig, geeignete Maßnahmen zur Verhinderung
eines Rückfließens des Harzes, das durch
Rückwärtsverschiebung der Schnecke 16 zugelassen wird, zu ergreifen.
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Fig. 4 zeigt den Zustand des Harzes, das den Formraum
ausgefüllt hat, wobei sich jedoch an der mit der Formwand in
Berührung stehenden Harzoberfläche noch keine Schale oder
verfestigte bzw. erstarrte Oberflächenschicht gebildet hat.
Fig. 5 zeigt dagegen den Zustand, in welchem sich die
erstarrte Oberflächenschicht 10 gebildet hat. Die erstarrte
Oberflächenschicht 10 beginnt sich innerhalb von 0,1 - 0,2 s
nach Erreichen des Zustands gemäß Fig. 4 zu bilden. Der
mögliche Packungs- bzw. Füllungsgrad (degree packing), d.h.
der Grad der Druckfüllung, des Harzes erhöht sich daher in
Abhängigkeit von der Zunahme der Dicke der erstarrten
Oberflächenschicht 10.
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Ein(e) bisherige(s) Verfahren und Vorrichtung zum
Spritzgießen von Kunststoffen sind in DT 25 32 429 A1
beschrieben. Bei diesem bekannten Spritzgießverfahren schaltet
eine Prozeßsteuerung von einer Spritzgeschwindigkeitsregelung
auf eine Spritzdruckregelung um, wobei vor dem Umschalten von
der Spritzgeschwindigkeitsregelung auf die
Spritzdruckregelung die Spritzgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit einer
Führungsgröße (command value) derselben durch Regulieren der
Austragmenge des geschmolzenen Harzes mittels eines Ventils
geregelt wird. Nachdem der Spritzformdruck eine vorbestimmte
Größe erreicht hat, wird der Spritzdruck in Übereinstimmung
mit der Führungsgröße dafür geregelt. Die Prozeßsteuerung
oder -regelung erfolgt somit bei diesem bekannten Verfahren
auf der Grundlage jeweils (nur) eines einzigen Regelfaktors
oder -parameters.
ABRISS DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe dieser Erfindung ist damit die Schaffung
eines Spritzgießverfahrens zum Formen bzw. Spritzen eines
Gegenstands mittels einer Spritzgießmaschine, wobei die
Steuerung oder Regelung entsprechend der geforderten, von
Zeit zu Zeit variierenden Charakteristik des Harzes in der
(Spritz-)Form durchgeführt wird, um damit den größtmöglichen
Grad der Druckfüllung des Harzes zu erreichen, dabei aber die
Entstehung von Preßgraten am Spritzling zu minimieren und die
ungenügende Füllung zu mindern.
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Zu diesem Zweck wird mit dieser Erfindung ein
Spritzgießverfahren zum Formen bzw. Spritzen eines Gegenstands
mittels einer Spritzgießmaschine geschaffen, wie es im
Anspruch 1 definiert ist.
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Folglich wird dabei die Regelung aufgenommen, nachdem
eine oder mehrere Größen wie Formöffnungsgrad,
Schneckenstellung und Spritzdruck im Augenblick unmittelbar vor dem
Füllen des Formraums vorbestimmte Werte erreicht haben.
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Wenn der Spritzdruck als Führungsparameter geregelt
wird, wird der Formöffnungsgrad auf eine Größe eingestellt,
die ein Ablassen oder Entlasten (relief) von Gasen zuläßt,
aber die Entstehung eines Preßgrats an der Formtrennfläche
verhindert; nachdem der Formöffnungsgrad den Sollwert
erreicht hat, wird die Regelung auf einen Modus umgeschaltet,
in welchem unter Heranziehung des Formöffnungsgrads als
Regelführung(sgröße) der Spritzdruck als untergeordneter
Parameter unter einer solchen Einschränkung geregelt wird,
daß der Spritzdruck innerhalb des Bereichs liegt, der keine
Entstehung eines örtlichen Preßgrats zuläßt. Vor einer
Regelung des Spritzdrucks als Führungsparameter erfolgt eine
Regelung zum Regeln der Spritzgeschwindigkeit; wenn (dann)
ein Sollwert des Spritzdrucks erreicht ist, wird die Regelung
automatisch auf einen Modus umgeschaltet, in welchem der
Spritzdruck geregelt wird, während die Spritzgeschwindigkeit
als untergeordneter Parameter geregelt wird, so daß das Harz
nicht zurückfließt, oder so, daß die Absolutgröße der
Geschwindigkeit des Zurückfließens des Harzes kleiner ist als
eine vorbestimmte, höchstzulässige Größe.
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Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile dieser
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand
der beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 eine Schnittansicht eines Beispiels einer (Spritz-)
Form zur Verwendung bei einer Spritzgießmaschine,
auf welche diese Erfindung angewandt ist,
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Fig. 2 eine Schnittansicht zur Darstellung des Zustands
des Harzes im Formraum,
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Fig. 3 eine Schnittansicht zur Darstellung des Zustands
des Harzes in einer Form mit mehreren Formräumen,
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Fig. 4 eine Schnittansicht des Zustands des Harzes in
einem Formraum zur Veranschaulichung der Art und
Weise der Entstehung von Preßgraten,
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Fig. 5 eine Schnittansicht des Zustands, in welchem sich
eine erstarrte Oberflächenschicht am Harz im
Formraum gebildet hat, und
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Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung,
wie Spritzdruck, Spritzgeschwindigkeit und
Öffnungsgrad der Form zeitabhängig geändert werden.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gemäß Fig. 1 wird geschmolzenes Harz bzw. Harzschmelze
durch eine Düse 2 über einen Angußkanal 3, einen Hauptkanal 4
sowie Stege (gates) 5 in einen Formraum 6 in einer Spritz-
Form 1 eingefüllt, um den Formraum 6 auszufüllen. Wenn der
Formraum 6 nahezu vollständig gefüllt worden ist, wird die
Form 1 in der Öffnungsrichtung von einem Gegen-Formteil
hinweg etwas zurückgedrückt, so daß an der Trennfläche 7 ein
sehr kleiner Spalt entstehen kann. Die Größe dieser
Rück(wärts)bewegung wird als "Öffnungsgrad" der Form bezeichnet.
Letzterer wird durch ein(e) an der Form 1 mittels eines
Magneten 8 angebrachte(s) Zeigermeßgerät bzw. Meßuhr 9
detektiert, d.h. gemessen und durch einen Geber am Meßgerät 9
übertragen.
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Gemäß Fig. 6 wird ein Formöffnungsgrad, wie bei 17
(gezeigt), als Kriterium zum Bestimmen, ob der Formraum nahezu
vollständig gefüllt worden ist, eingestellt. Diese
Stell- oder Sollgröße 17 des Formöffnungsgrads kann durch den
Spritzlastdruck oder die Schneckenstellung ersetzt werden.
Wenn diese Sollgröße des Formöffnungsgrads erreicht ist, wird
eine Steuerung oder Regelung zum Regeln der folgenden drei
Faktoren oder Parameter eingestellt:
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A) Spritzgeschwindigkeit (dieser Parameter kann
programmiert sein, obgleich er bei der dargestellten
Ausführungsform festgelegt ist).
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B) Spritzdruck (dieser Parameter kann programmiert sein,
obgleich er bei der dargestellten Ausführungsform
festgelegt ist. Im Fall einer elektrischen
Spritzgießmaschine kann die Stromgröße oder das
Motordrehmoment anstelle des Spritzdrucks benutzt
werden).
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C) Formöffnungsgrad (dieser Parameter kann programmiert
sein, obgleich er bei der dargestellten Ausführungsform
festgelegt ist).
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Wenn sich gemäß Fig. 6 der Formöffnungsgrad nach
Spritzbeginn dem Sollwert 17 (5 - 10 µm im Fall eines ABS-Harzes)
angenähert ist, wird die Spritzgeschwindigkeit A auf der
Grundlage des Sollwerts A&sub1; (etwa 10 mm/s im Fall von ABS-
Harz) der Spritzgeschwindigkeit mit Rückkopplung geregelt.
Eine Erhöhung des Lastwiderstands führt zu einem Anstieg des
Spritzdrucks, so daß dieser einen Sollpegel oder -wert P1
(1418,5 bar (1400 atm) im Fall eines Spritzharzes) erreicht.
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Wenn dieser Spritzdruck erreicht ist, erfolgt eine
Rückkopplungsregelung unter Heranziehung des Spritzdrucks als
Führungsparameter, so daß der Spritzdruck gemäß einer
vorgegebenen oder Sollfunktion von P = F(t) unter den Bedingungen
der folgenden Formel "S" (bzw. S1) geregelt wird:
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O oder Sollwert - A&sub2; (3 mm/s im Fall von ABS-Harz)
≤ Spritzgeschwindigkeit ≤ Sollwert A&sub1; ... S1.
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Der Höchstwert Pmax des Spritzdrucks beträgt 2026,5 bar (2000
atm).
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Der höchstzulässige Spritzdruck (höchster Druck
innerhalb eines Bereichs, bei dem keine Entstehung von Preßgraten
auftritt) zu einem Zeitpunkt to unmittelbar vor dem
(vollständigen) Füllen des Formraums ist mit P1 bezeichnet,
während der höchstzulässige Spritzdruck (höchster Druck
innerhalb eines Bereichs, bei dem keine Entstehung von
Preßgraten auftritt) zu einem Zeitpunkt, zu dem sich die
erstarrte Oberflächenschicht bei Berührung mit der Formwand bildet,
mit P&sub2; bezeichnet ist. Die Erfinder vorliegender Erfindung
haben herausgefunden, daß der Druck P2 entsprechend einer
Zunahme der Dicke der erstarrten Oberflächenschicht und
entsprechend einer Zunahme der Viskosität des Harzes
ansteigt.
Bei dieser Ausführungsform wird der Druck P2 in
Übereinstimmung mit einer in einem Zeitgeber 18 eingestellten
oder vorgegebenen Zeitgröße, z.B. 0,3 s, linear geändert.
Ersichtlicherweise kann jedoch auch eine andere Funktion der
Zeit für die Regelung bzw. Einstellung des Drucks benutzt
werden. In jedem Fall sollte die Regelung der Kurve der
Funktion P = F(t) folgen.
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In diesem Zustand liegt die Spritzgeschwindigkeit
natürlich innerhalb des Bereichs von Formel S1. Üblicherweise
enthält die Formel S1 eine(n) Größe oder Wert nicht kleiner
als O. Die (der) Größe oder Wert nach dieser Formel kann
jedoch auf eine niedrigere, durch -A2 ausgedrückte Grenze
herabgesetzt werden, speziell dann, wenn die Form auf eine
geringe Wirkung der Verhinderung der Entstehung von
Preßgraten ausgelegt und ausgestaltet ist. Der Druck sollte nicht
unter diese untere Grenze A2 vermindert werden, weil eine zu
große Rückstömgeschwindigkeit die Pumpwirkung auf das Harz
erhöht. Der Höchstruck Pmax ist auf 2026,5 bar (2000 atm)
eingestellt.
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Eine Alarmeinheit wird aktiviert, wenn der Bereich der
Formel S1 - außer im Fall eines Druckstoßes - überschritten
wird, so daß (dann) der augenblickliche Schuß als fehlerhaft
(Ausschuß) zurückgewiesen wird. Mit dieser Regelung wird ein
Warteschritt durchgeführt, bis die Gase aus dem Gasraum 11
ausgetrieben sind und eine etwaige ungenügende Füllung 13
vollkommen beseitigt ist, während (dabei) die Bildung
örtlicher Preßgrate vermieden wird.
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Wenn die örtliche ungenügende Füllung 13 vollkommen
beseitigt ist, wird ein externer Druck zum weiteren Öffnen
der Form 1 an der Trennfläche 7 (vgl. Fig. 1). Unter der
Voraussetzung, daß in diesem Zustand die Erfordernisse oder
Bedingungen nach Formel S1 und folgender Formel S2
gleichzeitig erfüllt sind, wird der Spritzdruck unter Heranziehung
des Formöffnungsgrads als Führungsparameter so geregelt, daß
der Formöffnungsgrad einem vorgegebenen bzw. Sollwert C (30
µm im Fall eines ABS-Harzes) folgt bzw. entspricht.
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Spritzdruck ≤ Sollwert Pmax des Spritzdrucks ... S2
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Dieser Sollwert C wird mit einer Größe bestimmt, die am
größten ist in einem Bereich, der ein Entweichen von Gas über
den Spalt an der Trennfläche zuläßt, das Harz aber nicht
durch diesen Spalt austreten läßt. In dieser Stufe ist die
Dicke der erstarrten Oberflächenschicht 10 des die Oberfläche
des Formraums 5 berührenden Harzes immer noch gering.
Infolgedessen ist der Grad der möglichen Füllung (packing)
ebenfalls klein, weil die dünne erstarrte Oberflächenschicht des
Harzes ohne weiteres das Entstehen von Preßgraten zulassen
kann, wenn ein hoher Füllungsgrad vorgesehen (effected) wird.
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Die erstarrte Schicht 10 wird im Zeitverlauf dicker, so
daß sich auch der zulassige Formöffnungsgrad vergrößert. Bei
der dargestellten Ausführungsform ist oder wird der
Formöffnungsgrad im Hinblick auf den mit der Regelung zum Einstellen
von Spritzgeschwindigkeit und -druck verbundenen Zeitverzug
unmittelbar auf C eingestellt. Diese Größe des
Formöffnungsgrads C entspricht dem Zustand, in welchem sich die erstarrte
Oberflächenschicht 10 bildet. Es ist somit möglich, das Harz
genau mit einem Grad bzw. in einem Maß einzufüllen, der bzw.
das in dem eine Entstehung örtlicher Preßgrate nicht
zulassenden Bereich am größten ist.
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Die Erstarrung schreitet fort, bis sie den Bereich nahe
dem Steg 5 (vgl. Fig. 1) erreicht. In diesem Zustand wird der
Spritzdruck nicht mehr auf den Harzteil innerhalb des
Formraums 6 übertragen. Zwischenzeitlich kühlt das Harz
fortlaufend ab. Das den dünnwandigen Abschnitt bildende Harz wird
primär abgeschreckt (abgekühlt) und zum Erstarren gebracht;
dieses Erstarren schreitet fort, während auf den Teil des
Harzes in den dickwandigen Abschnitten, die eher langsam
abkühlen, ein(e) Zug oder Anziehung ausgeübt wird.
Infolgedessen entstehen Einsackstellen 14.
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Zur Unterdrückung der Entstehung der Einsackstellen
wirkt die Formspann- oder -schließkraft zum Schließen der
Form, wenn diese geöffnet worden ist, wodurch das Harz im
Formraum 6 gleichmäßig verdichtet bzw. komprimiert wird. Zur
Ermöglichung dieses Vorgangs erfolgt die Regelung unter
Einstellung des Formöffnungsgrads auf den Höchstwert, bis der
Zeitgeber 19 hochzählt Wenn der Steg- oder Angußverschluß
(gate seal) zu frühzeitig erfolgt, so daß die im Zeitgeber 19
eingestellte Zeit zu lang ist (bei Verwendung von ABS-Harz
ist die Zeit auf 4 s eingestellt, obgleich sie je nach der
Wanddicke variiert), wird der Formöffnungsgrad kleiner als
der Sollwert C. Das Auftreten eines solchen Zustands wird
durch eine Anzeige oder Auslösung eines Alarms gemeldet.
Diese Funktion trägt auch zur Einstellung des Zeitgebers 19
bei. Jeder, in einem solchen anomalen Zustand erfolgte Schuß
wird zurückgewiesen, so daß Ausschußerzeugnisse
ausgeschlossen werden oder sind. Diese Funktion trägt auch zur
einwandfreien Einstellung der Formschließkraft bei.
Ersichtlicherweise kann die Formschließkraft automatisch korrigiert
werden, obgleich eine derartige Steuerung oder Regelung bei der
dargestellten Ausführungsform weggelassen ist.
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Wenn die Formschließkraft zu groß ist, kann der
erforderliche Formöffnungsgrad auch dann nicht erreicht werden,
wenn der Spritzdruck auf den Höchstdruck erhöht worden ist.
Ein solcher Zustand wird der Bedienungsperson durch die
Anzeige oder den Alarm gemeldet, so daß die Bedienungsperson
den Formschließdruck nachstellen kann. Dieses Nachstellen der
Formschließkraft kann automatisch erfolgen. Erfindungsgemäß
ist es somit - außer in einigen speziellen Fällen - möglich,
die auf diesem Industriegebiet das übliche Problem
darstellenden Defekte, wie Entstehung von Preßgraten, ungenügende
Füllung und Bildung von Einsackstellen, gleichzeitig zu
vermeiden.
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Der Formöffnungsgrad kann einfach durch ein
Stellungs- oder Lagenmeßgerät, wie ein Zeigermeßgerät bzw. eine Meßuhr
9, das sich mittels eines Magneten 8 oder eines ähnlichen
Befestigungsmittels leicht an der Form anbringen läßt, ohne
irgendeine Abwandlung der Formkonstruktion zu erfordern,
gemessen werden. Verschiedene beschriebene Steuerungen bzw.
Regelungen und Berechnungen können ohne Schwierigkeit unter
Verwendung eines Mehrzweckrechnerprogramms realisiert werden,
weshalb die Einzelheiten solcher Steuerungen bzw. Regelungen
und Berechnungen in dieser Beschreibung nicht näher
beschrieben sind.
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Zur Information sei gesagt, daß im Fall von ABS-Harz der
Sollwert (set value) des Formöffnungsgrads 5 - 10 µm für 20
- 35 µm und im Fall von Nylon der Sollwert des
Formöffnungsgrads 2 - 4 µm für 8 - 12 µm betragen.
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Wenn die Spritzgießmaschine hydraulisch angetrieben ist,
wird die Regelung der Spritzgeschwindigkeit durch Variieren
der Drehzahl der Pumpe oder des Neigungswinkels der
Taumelscheibe erreicht, während bei einer elektrisch angetriebenen
Spritzgießmaschine die Spritzgeschwindigkeit durch Ändern der
Drehzahl des Antriebselektromotors geregelt wird. Die
Regelung der Spritzgeschwindigkeit wird mittels eines
Hydraulikdruck-Regelventils im Fall der elektrisch (vermutlich:
hydraulisch) angetriebenen Spritzgießmaschine und durch
Ändern des elektrischen Stroms oder durch
Motordrehmomentsteuerung im Fall der elektrisch angetriebenen
Spritzgießmaschine realisiert.
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Wie oben beschrieben, werden erfindungsgemäß mehrere
Parameter, einschließlich zumindest der
Spritzgeschwindigkeit, des Spritzdrucks und des Formöffnungsgrads, in
Übereinstimmung mit dem Vorgabe- oder Sollwert geregelt, und zwar
beginnend zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor dem
(vollständigen) Füllen des Formraums mit dem Harz. Die Regelung
erfolgt in einer entsprechend den geforderten Eigenschaften
des Harzes bestimmten Reihenfolge der Parameter, so daß die
Größe des Führungsparameters einem Sollwert folgt, während
die Größe(n) von untergeordneten Parametern vorbestimmten
Bedingungen genügt (genügen). Folglich werden durch diese
Erfindung die folgenden Vorteile gewährleistet:
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1. Es ist möglich, Defekte wie Preßgrate, ungenügende
Füllung und Einsackstellen gleichzeitig zu vermeiden.
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2. Durch zweckmäßige Regelung des Formwiederöffnungsgrads
wird eine Gasentlastungswirkung erreicht.
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3. Es kann ein rationelles Spritz(gieß)verfahren mit
eindeutiger Einstellung von Regelparametergrößen realisiert
werden.