JP5078911B2 - 射出成形機の射出装置とその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形機の射出装置の運転方法又は該方法に対応する射出装置に関する。射出成形機は射出装置を有し、射出装置は、電気機械で駆動可能な押出スクリュー、スクリューシリンダおよびヒータを有する。以下、射出成形を模範的に説明する。射出プロセスにおいては、粒状プラスチックが供給ホッパを介して押出スクリューと呼ばれるスクリューに供給される。スクリューの回転運動によって粒状プラスチックが前方に向かってスクリュー先端の方向に搬送される。例えば融解物に変化する粒状プラスチックが前方に向かってスクリュー先端に運ばれるに従い、スクリューが後方に向かって、即ち反対方向に後退する。搬送によって生じる損失熱と、スクリューシリンダに設けられている電気ヒータとにより、粒状プラスチックの融解が起こる。粒状プラスチックの融解物が、所謂スクリュー先端の手前における所謂スクリュー前室に集中し、スクリューを押し戻す。例えば発生する剪断熱は物質へのスクリューの圧力に依存することから、この圧力が圧力／行程特性として予め与えられ、調節又は制御可能である。スクリュー前室内で十分に融解された物質が調量されたならば、スクリューが一種のピストンとして前方に向かって、即ちスクリュー先端の方向へ押される。かくして粒状プラスチックの融解物を閉じられた金型の中に射出できる。閉じた状態の金型は、例えば２つの金型部分からなる金型工具である。特にピストンとしての機能におけるスクリューの速度は、規定された限界圧力を上回るように調節される。限界圧力は、例えばスクリュー先端の手前の圧力に関係する。金型工具（単に工具とも略称する）に粒状プラスチックの融解物、即ちプラスチック融解物が充填され、工具（金型工具）内の圧力が急上昇する。なぜならば融解物質（プラスチック融解物）が圧縮されるからである。この段階において、例えばスクリューの速度調節から圧力調節に切り換えられる。この種の切換は再現可能にかつ正確に行なうことが非常に重要である。切換のために切換基準が使用される。切換基準は２つの制御形式の間での移行基準であり、例えば第１の制御形式が速度調節であり、第２の制御形式が圧力調節である。

速度調節（閉ループ制御）の代わりに速度制御（開ループ制御）も使用可能である。従って、移行基準は２つの制御形式に関係する。

切換基準は、例えばスクリューの位置、融解圧力又は金型工具内部の金型内圧である。切換は、例えば速度調節から圧力調節への移行である。射出成形部材の品質に悪影響を及ぼす圧力の急低下又は急上昇の発生は回避すべきである。常に再現可能なかつ正確な、特に変更基準に関して境界点の正確な圧力調節への移行を維持するために、例えば調節および／又は制御のためのできるだけ短いサンプリング時間が使用可能である。可能なサンプリング時間は、例えば１００μｓの範囲にある。

工具が射出された物質で満たされた際、物質の冷却によって物質の縮減が起こる。この縮減は、射出過程後に圧力／時間特性を介してピストンが更に物質を工具内に押し込むことで補償される。このためにかつこの種の全ての圧力調節課題又は監視課題において、従来は実際圧力、即ち射出圧力又は保持圧力（Staudruck）の実際圧力の検出が不可欠であった。ここで、射出圧力は射出過程中の圧力であり、保持圧力は射出過程後に保持すべき圧力である。

保持圧力又は射出圧力の検出が一般に圧力センサによって行なわれる。これは、スクリュー前室において直接的に融解物圧力を検出するセンサであってよく、或いは機械の適切な個所において保持圧力から結果として生じる軸受力を検出するストレンゲージ又は力測定装置であってもよい。しかしながら、両方法は高コストにつながる。

本発明の課題は、射出圧力又は保持圧力を求めるために従来必要であった圧力センサ又は相応の測定装置を省略することを可能にする射出成形機の射出装置の運転方法又は射出装置自体を提供することにある。

この課題は請求項１に記載の特徴事項を有する方法により解決される。本方法は、本発明に従って射出成形機又は射出成形機のための射出装置に使用可能である。従属の請求項２乃至６は方法の好ましい本発明の発展形態である。課題の他の解決策が請求項７の特徴を有する射出成形機のための射出装置によりもたらされる。従属請求項８乃至１０は装置の好ましい本発明の発展形態を示す。

電気機械により駆動可能な押出スクリューを有する射出成形機のための射出装置の運転のための方法において、射出圧力および／又は保持圧力の算定のために、加速度値および／又は電気機械の動作点に依存した値が使用される。

射出装置は電気機械により駆動される押出スクリューを有することから、電気機械の値を射出圧力又は保持圧力の算定のために使用できる。これは、このためのセンサを省略できるという利点を有する。これに関して算定のために、電気機械のモーメントを発生する電流を算定値として考慮するだけでなく、電気機械の加速度値および／又は動作点に依存した値を使用する他の値も考慮できる。

加速度値は、例えば電気機械又はスクリューの回転数の時間微分であり、又は工具（射出成形型）の方向におけるスクリューの直線加速度であってもよい。加速度値を含めることによって、発生する加速度力も射出圧力又は保持圧力の算定時に考慮される。慣性力を含めた全ての力の総和は常に平衡しているので、射出圧力又は保持圧力の算定時における加速度力の考慮は動的な基本法則に基づいている。

電気機械の動作点に依存した値を含めることによって、電流とその結果として生じるモーメントとの動作点に依存した関係も圧力算定時に考慮される。

方法の有利な形態においては、電気機械の説明値が回転モーメント定数であり、電気機械の回転モーメント定数が電気機械の動作点に依存した値であり、射出圧力および／又は保持圧力の算定時に動作点に依存してともに使用される。

以下において、保持圧力又は射出圧力の算定のために加速度値および／又は動作点依存の回転モーメント定数をどのように使用することができるかを示す。

ここで、
Ｍ_press＝保持圧力又は射出圧力を形成するモーメント
Ｍ_acc＝慣性力
Ｍ_mot＝（電気機械の）モータトルク
η＝スピンドル（および／又は押出スクリュー）の効率
Ｊ＝モータ、スクリューおよびスピンドルからなる結果として生じる総質量慣性モーメント
Ｋｔ＝回転モーメント定数（Ｋｔ値）
Ｉ＝モーメント発生電流
ｎ＝回転数
ｐ＝スピンドル勾配
Ｆ_s＝推進力
Ｐ_screw＝保持圧力又は射出圧力
Ｒ_screw＝スクリュー半径
とする。ここで、
Ｉ） Ｍ_press＝（Ｍ_mot−Ｍ_acc）×η
ＩＩ） Ｍ_mot＝Ｋｔ×Ｉ
ＩＩＩ）Ｍ_acc＝Ｊ×ｄｎ／ｄｔ
が成り立つ。これから、ＩＩおよびＩＩＩをＩに代入することにより、保持圧力又は射出圧力を発生するモーメントが求まる。
Ｍ_press＝（Ｋｔ×Ｉ−Ｊ×ｄｎ／ｄｔ）×η

スピンドル勾配を介してスクリューへの力が算定され、それからスクリュー直径を介して結果として生じる圧力が算定される。
Ｆ_s＝Ｍ_press×２ｎ／ｐ
Ｐ_screw＝Ｆ_s／（Ｒ_screw×η）

好ましくはＫｔ係数の動作点依存が考慮される。このために、例えば電気機械の測定およびＫｔ係数の記憶が行なわれる。これは、例えば電気機械の生産場所において行なわれる。Ｋｔ係数は電気機械における記憶装置内に記憶され、記憶された値が調節および／又は制御装置によって読取可能であることが好ましい。調節および／又は制御装置は、例えば電気機械の回転数調節および／又は電流調節のために設けられている。記憶装置は、例えば押出スクリューのためのモータとして設けられている電気機械のためのモータ電子回路装置又はセンサ電子回路装置である。

典型的には回転モーメント定数ＫＴは回転数を介しても負荷モーメントを介しても変化する。更に、回転モーメント定数は電気機械毎の製造に制約されてばらつきがある。特定の電気機械に関する各々の特性の個別的な検出によって、各々のＫＴは実際の回転数および実際の電流として求めることができる。従って、例えば機械パラメータはある機械から他の機械へ書き移される。

次に例示的に、種々の動作点について異なるＫｔ値を有する表１を示す。取得される動作点の個数は選択可能であり、この場合に１つの表が作成可能であるばかりでなく、動作点依存値の関数が作成可能である。このために、例えば補間関数を使用するとよい。

方法の他の有利な実施形態においては、温度に依存して、射出圧力又は保持圧力の算定のために、温度に依存した回転モーメント定数の異なった値が使用される。Ｋｔ係数、即ちＫｔ値の温度依存性の考慮によって、圧力算定のための精度が高まる。従って、付加的に永久磁石励磁される電気機械として構成されている電気機械における磁気材料の温度へのＫｔ係数の依存性を、モータ温度の検出によって補償することができる。普通のネオジム・鉄・ホウ素永久磁石を使用する場合に、例えば、電気機械の回転子の１００Ｋだけの加熱時に１２％の磁化低下となる。

圧力の算定において使用される動作点に依存する値は、メモリから読み出すか、又は推定計算することができる。推定計算は、所謂Ｋｔ推定計算器において行なわれ、推定計算のために実際に求められたＥＭＦ値（起電力値）が使用される。

射出圧力および／又は保持圧力の算定時に押出スクリューの摩擦特性も使用すべく、方法を発展させると好ましい。この種のスピンドル摩擦の回転数依存性の考慮も、圧力のより正確な算定を可能にする。このために、例えば自動化システムにより、スピンドルの摩擦特性が取得され、後で軸直接又は圧力算定時にともに考慮される。

方法の他の有利な実施形態においては、射出圧力および／又は保持圧力の算定のために電気機械の電流調節器および／又は回転数調節器が組み込まれている調節および／又は制御装置が使用される。これにより、別々の調節および／又は制御装置の使用時に生じていた無駄時間を低減できる。これは次の場合にも当てはまる。即ち、電気機械の電流調節器および／又は回転数調節器が組み込まれている調節および／又は制御装置において圧力の算定が行なわれるだけでなく、射出装置又は射出成形機の他の制御および／又は調節動作も行なわれる場合である。

調節および／又は制御装置として駆動装置の電流調節器又は回転数調節器のために十分に大きな計算能力が使用可能なら、モーメント算定および／又は圧力算定も既に基礎をなすよう構成するとよい。これから調節器の設計に関し他の利点が生ずる。何故なら、この場合、例えば値のフィルタ処理を既に下位に置かれる調節器で行えるからである。

特に射出成形装置の射出装置は調節および／又は制御装置を有する。メモリには、電気機械の回転モーメント定数の動作点依存性の値が記憶可能であり、動作点依存性の値は、特に射出圧力および／又は保持圧力の算定のために用意されている。この種の射出装置により、本発明による方法が実施可能である。

射出装置においては、算定される射出圧力および／又は保持圧力は、圧力測定装置によって検出可能な射出圧力および／又は保持圧力の実際値の代わりとして用意されていて、特に射出成形機はこの種の圧力測定装置なしに実施されている。

射出装置は、例えば該装置が電気機械により駆動可能な押出スクリューを有し、電気機械の回転数検出のためのセンサを備え、射出圧力および／又は保持圧力の算定のための回転数実際値を用意しているとよい。

本発明の実施例を図面に示し、以下詳細に説明する。

図１は、射出装置２を有する基本原理的に示された射出成形機１における射出成形プロセス（注型プロセス）の３つのステップ３、５、７を示す。第１のステップ３は可塑化および配量、第２のステップ５は射出および再加圧、第３のステップ７は冷却および金型開放に関係する。注型プロセスは射出成形機１に関係する。射出成形機１はスクリュー９を有する。スクリュー９は、スクリューシリンダ１１内にある。更に射出成形機１は供給ホッパ１３を有する。供給ホッパ１３は粒状プラスチック１５を供給する。スクリュー９の回転運動１７によって、粒状プラスチック１５がスクリュー前室１９へ搬送可能である。搬送中に、摩擦又は電気加熱装置２１により粒状プラスチック１５が加熱されて融解する。融解物は、回転運動によってスクリュー先端１０に接するスクリュー前室１９に集まる。回転運動１７は、例えば電気機械２３によって得られる。電気機械２１は軸２２に連結され、例えば調節および／又は制御装置２５により調節又は制御可能である。スクリュー前室１９に融解物が集まることにより、スクリュー９がノズル２７から押しのけられる。ノズル２７は融解物の射出のために設けられている。ノズル２７は金型工具２９、３１に接近できる。金型工具２９、３１は２つの金型部分を有する。第１の金型部分２９および第２の金型部分３１は１つの金型の形成のためにつなぎ合わされる。注型プロセスの第１のステップ３は融解物の可塑化と配量を含む。注型プロセスの第２のステップ５は融解物の射出又は融解物の再加圧に寄与する。融解物の射出のため、スクリュー９がノズル２７の方向に移動される。それによって融解物が金型工具２９、３１内へ射出される。射出過程の終端で再加圧が行なわれる。

注型プロセスの第３のステップ７において冷却と金型開放が行なわれ、スクリューシリンダ１１が金型工具３１から離される。金型工具２９、３１の両部分が離されることにより、成形品３３が解放される。このステップ後に再び注型プロセスの第１のステップ３、即ち可塑化および調量が行なわれる。

図２は伝動ベルト駆動装置４７を示す。伝動ベルト３７により、センサ３５を有する電気機械２４の回転運動が伝達される。電気機械２４は駆動装置４５に接続されていて、駆動装置４５は、例えば電力変換器と、調節および／又は制御装置とを有する。スピンドルにより回転運動が直線運動に変換される。直線運動４１はスクリュー９の直線運動に役立ち、該運動はスピンドル３９と同じ軸線４３内にあると好ましい。スクリュー９の回転運動とスクリュー９の直線運動を異なる電気機械により実施すべきときは、電気機械２４は図１の電気機械２３と異なる機械であるとよい。スクリューの回転運動も直線運動も唯一の電気機械により実施可能なので、この場合には電気機械２３と２４は同一である。

図３は種々の駆動装置４６を有する構成を示す。駆動装置４６は、各々１つの電気機械２３、２４に付設され、これに接続されている。駆動装置４６への給電は、共通の給電装置４９を介して行なわれる。駆動装置４６は、共通な調節および／又は制御装置２５に接続されている。調節および／又は制御装置２５においては、接続されている駆動装置４６の特に回転数調節が行なわれる。この機能は駆動装置内に組み込まれているが、これは図３に示していない。選択的に、調節および／又は制御装置２５は駆動システム５１を介して機械２３、２４に接続されている。電気機械２３、４は、型標識５３を供えたセンサインターフェースを有する。そこには、例えば各電気機械２３、２４のためのＫｔ値が記憶されている。

図４は、例えば同期機における回転モーメントの適合化のための例を示す。この場合にはＫｔ推定計算器６１が使用される。温度適合化６３も用意されている。

図５は摩擦特性５５の利用のための例を示し、回転数５７に対してモーメント５９がプロットされている。

射出成形プロセスの段階を示す説明図 直線移動のための伝動ベルト駆動装置を示す概略図 駆動装置を示す概略図 Ｋｔ推定計算器を示すブロック図 摩擦特性を示すブロック図

符号の説明

１ 射出成形機、２ 射出装置、３、５、７ ステップ、９ スクリュー、１０ スクリュー先端、１１ スクリューシリンダ、１３ 供給ホッパ、１５ 粒状プラスチック、１７ 回転運動、１９ スクリュー前方室、２１ 電気加熱装置、２２ 軸、２３、２４ 電気機械、２５ 調節および／又は制御装置、２７ ノズル、２９、３１ 金型工具、３３ 成形品、３５ センサ、３７ 伝動ベルト、３９ スピンドル、４１ 直線運動、４３ 軸線、４５、４６ 駆動装置、４７ 伝動ベルト駆動装置、４９ 給電装置、５１ 駆動バスシステム、５３ 型標識、５５ 摩擦特性、５７ 回転数、５９ モーメント、６１ Ｋｔ推定計算器、６３ 温度適合化

Claims (9)

1. 電気機械（２４）により駆動される押出スクリュー（９）を有する射出成形機（１）における射出圧力および保持圧力のうち少なくともいずれか一方を、前記電気機械（２４）の動作に関連した値であって前記圧力の直接計測値とは異なったディメンジョンの計測値に基づいて間接計測するプロセスを含んだ、射出装置（２）の運転方法であって、
   前記電気機械（２４）の動作点に依存して定まる値、つまり実際に当該電気機械（２４）が置かれた使用状況下での当該電気機械（２４）の速度および負荷トルクに依存して、当該電気機械（２４）の軸出力に関する値として定まる値であって、当該電気機械（２４）の回転モーメントを当該電気機械（２４）に入力される電流で除算してなる値である当該電気機械（２４）の軸出力の回転モーメント定数（Ｋｔ）、および前記電気機械（２４）の軸出力に関する加速度値のうちの、少なくとも前記回転モーメント定数（Ｋｔ）を使用して、前記射出圧力および保持圧力のうち少なくともいずれか一方を算定するプロセスを含む
   ことを特徴とする射出装置の運転方法。
2. 前記回転モーメント定数（Ｋｔ）が温度に依存して変化する場合、当該回転モーメント定数（Ｋｔ）の温度に依存して変化する値を、その都度算定して使用する
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記動作点に依存した値を、メモリから読み出す、または推定計算する
   ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記射出圧力および前記保持圧力のうち少なくともいずれか一方の算定時に、前記押出スクリュー（９）の摩擦特性を併せて使用する
   ことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
5. 前記射出圧力および前記保持圧力のうち少なくともいずれか一方の算定のために、前記電気機械の電流調節器および回転数調節器のうち少なくともいずれか一方が組み込まれている調節・制御装置（２５）を使用する
   ことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
6. 電気機械（２４）の電流調節器および回転数調節器のうち少なくともいずれか一方の機能を具備し、前記電気機械（２４）によって駆動される押出スクリュー（９）を有する射出成形機（１）における射出圧力および保持圧力のうち少なくともいずれか一方を、前記電気機械（２４）の動作に関連した値であって前記圧力の直接計測値とは異なったディメンジョンの計測値に基づいて間接計測し、当該間接計測の結果に基づいて、前記電気機械の電流調節器および回転数調節器のうち少なくともいずれか一方の機能を実行する調節・制御装置（２５）を有する射出装置（２）であって、
   前記調節・制御装置（２５）が、前記電気機械（２４）の動作点に依存して定まる値、つまり実際に当該電気機械（２４）が置かれた使用状況下での当該電気機械（２４）の速度および負荷トルクに依存して、当該電気機械（２４）の軸出力に関する値として定まる値であって、当該電気機械（２４）の回転モーメントを当該電気機械（２４）に入力される電流で除算してなる値である、当該電気機械（２４）の軸出力の回転モーメント定数（Ｋｔ）、および前記電気機械（２４）の軸出力に関する加速度値のうちの、少なくとも前記回転モーメント定数（Ｋｔ）を使用して、前記射出圧力および保持圧力のうち少なくともいずれか一方を算定し、当該算定の結果に基づいて、前記電気機械の電流調節器および回転数調節器のうち少なくともいずれか一方として機能する
   ことを特徴とする射出装置。
7. 圧力測定装置によって直接検出される射出圧力および保持圧力のうち少なくともいずれか一方の代りとして、前記間接計測の結果に基づいて算定された射出圧力および保持圧力のうち少なくともいずれか一方を用いるようにしたことで、当該用いるようにされた圧力を直接検出する圧力測定装置を、省略した
   ことを特徴とする請求項６記載の射出装置。
8. 前記電気機械（２３、２４）によって駆動される押出スクリュー（９）を有し、
   前記電気機械（２３、２４）の回転数を検出するセンサが設けられていて、当該回転数の実際値が前記射出圧力および前記保持圧力のうち少なくともいずれか一方の算定のために用意される
   ことを特徴とする請求項６または７記載の射出装置。
9. 請求項１から５の１つに記載の運転方法を実施する射出装置（２）である
   ことを特徴とする請求項６から８の１つに記載の射出装置。

Images