JP5848340B2 - 射出成形プロセスを監視かつ最適化するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、部品を射出成形する前、間中、および／または後に発生する振動スペクトルの解析に基づいて、射出成形プロセスを監視かつ最適化するための方法および装置に関する。

射出成形プロセスにおいて、液状材料は専用金型内に射出され、射出プロセス後に冷却され、その後に取り外される。

この場合、プロセス全体が、それぞれの射出成形材料、金型、および射出成形方法に関連する様々な状態の圧力、温度、摩擦、凝集状態等によって影響される。

通常、射出成形材料は加熱し、次いで例えば最高１００バールの高圧下で程度の差はあれ複雑な金型内に射出され、その中で液状材料は様々な容積の流路を流れ、それぞれ冷却し、または壁に付着し、狭窄部で滞留したり、旋回したりする。

初期充填プロセスの最後に、冷却プロセス中に収縮する充填材料の容積には、金型が完全に充填されることを確実にするために、いわゆるポスト注入によって追加材料が充填される。

成形ツールは対応する力を吸収し、適切な放熱を確実にし、かつプロセスの最後に射出成形材料を再度噴出する必要がある。

他のシステム要素は、熱および圧力に関連する側面に関し、射出成形プロセス用に射出成形材料を準備する。

様々なプロセスの変動のため、射出成形部品の製造中に欠陥または欠損がそれぞれ発生することがある。

例えば以下のおそれがある。
‐金型が完全に充填されない
‐金型の突出要素が破損する
‐異なる冷却速度が射出成形部品の張力を導く
‐冷却サイクルの中断が冷却プロセス中の温度プロファイルを歪める
‐射出成形部品が欠陥エジェクタによって損傷する
‐材料の供給または準備が不完全である
‐温度およびしたがって粘度が逸脱し、種々の充填および冷却欠陥を導く、
‐圧力下の破裂様挙動が充填欠陥および焼けを導く

上述の欠陥および他の欠陥は識別することが難しい。欠陥射出成形部品に対する技術的調査および試験によって欠陥の理由を決定する必要がある。また欠陥射出成形部品はすぐには欠陥と識別できない。すなわち、欠陥が検出される前に大量の不良品が生産され、プロセスはその後、実験パラメータの変更によって最適化することができる。

加えて、射出成形ツールは数十万ユーロすることがある。したがって、ツールの適切な機能の監視および保守手順の適時の開始は、経済的に非常に重要である。

ＷＯ２０１０／０５１９５４は、部品を検査するための音ベースの方法を開示している。しかし、適用の範囲は、固体部品および機械加工、成形等によるそれらの加工に限定される。

ＷＯ２０１０／０５１９５４

これらの状況に基づいて、本発明は、射出成形プロセスを正確に監視かつ／または解析することを可能にする、射出成形プロセスを監視かつ最適化するための方法および装置を開発することを目的とする。

この目的は、請求項１および９のそれぞれの特徴により達成される。

したがって、構造体伝搬音センサはそれぞれ直接または間接的に射出金型または充填装置に接続または結合され、射出成形プロセスによってだけでなく、型閉、型開、および突出しプロセス中にツールの動きによっても金型または装置に生じる振動が測定される。

特に２００ｋＨｚまでの周波数範囲のこれらの振動は、現在行なわれているプロセスおよびその特性に関する情報を得ることを可能にする。

ツール、材料、および他のプロセス特性に関する基準モデルは、将来のプロセスシーケンスの比較として役立てるために、完全なプロセスの測定に基づいて記憶される。技術的観点から、プロセスの変化に信号ずれを割り当て、プロセスを監視または制御するために使用することができる。

ツールまたは機械要素または制御および関連操作手段の特性または変化による影響は、構造体伝搬音の振動パターンに現れる。

固体、特にツール（例えば射出成形金型）の振動は、ツールの表面またはツール内で、構造体伝搬音センサによって測定される。妥当な場合、例えば射出装置、フィードスクリュ、または押出し器のような材料供給装置を直接監視するために、追加センサを設けることができる。金型用の冷却装置に別個のセンサを設けることもできる。センサは、射出成形金型のような既存の装置のそれぞれの外面に容易に、かつ費用効率的に改造設置することができる。センサはこれらの外面に螺着、接着、圧着すること等ができる。センサは、内面、すなわちキャビティに面する表面に配置された場合、振動をよりよく記録することが可能である。金型の材料によって生じる減衰はこの場合排除される。このようにして、センサが金型の外面に配置される場合に測定することのできない振動を可聴状態にすることができる。信号対雑音比は１桁分増大することができる。金型の内面に配置されるセンサは、金型内の材料の流動のみならず、例えば冷却挙動のような他の特性に影響を及ぼすことがあり得る。これらの影響を最小化するために、金型の内面用のセンサは完全にまたは少なくとも部分的に内面内部に挿入することができる。この目的のために、例えばボアのような凹所をセンサ用に設けることができる。センサは内面と面一に終端するか、あるいは例えば樹脂のような１層のシーリングまたは固定材料で被覆することができ、いずれにしてもそのような材料を使用することが好ましい。センサのそのような埋設は金型の外側にも実現することができ、この場合、外側から金型内部に延びる凹所が、センサをそこに挿置するために設けられる。凹所が深ければ深いほど、センサは金型内部の流動プロセスおよび／または冷却プロセス等に接近して配置することができる。

圧力監視等を目的として金型上または金型内にすでに設けられかつ圧電素子を含むセンサは、振動スペクトルを記録するためにも使用することができる。

振動は高周波数で走査かつデジタル化され、ついでその周波数範囲が表示され、解析される。

周波数表示は、周波数応答および振動の強度の時間履歴を表わす多くの連続短時間周波数変換に基づいて行なわれる。これは、それらの周波数応答、それらの時間軸上の位置、およびそれらの特殊動力学のため、様々な音の発生源を識別することを可能にする。

周波数変換走査値は、この目的のために、時間、周波数、および音強度の座標によって画定されるエレベーションプロファイル（elevation profile）に写像される。

加えて、ツールの状態を、動作状態におけるそれらの音放出および試験目的のために実現された特殊動作および圧力状態に基づいて、決定することができる。

摩耗および損傷は部分的に変化する動作音に現われ、ツールを修理する必要があるか、それともまだ複数の作業サイクルを実行することができるかに関する情報を提供することができる。

この目的のために、ツール（例えば射出成形金型）は恒久的に、または一時的にだけ試験用の構造体伝搬音センサを装備する。

新品または無傷の状態で、ツールの動作音およびプロセス音の基準モデルが記録される。その後の全ての測定値はこの基準モデルと比較され、逸脱する構造体伝搬音放出に基づいて磨耗度が定量化される。

これに関して、個々のツール要素に対する動作シーケンスの割当てを可能にするために、構造体伝搬音信号の時間、周波数、および強度に対して動的作業シーケンスの充分な分解能を達成することが重要である。

異なる時間における、かつ好ましくは連続的または（事実上）連続的な振動スペクトルの適切な標本抽出率での本発明の記録は、部品、工作物、ツール、および／または加工シーケンスの正確な解析の基礎を形成する多次元データ解析を可能にする。

好適な実施形態では、多次元データ解析は三次元で、例えば周波数軸、時間軸、および振幅軸によって画定される空間に広がる例えばランドスケープの形に表示することができる。ランドスケープは音響放出の時間履歴を可視化し、それぞれ仮想的指紋を形成する特性を有する。これらの特性は適切な方法で決定することができる。同様にこれらの特性からの逸脱も決定することができる。特性はまた、特定の欠陥または欠陥の種類のための多次元データにおいても決定することができる。射出成形プロセスの品質は、実時間で、特に射出成形プロセスが実行されている間に、好適な実施形態では周波数‐時間‐振幅空間のランドスケープを形成する多次元データに基づいて、高い信頼度で決定することができる。ツールの磨耗度、または破損のようなツールの欠陥も、対応する特性に基づいて決定かつ識別することができる。その後、期待される特性からの逸脱を決定することができ、欠陥特性との対応性は特定の欠陥または欠陥の種類の診断を可能にする。

解析は、パターン認識に基づいて自動的に実行することが好ましい。多次元および特に三次元パターン認識に関して、調整可能な認識パラメータを用いてコンピュータに基づいて迅速かつ確実に実現し、格納された振動スペクトルデータにアクセスし、あるいは振動スペクトルデータを実時間で処理することのできる、適切なアルゴリズムを使用することができる。

特定の用途に適したパターンを持つパターンデータベースを設けることが実務的である。この場合、パターンは、妥当な場合、許容範囲を持ちかつ／または関数によって定義されるパターンランドスケープ部分の形で格納することができる。

自動解析に関して、記録された振動スペクトルのエンベロープまたはその一部分を形成し、かつこのエンベロープを比較エンベロープと比較することが好ましい。この場合、エンベロープは、例えば空間内の隣接データ点の平均化からの平滑化関数によって、または多次元データを平滑化するための適切な方法を利用することによって形成される。エンベロープと比較エンベロープとの間のずれは、部品、工作物、ツール、および／またはプロセス、例えば射出成形プロセスの品質を解析するための手段として使用することができる。加えて、エンベロープの利用は、例えば流動分離、突出し欠陥、圧力変動等のようなプロセス部分を自動的に識別することを可能にする。パターン認識はエンベロープの利用によりさらに単純化され、認識率が改善される。

特に射出成形プロセス中に流動プロセスを監視するための振動スペクトルは、２００ｋＨｚの周波数でかつ／または広帯域で記録かつ解析することが好ましい。

記録された振動スペクトルは周波数‐時間解析を受けることが好ましい。周波数‐時間解析のため、記録された振動は一方で時間軸によってプロセスシーケンスに割り当てることができ、かつ他方で、関心のある振動は、他の周波数範囲を占める機械振動または寄生振動のような関心の無い振動から分離することができる。したがって解析をそれぞれの用途の特徴的範囲に集中することができる。

振動スペクトルは、流動関連プロセスおよび／または熱プロセス、ならびに妥当な場合、他の用途依存因子に対応する周波数分解能で記録することが好ましい。最高２００ｋＨｚまで、特定の場合は最高１００ｋＨｚまでの周波数はこれに関して全く充分であることが決定された。より低い周波数範囲は、材料の層流を検出するための限度を有することが好ましい。この目的のために要求される周波数は、とりわけ材料特性、射出圧力、および充填すべきキャビティの形状に依存する。

振動スペクトルは、周波数ｆ、時間ｔ、および振幅Ａの座標で記録される。このタイプの記録はコンピュータにおける数値解析に適しており、三次元配列がｆ、ｔ、Ａに対する所与の関数依存性に、例えば（ｌｆ，ｍｔ，ｎＡ^x）（ここでｌ、ｍ、ｎ、ｘは乱数である）に格納されるように、座標は周波数ｆ、時間ｔ、および振幅Ａの関数ａ（ｆ）、ｂ（ｔ）、および／またはｃ（Ａ）またはａ（ｆ，ｔ，Ａ）、ｂ（ｆ，ｔ，Ａ）、および／またはｃ（ｆ，ｔ，Ａ）とすることもできる。振動スペクトルは、図示する目的で、かつ／または手動解析のために、三次元座標によりグラフ表示することができる。この場合、三次元表示を選択することができ、そこで周波数および時間は平面を画定し、エレベーションプロファイルは振幅（またはその関数）によって画定される。そのようなグラフィック表示は解析に関連する振動の認識を簡単にする。例えばこれらの振動は、時間軸における分離のため、加工シーケンスに割り当てることができ、かつ周波数軸上でスプリアス振動等から分離される。

振動を記録するために、音センサ、特に圧電音センサを使用することが好ましい。このタイプの音センサは本発明に従って要求される高周波数を処理することが可能であり、広周波数帯域を有し、費用効率的に製造することができ、保守を必要としない。

ツール（金型）、またはツールに振動結合された部品に配置されたセンサ、特に音センサは、その設置後に、かつ好ましくはその後も周期的に、または各使用前に較正される。これは不断の高精度の測定を確実にする。特にセンサが新しいツールに取り付けられた場合に、または整備のために取り外されかつその後に再び取り付けられる場合に、取付けは異なる結合挙動を生じることがあり得るので、較正は有利である。較正を実行するために、音センサは本発明に従って、音信号を放出するために、特定の電気パルスにより作動する。その後、音信号のエコーが記録され、公称エコーと比較される。このようにして、工作物またはツールまたは部品に対する音センサの結合の品質を決定し、測定中に考慮に入れることができる。

解析は実時間で行なうことが好ましい。これはデータを格納する必要性を排除する。安全性関連部品に対しては、欠陥が無いことを検証し、かつ欠陥を検証するために、データの格納が実際的である。データは工作物もしくは部品のプロセス全体もしくは監視期間全体にわたって完全に、または部分的に、関心のある特徴が検出された時間部分だけを格納することができる。

本発明の別の態様は、振動スペクトルまたはその関心周波数範囲を適切な、例えば線形関数または写像によって可聴音スペクトルに変換することに関する。これは、人間による音響解析または評価を可能にする。音響解析は多次元解析の補足として実行することが好ましいが、この多次元解析に取って代わることもできる。

特に好適な実施形態では、損傷に典型的なパターンは振動スペクトルで検出される。これは、とりわけ欠陥検出に限定される解析を簡素化することを可能にする。

本発明はまた、温度の変動によって生じる応力亀裂または一般的に外的影響によって生じる損傷を検出することをも可能にする。

本発明はしたがって、一般的に流動プロセス、および特に射出成形プロセスの監視、品質保証、および最適化を可能にする方法および装置を提案する。

本発明の他の特徴および実施形態は、特許請求の範囲および同封する図に関連する以下の説明からもたらされる。

本発明の実施形態に係る射出成形プロセスを実施するための装置を示す概略図である。

本発明を最初に、射出成形プロセスの例示的実施形態に関連して以下で説明する。

図に示す射出成形プロセスを監視するための装置１は、例えば、工作物５を成形するためにプラスチック４が高圧下でその中に射出されるツール３上に配置された、振動を記録するためのセンサ２を含む。センサ２は例えばコンピュータのような解析手段６に接続される。この場合プラスチック４から成る材料は、容器、押出し器、フィードスクリュ等で構成することのできる材料供給装置７によって供給される。

センサ２は構造体伝搬音センサ、例えば圧電センサで構成されることが好ましく、かつ構造体伝搬音信号を記録するだけでなく、信号を発生することもできることが好ましい。構造体伝搬音信号の放出は、このようにして振動を刺激することができるので、「静穏な」流動プロセスの能動的な監視に特に有利である。しかし、関心周波数範囲内の振動を記録することができる限り、他の種類のセンサ、例えば動作センサを使用することも可能である。

センサ２は、例示的に示すツール３、またはそれに振動結合された部品のいずれかに、すなわち流動プロセスおよび／または熱反応によって生じる振動を記録することができるように結合される。センサはねじによって単純に取り付けてよい。センサはまた、金型３の内部に配置するか、あるいは外側または内側から対応する凹所内に挿置してもよい。また、例えば圧力測定のような他の目的のために事実上働くセンサを使用することも可能である。

加工シーケンス中に、振動が発生し、センサ２によって記録される。この目的のために、センサ２は下限値と上限値との間の周波数を記録することができるように実現される。理想的には、関連スペクトル全体を記録することができるように、下限値はほぼゼロであり、上限値は２００ｋＨｚである。実際の用途では、少なくとも５０ｋＨｚ、好ましくは少なくとも１００ｋＨｚの上限値が有利である。１０ｋＨｚまたは５０ｋＨｚ未満の周波数は、有益な情報を含まないので、対応する下限値が有利になるように、減衰するか削除することが好ましい。しかし、流動プロセスおよび特に射出成形プロセスに関しては、約５０Ｈｚまたは１００Ｈｚの著しく低減した下限値が、おそらく層流のためこの低周波数範囲でも有益な固有振動が発生するので、有利である。したがって、高周波数範囲と同様に低周波数範囲でも固有振動が発生するので、ほぼ０Ｈｚから約２００ｋＨｚの間の非常に広帯域の周波数範囲が好ましい。

センサ２によって記録された振動は多次元的に解析される。この目的のために、記録された振動スペクトルは、対応するインタフェースおよび適切な格納媒体を持つコンピュータから構成されることが好ましい解析手段６に中間格納することができる。

記録中またはその後に、振動スペクトルが依然としてグラフ表示され、かつ／または数値解析されるように、解析手段６で周波数‐時間解析を実行することができる。

表示は座標時間、周波数、および振幅（または最大振幅もしくは強度等）により三次元的に、あるいは二次元的に実現することができ、二次元表示の場合、等高線が振幅を目に見えるようにする。

それぞれの射出成形プロセスに特徴的なパターンを認識することが可能である。そのようなパターンは欠陥がある場合にも生じる。したがって、パターン認識は、射出成形プロセス中またはその後の冷却、硬化、および金型からの取外し中に、例えばパターンからのずれの尺度を決定することによってプロセスのステップを検出または解析するだけでなく、欠陥または少なくとも標準挙動からの逸脱を認識かつ識別することをも可能にする。

センサは、材料供給または冷却装置を監視しかつ例えばそれらの故障を検出するために、材料供給装置７上もしくは内に、かつ／または任意選択的に設けられた金型３用の冷却装置上に設けることもできる。そのような冷却装置がツール３内の流路を含む場合、この場合冷却プロセスおよび射出成形プロセスを監視するセンサ２、または追加センサをこれらの流路の１つに、またはこれらの流路の１つに隣接して、またはこれらの流路の１つの中に配置することができる。

Claims (15)

1. 流動プロセスを監視かつ／または最適化するための方法であって、材料の流動によって生じる振動を記録かつ解析し、振動スペクトルを異なる時間にまたは連続的に記録し、かつ多次元解析する方法であって、
   前記振動は、圧電センサにより検知されることを特徴とする方法。
2. 金型に材料を射出する前に、間中、および／または後で振動を記録する、請求項１に記載の方法。
3. 前記圧電センサを金型の外面および／または金型の内面に配置し、かつ／または少なくとも部分的に金型内に挿入した、請求項２に記載の方法。
4. 金型における最高２００ｋＨｚまでの周波数の構造伝搬音を記録する、請求項２または３に記載の方法。
5. 少なくとも１つの追加振動スペクトルを記録し、かつ材料供給もしくは冷却プロセスをそれぞれ監視かつ／または最適化するために、追加音センサを材料供給装置上で使用し、かつ／または追加音センサを金型用の冷却装置上で使用する、請求項２ないし４の一項に記載の方法。
6. 試験目的のために提供される動作および／または圧力状態を金型上で、かつ／または材料の射出中に実現する、請求項２ないし５の一項に記載の方法。
7. 前記圧電センサは、圧電素子付き音センサ（２）を使用する、請求項１ないし６の一項に記載の方法。
8. 解析が実時間で行なわれる、請求項１ないし７の一項に記載の方法。
9. 流動プロセスを監視かつ／または最適化するための、請求項１ないし８の一項に記載の方法を実行するための装置（１）であって、流動プロセス中に発生する振動スペクトルを記録するための圧電センサ（２）および異なる時間にまたは連続的に記録された振動スペクトルの多次元解析のための特徴解析手段（６）に結合することができることを特徴とする装置。
10. 圧力下かつ／または昇温下で材料を射出することのできる金型上に前記圧電センサ（２）を配置することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 少なくとも１つの追加振動スペクトルを記録しかつ材料供給または冷却装置それぞれを監視かつ／または最適化するために、フィードスクリュまたは押出し器のような材料供給装置上の別の音センサ、および／または金型用の冷却装置上の追加音センサを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. 前記圧電センサ（２）を前記金型の内面に配置することを特徴とする、請求項１０または１１に記載の装置。
13. 前記金型が冷却要素を特徴とし、そこに追加センサ（２）を配置する、請求項１０ないし１２の一項に記載の装置。
14. 前記圧電センサが、流動材料の層流によって生じる構造体伝搬音を記録することができることを特徴とする、請求項９ないし１１の一項に記載の装置。
15. 前記圧電センサが最高２００ｋＨｚまでの周波数を持つ構造体伝搬音を記録することができることを特徴とする、請求項９ないし１１の一項に記載の装置。

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