Bauteilqualität verbessern Werkzeuginnendruck in der Nachdruckphase regeln

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Wilhelm Büchner Hochschule - Träger: Hochschule für Berufstätige Darmstadt GmbH

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K-Profile AG Innovationen in Kunststoff

Unvermeidbare Störeinflüsse in der Spritzgießproduktion führen dazu, dass trotz identischer Maschineneinstellungen die Temperatur- und Druckverläufe in der Kavität nicht exakt reproduziert werden können und Qualitätsprobleme entstehen. Es sind daher zahlreiche Ansätze zur Regelung des Spritzgießprozesses entwickelt worden, um die Formteilqualität und deren Reproduzierbarkeit zu verbessern. Die Forschung belegt, dass durch die Anwendung von Konzepten eine Werkzeuginnendruckregelung mit einer an das zu verarbeitende Material angepassten Nachdruckphase, im Vergleich zu konventionellen Regelungsstrategien, eine deutliche Verbesserung der erreichbaren Formteilqualität aufweist.

Im industriellen Umfeld konnte sich bislang jedoch keine Regelungsstrategie flächendeckend durchsetzen, die Informationen von Spritzgießmaschine, Material und Werkzeug nutzt. Der Einsatz scheitert bislang vor allem an der Komplexität der Regelstrecke, die für jede Anwendung eine Parametrisierung auf den speziellen Anwendungsfall erforderlich macht. Dies ist in einer industriellen Spritzgießproduktion aufgrund regelungstechnischer Expertise nicht praktikabel. Ein weiterer Vorteil der hier angestrebten Regelungsstrategie im Vergleich zu bisher entwickelten Strategien liegt darin begründet, dass verschiedene Heißkanalnadeln unabhängig voneinander geregelt und angesteuert werden können. Somit ergibt sich besonders für Mehrkavitätenwerkzeuge wie beispielsweise Familienwerkzeuge sowie das für Kaskadenspritzgießen deutliche Vorteile.

Stellgröße Heißkanalnadel

Heißkanalnadeln als hochdynamisches Stellglied, welches direkt an die Formteile anbindet, bieten hingegen die Möglichkeit, die Regelstrecke erheblich zu vereinfachen und auch in Mehrkavitätenwerkzeugen eine individuelle Regelung jeder einzelnen Kavität zu gewährleisten. Durch die kleinere bewegliche Masse und die geringere Menge an kompressibler Kunststoffschmelze zwischen Stellglied und Kavität hat die Heißkanalregelung zudem eine geringere Totzeit. Somit kann der Aufwand für das Parametrisieren der Regler reduziert und demzufolge vereinfacht werden. Folglich entfallen die bisher bestehenden Hindernisse für eine solche Regelungsmethode.

Die in diesem Vorhaben ausgewählte Prozessführungsstrategie ermöglicht eine in der Einspritzphase maschinenseitig geregelte Schneckenvorschubgeschwindigkeit. Die Heißkanalnadel wird während der Einspritzphase zyklusübergreifend genutzt, um über den Öffnungsspalt das gleichmäßige Füllen der Kavitäten zu balancieren. Anschließend wird werkzeuginnendruckabhängig auf die Nachdruckphase und die Heißkanaldruckregelung umgeschaltet. In dieser Phase soll die Heißkanalnadel für eine p-v-T-optimierte Nachdruckregelung genutzt werden und demzufolge thermische Schwankungen durch unterschiedliche Scherung im Nadelspalt kompensieren. Durch das aktive Einstellen der Nadelposition und somit des Nadelspalts in der Nachdruckphase soll der Werkzeuginnendruck an eine Referenzkurve angepasst werden.

Nachdruck durch verschiedene Nadelposition

Um ein ganzheitliches Regelkonzept zu ermöglichen, wird parallel zur Programmierung der Regelungssoftware das Systemverhalten in der Nachdruckphase untersucht. Der Werkzeuginnendruck soll in der quasistatischen Nachdruckphase, in der ohnehin nur eine geringe Schmelzemenge bewegt wird, durch die Variation des sehr kleinen Nadelspaltes angepasst werden. Vorversuche zum Überprüfen des Systemverhaltens wurden auf einer Spritzgießmaschine des Typs Arburg Allrounder 520 A von Arburg, Loßburg, durchgeführt. Für die Versuche wurde das Polypropylen 579 S von Saudi Basic Industries Corporation, Riad, Saudi-Arabien, verwendet. Beim Werkzeug, in das ein servoelektrischer Heißkanal integriert ist, handelt es sich um eine Sattelgeometrie. Die Heißkanalnadel kann maximal mit einem Hub von 18 mm geöffnet und geschlossen werden. In der Kavität sind kombinierte Druck-/Temperatursensoren von Kistler, Winterthur, Schweiz, am Fließweganfang (angussnah) und am Fließwegende (angussfern) platziert. Mithilfe dieser Drucksensoren wird der Werkzeuginnendruck in der Kavität aufgezeichnet.

Zur Analyse des Systemverhaltens wird die Nadelposition während der Nachdruckphase variiert. Mit der konventionellen Heißkanalsteuerung kann ein weiterer Schritt zwischen Öffnen und Schließen hinzugefügt werden. Über die verschiedenen Versuchspunkte hinweg wird der Heißkanal in 1 mm Schritten geschlossen und der Werkzeuginnendruckverlauf aufgezeichnet. So kann überprüft werden, wie unterschiedliche Nadelspalte den Werkzeuginnendruck beeinflussen.

Die Ergebnisse der Vorversuche wurden am Beispiel des angussnahen Sensors zusammengefasst. Durch die Positionsänderung der Heißkanalnadel wird der Werkzeuginnendruck signifikant beeinflusst, vor allem bei einem sehr kleinen Nadelspalt. Die 18 mm-Kurve beschreibt den Verlauf des Werkzeuginnendrucks bei vollständig geöffnetem Heißkanal, die 0 mm-Kurve bei einem vollständig geschlossenen Heißkanal. Durch die Änderung der Position des Heißkanalstiftes kann der Werkzeuginnendruck beeinflusst werden. Bei vollständig geöffnetem Heißkanal wird ein maximaler Werkzeuginnendruck von fast 160 bar erreicht. Der Druck in der Kavität nimmt mit abnehmenden Öffnungshub des Heißkanals ab. Bei einem Öffnungshub von 1 mm beträgt der maximal erreichbare Innendruck nur 110 bar. Bei diesem Bauteil kann der Werkzeuginnendruck durch die Bewegung und die Position des Heißkanalstiftes folglich um bis zu 50 bar variiert werden.

Auffällig in den Diagrammen sind die Druckspitzen bei circa 27 s im Zyklus. Die Fläche unter der Kurve lässt darauf schließen, dass hier eine größere Menge an Schmelze in die Kavität transportiert wird. Bisher sind die korrelierenden Maschinenwerte nicht aufgezeichnet worden, sodass eine solche Überprüfung nicht durchgeführt werden kann.

Simulation und Qualitätsüberprüfung folgen

Es wurde gezeigt, dass in der quasistatischen Nachdruckphase der Werkzeuginnendruck beeinflusst werden kann. Aus diesem Grund ist die Umsetzung einer solchen Lösung grundsätzlich möglich.

Anhand von Simulationen soll anschließend gezeigt werden, dass der enge Nadelspalt die Schmelzequalität nicht beeinflusst. Momentan wird die Software zum Umsetzen der Regelung entwickelt und anschließend eine Reglerparametrisierung am Beispiel des Sattelwerkzeugs durchgeführt. Durch das Auswerten ausgewählter Qualitätsgrößen, wie dem Formteilgewicht oder ausgewählten Dimensionen, ist ein Beurteilen der langzeitigen Prozessstreuung möglich. Zusätzlich werden Versuche durchgeführt, bei denen gezielt Störungen in den Prozess eingebracht werden, um somit die Prozessrobustheit gegenüber materialbedingten Störungen (wie Rezyklateinsatz oder Restfeuchte) oder Anfahrvorgängen nach Maschinenstillstand beurteilen zu können. Die Auswertung der Qualitätsgrößen ermöglicht zu beurteilen, ob die Beeinflussung der Scherung und der Thermik des Prozesses durch die Heißkanalnadelöffnung tatsächlich unkritisch ist.

Dank

Das IGF-Forschungsvorhaben (19966N) der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank.