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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Spritzvorganges an Spritzgießmaschinen.
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Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass dem aktuellen technischen Stand entsprechende Spritzgießmaschinen dank ausgefeilter Regelungsmechanismen an sich eine hohe Prozesskonstanz aufweisen, Formteile also mit gleichbleibender Qualität in großen Stückzahlen hergestellt werden können. Der Füllprozess des Werkzeuges kann dazu mit hoher Genauigkeit reproduzierbar wiederholt werden.
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Gleichwohl besteht im Praxisalltag bei den Anwendern von Spritzgießmaschinen die Problematik, dass durch Eingabefehler bei der Parametrierung des Prozesses vom Optimum abweichende Spritzvorgänge auf der Spritzgießmaschine ablaufen, die zu qualitativ schlechteren Spritzgussteilen führen. Auch inkonstante Materialeigenschaften des Ausgangsmaterials, wie dessen Qualität bzw. unterschiedliche Umwelteinflüsse, wie z.B. Feuchte, beim Lagern des Materials und dessen Einspeisen in die Spritzgießmaschine können zu Prozessfluktuationen führen, sodass von Spritzvorgang zu Spritzvorgang zwar einheitliche Einstellparameter an der Maschine zur Anwendung kommen, jedoch trotzdem markante Prozessunterschiede und entsprechende Artikelfehler auftreten können.
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Typische Prozessfehler sind unter anderem:
- - Füllen des Formwerkzeugs während der Nachdruckphase (zu frühes Umschalten auf Nachdruck)
- - zu kurze Nachdruckphase
- - zu lange Nachdruckphase
- - falsche Schließkrafteinstellung
- - verschlossene Kavitäten (sogenannte „Formnester“ im Werkzeug)
- - falsches Nachdruckniveau.
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Diese Fehlerbilder können zwar unter Verwendung von in der Kavität des Formwerkzeugs angebrachten Werkzeuginnendruckfühlern erkannt werden. Die Installation der entsprechenden Sensorik, dazugehöriger Signalverstärker und der damit unvermeidlichen Verdrahtung erzeugen einen hohen zusätzlichen Konstruktions- und Montageaufwand. Verarbeitende Betriebe müssen somit bei Bedarf ihre Formwerkzeuge mit geeigneter Sensorik ausrüsten, um eine für bestimmte Qualitätsanforderungen ausreichende Prozesskonstanz zu gewährleisten. Der Herstellungsaufwand und die damit verbundenen Kosten für den Formenbau erhöhen sich dadurch erheblich, weil jedes Werkzeug mit teuren Sensoren bestückt werden muss.
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Zum technologischen Hintergrund sind die
DE 10 2014 014 231 A1 und die
DE 10 2014 014 232 A1 zu nennen. Die erstgenannte Druckschrift befasst sich sehr allgemein mit Verfahren zur Bestimmung eines Sollwerts für Einstellparameter bei Spritzgießmaschinen. Das zweitgenannte Dokument offenbart ein Verfahren zur Überwachung der Werkzeugatmung bei Spritzgießmaschinen. Anhaltspunkte für eine explizit benutzerfreundliche Auslegung von Einstellungsroutinen für den Einspritzvorgang an Spritzgießmaschinen liefern beide Druckschriften nicht.
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Ausgehend von der geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein benutzerfreundliches, konstruktiv einfach implementierbares Verfahren zur Einstellung von Spitzvorgängen an Spritzgießmaschinen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Einstellung des Einspritzvorgangs an Spritzgießmaschinen gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 mit folgenden Verfahrensschritte gelöst:
- a) Bereitstellung einer Zeit- oder Weg-abhängigen Soll-Kurve eines für den Werkzeuginnendruck an der Spritzgießmaschine repräsentativen Messparameters,
- b) Darstellung der Soll-Kurve auf einer visuellen Anzeigeeinheit,
- c) Messung einer Zeit- oder Weg-abhängigen Ist-Kurve des repräsentativen Messparameters während eines Spritzzyklus in einer Bemusterungsphase,
- d) mit der Soll-Kurve überlagerte Darstellung der Ist-Kurve auf der visuellen Anzeigeeinheit,
- e) Vergleichen von Ist-Werten der Ist-Kurve mit Soll-Werten der Soll-Kurve in mindestens einem für den Spritzvorgang kritischen Abschnitt des Spritzvorgangs,
- f) bei Überschreiten einer Maximalabweichung der Ist-Werte von den Soll-Werten des repräsentativen Messparameters in einem kritischen Abschnitt eine Darstellung einer entsprechenden Hinweisinformation zur Anpassung von Einstellparametern an den Maschineneinsteller auf der visuellen Anzeigeeinheit,
- g) mindestens einmalige Wiederholung der Schritte c) bis f) nach jeweiliger Anpassung der Einstellparameter, bis die Ist-Kurve im kritischen Abschnitt innerhalb der Maximalabweichung von der Soll-Kurve liegt, und
- h) Beenden der Bemusterungsphase.
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In vorteilhafter Weise kann durch das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für eine Spritzgießmaschine über einen geeigneten Messparameter, wie bevorzugtermaßen die Schließkraft der Spritzgießmaschine, ein signifikanter Rückschluss auf den Werkzeuginnendruck ohne einen in der Werkzeugkavität integrierten Drucksensor gezogen werden. Die Auswertung erfolgt anhand von Daten eines vorzugsweise standardmäßig in einer Kniehebel-Spritzgießmaschine verbauten Sensors (z.B. Schließkraft-, Werkzeug-Schutzsensor). Dadurch entsteht für die Implementierung der Erfindung kein zusätzlicher Hardware-Aufwand. Es findet eine entsprechende zusätzliche Auswertungssoftware Anwendung, mit der insbesondere die obigen Verfahrensschritte e) und f) automatisiert umgesetzt werden, um gegebenenfalls iterativ zu einer Optimierung der Ist-Kurve des für den Werkzeuginnendruck an der Spritzgießmaschine repräsentativen Messparameter, wie eben beispielsweise der Schließkraft, zu kommen. Es wird also praktisch eine virtuelle Werkzeuginnendruck-Information mit allen typischen Prozesspunkten, aber ohne die genaue Druckangabe zur Verfügung gestellt.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass für die Zeit- oder Weg-abhängige Soll-Kurve des für den Werkzeuginnendruck repräsentativen Messparameters unterschiedliche andere Quellen, wie Simulationen, Ableitungen aus anderen Prozessen usw. herangezogen werden.
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Von besonderem Vorteil ist im Zusammenhang mit der Erfindung auch die visuelle Darstellung von Soll- und Ist-Kurve des entsprechenden Messparameters in Überlagerung und die Einblendung entsprechender Hinweis-Informationen zur Anpassung von Einstellparametern, um den Spritzvorgang in der Bemusterungsphase möglichst einfach und rationell an den durch die Soll-Kurve vorgegebenen Parameterverlauf anzupassen.
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Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. So können die Hinweisinformationen in ergonomisch günstiger Weise auf der visuellen Anzeigeeinheit durch dem jeweiligen kritischen Abschnitt des Spritzvorgangs positionszugeordnete Informationsfenster ausgegeben werden. Für den Maschinenbediener erschließen sich damit die für die Optimierung des Spitzvorganges notwendigen Anpassungen von entsprechenden Einstellparametern besonders augenfällig.
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Alle für die Qualität des Spritzvorganges besonders wesentlichen, also kritischen Abschnitte des Spritzvorgangs werden durch das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise optimiert, wenn insbesondere die Einspritzphase zum Füllen des Formwerkzeugs auf ein Einbrechen des Werkzeuginnendrucks, das Überspritzen und die Nachdruckphase mit falschem Erstarrungszeitpunkt des Angusses als Fehlerbilder überwacht werden.
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Besonders effektiv ist das erfindungsgemäße Verfahren weiterzubilden, wenn die Anpassung von Einstellparametern gemäß Verfahrensschritt f) insbesondere für die Einspritz- und Nachdruckphase durch eine automatische Optimierungsroutine erfolgt.
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Als mögliche Einstellparameter für die Optimierung des Spritzvorgangs bieten sich Einspritzgeschwindigkeit, Startpunkt von Formschließkraftstufen, Umschaltpunkt, Nachdruckzeit, Nachdruckhöhe und/oder Schließkrafthöhe an.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die am Ende der Bemusterungsphase erzielte Einstellung der Einstellparameter als Masterkurve herangezogen werden, mit der die aktuelle Ist-Kurve jedes nachfolgenden Spritzzyklus verglichen und bei Abweichungen eine Nachregelung entsprechender Einstellparameter erfolgt.
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Insoweit ist das erfindungsgemäße Verfahren also auch über die Bemusterungsphase hinaus für die reguläre Produktionsphase einsetzbar.
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Weitere abhängige Ansprüche betreffen vorteilhafte Berechnungsmöglichkeiten für die Vergleiche von Soll- und Ist-Kurve. So kann als Kriterium für eine Nachregelung entsprechender Einstellparameter ein Fehlerintegral der Kurvenabweichung und/oder signifikante Formabweichungen der Ist-Kurve von der Soll- bzw. Masterkurve herangezogen werden. Auch kann die Nachregelung auf Basis analytischer oder numerischer Rechenoperationen erfolgen.
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Eine weitere bevorzugte Einsatzmöglichkeit für das erfindungsgemäße Verfahren besteht in der Detektion verschlossener Kavitäten während des Spritzvorgangs und deren Visualisierung auf der Anzeigeeinheit. Falls eine Kavität verschlossen ist, sinkt der mittels Schließkraft gemessene Werkzeuginnendruck anteilsmäßig, da sich die projizierte Fläche im WZ verkleinert. Wenn bei einem Vier-Kavitäten-Werkzeug eine Kavität verschlossen wird, sinkt der über die Schließkraft gemessene Werkzeuginnendruckverlauf um ein Viertel, also etwa 25%.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Spritzgießmaschine, und
- 2 eine Ansicht einer Anzeigeeinheit der Spritzgießmaschine mit visueller Darstellung.
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Anhand von 1 ist der übliche Aufbau einer hier dargestellten 3-Platten-Spritzgießmaschine zu rekapitulieren. An einem Maschinenbett 1 sind eine feste Werkzeug-Aufspannplatte 2 sowie eine feste Endplatte 3 montiert, zwischen denen vier Säulen, nämlich zwei obere Säulen 4o und zwei untere Säulen 4u installiert sind, welche die Schließkraft aufnehmen. Die Werkzeug-Aufspannplatten 2, 5 tragen die beiden zwischen sich eine Formkavität bildenden Werkzeughälften 6, 7. Die bewegliche Aufspannplatte 5 ist durch ein zwischen ihr und der festen Endplatte 3 agierendes Kniehebelsystem 8 zwischen einer offenen Position (siehe 1) und einer geschlossenen Position verschiebbar. In letzterer wird sie mit einer Schließkraft F beaufschlagt, die den möglichst hermetischen Einschluss des Spritzgießmaterials in der Formkavität auch gegen dessen Werkzeuginnendruck gewährleistet.
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Auf der dem Formwerkzeug abgewandten Seite der festen Werkzeug-Aufspannplatte 2 ist der Schneckenzylinder 9 angeordnet, in dem das Spritzgießmaterial plastifiziert und homogenisiert wird. Über die plattenseitige Düse wird das so aufbereitete Material über die feste Werkzeug-Aufspannplatte 2 in den Formhohlraum zwischen den geschlossenen Werkzeughälften 6, 7 durch eine geregelte Vorwärtsbewegung der Plastifizierschnecke im Schneckenzylinder 9 eingespritzt. Über die Dynamik dieser Schnecken-Vorwärtsbewegung mit entsprechenden Einstellparametern wird der Füllvorgang der Formkavität hinsichtlich Geschwindigkeit und Füllgrad sowie das Umschalten zwischen Füll- und Nachdruckphase gesteuert.
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Üblicherweise ist der in der Formkavität jeweils zu bestimmten Phasen des Einspritzvorgangs herrschende Werkzeuginnendruck eine signifikante Größe für ein möglichst optimales Spritzergebnis, jedoch ist der Werkzeuginnendruck - wie eingangs erläutert - direkt nur in konstruktiv aufwendiger Weise durch in die Werkzeughälften 6, 7 integrierte Sensoren zu messen. Zu deren Vermeidung wird beim erfindungsgemäßen Verfahren als für den Werkzeuginnendruck repräsentativen Messparameter auf die Schließkraft F des Kniehebelsystems 8 zurückgegriffen. Die Schließkraft F stellt sich dabei als überlagerte Größe zwischen der eigentlichen, vom Kniehebelsystem 8 aufgebrachten Kraft und der durch den Werkzeuginnendruck zwischen den Werkzeughälften 6, 7 generierten Kraft dar, ist also ein für den Werkzeuginnendruck repräsentativer Messparameter, dessen Analyse validen Aufschluss über die während des Spritzzyklus Formhohlraum herrschenden Verhältnisse gibt.
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Wie in 1 angedeutet ist, kann die Messung der Schließkraft F durch Verwendung von Dehnungssensoren erfolgen, die an entsprechenden, durch die Schließkraft F mittelbar beaufschlagten Komponenten der Spritzgießmaschine angebracht sein können. Beispielhaft sei auf einen Dehnungssensor 10 an der Oberfläche an einer der oberen Säulen 4o verwiesen, der über eine entsprechende Signalleitung 11 mit einer Steuereinheit 12 der Spritzgießmaschine verbunden ist. Andere Anbringungsorte von Dehnungssensoren 10' an einem Pleuel 13 des Kniehebelsystems 8, an der beweglichen Aufspannplatte 5, an der Endplatte 3, in einer Säulenbohrung 14 am einspritzseitigen Ende der oberen Säule 4o oder in einem Dehnhals 15 in der Lagerung der oberen Säule 4o in der festen Werkzeugaufspannplatte 2 sind durch gestrichelte Rechtecke in 1 angedeutet.
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Vervollständigt wird die in 1 gezeigte Spritzgießmaschine durch eine mit der Steuereinheit 12 verbundene Anzeigeeinheit 16 in Form eines entsprechenden Monitors sowie eine Eingabeeinheit 17 zur manuellen Eingabe von Steuerbefehlen und Parameterwerten. Monitor und manuelle Eingabeeinheit können in Form eines Touchscreens integriert vorliegen.
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Anhand von 2 ist nun ein Ausführungsbeispiel für den Ablauf des erfindungsgemäßen Einstellverfahrens für einen Spritzvorgang an der Spritzgießmaschine zu erläutern. Bei geschlossenen und unter einer entsprechenden Schließkraft F seitens des Kniehebelsystems 8 stehenden Werkzeughälften 6, 7 wird in einer Bemusterungsphase ein Einspritzvorgang mit Formfüllung und Übergang in die Nachdruckphase durch einen entsprechend geregelten Vorschub der Schnecke im Schneckenzylinder 9 durchgeführt. Dabei wird einerseits auf der Anzeigeeinheit 16 - wie in 2 dargestellt ist - in ein Zeit-Schließkraft-Diagramm mit der Zeitachse t und der Kraftachse F eine maschinenintern von der Steuereinheit 12 bereitgestellte, gestrichelt dargestellte Soll-Kurve SK als virtuelle Werkzeuginnendruck-Sollkurve für den zeitlichen Verlauf der Schließkraft F eingeblendet - Verfahrensschritte a) und b).
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Andererseits wird der vom Dehnungssensor 10 zeitlich aufgelöste, während des Spritzzyklus in der Bemusterungsphase gelieferte Messwert von der Steuereinheit 12 in eine entsprechende Schließkraft F umgesetzt - Verfahrensschritt c) - und als durchgezogen dargestellte Ist-Kurve IK überlagert mit der Soll-Kurve SK ebenfalls auf der Anzeigeeinheit 16 visuell dargestellt - Verfahrensschritt d).
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In der Steuereinheit 12 werden die Ist-Werte der Ist-Kurve IK mit den Soll-Werten der Soll-Kurve SK in den kritischen Abschnitten zu Ende der Füllphase sowie zu Beginn und Ende der Nachdruckphase, also in der ansteigenden und abfallenden Flanke der Kurven IK und SK, verglichen - Verfahrensschritt e).
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Sofern sich aus diesem Vergleich bei Überschreiten einer Maximalabweichung der Ist-Werte von den Soll-Werten der Schließkraft F in den kritischen Abschnitten die in 2 dargestellten Fehlerbilder F1, F2, F3, F4 herauskristallisieren, werden bei diesen entsprechenden Fehlerbildern F1, F2, F3, F4 Hinweis-Informationsfenster H1, H2, H3, H4 eingeblendet - Verfahrensschritt f).
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Das Fehlerbild F 1 repräsentiert beispielsweise einen einbrechenden Werkzeuginnendruck, was von der Steuereinheit durch den vorstehenden Vergleich erkannt wird. Es öffnet sich das Hinweis-Informationsfenster H1 und schlägt eine entsprechende Aktion INFO F1 zur Behebung des festgestellten Druckabfalls vor. Diese Aktion kann beim nächsten Spritzzyklus durch manuelle Eingabe oder automatisch über die Steuereinheit umgesetzt werden.
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Analog dazu visualisiert Fehlerbild F2 ein sogenanntes Überspritzen der Formkavität und eine entsprechende Empfehlung INFO F2 beispielsweise des Inhalts, den Umschaltzeitpunkt auf Nachdruck früher zu setzen, wird im Hinweis-Informationsfenster H2 angezeigt.
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Fehlerbild F3 deutet daraufhin, dass der Anguss am Ende der Nachdruckphase noch nicht erstarrt ist. Die entsprechende Empfehlung INFO F3 auf dem eingeblendeten Hinweis-Informationsfenster H3 zielt auf eine Verlängerung der Nachdruckphase.
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Fehlerbild F4 lässt darauf schließen, dass die Werkzeuginnendruckkurve bei anhaltendem Nachdruck bereits abgefallen ist, also der sogenannte Siegelpunkt erreicht ist. Dementsprechend kann in dem eingeblendeten Hinweis-Informationsfenster H4 der Bediener auf eine zu lange Nachdruckzeit aufmerksam gemacht werden.
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Die vorstehenden Abläufe können während der Bemusterungsphase gegebenenfalls mehrfach wiederholt werden, bis die Ist-Kurve (im wesentlichen) der Soll-Kurve entspricht und dementsprechend möglichst optimale Einstellparameter für ein dauerhaft qualitativ hochwertiges Spritzergebnis erzielt sind. Mit dieser Optimierung der Werkzeuginnendruckkurve können die Hinweis-Informationsfenster H1, H2, H3, H4 ausgeblendet werden und die Produktion beginnen.
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Dieser Spritzverlauf mit entsprechenden Einstellparametern kann für den nachfolgenden Produktionsablauf als Master-Kurve herangezogen werden, auf deren Basis die Ist-Kurve jedes einzelnen Spritzzyklus bewertet, problematische Abweichungen erkannt und gegebenenfalls „Nachjustierungen“ bei den Einstellparametern zur Behebung der Abweichungen vorgenommen werden können.
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Auf Basis des vorstehenden Einzelverfahrens können auch verschlossene Formkavitäten erkannt und auf der Anzeigeeinheit 16 visualisiert werden. Während des Einspritzvorganges wird der homogenisierte Kunststoff aus dem Plastifizierzylinder 9 unter einem vorherrschenden Spritzdruck durch eine sich in der festen Aufspannplatte2 befindlichen Düse in die geschlossenen Formhälften 6 und 7 eingespritzt. Die Bereiche der Werkzeughälften, in die der Kunststoff eingespritzt wird, die Formnester bzw. Kavitäten, bestimmen durch Ihrer Oberfläche die durch den Spritzdruck der Schließkraft entgegenwirkende Kraft. Diese Kraft ist durch die beschriebenen Sensoren messbar. Ist nun beispielsweise eine Kavität verschlossen, verringert sich die projizierte Fläche, auf die der Druck wirkt. Dadurch verringert sich auch die gemessene Kraft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014014231 A1 [0006]
- DE 102014014232 A1 [0006]
