DE3803595C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Werkzeugfüllung bei der Verarbeitung von Poly­ urethan durch einen Reaction-Injection-Molding-Prozeß auf Dosieranlagen nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9.

Im Reaction-Injection-Molding(RIM)-Prozeß werden Reak­ tionskomponenten während der Polymersynthese in einem einem Spritzgießwerkzeug vergleichbaren Werkzeug ausge­ formt. Die Art der Verarbeitung und der Formteilherstel­ lung unterscheidet sich damit grundlegend von bekannten Spritzgießmaterialien.

Hieraus resultieren besondere Anforderungen an die Ver­ fahrenstechnik.

Die wechselseitigen Beziehungen zwischen Volumenstrom, Gasbeladung, Komponententemperatur, Werkzeugtemperatur, Werkzeuginnendruck einerseits und Formteilqualität ande­ rerseits sind bislang ungeklärt.

Dadurch ist es von besonderer Bedeutung, eine gute Re­ produzierbarkeit der obengenannten Prozeßparameter si­ cherzustellen, da die Wiederholbarkeit der Qualität des Formteils von der Reproduzierbarkeit einzelner Prozeß­ parameter abhängt.

Aus dem Aufsatz in "Plastverarbeiter", 1984, Nr. 9, S. 84-94, ist ein Verfahren zur Werkzeugfüllung bekannt, bei dem der Werkzeugfüllvorgang bei der Polyurethan- (PUR)-Verarbeitung über eine Zeitsteuerung gesteuert ist. An der Verarbeitungsanlage wird die Zeit, in der die Werkzeugkavität mit dem Reaktionsgemisch zu füllen ist, nach einem Try-and-Error-Prinzip anhand der Druck­ kurve des Werkzeuginnendrucks eingestellt. Die Zeit­ steuerung mit fest vorgegebenen Füllzeiten hat den Nach­ teil, daß keine von Schuß zu Schuß reproduzierbaren Werkzeuginnendruckverläufe erzielbar sind. Hieraus re­ sultiert eine Über- und Unterfüllung der Kavität, die zu Gewichtsschwankungen der Formteile führt und damit zu einer unterschiedlichen Qualität der Formteile.

Aus der DE-OS 35 21 948 ist ferner ein Verfahren be­ kannt, bei dem der Werkzeuginnendruck angußnah gemessen wird und zur Steuerung des Dosiervolumenstromes einge­ setzt wird. Ziel dieser Verfahrensweise ist es, einen konstan­ ten, maximalen Druck im Anschnittbereich zu erlangen. Hierzu muß bei fortschreitender Werkzeugfüllung der Massenstrom der Dosiermaschine reduziert werden, um den fließabhängigen Druckverlust konstant zu halten. Der gemessene Druck wird also nur zur Verstellung der Do­ sieraggregate und zur Nachführung der Mischkopfdüsen zum Einstellen von Mischungsdrücken benötigt. Das Do­ siervolumen bzw. die Dosiermenge und somit der Werkzeug­ füllgrad wird durch dieses Verfahren nicht beeinflußt. Dies ist technisch auch nicht realisierbar, da Mi­ schungsdrücke und Werkzeuginnendrücke aus Gründen der Mischgütekonstanz nicht miteinander verknüpft werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine Verringerung der Streuung der Formteilgenauigkeit ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen erfindungsgemäß die Merkmale des Hauptanspruchs. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Anspruchs 9.

Die Höhe des erreichten Werkzeuginnendrucks oder eines davon abgeleiteten Druckparameters ist ein Maß für den Füllgrad und infolgedessen für das Schußgewicht. Durch die Überwachung des Abschaltdruckparameters, z. B. des Werkzeuginnendrucks läßt sich folglich ein in hohem Maße konstantes Schußgewicht er­ zielen, wodurch eine hohe Reproduzierbarkeit der Form­ teilqualität möglich ist. Der exakt einstellbare und folglich exakt reproduzierbare Werkzeuginnendruck führt darüber hinaus zu homogeneren Formteileigenschaften.

Bei einer solchen werkzeuginnendruckabhängigen Dosier­ abschaltung sind Reduzierungen der Streuung im Form­ teilgewicht auf weit unter 1% durchführbar.

Ausgehend von einem Anfangsdruck, der von Schuß zu Schuß schrittweise erhöht wird, kann anhand einer eine Werkzeugüberfüllung anzeigenden Druckspitze ein Maxi­ maldruck festgestellt werden, wobei als optimaler Ab­ schaltdruck für weitere Fertigungzyklen der um die letzte Druckerhöhung reduzierte Maximaldruck verwendet werden kann. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß der fertigungstechnisch maximal sinnvolle Abschaltdruck als Kriterium zum Beenden des Füllvorganges verwendet wird.

Als Werkzeuginnendruckparameter kann auch das Integral des während des Dosiervorganges variierenden Werkzeug­ innendrucks verwendet werden. Für die Fertigungszyklen wird während des Schusses laufend das zeitliche Druck­ integral mit dem zum optimalen Abschaltdruck gehörenden Druckintegral verglichen. Weicht der Wert des bei jedem Schuß ermittelten Druckintegrals von dem zum optimalen Abschaltdruck gehörenden Druckverlauf ab, wird das zum optimalen Abschaltdruck gehörende Druckintegral als Kriterium zur Beendigung des Dosiervorgangs verwendet. Damit werden Veränderungen der Fließeigenschaften des Reaktionsgemisches, die zu einem veränderten zeitlichen Verlauf der Werkzeuginnendrücke führen, berücksichtigt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Werkzeuginnendruck in der Kavität angußnah gemessen wird. Die angußnahe Messung des Werkzeuginnendrucks hat den Vorteil, daß in diesem Bereich der Werkzeuginnendruck am höchsten ist, wodurch gleichzeitig eine eventuelle Überschreitung des maximal zulässigen Werkzeuginnendrucks überwacht werden kann.

Als Werkzeuginnendruckparameter kann auch der Mittel­ wert von mehreren im Abstand voneinander gemessenen Werkzeuginnendrücken verwendet werden. Auf diese Weise können anormale örtliche Druckspitzen bei einem einzel­ nen Sensor korrigiert werden.

Bei Hochdruck-Kolben-Dosieranlagen kann der Dosiervor­ gang durch Ausschalten der Ansteuerung für den Dosier­ kolben beendet werden. Bei der Verarbeitung von PUR- Komponenten mit Dosierkolben, die zum Beispiel über einen Linearverstärkerantrieb angesteuert werden, er­ gibt sich somit eine weitere steuerungstechnische Mög­ lichkeit zur Verbesserung der Dosiergenauigkeit. Bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwertes unterbricht die Steuerung die Ansteuerung des Dosierkolbenantriebs. Auf Grund der wesentlich kürzeren Reaktionszeiten elektri­ scher Systeme gegenüber elektro-hydraulischen oder rein hydraulischen Systemen, erfolgt hierbei eine exakte und schnelle Unterbrechung des Volumenstroms und damit des Dosiervorgangs. Dabei kann die Ansteuerung der Hydrau­ likelemente zum Schließen des Mischkopfes gleichzeitig oder anschließend erfolgen.

Bei Dosieranlagen mit Hochdruckpumpen kann der Dosier­ vorgang mit Hilfe von Umschaltventilen, durch die die Mischkomponenten vor dem Mischkopf über eine Rücklauf­ leitung in die Rohstofftanks zurückgeführt werden, be­ endet werden. Durch die Umschaltung des Volumenstroms der Mischungskomponenten auf die Rückführleitung läßt sich ebenfalls der Dosiervorgang ohne zeitliche Verzö­ gerung abbrechen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnun­ gen durch Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Hochdruck-Kolben-Dosieranlage und

Fig. 2 eine Dosieranlage mit Hochdruckpumpen.

Die in Fig. 1 dargestellte Hochdruck-Kolben-Dosieran­ lage weist zwei Dosierkolbeneinheiten 7, 8 auf, die über Zuführleitungen 5, 6 PUR-Mischkomponenten für die Form­ teilherstellung einem Mischkopf 4 zuführen, über den die gemischten Komponenten in eine Werkzeugkavität 3 gefördert werden. In der Werkzeugkavität sind zwei Druckmaßsensoren 1, 2 angeordnet. Der Werkzeuginnendruck kann über einen angußnahen Druckmaßsensor 2 und/oder über einen angußfernen Druckmaßsensor 1 erfaßt werden. Zwischen den Druckmaßsensoren 1 und 2 können auch weitere Druckmaßsen­ soren angeordnet sein, deren Drucksignale über Leitun­ gen 13, 14 zunächst einem Analog-Digitalwandler 12 und dann einer logischen Schaltung oder einem Prozeßrechner zur Steuerung der Maschinenfunktionen zugeführt werden. Die logische Schaltung 11 steuert sowohl den Mischkopf 4 als auch die Dosierkolbeneinheiten 7, 8 über Leitungen 9, 10 an, wodurch bei Abbruch des Dosiervorganges die Zustellbewegung der Dosierkolben beendet werden kann und der Mischkopf verschlossen werden kann.

Erreicht der Druck in der Werkzeugkavität 3 einen vorbe­ stimmten Grenzwert, der aus einem bestimmten Abschalt­ druck, einem Integralwert bis zu einem bestimmten Ab­ schaltdruck, einem Mittelwert von mehreren Drucksigna­ len oder einer Kombination dieser Druckparameter beste­ hen kann, wird zunächst die Ansteuerung der Dosierkol­ beneinheiten 7, 8 unterbrochen und anschließend der Mischkopf verschlossen. Mehrere Druckmaßsensoren ermögli­ chen die Feststellung, ob hohe Druckunterschiede zwi­ schen angußnahen und angußfernen Formteilbereichen be­ stehen, die zu einem nicht konstanten Dichteprofil des Formteils führen würden.

Besonders geeignet für den Antrieb der Dosierkolben sind hierbei Linearverstärkerantriebe, deren Pilot- Schrittmotoren von der logischen Schaltung 11 direkt angesteuert werden können. Diese Linearverstärkeran­ triebe ermöglichen eine wesentlich kürzere Reaktions­ zeit im Vergleich zu elektro-hydraulischen oder rein hydraulischen Systemen. Die schnelle Unterbrechung des Volumenstroms und damit des Dosiervorganges erhöht die Genauigkeit des Dosiervorganges.

Fig. 2 zeigt eine Dosieranlage mit Hochdruckhydraulik­ pumpen 17, 18, die die Mischkomponenten aus Rohstoff­ tanks 15, 16 über Zuführleitungen 5, 6 dem Mischkopf 4 zuführen. Von dem Mischkopf 4 laufen Rückführleitungen 5′, 6′ wieder zurück zu den Rohstofftanks 15, 16. Die Zuführ- und Rückführleitungen 5, 6, 5′, 6′ enthalten von der logischen Schaltung 11 über eine Leitung 19 an­ steuerbare Umschaltventile 20, 21, die zwecks Beendigung des Dosiervorganges von der logischen Schaltung 11 um­ geschaltet werden, um den Volumenstrom in den Zuführ­ leitungen 5, 6 in die Rückführleitungen 5′, 6′ umzu­ lenken. Damit ist ebenfalls eine unmittelbare Unter­ brechung des Dosiervorganges möglich. Die Rückführlei­ tungen 5′, 6′ weisen Drosselventile 22, 23 auf, um in den Leitungen einen einstellbaren Widerstand vorzusehen. Wenn der vorgegebene Grenzwert erreicht wird, werden außerdem die Hochdruckpumpen 17, 18 abgeschaltet sowie der Mischkopf 4 in die Schließstellung überführt.

Die werkzeuginnendruckabhängige Steuerung des Dosier­ vorgangs ermöglicht, die Schußgewichte in engen Grenzen von Schuß zu Schuß konstant zu halten. Das Verfahren kann bei RIM-Systemen mit und ohne Verstärkungsstoffe eingesetzt werden und sowohl bei Ein- als auch bei Mehr­ stellen-Dosieranlagen oder Zwei- und Mehrkomponenten- Dosieranlagen Anwendung finden. Die verwendeten Werk­ zeuge können mit und ohne Entlüftung ausgeführt sein.

Der optimale Abschaltdruck wird in einem Anfahrvorgang, beispielsweise von einem Prozeßrechner, iterativ über einen Suchalgorithmus ermittelt. Der Druck in der Werk­ zeugkavität wird dabei ausgehend von einem Anfangswert zwischen 5 und 10 bar von Schuß zu Schuß schrittweise erhöht, bis eine Druckspitze festgestellt wird, die eine vollständige Füllung der Werkzeugkavität anzeigt. Für die weiteren Schüsse wird der so ermittelte Maxi­ maldruck um den Wert des zuletzt durchgeführten Such­ schritts erniedrigt. Der auf diese Weise bestimmte op­ timale Abschaltdruck wird für die weiteren Fertigungs­ zyklen als Kriterium zur Beendigung des Dosiervorgangs benutzt.

Claims (13)

1. Verfahren zur Werkzeugfüllung bei der Verarbeitung von Polyurethan durch einen Reaction-Injection- Molding-Prozeß auf Dosieranlagen, bei dem nach einer abhängig vom Verlauf des Innendrucks in der Werkzeugkavität gesteuerten Dosierzeit der Dosier­ vorgang beendet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkzeuginnendruck bei jedem Dosiervorgang fortwährend gemessen und die Dosierzeit für jeden Dosiervorgang abhängig vom Erreichen eines vorgege­ benen, als optimal bestimmten Abschaltdruckparame­ ters variabel gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkzeuginnendruck, ausgehend von einem Anfangsdruck, von Schuß zu Schuß schrittweise er­ höht wird, bis eine eine Werkzeugüberfüllung an­ zeigende Druckspitze festgestellt wird und daß als optimaler Abschaltdruckparameter für weitere Ferti­ gungszyklen der um die letzte Druckerhöhung redu­ zierte maximale Werkzeuginnendruck verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß als Abschaltdruckparame­ ter das Integral des während des Dosiervorganges ansteigenden Werkzeuginnendrucks verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Werkzeuginnendruck in der Kavität angußnah gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß als Abschaltdruckparame­ ter der Mittelwert von mehreren im Abstand vonein­ ander gemessenen Werzeuginnendrücken verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Dosiervorgang durch Schließen des Mischkopfes beendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Hochdruck-Kolben- Dosieranlagen der Dosiervorgang durch Ausschalten der Ansteuerung für den Dosierkolben beendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Dosieranlagen mit Hochdruckpumpen der Dosiervorgang durch Rückführen der Mischkomponenten vor dem Mischkopf in die Roh­ stofftanks beendet wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Mischkopf, der eingangsseitig mit einer Dosieranlage für die zu mischenden Komponenten und ausgangsseitig mit einer Werkzeugkavität verbunden ist, in der min­ destens ein Druckmeßsensor zur Messung des Werk­ zeuginnendrucks angeordnet ist, und mit einer Zeit­ steuerung für die Dosierzeit,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeitsteuerung (11, 12) von dem Druckmeß­ sensor (1, 2) bei Erreichen eines vorgegebenen, als optimal bestimmten Abschaltdruckparamters zum Beenden des Dosiervorgangs betätigbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens ein Druckmeßsensor angußnah angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere im Abstand voneinander angeordnete Druckmeßsensoren (1, 2) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Zeitsteu­ erung (11, 12) bei Hochdruck-Kolben-Dosieranlagen den Antrieb für den Dosierkolben (7, 8) zum Beenden des Dosiervorganges ausschaltet.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Dosieranlagen mit Hochdruckpumpen (17, 18) in den Zuführleitungen (5, 6) zum Mischkopf (4) von der Steuerung (11, 12) ansteuerbare Umschaltventile (20, 21) angeordnet sind, die zum Beenden des Dosiervorganges die zuge­ führten Mischkomponenten über Rücklaufleitungen (5′, 6′) in Rohstofftanks (15, 16) zurückleiten.