Adaptive Prozessführung und alternative Einspritzkonzepte beim Spritzgießen von Thermoplasten (2016)

In der Spritzgiesproduktion wird eine hohe Qualitat der hergestellten Formteile durch eine hohe Prozess- und Maschinenfahigkeit bedingt. Allerdings reicht es nicht aus, die Spritzgiesmaschine mit einer hohen Wiederholgenauigkeit zu betreiben, da Storeinflusse, die uber das Material und die Umgebungsbedingungen induziert werden, den Produktionsprozess negativ beeinflussen und somit zu Qualitatsmangeln und Produktionsausschuss fuhren. Eine konstante Formteilqualitat bleibt daher in der Praxis oft unerreicht. Die Indikation der masgeblichen Einflussfaktoren und Storgrosen ist fur eine Analyse, aber auch zur Verwendung in einer Prozess- und Qualitatsregelung unabdingbar. Die vorgestellten Prozesskennzahlen sind unbedingt in der Lage, verschiedene Storgrosen im Prozess darzustellen und konnen zur Uberwachung und Analyse herangezogen werden. Die rheologische Charakterisierung von Kunststoffschmelzen in der Einspritzphase uber den Viskositatsindex VI ermoglicht es, Material und Materialchargen ohne Verwendung von externen Messmitteln zu analysieren. Das Fliesverhalten der Kunststoffschmelze kann direkt in der Spritzgiesmaschine bestimmt werden. Der Anwender kann so robustere Prozessfenster wahlen, die bessere Urformbedingungen unter Berucksichtigung von Storgrosen ergeben. Prozessinvariante Kennzahlen bieten sich ebenso fur eine Uberwachung des Maschinenzustands einzelner Komponenten und Subsysteme und somit fur eine zustandsbasierte Maschinen- und Prozessdiagnose an. Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, wie entsprechende prozessrelevante Kennzahlen innerhalb dieser Kontexte eingesetzt werden konnen. Der Ruckstromsperre kommt dabei eine besondere Rolle zu, da durch ihre Funktion die Schussgewichtskonstanz masgeblich bestimmt wird. Anderungen im Schliesverhalten, lassen Verschleis oder Viskositatsunterschiede des verarbeiteten Polymers erkennen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Qualitatsregelung zur Verbesserung der Prozessrobustheit und Bauteilqualitat beim Spritzgiesen von Thermoplasten vorgestellt, die auf der Uberwachung maschineninterner Prozessdaten basiert. Die vorgestellte Methode einer adaptiven Prozessfuhrung erkennt Schwankungen, die beispielsweise durch Storeinflusse verursacht werden, noch im Einspritzvorgang und gleicht sie innerhalb desselben Spritzgieszyklus aus. So ist es beispielsweise der Steuerung der Spritzgiesmaschine moglich, selbsttatig und automatisiert auf Rohstoffschwankungen im Sinne einer optimierten Produktqualitat zu reagieren und prozesszustandsbasiert Schwankungen zu kompensieren. Es wird gezeigt, dass neben einer Verbesserung der Robustheit des Produktionsprozesses auch Unzulanglichkeiten innerhalb instationarer Prozessphasen, wie sie nach Maschinenstillstanden oder nach dem Rusten und Anfahren auftreten, verringert werden konnen. Maschinenbetreiber verlangen eine hohe Maschinen- und Prozessfahigkeit und deren Nachweisbarkeit, die an den Produktmerkmalen ermittelt wird. Allerdings werden nach heutigem Verstandnis Spritzgiesprozesse meist unter der Pramisse konstanter Prozessparameter validiert. Ein adaptiver Eingriff in den Prozess und eine Beeinflussung der betreffenden Parameter ist demnach kontrovers zum bisherigen Vorgehen und stellt gar einen Paradigmenwechsel dar. Es wird daher an verschiedenen Beispielen gezeigt, welche Auswirkungen eine prozesszustandsbasierte Kompensation auf den Spritzgiesprozess hat. Randbedingungen fur die Entwicklung der Methode waren industrielle Anforderungen wie Universalitat und Skalierbarkeit, weshalb das Wirkprinzip sowohl an elektro- als auch an hydromechanisch angetriebenen Spritzgiesmaschinen analysiert und validiert wird. Es wird gezeigt, dass eine Kompensation viskositatsbedingter Storeinflusse, die sich sowohl auf das Fliesverhalten der Schmelze selbst als auch auf das Schliesverhalten der Ruckstromsperre auswirken, mittels einer adaptiven Prozessfuhrungsmethode zu einer Verbesserung der Prozess- und Produktqualitat beitragen kann. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird zur Verbesserung der Prozess- und Maschinenfahigkeit ein alternatives Einspritzkonzept unter Verwendung einer Schubschnecke ohne bewegliche, sperrende Elemente an der Schneckenspitze entwickelt und untersucht. Das vorgestellte Konzept basiert auf der Integration einer kontinuierlichen Plastifizierung in den diskontinuierlichen Spritzgiesprozess. Es umfasst ein ruckstromkompensiertes Einspritzen in Einspritz- und Nachdruckphase durch die Herstellung eines geeigneten Forderstroms zur Kompensation von Schmelzeruckfluss zuruck in die Schneckengange und kommt somit ohne konventionelle Ruckstromsperre aus. In Abhangigkeit von Prozess- und Schmelzezustand verbessert so ein `weiches' oder `offen' sperrendes System die Prozessfahigkeit bei einem geringerem Komponentenverschleis. Ebenfalls wird das Schussvolumen uber eine Vielzahl von Spritzgieszyklen in erhohtem Mase konstant gehalten. Es gelingt, auf passive Sperrgeometrien mit ihren Unzulanglichkeiten hinsichtlich der Bestimmung des Schlieszeitpunktes, deren nachteiliger Verschleisneigung und Nachteilen im Dosierbetrieb zu verzichten. Durch den zusatzlichen Einsatz eines Wendelscherteils innerhalb der Schneckenspitzengeometrie ergibt sich beim Dosieren eine bessere Homogenisierung der Schmelze. Nachteilig hierbei ist, dass aufgrund der intensiven Stromungsvorgange Druck verbraucht wird und die Schmelzetemperatur steigt. Es bietet sich also an, die Schnecke nur so schnell wie notwendig zu drehen oder gar einen Ruckstrom in Kauf zu nehmen. Zur Beeinflussung, insbesondere zum Konstanthalten des Differenzstroms wahrend der Einspritz- und/oder Nachdruckphase wird eine Kopplung der Antriebsdrehzahl an die Schneckenvorlaufgeschwindigkeit und/oder den Massedruck untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Prozessfuhrung auf Basis eines aktiven, ruckstromkompensierten Formfullvorgangs zu konventionellen Prozessfuhrungsmethoden unter Einsatz von Ringruckstromsperren, bezuglich Schussgewichtskonstanz und Reproduzierbarkeit, gleichwertig, respektive uberlegen ist. Uber die Messung des Plastifizierdrehmoments in der Dosierphase kann daruber hinaus ein idealer Plastifizierstrom bestimmt werden, welcher sich adaptiv und automatisiert einstellen lasst. Der Ausbringungsfaktor lasst sich uber die Erhohung der Schneckendrehzahl auserdem steigern. Eine derartige Prozessfuhrung, optimaler Weise unter Verwendung eines geeigneten Schneckenkopfes, bietet sich insbesondere dann an, wenn eine gute Durchmischung der Schmelze gefordert ist oder keine sperrende Geometrie aus prozesstechnischen Grunden verwendet werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass, aufgrund der guten Reproduzierbarkeit des Schussvolumens, das Verfahren nicht auf einzelne Materialien oder Anwendungen limitiert ist. Ebenfalls konnte nachgewiesen werden, dass sich im Rahmen der thermischen Verarbeitungsgrenzwerte des Materials hohe Nachdruckniveaus auch bei langen Nachdruckzeiten aufrecht erhalten lassen.