Nur noch volle Teile

SPRITZGIESSEN
Nur noch
volle Teile
Prozesstechnik. Eine
neue prozessabhängige
Umschaltung beim Spritzgießen vermag übliche
Störgrößen auch bei anspruchsvollen technischen
Gerade bei Formteilen mit engen Toleranzen gilt es, jede Art von Prozessstörung
unmittelbar zu korrigieren (Foto: Sumitomo (SHI) Demag)
Teilen zuverlässig zu erkennen und den Prozess
ten Prozessstabilität lassen sich die Ausschusszahlen damit signifikant
reduzieren.
ANSGAR JAEGER
ie Spritzgießtechnik ist heute in der
Lage, auch mit hohen Fachzahlen
anspruchsvolle technische Teile in
engen Toleranzen zu fertigen. Hochwertige Werkzeuge mit ausbalancierten Heißkanälen und die ausgereifte Steuerungsund Antriebstechnik moderner Spritzgießmaschinen sind dafür die Grundlage. Mit optimierten Anlagenkomponenten lassen sich auf diese Art Schwankungen im Formteilgewicht auf weniger als
0,05 % drücken.
Leider sind das oft nur Momentaufnahmen im Rahmen einer Optimierung
zur Produktfreigabe. Viel anspruchsvoller ist es, die engen Toleranzen über einen längeren Zeitraum im rauen Produktionsbetrieb mit mittelfristigen Störungen sicherzustellen. Diese Störungen haben vielfältige Gründe. Verschleiß an der
Maschine, insbesondere an der Rück-
D
ARTIKEL ALS PDF unter www.kunststoffe.de
Dokumenten-Nummer KU111005
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oder im Extremfall durch überspritzte
Formteile. Neben fehlerhaften Teilen
kann das auch zu erheblichen Werkzeugschäden führen. Es gelingt zwar, mit einer gut eingestellten Prozessüberwachung Abweichungen zumindest zu identifizieren, doch ist diese zu selten eingerichtet.
Adäquat auf Veränderungen im
Prozess reagieren
Diese Vorgehensweise erfordert oft ein
Eingreifen des Einrichters und ständige
Korrekturmaßnahmen an der Prozesseinstellung, verbunden mit dem dabei anfallenden Ausschuss. Daher besteht der
Wunsch, bei Formteilen mit engen Toleranzen ein System zu nutzen, das diese Art
von Prozessstörungen aus dem Prozess
heraus analysieren und idealerweise unmittelbar aus dem Prozesswert korrigieren kann.
Der einflussreichste Einstellparameter,
der unterschiedliche Füllzustände des
Druck
ren. Dank der verbesser-
strömsperre oder am Zylinder, kann eine mögliche Ursache sein. Ebenso können Chargenschwankungen die Fließ-,
Kompressions- und Scherbedingungen
der Schmelze im Prozess verändern. Gerade Werkstoffe mit hohen Füllstoffanteilen, flammgeschützte oder auch sehr
niedrigviskose Werkstoffe sind hier kritisch. Daraus resultieren Schwankungen
der Schneckenendposition und des
Schließverhaltens der Rückströmsperre.
Nicht zuletzt spielen die Umgebungsbedingungen eine Rolle, wenn sich z. B. die
Luftfeuchtigkeit oder die Hallentemperatur wetterbedingt verändert.
Die Konsequenzen sind häufig abweichende Füllzustände der Formteile. Diese zeigen sich entweder – gerade bei
dünnwandigen technischen Teilen, bei
denen der Nachdruck Abweichungen
kaum ausgleichen kann – in Gestalt nicht
ausgefüllter Teile, oder durch Druckspitzen, die sich erheblich auf die inneren Eigenschaften auswirken, sei es durch Spannungen, abweichende Maße und Verzug
Druck
entsprechend zu korrigie-
Zeit
Zeit
© Kunststoffe
Bild 1. Der Verlauf des Werkzeuginnendrucks weicht bei zu früher (links) und zu später (rechts) von
der richtigen (beige) Umschaltung ab [5]
© Carl Hanser Verlag, München
Kunststoffe 4/2012
SPRITZGIESSEN
zusätzliche Verformung
im Schließsystem
Zuhaltekraft
zusätzliche Kraft
im Schließsystem
Kraft F
Auftriebskraft
Schließkraft
s
Ma
ch
ine
eug
Bild 3. Kraft-Verformungsdiagramm eines mechanischen Schließsystems (Punkt 1: verriegelt;
Punkt 2: zusätzliche Verformung durch Auftriebskraft/Werkzeuginnendruck). Die Verformung der
Maschine nimmt proportional zur Schließkraft zu
nicht in der Lage ist, auf Veränderungen
im Prozess adäquat zu reagieren. Diese
Prozessänderungen wirken sich unmittelbar auf den Füllzustand und die inneren Eigenschaften des Endprodukts aus
[1, 2].
Daher hat sich seit vielen Jahren die
Umschaltung auf Basis des Werkzeuginnendrucks etabliert. Der Verlauf der
Nachdruck
Abbremsen bei
Umschaltung
3.0
1.5
0.0
-1.5
Beschleunigung
bei Start
Einspritzen
-3.0
Beschleunigung (qualitativ)
5.0
-5.0
0.2
Fa : Auftriebskraft am
Schließsystem
p wi : Werkzeuginnendruck
© Kunststoffe
Abbremsen bei
volumetrischer
Füllung
0.1
Fa ~ p wi
Verformung f
Einspritzen
0.00
Punkt 1
Punkt 2
rk z
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Werkzeugs korrigieren kann, ist der Umschaltpunkt. Es handelt sich hier physikalisch um den Übergang aus der geschwindigkeitsgeregelten Einspritzphase in die
druckgeregelte Nachdruckphase (Bild 1).
Die Einspritzphase soll dabei idealerweise bis zur vollständigen Füllung der Kavität und möglichst schnell ablaufen [1].
Ziel sollte sein, dass sich die Schererwärmung beim Einspritzen und die Abkühlung so weit kompensieren, dass beim
Start in die Nachdruckphase überall die
gleiche Temperatur vorliegt. Nur bei
schnellem Einspritzen gelingt es auch in
der Nachdruckphase noch, das gesamte
Formteil über den vollständigen Fließweg
ausreichend unter Druck zu setzen.
Außerdem können sich so nach Einspritzende die eingebrachten Orientierungen
weitestgehend zurückstellen und damit
die mechanischen Eigenschaften im Bauteil isotrop verteilen.
Die Umschaltung geschieht heute zum
größten Teil über ein Weg- oder Volumensignal der Schnecke (wegabhängige
Umschaltung). Für viele Spritzgussteile
ist diese Umschaltart völlig ausreichend,
aber für anspruchsvolle technische Teile
ist diese Variante nicht geeignet, da sie
0.3
Zeit (s)
0.4
0.5
Werkzeuginnendruckkurve lässt klar erkennen, wann die volumetrische Füllung
erreicht ist, und kann damit eine bei gleichem Füllzustand und möglichst spät
stattfindende Umschaltung sicherstellen
[1]. Die Umschaltung erfolgt bei einem
Schwellwert im Bereich des schnellen
Druckanstiegs (Kompressionsphase).
Auf diese Weise sind gleichbleibende innere Formteileigenschaften und Abmessungen realisierbar. Der Einbau von
Werkzeuginnendrucksensoren hat sich
heute in einigen Branchen durchsetzen
können, wenngleich die Signale viel zu
selten zur Umschaltung eingesetzt werden. Auf der anderen Seite gibt es bei einigen Verarbeitern noch immer Vorbehalte gegenüber dem Einbau von Sensoren im Werkzeug, etwa weil sie Schäden
bei der Instandhaltung, hohe Investitionskosten oder Markierungen am Formteil befürchten. Letztlich muss man aber
sagen, dass der Werkzeuginnendruck, oft
in Verbindung mit einem integrierten
Temperatursensor, die aussagefähigsten
Informationen über den Prozess liefern
kann.
0.60
Alternative Umschaltung
© Kunststoffe
Bild 2. Das invertierte Signal der Schneckenbeschleunigung (qualitativ) und der Werkzeuginnendruck über die Zeit aus einer Arburg-Prozessgrafik veranschaulichen das Verhalten im Falle des
Einspritzens mit zu später Umschaltung [3]
Eine Arbeitsgruppe an der Hochschule
für angewandte Wissenschaften in Würzburg hat deshalb ein Projekt gestartet, um
alternative Verfahren zur prozessabhän- >
www.priamus.com
Kunststoffe 4/2012
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SPRITZGIESSEN
der Schließeinheit zunimmt. Das Spritzgießwerkzeug wird bei Schließkraftaufbau in der Trennebene gestaucht, was
sich in der negativen Steigung ausdrückt
(Bild 3, Punkt 1). Die Besonderheit der
mechanischen Schließsysteme ist es, dass
die Verformung der Maschine beim Einspritzen, also wenn der Werkzeuginnendruck steigt, weiter zunimmt, weil sich
die Federsteifigkeit des Systems nicht verändert (Bild 3, Punkt 2). Dies geht einher
mit einer Abnahme der Stauchung des
Werkzeugs in der Trennebene. Die Differenz zwischen Punkt 1 und Punkt 2
drückt nun die zusätzliche Zuhaltekraft
eines Kniehebels aus und gleichzeitig die
zusätzliche Verformung der Maschine.
Diese zusätzliche Verformung wird hier
aufgezeichnet und prozesstechnisch ausgewertet.
Die Maschinenverformung betrifft das
Gesamtsystem aus Holmen, Platten und
Pleuel des Kniehebels, auch wenn die Verformung der Holme dabei sicher den
größten Anteil ausmacht. Dieser Umstand
erlaubt es, auch andere, einfacher zu erreichende Messstellen an der Schließeinheit
zu nutzen,die im Kraftfluss des Schließsystems liegen. Wegen der einfachen Einbausituation wurde der Verformungssensor
(Typ: 9232A; Hersteller: Kistler Instrumente GmbH) hier auf die bearbeitete
Fläche der Aufspannplatte geschraubt
(Bild 4). Die Platte biegt sich unter Schließkraft und Werkzeuginnendruck minimal
und korreliert dabei über das Federgesetz
proportional mit dem Werkzeuginnendruck. Diese Verformungen sind sehr
klein, lassen sich aber mit entsprechender
>
Sensorik zuverlässig messen (Bild 5).
Bild 4. Der Messaufnehmer wird einfach an der
festen Aufspannplatte befestigt (Bilder: FHWS)
gigen Umschaltung zu entwickeln. Diese
Verfahren sollten ohne Werkzeugmesstechnik auskommen, aber die Vorteile der
Prozessabhängigkeit behalten, d.h. durch
den Signalverlauf die volumetrische Füllung weiterhin klar erkennbar und für die
Umschaltung auswertbar machen. Zwei
Varianten kommen hierfür in die engere
Wahl:
Beschleunigungsabhängige Umschaltung. Im Fall der volumetrischen,
geschwindigkeitsgeregelten Füllung ist
die Schneckenbeschleunigung während der Einspritzphase Null. Im Moment der volumetrischen Füllung gibt
es einen negativen Ausschlag, da die
Schnecke durch den spontanen Gegendruck aus dem Werkzeug kurzzeitig
abgebremst wird. Erste Versuche (Bild 2)
zeigen das grundsätzliche Verhalten in
einer invertierten Darstellung [3].
Verformungsabhängige Umschaltung.
Bei mechanischen Schließsystemen
kommt es beim Einspritzen zu einer
zusätzlichen Verformung der Schließeinheit über die der Schließkraft hinaus. Diese Verformung ist direkt proportional zum auftretenden Werkzeuginnendruck und kann daher auf
dieselbe Weise wie dieser zur Umschaltung eingesetzt werden.
Die verformungsabhängige Umschaltung
wurde in einem ersten Projekt untersucht
und soll im Folgenden genauer dargestellt
werden.
Betrachtet man das Schließsystem als
Feder und trägt das Verhalten in einem
Kraft-Verformungsdiagramm auf, so
erkennt man, dass die Verformung der
Maschine proportional zur Schließkraft
Kunststoffe 4/2012
Bild 5. Die zusätzliche Verformung der
festen Aufspannplatte (orange Linie)
bei Werkzeuginnendruck ist sehr klein,
lässt sich aber zuverlässig messen
Nachdruck
Druck [bar]
349.2
Einspritzen
Einspritzweg
Nachdruck
v [mm/s]
100.00
Nachdruck
Einspritzdruck
Verformung
Nachdruck/Einspritzen
-50.8
10.00
Zeit [ms]
Bild 6. Die Messkurve der zusätzlichen
Plattenverformung
(Einspritzdruck und
Verformung von
rechts nach links aufgetragen) ist identisch mit dem Verlauf
des Werkzeuginnendrucks [4]
0.00
0.00 0.00
Nachdruckzeit
50.00
Position [mm]
Schneckenweg
© Kunststoffe
45
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Bild 7. Messkurven der zusätzlichen Plattenverformung ohne
Nachdruck mit eingebrachter Störung (Erhöhung der Schmelzetemperatur um 40 K): Bei wegabhängiger Messung erfolgt die
Umschaltung deutlich verspätet (unten), unverändert hingegen
bei verformungsabhängiger Messung (oben) [4]
Druck [bar]
500.0
Nachdruck
Einspritzweg
Set
Set
Act
Act
50.00
Einspritzweg
v [mm/s]
100.00
Set
Set
Act
Act
St ö
ru
Nachdruck
ng
250.0
Druck [bar]
500.0
0.0
10.00
5.00
0.00 0.00
20.00
Zeit [ms]
Druck [bar]
500.0
run
St ö
g
0.0
10.00
5.00
0.00 0.00
20.00
Zeit [ms]
0.00
40.00
0.00
40.00
Position [mm]
verformungsabhängig bei 110 bar,
250 °C Massetemperatur
50.00
250.0
v [mm/s]
100.00
Nachdruck
Einspritzweg
v [mm/s]
100.00
Set
Set
Act
Act
Position [mm]
wegabhängig bei 8,4 mm,
210 °C Massetemperatur
50.00
250.0
Umschaltschwellwert
0.0
10.00
5.00
0.00 0.00
20.00
Zeit [ms]
Position [mm]
wegabhängig bei 8,4 mm,
250 °C Massetemperatur
Bestätigung des Messprinzips
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49
HANS BRÜGMANN GMBH & CO.
Schraubenfabrik
Auf der Heide 8
21514 Büchen · Deutschland
Tel. +49 (0) 4155 / 81 41-0 · Fax: -80
www.rampa.de · [email protected]
46
In diesem Fall misst ein piezoelektrischer
Sensor einaxial die Dehnungen und Stauchungen an der Schließeinheit. Das Messsignal wird über einen Ladungsverstärker
direkt in die Maschinensteuerung eingebracht. Dort kann das Signal visualisiert
und ausgewertet werden. Die volumetrische Füllung und der Start der Kompressionsphase sind hier wie bei der Werkzeuginnendruckmessung klar erkennbar.
Unter der Wirkung des Werkzeuginnendrucks kommt es zu einer zusätzlichen Durchbiegung der Platte und damit zu einer Annäherung der Messpunkte. Trotz der relativ kleinen Veränderungen lässt sich die Verformung
während des Einspritzens und Nachdrucks (von rechts nach links) eindeutig
ablesen (Bild 6). Der Verlauf ist, wie erwartet, identisch mit dem Verlauf des Werkzeuginnendrucks. Bei dem hier eingesetzten Werkzeug handelt es sich um ein
Zweifach-Werkzeug für eine dickwandige Linse (3 mm) aus Polystyrol (Typ:
168 N; Hersteller: BASF SE) mit Innendrücken von max. 160 bar.
Nun wurden vergleichende Versuche
gefahren, die den Prozess für die weg- und
die verformungsabhängige Umschaltung
vergleichbar machen sollten. Zunächst
0.00
40.00
© Kunststoffe
zeigt die kurzzeitige Produktion über 50
Zyklen keine nennenswerten Unterschiede. Hier bestätigt sich die Erfahrung, dass
bei aktuellen Maschinen – hier wurden
die Versuche mit einem vollelektrischen
900-kN-Modell (Typ: Venus VE900; Hersteller: Zhafir Plastics Machinery GmbH)
durchgeführt – kurzzeitig keine Abweichungen zu erwarten sind. Auch die wegabhängige Umschaltung liefert hier gute
Ergebnisse. Die Standardabweichung
beim Formteilgewicht lag mit 2,7 mg
(Weg) und 2,3 mg (Verformung) bei einem Schussgewicht von 17,3 g auf vergleichbarem Niveau.
Um eine mittelfristige Störung wie etwa eine Chargenschwankung zu simulieren, wurde die Schmelzetemperatur des
Polystyrol verändert. Bei amorphen
Werkstoffen ändert sich die Viskosität in
Abhängigkeit der Schmelzetemperatur
sehr deutlich, was Veränderungen am
Werkstoff nahezu gleichkommt. Der Verformungsanstieg am Umschaltpunkt
(wegabhängig) um fast 150 % zeigt, dass
zu spät umgeschaltet wird (Bild 7). Das Teil
erhält trotz sonst identischer Prozesseinstellungen völlig andere Eigenschaften
und Abmessungen oder wäre sogar überspritzt.
Im Fall der verformungsabhängigen
Umschaltung dagegen bleibt die Prozess© Carl Hanser Verlag, München
Kunststoffe 4/2012
SPRITZGIESSEN
kurve unverändert, da bei demselben Schwellwert in der Verformungskurve und damit bei gleichem Füllzustand geschaltet wird.
Fazit
Die Messung der Maschinenverformung liefert ein im Verlauf
identisches Signal wie die des Werkzeuginnendrucks. Der Moment der volumetrischen Füllung lässt sich zuverlässig erkennen. Ein so praktiziertes prozessabhängiges Umschalten ermöglicht es, Veränderungen im Prozessverlauf durch externe
Störungen zu detektieren und zu korrigieren. Das Verfahren
eignet sich damit auch für eine Qualitätsüberwachung des Prozesses, auch wenn es keine Überwachung der Einzelkavitäten
in Mehrfach-Werkzeugen erlaubt.
Für hydraulische Schließsysteme ist das Verfahren nicht
anwendbar, da es hier die signifikante Verformung an der
Schließeinheit nicht gibt. In diesem Fall bietet sich die Umschaltung über die Abbremsung der Schnecke an. Das Verfahren konnte prinzipiell nachgewiesen werden und wird im
Hinblick auf die optimale Messstelle und das Messprinzip
weiter untersucht werden. DANK
Der Dank des Autors gilt der
•Zhafir Plastics Machinery GmbH, Ebermannsdorf,
•Arburg GmbH + Co KG, Loßburg,
•Kistler Instrumente GmbH, Ostfildern,
•BASF SE, Ludwigshafen,
•Takata-Petri PlasTec GmbH, Bad Kissingen,
für die Unterstützung der Arbeiten sowie Florian Nehmeier und Vitali Keil [3, 4]
für die Bearbeitung von Aufgaben im Rahmen ihrer Diplomarbeiten.
LITERATUR
1 Steinko, W.: Optimierung von Spritzgießprozessen. Carl Hanser-Verlag,
München 2008
2 Johannaber, F.; Michaeli, W.: Handbuch Spritzgießen. 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München 2004
3 Nehmeier, F.: Werkzeuginnendruck- und beschleunigungsabhängige Umschaltung zwischen Füll- und Nachdruckphase beim Spritzgießen. Diplomarbeit an der Hochschule für angewandte Wissenschaften WürzburgSchweinfurt, Fachbereich Kunststofftechnik, Würzburg 2010
4 Keil, V.: Vergleich von prozessabhängigen Umschaltarten in Bezug auf die
Qualitätsanforderungen. Diplomarbeit an der Hochschule für angewandte
Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt, Fachbereich Kunststofftechnik,
Würzburg 2011
5 N.N.: Firmenschrift, Kistler Instrumente GmbH
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DER AUTOR
PROF. DR.-ING. ANSGAR JAEGER, geb. 1961, verantwortet an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt die Spritzgießtechnik und den Werkzeugbau; [email protected]
SUMMARY
NO MORE INCOMPLETE PARTS
PROCESS TECHNOLOGY. A new process-specific changeover parameter allows
the familiar faults during injection molding to be reliably detected even in sophisticated technical parts, and hence the process to be corrected accordingly. Thanks
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Halle 24, Stand C86
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