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Modellgestützte Qualitätsregelung durch eine adaptive, druckgeregelte Prozessführung beim Spritzgießen

Heinzler, Felix Alexander

Aktuelle Maschinentechnik beim Spritzgießen erfüllt die Anforderung höchster Reproduzierbarkeit bei den Achsenbewegungen und der Wiederholgenauigkeit eingestellter Prozessparameter. Um allerdings die Qualitätsanforderungen aktueller Produktionen und Anwendungen zu erfüllen, reicht eine Reproduzierung der Einstellparameter nicht aus. Durch Schwankungen in den Systemeingängen und Einflüssen aus der Maschinenfähigkeit entstehen Variationen in der resultierenden Prozessführung mit negativen Einflüssen auf die Qualitätskriterien. Aus diesem Grund ist eine Weiterentwicklung der Prozesstechnik hin zu adaptiven Regelkonzepten unter Berücksichtigung der aktuellen Material- und Prozesssituation notwendig. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum einen zur Entwicklung einer adaptiven, druckgeregelten Prozessführung und darüber hinaus zum umfassenden Verständnis des Materialverhaltens und prozessrelevanten Einflüssen auf dieses. Als Zielgröße und damit Qualitätskriterium werden spezifische Oberflächeneigenschaften herangezogen, die in der industriellen Anwendung zunehmend an Bedeutung gewinnen. Beispiele hierfür sind Hochglanzoberflächen oder bestimmte Oberflächentopographien zur anschließenden Veredelung durch Galvanisierung oder Lackierung der Kunststoffbauteile. Weitere Kriterien, wie das Bauteilgewicht und damit korrelierende Eigenschaften, werden ebenfalls in den Untersuchungen berücksichtigt. Als Einflussfaktoren auf die Qualitätskriterien werden variierende Materialeigenschaften betrachtet, wobei ein Schwerpunkt auf die rheologischen Eigenschaften gelegt wird. Diese können durch unterschiedliche Materialkonditionierung, z.B. Restfeuchtegehalt und zeit- sowie temperaturabhängige Alterung, oder Chargenschwankungen variieren und beeinflussen bei aktueller Prozessführung direkt die Qualitätskriterien. Zur Beschreibung der Einflüsse auf das Materialverhalten durch die Konditionierung und Chargenunterschiede werden in einer Laboranalyse die Fließeigenschaften untersucht. Am Beispiel von Polyamid 6, Polycarbonat, Acrylnitril-Butadien-Styrol und Polybutylenterephthalat werden die Variationen der Materialeigenschaften durch diese zusätzlichen Einflussfaktoren dargestellt. Hierzu werden zum einen Messungen an einem Rotationsrheometer herangezogen und zum anderen durch Untersuchungen an einem Hochdruck-Kapillar-Viskosimeter ergänzt. Die Analyse berücksichtigt prozessrelevante Alterungseinflüsse im Bereich der Materialkonditionierung, beschrieben durch den Restfeuchtegehalt des Materials, sowie temperaturabhängiger Zeiteinflüsse. Beide Bereiche und deren Einflussstärke werden isoliert voneinander bezogen auf die Materialviskosität betrachtet, eine Beeinflussung der zeitabhängigen Reaktionen durch den Restfeuchteanteil wird ebenfalls überprüft. Dabei zeigt sich, dass materialabhängig von einer starken Variation der Viskosität durch Alterungseinflüsse ausgegangen werden muss. Dies führt materialspezifisch sowohl zu einer Reduzierung als auch zu einer Erhöhung der Viskosität, die auf eine Veränderung der Polymerstruktur zurückzuführen ist. Die auftretenden Phänomene werden einerseits in chemische und andererseits in physikalische Strukturänderungen unterteilt. Die chemischen Strukturänderungen beschreiben die temperatur- und zeitabhängige Änderung des Kettenaufbaus der Polymere. Durch Nachkondensation wird eine Viskositätszunahme beschrieben, Umesterungsreaktionen und Kettenspaltungen bei Polykondensaten führen wiederum zu einer Reduzierung der Kettenlänge und damit geringeren Viskosität. Die chemische Strukturänderung ist als irreversibler Prozess einzustufen. Die physikalische Strukturänderung wird auf die Einlagerung von H2O-Molekülen im freien Volumen zwischen den Polymerketten zurückgeführt. Hierdurch wird die Ketteninteraktion sowie die innerstrukturellen Bindungskräfte über Wasserstoffbrücken- und Dipolbindungen zwischen den Polymerketten beeinflusst. Durch die Einlagerung der H2O-Moleküle wird der Abstand der Polymerketten vergrößert, was zu einer Reduzierung der Bindungskräfte und damit Reduzierung der Viskosität führt. Dies wird als physikalische Strukturänderung beschrieben und ist als reversibler Prozess einzustufen. Auf Basis der Analyse wird eine Erweiterung des Carreau-Ansatzes zur Integration der Konditionierungseinflüsse in ein Materialmodell vorgestellt. Zur Beschreibung der chemischen Strukturänderung wird auf das auf dem Arrhenius-Ansatz basierende Modell des chemischen Strukturänderungsfaktors zurückgegriffen. Für die Beschreibung der physikalischen Einflüsse auf die Viskosität wird ein neuer Modellansatz vorgestellt, der den physikalischen Strukturänderungsfaktor in den Carreau-Ansatz implementiert. Durch den neu vorgestellten Modellansatz ist eine vollständige Beschreibung des Fließverhaltens von Polymeren unter Alterungs- und Konditionierungseinflüssen möglich. Dabei ist mit einer Einflussstärke der jeweiligen Strukturänderung im zweistelligen Prozentbereich unter prozessrelevanten Bedingungen zu rechnen. In Ergänzung zu der Materialcharakterisierung unter alterungsbedingten Einflüssen werden Chargenschwankungen beispielhaft diskutiert, deren Einflussstärke auf die Viskosität in einem ähnlichen Bereich anzusiedeln ist. Das Verständnis und die erweiterte Modellbildung erlaubt eine Simulation des Spritzgießprozesses unter Berücksichtigung der beschriebenen Einflussfaktoren. Eine Darstellung der Variation qualitätsrelevanter Prozessdaten ist somit möglich. Hierfür werden die Viskositätsdaten der jeweiligen Materialien durch eine Analyse des thermodynamischen Verhaltens ergänzt. Bei der Prozesscharakterisierung in der Spritzgießsimulation wird ein Fokus auf die Betrachtung des Massedruckes sowie der Massetemperatur gelegt. Beide Prozessgrößen beschreiben den Materialzustand innerhalb der Ausbildung qualitätsrelevanter Kriterien beginnend bei dem Bauteilgewicht, den geometrischen Abmaßen und der Ausbildung der Bauteilmorphologie. Durch Variation der Materialviskosität, bedingt durch Alterungseinflüsse, Konditionierung oder Chargenschwankungen, werden die Bedingungen bei der Ausbildung der Qualitätskriterien massiv beeinflusst. So führt eine Reduzierung der Viskosität bei konventioneller Prozessführung zu einer Reduzierung des resultierenden Massedruckes beim Einspritzvorgang sowie einer Reduzierung der Massetemperatur. Eine Zunahme der Viskosität, beispielsweise durch Nachkondensationsreaktionen, führt dem entsprechend zu einer Zunahme des resultierenden Druck- und Temperaturniveaus, was insbesondere bei thermisch sensiblen Materialien als kritisch zu betrachten ist. Ein weiterer Einflussfaktor auf die Prozessqualität ergibt sich aus den Bedingungen am Umschaltpunkt. Eine Diskussion der Umschaltkriterien zeigt die Unterschiede im Füllgrad der Kavität und den pvT-Bedingungen im Übergang zur Nachdruckphase in Abhängigkeit von der Prozessführung und der Variation der Materialviskosität. Die bereits bekannten Einflüsse von Restfeuchte auf das Bauteilgewicht können in der Simulation insbesondere durch die Massenzunahme in der Nachdruckphase abgebildet werden. Durch den entwickelten Ansatz zur Beschreibung des Materialverhaltens ist eine Simulation der Einflüsse durch physikalische und chemische Strukturänderungen mit sehr guter Korrelation zum Spritzgießprozess möglich. Ausgehend von den Einflüssen der Viskositätsschwankungen auf die qualitätsrelevanten Parameter der Massetemperatur und des Massedruckes wird eine neue Strategie zur Qualitätsregelung entwickelt. Basierend auf einem Referenzbetriebspunkt und einer druckgeregelten Prozessführung in der Einspritzphase ist es möglich, die qualitätsrelevanten Prozessparameter in einem engen Toleranzband konstant zu halten. Dies bildet die Grundlage der Implementierung einer neuen Qualitätsregelung beim Spritzgießen. In Korrelation mit einer Prozesscharakterisierung an einer Spritzgießanlage werden die Einflüsse auf den Prozess und die Simulationsergebnisse validiert. Außerdem wird der Bezug zu spezifischen Qualitätskriterien hergestellt. Der aktuelle Stand der Maschinentechnik und verfügbaren messtechnischen Anbindung ermöglicht eine detaillierte Prozesscharakterisierung. Am Beispiel von Viskositätsschwankungen durch variierende Restfeuchteanteile werden die Einflüsse auf den Prozess und mögliche Prozesskennzahlen zur Detektion von Prozessschwankungen dargestellt. Diese reichen von energetischen Kennzahlen in der Plastifizierphase bis hin zu charakteristischen Druckverläufen in der Einspritzphase. Anhand der Ergebnisse aus der Prozesscharakterisierung und Simulation von Kompensationsstrategien wird eine neuartige, adaptive Prozessregelung implementiert. Die Qualitätsanforderungen eines konstanten Bauteilgewichtes sowie eines konstanten Massetemperatur- und Massedruckprofiles können aus der Simulation übertragen werden und werden durch Oberflächeneigenschaften ergänzt. Insbesondere ausgasende Restfeuchte in Korrelation zu einer reduzierten Viskosität und eines reduzierten Druckniveaus in der Einspritzphase hat einen massiven Einfluss auf die Oberflächenqualität und führt zu Defekten durch Feuchtigkeitsschlieren und Verfärbungen. Die Prozessregelung umfasst das Konzept einer adaptiven, druckgeregelten Prozessführung in der Einspritzphase sowie die Kompensation von Effekten durch Unterschiede im Schließverhalten der Rückstromsperre. Vervollständigt wird die Regelung durch eine modellbasierte Adaption der Nachdruckparameter. Aufbauend auf einem Referenzprozess, erkennt die Spritzgießmaschine Veränderungen im Materialverhalten und adaptiert entsprechend autonom die Prozessführung, um eine konstante Bauteilqualität zu gewährleisten. Hierdurch ist es möglich, Einflüsse variierender Materialkonditionierung oder Chargenschwankungen auf die Bauteilqualität zu kompensieren. Die durch den Referenzbetriebspunkt und das Regelkonzept hinterlegte Intelligenz führen zu einer konstanten Prozess- und Produktqualität. In der Einspritzphase wird über einen vorgesteuerten PID-Regler ein referenziertes Massedruckprofil als Führungsgröße reproduziert. Damit ist das, im Gegensatz zur konventionellen Prozessführung konstante, Schneckenvorschubgeschwindigkeitsprofil als Stellgröße direkt abhängig von der aktuellen Viskosität und damit dem Schmelzezustand des Materials. Bei einem referenzierten Massedruckprofil und einer Variation der Materialviskosität wird die Schneckenvorschubgeschwindigkeit adaptiv an die veränderten Bedingungen angepasst. Dabei wird insbesondere über eine adaptive Vorsteuergeschwindigkeit den hohen Beschleunigungsvorgängen zu Beginn der Einspritzphase Rechnung getragen. Als prozessadaptive Größe ergibt sich aus der mittleren Schneckenvorschubgeschwindigkeit eine neue Kennzahl zur Prozesscharakterisierung. Diese wird in einem modellbasierten Ansatz zur adaptiven Nachführung des Nachdruckniveaus genutzt. Hierdurch wird die Prozessregelung in der Einspritzphase direkt zur Charakterisierung der aktuellen Prozessbedingungen genutzt und mit der Schwindungskompensation zu einer umfassenden Qualitätsregelung verknüpft. Um auch im Übergangsverhalten zwischen der Einspritz- und Nachdruckphase konstante Bedingungen in Bezug auf das pvT-Verhalten und den Füllgrad der Kavität zu gewährleisten, wird der Umschaltpunkt adaptiv an die Prozessbedingungen und das Schließverhalten der Rückströmsperre angepasst. Die Qualitätsregelung ist für die Kompensation von Einflüssen unterschiedlicher Materialkonditionierung auf die Oberflächengüte, thermische Materialbelastung sowie das Bauteilgewicht validiert. Insbesondere Oberflächendefekte durch ausgasende Restfeuchteanteile können durch das konstante Massedruckprofil in einem erweiterten Verarbeitungsbereich kompensiert werden. Des Weiteren ist die Betrachtung von Einflüssen auf den morphologischen Aufbau von Spritzgießteile möglich. Hier sind insbesondere durch die Konstanz in den Druck- und Temperaturbedingungen bei der Ausbildung der morphologischen Struktur in der Einspritzphase ein positiver Einfluss und eine Kompensation von viskositätsbedingten Qualitätseinflüssen zu erwarten. Zusammenfassend wird durch diese Arbeit ein neuer Stand der Technik in der Modellbildung, Materialcharakterisierung sowie Qualitätsregelung beim Spritzgießen definiert. Die dargestellten Verfahren zur Materialcharakterisierung ermöglichen eine detaillierte Analyse der Einflüsse auf das Materialverhalten und eine Beschreibung des Materialverhaltens durch die erweiterten Modellansätze. Dies kann insbesondere zur Prozesssimulation und Bestimmung von qualitätsrelevanten Variationen von Prozesskennzahlen genutzt werden. Eine Kompensation von Viskositätsschwankungen und Einflüssen auf die Prozess- und Produktqualität ist durch die vorgestellte, adaptive Qualitätsregelung möglich. Weiterführende Untersuchungen sind hier insbesondere im Bereich der Bauteilmorphologie an der Oberfläche, dem morphologischen Schichtaufbau und laminaren Zusammenhalt sowie mechanischen Eigenschaften, auch unter Berücksichtigung von Restfeuchteanteilen im Material, zielführend.

Today’s machine capability in injection molding matches the demands of high reproducibility for the axil movement and the setup of process parameters. To fulfill the demands of actual production and quality criterial, the reproduction of the process parameters is no more sufficient. Varying material properties and conditions influence the production next to the closing behavior of the non-return valve, quality defects occur. The necessary development in processing technology is reacting on the varying system inputs by an adaptive process control. This thesis supports the requirements of actual injection molding productions by the development of an adaptive, pressure controlled process management in correlation with an analysis of possible influences on the material behavior and the description of process relevant influences by an extended model approach. In this thesis the focus is set on injection molding and the processing of technical polymers. As objective criteria and quality requirements specific surface properties are investigated with respect to their increasing relevance in today´s applications. Examples are mirror polished surfaces or specific topographic requirements for further processing steps. The part weight and correlating properties are also included in the investigations. Influential factors on the quality criteria are varying material conditions, with focus on the rheological properties. By different material conditions (residual moisture, time and temperature dependent aging) or charge influences the material properties vary and influence the resulting process and product quality criteria. The varying material properties influenced by the different conditions are described by a laboratory analysis of the flow properties. The influence range is shown exemplary by investigating polyamide 6, polycarbonate, polybutylene terephthalate and acrylonitrile-butadiene-styrene. The investigations are made at an oscillatory rheometer and supplemented by high-pressure-capillary-viscometer measurements. The analysis considers process relevant aging and material conditioning influences, described by the residual moisture content in addition to temperature and time dependent reactions. Both influences on the material viscosity are investigated separately with respect to crosslinking reactions. The investigations show a material specific influence on the viscosity and therefore high variation ratios by the described aging influences. Material specific an increased as well as a reduced viscosity has to be expected by aging dependent changes in the physical or chemical polymer structure. According to the results of the material analysis the structural change of the polymers are divided in physical and chemical influences. The chemical influence on the polymer structure is described by the time and temperature dependent reactions that result in changing polymer chain length. By post-condensation effects an increased viscosity has to be expected. Ester rearrangements and chain scission leads on the other hand to a reduced viscosity by the reduction of the chain length. These influences on the chemical structure of polymers is irreversible. The physical structural change is based on bounded residual moisture molecules within the free space between the polymer chains. The chain interaction and linkage energy of the polymer matrix by hydrogen bridge linkage and dipoles is reduced by the bounded H2O-molecules. The increased distance between the polymer chains reduces the linkage energy and therefore affects the material viscosity. This reversible influence is described by physical structural change. The analysis enables an extension of the Carreau-approach to integrate the material condition and aging influences into a material behavior describing model approach. As the occurring phenomena are divided into physical and chemical structural changes they are described in separated approaches. The chemical reactions are integrated by a model approach based on the Arrhenius equation. The structural change factor describes the time and temperature dependent influences on the material viscosity. For the physical influences a new extension to the Carreau-approach is presented. The physical structural change factor integrates the residual moisture influence into the viscosity model for polymer flow behavior. Combining both structural change factors and the Carreau-approach, a complete description of aging influences and conditioning effects on the material behavior of polymers is possible. The influence strength for the physical as well as the chemical reactions has to be considered in double-digit ranges. In addition to these influences, variations of the viscosity by charge variations are discussed exemplary. The recorded influences have to be considered in a comparable range. The understanding of the polymer behavior and the extended model approach enable a detailed process simulation of the injection molding process with respect to the material condition. A description of quality relevant process parameter is possible. Therefore the calibrated viscosity models are supplemented by an analysis of the thermodynamic behavior of the polymers. The process characterization by the simulation of the injection molding process is focused on the mass temperature and pressure development during the processing. Both process parameters describe the material behavior during the processing with direct correlation to quality relevant criteria. The criteria are for example the part weight, geometrical properties and the morphological properties. By varying material viscosities influenced by the material charge, material condition and aging reactions, die processing conditions and quality related parameters are directly affected. Hence a reduction of the viscosity leads during conventional processing control to a decreased resulting pressure and mass temperature profile. If the viscosity is increased for example by post-condensation reactions, this leads to increased mass temperature and pressure profiles during the processing. Especially for thermal sensitive materials this is a critical source for quality defects. Additional influences on the process quality are linked to the conditions at the switch-over point. A discussion of different switch-over criteria shows the variations of the filling ratio and the pvT-conditions of the material during the switch-over to the packing phase. These variations depend on the materials viscosity and the process control. The known influences by residual moisture on the part weight in injection molding can be displayed by the process simulation and the new material behavior describing model. The simulation of chemical and physical influences on the polymer structure and the injection molding process is possible with a very good correlation to real processing conditions. Based on the influences of varying material viscosities on quality relevant parameters like the mass temperature and the pressure conditions during the filling and packing a new strategy for quality control is developed. A pressure controlled injection molding process is setup referenced to a good quality production point. With varying viscosities a pressure controlled injection phase enables constant processing conditions related to the quality relevant parameters. The simulation results of this new strategy are the basics for an implementation into a complete process control. In correlation with a process characterization at an injection molding machine the simulation results and process reaction by the material condition influences are validated. The transfer of the results to specific quality criteria is possible. State of the art machine technology and the available measurement setup enable a very precise process characterization. Viscosity variations and their influence on the processing are discussed by the example of varying residual moisture content of the material. Possible process parameters for a detection model are presented, like energetic key figures during the plasticizing and characteristic pressure profiles during the injection phase. By the combined results of simulation and real process characterization compensatory strategies and a new process control is developed. Related to the process characterization and the simulation results a pressure referenced, adaptive process control is implemented. The quality criteria of a constant part weight and constant mass temperature and pressure profile can be transferred from the simulation to the real processing. These criteria are supplemented by surface property requirements. Especially outgassing residual moisture in correlation with a reduced viscosity resulting in a reduced pressure profile during the filling has a massive influence on the surface quality. At high moisture content surface defects occur. The process control includes a new concept of an adaptive pressure controlled process management during the injection phase with a compensation of the varying closing behaviors of the non-return valve. The process control is completed by an adaptive modification of the packing parameters. The injection molding machine reacts self-optimizing and intelligent on changing process properties and adapts the process parameters to secure a constant part quality. By the new concept influences by the material condition and charge influences on the part quality are compensated by adapting the actual process parameters in comparison to a reference process parameter setup and the actual processing conditions. The implemented intelligence by the referenced operation point and the control system lead to a constant process and part quality. During the injection phase a pre-controlled PID-controller adapts the injection speed to a referenced pressure profile as command variable. The injection speed is as regulating variable directly linked to the actual material viscosity and processing conditions. Considering viscosity variations the process control adapts the normally constant injection speed to the variations to reproduce the referenced pressure profile. The pre-control speed compensates the high acceleration at the beginning of the injection movement and is continuously adapted to the processing. A detailed characterization of the actual processing conditions and variations is possible by calculating the average injection speed. By a model based approach the average injection speed is used to adapt the packing pressure. The process control in the injection phase is therefore used on the one hand for a monitoring of the processing conditions and on the other hand combined by the adaption of the packing parameters to a complete process control with compensation of shrinkage. To secure constant conditions related to the pvT-behavior and the filling ration of the cavity at the switch-over point, a process adaptive switch-over point is also defined and integrated into the control system. The closing behavior of the non-return valve is detected and therefore the switch-over point modified during the injection phase. The concept is validated and functional for quality influences on the part weight, thermal load of the melt and surface properties. Especially surface properties and influences of outgassing residual moisture are compensated by the referenced pressure profile during the injection phase in an extended processing recommendation range. Additionally the discussion of influences on the morphological properties is possible. In this case the constant pressure and temperature during the filling has a positive influence on the build-up of the morphological structure of the part, viscosity related variations are compensated. By this thesis a new state of the art in characterization and modelling of material behavior, process characterization and process control in injection molding is defined. The presented methods to characterize the material properties enable a detailed analysis of influences on the viscosity and description by the new model approach. This supports the process simulation and analysis of influences by varying material properties on quality related parameters. A compensation of process variations and influences on the process and product quality is enabled by the presented adaptive quality control. Further investigations have to focus on the part morphology and surface properties, the setup and coherence of the laminar layers during the filling of the cavity and mechanical properties with respect to the residual moisture content of the material.

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Heinzler, Felix Alexander: Modellgestützte Qualitätsregelung durch eine adaptive, druckgeregelte Prozessführung beim Spritzgießen. 2015.

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