Adaptive Prozessführung und alternative Einspritzkonzepte beim Spritzgießen von Thermoplasten

Kruppa, Stefan

In der Spritzgießproduktion wird eine hohe Qualität der hergestellten Formteile durch eine hohe Prozess- und Maschinenfähigkeit bedingt. Allerdings reicht es nicht aus, die Spritzgießmaschine mit einer hohen Wiederholgenauigkeit zu betreiben, da Störeinflüsse, die über das Material und die Umgebungsbedingungen induziert werden, den Produktionsprozess negativ beeinflussen und somit zu Qualitätsmängeln und Produktionsausschuss führen. Eine konstante Formteilqualität bleibt daher in der Praxis oft unerreicht. Die Indikation der maßgeblichen Einflussfaktoren und Störgrößen ist für eine Analyse, aber auch zur Verwendung in einer Prozess- und Qualitätsregelung unabdingbar. Die vorgestellten Prozesskennzahlen sind unbedingt in der Lage, verschiedene Störgrößen im Prozess darzustellen und können zur Überwachung und Analyse herangezogen werden. Die rheologische Charakterisierung von Kunststoffschmelzen in der Einspritzphase über den Viskositätsindex VI ermöglicht es, Material und Materialchargen ohne Verwendung von externen Messmitteln zu analysieren. Das Fließverhalten der Kunststoffschmelze kann direkt in der Spritzgießmaschine bestimmt werden. Der Anwender kann so robustere Prozessfenster wählen, die bessere Urformbedingungen unter Berücksichtigung von Störgrößen ergeben. Prozessinvariante Kennzahlen bieten sich ebenso für eine Überwachung des Maschinenzustands einzelner Komponenten und Subsysteme und somit für eine zustandsbasierte Maschinen- und Prozessdiagnose an. Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, wie entsprechende prozessrelevante Kennzahlen innerhalb dieser Kontexte eingesetzt werden können. Der Rückströmsperre kommt dabei eine besondere Rolle zu, da durch ihre Funktion die Schussgewichtskonstanz maßgeblich bestimmt wird. Änderungen im Schließverhalten, lassen Verschleiß oder Viskositätsunterschiede des verarbeiteten Polymers erkennen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Qualitätsregelung zur Verbesserung der Prozessrobustheit und Bauteilqualität beim Spritzgießen von Thermoplasten vorgestellt, die auf der Überwachung maschineninterner Prozessdaten basiert. Die vorgestellte Methode einer adaptiven Prozessführung erkennt Schwankungen, die beispielsweise durch Störeinflüsse verursacht werden, noch im Einspritzvorgang und gleicht sie innerhalb desselben Spritzgießzyklus aus. So ist es beispielsweise der Steuerung der Spritzgießmaschine möglich, selbsttätig und automatisiert auf Rohstoffschwankungen im Sinne einer optimierten Produktqualität zu reagieren und prozesszustandsbasiert Schwankungen zu kompensieren. Es wird gezeigt, dass neben einer Verbesserung der Robustheit des Produktionsprozesses auch Unzulänglichkeiten innerhalb instationärer Prozessphasen, wie sie nach Maschinenstillständen oder nach dem Rüsten und Anfahren auftreten, verringert werden können. Maschinenbetreiber verlangen eine hohe Maschinen- und Prozessfähigkeit und deren Nachweisbarkeit, die an den Produktmerkmalen ermittelt wird. Allerdings werden nach heutigem Verständnis Spritzgießprozesse meist unter der Prämisse 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 Spritzgießprozess hat. Randbedingungen für die Entwicklung der Methode waren industrielle Anforderungen wie Universalität und Skalierbarkeit, weshalb das Wirkprinzip sowohl an elektro- als auch an hydromechanisch angetriebenen Spritzgießmaschinen analysiert und validiert wird. Es wird gezeigt, dass eine Kompensation viskositätsbedingter Störeinflüsse, die sich sowohl auf das Fließverhalten der Schmelze selbst als auch auf das Schließverhalten der Rückströmsperre auswirken, mittels einer adaptiven Prozessführungsmethode zu einer Verbesserung der Prozess- und Produktqualität beitragen kann. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird zur Verbesserung der Prozess- und Maschinenfähigkeit 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 Spritzgießprozess. Es umfasst ein rückströmkompensiertes Einspritzen in Einspritz- und Nachdruckphase durch die Herstellung eines geeigneten Förderstroms zur Kompensation von Schmelzerückfluss zurück in die Schneckengänge und kommt somit ohne konventionelle Rückströmsperre aus. In Abhängigkeit von Prozess- und Schmelzezustand verbessert so ein "`weiches"' oder "`offen"' sperrendes System die Prozessfähigkeit bei einem geringerem Komponentenverschleiß. Ebenfalls wird das Schussvolumen über eine Vielzahl von Spritzgießzyklen in erhöhtem Maße konstant gehalten. Es gelingt, auf passive Sperrgeometrien mit ihren Unzulänglichkeiten hinsichtlich der Bestimmung des Schließzeitpunktes, deren nachteiliger Verschleißneigung und Nachteilen im Dosierbetrieb zu verzichten. Durch den zusätzlichen Einsatz eines Wendelscherteils innerhalb der Schneckenspitzengeometrie ergibt sich beim Dosieren eine bessere Homogenisierung der Schmelze. Nachteilig hierbei ist, dass aufgrund der intensiven Strömungsvorgänge Druck verbraucht wird und die Schmelzetemperatur steigt. Es bietet sich also an, die Schnecke nur so schnell wie notwendig zu drehen oder gar einen Rückstrom in Kauf zu nehmen. Zur Beeinflussung, insbesondere zum Konstanthalten des Differenzstroms während der Einspritz- und/oder Nachdruckphase wird eine Kopplung der Antriebsdrehzahl an die Schneckenvorlaufgeschwindigkeit und/oder den Massedruck untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Prozessführung auf Basis eines aktiven, rückströmkompensierten Formfüllvorgangs zu konventionellen Prozessführungsmethoden unter Einsatz von Ringrückströmsperren, bezüglich Schussgewichtskonstanz und Reproduzierbarkeit, gleichwertig, respektive überlegen ist. Über die Messung des Plastifizierdrehmoments in der Dosierphase kann darüber hinaus ein idealer Plastifizierstrom bestimmt werden, welcher sich adaptiv und automatisiert einstellen lässt. Der Ausbringungsfaktor lässt sich über die Erhöhung der Schneckendrehzahl außerdem steigern. Eine derartige Prozessführung, 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 Gründen 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.

In injection molding, the production of high quality parts is determined by a high process and machine capability. However, it is not sufficient to operate the injection molding machine with a high repeatability, as interferences induced by the material and environmental conditions adversely affect the production process and thus lead to poorer quality parts. In practice, a constant part quality is thus often times not achieved. The indication of the relevant factors and disturbances is essential for an analysis, but also for the use in process and quality control. The process indicators shown can represent various disturbances in the process and can be used for monitoring and analysis as well. The rheological characterization of polymer melts in the injection phase by the viscosity index $VI$ allows us to analyze material and batches of material without the use of external measuring equipment. The flow behavior of the polymer melt can be determined directly within the injection molding machine. The user can choose more robust process windows, which result in better production conditions, taking account of disturbances. Process invariant indicator numbers also allow a machine condition monitoring of individual components and subsystems and thus a statebased machine and process diagnosis. This work elaborates, how indicators can be used within these contexts. The non-return valve plays a specific role, as the shot weight is largely determined by its function. Changes in the closing behavior show wear or differences in viscosity of the polymer being processed. In the work at hand, a quality control mechanism is presented, which improves process stability and component quality during the injection molding of thermoplastics. It is based on the monitoring of machine internal process data. The presented method of an adaptive process control detects fluctuations caused, for instance, by interferences during the injection phase and compensates them within the same injection molding cycle. Thus, the injection molding machine can autonomously and automatically react to fluctuations in raw materials for an optimized product quality and compensate process variations state based. It is shown that in addition to improving the robustness of the production process, deficiencies in transient phases of the process, which occur after machine stoppages or after the setup and start-up, can be reduced. Machine operators require a high degree of machine and process capability and detectability, which is determined on the product features. However, in modern terms the injection molding processes are validated mostly under the premise of constant process parameters. An adaptive intervention in the process and a change of the relevant parameter is therefore a controversial practice and represents a paradigm shift. Therefore, it is shown with various examples the impact of a process-state-based compensation on the injection molding process. Boundary conditions for the development of the method were industrial requirements such as universality and scalability, which is why the principle is analyzed and validated both in electro and on hydro-mechanically driven injection molding machines. It is shown that a compensation of viscosity-related disturbances affecting the flow behavior of the melt itself as well as the closing behavior of the non-return valve, can contribute by means of an adaptive process control method to improve the process and product quality. In the course of the work, an alternative injection concept is developed and examined to improve the process and machine capability using a reciprocating screw without moving, locking elements at the screw tip. The proposed concept is based on the integration of a continuous plasticization in the discontinuous injection molding process. It comprises back flow compensated (BFC) injection during the injection and packing stage by the preparation of a suitable melt flow for the compensation of meltflow back into the screw flights. A conventional non-return valve is no longer needed. Depending on process and melt state, the "`soft"' or "`open"' system improves process capability with lower component wear. Also, the shot volume is kept constant to an even greater extent across a plurality of injection molding cycles. It is possible to dispense on passive locking geometries with their shortcomings as regards the determination of the closing time, the adverse tendency to wear and disadvantages in dosing. The use of a spiral shear part at the screw tip results in a better homogenization of the melt. The disadvantage here is that due to the intense flow conditions, pressure is consumed and the melt temperature rises. It thus makes sense to turn the screw only as fast as necessary, or even to accept a back flow during injection. To influence and especially for keeping the differential melt flow during the injection and/or pressure phase constant, it is useful to couple the rotating speed to the injection speed of the screw and/or to the melt pressure. It is shown that a process control based on an active, backflow compensated mold filling stage is equivalent, respectively superior to conventional process control methods using non-return valves, with regards to shot weight stability and reproducibility. By measuring the plasticizing torque an ideal melt flow can be determined for injection stage, which can be adjusted adaptively and automatically. The output factor can be improved by increasing the rotational screw speed. Such process control, optimally using a suitable screw head, is particularly appropriate when a good mixing of the melt is required or not blocking geometry can be used for technical process reasons. It could be shown that due to the good reproducibility of the shot volume, the method is not limited to single materials or applications. It was also demonstrated that it is possible to maintain even at long packing times and with regards to the thermal processing limits of the material high packing pressure levels.

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Kruppa, S., 2016. Adaptive Prozessführung und alternative Einspritzkonzepte beim Spritzgießen von Thermoplasten.
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