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Als wichtigste Einflussfaktoren haben sich Schwankungen der Materialmenge und Materialviskosität herauskristallisiert. Eine neue Methode der Prozessregelung erkennt diese Schwankungen während des Einspritzvorgangs und gleicht sie noch im selben Schuss aus.

Wie stabil ist der Polster auf Maschine X? Wie viel schwankt der Spritzdruck-Spitzenwert auf Maschine Y?“ – Hersteller von Spritzgießmaschinen werden häufig mit derartigen Fragen konfrontiert. Da diese Größen meistens weniger von der Maschine als von den Randbedingungen des Prozesses (Material, Werkzeug, Einstellparameter etc.) abhängen, lassen sich solche Fragen nur schwer pauschal beantworten. Daher soll zunächst näher betrachtet werden, warum reproduzierbare Bewegungsabläufe der Spritzgießmaschine nicht zwangsläufig zu einer konstanten Formteilqualität führen.

Präzise Bewegungen sind noch keine Qualitätsgarantie

Im folgenden Beispiel wurde ein Bauteil aus Flüssigsilikonkautschuk (LSR mit 50 Shore A) auf einer vollelektrischen Engel e-motion 310/100 Spritzgießmaschine zu Versuchszwecken mit sehr geringem Nachdruck hergestellt. Die in die Antriebe integrierten Absolutwertgeber gewährleisten eine sehr hohe Positioniergenauigkeit, so dass die Startposition der Schnecke innerhalb von ±10 µm und die Endposition sogar innerhalb von ±3 µm reproduzierbar waren. Diese Werte können mit dem verwendeten Schneckendurchmesser von 30 mm in eine maximale Volumenschwankung von etwa 0,018 cm³ umgerechnet werden, was bei Silikon einer Gewichtsschwankung von 0,019 g entspricht. Die tatsächlich gemessene Schussgewichtsschwankung betrug jedoch 0,102 g, das heißt fünfmal so viel wie durch die geringfügigen Positionsabweichungen der Schnecke zu erklären wäre. Warum schwankt also die Materialmenge trotz hochpräziser
Bewegungsabläufe?

Hauptgründe für die Schwankungen: Materialmenge und -viskosität

Der erste Verdacht fällt auf das Schließverhalten der Rückstromsperre. In vielen Fällen erweist sich das jedoch als Vorurteil. Die LSR-Dosieranlage liefert keine konstanten Zuführdrücke. Durch die Schöpfkolbenpumpen zeigt sich bei jedem Umschalten von Ziehen auf Drücken oder umgekehrt ein Einbruch des Zuführdrucks am Schneckeneingang. Ob Schwankungen der Dosieranlage oder Leckageverluste während des Sperrenschließens zustande kommen, die Auswirkung ist in beiden Fällen die gleiche: Beim Einspritzen verschiebt sich der Verlauf des spezifischen Spritzdrucks. Die beiden dargestellten Kurven zeigen den Druckverlauf für das schwerste und das leichteste Teil aus der diskutierten Versuchsreihe. Die Mengenschwankungen sind hier deutlich anhand der Verschiebung der Druckverläufe in Richtung der x-Achse sichtbar.
Ein zweiter wesentlicher Beitrag zu Prozessabweichungen sind Änderungen der Materialviskosität, die meist aufgrund von Chargenschwankungen – zum Beispiel beim Gebindewechsel – auftreten. Der zur Formfüllung benötigte Druck ist grundsätzlich proportional zur Materialviskosität. Erhöht sich die Viskosität, so steigt der Druck beim Einspritzen steiler an.

Umschaltart: Die Qual der Wahl

Bei positionsabhängiger Umschaltung ist der Prozess relativ empfindlich gegenüber Schwankungen der Materialmenge. Das Umschalten an einer fixen Position ist streng genommen nur bei konstanter Materialmenge optimal, das heißt, wenn immer gleich viel Material nachströmt und es nicht zu Leckageverlusten beim Schließen der Rückstromsperre kommt. Dies ist in der Praxis leider selten der Fall. Durch druckabhängiges Umschalten kann kurzfristig Abhilfe geschaffen werden: Steigt der Druck aufgrund einer größeren Schmelzemenge früher an, so wird auch der eingestellte Umschaltdruck früher erreicht. Abweichungen im Füllgrad werden dadurch vermieden. Dies liefert aber nur bei konstanter Viskosität des Materials zufriedenstellende Ergebnisse. Bei steigender Viskosität wird der eingestellte Umschaltdruck zu früh erreicht, die Schmelzefront hat zu diesem Zeitpunkt den gewünschten Füllgrad noch nicht erreicht und es kommt zu Schwankungen am Formteil. Hat man vorrangig mit Viskositätsschwankungen zu kämpfen, wäre also die positionsabhängige Umschaltung zu bevorzugen. Unabhängig vom Druckverlauf wird dabei immer eine konstante Menge eingespritzt. Theoretisch zumindest – wenn da nicht die erwähnten Mengenschwankungen wären.

Zeit für ein Zwischenfazit: Treten reine Mengenschwankungen auf, so ist die druckabhängige Umschaltung optimal. Schwankt nur die Materialviskosität, so ist man mit wegabhängiger Umschaltung bestens beraten. Das Dilemma für den Spritzgießer: Unter realen Produktionsbedingungen treten beide Schwankungsarten in Kombination auf. Welche Umschaltart man auch wählt, früher oder später ist es mit großer Sicherheit die falsche.

Umschalten einmal anders: iQ weight control

Ist es besser druckabhängig oder wegabhängig umzuschalten? – Diese Frage stellt sich dem Spritzgießer seit jeher. Eigentlich möchte er doch einfach bei einem bestimmten Füllgrad der Kavität umschalten. Genau das – und noch einiges mehr – ermöglicht iQ weight control, eine von Engel entwickelte Methode zur Prozessregelung.
Die für die CC 200 Steuerung der Engel-Spritzgießmaschinen erhältliche Software analysiert während des Einspritzvorgangs in Echtzeit den aktuellen Druckverlauf über der Schneckenposition und vergleicht ihn mit dem Verlauf eines Referenzzyklus. Der Algorithmus unterscheidet dabei drei Arten von Abweichungen:

  • 1. Verschiebungen des Druckverlaufs in x-Richtung
  • 2. Änderungen der Steilheit des Druckanstiegs
  • 3. Abweichungen, die nicht durch 1. oder 2. erklärt werden können

Basierend auf diesen Abweichungen werden drei neue, sehr aussagekräftige Prozesskennzahlen gebildet:

  • 1. Einspritzvolumen: beinhaltet die Aussage über die tatsächlich eingespritzte Materialmenge unter Berücksichtigung von Schmelzemengenschwankungen.
  • 2. Viskositätsänderung: spricht auf Änderungen der Materialviskosität infolge von Chargen- oder Temperaturschwankungen an.
  • 3. Übereinstimmung Druckverlauf: sagt aus, ob sich die Form des Druckverlaufs gegenüber dem Referenzzyklus grundlegend verändert hat (Beispiele: ausvulkanisierter Pfropfen, Kavität(en) verschlossen etc.)

Diese Kennzahlen können zunächst einmal genutzt werden, um den Einspritzvorgang umfassend zu überwachen und im Fehlerfall entsprechende Aktionen auszulösen. Vor allem aber besteht die Möglichkeit, die erkannten Abweichungen zu kompensieren. Egal, ob positions- oder druckabhängige Umschaltung gewählt wurde, Einspritzprofil und Umschaltpunkt werden noch während des Füllvorgangs so verändert, dass die Umschaltung auf Nachdruck beim gleichen Füllgrad und Volumenstrom wie im Referenzzyklus erfolgt. Die Anfangsbedingungen für die Nachdruckphase weisen somit nur mehr minimale Abweichungen auf, die Reproduzierbarkeit von Prozess und Bauteilgewicht erhöht sich deutlich.
Aktiviert man beispielsweise bei der Produktion des zuvor erwähnten LSR-Bauteils die iQ weight control Prozessregelung, so ergeben sich die dargestellten Positions- und Gewichtswerte. Da die Stoppposition der Schnecke nun bewusst verändert wird, variiert sie im Vergleich zum Versuch ohne Prozessregelung natürlich deutlich stärker. Die eingangs erwähnte hohe Präzision der Schneckenpositionierung ist in diesem Fall absolut unerlässlich, um die gewünschte Kompensation durch bewusste Veränderung der Umschaltposition exakt durchführen zu können. Das Resultat spricht für sich: Die Schwankungsbreite des Formteilgewichts wird von 0,102 g auf 0,008 g reduziert.

Kontrolle basierend auf prozessnahen Parametern

Präzise Bewegungen der Maschine sind zwar notwendig, jedoch nicht ausreichend für eine konstante Produktqualität. Die weit verbreitete Überwachung einzelner Schneckenpositionen liefert nur bedingt eine Aussage über die Formteilqualität. Ein schwankendes Materialpolster kann beispielsweise ebenso bedeuten, dass beim Einspritzen auftretende Schwankungen in der Nachdruckphase ausgeglichen werden. Bei iQ weight control wird deshalb ein neuer Ansatz verfolgt: Aus dem Verlauf von Schneckenposition und Spritzdruck werden besonders aussagekräftige Prozessparameter abgeleitet. Man geht damit einen Schritt weg von der Überwachung reiner Maschinengrößen und nähert sich an den eigentlich interessierenden Prozess und die damit verbundene Formteilqualität an. Basierend auf den prozessnahen Parametern können sowohl kurz- als auch langfristige Qualitätsabweichungen automatisch ausgeglichen und die Reproduzierbarkeit nachhaltig verbessert werden. Häufiges Nachjustieren der Einstellparameter aufgrund veränderter Umgebungs- und Materialbedingungen gehört damit der Vergangenheit an. Durch weitgehend automatisierte Funktionalitäten steht zudem eine einfache Bedienbarkeit im Vordergrund.

Intelligent Online Process Control

Producing moulded parts of a consistently high quality shot by shot is the aim of every injection moulder. Simply using a precise injection moulding machine will not achieve this, however. Minor changes in ambient conditions or in raw materials and wear and tear suffered by the mould have an affect too and can mean that parameters need to be readjusted. iQ weight control, Engel Austria´s newly developed software, detects these changes automatically and compensates for them in the same shot. In manufacturing of liquid silicone components (LSR with 50 Shore A) on an all-electric Engel e-motion 310/100 injection moulding machine, the use of iQ weight control helped to reduce the moulded part weight scatter from 0.102 g to 0.008 g.

K 2013 Vorschau
iQ weight control

Erstmalig für die LSR-Verarbeitung wird Engel auf der K 2013 im Oktober in Düsseldorf die Anwendung von iQ weight control präsentieren. Auf einer Engel e-victory 200H/80W/120 combi Spritzgießmaschine – automatisiert mit einem Engel viper 20 Linearroboter – werden Sensorgehäuse für die Durchflussmessung mit integrierter Dichtung gefertigt.

Halle 15, Stand B42 und C58

Über den Autor

Dr. Georg Pillwein, Thomas Gradl, Dipl.-Ing. Josef Gießauf, Engel Austria, Schwertberg, Österreich