activeflowbalance - eine Neuentwicklung zur Verbesserung der Prozesssicherheit und Teilequalität

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1 Sumitomo (SHI) Demag activeflowbalance - eine Neuentwicklung zur Verbesserung der Prozesssicherheit und Teilequalität Die Neuheit aus dem Hause Sumitomo (SHI) Demag ist eine vielseitig einsetzbare Option, die als wirksames Mittel zu Prozessoptimierung und entsprechenden Qualitätsverbesserung eingesetzt werden kann. Das Hauptziel der activeflowbalance-funktion ist ein Ausgleich der Druckverhältnisse in der Kavität bzw. zwischen den Kavitäten. Es wird aktiv in den sensiblen Spritzgießprozess des Umschaltens zwischen Spritzund Nachdruck eingegriffen. Der Einsatz von activeflowbalance erlaubt einen robusten und einfachen Spritzprozess für Anwendungen, die bisher an kritischen Grenzen und mit komplexen Einstellungen gefahren werden mussten. Die Option baut auf Zero-Moulding von Sumitomo auf und stellt ein Alleinstellungsmerkmal in unserer Branche dar. Es ist eine technologische Neuheit mit praktisch anwendbarem Nutzen für vielfältige Prozesse. Ein wesentlicher Vorteil des activeflowbalance liegt in der einfachen Bedienung. Das activeflowbalance ist sehr breit anwendbar und spielt die Vorteile hoch dynamischer Antriebstechnik voll aus. Prozess Nachfolgend wird zum Verständnis der Spritzprozess unter Einsatz der activeflowbalance-funktion beschrieben. Bei der Betrachtung beschränken wir uns auf den Vorgang Einspritzen-Nachdruck, da hier die Unterschiede angesiedelt sind. Das Ende des geschwindigkeitsgeregelten Einspritzvorgangs erfolgt durch das Erreichen des Umschaltpunktes. Genau hier setzt die activeflowbalance-funktion ein. Aktiviert wird diese durch den dargestellten Programmschalter, der auf einer separaten Seite gesetzt werden kann. Als Resultat wird die Schnecke für einen einstellbaren Zeitraum auf einer festen Position gehalten. Hierzu muss lediglich eine Dauer (Stillstandszeit) eingestellt werden. Optional kann über eine Rampe die Bremsgeschwindigkeit der Schnecke beeinflusst werden (von Einspritzgeschwindigkeit auf Stillstandszeit). Nach Ablauf der activeflowbalance-zeit erfolgt der Übergang auf die standardmäßige Nachdruckeinstellung. Die Dauer von activeflowbalance kann von der Nachdruckzeit abgezogen werden, so dass keine Verlängerung des Zyklus entstehen muss. Effekt Was soll durch dieses Verfahren erreicht werden? Während des Einspritzvorganges baut sich im gesamten Kunststoffschmelzesystem vor der RSP (Schneckenvorraum, Düse, Angusskanal / Heißkanal, Kavitäten) ein spezifisches Schmelzedruckprofil auf. Wenn nun am Ende des Einspritzvorganges die Bewegung der Schnecke gestoppt und die Position gehalten wird, wird dem eingespannten Schmelzedruck in den verschiedenen Stufen des Schmelzesystems Zeit gegeben sich zu entspannen und anzugleichen. Bei diesem Kompressionsausgleich wirkt die unter Druck stehende Schmelze wie ein Druckspeicher. Es werden die elastischen Eigenschaften der Kunststoffschmelze ausgenutzt. Während dieser kurzen Phase gleicht sich einerseits das Druckniveau im Schmelzesystem aus, andererseits wird die Bewegung der Schmelzefront in den volumetrisch noch nicht gefüllten Kavitäten langesamer werdend weitergeführt. Anschließend erfolgt der Übergang auf Nachdruck. Einfach und übersichtlich

2 max. Einspritzdruck am Umschaltpunkt Kompressionsausgleich Schneckenstopp Nachdruck Zeitdauer afb Vorgesehener Einsatz Das Verfahren ist für verschiedene Anwendungen konzipiert. Die größten Vorteile bieten Spritzprozessen, bei denen sich der Übergang von Spritz- auf Nachdruck sensibel gestaltet, so z.b: Multikavitätenwerkzeug mit Balancierungsproblemen Werkzeuge mit Heisskanalschwankungen Werkzeuge mit Entlüftungsproblemen Zeit [s] Beispiel der Meßwerterfassung bei Einsatz activeflowbalance-funktion Beispiel eines unbalancierten Multikavitätenwerkzeug Füllung am Umschaltpunkt nach 0 s 3 Kavitäten vollständig, 3 deutlich unvollständig gefüllt Formteile mit Mehrfachanspritzungen Formteile mit dünnwandigen Bereichen am Fließwegende Formteile, die im Verhältnis zum Angussgewicht sehr klein sind Formteile aus Tandem-Prozessen Füllung nach 0,2 s activeflowbalance Zeit Ausgeglichener Füllstand bei ausgeglichenem Schmelzedruck Beispiel Formteile mit großem Anguss und kleinen Teilegewichten Formteile mit unterschiedlichen Fließweglängen oder Füllverhältnissen

3 Grenzen herkömmlicher Prozesse Nehmen wir als repräsentatives Beispiel ein Multikavitätenwerkzeug mit ungenügender Balancierung. Bisher gibt es für den Einrichter 2 prinzipielle Möglichkeiten auf das Problem der ungleichmäßigen oder schwankenden Balancierung von Kavitäten zu reagieren. 1) Einspritzen bis alle Kavitäten volumetrisch gefüllt sind. Das Ergebnis ist ein erhöhter Spritzdruck, da die Maschine immer weiter Druck aufbaut, bis auch die letzte Kavität vollständig gefüllt ist. Hierbei entstehen insbesondere in den bereits gefüllten Kavitäten Druckspitzen. die zu Gratbildung führen können. Darüber hinaus werden unterschiedliche Druckniveaus und somit unterschiedliche Morphologien (Morphologie = innere Eigenschaften), z.b. Eigenspannung, Verzug, Schwindung der Formteile) in den verschieden Kavitäten erzeugt. Ein weiterer, negativer Effekt ist der sprunghafte Anstieg der Schmelzefrontgeschwindigkeit so bald die erste Kavität gefüllt ist. Bei 2 fach Systemen verdoppelt sich diese beispielsweise und führt so sehr häufig zu Entlüftungsproblemen, welche sich in Verbrennungen und/oder nicht voll ausgespritzten Teilen zeigen. Was geschieht dabei? Mit dem Start der activeflow- Balance-Funtkion bleibt die Schnecke stehen und es erfolgt keine weitere Erhöhung des Spritzdruckes. Es setzt ein natürliches Ausgleichen der Schmelzedruckverhältnisse zwischen den einzelnen Kavitäten bzw. im gesamten Schmelzesystem ein. Bereiche mit hohem Druck (Düse, Verteiler) entspannen sich zu Gunsten von Bereichen mit zu niedrigem Druck (teilgefüllte Kavitäten) und bauen genau dort weiteren Druck auf. Die Restfüllung der verbleibenden Kavitäten (in teilgefüllten Kavitäten herrscht ein geringerer Gegendruck als in bereits vollen Kavitäten) erfolgt also durch den Abbau des in der elastischen Schmelze gespeicherten Druckes. Damit werden teilgefüllte Kavitäten mit geringerem Gegendruck während der activeflowbalance Zeit stärker ausgeglichen als bereits volle Kavitäten. Da sich die Schnecke während dieser Zeit nicht bewegt, wird kein zusätzlicher Spritzdruck dem System zugeführt. und ein sprunghafter Anstieg der Fließfrontgeschwindigkeit der zuletzt füllenden Kavitäten wird vermieden. 2) Umschalten auf Nachdruck bei Erreichen der volumetrischen Füllung der ersten Kavität. Der Vorteil besteht darin, dass o.g. Druckspitzen und deren negative Effekte vermieden werden können. Resultierender Nachteil ist aber das Risiko der Unterfüllung, da der Spritzdruck abgebaut und auf das Nachdruckniveau gesenkt wird bevor alle Kavitäten gefüllt sind. Hierdurch kann ein Stehenbleiben der Schmelzefront und somit Unterfüllungen resultieren, die bei schwankenden Umgebungsbedingungen (beispielsweise durch Schwankungen des Werkzeugheisskanals) zu sporadisch auftretenden Ausschussteilen führen. Auch werden wiederum unterschiedliche Morphologien mit resultierenden Abweichungen im Gefüge der Teile erzeugt. Wirkprinzip activeflowbalance Bleiben wir bei o.g. Beispiel und verwenden die activeflow- Balance-Funktion. Hierbei würde der Prozess wie folgt ablaufen: Ermittlung des Wegpunktes (Schnecke), an dem die erste Kavität volumetrisch gefüllt ist. Bis dahin findet ein ganz normaler Einspritzvorgang statt (Umschaltpunkt ist der Startpunkt der activeflowbalance-funktion). Jetzt erfolgt die Aktivierung der activeflowbalance-funktion. Dazu wird die Schnecke bis zum Stillstand abgebremst (einstellbare Rampe) und auf Position gehalten. Die Dauer des Schneckenstillstandes ist einstellbar und wird nach deren Ablauf vom Standardnachdruckvorgang abgelöst.

4 Kompressionsausgleich im Schmelzesystem (ohne Nachdruck) Umschaltpunkt Zeitdauer afb Druckabbau im Zylinder Umschaltpunkt afb 0,3 s 1220 bar 300 bar Druckabbau im Verteiler Umschaltpunkt nach afb 0,3 s 370 bar 180 bar Druckaufbau im Kavität Umschaltpunkt nach afb 0,3 s 90 bar 130 bar Bedienung activeflowbalance Die drei Druckkurven dokumentieren den Kompressionsausgleich im Schmelzesystem über eine Zeitdauer (activeflowbalance) von 0,3 s. Die Bedienung der activeflowbalance-funktion ist einfach und übersichtlich gestaltet. Bei Multikavitätenwerkzeugen ist üblicherweise der Startpunkt die Wegposition der Schnecke, an der die erste Kavität volumetrisch gefüllt ist. Als Faustregel kann man ansetzten, dass die activeflowbalance-zeit ca. 30 % der Einspritzzeit beträgt. Die exakten Parameter müssen bei einer Bemusterung über eine Füllstudie ohne Nachdruck ermittelt werden. Die Zeitdauer des activeflowbalance kann von der Nachdruckzeit abgezogen werden (activeflowbalance wirkt bereits als Teil des Nachdrucks). Dadurch hat activeflowbalance keinen negativen Einfluss auf die Zykluszeit.

5 Vorteil activeflowbalance Vermeidung von Spritzdruckspitzen durch aktives Stoppen der Schneckenbewegung vor dem Ende des konventionellen Einspritzvorganges Ausgleich der Druckverhältnisse (angussnah vs. angussfern) im Formteil, dadurch weniger innere Spannungen und Verzug Gratvermeidung durch Beseitigung o.g. Spitzendruckspitzen Vermeidung von Unterfüllungen (konventionell muss Umschaltpunkt und Nachdruck teilweise sehr knapp eingestellt werden, um Unterfüllungen zu vermeiden) hier stellt activeflowbalance eine Füllreserve bereit Gleichmäßigeres Druckniveau in verschiedenen Kavitäten eines Werkzeuges, dadurch gleichmäßigere Morphologie und somit bessere Maße, Gewichte und Verzugseigenschaften Potential zur Reduzierung der Schließkraft durch niedrigeren max. Spritz- und somit Kavitäteninnendruck Bessere Entlüftung im Werkzeug durch geringe Fließfrontgeschwindigkeit (mehr Entlüftungszeit) und die Möglichkeit zu reduzierter Schließkraft (leichtere Entlüftung) längere Wartungsintervalle Werkzeug Einfache und übersichtliche Bedienung, (2 Parameter) anstatt komplizierter Spritz-/Nachdruckprofile Vermeidung von Rückfedern der Schnecke am Umschaltpunkt und damit verbundenem plötzlichen Druckeinbruch und Prozessschwankungen Spritzdruck Standard-SG mit schnellem Druckabbau und Druckspitze. Spritzdruck Spritz- und Nachdruckprofil Spritzzeit Spritz- und Nachdruckprofil Spritzzeit Umschaltpunkt Nachdruckphase Umschaltpunkt Sanfter Druckübergang durch Einsatz von Spritz- und Nachdruckprofilen (Komplexe Programmierung über 7 Stufen). Umschaltpunkt Nachdruckphase Spritzdruck Spritz- und Nachdruckprofil Spritzzeit afb-zeit Nachdruckphase Druckübergang mit activeflowbalance

6 Ergebnisse: Versuch 64 fach Klingenhalter (hier Auswahl 8-fach Unterverteiler) Füllstudie konventionell Füllstudie mit 0,5 s activeflowbalance Unterfüllte Kavitäten w/o afb afb 0,3 s afb 0,5 s Gewichtsverteilung aller 64 Kavitäten

7 Das Füllbild der verschieden Kavitäten zeigt deutlich höhere Gleichheit beim Einsatz von activeflowbalance. Im Detail lässt sich auch erkennen, dass die Gewichtszunahme bei einem bereits gefüllten Teile deutlich niedriger ist (Kav. 31 nur 1,4 %) im Vergleich zu einem noch stark unterfüllten Teil (Kav. 33 mit 7,6 %). Das heisst, activeflowbalance verbessert genau jene Kavitäten, die nacheilen. Es konnte insgesamt das Druckniveau beim Spritzen gesenkt werden, was sich positiv auf die Vermeidung von Spritzgrat auswirkt und das Schließkraftniveau reduziert. Die reduzierte Schließkraft ergibt eine verbesserte Entlüftung des Werkzeuges auf einen längeren Produktionszeitraum gesehen und ermöglicht somit eine Verlängerung des Wartungsintervalls des Werkzeuges. Beispiel Kav. 31: Gewicht ohne afb = 0,6501 g Gewicht mit afb 0,3 s = 0,6542 g Gewicht mit afb 0,5 s = 0,6592 g Beispiel Kav. 33: Gewicht ohne afb = 0,5595 g Gewicht mit afb 0,3 s = 0,5833 g Gewicht mit afb 0,5 s = 0,6055 g Plus 0,0091 g Plus 1,4 % Plus 0,0460 g Plus 7,6 % Die Gewichtskonstanz aller 64 Teile mit Nachdruck zeigte sowohl mit als auch ohne activeflowbalance eine ähnlich enge Streuung. Das bedeutet, dass der Nachdruck zumindest bei diesen Teilen die Streuung am Umschaltpunkt ausgleicht. Allerdings ist die Übergangsphase von Spritz- auf Nachdruck und eine homogener Nachdruckwirkung der einzelenen Kavitäten durch activeflowbalance von entscheidendem Einfluss auf die Struktur des Gefüges (Molekularstruktur). Hier werden Eigenschaften wie Maßhaltigkeit, Verzug und Schwindung ganz wesentlich beeinflusst. Beim Einsatz von activeflowbalance ist aufgrund des Schmelzedruckausgleichs von einer kleineren Streuung der Teileeigenschaften in Bezug auf die o.g. Kriterien auszugehen. w/o afb afb = 0,3 s afb = 0,5 s afb = 0,5 s + Holding Einsatz/Nachrüstung Der Einsatz von activeflowbalance ist an der IntElect Smart möglich. Nachrüstungen sind möglich. Basis ist activedynamics, da hier die Reaktionszeiten der Maschine, die hohe Dynamik und die genaue Reproduzierbarkeit ausschlaggebend sind für die exakte Regelung des activeflowbalance-funktion.

8 Zusammenfassung Die activeflowbalance Funktion stellt ein technologisches Alleinstellungsmerkmal dar. Die Vorteile von activeflowbalance lassen sich für Spritzprozesse mit sensiblem Übergang von Spritzen auf Nachdruck nutzen. Das bedeutet eine sehr breite Anwendbarkeit. Auf Grund der einfachen Bedienung kann dieses Modul einer breiten Masse von Einrichtern zugänglich gemacht werden und setzt nicht zwangsläufig die Kenntnis eines Prozessspezialisten voraus. Ein wesentlicher Vorteil ist die Vermeidung von unnötigen Spitzen im Spritzdruck und der Fließfrontgeschwindigkeit sowie ein Druckausgleich zwischen den Kavitäten. Daraus resultieren Gratvermeidung, verbesserte Entlüftung und konstantere Prozesse. Durch die homogenere Druckverteilung zwischen den Kavitäten bzw. auch in einer einzelnen Kavität werden innere und äußere Bauteileigenschaften wie Spannungen, Schwindung, Verzug, Gewichtskonstanz, optische Eigenschaften, etc. so beeinflusst, dass eine deutlich kleinere Streuung erreicht werden kann. activeflowbalance bringt die Vorteile einer elektrischen SGM voll zum Tragen. November 2011 Peter Gladigau Product Manager Electric Injection Moulding Machines