Qualitätssicherung beim Spritzgießen Regelung von Prozessgrößen zur Steigerung der Qualitätskonstanz

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1 Qualitätssicherung beim Spritzgießen Regelung von Prozessgrößen zur Steigerung der Qualitätskonstanz Dipl.-Ing. Andreas Schreiber Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen 24. April 2009 Gliederung Maschinengrößen-Regelung vs. Prozessgrößen-Regelung Sollwerte für die Prozessgrößen-Regelung Untersuchungen zur pvt-basierten Prozessregelung Ermittlung des Materialverhaltens im Prozess Fazit und Ausblick Bild 2 1

2 Regelung des Spritzgießprozesses Qualitätsmodell (z. B. pvt-verhalten) Qualitätsgrößen Prozessgrößen Prozessmodell (z. B. KNN) Regelung Maschinengrößen Störgrößen Bild 3 Störeinflüsse bei Regelung von Maschinengrößen Einspritzphase (Regelung der Schneckenvorlaufgeschwindigkeit): Verschleißzustand sowie Schließverhalten der Rückstromsperre Dosierschwankungen Abweichendes Volumenstromprofil sowie variierender Umschaltpunkt Nachdruckphase (Regelung des Hydraulikdrucks oder der Schneckenkraft): Variable Druckverluste (Temperaturführung, Viskosität) Unterschiedliche Druckübertragung und -messung bei verschiedenen Maschinentypen Abweichender Verlauf des Werkzeuginnendrucks Regelung von Maschinengrößen ermöglicht keinen 100%ig reproduzierbaren Prozess am Ort der Formteilbildung: der Werkzeugkavität Bild 4 2

3 Werkzeuginnendruckverläufe bei verschiedenen Temperaturen (Maschinenregelung) Werkzeuginnendruck [bar] Druckvorgabe 230 C / 40 C 250 C / 40 C 240 C / 50 C 230 C / 60 C 250 C / 60 C Material: PP Anguss-Ø: mm Wanddicke: mm Zeit [s] Bild 5 Direkte Regelung von Prozessgrößen im Zyklus Bedeutendste Prozessgrößen: Schmelzedruck und -temperatur in der Kavität Schmelzetemperatur beobachtbar (direkte Messung oder Abkühlrechnung) Werkzeuginnendruck regelbar durch moderne Regelstrategien Übertragungsverhalten der Regelstrecke: Totzeit Nichtlinearität Regelungsstrategie: Modellprädiktive Regelung mit Künstlichem Neuronalen Netz als Prozessmodell Bild 6 3

4 Onlineregelung des Werkzeuginnendrucks mit pvt-optimierung in der Nachdruckphase T Schm p Wkzi Messwerterfassung pvt-optimierung p soll U Stell Prädiktivregler Bild 7 Werkzeuginnendruckverläufe bei verschiedenen Temperaturen (Werkzeuginnendruckregelung) Werkzeuginnendruck [bar] C / 40 C 250 C / 40 C 240 C / 50 C 230 C / 60 C 250 C / 60 C Zeit [s] Bild 8 4

5 Idealisierter Prozessverlauf im pvt-diagramm Spezifisches Volumen v 1bar v Entf v Umg A - B: Einspritzen und Kompression B - C: Isobare Prozessführung C - D: Isochore Prozessführung ab D: Isobare Abkühlung E: Entformung D E F Steigender Druck C 1 bar A B B p max T Umg Schmelzetemperatur T Masse Bild 9 Für die Untersuchungen verwendetes Formteil Position des Druck-/Temperatursensors 60 mm 120 mm 40 mm Bild 10 5

6 Mittelwerte der Formteilgewichte Mittelwert Gewicht [g] 56,0 55,6 55,2 54,8 54,4 54,0 50 / / 230 σ mit = 0,012 g σ ohne = 0,020 g 40 / / 240 mit pvt-optimierung ohne pvt-optimierung 60 / / 250 Werkzeugtemperatur / Massetemperatur [ C] 50 / 240 Bild 11 Effekte der Werkzeugtemperatur auf das Formteilgewicht Gewicht [g] 55,6 mit pvt-optimierung 55,4 ohne pvt-optimierung 55,2 55,0 E mit = 0,041 g E ohne = -0,708 g p mit = 0,007 p ohne = 0,000 54, Werkzeugtemperatur [ C] Bild 12 6

7 Effekte der Massetemperatur auf das Formteilgewicht Gewicht [g] 55,6 mit pvt-optimierung 55,4 ohne pvt-optimierung 55,2 55,0 E mit = 0,054 g E ohne = -0,444 g p mit = 0,001 p ohne = 0,000 54, Massetemperatur [ C] Bild 13 Gliederung Maschinengrößen-Regelung vs. Prozessgrößen-Regelung Sollwerte für die Prozessgrößen-Regelung Untersuchungen zur pvt-basierten Prozessregelung Ermittlung des Materialverhaltens im Prozess Fazit und Ausblick Bild 14 7

8 Produktionsnahe Ermittlung der Materialdaten Ziele: Einfache Anwendung der pvt-optimierung ohne Nutzung von Laborgeräten Einsatz identischer Produktions- und Messmittel bei Ermittlung und Verwendung des Modells Kompensation systematischer Messfehler Vorgehensweise: Identifikation einzelner Punkte im Materialkennfeld durch Verschlussdüse Abbildung des Kennfelds durch mathematische Approximation, z. B. 7-Koeffizienten-Ansatz Automatisierte Vorgehensweise zur Ermittlung des Materialmodells mit geringem zeitlichen und personellen Aufwand für den Praxiseinsatz Kein physikalisch korrektes pvt-diagramm, sondern ideal an die Produktionsbedingungen angepasstes Qualitätsmodell Bild 15 Verwendung einer Verschlussdüse zur Ermittlung des Modells Anfahren verschiedener Punkte (Druck/Temperatur) im Kennfeld und Verschluss der Düse Wiegen der produzierten Formteile liefert mittleres spezifisches Volumen bei bekanntem Kavitätsvolumen Einschränkungen: Werkzeugatmung Nur Punkte ermittelbar, die vor Einfrieren des Anschnitts erreicht werden können mittl. spezifisches Volumen lokaler Druck lokale oder gemittelte Temperatur Bild 16 8

9 Versuchsformteil Position Drucksensor Position Infrarotsensor 140 mm 90 mm Formteildicke: 3 mm : Alternative Einbaupositionen Bild 17 Ermitteltes Materialkennfeld mit Stützstellen Berechnetes spez. Volumen [cm³/g] 1,26 1,22 1,18 1,14 1, Schmelzetemperatur (IR-Sensor) [ C] Werkzeuginnendruck [bar] Bild 18 9

10 Effekte der Massetemperatur auf das Formteilgewicht Gewicht [g] 37,1 mit pvt-optimierung 37,0 ohne pvt-optimierung 36,9 36,8 36,7 E mit = -0,033 g E ohne = -0,344 g p mit = 0,004 p ohne = 0,000 36, Massetemperatur [ C] Bild 19 Fazit und Ausblick Eingeschränkte Reproduzierbarkeit des Prozesses bei Regelung auf Basis von Maschinengrößen Verwendung von Sensorik im Spritzgießwerkzeug unabdingbar zur zuverlässigen Überwachung und Regelung des Prozesszustands Steigerung der Reproduzierbarkeit durch Online-Regelung auf Basis von Werkzeuginnendruck und Schmelzetemperatur Weiterentwicklung des Regelungssystems (Verwendung mit beliebigen Formteilgeometrien, Optimierung der Algorithmen, Vereinfachte Einrichtung) Weiterentwicklung des Systems zur automatisierten Erfassung der benötigten pvt-kennwerte im Spritzgießwerkzeug Übertragung der Erkenntnisse auf den Spritzprägeprozess Bild 20 10