Produkte-Nachricht

ENGEL (Schweiz) AG
iQ weight control - einfaches Umschalten auf konstante Qualität

Obwohl moderne elektrische Spritzaggregate Bewegungen nachweislich mit höchster Reproduzierbarkeit ausführen, bleibt eine konstante Form- teilqualität in der Realität oft unerreichbar. Als wichtigste Einflussfaktoren haben sich Schwankungen der Schmelzemenge und Materialviskosität herauskristallisiert. Eine neue Methode der Prozessregelung erkennt diese Schwankungen während des Einspritzvorgangs und gleicht sie noch im selben Schuss aus.

Engel - iQ weight control Prozessregeleung
Mit der neu entwickelten Prozessregelung kann die Gewichtskonstanz spritz- gegossener Formteile deutlich verbessert werden – im Beispiel des darge- stellten LCD-Display-Rahmens aus POM um über 85%

Einfaches Umschalten auf konstante Qualität
Wie stabil ist das Polster auf Maschine X? Wie stark 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, Trocknung, Einstellparameter etc.) abhängen, lassen sich diese Fragen nur schwer pauschal beantworten. Daher soll zunächst näher betrachtet werden, warum reproduzierbare Bewegungsabläufe der Spritzgießmaschine nicht zwangs- läufig mit einer konstanten Formteilqualität einhergehen.

Präzise Bewegungen sind noch keine Qualitätsgarantie …
Zu Versuchszwecken wurde ein LCD-Rahmen auf einer vollelektrischen Spritz- gießmaschine des Typs Engel e-mac 200/50 (Hersteller: Engel Austria GmbH, Schwertberg/Österreich) aus Polypropylen hergestellt. Um Schwankungen in der Füllphase isoliert betrachten zu können, wurden Teilfüllungen ohne Nachdruck durchgeführt. Die Schneckenbewegung wurde bei einem Füllgrad von rund 95 % an einer definierten Umschaltposition gestoppt. Dadurch entfiel die ausgleichende Wirkung des Nachdrucks, und Abweichungen beim Einspritzen ließen sich direkt anhand des Füllgrads bzw. des Formteilgewichts beurteilen.

Externe induktive Wegaufnehmer zeichneten die Schwankungen der Start- und Endposition auf. Die in die Antriebe integrierten Absolutwertgeber gewährleisten eine hohe Positioniergenauigkeit, sodass die Startposition der Schnecke inner- halb von ±10 µm und die Endposition sogar innerhalb von ±3 µm reproduzierbar waren. Diese Werte können mit dem verwendeten Schneckendurchmesser von 25 mm in eine maximale Volumenschwankung von etwa 0,012 cm3 umgerechnet werden, was bei Polypropylen einer Gewichtsschwankung von 0,009 g entspricht.

Die tatsächlich gemessene Schussgewichtsschwankung betrug jedoch 0,11 g, d.h. zwölfmal so viel wie durch die geringfügigen Positionsabweichungen der Schne- cke zu erklären wäre. Warum also schwankt die Materialmenge trotz hochpräziser Bewegungsabläufe?

Engel - iQ weight control Bild 1
Teilfüllung ohne Nachdruck: Schneckenpositionen bei Start und Ende der Einspritzbewegung sowie Formteilgewicht. Die y-Skalierung der einzelnen Diagramme ist so gewählt, dass die Werte trotz unterschiedlicher Einheiten visuell direkt vergleichbar sind. Das Foto rechts zeigt die Mengenschwankung am Fließwegende

… weil Schmelzemenge und -viskosität schwanken
Der erste Verdacht fällt auf das Schließverhalten der Rückströmsperre. In vielen Fällen erweist sich das jedoch als Vorurteil. Detaillierte Untersuchungen haben einen anderen wichtigen Effekt aufgezeigt: Am Ende der Kompressionsentlastung nach dem Dosieren strömt Material aus den Schneckengängen in den druckfreien Schneckenvorraum nach. Aufgrund geringfügig unterschiedlicher Randbedin- gungen (Materialhomogenität, Schmelzetemperatur, Viskosität etc.) ändert sich die nachströmende Materialmenge – dieser Umstand ist nach dem Ein- spritzvorgang eins zu eins im Bauteil nachweisbar.

Ob Schwankungen der Schmelzemenge letztlich durch nachströmendes Material oder durch Leckageverluste während des Schließens der Rückströmsperre zustande kommen, die Auswirkung ist in beiden Fällen die gleiche: Beim Einspritzen verschiebt sich der Verlauf des spezifischen Spritzdrucks. Die unterschiedliche Füllung hat abweichende Druckwerte am Umschaltpunkt zur Folge.

Ein zweiter wesentlicher Grund für Prozessabweichungen sind Änderungen der Materialviskosität, die meist aufgrund von Chargen- oder Feuchteschwankungen auftreten. Der zur Formfüllung benötigte Druck ist grundsätzlich proportional zur Materialviskosität. Erhöht sich die Viskosität, so steigt der Druck beim Einspritzen steiler an.

Engel - iQ weight control Bild 2a
Engel - iQ weight control Bild 2b
Änderung des Spritzdruckverlaufs über der Schneckenposition bei Mengen- schwankung bzw. Viskositätsänderung. Die beiden Kurven (oben) zeigen den Druckverlauf für das schwerste und das leichteste Teil aus der Versuchsreihe. Da der zur Formfüllung benötigte Druck grundsätzlich proportional zur Materialviskosität ist, steigt der Druck beim Einspritzen steiler an, wenn sich die Viskosität erhöht (unten)

Umschaltart: die Qual der Wahl

Bei positionsabhängiger Umschaltung ist der Prozess relativ empfindlich ge- genüber Schwankungen der Schmelzemenge. Das Umschalten an einer fixen Position ist streng genommen nur bei konstanter Materialmenge optimal, d.h., wenn immer gleich viel Material nachströmt, ohne Leckageverluste beim Schließen der Rückströmsperre. 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 so lange zufriedenstellende Ergebnisse, wie die Viskosität des Materials konstant bleibt. Bei steigender Viskosität wird der eingestellte Umschaltdruck zu früh erreicht, die Schmelzefront hat zu diesem Zeitpunkt den gewünschten Füllgrad noch nicht erreicht – es kommt zu Schwankungen am Formteil. Hat man vorrangig mit Viskositätsschwankungen zu kämpfen, wäre also die positionsabhängige Umschaltung zu bevorzugen. Unabhängig vom Druck- verlauf wird dabei immer eine konstante Menge eingespritzt – zumindest theoretisch, wenn da nicht die erwähnten Mengenschwankungen wären.

Zeit für ein Zwischenfazit: Treten reine Mengenschwankungen auf, so ist die druck- abhängige Umschaltung die beste Option. Schwankt nur die Materialviskosität, so ist man mit wegabhängiger Umschaltung besser beraten. Das Dilemma für den Spritzgießer: Unter realen Produktionsbedingungen treten beide Schwankungs- arten gemeinsam auf. Welche Umschaltart man auch wählt, früher oder später ist es mit großer Sicherheit die falsche.

Engel - iQ weight control Bild 3
Teilfüllung ohne Nachdruck mit Prozessregelung: Schneckenpositionen bei Start und Ende des Einspritzvorgangs sowie Formteilgewicht. Die y-Skalierung der einzelnen Diagramme ist so gewählt, dass die Werte trotz unterschiedlicher Einheiten untereinander. Das Foto rechts zeigt die Gleichmäßigkeit der Teil- füllung

Umschalten einmal anders – mit automatischer Kompensation
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 und zum Patent angemeldete Methode zur Prozessregelung.

Die in die Steuerung CC 200 der Engel-Spritzgießmaschinen integrierte Software analysiert während des Einspritzvorgangs in Echtzeit den aktuellen Druckverlauf über der Schneckenposition und vergleicht ihn mit dem Verlauf eines Refe- renzzyklus. Der Algorithmus unterscheidet dabei drei Arten von Abweichungen:

  • Verschiebungen des Druckverlaufs in x-Richtung,
  • Änderungen der Steilheit des Druckanstiegs sowie
  • Abweichungen, die die ersten beiden Kriterien nicht erklären können.

Basierend auf diesen Abweichungen werden drei neue, aussagekräftige Prozess- kennzahlen gebildet:

  • Einspritzvolumen: Es beinhaltet die Aussage über die tatsächlich einge- spritzte Materialmenge unter Berücksichtigung von Schmelzemengen- schwankungen.
  • Viskositätsänderung: Sie spricht auf Änderungen der Materialviskosität infolge von Chargen-, Feuchte- oder Temperaturschwankungen an.
  • Übereinstimmung im Druckverlauf: Dieser Parameter sagt aus, ob sich die Form des Druckverlaufs gegenüber dem Referenzzyklus grundlegend ver- ändert hat (Beispiele: kalter Pfropfen, Kavität(en) verschlossen etc.).

Die Kennzahlen können zunächst einmal genutzt werden, um den Einspritzvorgang umfassend zu überwachen und die erkannten Abweichungen zu kompensieren. Einerlei, ob positions- oder druckabhängige Umschaltung gewählt wurde, Einspritzprofil und Umschaltpunkt werden noch während des Füllvorgangs so verändert, dass das Umschalten auf Nachdruck beim gleichen Füllgrad und Volumenstrom wie im Referenzzyklus erfolgt. Die Anfangsbedingungen für die Nachdruckphase weisen somit nur noch minimale Abweichungen auf, die Reproduzierbarkeit von Prozess und Bauteilgewicht verbessert sich spürbar.

Aktiviert man beispielsweise bei der Produktion des zuvor erwähnten LCD- Rahmens die iQ weight control Prozessregelung, so ergeben sich die darge- stellten Positions- und Gewichtswerte. Da die Endposition der Schnecke nun bewusst verändert wird, variiert sie im Vergleich zum Versuch ohne Prozess- regelung natürlich stärker. Die hohe Präzision der Schneckenpositionierung ist in diesem Fall 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 0,113 g auf 0,016 g reduziert.

Engel - iQ weight control Bild 4a
Engel - iQ weight control Bild 4b
Auch die Reproduzierbarkeit beim physikalischen Schäumen profitiert von der „iQ weight control“. Die Prozessregelung verringert die Gewichtsschwankungen bei der Fertigung eines Steckergehäuses (rechts) um 67%

Bessere Reproduzierbarkeit, auch bei Sonderverfahren
Auch bei vollständiger Füllung des LCD-Rahmens zeigt sich das Potenzial dieser neuen Methode, die gerade für Formteile mit einem hohen Fließweg/Wanddicken- Verhältnis interessant ist (für den LCD-Rahmen liegt es deutlich über 200). In solchen Fällen bestimmt die Füllphase maßgeblich die Formteileigenschaften,und der Nachdruck kann nur in geringem Maße für Ausgleich sorgen. Durch die Verarbeitung von POM wurden die Bedingungen im Vergleich zu PP zudem erschwert. Der für die Formfüllung benötigte Spritzdruck lag bei über 2000 bar.

Bereits ohne Prozessregelung fällt die Schwankungsbreite mit 0,014 g (0,177 %) relativ gering aus. Mit der neuen Software konnte diese auf hervorragende 0,002 g (0,025 %) reduziert werden – das entspricht einer Verbesserung um knapp 86 %.

Dass auch das Beispiel einer Teilfüllung ohne Nachdruck praxisrelevant sein kann, beweisen Sonderverfahren, bei denen die Nachdruckphase entweder komplett entfällt oder sehr kurz gehalten wird. Dazu zählen u.a. das physikalische Schäumen („MuCell“,Anbieter: Trexel Inc.), das Spritzprägeverfahren oder die Gasinnendruck- und Wasserinjektionstechnik.

Die FCI Austria GmbH, Mattig­hofen/Österreich, ist eines der ersten Unternehmen, die iQ weight control im Praxistest nutzen.Auf einer holmlosen Hybridmaschine des Typs Engel e-victory 310/90 wurde in einem 2-fach-Werkzeug von FCI ein Steckergehäuse aus PBT mit 30 % Glasfaseranteil durch physikalisches Schäumen hergestellt. Der MuCell-Prozess kommt ohne Nachdruck aus, da das Aufschäumen des Materials die Schwindung ausgleicht. Am Ende des Füll- vorgangs wird daher die Verschlussdüse geschlossen und das Formteilgewicht allein durch den Einspritzvorgang bestimmt. Die Prozessregelung verringert hier die Gewichtsschwankungen um 67 %.

Auch die Änderung des Fließverhaltens durch die Begasung der Schmelze beim Schaumspritzgießen kann mit iQ weight control quantitativ bestimmt werden. Im betrachteten Beispiel sinkt die Viskosität um etwa 7%.

Bei Kunststoffen, die intensives Vortrocknen verlangen, kann die Viskosität auf- grund von Schwankungen des Feuchtegehalts langfristig variieren. Daten aus der Produktion eines Tastenfelds aus Polyamid zeigen, wie der Wechsel von einer 9:1-Mischung aus getrocknetem und ungetrocknetem Material auf 100 % getrocknetes Material eine Erhöhung der Viskosität um etwa 8 % nach sich zieht. Ohne Regelung sind die Teile nach dem Feuchtewechsel nicht mehr vollständig gefüllt, während mit iQ weight control das Formteilgewicht stabil auf demselben Niveau bleibt.

Engel - iQ weight control Bild 5
Viskositätsänderungen werden erkannt und deren Auswirkung auf die Form- füllung ausgeglichen. Hier zeigt sich, dass die Polyamidteile bei schwankendem Feuchtegehalt ohne Regelung nicht mehr vollständig gefüllt sind

Fazit
Präzise Bewegungen der Maschine sind zwar notwendig, jedoch nicht aus- reichend für eine konstante Produktqualität. Die weit verbreitete Überwachung einzelner Schneckenpositionen liefert eine nur bedingt brauchbare Aussage über die Formteilqualität. Ein schwankendes Materialpolster kann beispielsweise ebenso bedeuten, dass beim Einspritzen auftretende Schwankungen in der Nachdruckphase ausgeglichen werden.

Die Prozessregelung iQ weight control verfolgt deshalb einen neuen Ansatz: Aus dem Verlauf von Schneckenposition und Spritzdruck werden besonders aus- sagekräftige 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 kann das neue System sowohl kurz- als auch langfristige Qualitätsabweichungen automatisch ausgleichen und die Reproduzierbarkeit nachhaltig verbessern. Häufiges Nachjustieren der Einstell- parameter aufgrund veränderter Umgebungs- und Materialbedingungen gehört damit der Vergangenheit an. Durch weitgehend automatisierte Funktionalitäten ist zudem eine einfache Bedienbarkeit gewährleistet.

Download
Prospekt iQ weight control (PDF-Datei, 940 KB)

ENGEL (Schweiz) AG
Hungerbüelstrasse 17
8502 Frauenfeld

Tel. 052 725 07 57
Fax 052 725 07 60

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