Entwicklung einer Regelungsstrategie für das Kaskadenspritzgießen mithilfe servo-elektrisch angetriebener Heißkanalnadeln zur Steigerung der Prozesskonstanz – KaskaRe

Abstract

Mit dem Kaskadenspritzgießen werden Bauteile langer Fließweglängen sequentiell ohne sichtbare Bindenähte hergestellt. Um den Einfluss von Prozessschwankungen auf den Prozess zu reduzieren und die Prozesskonstanz zu steigern, wird eine Werkzeuginnendruckregelung für das Kaskadenspritzgießen entwickelt und validiert. Bei dieser wird die Druckübertragung in die Kavität mittels variabler Öffnungshübe der Heißkanalverschlussnadeln reguliert. Allerdings wird der Druckverlust im Heißkanal erst kurz vor Verschließen des Heißkanalsystems maßgeblich beeinflusst, was die Reglerparametrisierung erschwert und die Regelgüte reduziert. Daher werden die Geo-metrien der Nadelführung und der Verschlussnadel numerisch optimiert. Der Optimierung liegt ein Modell zu Grunde, welches das Systemverhalten im Heißkanalsystem analytisch beschreibt. Durch die Optimierung der Geometrien wird der Zusammenhang zwischen Druckverlust und Öffnungshub linearisiert, sodass die Parametrisierung und Anwendung der Regelung vereinfacht und die Regelgüte gesteigert werden. Weiterhin wird bei der Adaption der Geometrien berücksichtigt, dass das Material aufgrund der resultierenden Scherung und Schererwärmung nicht degradiert. Dadurch vergrößert sich das Anwendungsfeld der Regelung und vereinfacht die Überführung in die Industrie. Beim Kaskadenspritzgießen kann die Druckübertragung an jedem Anspritzpunkt (Gate) beeinflusst werden. Für die Entwicklung der Werkzeuginnendruckregelung für das Kaskadenspritzgießen wurde zunächst definiert, welche Verschlussnadel zum Ausgleich von Schwankungen in welchem Maße verfahren werden muss, um Regelabweichungen auszugleichen. Dafür wird zunächst der Einfluss individueller Nadelbewegungen auf den lokalen Werkzeuginnendruck identifiziert. Da die individuellen Nadelbewegungen jeweils nur die Druck- und Temperaturverhältnisse in den düsennahen Bereichen beeinflussen, werden die Nadeln für die Regelung alle einheitlich verfahren, um lokale Druckspritzen und daraus resultierenden Verzug zu vermeiden. Aufbauend auf den Voruntersuchungen wurde eine Regelung implementiert, die während der Nachdruckphase den Werkzeuginnendruck gemäß der pvT-optimierten Prozessführung regelt. In den Versuchen wurde der Einfluss von Anfahrvorgängen, Prozessunterbrechungen und thermischen Fluktuationen auf die Prozesskonstanz und die Bauteilqualität untersucht. Weiterhin wurde die Regelung des Werkzeuginnendrucks mittels P- und PID-Regler verglichen. Durch die Anwendung der Regelung kann der Einfluss thermischer Fluktuationen im Prozess um bis zu 93,8 % reduziert werden. Durch die Anwendung der pvT-optimierten Prozessführung werden die Schwindungsvorgänge durch die adaptierte Nachdruckwirkung durch die Gates entsprechend wie bei der Referenz ausgeglichen. Es konnte kein allgemeingültiger Zusammenhang zwischen der zu regelnden Sensorposition und dem Einfluss auf den Prozess geschlussfolgert werden. Durch eine An-wendung der Regelungsphase bereits während der Einspritzphase wird Steigerungspotenzial erwartet, weil der Druck in dieser aufgrund der wärmeren Schmelze durch individuelle Öffnungshübe in einem größeren Bereich beeinflussen werden kann. Daher soll die Einspritzphase in weiteren Projekten untersucht werden. Zum Abschluss des Projekts wurden die gewonnen Erkenntnisse auf eine weitere Bauteilgeometrie übertragen, die die Form eines Kleiderbügels aufweist. Dabei konnten die zuvor analysierten Zusammenhänge bestätigt werden. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.