Entwicklung eines Regelungskonzeptes zur Steigerung der Produktqualität und Produktivität beim Spritzgießen von Duroplasten

Abstract

Duroplaste rücken aufgrund ihrer Eigenschaften, wie Temperaturbeständigkeit, elektrischer Isolierung, hoher Festigkeit und Steifigkeit über einen großen Temperaturbereich sowie ihrer Maßhaltigkeit, verstärkt in den Fokus technischer Serienanwendungen. Das Spritzgießen ist auch für duroplastische Werkstoffe das bedeutendste Verarbeitungsverfahren. Eine hohe Prozessstabilität ist für die Wettbewerbsfähigkeit der oft kleinen und mittelständischen Verarbeiter essenziell. Allerdings hängt dies bei der heute üblichen Prozessführung über Maschinengrößen maßgeblich von den Erfahrungen des Maschinenbedieners ab. Auch stellt das stark chargenabhängige Materialverhalten von Duroplasten eine Herausforderung dar. Dies führt zu hohen Prozessschwankungen sowie einer hohen Ausschussquote und damit zu einem Verlust der Produktionseffizienz. Ein in diesem Projekt untersuchter Lösungsansatz zur Erhöhung der Produktivität und Formteilqualität beim Duroplast-Spritzgießen stellt eine Prozessführung auf Basis der Regelung von Prozessgrößen dar. Ein solcher Regelansatz ist für die Duroplast-Verarbeitung bislang noch nicht umgesetzt worden. Ziel des Projektes ist daher, die Reproduzierbarkeit durch eine Prozessführungsstrategie zu optimieren und die Auswirkungen von Materialschwankungen auf die Formteilqualität zu reduzieren. Die Entwicklung der Regelung erfolgt am Institut für Regelungstechnik (IRT) der RWTH Aachen und wird in enger Zusammenarbeit am Institut für Kunst-stoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen implementiert und analysiert. Dazu wird mithilfe von Spritzgießversuchen eine geeignete Prozessgröße zur Regelung identifiziert. Als Ma-terialien werden verschiedene Phenolharze untersucht. Störungen im Spritzgießprozess werden über eine Variation der Maschineneinstellgrößen simuliert. Anschließend werden die Prozessgrößenverläufe ausge-wertet, um geeignete Kennzahlen zur Prozessüberwachung und Prozessregelung zu identifizieren. Die Qualität wird über die Masse, mechanische Eigenschaften und die Oberflächenqualität bewertet und mit den Prozessgrößen korreliert. Dadurch können geeignete Regelgrößen, wie der Werkzeuginnendruckverlauf oder das Restmassepolster, abgeleitet werden. Der Spritzgießprozess wird mitsamt der speziellen Materialeigenschaften der Duroplaste über ein mathematisches Modell beschrieben, um Prozesswissen in die Regelung miteinzubeziehen. Durch maschinelles Lernen kann das Prozessmodell während der Fertigung fortlaufend verbessert werden. Eine modellprädiktive Regelung des Werkzeuginnendruckes (MPR) nach einer vorgegebenen Referenzdruckkurve durch Einstellen der Schneckengeschwindigkeit über ein externes, analoges Spannungssignal am verbauten Servoumrichter erzielt in den Versuchen gute Ergebnisse und ist einem einfachen Proportional-Integral-Differential (PID)-Regler überlegen. Beurteilt an dem Werkzeuginnendruckintegral wird durch die Regelung des Werkzeuginnendruckes eine höhere Prozesskonstanz erzielt. Zusätzlich kann mittels eines lernenden Qualitätsmodelles eine Soll-Bauteilmasse durch die MPR eingeregelt werden. Es kann eine Verbesserung der Massenkonstant erreicht werden. Eine signifikante Verbesserung der Maßhaltigkeit, der Bauteiloberflächenqualität oder der mechanischen Eigenschaften konnte bislang jedoch nicht nachgewiesen werden. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.