Selbstoptimierende Prozessregelungsstrategien für eine hochsegmentierte Werkzeugtemperierung beim Spritzgießen

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In urformenden Kunststoffverarbeitungsverfahren wie dem Spritzgießen kann über die Prozessgrößen Druck und Temperatur Einfluss auf das spezifische Volumen und somit auf das Schwindungs- und Verzugsverhalten genommen werden. Wird ein homogenes spezifisches Volumen im Formteil realisiert, ergibt sich ein homogenes Schwindungspotenzial. Eigenspannungen und Verzug können auf diese Weise minimiert werden. Eine Homogenisierung des spezifischen Volumens des Bauteils kann über den Druck nicht erreicht werden, da er lediglich an der Position des Angusses aufgebracht wird und über den Fließweg abnimmt. Über die lokale Manipulation der Werkzeugtemperatur unter Berücksichtigung des lokalen Prozessdrucks kann das spezifische Volumen jedoch gezielt beeinflusst und homogenisiert werden. Ziel von Teilprojekt B03 ist die gezielte Regelung des spezifischen Volumens zur Verzugsreduktion über die Manipulation der lokalen Werkzeugtemperatur. In der ersten Förderphase des SFB1120 wurde in TP B03 ein Spritzgießwerkzeug mit einer segmentierten hochdynamischen Temperierung und einer In-Situ-Datenerfassung entwickelt (Abb. 1). So ist es möglich 18 Temperierzonen (9 pro Werkzeughälfte) individuell und dynamisch anzusteuern (siehe Video).

  Schließseite des hochsegmentierten Spritzgießwerkzeugs mit Temperierzonen (links), schematische Darstellung einer Temperierzone (rechts). Urheberrecht: © SFB 1120 Schließseite des hochsegmentierten Spritzgießwerkzeugs mit Temperierzonen (links), schematische Darstellung einer Temperierzone (rechts).
  Video 1: Werkzeugtemperierung, bei dem die verfügbaren Temperierzonen sequenziell aufgeheizt werden.
 
 

Wie in Abb. 1, rechts dargestellt, ist im Zentrum aller Zonen ein Infrarot-Temperatursensor eingebaut, welcher die lokale Formteiltemperatur in Echtzeit misst. In den Zonen 2, 5 und 8 wird zusätzlich der Schmelzdruck in Echtzeit gemessen. Mithilfe des Druckes und der Temperatur wird das pvT-Verhalten des Kunststoffs bestimmbar und der Schmelzprozess beherrschbar.

Zur Entwicklung der Methodik wurden zunächst eine einfache plattenförmige Geometrie und aufgrund der Schwindungseigenschaften sowie der vielfältigen Anwendung das Material Polypropylen ausgewählt. In Abb. 1, rechts ist zu erkennen, dass zwischen Heizelement und Formteil ein Abstand von mindestens 9 mm vorhanden ist, woraus eine Verzögerung zwischen Ansteuerung eines Heizelements und einer Temperaturänderung auf der Kavitätsoberfläche resultiert.

Daher wurde basierend auf einer diskretisierten eindimensionalen Wärmeleitungsgleichung ein modellprädiktiver Regelungsansatz (MPC) entwickelt, welcher die thermische Trägheit im Werkzeug von ca. drei Sekunden berücksichtigt und somit eine zeitlich präzise Ansteuerung der segmentierten Temperierung ermöglicht. Initial war die Regelungsgenauigkeit des MPC-Ansatzes, vergleichsweise gering. Um die Regelungsgüte zu verbessern, wurden für den MPC-Ansatz Modellerweiterungen und -optimierungen vorgenommen. Beispielsweise wurde durch eine Kombination von Spritzgießsimulationen und thermographischen Aufnahmen die Genauigkeit der prädizierten Temperaturen verbessert und der Einfluss benachbarter Temperierzonen berücksichtigt. Weiterhin wurden Optimierungen bei der Auswahl der Temperierszenarien durchgeführt, sodass die benötigte Heizleistung präziser bestimmt wird.

Um die Regelungsgüte des optimierten MPC-Ansatzes zu untersuchen, wurden praktische Versuchsreihen durchgeführt, in welcher Verzug mittels einer inhomogenen Sollvorgabe des spezifischen Volumens provoziert werden sollte. Neben einer Validierung der Regelungspräzision sollte so untersucht werden, wie reproduzierbar der Formteilverzug eingestellt werden kann. Das lokale spezifische Volumen und der daraus resultierende Verzug konnte mit einer relativen Genauigkeit von 2,6 % präzise und reproduzierbar über die lokale Temperaturführung geregelt werden (Abb. 2). Im Vergleich zu einem PID-Regler konnte der Regelungsfehler mithilfe des MPC-Ansatzes um den Faktor Acht reduziert werden.

 
  Verlauf der spezifischen Volumina (links) und resultierender Verzug für Soll, PID und MPC Regler (rechts) Urheberrecht: © SFB 1120 Abb. 2: Verlauf der spezifischen Volumina (links) und resultierender Verzug für Soll, PID und MPC Regler (rechts)
 
 

Die Versuchsreihe dargestellt in Abb. 2 erzeugte bewusst Bauteilverzug, um den Zusammenhang zwischen Temperaturführung, spezifischem Volumen und Verzug zu verdeutlichen. In aktuellen Arbeiten wird eine zyklusübergreifende Reduktion des Bauteilverzugs über die Temperaturführung mittels des MPC-Ansatzes angestrebt. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig ein selbstoptimierendes Regelungsmodul entwickelt, welches die lokalen spezifischen Volumina der plattenförmigen Geometrie homogenisieren soll. Neben einer kontinuierlichen Verzugsreduktion werden mithilfe diesen Ansatzes auch thermische Einschwingvorgänge im Spritzgießwerkzeug eliminiert.