DE102011116152B4 - Arrangement with a plasticizing screw with temperature control device, injection molding machine with this arrangement and method for temperature control of the plasticizing screw - Google Patents
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Abstract
Anordnung mit einer Plastifizierschnecke (1) einer Plastifiziereinheit (2) einer Spritzgießmaschine und einer Temperiervorrichtung zum Temperieren der Plastifizierschnecke (1), wobei die Temperiervorrichtung eine Zulaufleitung (5), einen Temperierkanal (6) in der Plastifizierschnecke (1) und eine Ablaufleitung (7) aufweist, durch die ein Temperiermedium fließt, und wobei eine Heiz- und/oder Kühleinheit (4) zum Heizen und/oder Kühlen des Temperiermediums zwischen Ablaufleitung (7) und Zulaufleitung (5) angeordnet ist und die Zulaufleitung (5), den Temperierkanal (6) und die Ablaufleitung (7) zu einem geschlossenen Temperierkreislauf (3) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung
- einen Mengensensor (10) zur Messung der Durchflussmenge (D) an Temperiermedium durch den Temperierkreislauf (3),
- einen Mengenregler (11) zur Regelung der Einleitungsmenge von Temperiermedium in den Temperierkreislauf (3),
- einen Datenspeicher (12), in welchem wenigstens die gemessenen Temperaturen (Tz, TA) des Temperiermediums in der Zulaufleitung (5) bzw. in der Heiz- und/oder Kühleinheit (4) und in der Ablaufleitung (7) und die gemessene Durchflussmenge (D) als aktuelle Ist-Werte (Wakt) speicherbar sind, und
- eine Steuer- oder Regeleinheit (13), durch die in Abhängigkeit der gemessenen Ist-Werte (Wakt) und gespeicherter Soll-Werte (Wsoll) oder ausgelesener dokumentierter Ist-Werte (Wdok) vorangegangener Spritzgießzyklen durch Ausgeben von Steuersignalen (L) an die Heiz- und/oder Kühleinheit (4) und/oder an den Mengenregler (11) die Temperatur des Temperiermediums im Temperierkanal (6) der Plastifizierschnecke (1) Steuer- oder regelbar ist, aufweist.
Arrangement with a plasticizing screw (1), a plasticizing unit (2) of an injection molding machine and a temperature control device for controlling the temperature of the plasticizing screw (1), the temperature control device having an inlet line (5), a temperature control channel (6) in the plasticizing screw (1) and an outlet line (7 ) through which a temperature control medium flows, and wherein a heating and/or cooling unit (4) for heating and/or cooling the temperature control medium is arranged between the outflow line (7) and the inflow line (5) and the inflow line (5), the temperature control channel (6) and the drain line (7) to form a closed temperature control circuit (3), characterized in that the temperature control device
- a quantity sensor (10) for measuring the flow quantity (D) of temperature control medium through the temperature control circuit (3),
- a volume regulator (11) for regulating the amount of tempering medium introduced into the tempering circuit (3),
- A data memory (12) in which at least the measured temperatures (T z , T A ) of the tempering medium in the inlet line (5) or in the heating and/or cooling unit (4) and in the outlet line (7) and the measured flow rate (D) can be stored as current actual values (W akt ), and
- A control or regulating unit (13) through which, depending on the measured actual values (W act ) and stored target values (W target ) or read out documented actual values (W dok ) of previous injection molding cycles by outputting control signals (L) to the heating and/or cooling unit (4) and/or to the volume controller (11) the temperature of the temperature control medium in the temperature control channel (6) of the plasticizing screw (1) Can be controlled or regulated.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Plastifizierschnecke einer Plastifiziereinheit einer Spritzgießmaschine und einer Temperiervorrichtung zum Temperieren der Plastifizierschnecke, wobei die Temperiervorrichtung eine Zulaufleitung, einen Temperierkanal in der Plastifizierschnecke und eine Ablaufleitung aufweist, durch die ein Temperiermedium fließt. Zudem betrifft die Erfindung eine Spritzgießmaschine mit einer solchen Anordnung sowie ein Verfahren zum Temperieren einer Plastifizierschnecke einer Plastifiziereinheit einer Spritzgießmaschine durch eine Temperiervorrichtung.The invention relates to an arrangement with a plasticizing screw of a plasticizing unit of an injection molding machine and a temperature control device for controlling the temperature of the plasticizing screw, the temperature control device having an inlet line, a temperature control channel in the plasticizing screw and an outlet line through which a temperature control medium flows. In addition, the invention relates to an injection molding machine with such an arrangement and a method for controlling the temperature of a plasticizing screw of a plasticizing unit of an injection molding machine using a temperature control device.
Beim Plastifiziervorgang in einem Plastifizierzylinder wird ein Kunststoff von einer Ausgangstemperatur, üblicherweise Raumtemperatur, auf die notwendige Schmelze- oder Verarberbeitungstermperatur erwärmt. Der Temperatureintrag erfolgt sowohl über die Wärmeleitung von der Heizung des die Schnecke umgebenden Massezylinders in den Kunststoff als auch über den Antrieb der Plastifizierschnecke. Das über den Schneckenantrieb auf die Schnecke übertragene Drehmoment wird in Reibenergie (Dissipation) und damit in Wärme umgewandelt und erwärmt damit den Kunststoff im Massezylinder. Wie hoch dieser dissipative Energieanteil ist, hängt im Wesentlichen vom Kunststoff ab. Je höher die Viskosität des Kunststoffes ist, desto höher ist der Energieeintrag über Dissipation. Ist dieser Energieeintrag zu hoch, führt das zu hohen Massetemperaturen. Bei thermisch sensiblen Kunststoffen kann das zu einer Materialschädigung und damit zu Schlieren oder schlechten mechanischen Eigenschaften führen.During the plasticizing process in a plasticizing cylinder, a plastic is heated from an initial temperature, usually room temperature, to the necessary melt or processing temperature. The temperature input takes place both via the heat conduction from the heating of the mass cylinder surrounding the screw into the plastic and via the drive of the plasticizing screw. The torque transmitted to the screw via the screw drive is converted into frictional energy (dissipation) and thus into heat and thus heats the plastic in the barrel. How high this dissipative energy component is essentially depends on the plastic. The higher the viscosity of the plastic, the higher the energy input via dissipation. If this energy input is too high, this leads to high melt temperatures. In the case of thermally sensitive plastics, this can lead to material damage and thus to streaks or poor mechanical properties.
Für diese thermisch sensiblen Kunststoffen wie z.B. PVC oder PVC-C oder bei sehr schwer fließenden Kunststoffen wie z.B. PE-HD mit MVR (190°C/2,16kg) von kleiner 1g/10min werden gekühlte Schnecken eingesetzt um die Massetemperatur und damit die Temperaturbelastung des Kunststoffes zu reduzieren.For these thermally sensitive plastics such as PVC or PVC-C or for very difficult-to-flow plastics such as PE-HD with MVR (190°C/2.16kg) of less than 1g/10min, cooled screws are used to reduce the melt temperature and thus the temperature load of the plastic.
Eine verfahrenstechnisch optimale Einstellung bei kontinuierlicher Temperierung der Schnecke ist schwierig. Bei zu geringer Kühlwirkung kann die thermische Belastung nur geringfügig reduziert werden. Auch Dosierzeitschwankungen können auf Grund von zu hoher Einzugszonentemperatur auftreten. Bei zu starker Kühlwirkung steigt derIt is difficult to achieve an optimum process engineering setting with continuous temperature control of the screw. If the cooling effect is too low, the thermal load can only be reduced slightly. Dosing time fluctuations can also occur due to excessive feed zone temperatures. If the cooling effect is too strong, the
Drehmomentbedarf an, eine schlechte Schmelzequalität, Dosierzeitschwankungen und auch Bruchgefahr für die Schnecke sind die Folge.Torque requirements, poor melt quality, dosing time fluctuations and the risk of screw breakage are the consequences.
Eine wesentliche Verbesserung für die Prozessführung ist, die Kühlung oder Temperierung nicht permanent einzuschalten. Sinnvoll ist, die Temperierung oder Kühlung abhängig von der Dosierzeit einzuschalten und in der Stillstandsphase, wenn keine Dissipationsenergie zugeführt wird, die Temperierung oder Kühlung abzuschalten.A significant improvement for process management is not having to switch on the cooling or temperature control permanently. It makes sense to switch on the temperature control or cooling depending on the dosing time and to switch off the temperature control or cooling in the standstill phase when no dissipation energy is being supplied.
Eine einfache Lösung besteht darin, ein Temperiergerät über ein Ventil mit der Schneckenkühlung zu verbinden. Beim Dosieren ist die Schneckenkühlung bzw. Temperierung aktiviert, in der Stillstandsphase schaltet das Ventil in eine Bypass-Stellung und die Schnecke wird nicht temperiert.A simple solution is to connect a temperature control unit to the screw cooling system via a valve. During dosing, the screw cooling or temperature control is activated, in the standstill phase the valve switches to a bypass position and the screw is not temperature-controlled.
Wie erwähnt, wird Energie sowohl über Wärmeleitung von den Heizungen des Massezylinders als auch über Reibenergie (Dissipation) über den Dosierantrieb zugeführt. Ist der dissipative Anteil der zugeführten Energie sehr hoch, wird z.B. bei temperaturempfindlichen Kunststoffen wie PVC nicht nur geheizt sondern auch gekühlt um die Massetemperatur möglichst niedrig zu halten. Das Kühlen kann sowohl am Massezylinder als auch in der Schnecke erfolgen.As mentioned, energy is supplied both via thermal conduction from the heaters of the mass cylinder and via frictional energy (dissipation) via the dosing drive. If the dissipative portion of the supplied energy is very high, temperature-sensitive plastics such as PVC, for example, are not only heated but also cooled in order to keep the mass temperature as low as possible. Cooling can take place both at the barrel and in the screw.
Es ist bekannt, entlang des Massezylinders Temperaturfühler anzuordnen, die je Heizzone eine Temperatur messen. In der Steuerung wird eine Solltemperatur vorgegeben. Liegt die gemessene Temperatur je Zone unter der Solltemperatur, wird die Heizung über ein geeignetes Regelsystem aktiviert. Liegt die Temperatur über der Solltemperatur, wird diese Zone gekühlt.It is known to arrange temperature sensors along the mass cylinder, which measure a temperature for each heating zone. A target temperature is specified in the controller. If the temperature measured in each zone is below the target temperature, the heating is activated via a suitable control system. If the temperature is above the target temperature, this zone is cooled.
Nachteilig ist, dass die Schneckentemperatur für den Bediener weitgehend unbekannt ist. Die Schnecke ist ein thermisch kurzgeschlossenes System, d.h. es wird über Dissipation und Wärmeleitung Energie zugeführt und damit die Schnecke im vorderen Bereich der Aufschmelz- und Meteringzone erwärmt. Die Schnecke leitet gleichzeitig auch Energie vom heißen, schmelzeführenden Bereich in den kühlen Einzugsbereich und Schneckenschaft ab. Der in die Einzugszone rieselnde, kalte Kunststoff nimmt Energie auf, kühlt damit die Schnecke und wird selbst vorgewärmt.The disadvantage is that the screw temperature is largely unknown to the operator. The screw is a thermally short-circuited system, i.e. energy is supplied via dissipation and heat conduction and the screw is thus heated in the front area of the melting and metering zone. At the same time, the screw transfers energy from the hot, melt-carrying area to the cool feed area and screw shaft. The cold plastic trickling into the feed zone absorbs energy, cools the screw and is itself preheated.
In der
Die
Die
Die
Nachteilig beim gesamten Stand der Technik ist, dass zwar teilweise die genauen Temperaturen in der Schnecke eingestellt werden können, jedoch nie die gesamte Temperaturänderung in der Schnecke beobachtet werden kann. Daraus ergibt sich der Nachteil, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Regelungen ungenau sind. Zudem wird immer nur an bestimmten Stellen um bzw. in der Schnecke gemessen, sodass die Auswertung immer den wahren Temperaturverlusten bzw. Temperaturgewinnen in der gesamten Schnecke nachhinkt.A disadvantage of the prior art as a whole is that although the precise temperatures in the screw can be set in some cases, the entire temperature change in the screw can never be observed. This results in the disadvantage that the controls known from the prior art are imprecise. In addition, measurements are only ever taken at certain points around or in the snail, so that the evaluation always lags behind the true temperature losses or temperature gains in the entire snail.
Eine Anordnung mit einer Plastifizierschnecke einer Plastifiziereinheit einer Spritzgießmaschine und einer Temperiervorrichtung zum Temperieren der Plastifizierschnecke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Anordnung von Plastifizierschnecke und Temperiervorrichtung bzw. ein verbessertes Verfahren zum Temperieren einer Plastifizierschnecke anzugeben. Insbesondere soll eine einfach regelbare und überschaubare Temperiervorrichtung geschaffen werden, die möglichst den gesamten Temperiervorgang ohne äußere Einflussnahme durchführen kann. Zudem soll die Temperierung möglichst konstant durchgeführt werden können. Weiters soll möglichst sparsam mit dem Temperiermedium umgegangen werden.The object of the present invention is to specify an arrangement of plasticizing screw and temperature control device that is improved compared to the prior art, or an improved method for temperature control of a plasticizing screw. In particular, an easily controllable and manageable temperature control device is to be created that can carry out the entire temperature control process without external influence if possible. In addition, the temperature control should be able to be carried out as constantly as possible. Furthermore, the temperature control medium should be used as sparingly as possible.
Dies wird für eine Anordnung gemäß der Erfindung dadurch erreicht, dass eine Heiz- und/oder Kühleinheit zum Heizen und/oder Kühlen des Temperiermediums zwischen Ablaufleitung und Zulaufleitung angeordnet ist und die Zulaufleitung, den Temperierkanal und die Ablaufleitung zu einem geschlossenen Temperierkreislauf verbindet. Durch diesen geschlossenen Temperierkreislauf kann gegenüber dem Stand der Technik das Temperiermedium (Brauchwasser) wieder verwendet. Zudem ist eine besser überwachbare Temperierung gegeben und die Temperiervorrichtung ist nicht mehr unmittelbar von der Temperatur des zugeführten Temperiermediums (meist normales kühles Leitungswasser) abhängig, sondern kann durch die Heiz- und/oder Kühleinheit die Temperatur exakt steuern bzw. regeln.This is achieved for an arrangement according to the invention in that a heating and/or cooling unit for heating and/or cooling the tempering medium is arranged between the outlet line and the inlet line and connects the inlet line, the temperature control channel and the outlet line to form a closed temperature control circuit. Compared to the prior art, this closed temperature control circuit means that the temperature control medium (service water) can be reused. In addition, temperature control can be better monitored and the temperature control device is no longer directly dependent on the temperature of the temperature control medium supplied (usually normal cool tap water), but can precisely control or regulate the temperature using the heating and/or cooling unit.
Gemäß der Erfindung weist die Temperiervorrichtung einen Mengensensor zur Messung der Durchflussmenge an Temperiermedium durch den Temperierkreislauf auf. Der Mengensensor ist vorzugsweise in der Zulaufleitung angeordnet.According to the invention, the temperature control device has a quantity sensor for measuring the flow rate of temperature control medium through the temperature control circuit. The quantity sensor is preferably arranged in the feed line.
Um Enthalpieänderungen des mit der Plastifiziereinheit hergestellten Kunststoffs über eine möglichst lange Produktionszeit zu vermeiden bzw. konstant zu halten, ist vorgesehen, dass die Temperiervorrichtung einen Mengenregler zur Regelung der Einleitungsmenge von Temperiermedium in den Temperierkreislauf, einen Datenspeicher, in welchem wenigstens die gemessenen Temperaturen des Temperiermediums in der Zulaufleitung bzw. in der Heiz- und/oder Kühleinheit und in der Ablaufleitung und die gemessene Durchflussmenge als aktuelle Ist-Werte speicherbar sind und eine Steuer- oder Regeleinheit, durch die in Abhängigkeit der gemessenen Ist-Werte und gespeicherter Soll-Werte oder ausgelesener dokumentierter Ist-Werte vorangegangener Spritzgießzyklen durch Ausgeben von Steuersignalen an die Heiz- und/oder Kühleinheit und/oder an den Mengenregler die Temperatur des Temperiermediums im Temperierkanal der Plastifizierschnecke steuer- bzw. regelbar ist, aufweist. Durch diese Ausführung kann die Temperatur in der gesamten Schnecke genau überwacht werden und für die Temperierung kann aus vorangegangenen Spritzgießzyklen gelernt werden.In order to avoid enthalpy changes in the plastic produced with the plasticizing unit or to keep them constant over as long a production time as possible, it is provided that the temperature control device has a quantity controller for controlling the amount of temperature control medium introduced into the temperature control circuit, a data memory in which at least the measured temperatures of the temperature control medium in the inlet line or in the heating and/or cooling unit and in the outlet line and the measured flow rate can be stored as current actual values and a control or regulating unit, by which, depending on the measured actual values and stored target values or the temperature of the tempering medium in the tempering channel of the plasticizing screw can be controlled or regulated by outputting control signals to the heating and/or cooling unit and/or to the volume controller based on documented actual values that have been read out from previous injection molding cycles. With this design, the temperature in the entire screw can be precisely monitored and temperature control can be learned from previous injection molding cycles.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Temperiervorrichtung einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Temperiermediums in der Zulaufleitung oder in der Heiz- und/oder Kühleinheit aufweist. Nur wenn eine Wasserversorgung gegeben ist, die eine konstante Temperatur liefert, kann für die vorliegende Erfindung auf einen bevorzugten Zulauf-Temperatursensor verzichtet werden.According to a preferred exemplary embodiment of the present invention, it can be provided that the temperature control device has a temperature sensor for measuring the temperature of the temperature control medium in the feed line or in the heating and/or cooling unit. Only when there is a water supply that supplies a constant temperature can a preferred inlet temperature sensor be dispensed with for the present invention.
Um noch besser auf den Energieverlust bzw. -gewinn im Temperiermedium während des Durchlaufens des Temperierkanals schließen zu können, kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Temperiervorrichtung einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Temperiermediums in der Ablaufleitung aufweist.In order to be able to draw even better conclusions about the energy loss or gain in the temperature control medium as it passes through the temperature control channel, it can preferably be provided that the temperature control device has a temperature sensor for measuring the temperature of the temperature control medium in the discharge line.
Wenn man die Durchflussmenge an Temperiermedium durch den Temperierkreislauf wissen will, kann gemäß einer Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass die
Temperiervorrichtung, vorzugsweise in der Zulaufleitung, einen Strömungskonstanthalter aufweist. Dieser weist einen bestimmten Querschnitt auf, von welchem bei einem bestimmten Strömungsdruck auf die Durchflussmenge rückgeschlossen werden kann.If you want to know the flow rate of temperature control medium through the temperature control circuit, it can be provided according to a variant of the invention that the
Temperature control device, preferably in the inlet line, has a flow stabilizer. This has a specific cross-section from which the flow rate can be deduced at a specific flow pressure.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Anordnung kann vorsehen, dass in der Plastifizierschnecke, vorzugsweise im Bereich der Schneckenspitze, zumindest ein dritter Temperatursensor angeordnet ist. Dazu kann vorgesehen sein, die Schnecke vorzugsweise im kritischen Bereich (d.h. im Bereich der maximalen Temperatur an der Schneckenspitze) mit einer Temperaturmessstelle auszuführen. Die Temperaturinformation wird an die Steuerung weitergegeben und kann als Qualitätsparameter zur Prozessüberwachung oder als Regelparameter für die Schneckentemperierung verwendet werden.A preferred embodiment of the arrangement can provide that at least a third temperature sensor is arranged in the plasticizing screw, preferably in the area of the screw tip. For this purpose, it can be provided that the screw is designed with a temperature measuring point, preferably in the critical area (i.e. in the area of the maximum temperature at the screw tip). The temperature information is passed on to the controller and can be used as a quality parameter for process monitoring or as a control parameter for screw temperature control.
Die Information der Schneckentemperatur oder allgemein der gespeicherten, thermischen Energie kann ebenfalls mit dieser Ausführung gewonnen werden. Wird je Zyklus durch die Kühlbohrung der Schnecken vorzugsweise jene Menge an Kühlmedium gefördert, die dem Volumen der Bohrung in der Schnecke entspricht und gleichzeitig die Vor- und auch Rücklauftemperatur je Zeiteinheit gemessen, kann eine mittlere Schneckentemperatur abgeschätzt werden. Diese Temperaturinformation kann als Prozessparameter für eine Prozessüberwachung oder als Regelparameter verwendet werden. Eine aufwendige Messensorik in der Schnecke kann dadurch vermieden werden. Mit diesen Temperaturverläufen von Vor- und Rücklauftemperatur je Zeiteinheit und dem Volumenstrom des Kühlmediums in der Schnecke kann auch auf die Energie geschlossen werden, die je Zyklus von der Schnecke mit dem Kühlmedium abgeführt wird. Ein Ziel könnte sein, immer die gleiche Energiemenge je Zyklus abzuführen. In diesem Fall würde eine konstante abgeführte Energiemenge durch Variation der Durchflussmenge erreicht werden. Somit kann die Temperierung grundsätzlich beispielsweise über die Temperatur des Temperiermediums, über die zugeführte Wassermenge, ausgehend von der Temperatur des Temperiermediums in der Ablaufleitung, aufgrund einer Temperaturdifferenz oder über die abgeführte Wärmemenge erfolgen.The information on the screw temperature or, in general, on the stored thermal energy can also be obtained with this design. If, per cycle, the amount of cooling medium that corresponds to the volume of the bore in the screw is conveyed through the cooling bore of the screw and the flow and return temperature per unit of time are measured at the same time, an average screw temperature can be estimated. This temperature information can be used as a process parameter for process monitoring or as a control parameter. A complex measuring system in the screw can be avoided. With these temperature curves of flow and return temperature per unit of time and the volume flow of the cooling medium in the screw, the energy that is dissipated by the screw with the cooling medium per cycle can also be deduced. One goal could be to always dissipate the same amount of energy per cycle. In this case, a constant amount of energy dissipated would be achieved by varying the flow rate. Thus, the temperature control can in principle take place, for example, via the temperature of the temperature control medium, via the amount of water supplied, based on the temperature of the temperature control medium in the discharge line, due to a temperature difference or via the amount of heat removed.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorsehen, dass der Temperierkanal in der Plastifizierschnecke von einem Rohr in der Plastifizierschnecke gebildet wird, wobei dieses Rohr in einer Bohrung in der Plastifizierschnecke angeordnet ist, wobei die Länge der Bohrung zumindest 50 % der Länge der Plastifizierschnecke beträgt. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass der Temperierkanal im Wesentlichen bis zur Spitze der Plastifizierschnecke reicht. Das heißt, durch das im Temperierkanal geführte Temperiermedium wird die Temperatur jedes Bereichs der Oberfläche der Plastifizierschnecke im Wesentlichen gleichmäßig beeinflusst, da der Abstand vom Temperierkanal zur mit Plastifikat in Berührung kommenden Schneckenoberfläche über die gesamte Schneckenlänge im Wesentlichen gleichbleibend ist. Es wird also nicht nur zum Beispiel der Einfüllbereich der Schnecke temperiert, sondern es wird die gesamte Schnecke von der Einfüllzone über die Meteringzone bis zur Aufschmelzzone und zur Schneckenspitze durch das Temperiermedium im Temperierkanal temperiert.An embodiment of the invention can provide that the temperature control channel in the plasticizing screw is formed by a tube in the plasticizing screw, this tube being arranged in a bore in the plasticizing screw, the length of the bore being at least 50% of the length of the plasticizing screw. However, it is preferably provided that the temperature control channel extends essentially to the tip of the plasticizing screw. This means that the temperature of each area of the surface of the plasticizing screw is influenced essentially uniformly by the temperature control medium guided in the temperature control channel, since the distance from the temperature control channel to the screw surface coming into contact with the plasticate is essentially constant over the entire length of the screw. It is not just the filling area of the screw that is tempered, for example, but the entire screw from the filling zone via the metering zone to the melting zone and the screw tip is tempered by the tempering medium in the tempering channel.
Es soll zwar grundsätzlich nicht ausgeschlossen werden, dass eine erfindungsgemäße Anordnung für einen Extruder verwendet wird, jedoch ist bevorzugt vorgesehen, dass die Plastifiziereinheit auch als Einspritzeinheit ausgebildet ist, wobei die Plastifizierschnecke axial verschieblich in einem Plastifizierzylinder gelagert ist. Die gesamten Vorteile der zyklusabhängigen Temperaturregelung sind vor allem bei einer gemeinsamen Plastifizier- und Einspritzeinheit für eine Spritzgießmaschine sinnvoll.Although it should not be ruled out in principle that an arrangement according to the invention is used for an extruder, it is preferably provided that the plasticizing unit is also designed as an injection unit, the plasticizing screw being mounted in a plasticizing cylinder in an axially displaceable manner. The overall advantages of cycle-dependent temperature control are particularly useful with a common plasticizing and injection unit for an injection molding machine.
Mit dem erfindungsgemäßen geschlossenen Temperierkreislauf wird eine konstante Wasserversorgung erreicht, wobei besonders bevorzugt vorgesehen sein kann, dass die Temperatur des Temperiermediums durch die Heiz- und/oder Kühleinheit auf über 60°C, vorzugsweise auf über 75°C, einstellbar ist. Besonders bevorzugt kann die Wassertemperatur über 80°C liegen. Vorzugsweise ist die Kühl- bzw. Heizeinheit als eine Art „Klimagerät“ ausgeführt, welches das von der Ablaufleitung rückfliessende Temperiermedium auf eine gewünschte Temperatur - je nach Bedarf - heizt oder kühlt. Es soll aber nicht ausgeschlossen werden, dass dieses Temperiergerät als reine Heizeinheit oder als reine Kühleinheit ausgebildet ist. Dies hängt wesentlich vom positiven oder negativen Unterschied der gewünschten Temperatur von der zugeführten ab.A constant water supply is achieved with the closed temperature control circuit according to the invention, it being particularly preferred that the temperature of the temperature control medium can be adjusted to over 60° C., preferably over 75° C., by the heating and/or cooling unit. Particularly preferably, the water temperature can be above 80°C. The cooling or heating unit is preferably designed as a type of "air conditioning unit" which heats or cools the tempering medium flowing back from the discharge line to a desired temperature, as required. However, it should not be ruled out that this temperature control device is designed as a pure heating unit or as a pure cooling unit. This essentially depends on the positive or negative difference between the desired temperature and the supplied temperature.
Grundsätzlich kann die Temperiervorrichtung immer eine bestimmte Gesamtmenge an Temperiermedium aufweisen. Wenn zu wenig Medium (Wasser) im gesamten Kreislauf vorhanden ist, kann eine entsprechende Warnung ausgegeben werden. Es ist aber auch möglich, den Füllstand durch einen Bediener regelmäßig kontrollieren zu lassen. Bei zu niedrigem Stand (z. B. durch ein kleines Leck) kann Temperiermedium in den an sich geschlossenen Kreislauf nachgefüllt werden. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die gesamte Temperiervorrichtung (bzw. die Heiz- und/oder Kühleinheit) trotz der Ausbildung als geschlossener Kreislauf an eine normale Wasserversorgungsleitung angeschlossen ist und sich bei Bedarf (z. B. bei zu geringem Füllgrad) selbst mit Frischwasser versorgt.In principle, the temperature control device can always have a specific total amount of temperature control medium. If there is too little medium (water) in the entire circuit, a corresponding warning can be issued. However, it is also possible for an operator to regularly check the filling level to let. If the level is too low (e.g. due to a small leak), the temperature control medium can be refilled in the closed circuit. However, it is preferably provided that the entire temperature control device (or the heating and/or cooling unit) is connected to a normal water supply line despite being designed as a closed circuit and supplies itself with fresh water if required (e.g. if the filling level is too low). .
Schutz wird mit der vorliegenden Erfindung auch für eine Spritzgießmaschine mit einer erfindungsgemäßen Anordnung von Plastifizierschnecke und Temperiervorrichtung begehrt.With the present invention, protection is also sought for an injection molding machine with an arrangement of plasticizing screw and temperature control device according to the invention.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst.The object according to the invention is also achieved by a method having the features of claim 11.
Der Plastifiziervorgang ist ein sehr komplexer Prozess, der auch als Energiebilanz dargestellt werden kann. Zum Einen wird Energie zugeführt, wie z.B.
- • Antriebsenergie (Dissipation) und
- • Wärmeleitung über die Heizbänder am Außendurchmesser des Zylinders.
- • Drive energy (dissipation) and
- • Heat conduction via the heating bands on the outer diameter of the cylinder.
Zum Anderen wird aber auch Energie abgeführt über
- • Verlustenergie durch Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung und
- • bewusst abgeführte Energie über Kühlmäntel am Außendurchmesser des Zylinders oder der Schneckenkühlung.
- • Loss of energy through convection, thermal conduction and thermal radiation and
- • Deliberately dissipated energy via cooling jackets on the outer diameter of the cylinder or the screw cooling.
Die Restenergie, d.h. zugeführte Energie minus abgeführte Energie ist jener Anteil, der für das Erwärmen des Kunststoffes verwendet wird. Diese Energieanteile je Zyklus oder allgemein je Zeiteinheit liefern wichtige Informationen über den Gesamtprozess hinsichtlich Energieverbrauch und Prozessstabilität. Diese Energieanteile oder Energieanteil je Zeiteinheit (Leistung) werden daher dokumentiert um den Prozess analysieren, optimieren und überwachen zu können.The residual energy, i.e. the energy supplied minus the energy dissipated, is the proportion that is used to heat the plastic. These energy shares per cycle or generally per unit of time provide important information about the overall process in terms of energy consumption and process stability. These energy components or energy components per unit of time (power) are therefore documented in order to be able to analyze, optimize and monitor the process.
Durch eine geeignete Messsensorik kann auch der Energieanteil oder Leistungsanteil, der durch eine Schneckentemperierung eingeführt wird, berechnet und dokumentiert werden. Erforderlich dafür ist erfindungsgemäß
- • die Durchflussmenge eines bekannten Mediums und
- • der Temperaturunterschied zwischen Vorlauf und Rücklauf.
- • the flow rate of a known medium and
- • the temperature difference between flow and return.
Je höher die Durchflussmenge und je größer der Temperaturunterschied zwischen Vor- und Rücklauf ist, desto höher ist die je Zeiteinheit abgeführte Energiemenge. Wird die Energiemenge auf die Zykluszeit bezogen, kann dieser Parameter für die Prozessanalyse, Prozessoptimierung und Prozessüberwachung verwendet werden. Ändert sich dieser Wert kann davon ausgegangen werden, dass sich auch die Schmelzequalität und damit auch die Teilequalität ändert.The higher the flow rate and the greater the temperature difference between the flow and return, the higher the amount of energy dissipated per unit of time. If the amount of energy is related to the cycle time, this parameter can be used for process analysis, process optimization and process monitoring. If this value changes, it can be assumed that the melt quality and thus the part quality will also change.
Mit den ebenfalls messbaren Energieanteilen der Antriebsenergie und der Heizenergie kann eine Energieanalyse berechnet werden und, sofern der Verlustanteil der Plastifiziereinheit bekannt ist, auch auf die Enthalpieänderung des Kunststoffes geschlossen werden.With the likewise measurable energy components of the drive energy and the heating energy, an energy analysis can be calculated and, if the loss component of the plasticizing unit is known, the enthalpy change of the plastic can also be deduced.
Durch die Parameter Durchflussmenge und Vorlauftemperatur der Schneckentemperierung kann der Plastifizierprozess gezielt verändert werden um z.B. das erforderliche Drehmoment beim Dosieren zu reduzieren um eine zu hohe Belastung der Schnecke zu verhindern. Weiters besteht die Möglichkeit Prozessänderungen, die über längere Zeit auftreten, z.B. durch Chargenschwankungen oder Temperatur- oder Feuchtigkeitsunterschiede der Umgebung, entgegenzuwirken. Durch gezielte Änderungen der Vorlauftemperatur und / oder der Durchflussmenge kann der Prozess optimiert werden mit dem Ziel, die Enthalpieänderung des Kunststoffes über eine lange Produktionszeit möglichst konstant zu halten.The parameters flow rate and flow temperature of the screw temperature control can be used to change the plasticizing process in a targeted manner, e.g. to reduce the required torque during dosing in order to prevent the screw from being overloaded. There is also the possibility of counteracting process changes that occur over a long period of time, e.g. due to batch fluctuations or differences in temperature or humidity in the environment. The process can be optimized through targeted changes to the flow temperature and/or the flow rate with the aim of keeping the enthalpy change in the plastic as constant as possible over a long production period.
Um vor allem bei langen Spritzgießzyklen eine jeweils an den aktuellen Vorgang angepasste Temperatur in der Plastifizierschnecke zu erreichen, kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Temperatur des Temperiermediums im Temperierkanal der Plastifizierschnecke spritzgießzyklusabhängig, vorzugsweise anhand der aktuellen Schneckenposition oder des aktuellen Spritzgießzykluszeitpunkts, geregelt wird. Das heißt, der Regeleinheit werden auch Informationen zur Verfügung gestellt, die für den aktuellen Zykluszeitpunkt bzw. die aktuelle Schneckenposition spezifisch sind, wodurch eine Änderung im Temperierkreislauf durchgeführt wird.In order to achieve a temperature in the plasticizing screw that is adapted to the current process, especially in the case of long injection molding cycles, it can preferably be provided that the temperature of the temperature control medium in the temperature control channel of the plasticizing screw is regulated as a function of the injection molding cycle, preferably based on the current screw position or the current injection molding cycle time. This means that the control unit is also provided with information that is specific to the current cycle time or the current screw position, as a result of which a change in the temperature control circuit is carried out.
Um sozusagen den gesamten Lerneffekt zu verbessern, kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die gemessenen Ist-Werte Temperatur des Temperiermediums in der Zulaufleitung, Temperatur des Temperiermediums in der Ablaufleitung, Durchflussmenge und gegebenenfalls Durchflusszeit spritzgießzyklusabhängig im Datenspeicher als Ist-Werte vorangegangener Spritzgießzyklen dokumentiert werden. Das heißt, die einzelnen, jeweils gemessenen Daten werden verknüpft mit Spritzzykluszeitpunkten gespeichert, wodurch die Dokumentation zykluszeitpunktspezifisch vorliegt.In order to improve the overall learning effect, so to speak, it can preferably be provided that the measured actual values of temperature of the temperature control medium in the inlet line, temperature of the temperature control medium in the outlet line, flow rate and, if applicable, flow time are documented in the data memory as actual values of previous injection molding cycles, depending on the injection molding cycle. That is, the individual, each measured The data is stored linked to injection cycle times, which means that the documentation is available for specific cycle times.
Besonders bevorzugt kann sich daraus ergeben, dass von der Steuer- oder Regeleinheit in Abhängigkeit ausgelesener dokumentierter Ist-Werte Prozessparameter für den Temperierprozess berechnet werden, die als zeit- oder zyklusabhängige Steuersignale die Durchflussmenge des Mengenreglers, die Temperierleistung der Heiz- und/oder Kühleinheit und/oder die reine Einschaltzeit der Heiz- und/oder Kühleinheit regeln.Particularly preferably, this can result in the control or regulation unit calculating process parameters for the temperature control process as a function of documented actual values read out, which, as time- or cycle-dependent control signals, determine the flow rate of the volume controller, the temperature control output of the heating and/or cooling unit and /or regulate the switch-on time of the heating and/or cooling unit.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele im Folgenden näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 schematisch die Bestandteile einer Plastifiziereinheit und -
2 schematisch einen gesamten Temperierkreislauf.
-
1 schematically the components of a plasticizing unit and -
2 schematic of an entire temperature control circuit.
durch die Schneckenspitze hindurchführt. Dies garantiert eine gleichmäßige Beeinflussung der Schneckenoberflächentemperatur durch die Temperatur des Temperaturmediums im Temperierkanal 6.
through the screw tip. This guarantees that the screw surface temperature is evenly influenced by the temperature of the temperature medium in the
Nachdem das Temperiermedium die Heiz- und/oder Kühleinheit 4 verlassen hat, gelangt es zu einem Mengenregler 11, der die Durchflussmenge steuert. Anschließend fließt das Temperiermedium durch den Mengensensor 10, welcher die Durchflussmenge D misst, und gelangt anschließend zum Temperatursensor 8 in der Zulaufleitung 5. Anstatt des Mengenreglers 11 und des Mengensensors 10 kann prinzipiell auch ein Strömungskonstanthalter vorgesehen sein. Von der Zulaufleitung 5 gelangt das Temperiermedium schließlich in den Temperierkanal 6 in der Plastifizierschnecke 1. Während des Durchfließens der Zulaufleitung 5 werden von den Sensoren 10 und 8 jeweils die aktuellen Ist-Werte Wakt gemessen und als konkrete Werte in Grad Celsius oder in Litern in einen tabellenförmigen Datenspeicher 12 eingetragen, wobei vom Mengensensor 10 die Werte Durchflussmenge D und Durchflusszeit Dt und vom Temperatursensor 8 die Temperatur TZ in der Zulaufleitung 5 stammen. Der Temperatursensor 8 kann auch in der Kühl- und/oder Heizeinheit 4 angeordnet sein.After the tempering medium has left the heating and/or
Der Temperierkanal 6 ist in einem Rohr 15 ausgebildet, welches selbst wiederum in einer Hohlbohrung 16 in der Plastifizierschnecke 1 angeordnet ist. Im Bereich der Schneckenspitze 1a der Plastifizierschnecke 1 ist ein dritter Temperatursensor 14 vorgesehen, der über eine Signalleitung 17 mit der Übertragungseinheit 18 verbunden ist. Von dieser Übertragungseinheit 18 wird die gemessene Temperatur TZ des dritten Temperatursensors 14 ebenfalls an den Datenspeicher 12 weitergeleitet. Dieser Temperatursensor 14 muss für die vorliegende Erfindung nicht unbedingt vorgesehen sein, kann jedoch hilfreiche Prozessparameter für die gesamte Regelung liefern.The
Nachdem das Temperiermedium in der Plastifizierschnecke 1 Energie abgegeben und/oder aufgenommen hat, gelangt es über die Ablaufleitung 7 zum Temperatursensor 9, welcher die Temperatur TA in der Ablaufleitung 7 misst und einen entsprechenden Wert an den Datenspeicher 12 liefert. In weiterer Folge gelangt das Temperiermedium zum Ventil 19, welches - je nach Füllstand des Temperierkreislaufes 3 bzw. je nach gemesser Temperatur TA - das TemperiermediumAfter the temperature control medium has released and/or absorbed energy in the
in die Heiz- und/oder Kühleinheit 4 leitet oder über eine Bypass-Leitung 20 wieder in die Zulaufleitung 5 umleitet. Die Bypass-Leitung 20 kann vor allem dann benutzt werden, wenn die Temperatur TA in der Ablaufleitung 7 bereits einer in der Zulaufleitung 5 gewünschten Temperatur enstpricht.into the heating and/or
Im Datenspeicher 12 sind die aktuellen Ist-Werte Wakt jeweils zum aktuellen Zeitpunkt t0 abgelegt. Um aus diesen Informationen entsprechende Änderungen im Temperierkreislauf 3 zu bewirken, greift die Steuer- oder Regeleinheit 13 entweder auf dokumentierte Ist-Werte Wdok vorangegangener Spritzgießzyklen oder auf sonstige gespeicherte Soll-Werte Wsoll zurück. Natürlich kann auch eine Kombination dieser Werte Wdok und Wsoll für die Regelung herangezogen werden. Die Steuer- oder Regeleinheit 13 ermittelt aus den gesammelten bzw. hinterlegten Daten Steuersignale L, die entweder die Heizleistung der Heiz- und/oder Kühleinheit 4 oder den Mengendurchsatz des Mengenreglers 11 oder die reine Einschaltzeit der Heiz- und/oder Kühleinheit 4 regeln bzw. steuern. Durch die entsprechende Überwachung und Berücksichtigung sämtlicher Werte kann die Energiebilanz des gesamten Plastifiziervorganges möglichst exakt nachgebildet werden und eine konstante abgeführte Energiemenge im Bereich der Plastifizierschnecke 1 durch die Variation der Parameter Durchflussmenge im Mengenregler 11 oder Heizleistung bzw. Einschaltzeit der Heiz- und/oder Kühleinheit 4 erreicht werden.The current actual values W act are stored in the
Bezüglich der schematischen Darstellung des Datenspeichers 12 und der Steuer-oder Regeleinheit 13 sei darauf hingewiesen, dass diese in einer einzelnen Platine oder auf unterschiedlichen Rechnern angeordnet sein können. Wesentlich ist, dass eine logische Verknüpfung der einzelnen Werte Wakt und Wdok bzw. Wsoll ermöglicht wird. Durch die teilweise Strichlierung des Datenspeichers 12 ist auch dargestellt, dass die Werte Wdok von den jeweils aktuellen Ist-Werten Wakt gespeist werden und sozusagen eine zeitliche Weiterführung darstellen. Deswegen sind auch die dokumentierten Werte Wdok mit den Spritzgießzykluszeitpunkten t1 bis tn verknüpft.With regard to the schematic representation of the
Für eine exakte Berechnung der Energiebilanz kann die Temperatur hier nicht dargestellter, den Plastifizierzylinder 23 umgebender Temperierbänder 25 in die gesamte Regelung mittels entsprechender Sensoren einbezogen werden.For an exact calculation of the energy balance, the temperature of tempering
Es ist generell möglich, dass der Mengensensor 10 und der Mengenregler 11 als ein Bauteil ausgeführt sind. Als Temperiermedium kann grundsätzlich jedes Fluid verwendet werden, wobei bevorzugt Wasser eingesetzt wird.It is generally possible for the
Besonders bevorzugt kann der Temperierkreislauf 3 als eine Art Lernzyklus funktionieren, wobei gemäß dem jeweiligen Zykluszeitpunkt t beispielsweise während des Dosierens und des Kühlens insgesamt Wärme durch das Temperiermedium abgeführt werden muss, während beim Spritzvorgang bzw. beim Wärmen die Schnecke nicht zu kalt sein darf, wodurch eine Wärmezuführung über das Temperiermedium erfolgt. Für den Lernzyklus kann dabei vorgesehen sein, dass die Enthalpieänderung im entstehenden Kunststoff als zusätzlicher Parameter durch einen Bediener oder durch Sensoren mit in das Regelungssystem einfließen kann.Particularly preferably, the
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