Arburg: Regelungstechnik beim Spritzgiessen Kunststoff-Rezyklate stabil verarbeiten

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Beim Spritzgiessen von Post-Industrial- (PIR) und Post-Consumer-Rezyklaten (PCR) sowie Biokunststoffen können Werkstoffeigenschaften und Verarbeitungsparameter erheblich schwanken. Ausgeklügelte Regelkonzepte müssen dafür sorgen, dass Formen konstant gefüllt werden.

Unterschiedliche Gremien, Bewegungen und Initiativen forcieren, geschlossene Kreislaufsysteme zu etablieren. Auch wenn sich dies aktuell noch nicht wirtschaftlich rechnet, lautet das Ziel, die Verwendung fossiler Ressourcen mittel- und langfristig deutlich zu reduzieren. In diesem Zusammenhang gewinnt die Verarbeitung von Rezyklaten zunehmend an Bedeutung. Dies ist aber aufgrund wachsender Bandbreite der Materialien, ihrer unterschiedlichen Herkunft und Aufbereitung sowie ihres inhomogenen Verarbeitungsverhaltens anspruchsvoll. Gleiches kann auch für Chargenschwankungen bei Neuware oder für ungenügend vorbereitete Granulate gelten, etwa aufgrund ungleichmässiger oder ungenügender Materialtrocknung.

Rezyklate sind chemisch betrachtet ebenso Kunststoffe wie klassische Neuware – mit dem Unterschied, dass sie bereits fertige Produkte waren, die eine Nutzungsphase hinter sich hatten und anschliessend wieder aufbereitet worden sind. Es gibt jedoch noch viele offene Fragen, ob und wie Rezyklate vergleichbar effektiv und prozesssicher wie Neuware eingesetzt werden können. Die Spritzgiessverarbeiter müssen sich neuen Herausforderungen stellen.

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Variierende Eigenschaften meistern

Aus Sicht einer Maschine wird beim Spritzgiessen mit zwei Black Boxes gearbeitet, welche massgeblich die Prozessstabilität und die Bauteilqualität beeinflussen. Denn die Maschine selbst kennt weder das Material, das in den Trichter eingefüllt wird, noch das, was zwischen den beiden Aufspannplatten passiert.

Deshalb lassen sich Prozessparameter wie Temperaturverlauf der Formmasse sowie Temperatur- und Druckverlauf im Werkzeug nur bedingt zuverlässig regeln. Der grösste Unterschied zur Verarbeitung von Rezyklaten gegenüber Neuware besteht darin, dass die Materialeigenschaften und -kennwerte wie mechanische Qualität, Farbe und Geruch innerhalb einer Lieferung oder eines Auftrags in grösseren Spannbreiten variieren können. Weil dem recycelten Granulat bei den meisten Kreislaufprozessen aktuell keine eindeutige Materialspezifikation zugeordnet werden kann, steht beim Einrichten der Maschine kein Datenblatt zur Verfügung. Das erschwert die Verarbeitung erheblich.

Jedoch gibt es beispielsweise Pilotfunktionen in den Steuerungen von Allrounder-Spritzgiessmaschinen, die schwankenden Viskositäten in der Schmelze entgegenwirken. Die Softwarefunktionen «aXw Control ReferencePilot» und «aXw Control RecyclatePilot» können Unregelmässigkeiten erfassen, zuverlässig ausgleichen und den laufenden Einspritzprozess aktiv regeln. So wird die Formfüllung möglichst konstant gehalten und trotz grösserer Variationen für eine gleichbleibende Bauteilqualität gesorgt.

Gleichbleibend aufschmelzen

Ein homogener und stabiler Aufschmelzprozess ist eine wichtige Einflussgrösse, um Gutteile produzieren zu können. Das beginnt damit, dass das Material möglichst gleichmässig in die Schnecke eingezogen wird. Dabei spielen die Form und die Qualität des Rezyklats eine wichtige Rolle. Liegt Granulat vor, lässt sich recycelter Kunststoff grundsätzlich so gut wie Neuware verarbeiten, ohne dass zusätzliche Hardware erforderlich ist. Anders sieht dies bei Flakes und Mahlgut aus. Flakes können in Abmessungen und Formen sehr uneinheitlich sein. Mahlgut wiederum – also Material aus Kunststoffteilen, die nur mit einer Angussmühle zerkleinert wurden – besteht aus unterschiedlich grossen Bruchstücken, idealerweise mit 2 bis 5 mm Korngrösse. Begleitet werden diese Körner in der Regel von feinerem bis hin zu staubförmigem Material. Um einen stabilen Aufschmelzprozess zu erhalten, muss Mahlgut entstaubt werden.

Für die Verarbeitung solcher Materialien gibt es ein nachrüstbares Rezyklat-Paket von Arburg, das Soft- und Hardware-Features zusammenfasst. Zur Software zählen unter anderem mehrstufige Anfahrparameter und die digitale Assistenzfunktion «aXw Control ScrewPilot», die für eine präzise und stabile Formfüllung sorgt. Bei der Hardware-Ausstattung ermöglicht ein modifiziertes Zylindermodul eine unterbrechungsfreie Zufuhr auch schlecht rieselnder Materialen. Eine Plastifizierschnecke mit modifizierter, tiefer geschnittener HC-Geometrie (High Compression) dient einer homogenen Aufbereitung. Dabei fungieren Nuten im Einzugsbereich als Einzugshilfe, damit das Material trotz unregelmässiger Form stabil nach vorne gefördert wird. Zudem ist die Schnecke mit Chrom-Nickel beschichtet, was Belagbildung und Verschleiss aufgrund unerwarteter Fremdkörper reduziert.

Geregelt Formen füllen

Ein von Zyklus zu Zyklus reproduzierbares Füllen der Werkzeug-Kavität bildet die Grundlage für eine gleichmäsige Bauteilqualität. Ein erfolgreiches Steuerungskonzept hierfür ist die Pilotfunktion «aXw Control ScrewPilot». Dabei wird die Schnecke so in der Geschwindigkeit geregelt, dass der Füllvorgang mehrstufig an die Anforderungen des Fliesswegs angepasst wird. Dieses Konzept lässt sich vergleichen mit dem Fahrassistenten für Pkw. Weicht die Bewegung (hier der Schnecke) durch Störeinflüsse (zum Beispiel Schwankungen der Viskosität in der Kunststoffschmelze) von der programmierten Geschwindigkeit ab, wird diese so geregelt, dass dennoch der Weg in vorgesehener Zeit erreicht wird. Das aktive Beschleunigen und Bremsen gleicht also Störeinflüsse dynamisch aus, sodass eine konstante Schmelzemenge in die Kavität gefördert wird. Vor allem bei hohen Einspritzvolumenströmen bewährt sich diese Dynamik, vor allem, um durch gezieltes und schnelles Bremsen Druckspitzen und damit Überfüllungen zu verhindern.

Nachdruck genau regeln

Die Nachdruckphase ist ebenfalls entscheidend für die Bauteilqualität. Sie wird in der Regel als quasi statischer, druckgeregelter Prozess ausgeführt, zu dem zuvor ein Maschinen-Einsteller die optimalen Parameter ermittelt hat. Sowohl kurzfristige Einflüsse in der laufenden Produktion, wie Viskositätsschwankungen in der Schmelze (hervorgerufen durch Rezyklate, Gleitmittel oder Farbzusätze), sowie langfristig auftretender Verschleiss, beispielsweise an der Rückstromsperre und anderen mechanischen Komponenten, bleiben dabei unberücksichtigt. Das kann langfristig zu Schwankungen im Werkzeuginnendruck und damit zu unregelmässiger Bauteilqualität führen.

Bereits im Jahr 1988 entwickelte Arburg deshalb eine in die Steuerung integrierte Spritzprozessregelung, welche die Nachdruckkurve über einen Drucksensor im Werkzeug in Echtzeit regelt. Diese Softwarefunktion wurde stetig weiterentwickelt zur Funktion «aXw Control ReferencePilot». Als Basis für die aktive Regelung in der Nachdruckphase, bei welcher der aktuelle Nachdruck dem Innendruck nachgeführt wird, zieht diese Funktion die Sollwert-Referenzkurve eines Gutteils heran. Als zugehörige Hardware ist ein möglichst nah beim Anguss im Werkzeug angeordneter Drucksensor erforderlich. Die Funktionsweise ist vergleichbar mit dem Autonomen Fahren. Trotz GPS und bekannter Strecke benötigt ein Fahrzeug zusätzlich aktive Sensoren, um sich sicher im Strassenverkehr bewegen zu können. Denn nur damit lassen sich zum Beispiel unvorhergesehene Unebenheiten, Baustellen oder andere Verkehrsteilnehmer erkennen.

Um Störeinflüssen schnell entgegenwirken zu können und Druckschwankungen aktiv auszugleichen, erhält die Software vom Drucksensor in Echtzeit erfasste Signale des Werkzeuginnendrucks. Dadurch lässt sich die Innendruckkurve vom aktuellen Ist- auf den gewünschten Sollwert unverzüglich regeln. Bei der Regelung mit der Funktion «ReferencePilot» werden die Druckverhältnisse im Werkzeug von Schuss zu Schuss exakt der Referenz angepasst und dabei der Ist- auf den Soll-Wert gehoben. Resultat sind ein konstantes Schussgewicht und gleichbleibend hohe Bauteilequalität, ohne dazu manuell in die Prozessparametrierung eingreifen zu müssen.

Kalibrierten Drucksensor einbauen

In der Werkzeugkavität muss genug Platz sein, um einen Drucksensor zu installieren. Das verursacht per se einen Mehraufwand. Zudem sind Know-how und Zeitaufwand erforderlich, um den Sensor bei jedem Rüstvorgang zu kalibrieren und regelmässig zu warten. Nur so ist gewährleistet, dass der Innendrucksensor voll funktionsfähig ist und vertrauenswürdige Signale liefert. Sind alle Anforderungen erfüllt, lässt sich der Spritzgiessprozess durch Zusammenspiel von Sensor und Pilotfunktion schnell und zuverlässig stabilisieren. Die Anzahl der Anfahrzyklen kann deutlich vermindert werden und es fällt weniger Ausschuss an. Resultat sind längere störungsfreie Produktionszeiten, weniger nachgeschaltete Prüfprozesse und eine gesteigerte Produktionseffizienz. Je nach Anwendungsfall kann sich die Investition in Sensorik also schnell amortisieren.

Lohnende Alternative

Eine Alternative ist die jüngst verwirklichte Funktion «aXw Control RecyclatePilot». Sie regelt den Spritzgiessprozess direkt in der Einspritz- und Formfüllphase allein auf Basis von Daten aus der Standard-Maschinensensorik. Im Vergleich zur Funktion «ReferencePilot», die Signale direkt von der Kavität empfängt, ist die Regelstrecke bei der Funktion «RecyclatePilot» länger. Dennoch verwirklicht sie einige Vorteile. Man kann auf zusätzliche Sensoren komplett verzichten. Die in die Steuerung integrierte Funktion lässt sich einfach auf Tastendruck aktivieren. Die Funktion nutzt bewährte, in den Spritzgiessmaschinen -integrierte Sensorik, die in Intervallen mehrerer Jahre kalibriert wird. Die Funktion «RecyclatePilot» gleicht kurzfristige Schwankungen von Schuss zu Schuss und auch zyklusübergreifend aus.

Der Bediener optimiert die Prozesseinstellungen zunächst wie gehabt, sodass die erforderliche Qualität des Gutteils erreicht ist. Diese Referenz wird per Steuerungsbefehl an die Pilotfunktion übergeben. Ein weiterer Befehl aktiviert die Funktion. Diese analysiert daraufhin das Einspritzverhalten, erkennt markante Punkte und Abweichungen im Spritzprozess und sorgt dafür, dass das eingespritzte Volumen und somit die Formfüllung konstant bleibt. Dazu wird in der Einspritzphase das Ereignismuster im selben Zyklus mit der eingegebenen Referenz verglichen und der Umschaltpunkt gegebenenfalls kurzfristig angepasst. Zudem ergibt sich durch die Korrektur des Dosiervolumens auch langfristig und zyklusübergreifend eine höhere Stabilität des Gesamtprozesses.

(kmu)

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