Für Plastverarbeiter

Schneller Regler für schnelle Zyklen

Bei ungleichmäßigem Füllverhalten in einem Multikavitätenwerkzeug gilt oft der Heißkanal als Ursache. Bei Kleinteilen mit kurzer Zykluszeit häufig zu Unrecht: Der Temperaturregler kann den raschen Temperaturänderungen nicht folgen. Abhilfe schafft dann ein Regler mit Phasenanschittsteuerung, der Reaktionszeiten von nur 10ms aufweist.

Multikavitäten-Heißkanalwerkzeuge für kleine, mit kurzen Zykluszeiten produzierte Teile stellen hohe Anforderungen an die Regelgeschwindigkeit des Heißkanalreglers, insbesondere bei der Temperaturregelung der Düsen. Charakteristische Werte beim Betrieb solcher Werkzeuge sind Einspritzzeiten von 0,2 bis 0,5s. In dieser kurzen Zeitspanne muss der Regler die Heizleistung an jeder der Heißkanaldüsen an die aktuellen Erfordernisse anpassen können. Dies ist nur möglich, wenn die Zeit zwischen der Temperaturmessung und der Anpassung der Heizleistung wesentlich kürzer ist als die Einspritzzeit. Bei einer zu langsamen Regelung, also einer zu großen Totzeit der Regelstrecke, können Schwierigkeiten und Störungen beim Spritzgießen auftreten. Beispiele dafür sind unvollständig gefüllte Kavitäten (bei zu geringer Temperatur von Düse und Schmelze) oder überspritzte Formteile (bei zu hoher Temperatur).

32fach-Heißkanalsystem für dekorative Verpackungsteile . . .

Derartige Probleme traten bei einem 32fach-Werkzeug zum Spritzgießen von dekorativen Verpackungsteilen (Bild 1) mit einem Gewicht von je 3,0g auf. Der Auslegung des Werkzeugs liegt eine Zykluszeit von 13,5s, eine Einspritzzeit von 2,0s bei einem maximalen Einspritzdruck von 70 bar und eine Kühlzeit von 5,5s zu Grunde. Nach Herstellerangaben soll das für die Verschlüsse verwendete Polypropylen mit einer Schmelzetemperatur von 260 bis 280°C verarbeitet werden. Das Werkzeug ist mit einem natürlich balancierten Heißkanalsystem ausgestattet. Der Außendurchmesser der 40mm langen Minidüsen beträgt weniger als 10mm. Sie ergeben einen sehr kleinen, in einer Kalotte versenkten, kaum sichtbaren Anguss und ermöglichen einen Nestabstand von ca. 30mm. Dies erlaubt einen platzsparenden Werkzeugaufbau. Das zur Düsenheizung verwendete 230-V-Heizband ist nur 0,8mm dick und erreicht eine Leistung von 200W. Die Entscheidung für eine mit Netzspannung betriebene Heißkanalheizung fiel, weil dann kein Transformator erforderlich ist. Außerdem lassen sich flexible Anschlusskabel mit relativ geringem Querschnitt einsetzten, die sich auch bei gedrängter Bauweise von Werkzeug und Heißkanal gut unterbringen lassen. Das Heißkanalsystem besitzt einschließlich der 13 Heizzonen für den Verteiler insgesamt 45 Regelzonen. Für den Betrieb des Werkzeugs war ein vorhandener Regler mit einer Impulspaketsteuerung vorgesehen.
Nach dem Anfahren des auf Betriebstemperatur vorgeheizten Werkzeugs arbeiteten nur etwa 15 Kavitäten einwandfrei, die übrigen waren nur teilweise gefüllt. Zudem konnten bei den Teilfüllungen die Auswerfer nicht wie vorgesehen ansetzen, so dass diese Teile oft manuell entnommen werden mussten - zur Minderproduktion kamen zusätzliche Personalkosten. Dieser unbefriedigende Zustand änderte sich auch bei einem längeren Werkzeugbetrieb nicht.

. . . benötigt schnellen, selbstadaptiven PID²-Regler

In dieser Situation hat der Produktionsleiter in der Spritzgießfertigung um den Besuch eines Servicetechnikers der Gammaflux Europe GmbH, Wiesbaden, und die probeweise Installation eines TTCReglers gebeten. Heißkanalregler dieses Herstellers arbeiten mit einer Phasenanschnittsteuerung (Erläuterung siehe Kasten). Sie haben sich in einer anderen Fertigungsstätte des Spritzgießbetriebs bereits bewährt. Der für die Erprobung verwendete Regler vom Typ TTC 2100
(Bild 2) wurde wie in solchen Fällen üblich mit einem Adapterkabel angeschlossen. Mit der Anfahrfunktion des Reglers wurde das Heißkanalsystem zunächst schonend ausgetrocknet und dann auf die Betriebstemperatur von 260°C hochgeheizt. Beim Anfahren führt der TTC-Regler eine Selbstadaption durch. Dabei ermittelt er für jede Heizzone aus der zugeführten Heizleistung und der Aufheizgeschwindigkeit die für eine optimale Regelung im Regelalgorithmus erforderlichen Koeffizienten. Diese Selbstadaption ist bei Reglern für größere Heißkanalsysteme üblich.
Gammaflux hat in Zusammenarbeit mit einem namhaften Hersteller von Heißkanalsystemen diese Funktion so weiterentwickelt, dass sie auch bei Kleinstdüsen zuverlässig und ohne manuelle Eingriffe anwendbar ist. Entscheidend dafür ist eine Erweiterung der Regelalgorithmen, mit deren Hilfe sich auch bei kleinen, schnell reagierenden und daher schwieriger zu regelnden Düsen die vier Regelkoeffizienten für jede der Heizzonen bestimmen lassen - vollautomatisch und ohne Anpassungen durch einen Servicetechniker des Reglerherstellers.
Nachdem das Heißkanalsystem seine Betriebstemperatur erreicht hatte, wurde das Werkzeug wie üblich angefahren. Bereits beim ersten Schuss mit noch etwas verringertem Schussvolumen zeigte sich, dass alle Düsen einwandfrei arbeiten und die Kavitäten gleichmäßig gefüllt sind. Ab dem nächsten, mit vollem Schussvolumen durchgeführten Schuss lieferte das Werkzeug Gutteile aus allen Kavitäten. Auch im anschließenden Probebetrieb traten keine Störungen auf. "Nach diesem Ergebnis haben wir den TTC-Regler fest in die Fertigung übernommen", erläutert der Produktionsleiter und fährt fort: "Seit mehr als 10 Monaten läuft die Produktion der Verschlussteile und ähnlicher Artikel aus drei anderen Multikavitätenwerkzeugen problemlos. Inzwischen haben wir weitere TTC-Regler beschafft und konnten damit bei weiteren Werkzeugen die Produktivität steigern."

Die Besonderheiten der TTC-Regler . . .

Ursache für die guten Ergebnisse bei der Anwendung des TTCReglers sind - neben der bereits erwähnten Selbstoptimierung - drei besondere Leistungsmerkmale [1]:

• Der von Gammaflux entwickelte PID²-Regelalgorithmus wertet für die Regelung vier Werte aus. Dies sind die Ist-Temperatur, ihre Abweichung vom Sollwert, die Änderung sowie die Änderungsgeschwindigkeit der Ist-Temperatur.
  
  
• Alle TTC-Regler arbeiten im Leistungsteil mit einer Phasenanschnittsteuerung. Dabei gibt der Leistungssteller (Triac) in jedem Regelkreis während einer Wechselstrom-Halbwelle den Stromfluss nur so lange frei, bis die aktuell erforderliche Heizleistung erreicht ist. Dies ergibt eine besonders schnelle Regelung mit einer Ansprechzeit von nur 10ms.
  
  
• Um diese kurzen Reaktionszeiten tatsächlich nutzen zu können, ist bei den TTC-Reglern jede Heizzone mit einem eigenen Mikroprozessor für die Regelung bestückt.

Im Fall der dekorativen Verpackungsteile ist die kurze Ansprechzeit der Heißkanalregelung von entscheidender Bedeutung. Theoretische Überlegungen und Messungen zeigen, dass beim schnellen Einspritzen Schererwärmungen der Schmelze um bis zu 40K auftreten können. Dieser Temperaturanstieg lässt sich zwar regeltechnisch nicht verhindern, der Regler muss ihn aber schnell erfassen und sofort die Heizleistung auf Null reduzieren können.

. . . und ihre Ausstattung

Alle Regler der TTC-Baureihe sind mit einem grafischen Touch Screen als Bedieneinheit ausgestattet und lassen sich durch den modularen Aufbau anforderungsgerecht konfigurieren. Die als Grundmodul verwendeten Regelkarten sind wahlweise für eine Heizzone mit 30A Maximalstrom, für zwei Zonen bis je 15A oder für vier Zonen bis je 3A ausgelegt. Dabei ist jede Regelzone autark, besitzt also ihren eigenen Prozessor und ihr eigenes Leistungsteil. Die Regler enthalten alle üblichen Standardfunktionen wie Standby zur Temperaturabsenkung bei Unterbrechungen oder Boost zur vorübergehenden Temperaturanhebung beim Anfahren.
Mit der bewährten Software "Mold Doctor" [2] lassen sich - zusammen mit dem Fachwissen der Mitarbeiter aus Werkzeugbau und Produktion - Fehler in Werkzeug und Heißkanal auffinden, eingrenzen und vor der Inbetriebnahme des Werkzeugs beheben.

Die mit dem TTC-Regler erreichten Verbesserungen der Temperaturführung im Heißkanalsystem hat Gammaflux in mehreren Fällen untersucht. Die dabei ermittelten Ergebnisse zeigen die auch im Fall der dekorativen Verpackungsteile maßgebenden Gründe für den störungsfreien Werkzeugbetrieb: Bei der Regelung der Heißkanaltemperatur mit einem Maschinenregler zeigt die Messung des tatsächlichen Temperaturverlaufs an der Heißkanaldüse
(Bild 3) einerseits eine erhebliche Abweichung zwischen dem am Regler eingestellten Wert (320°C) und dem Temperatur-Mittelwert (345°C); anderseits gibt es keinen erkennbaren Zusammenhang zwischen dem Zyklusablauf und dem Verlauf der Isttemperatur in einer Bandbreite von 9K. Wird beim selben Werkzeug der Heißkanal mit einem TTC-Regler betrieben, lässt sich die Heißkanaltemperatur auf nominal und tatsächlich 315°C absenken, diese Temperatur ist auf ±1,5K konstant, und der Temperaturverlauf korrespondiert mit dem Zyklusverlauf, wie am Temperaturanstieg beim Einspritzen klar zu sehen ist.
Ähnliche Ergebnisse gibt der Vergleich eines Heißkanalreglers mit Impulspaketsteuerung und dem TTC-Regler (Bild 4). In diesem Fall lässt sich - bei fast unverändertem Temperatur-Mittelwert - die Schwankungsbreite von 7 auf 1,5K verringern.

Literatur 1. Bertschi, R.; Kippes, B.: Alle Temperaturen überwachen. K-Zeitung 18 (19. Sept. 2002), S. 42 - 43 2.

Bertschi, R.; Kippes, B.: Heißkanalregler analysiert Werkzeugzustand. Kunststoffe 87 (1997) 10, S. 1324 - 1327

Die Autoren dieses Beitrags Benno Kippes, geb. 1959, ist verantwortlich für Vertrieb und Marketing der Gammaflux Europe GmbH, Wiesbaden-Erbenheim.
Peter Reichel, geb. 1963, ist Gebietsleiter im Vertrieb der Gammaflux Europe GmbH, Wiesbaden-Erbenheim.