Beim Spritzgießen kann die Regelung über Prozessgrößen statt Maschinengrößen die Produktivität und Qualität verbessern. Im Projekt „Duroplastregelung“ wurde dieses Konzept erstmals auf die Duroplastverarbeitung übertragen – in Zusammenarbeit mit dem IRT und dem IKV.
© IKV Beim Spritzgießen kann eine Prozessführung über die Regelung von Prozessgrößen anstatt über Maschinengrößen Produktivität und Formteilqualität erhöhen. Im Projekt Duroplastregelung wurde eine solche Regelung über Prozessgrößen, die bisher nur für Thermoplaste existierte, auch für die Duroplastverarbeitung umgesetzt. Die Entwicklung der Regelung erfolgte mit dem Institut für Regelungstechnik der RWTH Aachen und wurde in enger Zusammenarbeit am IKV implementiert und analysiert. Zunächst wurde basierend auf Spritzgießversuchen der Werkzeuginnendruckverlauf als geeignete Regelgröße zur Echtzeitregelung des Prozesses abgeleitet. Dazu wurde die Bauteilqualität über Gewicht, mechanische Eigenschaften und Oberflächenqualität bewertet und mit den Prozessgrößen korreliert.
Eine modellprädiktive Regelung (Model Predictive Control, MPC) des Werkzeuginnendruckes nach einer vorgegebenen Referenzdruckkurve wurde durch Anpassung der Schneckengeschwindigkeit über ein externes, analoges Spannungssignal am Servoumrichter der Spritzgießmaschine realisiert. Der durch den Bediener vorgegebene Referenzdruck konnte durch die Regelung der Schneckengeschwindigkeit mittels der Vorgabe der Steuerspannung präzise und ohne Überschwingen eingeregelt werden. Der Spritzgießprozess wurde dabei mit den speziellen Materialeigenschaften der Duroplaste über ein physikalisches Modell unter Berücksichtigung der Volumenströme und Reaktionskinetik beschrieben, um Prozesswissen in die Regelung miteinzubeziehen.
Durch Bestimmung der Bauteilmasse bei drei unterschiedlichen Druckniveaus konnte ohne initiales Prozesswissen ein Gaußprozessregressionsmodell (GPR) trainiert werden. Das Gaußprozessregressionsmodell identifizierte einen Zusammenhang zwischen der Werkzeuginnendruckreferenz und der gemessenen Bauteilmasse. Als Materialien wurden verschiedene Phenol- und Epoxidharze untersucht. Prozessschwankungen im Spritzgießprozess wurden über eine Variation der Maschineneinstellgrößen simuliert. Das Prozessmodell wurde durch maschinelles Lernen während der Fertigung fortlaufend verbessert. Die MPC erzielte in den Versuchen gute Ergebnisse und ist einem einfachen Proportional-Integral-Differential-Regler (PID) überlegen. Gemessen an der zyklusübergreifenden Konstanz des Werkzeuginnendruckintegrals und der Bauteilmasse wurde durch die Regelung des Werkzeuginnendruckes eine höhere Prozessstabilität erzielt.
Förderung und Projektpartner
Wir danken dem BMWK für die Förderung des IGF-Projekts (Förderkennzeichen 22193 N) und den Projektpartnern für die Zusammenarbeit.
Projektlaufzeit: 1.3.2022 bis 30.11.2024
