Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Hohlkörperbauteilen anhand eines Spritzgießverfahrens mit Fluidinjektion.

Spritzgießverfahren sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Sie umfassen das Plastifizieren eines thermoplastischen Kunststoffs in einer Plastifizierschnecke und das Einspritzen der plastifizierten Kunststoffmasse in eine Gussform. Das gegossene Bauteil wird dann in der Gussform abgekühlt und entformt. Die Gussform wird auch als Formwerkzeug oder Kavität bezeichnet und kann beispielsweise aus zwei Formteilen bestehen, die vor dem Einspritzvorgang geschlossen werden.

Zur Herstellung von sog. Hohlkörperbauteilen umfassend eine Wand und einen hohlen Kern, wie z.B. Rohre, kann im Rahmen eines Spritzgießverfahrens eine sog. Fluidinjektionstechnik zum Einsatz kommen. Dabei wird ein Fluid in die gefüllte Gussform eingepresst, um eine noch plastische Seele aus dem Inneren des ins Formwerkzeug gegossenen, aber noch nicht vollständig abgekühlten Bauteils hinauszudrücken. Im Rahmen der Fluidinjektionstechnik kann je nach Art des Fluids zwischen GIT (Gas Injection Technology) und WIT (Water Injection Technology) unterschieden werden. Bei GIT wird ein in den meisten Fällen inertes Gas (z.B. Stickstoff) auf ca. 300-350 bar verdichtet und in einem Druckgasreservoir gespeichert. Das unter Druck stehende Gas wird über direkt am Spritzgusswerkzeug montierte Injektoren in die Baukavität gepresst. Die Gaseinspritzung wird anhand von Regelventilen hinsichtlich ihres Druck/Zeit-Profils geregelt, woraus sich der Volumenstrom ableitet. Bei WIT wird in den meisten Anwendungsfällen der benötigte Volumenstrom eingestellt und über eine Pumpe geregelt. Auch eine druckbasierte Regelung ist bei der WIT aber möglich. Das unter Druck stehende Wasser dringt auch hier über direkt am Spritzgusswerkzeug montierte Injektoren in die Baukavität. Als Prozessvarianten stehen z.B. ein sog. Aufblasverfahren, ein Verfahren mit Nebenkavität, ein Verfahren mit Masserückdrücken, Sonderverfahren mit Projektil sowie eine Mehrkomponenten-Coinjektion zur Verfügung.

Allgemein kann es in Spritzgießverfahren zu einer vom Referenzmuster abweichenden Einspritzleistung der plastifizierten Kunststoffmasse kommen. Derartige Schwankungen im Prozess können durch Materialschwankungen oder anderen Umwelteinflüssen (wie z.B. Feuchtigkeit, Temperatur) herbeigeführt werden, was wiederum zu Viskositätsschwankungen des plastifizierten Materials und daher zu Schwankungen der Druckkurve beim Einspritzvorgang führen kann. Das Resultat sind Schwankungen in der Form und Qualität des Bauteils. Besonders problematisch sind derartige Schwankungen, wenn die Fluidinjektionstechnik (GIT oder WIT) eingesetzt wird, da sich die Bauteilrestwandschichtdicke unterschiedlich stark ausbildet bzw. das injizierte Fluid unterschiedlich viel nicht erstarrtes Kernmaterial (plastische Seele) aus dem Bauteil drückt. So kann es zu einer großen Abweichung der Restwandstärke im Vergleich zum Referenzbauteil kommen. Hierunter leiden die physikalischen Eigenschaften von Bauteilen welche mit der Fluidinjektion hergestellt werden können. Beispielsweise kann bei Strukturbauteilen in Form von geschlossenen Rohrgeometrien, wie etwa Zweiradrahmen, die Torsionssteifigkeit stark leiden.

Für die Einspritzung der plastifizierten Masse im Rahmen von Spritzgießverfahren schlägt die DE 10 2011 116 868 A1 ein Verfahren vor, um Prozessschwankungen auszugleichen. Dabei werden Schwankungen z.B. des zeitlichen Druckprofils oder Volumenstromprofils beim Einspritzvorgang gemessen und das Einspritzprofil der plastifizierten Masse wird aktiv angepasst, sodass die Einspritzarbeit möglichst konstant gehalten werden kann.

Für GIT- und WIT-Verfahren ist es aus der DE 10 2006 048 788 A1 bekannt, das Fluidinjektionsprofil für GIT- und WIT-Verfahren in Rückkopplung auf tatsächlich gemessene Druck-, Durchfluss- oder Strömungsverhältnisse für die Fluidinjektion anzupassen.

Ausgangspunkt der Erfindung ist davon ausgehend der Gedanke, dass sich auch eine Anpassung des Fluidinjektionsprofil für GIT- und WIT-Verfahren bei Prozessschwankungen im Spritzgießverfahren günstig auf die Bauteilqualität auswirken kann. Aufgabe der Erfindung ist es, hierfür eine Lösung bereitzustellen.

Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörperbauteilen mit einer Wand und einem hohlen Inneren, das Verfahren umfassend ein Spritzgießverfahren mit Fluidinjektion, wobei eine plastifizierte und fließfähige thermoplastische Kunststoffmasse in eine Gussform eingespritzt und dort zum Erstarren gebracht wird, um ein Bauteil zu bilden, dass dann aus der Gussform entformt wird, wobei zu einem Zeitpunkt, zu dem die thermoplastische Kunststoffmasse zumindest im Inneren des erstarrenden Bauteils noch fließfähig ist, ein Fluid in die mit der Kunststoffmasse gefüllte Gussform injiziert wird, um diese fließfähigen Anteile der thermoplastischen Kunststoffmasse aus dem Inneren des erstarrenden Bauteils hinauszudrücken und das Hohlkörperbauteil zu bilden, und wobei es sich bei dem Fluid um eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, oder ein Gas, insbesondere Luft oder Stickstoff handelt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens ein Parameter, der mit der Viskosität der plastifizierten Masse beim Einspritzen oder mit deren Erstarrungsverhalten in der Gussform im Zusammenhang steht, direkt gemessen oder aus einem oder mehreren direkt gemessenen Werten abgeleitet wird, und unter Rückgriff auf diesen Parameter das zeitlichen Volumenstromprofil einer Flüssigkeitsinjektion oder das zeitliche Druck- oder Volumenstromprofil einer Gasinjektion geregelt werden. Die Erfindung schlägt also eine aktive Regelung der Fluidinjektion unter Rückgriff auf Messwerte zum Einspritzprofil der plastifizierten Masse vor, im Gegensatz zu einer starren Steuerung des zeitlichen Druckprofils (GIT) oder des zeitlichen Druck- oder Volumenstromprofils (WIT) ohne Rücksichtnahme auf Prozessschwankungen im Spritzguss. Die aktive Regelung kann eine Anpassung des Sollwertes oder Sollwertverlaufs für diese Profile umfassen.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung von Hohlkörperbauteilen mit einer Wand und einem hohlen Inneren, die Vorrichtung umfassend eine Spritzgießeinrichtung umfassend eine Plastifizierschnecke und eine Gussform und ausgebildet zum Plastifizieren eines thermoplastischen Kunststoffes und Einspritzen der resultierenden fließfähigen Kunststoffmasse in die Gussform, eine Sensorik zur Messung wenigstens eines Parameters betreffend das Einspritzen der plastifizierten Masse, eine Fluidinjektionsmaschine zur Injektion eines Fluids in die Gussform, und eine Steuereinheit, die mit der Sensorik und der Fluidinjektionsmaschine signalverbunden ist. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit ausgebildet ist, ein wie oben dargestelltes Verfahren durchzuführen, also unter Rückgriff auf den Messwert der Sensorik, also auf den Messwert des wenigstens einen Parameters betreffend das Einspritzen der plastifizierten Masse, das zeitlichen Druck- oder Volumenstromprofil einer Flüssigkeitsinjektion oder das zeitliche Druckprofil einer Gasinjektion an der Fluidinjektionsmaschine zu regeln.

Die Spritzgießeinrichtung und die Fluidinjektionsmaschine können jeweils eigene Steuereinheiten umfassen, welche über eine Schnittstelle verbunden sind und gemeinsam oder einzeln die beschriebene Funktion der Steuereinheit der erfindungsgemäßen Gesamtvorrichtung übernehmen. Die Steuereinheit kann auch ganz oder teilweise durch ein anhand einer Schnittstelle verbundenes externes Gerät gebildet sein. Geeignete Schnittstellen umfassen beispielsweise Euromap 62, eine Busschnittstelle, Ethernet oder Wireless. Zur Nachrüstung bestehender Vorrichtungen kann entweder eine Software zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die bestehende Steuereinheit einer gattungsgemäßen Vorrichtung aufgespielt oder eine Steuereinheit umfassend eine solche Software nachgerüstet werden.

Die Fluidinjektionsmaschine umfasst zur Regelung der Fluideinspritzung generell pneumatische oder hydraulische Regelelemente. Sie kann beispielsweise zur Injektion eines Gases im Rahmen eines GIT-Verfahrens ausgebildet sein und ein Druckgasreservoir, wenigstens ein Regelventil und wenigstens einen am Spritzgusswerkzeug angeordneten Injektor umfassen. Alternativ kann sie zur Injektion einer Flüssigkeit im Rahmen eines WIT- Verfahrens ausgebildet sein und eine Pumpe sowie wenigstens einen am Spritzgusswerkzeug angeordneten Injektor umfassen.

Bei dem wenigstens einen Parameter kann es sich direkt um die Viskosität der plastifizierten Masse handeln, die direkt gemessen oder aus anderen direkt gemessenen Werten bestimmt wird. Im Rahmen dieser Ausführungsform können also Daten zu Viskositätsschwankungen, welche oft durch andere Einflussgrößen verursacht werden, dazu verwendet werden, das Injektionsprofil des Fluids aktiv zu verändern.

Der Parameter kann ein Maschinenparameter betreffend den Einspritzvorgang der thermoplastischen Kunststoffmasse in die Gussform sein, der mit der Viskositäti der plastifizierten Masse beim Einspritzen im Zusammenhang steht. Beispiele umfassen einen momentanen Spritzdruck, einen momentanen Fluidvolumenstrom oder eine momentane Geschwindigkeit des Fluidstroms beim Einspritzen der thermoplastischen Kunststoffmasse in die Gussform, einen zeitlichen Verlauf eines dieser Werte oder ein Integral über diesen Verlauf. Weitere Beispiele umfassen einen Staudruck im Plastifizierschneckenvorraum.

Der Parameter kann ein Parameter betreffend die thermoplastische Kunststoffmasse selbst sein, der mit der Viskositäti der plastifizierten Masse beim Einspritzen im Zusammenhang steht. Beispiele umfassen die Temperatur der thermoplastischen Kunststoffmasse.

Der Parameter kann ferner Vorrichtungsteile zum Einspritzen der thermoplastischen Kunststoffmasse in die Gussform betreffen. Beispiele umfassen das Drehmoment einer Plastifizierschnecke, die Temperatur eines Massezylinders oder eines Abschnitts des Massezylinders der Spritzgießmaschine, oder eine Position oder einen Weg einer Plastifizierschnecke. Auch diese Parameter stehen im Zusammenhang mit der Viskosität der plastifizierten Masse beim Einspritzen. Der Parameter kann ferner das Erstarrungsverhalten der Masse in der Gussform betreffen. Beispiele umfassen die Temperatur der Gussform oder eines assoziierten Heißkanals, oder ein Innendruck der Gussform. Weiterhin kann der Parameter am gegossenen Bauteil selbst gemessen werden. Beispiele umfassen eine z.B. mit Ultraschall gemessene Wandstärke des entformten oder noch in der Gussform befindlichen Bauteils.

Bevorzugt werden als Parameter das zeitlicher Druckprofil, das zeitliche Temperaturprofil oder das zeitliche Volumenstromprofil beim Einspritzvorgang herangezogen.

In einer Ausführungsform erfolgt die Regelung nicht während der Herstellung des aktuellen Hohlkörperbauteils, sondern Parameter werden im Rahmen der Herstellung eines Hohlkörperbauteils ermittelt und die zeitlichen Druck- bzw. Volumenstromprofile bei der Fluideinspritzung dann für die Herstellung eines nachfolgenden, beispielsweise des direkt nachfolgenden Hohlkörperbauteils ermittelt.

Die Regelung kann eine künstliche Intelligenz aufweisen und hinsichtlich der Erkennung eines Zusammenhangs zwischen dem Parameter der Masseeinspritzung und dem Einspritzprofil des Fluids und/oder hinsichtlich der Optimierung des Einspritzprofils des Fluids in Reaktion auf den Parameter selbstlernend ausgeführt sein.

Um eine größere Datenmenge bei der Optimierung der Regelung zur Verfügung zu haben, kann ein Austausch von Prozessdaten mit einer Cloud erfolgen.

In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, unter Rückgriff auf den Parameter, die der Bestimmung des Parameters zugrundeliegenden Werte, oder anderer gemessener Werte verschleißbedingte oder andere Veränderungen an einer Fluidinjektionsmaschine zur Förderung der fließfähigen thermoplastischen Kunststoffmasse festzustellen. Ferner kann vorgesehen sein, in Reaktion auf die Feststellung einer derartigen Veränderung ein Signal an den Benutzer auszugeben oder direkt eine Ersatzteilbestellung auszulösen.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, unter Rückgriff auf den Parameter zusätzlich die Injektion der thermoplastischen Kunststoffmasse in die Gussform anzupassen. Geeignete Maßnahmen umfassen dabei Änderungen von Zylindertemperaturen, eine aktive Regelung der Materialviskosität, eine Anpassung von Nachdruckzeit und Nachdruckhöhe, eine Regelung des Staudrucks, eine Regelung des Umschaltzeitpunkts, eine Dosierleistung sowie eine Schneckendrehzahl.

Bei dem Hohlkörperbauteil kann es sich um einen Zweiradrahmen mit wenigstens einem rohrförmigen Rahmenbestandteil oder einen Teil davon handeln. Bei dem Zweiradrahmen kann es sich um einen Rahmen eines Fahrrads mit oder ohne Elektromotorunterstützung, beispielsweise eines Stadtfahrrads, eines Sportrads wie eines Rennrads oder eines Mountainbikes, oder eines Kinderfahrrads handeln. In einer anderen Ausführungsform kann es sich auch um den Rahmen eines Mofas, eines Mopeds oder eines Motorrads handeln. Gängige Fahrradrahmen, die auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden können, umfassen ein Steuerrohr, ein Unterrohr, ein Sitzrohr, zwei Kettenstreben und zwei Sitzstreben.

Ferner kann es sich bei dem Hohlkörperbauteil um ein Bauteil aus dem Automotive- Bereich handeln. Beispiele umfassen Front-Ends, Instrumententafelträger und Sitzstrukturen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergehen sich aus dem nachfolgend anhand der Figuren diskutierten Ausführungsbeispiel. Die Figuren basieren auf den Figuren der DE 10 2006 048 788 A1 und zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung von Teilen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vor dem Einfüllen der Kunststoffmasse in die Gussform,

Fig. 2 die Vorrichtung der Fig. 1 nach dem Einfüllen der Kunststoffmasse in die Gussform, und

Fig. 3 die Vorrichtung der Fig. 1 nach dem Injizieren des Fluids zum Verdrängen der plastischen Seele aus dem Bauteil.

Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung umfasst eine Gussform 1 , eine Fluidinjektionsmaschine 2 und einen Einlass 3 an der Spritzgießform, welcher mit einer Spritzgießmaschine 4 verbunden ist. Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens spritzt die Spritzgießmaschine 4 eine thermoplastische Kunststoffmasse über den Einlass 3 in die Kavität 5 der Gussform 1 ein. Die Fluidinjektionsmaschine 2 injiziert über den an der gegenüberliegenden Seite der Gussform 1 angeordneten Injektor 2 das Fluid zur Ausformung eines Hohlraums im aushärtenden Bauteil. Die dargestellte Beispielvorrichtung ist einerseits als Masserückdrückvorrichtung und andererseits zur WIT ausgebildet. Das Fluid, in diesem Fall Wasser, wird über eine Pumpe 6, welche durch einen Motor 7 angetrieben ist, gefördert.

An dem Kanal 13 der Spritzgießmaschine 4 sind ein Drucksensor 14 und ein Temperatursensor 11 angeordnet, um den Druck und die Temperatur der Kunststoffmasse zu messen.

Die Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen die Vorrichtung zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Zyklus zur Herstellung eines Kunststoff-Hohlkörperbauteils 15. Zu Beginn des Zyklus gemäß Fig. 1 ist der Innenraum 5 der Gussform 1 leer. Anschließend wird in die Spritzgießform über die Spritzgießmaschine 4, den Kanal 13 und den Einlass 3 Kunststoffschmelze injiziert. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei wird über den Drucksensor 14 und der Temperatursensor 11 das Druck- und Temperaturprofil der injizierten Kunststoffschmelze gemessen. Sobald der Innenraum 5 der Gussform 1 entsprechend den Vorgaben mit der Kunststoffmasse ausgefüllt ist, wird über den Injektor 2 das Fluid in die Kunststoffmasse hineingedrückt. Dabei breitet sich das Fluid im Innenraum 5 der Gussform 1 aus und verdrängt die Kunststoffmasse teilweise. Das verdrängte Volumen der Kunststoffmasse wird in die Spritzgießmaschine 4 zurückgedrückt. Die übrige Kunststoffmasse in der Spritzgießform 1 verbleibt an der Wand des Innenraums 5 und bildet das hohle Bauteil.

Bekanntermaßen beeinflussen bei einer gegebenen Beschaffenheit der Kunststoffmasse der Druck und das Volumen des Fluids die Ausformung des Hohlraums. Die Größe des Hohlraums und die Wandstärke des Bauteils hängen also bei einer gegebenen Beschaffenheit der Kunststoffmasse vom Einspritzprofil und Volumen des in die Gussform 1 eingeleiteten Fluids ab. Gibt es aber Abweichungen in der Beschaffenheit der Kunststoffmasse, also etwa in deren Temperatur, Viskosität oder Füllvolumen, ist dieser Zusammenhang nicht mehr genau bestimmt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zum Ausgleich derartiger Schwankungen das zeitlichen Volumenstromprofil der Wasserinjektion am Injektor 2 unter Rückgriff auf das an den Sensoren 11 und 14 ermittelte zeitliche Druckprofil und zeitliche Temperaturprofil angepasst wird. Hierfür sieht die Erfindung eine in der Figur nicht dargestellte Steuerelektronik vor, die mit den Sensoren 11 und 14 einerseits sowie mit dem Motor 7 andererseits signalverbunden ist, und in der eine entsprechende Steuersoftware hinterlegt ist. Die Steuereinheit steht über eine geeignete Schnittstelle mit einer Cloud in Verbindung, um einen Datenaustausch zu ermöglichen und die Schwankungen so präziser ausgleichen zu können. Zu diesem Zweck umfasst die Software auch eine künstliche Intelligenz.