Messsystem für Einspritzdruck und Düsenanlagekraft

Elektrische und hybride Kunststoffspritzgießmaschinen erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, denn sie benötigen 30 bis 70 % weniger Energie und arbeiten schneller, präziser sowie wiederholgenauer als rein hydraulische Maschinen. Um diese Vorteile zu nutzen, muss der Einspritzdruck – die wichtigste Prozessgröße im Kunststoffspritzguss – hochgenau geregelt und regelmäßig kontrolliert werden. Denn ist er zu niedrig, wird die Form nicht vollständig befüllt oder es ergeben sich Schwachstellen im Material. Ist er zu hoch, kommt es zu Überspritzen und damit zu Ausschuss.

Eine weitere kritische Größe ist neben dem Einspritzdruck die Düsenanlagekraft, also die Kraft mit der die Düse an das Werkzeug gedrückt wird. Ist die Düsenanlagekraft zu hoch, kann sie die Düse zerstören. Ist sie zu niedrig, kann es zu Undichtigkeiten kommen und Material austreten. Zur Sicherung einer gleichmäßigen Qualität und Prozesssicherheit ist – auch im Rahmen der Qualitätssicherung gemäß ISO9001 – eine regelmäßige Kontrolle und Justierung von Einspritzdruck und Düsenanlagekraft erforderlich.

Bei allen gängigen Messverfahren wird der Einspritzdruck im Betrieb indirekt gemessen und muss über eine entsprechende Umrechnung in der Steuerung ermittelt werden. Die dazu verwendeten Kraftsensoren wie Membranlastdosen bei elektrischem beziehungsweise Drucksensoren bei hydraulischem Antrieb der Spritzeinheit müssen dabei regelmäßig mit dem tatsächlichen Einspritzdruck verglichen und gegebenenfalls durch entsprechende Steuerungsparameter korrigiert werden. Die dafür bisher eingesetzten Messsysteme sind groß und unhandlich. Für ihre Installation sind zwei Personen sowie mechanische Eingriffe in der Maschine erforderlich. Montage, Messung und Demontage nehmen bis zu acht Stunden in Anspruch. Da jeder Werkzeugwechsel eine erneute Messung erfordert, geht hierfür und für jede weiter zusätzliche Messung wertvolle Zeit verloren.

Um dies zu vermeiden, entwickelte Gefran in enger Zusammenarbeit mit Herstellern von Kunststoffspritzgießmaschinen ein System aus kompakten Sensoren, Magnetadaptern und einem Anzeigegerät für die direkte Messung von Düsendruck (IN Sensor) und Düsenanlagekraft (DAK Sensor). Die Sensoren werden je nach Bedarf einzeln oder miteinander verschraubt über einen Magnetadapter zwischen Spritzgießwerkzeug und Einspritzdüse montiert und über mitgelieferte Kabel an das Anzeigegerät angeschlossen. Einbau, Messung und Ausbau dauern nur noch maximal eine Stunde und können von problemlos von einer Person bewerkstelligt werden.

Der IN Sensor für die professionelle Messung des Düsendrucks bis 4.000 bar ist aus hochwertigem Stahl gefertigt und verfügt im Zentrum über eine konische Kavität, die während der Messung mit bis zu 400 °C heißem Kunststoff gefüllt wird. Damit der Kunststoff nicht sofort im kalten Sensor aushärtet, kann dieser über ein Heizband auf eine Temperatur von 230 °C gebracht werden. Das Heizband wird dabei wie der Sensor an das Anzeigegerät angeschlossen und von dort über einen Temperaturregler gesteuert. Eine Isolationsschicht zwischen Sensor und Magnetadapter ermöglicht die thermische Entkopplung der Maschinenteile. Die dadurch erreichte gleichmäßige Temperaturverteilung im Sensor ermöglicht akkurate Messergebnisse.

Für die Messung wird der Sensor mit dem Magnetadapter sowie bei Bedarf mit einem optional erhältlichen Düsenadapter verbunden und auf das Spritzgießwerkzeug montiert. Die Düsenadapter fertigt das Unternehmen wahlweise in Stahl oder Messing. Da Messing vergleichsweise weich und damit einfach zu bearbeiten ist, können Anwender die Adapter gegebenenfalls nachträglich noch an ihre Anforderungen anpassen.

Gewinde auf der Ober- und Unterseite des Sensors erleichtern die Montage der Adapter. Anschließend wird die Düse aufgesetzt, Schmelze eingespritzt und dabei der Düsendruck gemessen. Dieser kann als Maximalwert im Anzeigegerät gespeichert und mit dem in der Maschine gemessenen Einspritzdruck abgeglichen werden.

Die optionale Beheizung des Sensors ist besonders bei sogenannten Multishot-Messungen interessant. Dabei erfolgt die Messung stufenweise bei verschiedenen Drücken – beispielsweise 500, 1.000, 1.500 und 2.000 bar. Der direkte Vergleich der Messergebnisse nach jedem Einspritzvorgang mit dem, mittels in der Maschine eingebauten, indirekt messenden Sensoren errechneten Einspritzdruck ermöglicht bei Bedarf das Nachjustieren.

Im Rahmen des Qualitätsmanagements nach ISO 9000 ist bei modernen vollelektrischen Spritzgießmaschinen die regelmäßige Messung der Düsenanlagekraft erforderlich. Gefran bietet hierfür den DAK Sensor an. Wie der IN Sensor wird auch er einfach mit einem Magnetadapter verbunden, auf das Werkzeug gesetzt und mit dem Anzeigegerät verbunden. Anschließend wird die Einspritzdüse auf den Sensor gefahren und die dabei auftretende Kraft gemessen.

Bei Bedarf lassen sich Düsendrucksensor und Düsenanlagekraftsensor über einen Gewindestift miteinander verbinden und beide an das Anzeigegerät anschließen. Auf diese Weise kann der Anwender in einem Einspritzvorgang sowohl die Düsenanlagekraft als auch den Düsendruck ermitteln. Das spart zusätzlich Zeit.

Entscheidend für die unkomplizierte Montage der Sensoren ist ihre Anbindung an die Maschine über den bereits erwähnten Magnetadapter. Der Hersteller bietet hier Adapter mit zwei verschiedenen Außendurchmessern an: Der 60-mm-Adapter kommt bei Standardanwendungen zum Einsatz, wenn die Aussparung für die Düse im Spritzgießwerkzeug oder in der Angussbuchse maximal 40 mm beträgt. Ist die Aussparung beziehungsweise die Angussbuchse größer, kommt der 100-mm-Adapter zum Zug. Drei Magnete halten den Sensor stabil in Position.