Schnellere, einfachere und präzisere Steuerung elektrischer Spritzgießmaschinen
- Kunststoff
- 14.3.2024
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Letztes Jahr markiert das 40-jährige Jubiläum, seitdem wir bei KEBA damit begonnen haben, den komplexen Spritzgießprozess zu steuern. Dennoch ruht sich KEBA nicht auf seinen Lorbeeren aus. Gleiches gilt für die gesamte Branche: Spritzgießmaschinen werden stetig weiterentwickelt. Insbesondere in Bereichen, die höchste Prozesspräzision und Bauteilgenauigkeit erfordern, wie etwa im Gesundheitswesen, haben Endkunden jedoch Verbesserungsbedarf signalisiert.
„Die Herausforderung war klar: Die Verbesserung der Prozessqualität erfordert eine deutlich bessere Regelungsqualität“, erklärt Michael Petruzelka, Vice President Plastics bei KEBA. Selbst bei Verwendung schneller Regelkreistechnologien auf Industrie-PCs können langsame Reaktionszeiten gelegentlich zu unerwünschten Über- oder Unterschwingungen führen, was zusätzlich zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß führt.
Die jüngsten Entwicklungen und Tests von KEBA haben ein bisher unentdecktes Potenzial aufgezeigt, das die Steuerung von Spritzgießprozessen weiter verbessern kann – insbesondere für vollelektrische und teilweise für hybride Maschinen. Wenn Sie mehr aus Ihrer neuen oder bestehenden Maschinenflotte herausholen möchten, sollten Sie sich das genauer ansehen!
“Eine kurze Einführung in die prädiktive Feed-Forward-Schleife”
Um alle auf den gleichen Stand zu bringen, beginnen wir mit einer einfachen Analogie, die hilft, den prädiktiven Feed-Forward-Regelkreis zu verstehen.
Stellen Sie sich vor, Sie fahren ein Sportwagen auf einer landschaftlich reizvollen Autobahn. Sie wollen so schnell wie möglich fahren und gleichzeitig die Kontrolle über das Auto behalten, um eine Überbeanspruchung des Fahrzeugs zu vermeiden, die sich negativ auf Ihr Bankkonto auswirken könnte. Welche Faktoren müssen Sie berücksichtigen und wie können Sie diese Aufgabe ausführen, während Sie gleichzeitig die Aussicht genießen? Richtig, Sie können den Autopiloten aktivieren!
Autopiloten nutzen eine Vielzahl von Sensoren, um Daten über das Fahrzeug und seine Umgebung zu sammeln. Diese Daten werden kontinuierlich vom Bordcomputer mit komplexen Algorithmen verarbeitet und überwacht, um Echtzeit-Feedback zu geben und Korrekturmaßnahmen zu ergreifen – alles innerhalb von nur wenigen Mikrosekunden. Zum Beispiel kann der Autopilot die Geschwindigkeit überwachen und konstant halten, selbst wenn sich die äußeren Bedingungen ändern. So funktioniert die Logik des prädiktiven Feed-Forward-Regelkreises.
Was haben Sportwagen und Spritzgießmaschinen gemeinsam?
Wenn Sie angenommen haben, dass beide das prädiktive Feed-Forward-Konzept zur effizienten Steuerung ihrer Prozesse nutzen können, sind Sie bereits auf dem richtigen Weg. Natürlich könnten wir noch mehr Gemeinsamkeiten finden, wie höchste Automatisierung und einfache Handhabung, aber das ist nicht der Fokus dieses Artikels. Prädiktive Feed-Forward-Regelung ist eine Steuerstrategie, die ein mathematisches Modell des zu steuernden Systems verwendet, um das zukünftige Verhalten des Systems vorherzusagen und ein Steuersignal zu erzeugen, das Veränderungen im System antizipiert. Im Kontext einer Spritzgießmaschine besteht das Ziel darin, den Prozess ständig zu überwachen und zu optimieren, indem der Einspritzdruck, die Geschwindigkeit und die Position der Formen gesteuert werden, während gleichzeitig die Qualität des Endprodukts verbessert, der Energieverbrauch gesenkt und die Produktivität gesteigert wird.
Druckregelkreis auf PLC (Programmierbare Logiksteuerung) – immer noch der Goldstandard?
Die FPGA-Technologien (Field-Programmable Gate Array), die in den CP05x KEBA-Controllern verwendet werden, bilden die Grundlage für die Implementierung von hoch effizienten Steuerungskonzepten direkt in der Controller-Hardware. Dies bedeutet weniger Anforderungen an die Software, und die notwendigen Module werden mit höchster Effizienz in der Hardware implementiert.
Besonders im Bereich der elektrischen Spritzgießmaschinen ist es seit einigen Jahren der Stand der Technik, den Einspritzdrucksensor sowie die Antriebe von Drittanbietern direkt über EtherCat (z. B. mit 500 µs) an die PLC anzuschließen, um die schnellste und genaueste Steuerung unter Verwendung prädiktiver Feed-Forward-Technologien zu erreichen. Die Ergebnisse sind in der Regel zufriedenstellend, es dauert normalerweise 3 Zyklen (jeweils 500 µs lang), vom Lesen der Sensordaten über die Berechnung bis zum Senden der Vorgabe an den Antrieb, was etwa 1,5 ms ausmacht. Allerdings „ändern sich die Zeiten“.
KeDrive D3 - Der neue Maßstab in der Steuerungstechnologie für höchste Anforderungen
Die neuesten umfassenden Tests an realen Maschinen, die von KePlast-Experten durchgeführt wurden, offenbarten beeindruckende Synergien zwischen den KEBA-PLCs und Antrieben und hoben die Steuerungstechnologie bei KEBA auf eine neue Dimension. In diesem Fall wird der Einspritzdrucksensor direkt mit dem Antrieb verbunden, wo auch die Druckregelkreis-Funktion läuft. Dies ermöglicht eine Zykluszeit von 125 µs, eine maximale Reaktionszeit von 500 µs und die Minimierung der Totzeit.
In unserem Whitepaper (EN) findet man die an den echten Maschinen durchgeführten Messungen um die zwei Szenarien des Druckregelkreises im Detail vergleichen zu können.
Die Auswirkungen auf den Arbeitsalltag von Kunststoffproduzenten
„Heute klassifizieren viele Endkunden Maschinen nach der Wiederholgenauigkeit“, erklärt Günther Weilguny, Senior Produktmanager Plastics bei KEBA. „Die höchsten Anforderungen kommen besonders von Herstellern im Gesundheitswesen oder in der Automobilindustrie, die komplexe Teile produzieren. Um in diesen Sektoren erfolgreich zu sein, benötigen die Hersteller eine exzellente Bauteilqualität“, fügt Weilguny hinzu.
Der KePlast-Prozess-Experte Gerald Reindl geht noch tiefer auf die Wurzel des Problems ein. „Wenn die Reaktionszeit nicht schnell genug ist, ist die Füllung nicht gleichmäßig, die Bauteilqualität wird nicht eingehalten und der gesamte Prozess wird als instabil angesehen.“ Die häufigsten Auswirkungen eines solchen instabilen Prozesses sind:
- Bauteilmängel: Der hohe Druckstoß während eines Überschwingens kann zu Überspritzen, Einfallstellen oder Verzug im geformten Bauteil führen und die Festigkeit oder Funktionalität beeinträchtigen.
- Formschäden: Der hohe Druck kann zu Abnutzung der Form führen (z.B. Kratzer an der Innerfläche).
- Maschinenschäden: Das wiederholte Überschwingen kann Schäden an den Komponenten der Spritzgießmaschine verursachen, wie zum Beispiel an Ventilen, Zylindern oder Pumpen.
- Antriebsnutzung: Eine stabilere Regelung des geschlossenen Kreises benötigt weniger Energie und führt zu geringerer Erwärmung von Antrieben und Motoren, was es ermöglicht, die Maschine bei höheren Drücke zu betreiben, ohne die Antriebe zu vergrößern.
„Die Überwachung des Drucksignals während des Spritzgießprozesses mit dem Druckregelkreis am Antrieb hilft, Überschwinger schneller zu erkennen und auszurege, um die erforderliche Teilequalität zu erreichen“, fasst Reindl zusammen.
“Wenn die Reaktionszeit nicht schnell genug ist, ist die Füllung nicht gleichmäßig, die Bauteilqualität wird nicht eingehalten und der gesamte Prozess wird als instabil angesehen.”
Vorteile der nahtlosen Integration zwischen PLC und Antrieben
Zusätzliche Vorteile für sowohl OEMs als auch Endkunden ergeben sich aus der Integration des Controllers und des Servoantriebs. Beide profitieren vor allem von einer schnellen Inbetriebnahme – was bedeutet, dass weniger Maschinenstillstandzeiten entstehen, da der Austausch der Antriebe einfach und ohne den Einsatz zusätzlicher Werkzeuge durchgeführt werden kann.
Für den Maschinenbauer bietet die Integration zudem eine erleichterte Diagnose dank der integrierten Tools in der PLC. Darüber hinaus wird das Anpassen der Steuerungsparameter vereinfacht, was die Bedienung und Feinabstimmung der Maschinen erleichtert und den Wartungsaufwand reduziert.
Fazit
Die neue Lösung Raum für Einsparungen bei Prozess-, Material- und Wartungskosten sowie für die Generierung von Gewinnen in Form neuer Produkt- und Marktpotenziale.
