Phasenübergreifende Prozessführungskonzepte beim Spritzgießen unter Nutzung moderner Regelungsstrategien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann; Dr.-Ing. Sebastian Stemmler, seit 10/2024
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 378417139

In der ersten Förderperiode wurde eine phasenübergreifende Prozessführung erforscht. Diese setzt sich aus einer Trajektorienplanung und einer Prozessregelung zusammen. Die Trajektorienplanung basiert auf einem Qualitätsmodell und gibt die einzuregelnde Werkzeuginnendrucktrajektorie für die Prozessregelung vor. Bei der Prozessregelung handelt es sich um eine adaptive Modellbasierte Prädiktive Regelung, die mit geringem Aufwand parametriert werden kann. Durch das phasenübergreifende Regelungskonzept des Werkzeuginnendrucks konnte die Anzahl der Prozesseinstellgrößen reduziert werden. Zudem ist die Prozessführung robuster, da keine Umschaltvorgänge in der Regelgröße auftreten. Ein essenzieller Teil der Prozessführung sind die hinterlegten Materialeigenschaften. Bei der Verarbeitung von Post-Consumer Rezyklaten (PCR) können starke Unterschiede in den Verarbeitungsbedingungen auftreten, da Zusammensetzung und Historie der Chargen variieren. Im Sinne der Kreislaufwirtschaft ist daher das zentrale Ziel des Forschungsvorhabens die Realisierung einer konstanten Formteilqualität unabhängig von Chargenschwankungen sowie eine Reduktion des Einstellaufwandes. Dabei erfordern veränderliche Materialeigenschaften des Granulats sowohl eine Anpassung der Trajektorienplanung als auch der Prozessregelung. Durch eine Erweiterung der bestehenden phasenvereinenden Prozessführung soll die Anpassung zusätzlich automatisiert werden. Hierfür wird ein PCR-orientiertes Qualitätsmodell mit einer lernenden modellprädiktiven Werkzeuginnendruckregelung kombiniert, sodass insgesamt eine hohe Prozessstabilität erreicht wird. Zunächst werden Chargenunterschiede bei PCR quantitativ im Prüflabor sowie in Spritzgießversuchen erfasst und die Wirkzusammenhänge zwischen Material, Prozessgrößenverläufen und Bauteilqualität in einem Qualitätsmodell abgebildet. Der Einfluss des Rezyklats kann somit explizit bei einer Inline-Qualitätsregelung berücksichtigt werden. Um eine gleichbleibende Regelgüte bei minimalem Einstellaufwand zu erzielen, wird das Reglermodell der Prozessregelung um ein datenbasiertes Fehlermodell erweitert. Dieses Fehlermodell basiert auf einer Gauß-Prozess-Regression, bei der chargenabhängige Modellabweichungen online über Prozessdaten gelernt werden. Der Effekt des lernenden Modellanteils auf die Prozessstabilität wird quantitativ beurteilt. Abschließend ist die entwickelte Prozessführung an der Technikumsmaschine zu integrieren und iterativ zu verbessern. Die Bewertung und Validierung der Rezyklatregelung erfolgt für eine komplexe Bauteilgeometrie anhand mindestens zweier PCR-Typen. Zu Projektende sollen chargenbedingte Abweichungen der Formteilqualität um mindestens 50 % reduziert werden können. Damit soll das Projekt langfristig dazu beitragen, den Ausschuss sowie den Material- und Energieaufwand zu reduzieren. Zudem soll die Attraktivität für den Einsatz von PCR gesteigert werden, um ein werkstoffliches Recycling im Sinne der Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr.-Ing. Heike Vallery
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Abel, bis 9/2024