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 von 2017 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 378417139

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Spritzgießen ist ein hochautomatisiertes Verfahren zur Herstellung von Kunststoffbauteilen. Etablierte Prozessführungen sehen das Umschalten zwischen zwei Regelgrößen in Einspritz- und Nachdruckphase vor. Der Umschaltpunkt sowie weitere Maschineneinstellung werden im Rahmen einer oftmals aufwändigen Prozesseinrichtung ermittelt, um eine möglichst reproduzierbare und wirtschaftliche Herstellung der geforderten Bauteilqualität zu realisieren. Falsch eingestellte Prozesse führen zu unvollständiger Bauteilfüllung oder Überspritzen, während Prozessschwankungen durch z. B. veränderte Umgebungsbedingungen die Bauteilqualität weiter negativ beeinflussen. Bei der Verarbeitung von Post-Consumer-Rezyklaten (PCR) sorgen Unterschiede in der Zusammensetzung und Historie der Materialchargen für Abweichungen in den Prozessverläufen und folglich der Bauteilqualität. Die Umschaltproblematik kann, durch die im Rahmen der ersten Projektphase entwickelten, phasenvereinende Prozessführungsstrategie aufgelöst werden. Hierzu kommt eine modellprädiktive Werkzeuginnendruckregelung zum Einsatz, die über die gesamte Prozessdauer den Werkzeuginnendruck regelt und so eine hohe Reproduzierbarkeit des Prozesses sowie der Bauteilqualität ermöglicht. Der Einstellaufwand wird über automatisierter Optimierungsroutinen weiter reduziert. Qualitätseinbußen aufgrund von PCR-Chargenschwankungen können, durch die im Rahmen der zweiten Projektphase weiterentwickelten Prozessführungsstrategie adressiert werden. In Spritzgussversuchen konnte über verschiedene PCR-Chargen und Bauteile eine erfolgreich Nachführung der Bauteilqualität durch eine erweiterte modellprädiktive Werkzeuginnendruckregelung mit einer überlagerten Referenzoptimierung mittels Bayes‘scher Optimierung demonstriert werden. Die erzielte Reproduzierbarkeit von Prozess und Bauteilqualität übertrifft konventionelle Prozessführungen beim Kunststoffspritzgießen.

Link zum Abschlussbericht

https://doi.org/10.18154/RWTH-2025-10868

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Cross-phase Model-based Predictive Cavity Pressure Control in Injection Molding, Proceedings of the 3rd IEEE Conference on Control Technology and Applications (CCTA 2019). Hong Kong, China, 2019
  S. Stemmler; M. Ay; M. Vukovic; D. Abel; J. Heinisch & C. Hopmann
  
• Die Umschaltproblematik und ihre Folgen, Kunststoffe 110 (2020) 4, S. 82-86
  C. Hopmann & K. Hornberg
  
• Intelligente Regelungsstrategien als Schlüsseltechnologie selbstoptimierender Fertigungssysteme. RWTH Aachen, Dissertation
  S. Stemmler
  
• Precise, reproducible process control for injection moulding. Umdruck zum 30. Int. Kolloquium Kunststofftechnik. Aachen, 2020
  C. Hopmann; S. Schnerr; M. Schirmer; R. Vaculic; P. Liedl; H. Dornebusch; K. Horberg; M. Vukovic & D. Abel
  
• The Switchover Problem and ist Consequences, Kunststoffe international 02 (2020), S. 40-44
  C. Hopmann & K. Hornberg
  
• Adaptive modellbasierte Regelungskonzepte als Basis für den selbsteinstellenden phasenübergreifenden Kunststoffspritzgießprozess. VDI Automation 2021, Baden Baden, 2021
  M. Vukovic; S. Stemmler; D. Abel; K. Hornberg & C. Hopmann
  
• Auswirkungen zyklischer Prozesseinflüsse auf den Werkzeuginnendruckverlauf und die Bauteilqualität im Spritzgießprozess. Zeitschrift Kunststofftechnik, 1, 179-203.
  Hornberg, Katharina
  
• A Comparison of Two Sigma Point Kalman Filters for Adaptive Cross-phase Cavity Pressure Control in Injection Molding, 10th IFAC Conference on Manufacturing Modelling, Management and Control, Nantes, Frankreich, 2022
  M. Vukovic; S. Stemmler; D. Abel; K. Hornberg & C. Hopmann
  
• Adaptive model-based predictive control for cross-phase cavity pressure control in injection molding. Journal of Manufacturing Processes, 77, 730-742.
  Vukovic, Marko; Stemmler, Sebastian; Hornberg, Katharina; Abel, Dirk & Hopmann, Christian
  
• Increased process stability in the injection moulding of post-consumer recyclates using cavity pressure for process control. Umdruck zum 31. Int. Kolloquium Kunststofftechnik. Aachen, 2022
  C. Hopmann & K. Hornberg
  
• Part Quality Control through Holistic Consideration of Cross-phase Cavity Pressure Characteristics in Injection Moulding. 2nd International Symposium on Plastics Technology, Institut für Kunststoffverarbeitung, 2022
  K. Hornberg; C. Hopmann; M. Vukovic & D. Abel
  
• Compensation of Batch Fluctuations of Post-Consumer Recyclate in Injection Molding by Phase Unifying Process Control. Annual Technical Conference - ANTEC, Conference Proceedings. Denver, USA, 2023
  K. Hornberg; C. Hopmann; M. Vukovic; S. Stemmler & Abel, D.
  
• Precise Process Control with InjectiX - Phase-Unifying Cavity Pressure Control for PCR Processing, Kunststoffe international 3 (2023), S. 36-39
  K. Hornberg; M. Vukovic; J. Gerads; Y. Lockner; C. Zimmermann; M. Schmitz; S. Stemmler; C. Hopmann & D. Abel
  
• Präzise Prozessführung mit InjectiX - Phasenvereinende Werkzeuginnendruckregelung bei der Verarbeitung von PCR, Kunststoffe 3 (2023), S. 70-73
  K. Hornberg; M. Vukovic; J. Gerads; Y. Lockner; C. Zimmermann; M. Schmitz; S. Stemmler; C. Hopmann & D. Abel
  
• Automated controller set-up for model predictive cavity pressure control. Umdruck zum 32. Int. Kolloquium Kunststofftechnik. Aachen, 2024
  C. Hopmann; K. Hornberg; D. Abel; M. Vukovic & S. Stemmler
  
• Phasenübergreifende Prozessführung für das Thermoplast-Spritzgießen, RWTH Aachen, Dissertation
  M. Vukovic
  
• Phasenübergreifende Regelung des Werkzeuginnendrucks zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit im Spritzgießen, RWTH Aachen, Dissertation
  K. Hornberg