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#Neues aus der Industrie
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Präzise Druck- und Durchflusskontrolle verbessert die Wachsinjektion
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Die Formen für den Feinguss sind genauer und weisen dank der Durchflusskontrolle über die Wachsinjektion weniger Fehler auf.
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Beim Aluminiumfeinguss muss für jedes zu formende Teil aus geschmolzenem Aluminium ein Einwegwachsmodell hergestellt werden. Zur Herstellung dieser Wachsmodelle wird Niedertemperatur-Pastenwachs in Kavitätenformen eingespritzt. Um ein hochwertiges Muster zu erhalten, muss der Hohlraum vollständig gefüllt sein, so dass keine Luft in der Form eingeschlossen ist, die im endgültigen Muster eine Blase oder einen Hohlraum hinterlässt. Daher muss der Durchfluss von Pastenwachs so gesteuert werden, dass eingeschlossene Luft durch Lüftungsöffnungen in der Form entweichen kann.
Die Herausforderungen dabei sind den Ingenieuren von Solidiform Inc. aus Fort Worth, Tex, einem führenden Hersteller von Aluminiumfeingussteilen und Präzisionssandgussteilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie, bekannt. Das Unternehmen hat kürzlich sein Wachsinjektionssystem aufgerüstet und hatte einige Anfragen von Ingenieuren, die an dem Upgrade arbeiten.
"Als die Form fast gefüllt war, wollten wir, dass die Maschine die Füllrate verlangsamt, um den Luftaustritt zu ermöglichen", sagt Larry Andre, Vice President und General Manager von Solidiform. "Das Problem mit unserem alten Wachsextruder war, dass wir die Durchflussmenge während des Einspritzens nicht manuell ändern konnten, also waren wir gezwungen, eine Kompromissfüllmenge zu wählen."
Infolgedessen blieb oft etwas Luft in der Form zurück und es entstanden Hohlräume im Wachsmodell, die repariert werden mussten, bevor das Modell im nächsten Schritt des Prozesses verwendet werden konnte.
Automatisierung des Betriebs
Mit dem Ziel, diese Nacharbeit zu vermeiden und den Prozess wiederholbarer zu machen, suchte das Management von Solidiform nach einer Möglichkeit, zu kontrollieren, wie Wachs die Form füllt. Einige wenige Lösungen wurden versucht, darunter manuelle Durchflusskontrollventile und elektronisch gesteuerte Druckregler, die alle nur bedingt erfolgreich waren. Um das Problem zu lösen, kontaktierten sie die Wilson Company, einen Fluidtechnik-Distributor in Texas mit Sitz in Addison.
Der Wilson-Ingenieur Dave Pellerin empfahl, dass eine elektrohydraulische Bewegungssteuerung für den Zylinder, der den Wachsextruder bedient, ihnen eine präzise Steuerung ermöglichen würde. Pellerin empfahl Solidiform die Verwendung des RMC75E von Delta Computer Systems, Inc. aus Battle Ground, Washington.
Zu Beginn des Prozesses wird ein Wachsblock mit der Temperatur, die durch Heizbänder auf der Außenseite gehalten wird, in den Extruderzylinder geladen. Der Extruderzylinder drückt dann Warmwachs durch einen beheizten Schlauch, um die Form zu füllen, die durch den Klammerzylinder geschlossen gehalten wird. Die Bewegungssteuerung verwendet Sollwerte, die aus einer Datenbank für Einspritzgeschwindigkeit und -druck eingegeben werden, um eine gleichmäßige Füllung zu gewährleisten.
Die Kompressibilität des Wachses unterscheidet sich von derjenigen der Luft, und die Steuerung überwacht und regelt dies, indem sie den Ausgang eines Druckaufnehmers in der Wachsleitung liest. Anhand dieser Informationen kann der Einspritzdruck beim Füllen der Form dynamisch verändert werden.
Der Regler reagiert auf Druckänderungen, indem er seinen Befehl an das Servo-Steuerventil erhöht oder verringert. Sobald die Luft evakuiert wird, kehrt der Druck fast sofort zurück. Zu diesem Zeitpunkt muss die Steuerung schnell reagieren, indem sie die Steuerspannung wieder auf das entsprechende Niveau senkt (und damit den Hydraulikölstrom zum Injektorzylinder reduziert), um ein Überschwingen zu minimieren. Die Bewegungssteuerung gleicht auch Viskositätsunterschiede im Wachs von einem Produktionslauf zum anderen aus. Die Steuerung stellt sicher, dass der Einstelldruck exakt und wiederholbar von Schuss zu Schuss ist.
Die Delta-Bewegungssteuerung überwacht den Kolbendruck und die Position in jedem Zylinder. Der verwendete Regelalgorithmus wird als "Zweikreisregelung" bezeichnet Der innere Regelkreis stellt sicher, dass die Position und Geschwindigkeit des Kolbens mit dem Profil übereinstimmt, während er Wachs einspritzt, während der äußere Regelkreis überprüft, ob der beim Bewegen des Kolbens ausgeübte Druck die festgelegten Grenzwerte nicht überschreitet.
Alle Einspritzfunktionen werden über einen Red Lion Touchscreen, die primäre Bedienoberfläche, koordiniert. Das HMI ist auch mit einer Allen-Bradley-SPS verbunden, die die Sequenzierung der Leistungseinheiten und Sicherheitsmechanismen steuert.
Nach Abschluss des Einspritzvorgangs erzeugt der RMC75E beim Einfahren des Schließzylinders einen leichten Unterdruck in der Wachsleitung. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Entfernen des Klammerdrucks kein Restwachs herausspritzt. Alle Druckwerte werden auf dem HMI angezeigt.
Programmierung der Bewegung
Um die Abstimmung der Bewegungsparameter zu erleichtern, bietet Delta ein Softwaretool, den Plot Manager, an, das Teil der RMCTools-Softwareoberfläche des Unternehmens ist. Die von diesem Modul erzeugten Diagramme zeigen die Werte der tatsächlichen Bewegungsparameter und nicht die vom Regelkreisalgorithmus berechneten Sollwerte. Die Diagramme ermöglichen es ihnen, die erwarteten Aktivitäten wie:
Zeit 0 bis 10 Sekunden: Wachs wird injiziert. Es befindet sich zu viel Luft in der Form, um den Gegendruck abzulesen.
Nach 10 Sekunden: Ein schneller Druckstoß. Die Form beginnt sich zu füllen, also wird der Druck gemessen. Es löst sich jedoch schnell auf, wenn eine eingeschlossene Luftblase entsteht.
Bei 10,75 sec.: Ein starker Druckanstieg, wenn die letzte Luft herausgedrückt wird und sich die Form füllt. Die Steuerbefehlsspannung ist zu hoch, da die Messwerte nicht echt sind, aber die Steuerung reagiert schnell, um den Ausgang zu stabilisieren. Sobald die gesamte Luft herausgedrückt ist und die Form vollständig mit Wachs gefüllt ist, dauert es ca. 0,1 Sekunden, bis das Wachs in der Form unter Druck steht.
Nach 11 Sekunden: Der Druck beginnt sich zu beruhigen und wird für die Dauer des Zyklus auf seinem Sollwert gehalten, so dass sich das Wachs unter Druck verfestigt.
Solche Darstellungen können zur Diagnose von Bewegungsproblemen verwendet werden. Beispielsweise zeigten die Diagramme vor der endgültigen Abstimmung ein gewisses Klappern im System (Schwingungen in der Zylinderposition). Sie wurde durch den Extruder verursacht, der vom Einspritzen des Wachses bis zur Begegnung mit einer eingeschlossenen Luftblase ging. Um die Probleme zu lösen, wurde das Support-Team von Delta hinzugezogen, um dem System einige Optimierungen zu empfehlen, die die schnellen Loop-Zeiten und erweiterten Tuning-Parameter der Controller nutzen, sowie einen Tiefpassausgangsfilter, der diese Schwingungen ausgleicht.
"Jetzt kann uns der Delta-Controller eine variable Durchflussmenge liefern, die auf das Teil zugeschnitten ist, das wir herstellen wollen", sagt Andre. "Und es kann den Druck präzise und wiederholbar halten, es gibt kein Rätselraten. Durch die Kontrolle der Formfüllrate und die Vermeidung von Fehlern haben wir unsere Erstmusterausbeute leicht erhöht und müssen keine Reparaturen durchführen. Wir haben die Produktivität wahrscheinlich um 20% gesteigert."
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