AT516122A1 - Verfahren zum Dosieren von Kunststoffgranulat - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Beeinflussung der Schmelzetemperatur im Plastifizierzylinder einer Plastifiziereinheit (1) für eine Spritzgießmaschine, mit einer in einer Zylinderbohrung eines sich axial erstreckenden Plastifizierzylinders verschiebbar und drehbar angeordneten Plastifizierschnecke (4), wobei ein Dosieren von der Plastifiziereinheit (1) zugeführtem Kunststoffgranulat in Abhängigkeit einer gewünschten Schmelzetemperatur in der Plastifiziereinheit (1) durchgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren Zugbeeinflussung derSchmelzetemperatur im Plastifizierzylinder einer Plastifiziereinheit mit denMerkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
In gattungsgemäßen Plastifiziereinheiten entstehen während der Plastifizierung deszum Einspritzen benötigten Schmelzereservoirs unerwünschte axialeTemperaturgradienten im Schneckenvorraum. Grund hierfür ist die Reduktion dereffektiven Schneckenlänge (siehe C. Rauwendaal, „Polymer Extrusion“ 4th Edition,Hanser Munich 2001) beim Dosieren und die damit verbundene Änderung derSchergeschichte und Verweilzeit von einzelnen Granulat und Fluidelementen, sowiedie axialen Temperaturgradienten im Plastifizierzylinder.
Im Spritzgießprozess kann die Schmelzetemperatur im Schneckenvorraum mittelsder folgenden Stellgrößen beeinflusst werden (siehe z. B. DE 10 2010 024 267 A1und J. L. White, H. Potente, „Screw Extrusion“, Hanser Munich, 2003). - Temperaturführung des Plastifizierzylinders:
Die Temperatur der Schmelze wird mittels geeigneter Profilvorgaben an derHeizung des Plastifizierzylinders beeinflusst. - Staudruck:
Die Temperatur der Schmelze wird mittels geeigneter Profilvorgaben an dieStaudruckregelung der Plastifiziereinheit beeinflusst. - Schneckendrehzahl (bzw. Schneckenumfangsgeschwindigkeit):
Die Temperatur der Schmelze wird mittels geeigneter Profilvorgaben an dieDrehzahlregelung eines Motors der Plastifizierschnecke der Plastifiziereinheitbeeinflusst.
Der Einsatz der Temperaturführung des Plastifizierzylinders als Stellgröße für dieSchmelzetemperaturregelung ist bei Verwendung einer konventionellenZylinderheizung mittels Keramik-Heizbändern auf Grund der Trägheit des Systemssowie der schlechten Temperaturleitfähigkeit der Schmelze nur bedingt durchführbar.
Eine bessere Eingriffsmöglichkeit bieten frier tfife ÄTtderüng*der Drehzahl und/oderdes Staudrucks, z. B. steigende Drehzahl bzw. Staudruck gegen Ende desPlastifiziervorgangs, um einerseits einen höheren Energieeintrag in die Schmelze zugewährleisten und andererseits die Verweilzeit der Schmelze in derPlastifizierschnecke zu erhöhen.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines gattungsgemäßen Verfahrens,welches eine gegenüber dem diskutierten Stand der Technik verbesserte Möglichkeitzur Beeinflussung der Schmelzetemperatur im Plastifizierzylinder einerPlastifiziereinheit für eine Spritzgießmaschine aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Wie eingangs erwähnt, entstehen Temperaturgradienten im Schneckenvorraum einerPlastifiziereinheit teilweise auf Grund der Änderung der wirksamen Schneckenlängeder Plastifizierschnecke während des Plastifizierprozesses. Wird ein Dosieren vonder Plastifiziereinheit zugeführtem Kunststoffgranulat in Abhängigkeit einergewünschten Schmelzetemperatur in der Plastifiziereinheit durchgeführt, kann eineeffektive Schneckenlänge der Plastifizierschnecke beeinflusst werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchendefiniert.
Das Dosieren kann mittels handelsüblicher gravimetrischer oder volumetrischerDosiereinheiten erfolgen. Abhängig vom zugeführten Volumenstrom des Granulatsdes zu plastifizierenden Kunststoffes kann so die Position des initialen Druckaufbausvariiert werden, was einer Änderung der wirksamen bzw. effektiven Schneckenlängeder Plastifizierschnecke entspricht.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Plastifizierschnecke während des Dosierensunterfüttert wird. Unterfütterung bedeutet, dass der Plastifizierschnecke wenigerGranulat zugeführt wird, als sie in der Einzugszone fördern kann. Dadurch werdendie Schneckengänge erst ab einem bestimmten Abstand von der Einzugsöffnung vollständig gefüllt. Ab diesem Punkt beginnt doth Cter DTuckaufbau in derPlastifiziereinheit.
Erfolgt zum Beispiel während des Plastifiziervorgangs eine gezielte Unterfütterungder Plastifizierschnecke so, dass die effektive Schneckenlänge konstant ist, könnenunerwünschte Temperaturgradienten eliminiert werden.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Plastifizierschnecke während desDosierens derart unterfüttert wird, dass sich die effektive Schneckenlänge derPlastifizierschnecke während der Plastifizierphase verkürzt.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Plastifizierschnecke während des Dosierensderart unterfüttert wird, dass sich die effektive Schneckenlänge derPlastifizierschnecke während der Plastifizierphase erhöht. Hierdurch kommt es zuhöheren Schmelzetemperaturen.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei welchem ein gewünschterTemperaturgradient des Temperaturverlaufs im Plastifizierzylinder vorgegeben wirdund das Dosieren derart erfolgt, dass sich der gewünschte Temperaturgradient imPlastifizierzylinder einstellt.
Anhand der Figuren 1 bis 7 wird die Erfindung im Detail diskutiert.
Die Figur 1 zeigt die Situation in einer Plastifiziereinheit 1, wobei das Dosieren soerfolgt, dass sich ein bestimmter Unterfütterungsgrad A einstellt. Eine vollständigeFüllung erfolgt im sechsten Schneckengang, ausgehend von der Einfüllöffnung inRichtung Schneckenspitze.
Erfolgt während des Plastifiziervorgangs eine gezielte Unterfütterung derPlastifizierschnecke so, dass die effektive Schneckenlänge konstant ist, könnenunerwünschte Temperaturgradienten weitgehend eliminiert werden. Darüber hinausbesteht die Möglichkeit die verbleibenden Temperaturgradienten durch eine gezielteVerlängerung bzw. Verkürzung der Plastifizierschnecke zu beeinflussen.
Figur 2 zeigt ein Beispiel für eine Unfepfütterirrrg cferVlastiffZierschnecke 4 mit einemUnterfütterungsgrad B > A. Eine vollständige Füllung erfolgt erst im siebtenSchneckengang, ausgehend von der Einfüllöffnung in Richtung Schneckenspitze.Diese Verkürzung der wirksamen Schneckenlänge führt zu geringeren Drücken,einem späteren Anschmelzen sowie geringeren Verweilzeiten und damit zugeringeren Schmelzetemperaturen.
Bei einer Verlängerung der wirksamen Schneckenlänge durch eine Verkleinerungdes Unterfütterungsgrads B < A wandert die Position des ersten Druckaufbaus inRichtung zur Einfüllöffnung. Diese Situation ist in Figur 3 dargestellt. Einevollständige Füllung erfolgt bereits im fünften Schneckengang, ausgehend von derEinfüllöffnung in Richtung Schneckenspitze. Dies führt zu erhöhten Drücken entlangder Pflastifizierschnecke, einem früheren Anschmelzen des Granulats sowiegrößeren Verweilzeiten und damit zu höheren Schmelzetemperaturen.
Das oben beschriebene Verfahren bietet eine neue Stellgröße zur Verwendung ineinem Schmelzetemperatur-Regelkreis für die Temperatur im Schneckenvorraum(Figuren 4 und 7). Das Bezugszeichen 51 in Figur 4 verweist auf eine Steuer- oderRegeleinrichtung für die Dosiereinrichtung.
Die Messung der Temperatur erfolgt dabei bevorzugt mit einemultraschallbasiertenTemperaturmesssystem der mit Bezug auf die Figuren 5 bis 7nachstehend beschriebenen Art.
Ausschnittsweise gezeigt ist eine Plastifiziereinheit 1 für eine Spritzgießmaschine inForm einer in einer Zylinderbohrung eines Plastifizierzylinders (mit Wandung 2)verschiebbar angeordneten, drehbaren Plastifizierschnecke 4. Durch dasAufdosieren von plastitiziertem Kunststoff im Bereich zwischen Einspritzdüse (nichtdargestellt) und der Spitze der Plastifizierschnecke 1 (Schneckenvorraum 3) wird diePlastifizierschnecke 1 von der Einspritzdüse weg bewegt. Dabei bildet sich imSchneckenvorraum 3 ein sogenannter Massepolster.
Wird ein Ultraschallpuls durch eine Kunststoffschmelze entlang einesSchalllaufweges S (zwischen einem Ultraschallsender und Ultraschallempfänger) gesendet, ergibt sich die Laufzeit WutSli* ctes Pufses? clurth dfe Schmelze aus derFormel
wobei cLis(p,T) die vom Druck p und der Temperatur Tabhängige longitudinaleSchallgeschwindigkeit an einer Position s entlang des Schalllaufweges bezeichnet.
Ist die longitudinale Schallgeschwindigkeit Ci als Funktion des Druckes p und derTemperatur Tbekannt (durch Kalibrationsmessungen oder bevorzugt durchNachsehen in dem Fachmann bekannten Tabellen, welche für verschiedeneKunststoffe die Laufzeit von Schall angeben - dies ist möglich, weil imSchneckenvorraum beim Dosieren zumindest annähernd ein konstanter Druckherrscht) kann aus der Laufzeitmessung auf die mittlere Temperatur entlang desSchalllaufweges S geschlossen werden.
Zur Messung der axialen Temperaturverteilung im Schneckenvorraum 3 werdenUltraschall-Laufzeitmessungen an mehreren axialen Positionen durchgeführt. DieMessungen können mittels sogenannter Reflexions- oder Transmissionsmessungendurchgeführt werden. Alternativ kann auch mit einem Ultraschallwandler 5abwechselnd an unterschiedlichen axialen Positionen über mehrere Spritzgießzyklengemessen werden.
Die Reflexionsmessung ist in Figur 5 dargestellt. Es erfolgt eine axiale Messung derSchmelzetemperatur im Schneckenvorraum 3.
Ein Ultraschallwandlerarray mit mehreren Ultraschallwandlern 5 wird entlang desSchneckenvorraums 3 an der Wandung 2 des Plastifizierzylinders angebracht. Ein inden Plastifizierzylinder gesendeter Ultraschallpuls, wird an der Oberkante derZylinderbohrung reflektiert. Ein Teil der Schallenergie läuft weiter durch dieplastifizierte Kunststoffschmelze, wird an der Unterkante der Zylinderbohrungreflektiert und läuft zurück zum Ultraschallwandler. Aus der Differenz der Laufzeitender Reflexionen an der Ober- bzw. Unterkante (Wn bzw. Wen) der Zylinderbohrung und dem bekannten Zylinderdurchmess€rdzytjnderKaniVauf tlie’Sfchallgeschwindigkeit(bei dem Staudruck pstau während des Aufdosierens) und somit auf die mittlereSchmelzetemperatur Tm entlang des Schalllaufweges geschlossen werden:
Durch die Messung an verschiedenen axialen Positionen ergibt sich ein axialesTemperaturprofil im Schneckenvorraum 3. Die Berechnung erfolgt in einer in denFiguren 4 und 7 dargestellten Auswerteeinheit 8.
Bei der Transmissionsmessung, dargestellt in Figur 6, werdenzwei gegenüber liegende Ultraschallwandlerarrays 6, 7 mit Ultraschallwandlern 5 anunterschiedlichen axialen Positionen entlang des Schneckenvorraums 3 an derWandung 2 des Plastifizierzylinders angebracht, wobei das eineUltraschallwandlerarray als Senderarray 6 und das gegenüber liegendeUltraschallwandlerarray als Empfängerarray 7 verwendet wird. Alternativ kann auchmit zwei Ultraschallwandlern 5 (Sender und Empfänger) abwechselnd anverschiedenen axialen Positionen über mehrere Spritzgießzyklen gemessen werden.
Ein von einem Ultraschallwandler 5 des Senderarrays 6 in den Plastifizierzylindergesendeter Ultraschallpuls läuft durch die erste Hälfte der Wandung 2 desPlastifizierzylinders, weiter durch die Kunststoffschmelze und danach durch diezweite Hälfte der Wandung 2 des Plastifizierzylinders zum gegenüber liegendenUltraschallwandler 5 des Empfängerarrays 7. Von der so gemessenen gesamtenLaufzeit tgeSamt des Ultraschallpulses müssen noch die Laufzeiten ts, te durch dieWandung 2 des Plastifizierzylinders abgezogen werden. Diese können durchReflexionsmessungen mittels der Ultraschallwandler 5 im Sende- bzw.Empfängerarray 6, 7 ermittelt werden. Die Schallgeschwindigkeit Cl ergibt sich aus
Durch die Messung an verschiedenen axialen· PöSitioTTen örgibtlsich ein axialesTemperaturprofil im Schneckenvorraum 3. Die Berechnung erfolgt in einer in denFiguren 4 und 7 dargestellten Auswerteeinheit 8. Die Regelung erfolgt über eineRegelvorrichtung 9.
Die Messung von te ist relativ aufwendig. Unter der Annahme, dass in der Wandung2 ein nahezu rotationssymmetrisches Temperaturprofil vorherrscht, ist te ungefährgleich ts. Damit kann auf die Messung von te verzichtet werden.
In allen Ausführungsbeispielen liegen die Ultraschallwandlers an der Wandung 2des Plastifzierzylinders an, befinden sich also nicht in Bohrungen in der Wandung 2,welche die Wandung 2 durchbrechen. Es wäre denkbar, die Ultraschallwandler 5 inSackbohrungen versenkt in der Wandung 2 anzuordnen, z. B. bei Platzproblemen mitauf dem Plastifizierzylinder montierten Heizbändern.
Die Vorgabe der gewünschten Temperaturgradienten erfolgt zum Beispiel über einenProfilgenerator 10. Der Zusammenhang zwischen Dosiervolumenstrom beivolumetrischer Dosierung bzw. Dosiermassestrom bei gravimetrischer Dosierung undÄnderung der Schmelzetemperatur wird dem Regelsystem bevorzugt in Form einesKennlinienfelds zur Verfügung gestellt. Die Kalibrierung der Kennlinie erfolgtbevorzugt in einem automatisierten Prozess.
Da die Schmelzetemperatur an einer Messposition im Schneckenvorraum 5 zumZeitpunkt der Messung nicht mehr verändert werden kann, handelt es sich beimRegelungssystem um ein lernendes System, d.h. die Informationen die das Systemvon der Temperaturmessung im aktuellen Zyklus der Plastifiziereinheit 1 bzw. derSpritzgießmaschine erhält werden für eine Berechnung der Stellgröße(n) in dennachfolgenden Zyklen verwendet. Das System benötigt daher eine gewisse Anzahlvon Zyklen um den gewünschten Temperaturgradienten im Schneckenvorraum 5einzustellen. Dies stellt jedoch keine Einschränkung dar, da in einem stabilen undeingeschwungenen Prozess keine dynamischen Änderungen derSchmelzetemperatur auftreten werden. ···· · · · φ φ
Das System kann wahlweise in die MasChinefisfööerGhg cfer SpVitzgießmaschineintegriert, oder als eigenständiges System eingesetzt werden. Auf Grund derTatsache, dass für die Temperaturmessung keine Sensorbohrungen benötigtwerden, hat die stand-alone Variante den Vorteil dass für mehrereSpritzgießmaschinen nur eine Mess- und Regelungseinheit benötigt wird.

Claims (7)

  1. Patent6fhsf5fü<iRfe:...... 1. Verfahren zur Beeinflussung der Schmelzetemperatur im Plastifizierzylindereiner Plastifiziereinheit (1) für eine Spritzgießmaschine, mit einer in einerZyiinderbohrung eines sich axial erstreckenden Plastifizierzylindersverschiebbar und drehbar angeordneten Plastifizierschnecke (4), dadurchgekennzeichnet, dass ein Dosieren von der Plastifiziereinheit (1) zugeführtemKunststoffgranulat in Abhängigkeit einer gewünschten Schmelzetemperatur inder Plastifiziereinheit (1) durchgeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Plastifizierschnecke (4) während desDosierens unterfüttert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Plastifizierschnecke (4) während desDosierens derart unterfüttert wird, dass eine effektive Schneckenlänge derPlastifizierschnecke (4) konstant ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Plastifizierschnecke (4) während desDosierens derart unterfüttert wird, dass sich eine effektive Schneckenlängeder Plastifizierschnecke (4) verkürzt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Plastifizierschnecke (4) während desDosierens derart unterfüttert wird, dass sich eine effektive Schneckenlängeder Plastifizierschnecke (4) erhöht.
  6. 6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eingewünschter Temperaturgradient des Temperaturverlaufs imPlastifizierzylinder vorgegeben wird und das Dosieren derart erfolgt, dass sichder gewünschte Temperaturgradient im Plastifizierzylinder einstellt.
  7. 7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei dieTemperatur im Plastifizierzylinder mittels Ultraschallwandlern (5) ermittelt wird.
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