CN1769030A - 用于生产由热塑性材料制成的型材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于挤出设备的全自动过程和质量控制以及用于及时地修正由于原料性能的变化或挤出系统的参数变化而引起的工艺参数的波动、以确保生产出的型材质量均匀的完全闭合过程控制系统的方法及其所需设备。

Description

用于生产由热塑性材料制成的型材的方法
技术领域
本发明涉及一种用于挤出设备的全自动过程和质量控制以及用于及时地修正由于原料性能的变化或挤出系统的参数变化而引起的工艺参数的波动的集成闭合循环过程控制系统的方法及其所用设备。
背景技术
已经进行了各种努力来监测挤出过程并确保所生产型材的质量稳定。象在注射模塑过程中类似的操作方法还不能用于挤出过程。本发明描述了一种允许一方面监测生产过程并且控制型材的质量，另一方面自动闭合循环过程控制的方法及其所用设备。
由所谓的挤出过程生产由热塑性材料(这种情况优选PVC)制成的塑料型材作为无端(endless)型材棒。所述塑料型材用于生产具有塑料框架的窗户。对于用挤出方法生产的、并且用于生产具有塑料框架的窗户的型材质量要求很高。因此，有必要获得非常窄的尺寸公差并确保长时间维持直观性质，例如在长时间的生产过程期间的光泽稳定。这仅在当生产系统和模具在最佳状态并谨慎调整待处理的起始材料时才能确保。在一个单独的加工区域调整挤出模具以适应生产过程中挤出机所用的经过加工的材料。这一工序在挤出机的使用寿命期间只进行一次，且伴随生产结束而完成。在挤出模具的有效使用阶段，生产过程必须保持稳定并保持工艺参数在非常窄的范围内(操作阶段)，以确保生产出质量稳定的型材。然而，公知的事实是在正在进行的生产过程中原材料的波动变化是不可避免的。原材料的这些变化对产品的质量或所需工艺参数有影响。
保证由热塑性材料制成的挤出型材的质量稳定的一个基本前提是由挤出机引入模具的熔体的平稳流变性能。为了描述熔体的这些性能，检测并处理流变参数是必要的。
按照现有技术的状况，为了监测生产期间挤出机的操作状态，用压力传感器测量并记录模具压力(挤出机出口熔体的压力)，用温度检测器(温度传感器)测量并记录物质温度(熔体温度)，所述传感器置于安装在挤出机和模具之间的适配器中。操作状态依赖于材料和模具。从流变观点，用所测的质量压力和物质温度的参数不能来描述熔体的性质。
为了测量熔体的流变性能已经进行了各种努力。在包含专用机床的生产条件下塑料熔体的流变性能检测适用于本申请。
专题文章“Sensorentwicklung und Automatisierungstendenzen bei derKunststoffaufbereitung”(塑料材料制备中所用的传感器和自动tendencies的研制)(H.-G.Fritz；S.Ultsch)，Kunststoffe，Carl Hanser Verlag，Munich，Vol.81，No.1，1991，已经描述并举例说明了用于检测流变物理特性函数的流变测定系统。所述流变测定系统是基于在生产过程期间在挤出机中，给流变仪的熔体输送中，以及用齿轮泵返回输送中流动的熔体内的仅一处连续提取样品。该系统不适于PVC挤出的情况，因为任何附加的剪切能量(例如，由于通过齿轮泵的熔体输送)的引入将改变熔体的流变性能。如果分流出的熔体流不能返回将引起材料的永久流失。
WO96/14930(HIBRIGHT HOLDINGS LTD；Fleming Donald；AddlemanRobert Leslie)，1996年5月23日，公开了通过对挤出机中塑料熔体的流变性能的测定的监测方法，其以这样一个方式发生，即，在测量期间提取熔体材料，而流变性能用独立检测装置测定。该系统不能用于PVC加工的情况。
专题文章“Neues Konzept zur On-line-Rhometrie in Echtzeit”(实时在线流变的新原理)(A.Gttfert)，Kunststoffe 81，Carl Hanser Verlag，Munich，No.1，1991，公开了一种用于测量塑料熔体的流变参数的在线检测系统。该方法中，熔体流被挤出机分流出来，通过齿轮泵输送到有效检测装置并测量。缺点是材料的永久流失以及通过齿轮泵的输送影响熔体流变性能，因此该系统不能用于PVC的加工。
DE197 41 674A1(HAA GmbH)，1999年3月25日，公开了一种用于检测挤出机中塑料熔体(混合物)的流变性能的方法，是将熔体流分流到检测通道并通过压力和温度传感器测量流变性能。缺点是该系统中检测通道形成于挤出机料筒中，因为因此挤出机料筒在其长度方向上具有不同的温度分布，而塑料熔体的流变性能就受到如此不均匀的温度的影响，因此就测出失真的流变性能。
EP0 899 556A(GENERAL ELECTRIC)，1999年3月3日，公开了一种用于测量流变性能的基于分流出的熔体流的在线流变仪。生产期间材料的永久流失是不利的。
EP0 347 055A2(RHEOMETRICS INC.)，1989年12月20日，公开了一种在线流变仪，是从挤出机分流出熔体并通过齿轮泵输送到检测装置。缺点是通过齿轮泵将熔体流输送到检测装置，这就是在挤出PVC的情况下测出无价值的结果的原因。
WO01/32397 A1(TECHNOPLAST KUNSTSTOFFTECHNIK)，2001年5月10日，公开了一种熔体流分流出来的在线流变仪。缺点是材料的永久流失，因此该系统不适合连续的生产控制。
US Pat.No.4,213,747(FRIEDRICH REINHARD)，1980年7月22日，公开了一种用于检测具有分流的塑料熔体的粘度并通过齿轮泵将熔体流输送到检测装置的方法和设备。缺点是通过齿轮泵将熔体流输送到检测装置，这就是在挤出PVC的情况下测出无价值的结果的原因。
WO00/10794(GREINER EXTRUSIONSTECHNIK；LANGECKER Günter)，2000年3月2日，公开了用塑料生产椭圆形产品的方法和设备，其具有用于闭合循环控制熔体凝胶度或MFI/MVI指数的集成测量设备。结果是塑料熔体的MFI/MVI指数的检测主要是通过在标准化条件(例如，DIN53735)下的校准装置来进行的，所述检测不能在生产设备中进行并且不能保持，在生产条件下获得的值不易于转换成在标准化条件下获得的值。此外，MFI/MVI指数给粘度曲线提供了仅仅一个单一的值，这个值又远离型材挤出的技术上可能的值的范围(例如，MFI测定的剪切速率约10[l/s]；挤出的剪切速率范围约102-103[l/s])。结果此处提出的测量值作为控制参数在其后完全没用。此外，为了用PVC生产出质量要求高的产品而仅仅使用不带辅助输送装置(如齿轮泵)的双螺杆挤出机，因此此处概述的方法一般不能转化并简单用于型材的挤出。结果由PVC制得的塑料熔体的流变性能不能被“剪切前史”和温度影响，对于聚烯烃的应用是有限的且而不适合PVC。
DE197 15 630(MICHAELI WALTER)，1998年10月22日，公开了一种用于测定聚合物流变材料数据的设备和方法。作为检测部分配置的流道和挤出机耦接。由于短的测量部分，材料数据在非常小的压力变化下测出，这就是主要误差产生的原因。
EP0 238 796(WERNER&PFLEIDERER)，1987年9月30日，公开了一种基于侧向流动流变仪的原理的用于生产具有预定性能的塑料材料的设备和方法。缺点是生产期间材料的永久流失。
US Pat.No.6,463,810B1(INSTITUTE OF NUCLEAER ENERGYRESEARCH)，2000年2月7日，公开了一种用于测定低流动速率系统中流体的质量流量和流动速率的测量装置。该系统不能用于流变测量而且尤其不适合PVC熔体。
DD216 897 A1公开了一种挤出系统，该挤出系统具有用于检测所谓的加工过的塑料物质的形态状态的整体传感器，用于转换成工艺参数的设定值的信号处理单元/计算机单元。尽管发明也涉及聚氯乙稀的加工并且使用了连续操作的粘度计，但仍然没有考虑PVC的情况，流动性能不能用单一的粘度值描述，只能用多参数粘度函数。
DE3 713 400A1公开了一种通过用微处理器控制挤出过程的方法和设备。通过利用挤出方法的测量和控制参数(料筒温度，模具温度，螺杆速度，取出速度)之间以及它们计算出的参数(剪切速率，粘度，第一正应力差值，模头阻力，质量流量，临界剪切速率，膨胀，性能尺寸)之间的相互关系来控制挤出方法。
由于仅仅在塑料熔体的质量压力的一处进行测量，即测量排出压力，在由PVC制成塑料熔体的情况下粘度的测定是不可能的，这显示出固有的粘性流变性能。固有的粘性熔体具有依赖各种参数(剪切能、温度、压力以及在PVC的情况下“剪切前史(prehistory)”)的粘度函数，并且不能由单一的粘度值(η)表示。
DE1 454 787A公开了一种“保持与时间单位有关的材料的流动速率不变的方法”。该公开的发明的目的是保持流动速率不变。没有注意到给出塑料熔体的流变性能(并且也没有控制它们)。为了保持流动速率不变，用两台挤出机，其中一台放在另一台的后面，第二台挤出机安装有计量螺杆并且具有计量功能。仅在挤出机后通过压力传感器测量并处理作为测量信号的熔体压力。
发明内容
本发明的目的是，在易应用的方法和辅助设备的帮助下，确保通过挤出方法生产出具有复杂几何形状的型材棒的质量稳定，即使工艺参数有原材料不可避免的、常见的变动或机器引起的变动时也行。该方法必须被应用到最常见的使用材料(PVC)并且必须考虑生产条件下产生的剪切能、剪切前史以及物质温度。
按照本发明，发明目的是按照下述方式获得的，至少两个检测点在塑料熔体的流动方向彼此隔开，计算出一个控制参数，该参数是从根据熔体的局部压力以及代表挤出模具中熔体的流动速率的参数的预定函数获得的。
相关方面是，在正在进行的生产期间，测量塑料熔体的温度、从挤出机塑料熔体的出口一直到挤出模具的末端流出的熔体的压力减少以及从挤出模具出来的塑料熔体的出口速率，并处理成有意义的参数，作为工艺参数统计计算，并且为了在统计的闭合循环过程控制和检测期间生产装置的自动控制而进一步处理。
本发明明确地涉及在挤出模具之前并在模具中物质成形之后物质流动中传感器的布置。这导致的结果是熔体的粘度仅在完全塑化(即，离开螺杆的塑化体积后，进入挤出模具前)后挤出机中的熔体流的仅一处测出，因为在离开挤出模具后的模制型材中在较近的传感器中不再有塑料熔体，而塑料熔体是用来测定粘度的。公知的，PVC熔体代表本质所谓的固有粘性液体，导致PVC熔体具有依赖于剪切速率、温度以及另外的“剪切前史”的粘度函数的结果。PVC熔体不能用单一的“粘度值”来描述。
公知溶液基本不同于本发明，本发明采用下述方式，依赖于各种参数的非线性粘度函数的仅一个单一的值能利用安装的测量传感器测出。利用不知道粘度函数的仅一个单一的粘度值，不可能得到用于过程监测和控制的策略。和这个形成对比，本发明涉及隐含的、但可靠的在和挤出过程相关的整个剪切速率范围内的粘度函数的检测。为了解释发明目的，需要提到在挤出模具中沿着“流道”流动的塑料熔体的剪切速率范围是约102l/sec(熔体流进模具的入口)—103l/sec(熔体流出模具的出口)，即，质量压力已经完全降低的地方。
处理仅一个单一的剪切速率状态的用来表征熔体性质的检测传感器不能为具有固有粘度流动性能的塑料熔体提供有用的结果。
本发明基于对于随机设置的过程在整个剪切速率范围的粘度函数的间接检测。
DE3 713 400 A1涉及材料PVC。除了现今传统使用的方法，该方法没有给生产PVC型材的挤出过程的闭合循环系统提供任何有用的参数，且该方法总要对应于现有技术状况的温度和质量压力传感器。
本发明受熔体性能的测量和为了保持型材质量稳定而影响所述熔体性能的支配。对于大部分热塑性材料(包括PVC)通过保持流动速率的稳定(DE1 454787A中公开的)，不能解决关系型材质量的均匀性问题。因此公开的解决办法在任何情况下都不能影响本发明。
与挤出过程的相关的参数是螺杆速率、螺杆的充填率(通过计量螺杆的速率可影响该充填率)、塑化所需塑化能(由螺杆速率和螺杆转矩组成)、引进挤出机料筒和挤出机螺杆的热能、挤出模具中的压力消耗(作为在挤出机法兰和模具法兰之间的适配器中的质量压力测量)、塑料熔体的温度(物质温度，在挤出机法兰和模具法兰之间的适配器中测量)、模具回火、挤出速率以及从模具压出型材的输出速率。用传统的方式测量并用适当的方式列出这些参数。由挤出过程生产出的型材棒的质量通过几何测量设备和光学、化学以及物理测试方法来进行外部评价。按照现有技术的状态，如果有导致质量损伤或是无结果的偏差就进行参数的手动调节。这会导致下述缺点，部分地延长了当偏差产生时和偏差识别时之间的时间，意味着会生产出大量废品直到校正有效果。伴随着生产过程的参数测定，不可能提供依照制造型材的质量标准的设备的闭合循环控制。为了能够达到那些质量标准，定义了新的参数，所谓的挤出计数“EZ”，对于预定的塑料材料，在预定的生产条件下，在具有预定的挤出模具的挤出机中，依据该计数能用简单的方式描述塑料熔体的流变性能。该挤出计数随后被用作挤出设备的自动控制的控制参数。
这一命名为挤出计数EZ的新参数间接描述了在生产条件下的塑料熔体的粘度函数。在传统检测中，塑料熔体的流变性能通过通常基于简单的模型定律的粘度函数来描述。按照Carreau模型的粘度函数将作为实施例来描述。在生产条件下用合适的检测设备，对“绝对”粘度函数的精确测定是复杂的而且仅代表瞬间反映。为此，在传统检测中“绝对”粘度函数的测定被忽略了，而支持真实描述过程的“辅助函数”。粘度函数描述了熔体粘度与关于特性(熔体)温度的剪切速率的关系。
η ( T M ) = f ( γ · ) [ Pa · s ] - - - ( 1 )
EZ ( T , v A ) = Σ i = 1 n ( p i · v ‾ i ) [ bar · m / min ] - - - ( 2 )
v ‾ i = V · A i [ m / min ] - - - ( 3 )
V · = A · v A [ m 3 / min ] - - - ( 4 )
η(TM)…粘度[Pa s]
…剪切速率[l/s]
TM…物质(熔体)温度[℃]
υA…取出速率[m/min]
pi…局部质量压力[bar]
Figure A20051010389700106
…平均局部熔体流动速率[m/min]
Figure A20051010389700107
…容积流量(出口)[m3/min]
Ai…模具横截面局部流量[m2]
结果，对于给定的挤出模具和给定的挤出设备，挤出计数EZ仅仅是物质温度TM和取出速率υA的函数。
通过传统的压力传感器测量挤出模具的压力消耗，系统(适配器)中需要至少一个压力传感器。优选实施方案中，在挤出模具流道中用至少一个附加压力传感器测量附加压力水平，所述水平能用于压力消耗的更精确测量以及挤出模具中各自位置的分配。挤出模具中容积流量V由出口横截面阳取出速率υA(＝从挤出模具挤出物的出口速率)算出。
按照本发明的方法以及用于挤出过程的自动控制所需的设备，依下述方式工作：用新的挤出模具在生产开始时测定并存储“总曲线”。作为物质温度和取出速率的函数的挤出计数EZ在生产条件下测定。在每个预定位置检测型材质量，并在型材质量仍达到要求内测定阈值，并将生产目标值确定为“平均值”。控制算法设法达到并保持这个作为目标值的平均值。通过按照传统方法的倾向性分析来分析偏离目标值。只要算出的挤出计数处在预选的阈值内时就不用动作。警告信息或警告信号仅仅在到达所谓的警告阈值时发出。另一方面，当到达干涉阈值时将会有关于执行一个或多个生产参数变化的信息(例如，增加物质温度、降低螺杆速率、增加取出速率)。
附图说明
现在参照附图近乎详细地解释本发明，其中：
图1示意地表示轴侧图中的挤出设备；
图2示意地表示侧视图中的挤出设备；
图3表示描述典型的挤出计数的图表；
图4表示按照图2提出的实施例；
图5表示按照图2提出的实施例；
图6表示解释本发明的其它的图表，以及
图7表示解释本发明的其它的图表。
具体实施方式
图1表示由挤出机1、挤出模具2、干式校准器3、水浴或真空箱校准器4、真空定型台5、型材履带引出6、长度方向切断型材的装置7以及生产出的型材8组成的挤出设备。
图2表示相对于生产技术而言最重要的挤出设备部分，该部分由挤出机1和挤出模具2组成。其中挤出机1具有传动装置1.1、驱动电机1.2、材料的进料设备1.3(漏斗形)、挤出机料筒1.4(具有未详细示出的挤出机螺杆)、加热装置1.5(构成加热及冷却体)、测定挤出机料筒温度的温度传感器1.6、测定适配器1.9中的熔体的物质温度的温度传感器1.7、测定适配器1.9中的熔体压力的压力传感器1.8。挤出模具2包括加热装置2.1以及测定挤出模具温度的温度传感器2.2。
图3表示典型的PVC熔化的粘度曲线，在约102-103[l/s]的剪切速率范围内的挤出范围以及为了测定MFI值的剪切速率范围。该粘度曲线通过改变熔体(物质)温度而变化；当温度升高时粘度降低，反之亦然。另外，该粘度曲线的斜度又受改变剪切能的引入(“剪切前史”)的影响。
图4表示按照本发明为了测定挤出模具中较精确的压力消耗，挤出模具2中具有辅助压力测量传感器2.3和2.4的挤出设备。所述压力测量传感器安装在可以直接接触熔体的位置，但要安装在与成品有关的、对表面质量(如，没有条纹、有光泽)只有次要要求的地方。
图5表示按照本发明的具有控制器1.10的挤出设备。测定下述参数：电动机转矩1.2.1、料筒加热输出量1.5.1、物质温度1.7.1、质量压力1.8.1、挤出模具中的熔体压力2.3.1和2.4.1、模具温度2.2.1以及从型材履带引出装置6的驱动装置6.1的取出速率6.1.1。
图6表示描述处理作为物质温度10.1的函数以及取出速率10.2的函数的挤出计数EZ10以及上部阈值10.3和上部阈值10.4的示意图。
图7示意性地表示通过闭合循环过程控制的卡片技术11的闭合循环过程控制的可能性，该卡片技术具有上干涉阈11.1和下干涉阈11.5、上警告阈11.2和下警告阈11.4、以及挤出计数的目标值11.3、以及示意图中的柱形图12中的不同过程参数的处理。
本发明描述了一种用于自动过程和质量控制的方法和必要设备及其用于生产由热塑性材料，优选PVC制得的型材棒的挤出工序的集成闭合循环控制系统。

Claims (15)

1、一种用于生产由热塑性材料，优选PVC制成的型材的方法，其中，为了生产具有预定横截面的型材股，在挤出机中塑化并通过挤出模具压制塑料颗粒或粉末，为了确保生产出的型材的质量均匀而使用自动过程和/或质量控制，记录并处理挤出机中和/或挤出模具中的塑料熔体状态的测量值，其中至少在塑料熔体流动方向的两个互相间隔开的测量点，计算出一个控制参数，该控制参数是由取决于挤出模具中的熔体局部压力和表示熔体流动速率的参数的预定函数获得的。
2、按照权利要求1的方法，其特征在于，所述控制参数可以表示为根据熔体局部压力和熔体流动速率得出的产品的函数。
3、按照权利要求1或2的方法，其特征在于，将由测量点的螺杆速度和横截面面积确定的物质流量的系数作为可表示在挤出模具中熔体流动速率的参数。
4、按照权利要求1或2的方法，其特征在于，将由测量点的取出速度和横截面面积确定的物质流量的系数作为可表示在挤出模具中熔体流动速率的控制参数。
5、按照权利要求1至4中一个的方法，其特征在于，另外在测量点确定温度。
6、按照权利要求1至5中一个的方法，其特征在于，至少一个测量点布置在挤出模具末端的上游，并且至少一个另外的测量点布置在挤出模具末端的下游。
7、按照权利要求1至6中一个的方法，其特征在于，至少一个测量点直接布置在挤出螺杆的下游，并优选在适配器的上游。
8、按照权利要求1至7中一个的方法，其特征在于，将在不同的测量点获得的几个控制参数合成为主控制参数，该主控制参数主要用于闭合循环过程控制。
9、按照权利要求1至8中一个的方法，其特征在于，将模糊逻辑算法用于闭合循环过程。
10、按照权利要求1至9中一个的方法，其特征在于，将神经网络用于闭合循环过程。
11、一种用于生产由热塑性材料，优选PVC制成型材的设备的闭合循环控制的装置，其中，为了生产具有预定横截面的型材股，在挤出机中塑化并通过挤出模具压制塑料颗粒或粉末，其中，为了测定用于挤出过程的闭合循环控制的控制参数，提供一个用于测量熔体压力的测量传感器，其中，提供一个控制器，该控制器通过来自熔体局部压力且代表在挤出模具中在熔体流动方向上至少两个彼此隔开的测量点的流动速率的参数计算出一个由局部压力的预定函数得到的控制参数，并且此参数来自局部压力且代表挤出模具中熔体流动速率。
12、按照权利要求11的装置，其特征在于，在至少一个测量点进一步提供温度传感器。
13、按照权利要求11或12的装置，其特征在于，至少一个测量点布置在挤出模具末端的上游，并且至少一个另外的测量点布置在挤出模具末端的下游。
14、按照权利要求11至13中的一个装置，其特征在于，至少一个测量点直接布置在挤出螺杆的下游，并优选适配器的上游。
15、按照权利要求11至14中的一个装置，其特征在于，控制器将在不同的测量点获得的几个控制参数合成为主控制参数，该主控制参数主要用于闭合循环过程控制。
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Date Code Title Description
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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