DE10112296A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Produkten auf einem Kalander - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Produkten in Form von Bändern, Platten oder Folien aus einem plastischen Material wie Kunststoff oder natur- und/oder Synthese-Kautschuk, mit einer von einem Motor (7) angetriebenen Extruderanlage (1) mit Extrusionsdüse (2), die unmittelbar in den zwischen zwei Kalanderwalzen (3, 4) einer Kalanderanlage (5) bestehenden Walzenspalt (6) das plastifizierte Material extrudiert, wobei eine elektronische Regeleinrichtung (8) vorgesehen ist, die den Motor (7) der Kalanderwalzen (3, 4) in der Drehzahl so regelt, dass Dickenänderungen der Produkte infolge von zeitlichen Schwankungen in der Menge des extrudierten Materials kompensiert werden, und wobei eine Walzenanstellvorrichtung (9) vorgesehen ist, die den Walzenspalt (6) auf einen unter Last jeweils gewünschten Soll-Wert stellt. Dabei ist ein Sensor (10) vorgesehen, der fortlaufend die Anstellkraft der Kalanderwalzen (3, 4) oder eine dafür repräsentative Größe ermittelt und zur Verwertung in der Drehzahlregelung des Motors (7) an die elektronische Steuerung (8) gibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von Produkten in Form von Bändern, Platten oder Folien durch Kalandrieren eines in den Walzenspalt zweier Kalanderwalzen von einem Extruder durch eine Extrusionsdüse hindurch kontinuierlich extrudierten plastischen Materials wie einer Kunststoffschmelze oder einer Natur- und/oder Synthese-Kautschukmischung, wobei zur Vermeidung von Dickenschwankungen in den Produkten infolge von Förderstrompulsationen des mit im wesentlichen konstanter Drehzahl betriebenen Extruders eine Regelung der Drehzahl der Kalanderwalzen erfolgt und die Kalanderwalzen unter Last auf einen vorgegebenen Walzenspalt zueinander angestellt sind, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der Firmenbroschüre "Extruders and extrusion lines for the processing of rubber compounds" (Hermann Berstorff Maschinenbau GmbH, Nr. 36-GE 01/2.0.5/97) ist eine Kalanderanlage der vorgenannten Art bekannt, die insbesondere zur Herstellung von Gummiplatten mit eng tolerierter Dicke dient. Die Einstellung des unter Last jeweils gewünschten Walzenspalts zwischen den Walzen des Kalanders wird hierbei über hydraulische Kolben/Zylinder-Systeme bewirkt. Ein Extruder mit Breitschlitzdüse fördert die plazifizierte Kautschukmischung unmittelbar in den Walzenspalt des Kalanders. Die Drehzahl des Extruderantriebs wird konstant eingestellt. Dennoch kommt es zu Pulsationen im Förderstrom des Extruders, also in gewissen Grenzen zu zeitlich unterschiedlich starken Ausstoßvolumina. Dies führt dazu, dass der Wulst des extrudierten Materials, der sich regelmäßig am Eingang des Walzenspaltes ausbildet, entsprechend den Förderstrompulsationen unterschiedliche Größe annehmen kann. Obwohl der Walzenspalt zwar im Prinzip auf einen festen Wert eingestellt ist, der der gewünschten Solldicke der zu erzeugenden Produkte näherungsweise entspricht, kommt es bei vermehrtem Materialausstoß zu Produkten mit entsprechend vergrößerter Dicke, da der Kalander kein geometrisch völlig starres Gebilde darstellt, sondern unter der jeweiligen Walzlast entsprechenden Verformungen unterliegt. In Zeitphasen mit verringertem Materialausstoß kommt es in umgekehrter Weise zu entsprechenden Verringerungen der Dicke des erzeugten Produktes gegenüber der jeweiligen Solldicke.

Das in der genannten Firmenbroschüre dargestellte Anlagenkonzept einer Kalanderanlage mit vorgeschalteter Extrusionsanlage beinhaltet eine elektronische Regelung, mit der die geschilderten Probleme gelöst werden, also die von den Schwankungen des Förderstroms des Extruders abhängigen Dickenschwankungen weitestgehend ausgeglichen werden. Hierzu wird der Effekt ausgenutzt, dass bei einem gleichbleibenden Förderstrom des Extruders die erzeugten Produkte auf einem Kalander, der bei einer vorgegebenen Last auf einen vorgegebenen Sollwert des Walzenspalts eingestellt ist, umso dicker ausfallen, je langsamer die Kalanderwalzen laufen, und die Produkte um so dünner werden, je schneller die Kalanderwalzen gegenüber dem eigentlichen Sollwert laufen. Die Regelung wirkt daher auf den Motorantrieb der Kalanderwalzen in dem Sinne ein, dass die Drehzahl kurzfristig entsprechend erhöht wird, wenn der Materialausstoß des Extruders den Sollwert überschreitet, während im Falle eines zeitweilig zu geringen Materialausstoßes die Drehzahl und damit die Abzugsgeschwindigkeit für das erzeugte Produkt entsprechend verringert wird. Zur Feststellung, in welcher Richtung und in welchem Maße sich der jeweilige Materialausstoß zu einem Zeitpunkt vom vorgegebenen Sollwert entfernt hat, macht man sich hierbei den Umstand zu nutze, dass eine Vergrößerung und Verkleinerung des Materialwulstes im Walzenspalt des Kalanders jeweils mit entsprechenden Druckschwankungen in der Extrusionsdüse in der Nähe des Austrittsquerschnitts verbunden ist. Daher wird ein entsprechender Drucksensor in der Extrusionsdüse angeordnet und mit der elektronischen Regelung verbunden, die den Motorantrieb für die Kalanderwalzen beeinflusst.

Bei den meisten Kalanderprodukten funktioniert diese Art der Regelung in hervorragender Weise. Wenn jedoch Kalanderprodukte mit sehr kleinen Dicken, d. h. deutlich unter 1,5 mm oder sogar unter 1 mm Dicke erzeugt werden sollen, ist dies nicht mehr der Fall. Dies liegt daran, dass bei derartigen Produktionen Breitschlitzdüsen zur Extrusion verwendet werden, die statt einer Kanalhöhe von 20-­ 90 mm im Extrusionskanal lediglich eine Kanalhöhe von etwa 5 mm aufweisen. Dementsprechend ist auch der extrudierte Strang relativ dünn und der Materialwulst im Eintrittsbereich des Walzenspalts des Kalanders nur klein. Anders als bei der Produktion dickerer Kalanderprodukte, wobei der Materialwulst die Düsenlippen der Extrusionsdüse berührt, liegt bei der Produktion sehr dünner Kalanderprodukte eine solche Berührung nicht mehr vor. Daher besteht praktisch keine Korrelation zwischen dem im Austrittsbereich der Breitschlitzdüse gemessenen Druck und der Größe des Materialwulstes im Walzenspalt des Kalanders.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs genannte Verfahren dahingehend weiterzubilden, dass auch bei der Produktion von vergleichsweise dünnen Kalanderprodukten eine möglichst sichere und wenig Aufwand erfordernde Regelung der Produktdicke gewährleistet ist. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens angegeben werden.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet. Der unabhängige Anspruch 5 beinhaltet die Merkmale einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die durch die Merkmale der Ansprüche 6 und 7 vorteilhaft ausgestaltbar ist.

Die Erfindung sieht bei einem Verfahren mit den im Gattungsbegriff des Hauptanspruchs genannten Merkmalen vor, dass anstelle der bisherigen Druckmessung im Nahbereich des Austrittsquerschnitts der Extrusionsdüse eine völlig andere Messgröße herangezogen wird, um die erforderliche Dickenregelung durch Beeinflussung der Drehzahl der Kalanderwalzen zu bewirken. Hierzu wird die Kraft herangezogen, mit der die den Walzenspalt bildenden Walzen des Kalanders unter Last gegeneinander angestellt sind. Selbstverständlich kann anstelle des tatsächlichen Wertes der Kraft auch eine andere Größe verwendet werden, die für diese Anstellkraft repräsentativ ist. Wenn infolge eines zu großen Materialwulstes im Walzenspalt das erzeugte Kalanderprodukt eine zu große Dicke erhält, zeigt sich dies unmittelbar in einem Anstieg der Anstellkraft der jeweiligen Kalanderwalzen. Umgekehrt ist dies im Falle einer Verringerung der Produktdicke infolge eines zu geringen Materialangebots, also eines zu kleinen oder sogar gar nicht vorhandenen Materialwulstes. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass gerade bei der Produktion sehr dünner Kalanderprodukte die Gefahr besteht, dass die Kalanderwalzen mangels ausreichender Menge an Extrusionsmaterial unmittelbar aufeinandergefahren werden und hierdurch beschädigt werden. Eine solche Situation muss unter allen Umständen vermieden werden. Dies wird durch die vorliegende Erfindung gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Regelung ist selbstverständlich auch für die Erzeugung von Kalanderprodukten mit üblicher Dicke, also über 1,5 mm anwendbar. Mit besonderem Vorteil wird die Erfindung jedoch angewendet bei der Erzeugung von Kalanderprodukten mit deutlich geringerer Dicke, vorzugsweise mit Dicken im Bereich von 0,2-0,8 mm.

Besonders einfach lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren realisieren, wenn die verwendete Kalanderanlage mit einer hydraulischen Walzenanstellung versehen ist. In diesem Fall braucht nämlich lediglich der jeweilige Hydraulikdruck im hydraulischen Walzenanstellsystem, also in den entsprechenden Zylinder/Kolben-Systemen erfasst und zur Drehzahlregelung benutzt zu werden. Die Erfindung ist aber auch anwendbar, wenn andere Walzenanstellsysteme, z. B. auf der Basis elektromotorischer Spindelantriebe eingesetzt werden. In diesem Fall kann man sich vorteilhaft den Effekt zunutze machen, dass sich der Kalanderständer, in dem die Kalanderwalzen gelagert sind, unter der auf die Kalanderwalzen einwirkenden Last je nach Größe der tatsächlich vorliegenden Anstellkraft im Walzenspalt in entsprechender Weise verformt. Die hierbei eintretenden Längenänderungen können beispielsweise über Dehnungsmesstreifen oder andere Messsysteme erfasst und direkt oder nach Umformung in eine für die Anstellkraft der Kalanderwalzen repräsentative Größe zur Regelung der Walzendrehzahl der Kalanderwalzen genutzt werden.

Eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Produkten in Form von Bändern, Platten oder Folien aus einem plastischen Material wie Kunststoff oder natürlicher oder künstlicher Kautschuk weist eine von einem Motor angetriebene Extruderanlage mit Extrusionsdüse auf, die unmittelbar in den zwischen zwei Kalanderwalzen einer Kalanderanlage bestehenden Walzenspalt das plazifizierte Material extrudiert. Dabei ist eine elektronische Regeleinrichtung vorgesehen, die den Motor der Kalanderwalzen in der Drehzahl so regelt, dass Dickenänderungen der Produkte infolge von zeitlichen Schwankungen in der Menge des extrudierten Materials kompensiert werden. Darüber hinaus ist eine Walzenanstellvorrichtung vorgesehen, die den Walzenspalt auf einen unter Last jeweils gewünschten Sollwert stellt. Erfindungsgemäß ist diese Vorrichtung mit einem Sensor versehen, der fortlaufend die Anstellkraft der Kalanderwalzen oder eine dafür repräsentative Größe ermittelt und zur Verwertung in der Drehzahlregelung des Motors für die Kalanderwalzen an die elektronische Steuerung gibt.

Nachfolgend wir die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der einzigen Figur in Form eines schematischen Anlagenkonzepts wiedergegeben ist, näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Extruderanlage 1, deren Antriebsmotor mit einer konstanten Drehzahl n betrieben wird. Im Bereich des Ausgangs der Extruderanlage 1 ist eine Extrusionsdüse 2 in Form einer Breitschlitzdüse angeordnet. Die Extrusionsdüse 2 mündet in unmittelbarer Nähe des Walzenspalts 6, der zwischen den beiden Kalanderwalzen 3, 4 einer Kalanderanlage 5 gebildet ist. Die Kalanderwalzen 3, 4 werden mittels eines elektrischen Motors 7 angetrieben. Der Kalanderständer und das Getriebe der Kalanderanlage 5 sind nicht gesondert dargestellt. Die Kalanderanlage 5 verfügt über eine hydraulische Walzenanstellvorrichtung 9, die durch das angedeutete hydraulische Zylinder/Kolben-System symbolisiert wird, das mit der Kalanderwalze 3 verbunden ist. Der Zylinder der hydraulischen Walzenanstellvorrichtung 9 ist durch den Kolben in einen oberen Druckraum 12 und einen unteren Druckraum 13 unterteilt. Der obere Druckraum 12 ist mit einem Sensor 10 bestückt, der den hydraulischen Druck messen kann. Die jeweiligen Messwerte werden über eine Signalleitung an eine elektronische Regeleinrichtung 8 gegeben, die die Drehzahl des Motors 7 beeinflusst. Mit dem Bezugszeichen 11 ist ein Sollwertgeber für die Regeleinrichtung 8 bezeichnet.

Die Funktionsweise dieser Anlage ist wie folgt.

Die Extruderanlage 1 fördert bei im wesentlichen konstanter Antriebsdrehzahl durch die Extrusionsdüse 2, die beispielsweise eine Kanalhöhle von 5 mm aufweist, plastifiziertes Material, z. B. eine Kautschukmischung, in den Walzenspalt 6 der Kalanderanlage 5. Die Walzen 3, 4 der Kalanderanlage 5 werden durch den elektrischen Motor 7 mit einer vorgegebenen Drehzahl entsprechend dem gewünschten Produkt angetrieben. Durch die Walzenanstellvorrichtung 9 wird unter Last die obere Kalanderwalze 3 so weit auf die feststehende Kalanderwalze 4 angestellt, bis der gewünschte Walzenspalt erreicht ist, der der gewünschten Produktdicke entspricht. Bei Erreichen der Sollposition wird der Kolben der hydraulischen Walzenanstellvorrichtung 9 in seiner Stellung blockiert, indem die Zu- und Ableitungen für die Hydraulikflüssigkeit zu den Druckräumen 12, 13 gesperrt werden. Diese Zuleitungen sind in der schematischen Darstellung nicht wiedergegeben. Sämtliche Einstellungen entsprechen dem idealen Fall unter den Bedingungen der Sollwerte.

Wenn nun infolge der bei einem Schneckenextruder unvermeidbar eintretenden Förderstrompulsationen zeitweilig mehr oder weniger Material, als es dem Sollwert entspricht, in den Walzenspalt 6 gefördert wird, verändert sich die Größe des Materialwulstes, der im vorliegenden Fall bei einem Walzenspalt von z. B. 0,5 mm nur sehr klein ist, in entsprechend kurzer Zeit. Bei zu geringer Materialzufuhr in den Walzenspalt 6 würde dies zu einer Verringerung der Produktdicke führen, was sich sofort in einem entsprechenden Druckabfall im oberen Druckraum 12 der Walzenanstellvorrichtung 9 zeigen würde. Sobald der Sensor 10 eine entsprechende Tendenz feststellt und an die elektronische Regeleinrichtung 8 weitergibt, wird von dieser ein entsprechendes Korrektursignal an den elektrischen Motor 7 der Kalanderanlage 5 gegeben, das dazu führt, dass die Antriebsdrehzahl der Kalanderwalzen 3, 4 in entsprechender Weise reduziert wird. Dies verhindert ein Absinken der Dicke des kalandrierten Materials, da aufgrund der verringerten Abzugsgeschwindigkeit im gleichen Maße weniger kalandriertes Material aus dem Kalander abgezogen wird, wie im jeweiligen Zeitraum weniger plastifiziertes Material in den Walzenspalt 6 gefördert wird. Im Falle einer zeitweiligen Überversorgung des Walzenspalts 6 mit extrudiertem Material findet der umgekehrte Vorgang statt. Der Drucksensor 10 stellt dann nämlich einen Druckanstieg aufgrund der ansteigenden Walzenanstellkraft fest. Die Walzenanstellkraft liegt üblicherweise je nach Produkt in einem Bereich von etwa 2000-8000 N/cm Ballenlänge der Kalanderwalzen. Infolge des von dem Sensor 10 gemessenen Druckanstiegs erhöht die elektronische Regeleinrichtung 8 die Drehzahl des Motors 7 und damit die Abzugsgeschwindigkeit und die Menge des abgezogenen kalandrierten Materials in der gleichen Weise, wie im jeweiligen Zeitraum im Vergleich zum jeweiligen Sollwert zu viel Material in den Walzenspalt 6 gefördert wird. Hierdurch bleibt auch in dieser Phase die Dicke des kalandrierten Produktes praktisch konstant.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, mit vergleichsweise sehr geringem Aufwand eine besonders effektive Regelung der Dicke der erzeugten Kalanderprodukte, die sonst wegen der unvermeidbar auftretenden Förderstromschwankungen einer vorgeschalteten Extrusionsanlage schwanken würde, sicherzustellen.

Claims (7)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von Produkten in Form von Bändern, Platten oder Folien durch Kalandrieren einer in den Walzenspalt zweier Kalanderwalzen von einem Extruder durch eine Extrusionsdüse hindurch kontinuierlich extrudierten plastischen Materials wie einer Kunststoffschmelze oder einer Natur- und/oder Synthese-Kautschukmischung besteht, wobei zur Vermeidung von Dickenschwankungen in den Produkten infolge von Förderstrompulsationen des mit im Wesentlichen konstanter Drehzahl betriebenen Extruders eine Regelung der Drehzahl der Kalanderwalzen erfolgt und die Kalanderwalzen unter Last auf einen vorgegebenen Walzenspalt zueinander angestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstellkraft der Kalanderwalzen oder eine dafür repräsentative Größe fortlaufend gemessen und die jeweiligen Messwerte oder repräsentativen Werte . zur Regelung der Drehzahl der Kalanderwalzen benutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Produkte eine Dicke von weniger als 1,5 mm, insbesondere eine Dicke im Bereich von 0,2-0,8 mm aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer hydraulischen Walzenanstellung im Kalander der Hydraulikdruck im hydraulischen Anstellsystem gemessen und zur Drehzahlregelung benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstellkraft über die Verformung des Kalanderständers, in dem die Kalanderwalzen gelagert sind, insbesondere über Dehnungsmessstreifen gemessen wird.

5. Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Produkten in Form von Bändern, Platten oder Folien aus einem plastischen Material wie Kunststoff oder Natur- und/oder Synthese-Kautschuk, insbesondere nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1, mit einer von einem Motor (7) angetriebenen Extruderanlage (1) mit Extrusionsdüse (2), die unmittelbar in den zwischen zwei Kalanderwalzen (3, 4) einer Kalanderanlage (5) bestehenden Walzenspalt (6) das plastifizierte Material extrudiert, wobei eine elektronische Regeleinrichtung (8) vorgesehen ist, die den Motor (7) der Kalanderwalzen (3, 4) in der Drehzahl so regelt, dass Dickenänderungen der Produkte infolge von zeitlichen Schwankungen in der Menge des extrudierten Materials kompensiert werden, und wobei eine Walzenanstellvorrichtung (9) vorgesehen ist, die den Walzenspalt (6) auf einen unter Last jeweils gewünschten Soll-Wert stellt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (10) vorgesehen ist, der fortlaufend die Anstellkraft der Kalanderwalzen (3, 4) oder eine dafür repräsentative Größe ermittelt und zur Verwertung in der Drehzahlregelung des Motors (7) an die elektronische Steuerung (8) gibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzenanstellvorrichtung (9) hydraulische Zylinder/Kolben-Systeme umfasst, und der Sensor (10) ein Drucksensor zur Messung des Hydraulikdrucks in den Zylinder/Kolben-Systemen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) ausgebildet ist als am Kalanderständer angebrachtes System von Dehnungsmessstreifen zur Erfassung der Verformung des Kalanderständers unter Last.