DE10129707A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Druckregelung bei einem Einschneckenentgasungsextruder oder einem Kaskadenextruder - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Druckregelung bei einem Einschneckenentgasungsextruder oder einem KaskadenextruderInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Minimalwertes des Drucks in der ersten Hälfte der Austragszone in Förderrichtung bei einem Einschneckenentgasungsextruder oder einem Kaskadenextruder während der Förderung einer Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffs, wobei der Einschneckenentgasungsextruder oder der Kaskadenextruder jeweils eine erste Schneckenstufe (13), eine Entgasungszone (14), eine Austragszone (22) sowie einen Meßregelkreis (M) aufweisen, der einen Druckmeßsensor (P) in der ersten Hälfte der Austragszone, einen Regler (R) und ein Stellglied (S) zur Beeinflussung des Drucks in der Austragszone beinhaltet, wobei der Druck mittels des Druckmeßsensors (P) gemessen wird und über den Regler (R) und das Stellglied (S) so eingestellt wird, daß der Minimalwert am Ort der Messung zwischen 0,1 und 10 bar liegt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Druckregelung bei
einem Einschneckenentgasungsextruder oder einem Kaskadenextruder.
Die Extrusion von thermoplastischen Kunststoffen zu Formkörpern wie Platten
oder Folien erfolgt in der Regel dann unter Einsatz eines
Einschneckenentgasungsextruders, wenn während des Extrusionsprozesses
flüchtige Bestandteile, die sich negativ auf die Eigenschaften des
herzustellenden Extrudats auswirken, abgetrennt werden sollen. Diese
flüchtigen Bestandteile können z. B. Wasser, Monomere oder Oligomere sein.
Im Einschneckenentgasungsextruder wird der in Granulatform vorliegende
Kunststoff in einer ersten Schneckenstufe, bestehend aus einem
Einzugsbereich, einer Kompressionszone und einer ersten
Homogenisierungszone (im folgenden als Eintragszone bezeichnet) zunächst
geschmolzen, komprimiert und homogenisiert und einer zweiten
Schneckenstufe zugeführt. Diese besteht aus einer tief geschnittenen
Entgasungszone und einer Austragszone, in denen die Schmelze entgast,
komprimiert und in eine Extrusionsdüse gefördert wird, aus der die Schmelze
dann in der gewünschten Form austritt.
Eine alternative Ausführung ist der sogenannte Kaskadenextruder. Bei dieser
Anordnung ist die Schnecke entsprechend den genannten zwei
Schneckenstufen in zwei hintereinandergeschaltete Einschnecken mit separaten
Antrieben unterteilt. Die Drehzahlen der beiden Schnecken werden
üblicherweise in einem festen Verhältnis gehalten.
Üblicherweise sind Extruder der beschriebenen Art mit einem Temperiersystem
ausgestattet, das es erlaubt, über den Zylinder Wärme zu- oder abzuführen,
um die Temperatur im Bereich der Schnecke in der gewünschten Art und
Weise einzustellen. Die Temperierung kann über eine Wärmeträgerflüssigkeit
erfolgen, die wiederum mittels bekannter Heiz-/Kühlgeräte temperiert wird.
Häufig werden auch Kombinationen aus elektrischer Beheizung und Luft- oder
Wasserkühlung eingesetzt. Die Regelung der Temperatur über ein
Thermoelement im Zylinder, das einen Regler ansteuert, der wiederum die
Wärmezu- oder -abfuhr auslöst, ist Stand der Technik.
Um eine möglichst an die Anforderungen des Prozesses angepasste
Temperaturführung zu ermöglichen, ist die Temperierung über der Länge des
Extruders meist in eine größere Anzahl von unabhängig regelbaren Zonen
unterteilt.
DE-C 27 58 265 beschreibt eine Regeleinrichtung zur Überwachung des
Füllstandes einer Entgasungsöffnung an einem Extruder für die Verarbeitung
von Hochdruck-Polyethylenschmelze.
DE-C 37 44 193 beschreibt ein Verfahren zum Entgasen einer
thermoplastischen Kunststoffschmelze über einen weiten Viskositätsbereich mit
mehreren hintereinandergeschalteten Entgasungsstufen.
Stehr, R. und Andersen, P. beschreiben in ANTEC '92, S. 416-420:
"Controlling a Gear Pump Assisted Degassing Extruder via Dual Pressure Sensing" eine Vorrichtung, bestehend aus einem Einschneckenentgasungsextruder mit anschließender Zahnradschmelzepumpe. Der Einschneckenentgasungsextruder mit erster und zweiter Schneckenstufe weist einen Meßregelkreis zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Drucks am Ende der Austragszone auf, wodurch sichergestellt sein soll, daß die entsprechende Extruderzone mit Schmelze gefüllt ist, aber keine Schmelze aus der Entgasungsöffnung austritt. In den Druckdiagrammen werden für die erste Hälfte der Austragszone hohe Drücke, um die 30 bar, angegeben (pm). Die Drücke hinter der Schneckenspitze (ps) werden niedriger angegeben und weisen offenbar starke periodische Schwankungen im Bereich zwischen 15 und 30 bar auf. Eine Druckregelung in der ersten Hälfte der Austragszone, mit dem Ziel dort eine Teilfüllung mit Schmelze zu vermeiden, wird nicht angeregt.
"Controlling a Gear Pump Assisted Degassing Extruder via Dual Pressure Sensing" eine Vorrichtung, bestehend aus einem Einschneckenentgasungsextruder mit anschließender Zahnradschmelzepumpe. Der Einschneckenentgasungsextruder mit erster und zweiter Schneckenstufe weist einen Meßregelkreis zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Drucks am Ende der Austragszone auf, wodurch sichergestellt sein soll, daß die entsprechende Extruderzone mit Schmelze gefüllt ist, aber keine Schmelze aus der Entgasungsöffnung austritt. In den Druckdiagrammen werden für die erste Hälfte der Austragszone hohe Drücke, um die 30 bar, angegeben (pm). Die Drücke hinter der Schneckenspitze (ps) werden niedriger angegeben und weisen offenbar starke periodische Schwankungen im Bereich zwischen 15 und 30 bar auf. Eine Druckregelung in der ersten Hälfte der Austragszone, mit dem Ziel dort eine Teilfüllung mit Schmelze zu vermeiden, wird nicht angeregt.
Ein kritischer Punkt bei der Gestaltung der Schneckengeometrie eines
Einschneckenentgasungsextruders bzw. der Festlegung des Verhältnisses der
Schneckendrehzahlen beim Kaskadenextruder ist die Abstimmung des
Förderverhaltens der beiden Schneckenstufen. Dabei muss sichergestellt sein,
dass in jedem Betriebszustand des Extruders (Kunststoff, Durchsatz und
Temperatur) die zweite Stufe mehr Schmelze abtransportieren kann, als die
erste Stufe liefert.
Andernfalls tritt Schmelze aus dem Entgasungsbereich aus, was in der Regel
zu einem Zusammenbruch des Prozesses führt (Anhalten der Anlage zum
Reinigen des Entgasungsbereiches, Wiederanfahren). Um sicherzustellen,
dass der Extruder in einem breiten Betriebsbereich eingesetzt werden kann,
wird üblicherweise das Förderverhalten der beiden Stufen so eingestellt, dass
die zweite Stufe deutlich besser fördert als die erste, so dass auch in kritischen
Betriebszuständen ein Austreten von Schmelze aus der Entgasungszone
sicher vermieden werden kann. Dies bedingt, dass häufig nicht nur die tief
geschnittene Entgasungszone, sondern auch ein mehr oder weniger langer
Bereich der Austragszone nur teilgefüllt sind, das heißt, dass sich Schmelze
nur direkt vor der schiebenden Flanke des Schneckenstegs befindet. Folge
davon ist, dass sich in den nicht dauerhaft mit Schmelze gefüllten Bereichen
Kunststoff ablagern kann. Insbesondere wenn während der Extrusion
Unregelmäßigkeiten bei der Schmelzeförderung auftreten, kann es geschehen,
dass Teilmengen der Schmelze zu lange im Extruder verbleiben und dort den
hohen Temperaturen im Kontakt mit der inneren Oberfläche der Schnecke
ausgesetzt sind. Dabei kann es vorkommen, dass Teile der Schmelze in eine
gelartige Masse, oder bei noch ungünstigeren Bedingungen in kohleartige
Ablagerungen umgewandelt werden. Diese Beläge lösen sich teilweise
während der Extrusion wieder und gelangen so als unerwünschte
Verunreinigungen in die Schmelze.
Die beschriebenen Probleme treten sowohl während des laufenden
Extrusionsprozesses, bedingt durch Schwankungen im Förderverhalten der
ersten Schneckenstufe auf, als auch im besonderen bei starken Änderungen
des Betriebspunktes, wie sie durch eine Änderung des Durchsatzes oder des
verarbeiteten Kunststoffes hervorgerufen werden.
Die beschriebene Problematik führt außerdem dazu, dass bei einem Wechsel
des verarbeiteten Kunststoffs, bei Unverträglichkeit der beiden Kunststoffe,
eine aufwendige Demontage und Reinigung der Schnecke unerlässlich ist.
Andernfalls treten auch noch längere Zeit nach dem Wechsel des Kunststoffs
Verunreinigungen durch den zuvor verarbeiteten Kunststoff auf.
Lediglich die beschriebenen, kohleartigen Ablagerungen können durch übliche
Schmelzefiltersysteme zumindest teilweise abgetrennt werden. Eine
Entfernung von gelartigen Verunreinigungen oder von anderen Kunststoffen
mit vergleichbaren Verarbeitungstemperaturen ist nicht möglich.
Besonders transparente Produkte mit hohen Anforderungen an die optischen
Eigenschaften können durch diese Verunreinigungen unbrauchbar gemacht
werden.
Zwischen dem Einschneckenentgasungsextruder bzw. dem Kaskadenextruder
und der Extrusionsdüse befinden sich in der Regel eine Schmelzepumpe zur
Konstanthaltung der Fördermenge, sowie Filtereinheiten zur Abtrennung von
Verunreinigungen aus der Schmelze.
Zur Abstimmung der Fördermengen von Extruder und Schmelzepumpe wird
üblicherweise der Druck zwischen Extruderspitze und Schmelzepumpe als
Regelgröße gemessen und mit der Extruderschneckendrehzahl als Stellwert
auf einen vorgegebenen Sollwert hin geregelt (siehe z. B. Dissertation Konrad
Kerres, Augustinus Verlag, Aachen, 1995). Über diese Regelung werden
Änderungen im Förderverhalten des Extruders, z. B. bedingt durch die
Temperatur im Einzugsbereich oder Änderungen im Verhalten des Kunststoffs
(Schüttdichte, Einzugsverhalten) ausgeglichen.
Ein Maß für die Gleichmäßigkeit der Schmelzeförderung in der
Schmelzepumpe ist der Druck nach der Pumpe. Ziel der Kombination von
Extruder und Schmelzepumpe ist die Druckschwankungen nach der Pumpe auf
Werte kleiner +/- 5% zu begrenzen. Dieses Ziel kann dann erreicht werden,
wenn der Druck vor der Zahnradpumpe sich um nicht mehr als +/- 20% ändert.
Stärkere Schwankungen des Drucks vor der Pumpe wirken sich auf die
Gleichmäßigkeit der Förderung und damit den Druck nach der Pumpe aus.
Üblicherweise werden die Schwankungen des Drucks vor der Pumpe durch die
beschriebene Regelung der Drehzahl der Extruderschnecke ausgeglichen. Bei
Einschneckenentgasungsextrudern bzw. Kaskadenextrudern mit einer im
wesentlichen nur teilgefüllten zweiten Austragszone können allerdings relativ
hochfrequente Druckschwankungen auftreten, die sich nicht ausregeln lassen.
Der Druck schwankt mit der Frequenz der Schneckendrehzahl. Dies stört zum
einen die beschriebene Regelung des Drucks vor der Pumpe und verursacht
zum anderen Schwankungen in der Fördermenge, die sich auf die Geometrie
des hergestellten Extrudats auswirken können.
Der Sollwert für den Druck vor der Schmelzepumpe wird üblicherweise vom
Maschinenbediener so eingegeben, dass zum einen die Pumpe einen
Druckaufbau leistet (dies ist durch das Konstruktionsprinzip der meisten
Pumpen, die die geförderte Schmelze als Schmiermittel nutzen, bedingt), zum
anderen darf ein maximaler Druck, der sich aus den zulässigen Zuhaltekräften
am Flansch zwischen Extruder und Schmelzepumpe ergibt, nicht überschritten
werden.
Bei der Extrusion von Halbzeugen, wie Platten oder Folien aus
thermoplastischem Kunststoff und insbesondere bei transparenten oder
transluzenten thermoplastischen Kunststoffen kommt der Vermeidung von
Verunreinigungen in der Schmelze eine wichtige Bedeutung zu, da häufig hohe
Anforderung an eine einwandfreie optische Qualität der extrudierten Halbzeuge
gestellt wird. Verunreinigungen können z. B. in Form von Schmutzpartikeln mit
dem Granulat eingetragen werden oder aber auch im Zuge der
Schmelzeverarbeitung entstehen.
Es ist bekannt, solche Verunreinigungen durch nachgeschaltete Schmelzefilter
abzutrennen. Allerdings ist es sehr schwierig, gelartige Verunreinigungen oder
Verunreinigungen durch andere Kunststoffe abzutrennen. Gelangen zu viele
Verunreinigungen ins Endprodukt, so ist dessen Qualität häufig beeinträchtigt
oder gar ungenügend. Insbesondere bei transparenten Folien führen schon
geringe Beeinträchtigungen zu leicht erkennbaren Fehlstellen, die bei hohen
Qualitätsanforderungen nicht akzeptabel sind. Grundsätzlich gilt, dass es
besser ist, die Verunreinigungen möglichst weitgehend zu vermeiden, als diese
dann später wieder zu entfernen.
Der Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, daß bei
Einschneckenentgasungsextrudern oder Kaskadenextrudern von der Schmelze
her stammende Ablagerungen häufig auf den vorderen Schneckengängen im
Bereich der ersten Hälfte der Austragszone festgestellt werden.
Es wird angenommen, daß es während des Betriebes des Extruders immer
wieder zu Betriebszuständen kommen kann, in denen nicht dauerhaft mit
Schmelze gefüllte Bereiche der Schnecke mit Schmelze in Kontakt kommen.
Die Schmelze wird in diesen Bereichen nur schlecht oder nicht mehr gefördert.
Sie kann sich festsetzen und ist dann länger als im normalen Betriebszustand
den hohen Temperaturen ausgesetzt. Die abgelagerte Schmelze kann in den
bereits oben beschriebenen Gelzustand übergehen oder bei noch längerer
Verweildauer in kohleartige Beläge umgewandelt werden.
Tritt dann wieder ein Betriebszustand auf, in dem größere Bereiche der
Schnecke mit Schmelze benetzt werden, dann werden die gelartigen oder
kohleartigen Beläge zumindest teilweise mitgenommen und gelangen als
Verunreinigungen in das Produkt.
Die Teilfüllung der Schnecke im Bereich der Austragszone kann durch eine
Untersuchung des Druckverlaufs über der Zeit erkannt werden. Ein typischer
Druckverlauf im Bereich der Austragszone über der Zeit bei teilgefüllter
Schnecke ist in Fig. 1a dargestellt. Man erkennt eine Sägezahnfunktion mit
Phasen eines konstanten, minimalen Druckes. Der minimale Druck entspricht
dem Druck in der Entgasungszone, liegt also üblicherweise unter dem
Atmosphärendruck von 1 bar. Der regelmäßige Anstieg des Drucks wird durch
die Schmelze vor der schiebenden Schneckenflanke und den Schneckensteg
verursacht, die unter dem Druckaufnehmer vorbeilaufen. Nach dem
Schneckensteg sinkt der Druck wieder auf den Minimalwert. Dementsprechend
ändert sich der Druck mit dem Produkt aus Schneckendrehzahl und Anzahl der
Schneckengänge.
Es wird als Aufgabe der vorliegenden Erfindung gesehen, die beschriebenen
Ablagerungen zu verringern bzw. möglichst ganz zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein
Verfahren zur Regelung des Minimalwertes des Drucks in der ersten Hälfte der
Austragszone in Förderrichtung bei einem Einschneckenentgasungsextruder
oder einem Kaskadenextruder während der Förderung einer Schmelze eines
thermoplastischen Kunststoffs, wobei der Einschneckenentgasungsextruder
oder der Kaskadenextruder jeweils eine erste Schneckenstufe (15), eine
Entgasungszone (14), eine Austragszone (22) sowie einen Meßregelkreis (M)
aufweisen, der einen Druckmeßsensor (M) in der ersten Hälfte der
Austragszone, einen Regler (R) und ein Stellglied (S) zur Beeinflussung des
Drucks in der Austragszone beinhaltet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Druck mittels des Druckmeßsensors (M) gemessen wird und über den
Regler (R) und das Stellglied (S) so eingestellt wird, daß der Minimalwert am
Ort der Messung zwischen 0,1 und 10 bar liegt.
Die Erfindung wird durch folgende Figuren erläutert
Fig. 1a
Schematische Darstellung des Druckverlaufs über die Zeit (t) im Bereich der
vorderen Hälfte der Austragzone ohne Regelung
Fig. 1b
Schematische Darstellung des Druckverlaufs über die Zeit (t) im Bereich der
vorderen Hälfte der Austragzone mit erfindungsgemäßer Regelung
Fig. 2a
Schematische Darstellung einer möglichen Ausführung der Erfindung bei
einem Einschneckenentgasungsextruder
1
Druckmeßsensor (S) in der ersten Hälfte der Austragszone
2
Messverstärker zum Ausfiltern der Minimaldrücke
4
Regler (P1
Soll-Wert)
5
Regler (PI-Regler)
7
Regler (Ist-Wert der Schneckendrehzahl)
9
Extruder-Motor (Antrieb)
10
Extruder-Getriebe
11
Schneckenzylinder
12
Materialtrichter
13
Erster Schneckenabschnitt (Eintragszone)
14
Entgasungszone
15
Einzugszone
16
Schmelzepumpe
17
Extrusionsdüse
18
P5
: Druckmeßsensor nach der Schmelzpumpe
19
P4
: Druckmeßsensor vor der Schmelzepumpe
20
P3
: Druckmeßsensor vor der Drossel/nach der Schnecke
21
P2
: Druckmeßsensor in der Meterinzone
22
Zweiter Schneckenabschnitt (Austragszone)
Fig. 2b
Schematische Darstellung einer möglichen Ausführung der Erfindung bei
einem Einschneckenentgasungsextruder mit einem zusätzlichen Meßregelkreis
(M2). Bezugszeichen wie in Fig. 2a. Der zweite Meßregelkreis (M2) besteht
aus dem Druckmeßsensor (19), Meßverstärker (23) und den Reglern (7, 24).
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Regelung des Minimalwertes des Drucks in
der ersten Hälfte der Austragszone in Förderrichtung bei einem
Einschneckenentgasungsextruder oder einem Kaskadenextruder während der
Förderung einer Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffs. Der
Einschneckenentgasungsextruder oder der Kaskadenextruder weisen jeweils
eine erste Schneckenstufe (15), eine Entgasungszone (14), eine zweite
Schneckenstufe entsprechend der Austragszone (22), sowie einen
Meßregelkreises (M) auf, der einen Druckmeßsensor (P) in der ersten Hälfte,
bevorzugt im ersten Drittel, besonders bevorzugt im ersten Viertel der
Austragszone (22), einen Regler (R) und ein Stellglied (S) zur Beeinflussung
des Drucks in der Austragszone beinhaltet. Der Druck wird mittels des
Druckmeßsensors (1) gemessen und über den Regler (R) und das Stellglied
(S) so eingestellt, daß der Minimalwert am Ort der Messung zwischen 0,1 und
10 bar liegt.
Man erhält ohne Regelung ein Druckdiagramm entsprechend Fig. 1a, mit
Regelung entsprechend Fig. 1b.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für Einschnecken
entgasungsextruder oder sogenannte Kaskadenextruder, da das zu lösende
Problem bei beiden Systemen auftritt. Ein Einschneckenentgasungsextruder
besitzt eine von einem Motor angetriebene Schnecke mit einer Eintragszone
mit einer ersten Schneckenstufe (15), einer Austragszone (22) einer
dazwischenliegenden Entgasungszone (14). Die Austragszone (22) beginnt
unmittelbar hinter der Entgasungszone (14) und erstreckt sich bis zum Ende
der Schnecke bzw. bis zur Schneckenspitze. Der
Einschneckenentgasungsextruder kann auch als Schmelzeextruder betrieben
werden, wenn er anstelle von festem Granulat mit Schmelze beschickt wird.
Der Kaskadenextruder kann als eine spezielle bzw. alternative Ausführung des
Einschneckenentgasungsextruders angesehen werden. Die beiden
Schneckenstufen sind dabei in zwei hintereinandergeschaltete Einschnecken
mit separaten Antrieben unterteilt. Die Drehzahlen der beiden Schnecken
werden üblicherweise in einem festen Verhältnis gehalten, können aber
getrennt geregelt werden. Die Austragszone (22) beim Kaskadenextruder
entspricht der Länge seiner zweiten Schnecke bzw. der zweiten
Schneckenstufe.
Der Druckmeßsensor ist Bestandteil eines Meßregelkreises (M), der einen
Druckmeßsensor (P) in der ersten Hälfte der Austragszone, einen Regler (R)
und ein Stellglied (S) zur Beeinflussung des Drucks in der Austragszone
beinhaltet. Bevorzugt ist ein Meßverstärker (2) vorhanden, der den Minimalwert
des Drucks herausfiltert und zur Regelung bereitstellt.
Bevorzugt kann der Schneckenantrieb (9) mit einem Umdrehungssensor
ausgestattet sein, der sich auf dem Antrieb selbst oder auf einer Welle
befindet, die synchron zum Antrieb läuft und das Umdrehungssignal mit in die
Regelung des Minimalwert des Drucks einbezogen wird. Auf diese Weise läßt
sich das Druckminimum-Signal regelungstechnisch einfacher abgreifen.
Der Druck wird mittels des Druckmeßsensors (P) gemessen und am Ort der
Messung über den Meßregelkreis (M) mittels der Stellmittel (S) zur
Beeinflussung des Drucks so eingestellt, daß er zwischen 0,1 und 10 bar (104
bis 10 × 105 Pascal), bevorzugt zwischen 0,2 und 1 bar (jeweils absolut) liegt.
Eine Druckobergrenze von 5 bar kann sinnvoll sein, da dadurch vermieden
wird, daß Schmelze durch Rückstau aus der Entgasungsöffnung austritt.
Bis zum Ende der Austragszone steigt der Druck in den Bereich von 10 bis
250, meist 20 bis 50 bar. Der Druck in der Austragszone hinter der
Schneckenspitze ist stets höher als der Druck in der ersten Hälfte der
Austragszone.
Der geregelte Druck ist erfindungsgemäß immer größer als der Druck im
Entgasungsbereich und kleiner als der Druck am Ende der Austragszone.
Der Sollwert für den Druck wird idealerweise so eingestellt, dass gerade keine
Schmelze aus der Entgasungsöffnung austritt. Er hängt damit im wesentlichen
vom Abstand des Druckaufnehmers von der Entgasungsöffnung und der
Schneckengeometrie in diesem Bereich ab.
Als Stellmittel (S) zur Beeinflussung des Drucks in der Austragszone können z. B.
der Antrieb (9) zur Regelung der Schneckendrehzahl, eine verstellbare
Drossel oder ein drosselbarer Bypass dienen. Es wurde auch gefunden, dass
sich bei größeren Extrudern mit einem Schneckendurchmesser < 45 mm über
die Zylindertemperatur im Bereich der Austragszone, insbesondere in der
zweiten Hälfte der Austragszone, der Druck in der ersten Hälfte der
Austragszone beeinflussen lässt. Beim Kaskadenextruder kann der Antrieb zur
Regelung der Schneckendrehzahl der in Förderrichtung hinten liegenden
Schnecke bzw. das Verhältnis der Schneckendrehzahlen der beiden
Schnecken zueinander als Stellmittel (S) dienen.
Ein drosselbarer Bypass wäre bevorzugt zwischen der zweiten Hälfte, bzw.
dem letzten Drittel, insbesondere dem letzten Viertel der Austragszone und im
Bereich des Druckmeßsensors (P) in der ersten Hälfte, bevorzugt im ersten
Drittel, besonders bevorzugt im ersten Viertel der Austragszone vorzusehen.
In Fig. 2a ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung am Beispiel eines
Einschneckenentgasungsextruders schematisch dargestellt. Der
Einschneckenentgasungsextruder weist eine erste Schneckenstufe (13), eine
Entgasungszone (14), eine Austragszone (22) auf. Ebenfalls dargestellt ist der
Materialtrichter (12) zur Einspeisen von Kunststoff-Granulat. Der Meßregelkreis
(M = M1) weist als Druckmeßsensor (P) den Druckmeßsensor (1), einen
Meßverstärker (2), als Regler (R) die Regler (4), (5) und (7) sowie als Stellglied
(S) den Antriebsmotor (9) auf.
Besonders bevorzugt ist die Ausführungsform gemäß Fig. 2b, bei der ein
zweiter Meßregelkreis (M2) vorhanden ist, bestehend aus einem
Druckmeßsensor (19), der sich hinter der Schneckenspitze in der
Austragszone befindet, dem Meßverstärker (23), den Reglern (24) und (7) und
einem Stellglied (9). Der vom Druckmeßsensors (19) gemessene Druck wird
über den Regler (7) und das Stellglied (9) so eingestellt, daß der Maximalwert
des Drucks an Ort der Messung begrenzt wird. Dies hat den Vorteil, daß
insbesondere in der Anfahrphase materialbelastende Druckspitzen vermieden
werden können.
Bei einem Einschneckenentgasungsextruder mit einer Zahnradschmelzepumpe
(16), die sich hinter der Schneckenspitze bzw. hinter der Austragszone (22)
befindet, kann die Regelung des Minimalwertes des Drucks in der ersten Hälfte
der Austragszone erfolgen, indem bei zu niedrigem Druck die Drehzahl des
Antriebsmotors (9) erhöht wird.
Bei einem Einschneckenentgasungsextruder mit einer verstellbaren Drossel,
die sich in Förderrichtung hinter der Schneckenspitze bzw. hinter der
Austragszone (22) befindet, kann die Regelung des Minimalwertes des Drucks
in der ersten Hälfte der Austragszone (22) erfolgen, indem bei zu niedrigem
Druck die Drossel geschlossen wird.
Bei einem Einschneckenentgasungsextruder mit einem drosselbaren Bypass,
der in geöffnetem Zustand Schmelze aus dem Raum hinter der Austragszone
(22), das heißt hinter der Schneckenspitze, zur ersten Hälfte der Austragszone
(22) zurückfördert, kann die Regelung des Minimalwertes des Drucks in der
ersten Hälfte der Austragszone erfolgen, indem bei zu niedrigem Druck der
Bypass geöffnet wird.
Bei einem Einschneckenentgasungsextruder mit getrennt regelbarer
Zylindertemperatur der Austragszone kann die Regelung des Minimalwertes
des Drucks in der ersten Hälfte der Austragszone erfolgen, indem bei zu
niedrigem Druck die Zylindertemperatur der Austragszone erhöht wird.
Bei einem Kaskadenextruder kann die Regelung des Minimalwertes des
Drucks in der ersten Hälfte der Austragszone (22) erfolgen, indem bei zu
niedrigem Druck die Drehzahl des Antriebsmotors für den Schneckenteil in der
Austragszone reduziert wird.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem betrifft praktisch alle
thermoplastischen Kunststoffe, die mit Einschneckenentgasungsextrudern oder
Kaskadenextrudern verarbeitet werden. Insbesondere eignet sich das
Verfahren für thermoplastische Kunststoffe wie Acrylnitril-Butadien-Stryrol
(ABS), Polyethylenterephthalate, Polybutylenterephthalate, Polyamide,
Polystyrole, Polymethylmethacrylate, Polycarbonate, schlagzäh modifiziertes
Polymethylmethacrylat oder sonstige Mischungen (Blend) aus zwei oder
mehreren thermoplastischen Kunststoffen. Das Problem der Verunreinigungen
durch Ablagerungen wirkt sich jedoch besonders bei transparenten
Kunststoffen, wie Polycarbonat oder Polymethacrylat, bzw.
Polymethylmethacrylat-Kunststoffen aus.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, die ein
Einschneckenentgasungsextruder oder ein Kaskadenextruder ist und mit einem
Meßregelkreis (M) zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausgestattet ist.
Die erfindungsgemäße Druckregelung stellt sicher, daß die Schneckengänge in
der ersten Hälfte der Austragszone auch bei ungünstigen Betriebszuständen
vollständig mit Schmelze gefüllt sind. Dadurch wird das Auftreten der
beschriebenen Verunreinigungen deutlich vermindert bzw. unterbunden. Die
Filtereinheiten können sparsamer ausgelegt werden. Die
Extrusionsgeschwindigkeit kann erhöht werden. Filterwechselintervalle können
verlängert werden. Die Produktqualität wird verbessert. Der Produktdurchsatz
erhöht sich. Fehlfabrikation nimmt entsprechend ab.
Weitere Vorteile ergeben sich bei einem Wechsel der extrudierten Formmasse,
insbesondere beim Wechsel unterschiedlich eingefärbter Formmassen, bei
dem die zuletzt extrudierte Formmasse mit der neu zu extrudierenden
Formmasse zunächst vollständig ausgetragen, quasi ausgewaschen werden
muß. Reste der zuletzt extrudierten Formmasse lassen sich beim
erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
aufgrund der besseren Schneckenfüllung schneller durch die neue Formmasse
ausgetragen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung mit der das
erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Die Vorrichtung zur
Förderung der Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffs, umfaßt somit
einen Einschneckenentgasungsextruder oder einen Kaskadenextruder mit
erster Schneckenstufe (15), Entgasungszone (14) Austragszone (22), einem
Druckmeßsensor (1) in der ersten Hälfte der Austragszone, der Bestandteil
eines Meßregelkreises ist, sowie die Mittel (16) zur Beeinflussung des Drucks
in der Austragszone.
Ein Versuchsaufbau entsprechend Fig. 2a wurde realisiert:
Es wurde ein Einschneckenentgasungsextruder, Hersteller Fa. Stork, D = 35 mm, L = 32 D, mit einer Zahnradschmelzepumpe (16) der Fa. Maag Pump Systems Extrex Ex 28 eingesetzt. Der Meßregelkreis (M) enthielt als Druckmeßsensor (1) einen DMS-Druckaufnehmer der Fa. Gneuß, (0-200 bar), einen Meßverstärker zum Ausfiltern der Minimaldruckwerte und einen Regler, der die Drehzahl des Extruder-Antriebsmotors als Stellglied regelt. Wahrend des Extrusionsbetriebs mit Polymethylmethacrylat als thermoplastischem Kunststoff wurde der Druck in ersten Hälfte der Austragszone zwischen 0,5 bis 6 bar gehalten.
Es wurde ein Einschneckenentgasungsextruder, Hersteller Fa. Stork, D = 35 mm, L = 32 D, mit einer Zahnradschmelzepumpe (16) der Fa. Maag Pump Systems Extrex Ex 28 eingesetzt. Der Meßregelkreis (M) enthielt als Druckmeßsensor (1) einen DMS-Druckaufnehmer der Fa. Gneuß, (0-200 bar), einen Meßverstärker zum Ausfiltern der Minimaldruckwerte und einen Regler, der die Drehzahl des Extruder-Antriebsmotors als Stellglied regelt. Wahrend des Extrusionsbetriebs mit Polymethylmethacrylat als thermoplastischem Kunststoff wurde der Druck in ersten Hälfte der Austragszone zwischen 0,5 bis 6 bar gehalten.
Damit wurde bei einem Farbwechselversuch von einer transparenten auf eine
gedeckt blaue Formmasse der Übergang im Vergleich zu einem
Versuchsaufbau ohne die erfindungsgemäße Druckregelung am Anfang der
Austragszone auf etwa die Hälfte verkürzt (nur noch ca. 5 min statt 10 min).
Claims (11)
1. Verfahren zur Regelung des Minimalwertes des Drucks in der ersten Hälfte
der Austragszone in Förderrichtung bei einem
Einschneckenentgasungsextruder oder einem Kaskadenextruder während
der Förderung einer Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffs, wobei
der Einschneckenentgasungsextruder oder der Kaskadenextruder jeweils
eine erste Schneckenstufe (15), eine Entgasungszone (14), eine
Austragszone (22) sowie einen Meßregelkreises (M) aufweisen, der einen
Druckmeßsensor (P) in der ersten Hälfte der Austragszone, einen Regler (R)
und ein Stellglied (S) zur Beeinflussung des Drucks in der Austragszone
beinhaltet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Druck mittels des Druckmeßsensors (P) gemessen wird und über
den Regler (R) und das Stellglied (S) so eingestellt wird, daß der
Minimalwert am Ort der Messung zwischen 0,1 und 10 bar liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Meßregelkreis (M) einen Meßverstärker (2) beinhaltet, der den Minimalwert
des Drucks herausfiltert und zur Regelung bereitstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schneckenantrieb (9) mit einem Umdrehungssensor ausgestattet ist, der
sich auf dem Antrieb selbst oder auf einer Welle befindet, die synchron zum
Antrieb läuft, wobei das Umdrehungssignal mit in die Regelung des
Minimalwertes des Drucks in der ersten Hälfte der Austragszone (22)
einbezogen wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein zweiter Meßregelkreis (M2) vorhanden ist,
bestehend aus einem Druckmeßsensor (19), der sich hinter der
Schneckenspitze der Austragszone (22) befindet, einen Regler (7) und ein
Stellglied (9) aufweist, und der Druck mittels des Druckmeßsensors (19)
gemessen wird und über den Regler (7) und das Stellglied (9) so eingestellt,
daß der Maximalwert des Drucks am Ort der Messung begrenzt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich um einen Einschneckenentgasungsextruder mit
einer Zahnradschmelzepumpe (16) handelt, die sich hinter der Austragszone
(22) befindet, wobei die Regelung des Minimalwertes des Drucks in der
ersten Hälfte der Austragszone (22) erfolgt, indem bei zu niedrigem Druck
die Drehzahl des Antriebsmotors (9) erhöht wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich um einen Einschneckenentgasungsextruder mit
einer verstellbaren Drossel handelt, die sich hinter der Austragszone (22)
befindet, wobei die Regelung des Minimalwertes des Drucks in der ersten
Hälfte der Austragszone (22) erfolgt, indem bei zu niedrigem Druck die
Drossel geschlossen wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich um einen Einschneckenentgasungsextruder mit
einem drosselbaren Bypass handelt, der in geöffnetem Zustand Schmelze
aus dem Raum hinter der Austragszone (22) zur ersten Hälfte der
Austragszone (22) zurückfördert, wobei die Regelung des Minimalwertes
des Drucks in der ersten Hälfte der Austragszone (22) erfolgt, indem bei zu
niedrigem Druck der Bypass geöffnet wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich um einen Einschneckenentgasungsextruder mit
einer getrennten Regelung der Temperatur des Zylinders im Bereich der
Austragszone handelt, wobei die Regelung des Minimalwertes des Drucks in
der ersten Hälfte der Austragszone (22) erfolgt, indem bei zu niedrigem
Druck die Temperatur des Zylinders im Bereich der Austragszone erhöht
wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich um einen Kaskadenextruder handelt und die
Regelung des Minimalwertes des Drucks in der ersten Hälfte der
Austragszone (22) erfolgt, indem bei zu niedrigem Druck die Drehzahl des
Antriebsmotors für den Schneckenteil in der Austragszone (22) reduziert
wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß als thermoplastischer Kunststoff ein
Polyethylenterephthalat, ein Polybutylenterephthalat, ein Polyamid, ein
Polystyrol, ein Polymethylmethacrylat, ein Polycarbonat,
schlagzähmodifiziertes Polymethylmethacrylat oder eine sonstige Mischung
(Blend) aus zwei oder mehreren thermoplastischen Kunststoffen verarbeitet
wird.
11. Vorrichtung, die ein Einschneckenentgasungsextruder oder ein
Kaskadenextruder ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem
Meßregelkreis (M) zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 10 ausgestattet ist.
Priority Applications (13)
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