DE102004020898A1

DE102004020898A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen und Anpassen des Anpressdruckes von Messern

Info

Publication number: DE102004020898A1
Application number: DE200410020898
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Grundmann; Holger Dipl.-Ing. Lüthje
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Borsig GmbH
Current assignee: Borsig GmbH
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2024-04-29
Also published as: DE102004020898B4

Abstract

Ein mit Messern (9) oder Rackeln bestückter Messerhalter (3) ist mit einem vorgegebenen Anpressdruck gegen eine Lochplatte (1) gedrückt, wobei zwischen der Lochplatte (1) und den Messern (9) oder Rackeln eine Relativbewegung in rotierender oder oszillierender Form erfolgt. Zum Messen und Anpassen des Anpressdruckes der Messer (9) oder Rackeln ist an jedem Messer (9) mindestens ein Drucksensor (11) angeordnet, der mit einem Steuergerät zur Anpassung des Anpressdruckes und/oder zur Anstellung des jeweiligen Messers (9) mit Hilfe von Piezoaktoren (12) gegenüber der Lochplatte (1) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen und Anpassen des Anpressdruckes von Messern oder Rackeln gegenüber einer Lochplatte mit den Merkmalen des Oberbegriffes der Ansprüche 1 und 10.

Aus den Druckschriften EP 1 275 483 A1 und EP 1 334 813 A1 sind als Unterwassergranulierungsvorrichtungen ausgebildete Granulierungsvorrichtungen zur Herstellung von Kunststoffgranulaten bekannt. Bei diesen Granulierungsvorrichtungen wird ein Kunststoffpulver in einem Extruder aufgeschmolzen, und die dabei entstehende Kunststoffschmelze wird anschließend, unter hohem Druck und erhöhter Temperatur, durch die Bohrungen in einer Lochplatte in eine Kammer gedrückt, welche von Wasser durchströmt wird. Innerhalb der Kammer werden schnell rotierende Messer über die Lochplatte geführt, durch die die zuvor in den Bohrungen geformten Kunststoffstränge beim Austritt aus der Lochplatte in kleine Granulate geschnitten werden. Die Messer sind an einem rotierenden Messerhalter befestigt, der mit einem vorgegebenen Anpressdruck gegen die Lochplatte gedrückt wird.

Die Höhe des Anpressdruckes der Messer ist unter anderem von den Eigenschaften des Kunststoffes abhängig und muss gemessen und geregelt werden. Bei einen zu hohem Anpressdruck werden die Messer zu stark abgenutzt, und der Verschleiß an der Lochplatte nimmt zu. Bei einem zu geringen Messeranpressdruck kann beispielsweise ein Schmierfilm auf der Lochplatte entstehen und die notwendige Granulatqualität sich erheblich verringern. Die Granulatqualität ist somit unter anderem direkt abhängig von der richtigen Wahl der Schnittparameter.

Durch eine kontinuierliche abrasive Abnutzung der Messer verringert sich zunehmend der Anpressdruck der Messer, so dass eine Nachstellung der Messer in definierten Zeitintervallen notwendig wird, um den erforderlichen Anpressdruck der Messer an der Lochplatte zu gewährleisten. Die erforderliche Nachstellung der Messer erfolgt entweder manuell oder durch programmierte Steuerungszyklen. Das Bedienungspersonal verwendet zur Nachstellung unter anderem Erfahrungswerte wie z. B. die Stromaufnahme des Motors oder die Schnittqualität des Granulates, um die erforderlichen Nachstellungen manuell vorzunehmen, damit die abrasive Abnutzung der Messer ausgeglichen werden kann. Ferner werden halbautomatische Systeme, wie z. B. federgestützte, pneumatische Regelsysteme oder hydraulische Systeme verwendet.

Die derzeitig bekannten Regelsysteme für die Messersteuerung basieren auf hydraulischen, pneumatischen, elektrischen (Stromaufnahme des Motors) oder mechanischen Vorrichtungen, die einen definierten Anpressdruck auf den Messerhalter über die Messerwelle erzeugen und auf die Messer übertragen. Diese Regelsysteme bieten keinen zuverlässigen Schutz vor Beschädigungen an der Lochplatte, die infolge von Bedienungsfehlern oder Veränderungen der Prozessparameter auftreten können. Eine programmierte – beispielsweise eine federgestützte Messernachstellung – kann unter Umständen einen zu hohen Anpressdruck erzeugen, da nicht alle betriebsbedingten Schwankungen berücksichtigt werden können. Hierdurch tritt ein erhöhter und unnötiger Verschleiß an den Messern und der Lochplatte auf.

Allen bisherigen Regelsystemen ist gemeinsam, dass nicht der vorliegende, das heißt der realistische Messeranpressdruck zwischen Messer und Lochplatte gemessen und geregelt werden kann.

Aus der WO 02/054031 A1 (US 2003/0089177 A1) sind Drucksensoren bekannt, die aus einer amorphen, diamantähnlichen Kohlenstoffschicht bestehen. Die Kohlenstoffschicht enthält zusätzlich metallische und/oder nichtmetallische Elemente. Als metallische Elemente sind Silizium, Titan, Wolfram und Chrom bevorzugt. Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Fluor und Wasserstoff kommen als nichtmetallische Elemente in Betracht. Die Elemente können als Einzelatome, als Cluster oder als Karbide in die Kohlenstoffschicht eingebaut werden. Die die genannten Elemente enthaltenden Kohlenstoffschichten verhalten sich ähnlich wie piezoresistive Materialien und zeigen bei Belastung, z. B. durch Druck eine messbare Änderung des elektrischen Widerstandes. Aufgrund dieser piezoresistiven Eigenschaften können die Kohlenstoffschichten als Sensoren zur Bestimmung von aktuellen Zustandsgrößen, wie Druck oder Kraft in der Mikrosensorik eingesetzt werden. Typische Schichtdicken für die als Sensor einzusetzenden Kohlenstoffschichten liegen in einem Bereich von 10 nm bis 500 μm, vorzugsweise 10 nm bis 20 μm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mess- und Regelungssystem zu entwickeln, das in der Lage ist, den tatsächlichen Anpressdruck zwischen der Lochplatte und den Messern zu messen und den erforderlichen Anpressdruck einzustellen.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 und bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der Erfindung kann der Anpressdruck durch die Position des Messers unmittelbar gemessen werden, wodurch eine individuelle Messerregelung möglich wird. Durch die Messung des Anpressdrucks zwischen Messer und Lochplatte wird außerdem ein wirksamer Überlastschutz gewährleistet und die Lebensdauer der Messer und der Lochplatte verlängert. Das notwendige Zeitintervall bis zum Austausch der Messer kann durch die Steigerung der Lebensdauer verlängert werden, was bedeutet, dass die Granulierungsvorrichtung weniger häufig abgefahren werden muss.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1 den Längsschnitt durch eine Granulierungseinrichtung,
2 die Draufsicht auf die der Lochplatte zugewandten Seite des Messerhalters der Granulierungseinrichtung gemäß 1,
3 die Einzelheit Z nach 1,
4 die Einzelheit Y nach 3 gemäß einer anderen Ausführungsform,
5 den Bereich der Befestigung eines Messers an dem Messerhalter und
6 den Bereich der Befestigung eines Messers an dem Messerhalter gemäß einer weiteren Ausführungsform Die dargestellte, als Unterwassergranulierungseinrichtung ausgebildete Granulierungseinrichtung besteht aus einer Lochplatte 1, einer Wasserkammer 2 und einem Messerhalter 3. Die Wasserkammer 2 ist von Wasser durchströmt und zu diesem Zweck mit einem Wasserzulauf 4 und einem Wasserablauf 5 versehen. Die Wasserkammer 2 ist auf einer Seite von der Lochplatte 1 begrenzt. In der Lochplatte 1 sind Kanäle 6 angeordnet, die sich gleichmäßig über einen auf der Lochplatte 1 gedachten Kreis verteilen. Zur Wasserkammer 2 hin enden die Kanäle 6 jeweils in einer oder mehreren Reihen von Bohrungen 7. Der Messerhalter 3 ist auf einer angetriebenen rotierenden Messerwelle 8 befestigt, die durch eine Wand der Wasserkammer 2 abgedichtet hindurchgeführt ist. An dem Messerhalter 3 sind über Schrauben 10 Messer 9 befestigt, die mit hoher Geschwindigkeit den mit Bohrungen 7 versehenen Bereich der Lochplatte 1 überstreichen.
An die Lochplatte 1 der Granulierungseinrichtung ist ein nicht gezeigte Extruder angeschlossen, der eine Kunststoffschmelze mit hohem Druck und erhöhter Temperatur durch die Kanäle 6 und die sich anschließenden Bohrungen 7 in die Wasserkammer 2 drückt. Die schnell rotierenden Messer 9 schneiden die aus den Bohrungen 7 auftretenden Kunststoffstränge in kleine Granulate, die durch das Wasser gekühlt und verfestigt werden.
Die Oberfläche der Lochplatte 1 unterliegt durch den Kontakt mit den Messern 9 einem hohen Verschleiß. Um dem Verschleiß entgegenzuwirken, ist die Oberfläche der Lochplatte 1 mit einer Beschichtung aus einer extrem dünnen, harten Verschleißschicht in einer Dicke von 2 μm bis 20 μm versehen. In der Verschleißschicht können Sensoren zur Überwachung der Dicke der Verschleißschicht installiert sein.
Die in der beschriebenen Granulierungseinrichtung auftretenden Belastungen können sich auch in anderen Vorrichtungen zeigen, in denen Messer oder Rackel mit einer Lochplatte zusammenwirken, und die Messer oder Rackel bei stillstehender Lochplatte oder die Lochplatte bei stillstehenden Messern oder Rackeln eine rotierende oder oszillierende Bewegung ausführen.
Die Messerwelle 8 wird mit einer Vorschubkraft F_M gegen die Lochplatte 1 gedrückt. Die erforderliche Vorschubkraft F_M wird in einem Steuergerät vorgegeben und mittels hydraulischer, pneumatischer oder sonstiger Systeme an der Messerwelle 8 erzeugt. Die Vorschubkraft F_M der Messerwelle 8 verteilt sich auf die Messer 9 und erzeugt den notwendigen Anpressdruck an den Messern 9.
Der erforderliche Anpressdruck (F_M1, F_M2) der Messer 9 resultiert aus dem hydrodynamischen Druck des Wassers, dem Gegendruck und den Eigenschaften des Kunststoffes, der Umdrehungsgeschwindigkeit der Messer 9 (Fliehkräfte) sowie den geometrischen Verhältnissen der Granulierungseinrichtung.
Der Druck F_K des Kunststoffes am Austritt aus dem Bohrungen 7 ist abhängig von den Fließeigenschaften des verarbeiteten Kunststoffes und den verschiedenen Prozessparametern, wie z. B. der Temperatur des Kunststoffes, dem Zustand der Lochplatte 1 und anderen Faktoren.
Die erforderliche Vorschubkraft F_M, die Messerkraft F_M1, F_M2 und die maximal zulässige Flächenpressung F_zul (maximaler Anpressdruck) müssen durch Versuche oder FEA-Berechnungen ermittelt werden.
Der auf die Messer 9 wirkende Druck wird mit Hilfe von Drucksensoren 11 gemessen. Als Drucksensoren 11 können piezoresistive Elemente verwendet werden. Vorzugsweise werden als Drucksensoren 11 die aus der WO 02/054031 A1 (US 2003/0089177 A1) bekannten amorphen, diamantähnlichen Kohlenstoffschichten verwendet, die metallische und nichtmetallische Elemente enthalten können und piezoresistive Eigenschaften besitzen. Diese Kohlenstoffschichten dienen als Messschichten und weisen eine Dicke von 1 bis 6 μm auf.
Die Drucksensoren 11 sind an jedem einzelnen Messer 9, vorzugsweise an der Verbindung der Messer 9 mit dem Messerhalter 3 angeordnet. In Längsrichtung des Messers 9 sind mehrere Drucksensoren 11 nebeneinander jeweils im Bereich der Schrauben 10 vorgesehen. Die Drucksensoren 11 sind als Dünnschichtsensoren ausgebildet und direkt auf den Messern 9 oder dem Messerhalter 3 oder auf einer Komponente, wie einer Unterlegscheibe aufgebracht sein.
Mit den Drucksensoren 11 werden die resultierenden Druckspannungen an den einzelnen Messer 9 gemessen, an das Steuergerät übermittelt und dort ausgewertet. Ermittelt werden die Drücke F₁ und Fa an den Verbindungsstellen zwischen den Messern 9 und dem Messerhalter 3. Daraus ergibt sich eine Druckspannung F_M1 am radial inneren Ende des Messers 9 und eine Druckspannung F_M2 am radial äußeren Ende des Messers 9. Die Übertragung der Messsignale erfolgt auf allgemein bekannte Weise mittels eines Kabels oder drahtlos.
Der Sollwert des Anpressdruckes ergibt sich aus dem erforderlichen Mindestanpressdruck, der für einen guten Granulatschnitt benötigt wird. Der maximal zulässige Messwert (Abschaltwert) resultiert aus der maximal zulässigen Flächenpressung des Beschichtungsmaterials der Verschleißschicht auf der Lochplatte 1. Je nach dem errechneten Wert erfolgt ein Steuerungsimpuls, der eine Erhöhung oder eine Reduzierung der Anpresskraft F_M der Messerwelle 8 bewirkt.
Zur Ermittlung des Anpressdruckes der Messer 9 an die Lochplatte 1 kann zusätzlich die Verformung der Messer 9 herangezogen werden. Die Verformung wird durch Dehnmessstreifen 13 aufgenommen, die als Dünnschichtsensoren auf jedem Messer 9 angebracht sind (6).
Durch die zentrisch angeordnete Messerwelle 8 ist der Messeranpressdruck im Bereich des Innendurchmessers der Lachplatte 1 am höchsten und verringert sich mit zunehmendem Außendurchmesser der Lochplatte 1. Mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit (Fliehkraft am Messer) reduziert sich der Anpressdruck an den Messern 9 und wird zum Teil durch eine ungenügende Biegesteifigkeit der Messer 9 noch verstärkt. Auf die Schnittkante des Messers 9 wirken verschiedene Kräfte. Ein gleichmäßiger Granulatschnitt ist zu erzielen, wenn zwischen der Schnittkante des Messers 9 und der Oberfläche der Lochplatte 1 ein Linienkontakt hergestellt werden kann und die resultierende Linienkraft gleichmäßig über die Schnittlänge des Messers 9 verteilt ist.
Um eine gleichmäßige Belastungen zwischen den Messern 9 und der Lochplatte 1 zu erreichen und ein gleichmäßiges Belastungsprofil zu gewährleisten, werden z. B. Piezoaktoren 12 eingesetzt. Diese Piezoaktoren 12 sind zwischen dem Messerhalter 3 und jedem einzelnen Messer 9 installiert (6).
Die in den 4 und 5 gezeigten Piezoaktoren 12 sind zusammen mit den Drucksensoren 11 übereinander liegend zwischen jedem einzelnen Messer 9 und dem Messerhalter 3 angeordnet und an einen elektrischen Schaltkreis angeschlossen. Die Drucksensoren 11 sind in diesem Fall z. B. auf einer Unterlegscheibe aufgebracht.
Die Piezoaktoren 12 nutzen den bekannten piezoelektrischen Effekt aus, bei dem eine Volumenänderung infolge einer Krafteinwirkung oder durch eine elektrische Spannung eintritt. Ein Steuersignal oder eine elektrische Spannung erzeugt eine Volumenänderung der Piezoaktoren 12. Diese Volumenänderung bewirkt eine entsprechende Anstellung der Messer 9, indem der Abstand zwischen den einzelnen Messern 9 und dem Messerhalter 3 vergrößert oder verkleinert wird. Diese Verschiebungen werden durch eine Dehnung der Schrauben 10 aufgefangen, wenn die Schrauben als Dehnschrauben mit einem Dehnschaft 14 ausgebildet sind. Eine andere Möglichkeit, die Verschiebungen aufzufangen, ist durch Federelemente 15 zu erreichen, die zwischen dem Kopf 16 der Schraube 10 und der Oberseite der Messer 9 eingelegt sind. Die Messer 9 können somit individuell und optimal zur Lochplatte 1 ausgerichtet werden (5).
Die Drucksensoren 11 messen die Kräfte an den Messern 9. Die gemessenen Werte werden an das Steuergerät übertragen und mit einem Vorgabewert verglichen. Eine gleichmäßige Kraftverteilung zwischen den Messern 9 und der Lochplatte 1 liegt dann vor, wenn die Messwerte zwischen der Messerkraft F_M1 am inneren Ende und der Messerkraft F_M2 am äußeren Ende des Messers 9 gleich sind. Durch einen stetigen Abgleich der von den Drucksensoren 11 gemessenen Istwerte mit einem vorgegebenen Sollwert wird ein Steuerungssignal ermittelt, das an die Piezoaktoren 12 weitergeleitet wird. Durch das Steuerungssignal wird die erforderliche Volumenänderung in den Piezoaktoren 12 erzeugt und dadurch die einzelnen Messer 9 individuell eingestellt.

Claims

Vorrichtung zum Messen und Anpassen des Anpressdruckes von Messern (9) oder Rackeln gegenüber einer Lochplatte (1), wobei die Messer (9) oder Rackeln an einem Messerhalter (3) befestigt sind und zwischen der Lochplatte (1) und den Messern (9) oder Rackeln eine Relativbewegung in rotierender oder oszillierender Form erfolgt, und wobei der Messerhalter (3) mit einem vorgegebenen Anpressdruck gegen die Lochplatte (1) gedrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Messer (9) mindestens ein Drucksensor (11) angeordnet ist, der mit einem Steuergerät zur Anpassung des Anpressdruckes und/oder zur Anstellung des jeweiligen Messers (9) gegenüber der Lochplatte (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (11) als piezoresistives Element ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (11) aus einer dünnen diamantartigen Kohlenstoffschicht besteht, die piezoresistive Eigenschaften aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensoren (11) an der Verbindung zwischen jedem Messer (9) und dem Messerhalter (3) angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensoren (11) als Dünnschichtsensoren auf einer Komponente oder direkt auf dem Messer (9) oder dem Messerhalter (3) aufgebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung des Messers (9) mehrere Drucksensoren (11) nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Drucksensoren (11) auf den Messern (9) Dehnungsmessstreifen (13) als Dünnschichtsensoren angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Drucksensoren (11) Piezoaktoren (12) zwischen jedem Messer (9) und dem Messerhalter (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messer (9) verstellbar an dem Messerhalter (3) befestigt sind.
Verfahren zum Messen und Anpassen des Anpressdruckes von Messern (9) oder Rackeln gegenüber einer Lochplatte (1), wobei die an einem rotierenden Messerhalter (3) befestigten Messer (9) mit einem vorgegebenen Anpressdruck gegen die mit einer verschleißfesten Beschichtung versehenen Lochplatte (1) gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem Messer (9) und dem Messerhalter (3) die Messerkräfte F_M1, F_M2 mit Hilfe von als piezoresistive Elemente ausgebildeten Drucksensoren (11) gemessen werden, dass die Messwerte an ein Steuergerät übermittelt werden, dass in dem Steuergerät die Messwerte der Drucksensoren (11) mit einem vorgegebenen Mindestanpressdruck F_M des Messerhalters (3) und mit einem Wert der maximal zulässigen Flächenpressung der Beschichtung der Lochplatte (1) verglichen werden und dass nach Maßgabe des Vergleiches der Anpressdruck F_M des Messerhalter (3) gleich gehalten, erhöht oder reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Drucksensoren (11) über die Länge des Messers (9) ermittelten und an das Steuergerät übermittelten Messwerte mit einem über die Länge des Messers (9) gemittelten Vorgabewert der Messerkraft verglichen werden und dass bei einer Abweichung von dem Vorgabewert der Abstand zwischen der Lochplatte (1) und dem jeweiligen Messer (9) über Piezoaktoren (12) geändert wird.