DE102005005544A1

DE102005005544A1 - Verfahren zum Minimieren der Vulkanisationszeit

Info

Publication number: DE102005005544A1
Application number: DE200510005544
Authority: DE
Inventors: Ullrich Masberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2006-08-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung minimaler Vulkanisationszeiten bei der Verarbeitung von vernetzenden Polymeren der Klassen Elastomere und Duromere zu Formteilen mittels Prozesse wie Spritzgießen und Pressen. DOLLAR A Sie beschreibt die Vorgehensweise, bei der alle Möglichkeiten, die ein Temperaturprofil, Ausnutzung dissipativer Effekte und die Vernetzungskinetik zur Erreichung einer minimalen Vulkanisationszeit bieten, ausgenutzt und umgesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung minimaler Vulkanisationszeiten bei der Verarbeitung von vernetzenden Polymeren der Klassen Elastomere und Duromere zu Formteilen mittels Prozesse wie Spritzgießen und Pressen, um nur beispielhaft Oberbegriffe und die Bedeutensten zu nennen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die minimale Vulkanisationszeit anzunähern bzw. zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Aus der Vielzahl der bekannten Verarbeitungsverfahren, greift die nachfolgende Beschreibung den Spritzgießprozess als das bekannteste und verbreitetste Formgebungsverfahren zur Verarbeitung von Kautschuk zu Gummi, aus der Vielzahl der Verfahrensvarianten, heraus. Bei diesem Verfahren werden in der Regel die zu verarbeitenden Kautschukmassen, die zuvor in einem Mischprozess mit anderen Materialien zu einer Kautschukmischung mit Vernetzersystem vermischt wurden, in Streifenform vom Einzugssystem der Spritzgießmaschine eingezogen. Unmittelbar danach wird das Material von der Einspritzschnecke ergriffen, erneut plastifiziert und durch den Plastifizierungsvorgang sowie Wärmeleitung, von der beheizten Zylinderwand aus, erwärmt.

Arbeitet die Schnecke auch als Einspritzschnecke, so wird das aufbereitete Material in einem der folgenden Einspritzvorgänge durch die Schneckenspitze, die nun als Kolben wirkt, in den Einspritzkanal, der bei modernen Werkzeugen als sogenannter Kaltkanal ausgeführt ist, hineingedrückt. Abhängig von der Größe des Einspritzsystems und von dem Einspritzvolumen in die Formnester, kann das Füllvolumen des Kaltkanales eine oder mehrere Formfüllungen umfassen. Entsprechende Vielfache der Zykluszeit eines Vulkanisationsvorganges (Summe aus Haupt- und Nebenzeiten) beträgt die Verweilzeit der Kautschukmischung, bevor sie in die jeweiligen Formnester eingespritzt wird. Im Formnest schließlich wird in der Regel über Wärmeleitung, von den Formnestwandungen aus, der Vernetzungsprozess aktiviert und die Formgebung unter Druck, Temperatur und Zeit eingeleitet. Die drei genannten physikalischen Größen prägen den Prozess und die Zeit, darüber hinaus, die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, unabhängig davon ob gleichzeitig ein oder mehrere Formnester gefüllt werden.

In der Kautschukmischung wird unter dem wesentlichen Einfluss von Zeit und Temperatur das zur Mischung gehörende Vernetzersystem aktiviert und der Vernetzungsprozeß gestartet. Eine Korrelation des Vernetzungsprozesses mit Meßgrößen liefern sogenannte Vulkameter. Ohne in dieser Darstellung näher auf den Aufbau derartiger Geräte und ihre Unterschiede einzugehen, werden nachfolgend nur deren Meßergebnisse betrachtet. Die 1, 2 und 3 im Anhang zeigen beispielhaft das mit einem derartigen Gerät ermittelte Vernetzungsverhalten, bei zwei unterschiedlichen Temperaturen. Über der Abszisse Zeit wird ein gemessenes Drehmoment aufgetragen, das mit dem Grad der Vernetzung direkt korreliert wird. Zur Erzielung bestimmter Eigenschaften des herzustellenden Produktes in Großserie ist die reproduzierbare Herstellung eines bestimmten Vernetzungsgrades im Formteil erforderlich.

Wird in den 1, 2 und 3 der anfängliche Drehmomentanstieg und Drehmomentüberschwinger, die den Anlaufvorgang charakterisieren, außer Acht gelassen, dann können diese Kurven grob, wie 3 zeigt, in zwei Bereiche gegliedert werden. Bereich 1 wird als Inkubationszeit ti bezeichnet, erst nach deren Ablauf beginnt der Start des eigentlichen Vernetzungsprozesses. Wie die Kurven zeigen ist der Übergang nicht abrupt, sondern langsam ansteigend. Ein Vergleich der beiden Bereiche I in den 1 und 2 macht deutlich, das die Dauer der Inkubationszeit mit steigender Temperatur abnimmt. Dies bedeutet für die Verarbeitungsprozesse, dass das Sicherheitspolster, dass die Inkubationszeit darstellt, von der Zeit- und Temperaturgeschichte bis zum Einspritzen ins Formnest bestimmt wird. Außerdem ist bekannt, dass ein Beginn des Vernetzungsprozesses, vor dem Eintritt ins Formnest, gleichbedeutend einem Ablauf des Inkubationspotentials, wegen möglicher Produktfehler unbedingt zu vermeiden ist.

Der zweite Bereich II in der 3 gibt die Vernetzungszeit tv bis zur vollständigen Vernetzung (100%, durch das Maximum der Kurve gekennzeichnet) an. Die Steigung der Kurve gibt die Vernetzungsgeschwindigkeit an und auch hier zeigt der Vergleich der Kurven in den 1 und 2, dass diese mit zunehmender Temperatur ansteigt. Sie unterliegt also prinzipiell der gleichen Gesetzmäßigkeit wie die Inkubationszeit. Da in der Festlegung des Vernetzungsbeginns und des Vernetzungsendes bei der Auswertung der Kurven subjektive Fehlerquellen vorliegen können werden auch häufig die Werte bei 10 und 90% relativer Vernetzung als t10 und t90 verwendet.

Im Herstellungsprozess wird zur Vermeidung von Produktfehlern der Einspritzvorgang unter Ausnutzung von Sicherheitspolstern so eingestellt, dass Anvernetzungsfehler durch Aufbrauchen des Inkubationspotentials vermieden werden. Unliebsamer Nebeneffekt dabei ist es, dass mit vergleichsweise geringen Materialtemperaturen ins Formnest eingespritzt wird.

Aufgrund dessen wird ein Teil der Vulkanisationszeit einerseits dazu verwendet, das nach dem Einspritzen noch vorhandene Inkubationspotential in den Materialbereichen aufzubrauchen und den Vernetzungsvorgang zu starten und andererseits um durch Wärmeleitung die erforderliche Energie in Form von Wärme zuzuführen, um möglichst schnell in allen Bereichen gleiche Temperaturen zu erreichen und den Vernetzungsvorgang beschleunigt ablaufen zu lassen. Letzteres wird durch die Tatsache, insbesondere bei dickwandigen Formteilen erschwert, dass Kautschuk insgesamt ein schlechter Wärmeleiter ist. Beide Vorgänge sichern auf der einen Seite die Produktqualität, führen jedoch auf der anderen Seite zu unwirtschaftlich hohen Produktionskosten. Diese bestimmen im Wesentlichen den Produktpreis und die Wettbewerbsfähigkeit der Hersteller.

Aufgelöst wird dieser Zielkonflikt mittels der hier vorgestellten Erfindung durch die Verwendung eines Konzeptes, bei dem mittels Prozessoptimierungssysteme, die in der Lage sind auf dem Weg vom Einzugsbereich bis zum Formnest den Materialzustand entlang des Weges genau zu erfassen und zu berechnen, die Wärmezuführung in den einzelnen Bereichen so gesteuert wird, dass einerseits das Inkubationspotential bis zum Eintritt der Kautschukmischung ins Formnest gezielt auf Null abgebaut und andererseits eine Einspritztemperatur in Höhe der Werkzeugwandtemperatur oder darüber erreicht wird. Unterstützt wird dies durch den gezielten Einsatz von Dissipationsleistung zur internen Temperaturerhöhung. Auf diese Weise wird die zur Produktion der Formteile benötigte Vulkanisationszeit als ein wesentlicher Anteil der Produktionszeit minimiert und die Produktionskosten deutlich gesenkt.

Grundlage des Konzeptes sind die Erfassung und Verwendung aller erforderlichen Materialdaten, der Maschinen und Werkzeugparameter. Sogenannte Prozessregelungssysteme [www.cas-jidoka.de] oder Heizzeitrechner [www.ing-ks.de] werden zur Simulation oder Prozeßregelung bereits eingesetzt. Je nach Anwender werden jedoch bei ihrem Einsatz unterschiedliche Strategien verwendet. Wobei keine der bekannten Prozessstrategie darauf ausgerichtet ist, den heute vielfach eingesetzten Kaltkanal als eine Kombination von Kalt- und Heißkanal zu betrachten und durch ein variables Einspritzgeschwindigkeitsprofil gezielt Dissipation zur Heizzeitverkürzung einzusetzen. Je nach Formteil und Material kann es erforderlich sein, dass die Beheizung/Kühlung des Fließkanalsystems, mit dessen Hilfe die Kautschukmischung dem Formnest zugeführt wird, temporär und abschnittsweise aufgebaut und geregelt/gesteuert wird.

In den Zeichnungen sind schematisch die Erfindung und Erläuterungen dargestellt, es zeigt
1 Die Darstellung einer Vulkameterkurve bei T1
2 Die Darstellung einer Vulkameterkurve bei T2 > T1
3 Darstellung einer Vulkameter mit den charakteristischen Zeiten ti und tv
4 Schema eines Spritzgießprozesses
Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels näher erläutert. Vorausgesetzt wird dabei der Einsatz eines geeigneten Prozessregelsystems. Auch Merkmale, die nur gezeichnet aber nicht ausführlich beschrieben sind oder die Umkehrung, stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
In den Figuren sind funktionsgleiche oder-ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Zu Beginn des Prozesses werden (siehe 4) dem Regelungssystem 1 alle erforderlichen Daten über die Kautschukmischung 2, das Schneckensystem der Aufbereitungseinheit 3, das Einspritzsystem 4, den Fließkanal als Werkzeugbestandteil 5, das Werkzeug 6 – und das Formnest sowie über evtl. vorhandene Einlegeteile eingegeben. Dazu gehören auch die eingesetzten Meßsensoren 7 für Drücke, Temperaturen und Zeiten ebenso wie Daten der Maschineneinstellung für den Produktionsprozess.
Mit Hilfe dieser Daten wird eine erste Simulation des Herstellprozesses zur Ermittlung der Ausgangssituation vorgenommen und mit der Realität abgeglichen. Mittels weiterer Simulationen wird das Konzept der minimalen Vulkanisationszeit durch ein gezieltes Temperaturprofil entlang des Fließweges, unter Berücksichtigung der Verweilzeiten in jedem Abschnitt und der Wärmeübergangsbedingungen, und durch ein Profil der Einspritzgeschwindigkeit umgesetzt, unter Berücksichtigung der geometrischen Verhältnisse in den Einspritz- und Fließkanälen sowie im Formnest.
Auf diese Weise wird das Inkubationspotential weitestgehend abgebaut und der Vulkanisationsvorgang gestartet. Da der Vulkanisationsvorgang aufgrund der dann hohen Einspritztemperatur bereits mit einer großen Geschwindigkeit abläuft und Wärmeleitungsvorgänge innerhalb des Formnestes nur noch eine untergeordnete Rolle spielen, bestimmt nur noch der Ablauf der Vulkanisation bei hoher Temperatur den Prozeß und seine Zeiten.

1: Prozessregelung
2.: Kautschukmischung
3: Schnecken- und Einzugssystem
4: Einspritzsystem
5: Fließkanal
6: Werkzeug
7: Datenaustausch (Sensoren, Stellglieder)
8: Materialdaten

Abkürzungen

T

Temperaturen in den Prozessbereichen

T1, T2

Temperaturen der isothermen Vulkameterkurven

p

Prozessdrücke

ti

Inkubationszeit

tv

Vernetzungszeit

Claims

Verfahren zum Minimieren der Vulkanisationszeit zur Herstellung von Gummiformteilen in den unterschiedlichsten Herstellungsverfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Inkubationszeitpotential der Kautschukmischung vor dem Eintritt ins Formnest oder vor dem Beginn der Formgebung gezielt bis auf Werte nahe oder gleich Null abgebaut wird und die Einspritztemperatur Werte nahe der Werkzeugwandtemperatur erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Inkubationspotential gezielt bis auf eine bestimmten Wert, der größer Null ist, abgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritztemperatur Werte größer als die Werkzeugwandtemperatur aufweisen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung eines bestimmten Inkubationspotentiales ein Temperaturprofil entlang des Fließkanales eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl gezielte Temperierung im und/oder des Fließkanalbereiches, in jedem Prozessabschnitt, als auch eine gezielte Erzeugung von Dissipation einen kontrollierten Abbau an Inkubationspotential und eine kontrollierte Starttemperatur des Vulkanisationsvorganges im Formnest sicherstellt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturprofil in Bereichen des Fließkanales Werte nahe der Werkzeugwandtemperatur, beispielhaft: 180°C oder andere Werte, erreichen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließkanalgeometrie zur Erzeugung von hoher Dissipationsleistung entsprechend gestaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zu seiner Umsetzung und Überwachung ein Prozessregelungssystem eingesetzt wird.