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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Entwicklung
einer gewünschten
Materialzusammensetzung, wobei aus mehreren Ausgangsmaterialien
unterschiedliche Materialzusammensetzungen (Rezepturen) gebildet
werden, aus denen Prüfkörper mit
entsprechend unterschiedlichen Materialzusammensetzungen hergestellt
und in einer Prüfeinrichtung
untersucht werden.
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Um
eine gewünschte
Materialzusammensetzung zu entwickeln ist es bekannt, unterschiedliche Materialzusammensetzungen,
nachfolgend auch Rezepturen genannt, in einem Extruder aufzuschmelzen,
zu vermischen und zu einem Prüfgranulat
zu verarbeiten. Das so hergestellte Prüfgranulat wird dann nachfolgend
in einer Plastifizier- und
Einspritzeinheit in einer Spritzgießmaschine aufgeschmolzen und
in einem Spritzgießwerkzeug
zu Prüfkörpern ausgeformt.
Die so hergestellten Prüfkörper können dann
anschließend
untersucht werden, beispielsweise auf ihre mechanischen Eigenschaften
wie Festigkeit und vieles andere mehr.
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Üblicherweise
werden dabei die Rezepturen händisch
von einer Bedienperson eingegeben, was mit entsprechenden Personalkosten
verbunden ist.
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Desweiteren
stehen aufgrund der chargenweisen Herstellung des Prüfgranulats
nur diskontinuierliche Änderungen
in den unterschiedlichen Rezepturen zur Verfügung, so dass es mit beträchtlichem Zusatzaufwand
verbunden ist, wenn man eine zwischen zwei Rezepturen liegende Materialzusammensetzung
prüfen
möchte,
da hierfür
extra eine Charge an Prüfgranulat
hergestellt werden muss.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung
von Prüfkörpern unterschiedlicher
Materialzusammensetzung zu vereinfachen und zu automatisieren.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen von
Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Dadurch,
dass die unterschiedlichen Rezepturen in einem Spritzgießcompounder
verarbeitet und zu den Prüfkörpern geformt
werden, können ganze
Versuchsreihen einfach und automatisch abgefahren werden, ohne dass
jeweils eine neue Charge an Prüfgranulat
hergestellt werden muss. Vielmehr kann das Ausgangsmaterial direkt
gemischt und verarbeitet werden, so dass ohne großen Aufwand
bedarfsweise auch Nuancen in unterschiedlichen Materialzusammensetzungen
eingestellt werden können.
Die unterschiedlichen Rezepturen können in der Steuerung des Spritzgießcompounders hinterlegt
sein oder sie können
von einem Datenträger
in die Steuerung eingelesen werden, beispielsweise über eine
Diskette, CD, USB-Stick oder aber auch über eine Datenleitung von einem
externen Computer. Die so hergestellten Prüfkörper können dann entsprechend der
Versuchsreihe gleich einer Prüfeinrichtung
zugeführt
und die gewonnen Prüfergebnisse über die
Steuerung oder einen externen Computer der jeweiligen Rezeptur zugeordnet
werden.
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Durch
die Verwendung eines Spritzgießcompounders
kann nach jedem Spritzgießzyklus
die gerade gespritzte Rezeptur über
ein geeignetes Ausschleusventil aus der Plastifizier- und Einspritzeinheit des
Spritzgießcompounders
abgelassen werden. Nachfolgend kann dann die nächste (neue) Rezeptur in der
Plastifizier- und Einspritzeinheit aufbereitet und zu einem Prüfkörper mit
einer nächsten
Materialzusammensetzung ausgeformt werden, wobei ein erster Teil
der neuen Rezeptur zunächst über das
Ausschleusventil abgelassen werden kann, bis eine homogene Materialzusammensetzung
sichergestellt ist und etwaige Reste der vorangegangenen Rezeptur vollständig verschwunden
sind.
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Je
nach gewünschter
Materialzusammensetzung können
für eine
Versuchsreihe beispielsweise mehrere Kunststoffkomponenten mit unterschiedlichen
Gewichts- oder Volumenanteilen an der Rezeptur aufgeschmolzen und
zu Prüfkörpern geformt
werden. Es können
aber auch Faserstoffe wie beispielsweise Glas- oder Naturfasern
eingemischt werden. Ebenso können
Füllstoffe
wie z. B. Fe2O3,
Talkum, Kreide, Ti- Oxide,
usw. eingemischt werden. Beispielsweise kann in einer Versuchsreihe
der Anteil an Faserstoffen stufenweise verändert werden, von z. B. 10%–70% Faseranteil
in der Rezeptur. Desweiteren kann in einer Versuchsreihe bei konstantem
Faseranteil die Art der Fasern variieren, z. B. verschiedene Arten
von Naturfasern oder Glasfasern, gegebenenfalls auch mit unterschiedlicher
Faserlänge.
Bei all diesen Versuchsreihen können
die einzelnen Anteile der Materialien an der Rezeptur beliebig eingestellt und
verändert
werden und zwar von einem Prüfkörper zum
nächsten
Prüffkörper, ohne
dass eine gewisse Mindestmenge an Prüfgranualt zuvor hergestellt und
bereitgehalten werden müsste.
Um jeweils „sortenreine" Prüfkörper einer
Rezeptur zu erhalten, kann nach einem Wechsel der Rezeptur zunächst eine
Anzahl an Ausschuß-Prüfkörpern hergestellt werden,
bevor ein Prüfkörper ausschließlich der
neuen Rezeptur zur Verfügung
steht.
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Die
Ausgangsmaterialien können
zunächst gemischt
und dann als Gemisch über
einen Einfülltrichter
in den Extruder der Plastifizier- und Einspritzeinheit des Spritzgießcompounders
eingegeben werden. Es können
aber auch mehrere Einfülltrichter am
Extruder vorgesehen werden.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme
auf die Figuren näher
erläutert
werden.
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Ein
Spritzgießcompounder
gemäß Figur
umfaßt
einen Doppelwellen-Extruder mit einem Schneckenzylinder 10,
in dem zwei achsparallele Schnecken 16, 18 axial
unverschieblich und gleichsinnig drehbar gelagert sind. Über einen
Schneckenförderer 13 und
einen Trichter 14 wird mindestens ein erstes Kunststoffmaterial
von einer Dosierstation 12 in das Innere des Schneckenzylinders
eingeführt
und durch Drehung der Schnecken 10 mittels eines Antriebs
plastifiziert und in Richtung. eines Ausstoßendes gefördert, an dem der Schneckenzylinder 10 in eine
Verbindungsleitung 32 mündet. Über weitere Dosierstationen 12.1–12.n,
gegebenenfalls auch ohne Schneckenförderer, und weitere Trichter 14.1–14.n können weitere
Kunststoffmaterialien und/oder sonstige Ausgangsmaterialien, wie
z. B. Fasern, Füllstoffe,
Farbstoffe und vieles andere mehr, in den Extruder eingegeben zu
einem Kunststoffmaterialgemisch aufbereitet werden. Die Kunststoffmaterialien
und/oder sonstigen Ausgangsmaterialien können aber auch von den Dosierstationen 12, 12.1– 12.n über einen
gemeinsamen Trichter, beispielsweise den ersten Trichter 14,
in den Extruder eingegeben werden, wie dies mit dem die Dosierstationen 12.1 bis 12.n verbindenden
und auf den Trichter 14 weisenden Pfeil in der Figur veranschaulicht ist.
Die verschiedenen Ausgangsmaterialien (Kunststoffe und/oder sonstige
Ausgangsmaterialien) können
desweiteren auch über
eine gemeinsame Dosierstation „vorgemischt" an einer Stelle
dem Extruder zugeführt
werden, wie dies mit den Kästchen
M1, M2, ....Mn in der Figur angedeutet werden soll. Falls auch die
Herstellung von geschäumten
Prüfkörpern gewünscht wird,
kann zwischen dem Trichter 14 und dem Ausstoßende des
Zylinders eine Treibmittelzufuhrstation 20 vorgesehen werden,
die Treibmittel in Form von Gas mittels einer Pumpe 8 aus
einem Gasspeicher in das vorzugsweise bereits plastifizierte Kunststoffmaterialgemisch
einleitet.
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Die
Verbindungsleitung 32 mündet
in einen Zwischenspeicher 40, d. h. einen Sammelraum 47 eines
Speicherzylinders 45, in dem ein Speicherkolben 42 verschiebbar
aufgenommen ist. Der Sammelraum 47 ist über eine Leitung 70 mit
einem Sammelraum 56 einer Einspritz-Kolben-Zylinder-Anordnung 50 verbunden.
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Während des
Betriebs wird kontinuierlich Kunststoffmaterialgemisch von dem Extruder
gefördert
und aufbereitet und füllt
den Sammelraum 56 der Anordnung 50, wobei der
Kolben 52 von dem nachfließenden Kunststoffmaterialgemisch
verdrängt
oder geregelt zurückgezogen
wird. Wenn der Sammelraum 56 bis zu einem vorgegebenen
Maß mit
Kunststoffmaterialgemisch gefüllt
ist, wird die Verbindung zwischen dem Zwischenspeicher 40 und
der Einspritzzylinderanordnung 50 über ein Sperrorgan 72 unterbrochen,
und das plastifizierte Kunststoffmaterialgemisch wird von dem Kolben 52,
der durch einen Antrieb 58 betrieben wird, in eine Form 60 eingespritzt,
um einen oder mehrere Prüfkörper aus
diesem Kunststoffmaterialgemisch, also gemäß der vorgegebenen Rezeptur
herzustellen.
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Gleichzeitig
sammelt sich im Sammelraum des Zwischenspeichers 40 das
kontinuierlich vom Extruder nachgelieferte Kunststoffmaterialgemisch. Um
dabei möglichst
konstante Druckverhältnisse
zu ermöglichen,
ist der Kolben 42 des Zwischenspeichers 40 mit
einer Verschiebevorrichtung verbunden. Die Verschiebevorrichtung
umfaßt
zwei Kolben-Zylinder-Anordnungen 44 und 46, wobei
die jeweiligen Kolben über
ein Verbindungsglied 48 mit dem Kolben 42 des
Zwischenspeichers 40 verbunden sind.
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Durch
Beaufschlagen der Kolben der Kolbenzylindereinheiten 44, 46 mit
einem Druckmittel können
die Kolben verschoben werden und bewegen dementsprechend über das
Verbindungsglied 48 den Kolben 42 des Zwischenspeichers 40.
Dabei ist die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß die Verschiebevorrichtung
eine definierte Kraft auf den Kolben des Zwischenspeichers 40 ausüben kann,
so daß das
plastifizierte Kunststoffmaterialgemisch im Zwischenspeicher unter
einem definierten Druck steht, d. h. die Kolben der Verschiebevorrichtung werden
in der Figur von oben mit Druckmitteln beaufschlagt. Gegebenenfalls
kann es auch sinnvoll sein, den Kolben des Zwischenspeichers aktiv
nach oben zu verschieben, so daß in
diesem Fall die Kolben 44, 46 von unten mit Druckmitteln
beaufschlagt werden.
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Die
Verschiebung des Kolbens 42 kann abhängig von den Signalen eines
Drucksensors (nicht dargestellt) geregelt werden, der in dem Zwischenspeicher
oder, vorzugsweise, im Verlauf der Leitung 32 angeordnet
ist, beispielsweise um einen Druck einzuhalten, bei dem mit Treibmittel
versehenes Kunststoffmaterialgemisch noch nicht expandiert. Die
Anordnung des Drucksensors in der Leitung 32 hat dabei
den Vorteil, daß Druckschwankungen,
die vom Extruder verursacht werden, frühzeitig erkannt werden können und
der Kolben 40 entsprechend frühzeitig verfahren werden kann.
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Im
Verlauf der Leitung 32 ist ferner ein Sperr- und Entlastungsorgan 30 angeordnet,
mit dem die Verbindung zwischen der Ausstossöffnung des Extruders und dem
Zwischenspeicher 40 unterbrochen werden kann. Wenn beispielsweise
wegen einer Störung
im Extruder Kunststoffmaterialgemisch mit zu geringem Druck geliefert
wird oder bei einer Störung in
der Einspritzeinheit Kunststoffmaterialgemisch nicht weiter verarbeitet
werden kann und die Kapazität
des Zwischenspeichers ausgeschöpft
ist, sperrt das Organ 30 die Verbindung, so daß das Kunststoffmaterial
stromab des Organs 30 mittels des Zwischenspeichers 40 auf
dem erforderlichen Druck gehalten wird.
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Desweiteren
ist das Organ 30 mit einer Ableitung 34 als Ausschleusventil
versehen, um das Kunststoffmaterialgemisch gemäß der aktuellen Rezeptur nach
Fertigstellung eines oder mehrerer Prüfkörper aus dem System abführen zu
können,
beispielsweise in ein Wasserbad 74. Ebenso kann ein erster
Teil an Kunststoffmaterialgemisch gemäß der nachfolgenden Rezeptur
zunächst
aus dem Extruder abgeführt
werden, bevor die nächsten
Prüfkörper mit der
neuen Rezeptur hergestellt werden Da außerdem die dem Organ 30 nachgelagerten
Teile der Plastifizier- und Einspritzeinheit vorzugsweise von der
vorangegangenen Rezeptur zu reinigen sind, wird eine Anzahl an Prüfkörper-Formteilen herzustellen
und als „Fehlteil" zu entsorgen sein,
d. h. es wird eine bestimmte Menge an neuem Kunststoffmaterialgemisch
abgespritzt, bevor wieder ein Prüfkörper zur Verfügung steht,
der mit Sicherheit nur aus dem Kunststoffmaterialgemisch der nachfolgenden
Rezeptur besteht. Auf diese Weise kann man sicherstellen, dass der
nachfolgende Prüfkörper auf
jeden Fall nur nach der neuen Rezeptur hergestellt worden ist und
keine Anteile der vorangegangenen Rezeptur mehr vorhanden sind.
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Das
Sperr- und Entlastungsorgan 30 umfaßt einen Körper 31, in den einerseits
das Ausstoßende des
Schneckenzylinders 10 mündet,
andererseits die Verbindungsleitung 32. In dem Körper 31 ist
ein Stößel 33 verschiebbar
gelagert, der mit einer Kolben-Zylindereinheit 35 verbunden
ist. Von einer Hydraulikmittelpumpe 39 wird Hydraulikmittel über Leitungen 36 oder 37 der
Kolben-Zylindereinheit so zugeführt,
daß der
Stößel 33 entsprechend
einer Stellung des Steuerventils 38 verschoben werden kann. Dabei
ist die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß der Stößel in eine erste Stellung
eingestellt werden kann, in der das Ausstoßende des Schneckenzylinders 10 mit
der Ableitung 34 verbunden ist, und mindestens einer zweiten
Stellung, in der das Organ 30 das Ausstoßende des
Schneckenzylinders 10 mit der Verbindungsleitung 32 verbindet.
Daneben kann noch eine weitere Stellung vorgesehen sein, in der der
Stößel 33 das
Ausstoßende
des Schneckenzylinders 10 verschließt.
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Generell
kann zum Anfahren des Systems der Stößel zunächst in seine erste Stellung
verschoben werden, so daß anfänglich produziertes
Kunststoffmaterialgemisch aus dem System abgeleitet wird. Das anfänglich anfallende
Kunststoffmaterialgemisch hat nämlich
in der Regel zu Beginn noch nicht die erforderliche Konsistenz und/oder
Zusammensetzung gemäß der vorgegebenen
Rezeptur, die erst während
des kontinuierlichen Betriebs des Extruders erzielt wird. Sobald
das Material die gewünschte
Konsistenz hat, was sich durch Erfahrungswerte, Beobachtung des
austretenden Kunststoffmaterialgemischs und/oder Messungen ergibt, wird
das Organ 30 in seine Durchlaßstellung verschoben, so daß das ferner
anfallende Kunststoffmaterialgemisch in den Zwischenspeicher geleitet
wird und für
die nachfolgende Herstellung des oder der Prüfkörper aus diesem Kunststoffmaterialgemisch gemäß dieser
Rezeptur zur Verfügung
steht. Es ist auch möglich,
das Organ 35 in eine Verschlußstellung zu verfahren, was
den Druckaufbau im Extruder unterstützt.
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Vorzugsweise
wird das Organ 30 ebenfalls abängig von den Signalen des Drucksensors
betrieben, um einen übermäßigen Druckaufbau
bzw. einem Druckabfall stromab des Extruders entgegenzuwirken.
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Vorzugsweise
wird das Sperr- und Entlastungsorgan 30 ferner im Zusammenhang
mit der oder den Dosierstationen 12, 12.1 bis 12.n betrieben.
So kann beispielsweise das Sperr- und Entlastungsorgan 30 in
die Entlastungsstellung verfahren werden, wenn durch eine Steuerung
erkannt wird, dass über eine
Dosierstation eine nicht korrekte Mischung von Ausgangsprodukten
zugeführt
wird. In diesem Fall weist die plastifizierte Kunststoffmasse nicht
die Zusammensetzung gemäß der vorgebenen
Rezeptur auf und kann dementsprechend aus dem System abgeleitet
werden, bis eine korrekte Dosierung für diese Rezeptur erzielt ist.
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In
der hier nicht dargestellten Steuerung des Spritzgießcompounders
sind eine oder mehrere Versuchreihen mit Rezepturen an Kunststoffmaterialgemischen
hinterlegt oder können
von einem Datenträger
in die Steuerung eingelesen werden. Die Steuerung des Spritzgießcompounders „arbeitet" die Versuchsreihen
automatisch ab, wobei die Rezepturen automatisch mittels der Dosierstationen
richtig eingestellt werden können.
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Der
Einfachheit halber nicht dargestellt sind an sich bekannte Handlingsgeräte und Prüfeinrichtungen,
um den oder die Prüfkörper nach
jedem Spritzgießzyklus
aus der Form 60 entnehmen und untersuchen zu können.
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Einzelheiten über die
einzusetzenden Antriebe sowie über
eine Regeleinrichtung für
den Zwischenspeicher 40 sowie für das Sperr- und Entlastungsorgan 30 sind
hier nicht angegeben, da deren Umsetzung dem Fachmann geläufig ist.