DE102007038671A1

DE102007038671A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Prüfkörpern

Info

Publication number: DE102007038671A1
Application number: DE102007038671A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Bertling; Damian Hintemann; Martin Bogun; Rasit ÖZGÜC
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-08-15
Filing date: 2007-08-15
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-08-16
Also published as: DE102007038671B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern aus einem extrudierbaren wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Ausgangsmaterial (2), wobei das Ausgangsmaterial (2) in einer Extrudiereinrichtung (3) zu einem Produktstrom (7) extrudiert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß wenigstens ein Teilstrom (23) automatisch von dem Produktstrom (7) abgetrennt und wenigstens einer Formgebungseinrichtung zugeführt wird und daß in der Formgebungseinrichtung aus dem Teilstrom (23) wenigstens ein Prüfkörper hergestellt wird, insbesondere durch Spritzgießen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern aus einem extrudierbaren wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Ausgangsmaterial, wobei das Ausgangsmaterial in einer Extrudiereinrichtung zu einem Produktstrom extrudiert wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, verschiedene Ausgangsmaterialien, von denen zumindest ein Ausgangsmaterial ein thermoplastisches Material ist, in einem Extruder zu einer homogenen Schmelze zu verarbeiten, um diese Schmelze dann entweder über eine Einspritzvorrichtung in eine Form einzubringen oder die Schmelze durch Granulation oder Rohr-, Profil- oder Blasfolienextrusion zu einem Zwischen- oder Endprodukt weiter zu verarbeiten. Die extrudierbaren Ausgangsmaterialien können thermoplastische Polymere oder deren Mischungen sowie sogenannte Thermosetting-Polymere mit organischen oder anorganischen Partikeln oder faserförmigen Füllelementen oder Keramiken mit Wachs- oder Polymerbindemitteln enthalten. Bei dem thermoplastischen Polymer kann es sich beispielsweise um PVC, PE, PP, PET oder PA handeln.
Reine Polymere erfüllen nur selten die an die Anwendung der Zwischen- und Endprodukte gestellten Anforderungen. Neben der Herstellung polymerer Rohstoffe ist daher die Compoundierung ein Kernbereich der Kunststoffverarbeitung. Als Compound bezeichnet man Kunststoffe, denen zusätzlich Füllstoffe, Verstärkungsstoffe oder andere Additive beigemischt worden sind. Ziel der Compoundierung ist es, die Eigenschaften der Kunststoffe auf einen Anwendungsfall hin zu modifizieren und zu optimieren. Die Ziele der Compoundierung sind vielfältig und richten sich nach den gewünschten Eigenschaften des späteren Bauteils. Einige der wichtigsten Ziele der Compoundierung sind die Veränderung der mechanischen Eigenschaften des Grundpolymers durch die Zugabe von Verstärkungs- und Füllstoffen zum Grundpolymer, die Färbung durch die Zugabe von Pigmenten, die Verbesserung von Flammschutzeigenschaften durch die Zugabe von Flammschutzmitteln. Zudem werden Stabilisatoren und Verarbeitungshilfstoffe zugegeben. Dabei lassen sich die Eigenschaften der Kunststoffe durch eine Veränderung der Zusammensetzung (Rezeptur) des Ausgangsmaterials und durch Veränderung der Verarbeitungsparameter bei der Extrusion auf einen bestimmten Anwendungsfall hin optimieren.
Um die Eigenschaften eines Compounds zu ermitteln, werden im Stand der Technik aus dem extrudierten Ausgangsmaterial Prüfkörper hergestellt, die einer Werkstoffprüfung unterzogen werden. Bei den Prüfkörpern handelt es sich um Objekte mit genau festgelegten Eigenschaften wie Form, Maß oder stofflicher Zusammensetzung. Die Herstellung der Prüfkörper erfolgt zumeist im Spritzguß, wobei es sich bei den Prüfkörpern um Schulterstäbe oder Prüfplatten handeln kann. Die Prüfkörper werden in speziellen Prüfvorrichtungen definierten mechanischen, thermischen oder chemischen Belastungen ausgesetzt, um die Materialeigenschaften und damit Werkstoffkenngrößen des Compounds zu ermitteln.
Zur Herstellung eines auf einen bestimmten Anwendungsfall hin optimierten Compounds kommen Labor-Extruder zum Einsatz, wobei die im Labormaßstab entwickelten Compounds andere Eigenschaften aufweisen können als Compounds, die im Technikums- oder industriellen Maßstab erzeugt werden. Bei der Entwicklung von Compounds mittels Labor-Extrudern ist von Nachteil, daß die verfügbaren Spritzgußeinrichtungen nicht zur Verarbeitung von Kleinstmengen, wie sie in Labor-Extrudern erzeugt werden, ausgebildet sind. Bei der Herstellung von Compounds im technischen oder industriellen Maßstab stellt der Spritzgußprozeß von Prüfkörpern und Mustern einen separaten, aufwendigen Arbeitsschritt dar, der zur Unterbrechung des im übrigen kontinuierlich betriebenen Extrusionsprozesses führt. Die Rezepturentwicklung von Compounds erfolgt im Stand der Technik daher insbesondere bei hochpreisigen Ausgangsmaterialien, wie beispielsweise Nanotubes oder dergleichen, in einem Innenmischer, wobei die Eigenschaften eines in einem satzweise betriebenen Innenmischer verarbeiteten Ausgangsmaterials deutlich von den Eigenschaften desselben in einem kontinuierlich betriebenen Extruder verarbeiteten Ausgangsmaterials abweichen können.
In Branchen mit hohen Qualitätsansprüchen, wie beispielsweise der Automobil- oder Medizintechnik, werden hohe Anforderungen an die Qualitätssicherung bei der Herstellung von Zwischen- oder Endprodukten aus extrudierbaren Kunststoffen gestellt. In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, kontinuierlich oder beispielsweise chargenweise die Eigenschaften des extrudierten Ausgangsmaterials zu prüfen, was ebenfalls mittels Prüfkörpern und Modellen geschehen kann, die einer Werkstoffprüfung unterzogen werden. Die Herstellung von Prüfkörpern und Modellen erfordert auch hier eine Unterbrechung des kontinuierlich betriebenen Extrusionsprozesses, was mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung jeweils der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine einfache und kostengünstige Herstellung von Prüfkörpern aus einem extrudierbaren Ausgangsmaterial ermöglichen und sowohl bei der Compoundentwicklung als auch bei der Qualitätssicherung einsetzbar sind.
Die vorgenannte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß wenigstens ein Teilstrom automatisch von dem Produktstrom abgetrennt und wenigstens einer Formgebungseinrichtung zugeführt wird und daß in der Formgebungseinrichtung aus dem Teilstrom wenigstens ein Prüfkörper hergestellt wird, insbesondere durch Spritzgießen. Vorrichtungsgemäß ist dementsprechend bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wenigstens eine wenigstens einen Extruder aufweisende Extrudiereinrichtung zum Extrudieren des Ausgangsmaterials zu einem Produktstrom und wenigstens eine Formgebungseinrichtung zur Herstellung von Prüfkörpern aus dem extrudierten Ausgangsmaterial vorgesehen, wobei die Extrudiereinrichtung und die Formgebungseinrichtung über wenigstens eine Bypassleitung und eine Dosiereinrichtung fluidkommunizierend miteinander verbunden sind und wobei über die Bypassleitung und die Dosiereinrichtung ein Teilstrom aus dem Produktstrom abtrennbar und der Formgebungseinrichtung zuführbar ist.
Zumindest ein Teil des Produktstroms wird bei der Erfindung zur Herstellung eines Prüfkörpers bzw. eines Modells eingesetzt, was eine schnelle, das heißt zeitnah zum Extrusionsvorgang erfolgende Bestimmung der Eigenschaften des extrudierten Ausgangsmaterials ermöglicht. Bei der Compoundentwicklung können die Eigenschaften von unterschiedlichen Compounds, die durch Variation der Zusammensetzung und/oder der Prozeßparameter erhältlich sind, in kurzer Zeit ermittelt werden, was eine zeit- und kosteneffiziente Rezeptur- und Prozeßoptimierung bei der Herstellung eines an einen bestimmten Anwendungsfall angepaßten Compounds ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen überdies eine Compoundentwicklung in einem technischen bzw. industriellen Maßstab. Eine Maßstabsübertragung, wie sie im Stand der Technik bei der Ermittlung von Eigenschaften von Compounds mittels Laboranlagen erforderlich ist, ist bei der Erfindung nicht erforderlich. Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten Extruder können dabei Schneckendurchmesser von mehr als 25 mm, insbesondere von mehr als 30 mm, aufweisen.
In Zusammenhang mit der Qualitätssicherung können durch die Erfindung Qualitätsänderungen sehr schnell bei laufendem Produktionsprozeß erkannt werden, was es zuläßt, entsprechend schnell in den Produktionsprozeß regelnd einzugreifen. Eine Unterbrechung der Produktion ist bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht notwendig, um die Eigenschaften des extrudierten Ausgangsmaterials über die Prüfkörperherstellung und anschließende Werkstoffprüfung zu ermitteln. Im übrigen führt der geringe Materialbedarf bei der Spritzgußherstellung der Prüfkörper dazu, daß von dem (Haupt-)Produktstrom eine nur geringe Menge für die Prüfkörperherstellung abgetrennt werden muß, so daß die Weiterverarbeitung des Produktstroms durch die Prüfkörperherstellung nur wenig beeinflußt wird.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur in Zusammenhang mit der Rezepturentwicklung und Prozeßoptimierung von Compounds, sondern auch bei der Extrusion von reinen Kunststoffen oder deren Mischungen eingesetzt werden können. Im übrigen wird darauf hingewiesen, daß der Grundgedanke der Erfindung auch andere Formgebungsverfahren einschließt, um aus dem Teilstrom Prüfkörper herzustellen. Dabei kann an der Stelle von Spritzguß beispielsweise vorgesehen sein, einen Teilstrom des extrudierten Ausgangsmaterials zu pressen und anschließend Prüfkörper auszustanzen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß aus dem Produktstrom nach dem Abtrennen des Teilstroms wenigstens ein Zwischen- oder Endprodukt hergestellt wird. Der Produktstrom kann beispielsweise durch Granulation, Rohr-, Profil- und Folienextrusion oder auch durch Spritzgießen weiter be- bzw. verarbeitet werden. In diesem Zusammenhang ermöglichen es das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere, die Prüfkörperherstellung inline, das heißt bei laufendem Weiterbe- bzw. -verarbeitungsprozeß des nach der Abtrennung des Teilstroms verbleibenden Anteils des Produktstroms durchzuführen. Die Herstellung von Prüförpern ist dabei in den Herstellungsprozeß und Verarbeitungsprozeß des extrudierten Ausgangsmaterials integriert. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, daß der nach dem Abtrennen des Teilstroms verbleibende Anteil des Produktstroms nicht weiterverarbeitet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß ein Teilstrom von dem Produktstrom abgetrennt und zur Herstellung von Prüfkörpern vorgesehen wird. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, daß der Produktstrom in wenigstens zwei Teilströme aufgetrennt und jeder Teilstrom einer Formgebungseinrichtung zugeführt wird, wobei es sich bei den Formgebungseinrichtungen um Spritzgußeinrichtungen oder beispielsweise Preß- und Stanzvorrichtungen handeln kann. Darüber hinaus können Teilströme des Produktstroms weiteren Prüfeinrichtungen zugeführt werden, um beispielsweise rheologische Messungen, Leithigkeitsmessungen, Farbmessungen und Drehmomentmessungen durchzuführen.
Für die Prüfkörperherstellung sollte der Anteil des abgetrennten Teilstroms am Produktstrom maximal 0,5 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise bis 5 Gew.-%, insbesondere bis 1,5 Gew.-%, betragen, wobei von der Erfindung auch solche Verfahren und Vorrichtungen erfaßt sein sollen, bei denen der Produktstrom vollständig in mehrere Teilströme aufgetrennt und vollständig zur Werkstoffprüfung des extrudierten Ausgangsmaterials vorgesehen ist. Es versteht sich, daß in diesem Fall keine Weiterverarbeitung des Produktstroms zu Zwischen- oder Endprodukten erfolgt. Vorzugsweise beträgt die Gesamtmenge des von einem extrudierten Material abgetrennten Teilstroms 10 bis 200 g, vorzugsweise ca. 50 g, so daß die Inline-Herstellung von Prüfkörpern einen nur gerin gen Eingriff in den laufenden Produktionsprozeß darstellt und eine nur geringe Modifikation des Produktionsprozesses über die Zeitdauer der Entnahme des Teilstroms erfordert.
Um einen Gleichgewichtszustand des Produktstroms zu ermitteln, kann wenigstens ein physikalischer und/oder chemischer Parameter des Produktstroms gemessen werden. Der Begriff "Gleichgewichtszustand" im Sinne der Erfindung beschreibt das Erreichen eines stabilen Zustandes des extrudierten Ausgangsmaterials, wobei sich die Eigenschaften des Ausgangsmaterials im stabilen Zustand bei konstanter Zusammensetzung des Ausgangsmaterials und gleichen Prozeßparametern der Extrusion im wesentlichen nicht ändern. Durch Änderung der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials und/oder der Prozeßparameter bei der Extrusion wird der stabile Zustand verlassen, wobei sich ein erneuter stabiler Zustand für die geänderte Zusammensetzung oder die geänderten Prozeßparameter erst nach Ablauf einer bestimmten Zeitdauer einstellt. Bis zum Einstellen des Gleichgewichtszustandes kommt es zur Produktion von Ausschußmaterial.
Zur Ermittlung eines Gleichgewichtszustandes können rheologische Messungen, Leitfähigkeits-, Farb- oder Drehmomentmessungen vorgesehen sein. Vorrichtungsgemäß ist dementsprechend eine Meßeinrichtung zur vorzugsweise kontinuierlichen Messung wenigstens eines physikalischen und/oder chemischen Parameters des Produktstroms vorgesehen, wobei die Meßeinrichtung entsprechende Sensoren aufweist. Dabei kann eine kontinuierliche Messung vorgesehen sein. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, daß die physikalischen und/oder chemischen Parameter des Produktstroms diskontiniuierlich gemessen werden, beispielsweise beginnend nach einer Veränderung der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials oder einer Änderung der Prozeßparameter. Zur Ermittlung eines stabilen Zustandes ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung vorgesehen, die die gemessenen Parameter auswertet.
Nach der Einstellung eines Gleichgewichtszustandes des Produktstroms kann die Abtrennung des Teilstroms erfolgen, wobei der Teilstrom vorzugsweise über eine vorgegebene Zeitdauer abgetrennt werden kann, in der die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials und/oder die Prozeßparameter unverändert beibehalten werden. Dadurch wird ausgeschlossen, daß die Prüfkörper herstellung mit einem Material erfolgt, das sich noch nicht im stabilen Zustand befindet. Der Zeitpunkt, zu dem die Abtrennung beginnt, und die Zeitdauer, über die ein Teilstrom abgetrennt wird, können automatisch in Abhängigkeit von den gemessenen Parameterwerten mittels einer entsprechend ausgebildeten Steuer- und Auswerteeinrichtung festgelegt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt es zu, die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials automatisch entsprechend vorgegebener Rezepturen zu verändern. Dadurch ist eine weitere Automatisierung im Zusammenhang mit der Rezepturentwicklung und Prozeßoptimierung bei der Compoundherstellung möglich. In diesem Zusammenhang kann eine Veränderung der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials automatisch erfolgen, wenn sich im Rahmen der Qualitätssicherung herausgestellt hat, daß die geforderte Qualität eines extrudierten Ausgangsmaterials nicht eingehalten worden ist. Zu diesem Zweck kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung zur automatischen Veränderung der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials, vorzugsweise in Abhängigkeit von den gemessenen Parameterwerten des extrudierten Ausgangsmaterials, ausgebildet sein.
Um einen Gleichgewichtszustand visuell erkennen zu können, kann dem Ausgangsmaterial wenigstens ein Farbmarker zugegeben werden. Die Abtrennung eines Teilstroms kann erfolgen, sobald das eingefärbte Ausgangsmaterial die Mischstrecke des Extruders passiert hat und aus dem Extruder austritt. Um sicherzustellen, daß keine Verunreinigung des extrudierten Ausgangsmaterials durch in der Extrudiereinrichtung verbliebene Restanteile zuvor verarbeiteter Ausgangsmaterialien erfolgt, kann auch vorgesehen sein, daß eine Abtrennung des Teilstroms erst dann erfolgt, wenn über eine vorgegebene Zeitdauer hinweg ein eingefärbter Produktstrom die Mischstrecke passiert und aus dem Extruder ausgetragen worden ist. Der Extruder wird dabei über eine vorgegebene Zeitdauer mit dem eingefärbten Material gespült. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß der Farbmarker dem Ausgangsmaterial erst dann zugegeben wird, wenn ein stabiler Zustand des extrudierten Ausgangsmaterials erreicht ist. Dadurch ist eine gleichbleibende Qualität des erzeugten Produktstroms in einfacher Weise durch visuelle Kontrolle zu überprüfen.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß der Teilstrom von dem Produktstrom abgetrennt wird, was zu einer Verringerung der Menge des Produktstroms führt. Erfolgt die Prüfkörperherstellung inline, wobei der Produktstrom zu einem Zwischen- oder Endprodukt weiter be- bzw. verarbeitet wird, führt die Materialentnahme für die Prüfkörperherstellung zu einer Änderung der Geschwindigkeit und der Menge des Produktstroms, was unter Umständen eine Anpassung der zur Weiterbe- bzw. -verarbeitung des Produktstroms vorgesehenen Prozeßstufen notwendig macht. In diesem Zusammenhang sieht es die Erfindung vor, daß die Menge des Teilstroms gemessen wird und daß wenigstens ein Betriebsparameter bei der Herstellung eines Zwischen- oder Endproduktes aus dem Produktstrom in Abhängigkeit von der abgetrennten Menge des Teilstroms bzw. von der verbleibenden Restmenge des Produktstroms automatisch verändert wird. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Produktstroms während der Abtrennung des Teilstroms entsprechend verringert und/oder der Durchsatz des Extruders gesteigert wird. Zur automatischen Veränderung des Betriebsparameters weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine entsprechend ausgebildete Steuer- und Auswerteeinrichtung auf. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, einen weiteren Teilstrom des Produktstroms vor der Prüfkörperherstellung zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt, wenn die Materialentnahme für die Prüfkörperherstellung erfolgt, dem Produktstrom wieder zuzuführen, so daß sich der Produktstrom trotz der Materialentnahme für die Prüfkörperherstellung im wesentlichen nicht ändert. Zu diesem Zweck kann ein vorzugsweise beheizter Speicherbehälter für den weiteren Teilstrom vorgesehen sein.
Der Teilstrom wird vorzugsweise an einer Stelle des Extruders entnommen, an dem das Ausgangsmaterial vollständig durchmischt ist. In diesem Zusammenhang kann die Bypassleitung in Strömungsrichtung hinter einer Schneckenwelle des Extruders an den Extruder angeschlossen sein. Die Länge der Extruderschnecke legt dabei die Mischstrecke fest, in der das Ausgangsmaterial vermischt wird. Es versteht sich, daß grundsätzlich auch an einer anderen Stelle des Extruders eine Materialentnahme möglich sein kann.
Der Teilstrom des extrudierten Ausgangsmaterials wird schmelzförmig abgetrennt. Zum Abtrennen des Teilstroms kann die Dosiereinrichtung wenigstens eine Materialweiche bzw. eine Schmelzweiche und wenigstens ein Ventil aufweisen. Vorzugsweise ist als Formgebungseinrichtung eine Spritzgußeinrichtung vorgesehen. Die Spritzgußeinrichtung kann wenigstens einen Heizzylinder mit einem maximalen Füllvolumen von ca. 100 cm², vorzugsweise von ca. 50 cm², aufweisen. Dementsprechend kann der Heizzylinder eine Polymermasse von bis zu 200 g, vorzugsweise bis zu 100 g, insbesondere bis zu 50 g, aufnehmen. Durch die geringen Materialmengen, die dem Produktstrom zur Prüfkörperherstellung entnommen werden müssen, ist die Inline-Prüfkörperherstellung ohne weiteres möglich. In diesem Zusammenhang kann die Befüllzeit des Heizzylinders zwischen 10 bis 120 Sekunden, insbesondere zwischen 60 bis 90 Sekunden, betragen. Eine Störung der Weiterbe- bzw. -verarbeitung des Produktstroms zu einem Zwischen- oder Endprodukt ist dadurch auf einen kurzen Zeitraum beschränkt. Der Einspritzdruck in ein Spritzgußwerkzeug der Spritzgußeinrichtung kann zwischen 100 bar bis 1500 bar, insbesondere zwischen 500 bis 1200 bar, betragen. Die Massetemperatur des schmelzförmigen Ausgangsmaterials beträgt zwischen 100 bis 500°C, vorzugsweise zwischen 150 bis 350°C:
Vor dem Herstellen des Prüfkörpers kann eine Spülung der Formgebungseinrichtung und einer die Extrudiereinrichtung und die Formgebungseinrichtung verbindenden Bypaßleitung mit dem extrudierten Ausgangsmaterial vorgesehen sein. Beispielsweise kann das extrudierte Ausgangsmaterial durch eine Materialweiche und Ventile der Dosiereinrichtung sowie über die Bypaßleitung zu einem Heizzylinder und anschließend zu einem Spritzgußwerkzeug geleitet werden. Zur Reinigung und Spülung ist es dabei ausreichend, eine geringe Menge aus dem Produktstrom der Extrudiereinrichtung zu entnehmen, vorzugsweise eine Menge von maximal 100 g. Unmittelbar im Anschluß an einen Spülvorgang kann eine weitere Befüllung des Heizzylinders und eine anschließende Prüfkörperherstellung im Spritzgußwerkzeug erfolgen. Die Abtrennung des Teilstroms, der Spülvorgang und die anschließende Prüfkörperherstellung in der Spritzgußeinrichtung können automatisch erfolgen und über die Steuer- und Auswerteeinrichtung gesteuert werden.
Bei einem alternativen Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern aus einem extrudierbaren Ausgangsmaterial ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß in wenigstens einer Formgebungseinrichtung wenigstens ein Prüfkörper aus dem extrudierten Ausgangsmaterial hergestellt wird und daß der Prüfkörper anschließend automatisch etikettiert und/oder geprägt wird. Dementsprechend ist vorrichtungsgemäß eine der Formgebungseinrichtung nachgelagerte Etikettiereinrichtung und/oder Prägeeinrichtung zur Codierung von hergestellten Formkörpern vorgesehen. Durch die Etikettierung und/oder Prägung können dem Prüfkörper Informationen zugewiesen werden, die die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials und die Prozeßparameter beim Extrusionsvorgang und gegebenenfalls beim Herstellungsvorgang der Prüfkörper betreffen. Vorzugsweise ist die Etikettiereinrichtung oder Prägeeinrichtung zur automatischen Etikettierung oder Prägung der Prüfkörper ausgebildet. Dadurch läßt sich der Herstellungsprozeß der Prüfkörper beschleunigen, wobei Fehletikettierungen oder Fehlprägungen wirkungsvoll verhindert werden können. Im Anschluß an die Etikettierung und/oder Prägung kann eine Werkstoffprüfung des Prüfkörpers erfolgen, wobei eine nachgelagerte Prüfeinrichtung zum Einsatz kommt, in der die durch Etikettierung oder Prägung codierten Informationen vorzugsweise automatisch ausgelesen werden. Der Einfachheit halber können zum Etikettieren Manschetten auf dem Prüfkörper befestigt werden. Eine Codierung kann über Barcodes erfolgen, die auf die Etiketten aufgebracht sind und automatisch ausgelesen werden können. Die Etiketten können vor der Werkstoffprüfung in einfacher Weise von dem Prüfkörper wieder entfernt werden, um die Werkstoffprüfung nicht zu behindern.
Ist eine Inline-Prüfkörperherstellung vorgesehen, wobei der Prüfkörper aus einem Teilstrom des extrudierten Produktstroms des Ausgangsmaterials hergestellt wird, so kann darüber hinaus vorgesehen sein, das extrudierte Ausgangsmaterial bzw. den Produktstrom und/oder ein aus dem Produktstrom hergestelltes Zwischen- bzw. Endprodukt automatisch zu codieren bzw. mit den den Produktstrom oder das Zwischen- bzw. Endprodukt kennzeichnenden Informationen zu versehen. Dies ermöglicht es in einfacher Weise, codierte Prüfkörper einem bestimmten Ausgangsmaterial und/oder einem daraus hergestellten Zwischen- oder Endprodukt zuzuordnen. Hierzu kann vorrichtungsgemäß eine entsprechend ausgebildete Steuer- und Auswerteeinrichtung vorgesehen sein. Es versteht sich, daß auch die im Wege der Werkstoffprüfung ermittelten Eigenschaften des Prüfkörpers automatisch einem Ausgangsmaterial oder einem Zwischen- oder Endprodukt zugeordnet werden können.
Im einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden, wobei einerseits auf die abhängigen Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen wird. Im übrigen läßt es die Erfindung bedarfsweise zu, die in den Ansprüchen und/oder die anhand der Zeichnung offenbarten und beschriebenen Merkmale miteinander zu kombinieren, auch wenn dies nicht im einzelnen beschrieben ist.
In der einzigen Figur der Zeichnung ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Herstellung von Prüfkörpern aus einem extrudierbaren wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Ausgangsmaterial 2 dargestellt, wobei die Vorrichtung 1 eine Extrudiereinrichtung 3 mit einem aus mehreren Segmenten 4 bestehenden Extruder 5 aufweist. Nicht dargestellt ist, daß es sich bei dem Extruder 5 um einen Einschnecken- oder Doppelschneckenextruder, einen Vielwellen- oder einen Kaskadenextruder handeln kann.
Der Extruder 5 weist wenigstens eine in einem Schneckenzylinder geführte Schneckenwelle auf. Nicht dargestellt ist im übrigen ein Antrieb, der für die Rotation der Schneckenwelle sorgt. Vorne weist der Extruder 5 eine formgebende Auslaßöffnung 6 auf, aus der beim Extrusionsvorgang ein Produktstrom 7 austritt. Bei dem Produktstrom 7 handelt es sich um ein Compound aus dem Ausgangsmaterial 2 und weiteren Komponenten, bei denen es sich beispielsweise um Füllstoffe, Verstärkungsstoffe oder andere Additive handeln kann. Die Zugabe des Ausgangsmaterials 2 erfolgt über einen Trichter 8. Nicht dargestellt ist, daß über eine Seitenbeschickung 9 und einen weiteren Trichter 10 Füllstoffe, Verstärkungsstoffe oder andere Additive, wie beispielsweise Weichmacher, dem Ausgangsmaterial 2 zugeführt werden können. Darüber hinaus weist der Extruder 5 zwei Entgasungsstellen 11, 12 auf, wobei die erste Entgasungsstelle 11 für eine atmosphärische Entgasung und die zweite Entgasungsstelle 12 für eine Vakuumentgasung ausgebildet ist.
Die Extrudiereinrichtung 3 ist über eine Materialweiche 13 und eine Bypaßleitung 14 fluidkommunizierend mit einer Spritzgußeinrichtung 15 verbunden. Die Spritzgußeinrichtung 15 weist einen pneumatisch oder hydraulisch verstellbaren Zylinder 16, einen Spritzkolben 17 und einen Heizzylinder 18 auf, die eine Spritzeinheit 19 bilden. Darüber hinaus sind ein Spritzgußwerkzeug 20 und eine Schießeinheit 21 vorgesehen.
Über die Materialweiche 13, die zusammen mit einem Ventil 22 eine Dosiereinrichtung bildet, und die Bypaßleitung 14 ist es möglich, einen Teilstrom 23 von dem Produktstrom 7 abzutrennen und der Spritzgußeinrichtung 15 zuzuführen. Dies ermöglicht die Inline-Prüfkörperherstellung bei laufendem Compoundierbetrieb der Vorrichtung 1. Der Produktstrom 7 und der Teilstrom 23 weisen dieselben Eigenschaften auf, wobei die Materialweiche 13 zwischen dem letzten Segment 4 des Extruders 5 und einem Spritzkopf 24 des Extruders 5 angeordnet ist. Im Ergebnis wird der Teilstrom 23 von dem Produktstrom 7 abgetrennt, nachdem das Ausgangsmaterial 2 und die gegebenenfalls zusätzlich hinzugefügten Komponenten, die durch die Länge der Schneckenwelle des Extruders 5 festgelegte Mischstrecke der Extrudiereinrichtung 3 passiert haben und vollständig durchmischt sind. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Materialweiche 3 zwischen zwei beliebigen Segmenten 4 des Extruders 5 anzuordnen. Handelt es sich bei dem Extruder 5 um einen Doppelschneckenextruder, so kann ein Übergangsbauteil von einem brillenförmigen Innenprofil des letzten Extrudersegmentes 4 auf den runden Querschnitt des Spritzkopfes 24 durch die Materialweiche 13 ersetzt werden.
Durch die Vorrichtung 1 wird eine Integration einer Stand-By/Inline-Prüfkörperherstellung mittels Spritzguß in einen Compoundierprozeß ermöglicht. Zur Inline-Prüfkörperherstellung wird bei laufendem Compoundierbetrieb eine geringe Compoundmenge aus dem Produktstrom 7 entnommen. Das laufende Verfahren, beispielsweise der Stranggranulation oder Profil-/Folienextrusion, muß hierzu nicht unterbrochen werden. Über eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 26 läßt sich der Betriebszustand der dem Extrusionsvorgang nachfolgenden Prozeßstufen zur Weiterbe- bzw. -verarbeitung des Produktstroms 7 an die durch Abtrennung des Teilstroms 23 verringerte Menge des Produktstroms 7 automatisch anpassen. Die Anlagensteuerung soll dafür sorgen, daß trotz des Abzugs einer oder mehrerer Teilströme der stabile Betrieb nachgeschalteter Aggregate, beispielsweise Abzugs-, Kalibrier-, Temperier- oder Granuliereinheiten oder dergleichen, sichergestellt ist. Damit beispielsweise die Abtrennung des Teilstroms 23 von dem Produktstrom 7 nicht zu einem verringerten Durchmesser bei der Herstellung von Granulaten durch Stranggranulation führt, kann während des Entnahmevorgangs des Teilstroms 23 die Abzugsgeschwindigkeit des Stranggranulators reduziert werden, wobei die Reduzierung der Abzugsgeschwindigkeit automatisch gesteuert werden kann.
Darüber hinaus ist eine Meßeinrichtung 25 vorgesehen, die Sensoren zur Messung physikalischer und/oder chemischer Parameter des Produktstroms 7 aufweist, so daß mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 26 die Einstellung eines Gleichgewichtszustandes des Produktstroms 7 aus den gemessenen Parameterwerten ermittelbar ist. Die Meßeinrichtung 25 kann zur rheologischen Messung, Leitfähigkeitsmessung, Farbmessung oder Drehmomentmessung ausgebildet sein und entsprechende Sensoren aufweisen. Zusammen mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 26 können so das Erreichen eines stabilen Zustands an der Auslaßöffnung 6 des Extruders 5 detektiert und anschließend festgelegt werden, zu welchem Zeitpunkt und über welche Zeitdauer ein Teilstrom 23 von dem Produktstrom 7 abgetrennt werden soll. Dabei erfolgt die Abtrennung des Teilstroms 23 vorzugsweise erst nachdem ein stabiler Zustand des Produktstroms 7 detektiert werden konnte. Dabei ist ein stabiler Zustand des Produktstroms 7 dann erreicht, wenn sich die Eigenschaften des Produktstroms 7 bei gleichbleibender Zusammensetzung des Ausgangsmaterials 2 und der gegebenenfalls zusätzlich zugegebenen Komponenten sowie bei unveränderten Prozeßparametern des Extrusionsprozesses im wesentlichen nicht mehr ändern. Der Produktstrom 7, der vor dem Erreichen eines stabilen Zustandes erzeugt worden ist, wird als Anfahrmenge verworfen. Hierbei sollte die zu verwerfende Anfahrmenge bis zur Einstellung eines stabilen Zustandes ca. 100 g/Rezeptur nicht überschreiten. Im übrigen läßt es die Steuer- und Auswerteeinrichtung 26 bedarfsweise zu, verschiedene Rezepturvariationen automatisch einzustellen.
Die Prüfung der hergestellten Prüfkörper kann voll automatisiert in einem Prüfautomaten erfolgen, beispielsweise in einer voll automatisierten Zugprüfmaschine bei ebenfalls voll automatisierter Zuführung und Entfernung der Prüfkörper. Dadurch läßt sich die Inline-Werkstoffprüfung noch weiter beschleunigen. Bei dem Prüfkörper kann es sich um einen Zugprüfstab beispielsweise nach ISO 527-2-5A oder ISO 527-2-1A handeln. Im übrigen kann eine Etikettiereinrichtung dem Prüfautomaten nachgeordnet sein, um die Prüfkörper zu codieren bzw. zu kennzeichnen. Eine Codierung bzw. Kennzeichnung kann auch für den Produktstrom 7 und/oder ein aus dem Produktstrom 7 erhältliches Zwischen- oder Endprodukt vorgesehen sein. Mittels einer Steuerungssoftware können Rezepturen, codierte Prüfkörper, codierte Zwischen- oder Endprodukte, wie beispielsweise Extrudate oder Granulate, sowie Meßergebnisse einander zugeordnet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ermöglicht eine Coumpoundentwicklung bei geringen Anfahrverlusten und verringertem Materialeinsatz. Die Vorrichtung 1 ermöglicht bei der Extrusion eine schnelle und dokumentierte Inline-Qualitätskontrolle sowie eine Musterrückstellung. Darüber hinaus ist ein Skale-Up der Vorrichtung 1 ohne weiteres möglich, so daß eine Inline-Prüfkörperherstellung im technischen oder im industriellen Maßstab möglich ist. Im übrigen zeichnet sich die Vorrichtung 1 durch einen geringen Reinigungs- und Logistikaufwand sowie geringe Energie- und Personalkosten aus. Schließlich ist ein einfaches Nachrüsten eines Extruders 5 mit einer Spritzgußeinrichtung 15 über die Materialweiche 13 und die Bypaßleitung 14 möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ISO 527-2-5A [0032]
- ISO 527-2-1A [0032]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern aus einem extrudierbaren wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Ausgangsmaterial (2), wobei das Ausgangsmaterial (2) in einer Extrudiereinrichtung (3) zu einem Produktstrom (7) extrudiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teilstrom (23) automatisch von dem Produktstrom (7) abgetrennt und wenigstens einer Formgebungseinrichtung zugeführt wird und daß in der Formgebungseinrichtung aus dem Teilstrom (23) wenigstens ein Prüfkörper hergestellt wird, insbesondere durch Spritzgießen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Produktstrom (7) nach dem Abtrennen des Teilstroms (23) wenigstens ein Zwischen- oder Endprodukt hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfkörperherstellung inline erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Produktstrom (7) in wenigstens zwei Teilströme aufgetrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Herstellungsvorgang ein Teilstrom (23) von 0,5 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise bis 5 Gew.-%, insbesondere bis 1,5 Gew.-%, abgetrennt wird, jeweils bezogen auf das Gewicht des Produktstroms (7).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Herstellungsvorgang ein Teilstrom (23) von 10 bis 200 g, vorzugsweise von ca. 50 g, abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein physikalischer und/oder chemischer Parameter des Produktstroms (7) vorzugsweise kontinuierlich gemessen und ein Gleich gewichtszustand des Produktstroms (7) aus gemessenen Parameterwerten ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom (23) erst nach Einstellung eines Gleichgewichtszustandes abgetrennt wird, vorzugsweise über eine vorgegebene Zeitdauer.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials (2) automatisch entsprechend vorgegebener Rezepturen verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgangsmaterial (2) wenigstens ein Farbmarker zugegeben wird, wobei, vorzugsweise, der Farbmarker nach der Einstellung eines Gleichgewichtszustandes des Produktstroms (7) zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Teilstroms (23) gemessen wird und daß wenigstens ein Betriebsparameter bei der Herstellung eines Zwischen- oder Endproduktes aus dem Produktstrom (7) in Abhängigkeit von der abgetrennten Menge des Teilstroms (23) automatisch verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Teilstrom des Produktstroms (7) gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Herstellung des Prüfkörpers eine Spülung der Extrudiereinrichtung (3) und der Formgebungseinrichtung mit dem Teilstrom (23) vorgesehen wird.
Verfahren zur Herstellung von Prüfkörpern aus einem extrudierbaren wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Ausgangsmaterial (2), wobei das Ausgangsmaterial (2) in einer Extrudiereinrichtung (3) zu einem Produktstrom (7) extrudiert wird, vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem extrudierten Ausgangsmaterial in wenigstens einer Formgebungseinrichtung wenigstens ein Prüfkörper hergestellt wird, insbesondere durch Spritzgießen, und daß der Prüfkörper automatisch etikettiert und/oder geprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zum Etikettieren wenigstens eine codierte Manschette an dem Prüfkörper befestigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom (23) von einem Produktstrom (7) des extrudierten Ausgangsmaterials abgetrennt wird, daß der Prüfkörper aus dem Teilstrom (23) hergestellt wird und daß der Produktstrom (7) und/oder ein aus dem Produktstrom hergestelltes Zwischen- oder Endprodukt automatisch codiert wird.
Vorrichtung (1) zur Herstellung von Prüfkörpern aus einem extrudierbaren wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Ausgangsmaterial (2), mit einer wenigstens einen Extruder (5) aufweisenden Extrudiereinrichtung (3) zum Extrudieren des Ausgangsmaterials (2) zu einem Produktstrom (7), mit wenigstens einer Formgebungseinrichtung zur Herstellung von Prüfkörpern aus dem extrudierten Ausgangsmaterial, wobei die Extrudiereinrichtung (13) und die Formgebungseinrichtung über wenigstens eine Bypassleitung (14) und eine Dosiereinrichtung fluidkommunizierend miteinander verbunden sind, wobei über die Bypassleitung (14) und die Dosiereinrichtung ein Teilstrom (23) aus dem Produktstrom (7) abtrennbar und der Formgebungseinrichtung zuführbar ist, insbesondere ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Meßeinrichtung (25) zur vorzugsweise kontinuierlichen Messung wenigstens eines physikalischen und/oder chemischen Parameters des Produktstroms (7) und/oder der Menge des Teilstroms (23) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (26) vorgesehen ist und daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung (26) ausgebildet ist zur automatischen Ermittlung der Einstellung eines Gleichgewichtszustandes des Produktstroms (7) aus den gemessenen Parameterwerten.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung (26) ausgebildet ist zur automatischen Festlegung des Zeitpunktes der Abtrennung und, vorzugsweise, der Menge des abgetrennten Teilstroms (23).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung (26) ausgebildet ist zur automatischen Veränderung der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials (2).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung (26) ausgebildet ist zur automatischen Veränderung von wenigstens einem Betriebsparameter bei der Herstellung eines Zwischen- oder Endproduktes aus dem Produktstrom (7), wobei die Veränderung des Betriebsparameters in Abhängigkeit von der abgetrennten Menge des Teilstroms (23) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder (5) wenigstens einer Extruderschnecke aufweist und daß die Bypassleitung (14) in Strömungsrichtung hinter der Extruderschnecke an den Extruder (5) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung wenigstens eine Materialweiche (13) und wenigstens ein Regelventil (22) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spritzgußeinrichtung (15) als Formgebungseinrichtung vorgesehen ist und daß die Spritzgußeinrichtung (15) eine wenigstens einen Heizzylinder (18) aufweisende Spritzeinheit (19) aufweist, wobei der Heizzylinder (18) ein maximales Füllvolumen von ca. 100 cm³, vorzugsweise von ca. 50 cm³, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Befüllzeit des Heizzylinders (18) zwischen 10 bis 120 s, insbesondere zwischen 60 s bis 90 s, beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdruck in ein Spritzgußwerkzeug (20) der Spritzgußeinrichtung (15) zwischen 100 bis 1500 bar, insbesondere zwischen 500 bis 1200 bar, beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Extrudiereinrichtung (3) verbundene Einrichtung zur Granulation, Rohr-, Profil- oder Folienextrusion des Produktstroms (7) vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Herstellung von Prüfkörpern aus einem extrudierbaren wenigstens einen thermoplastischen Kunststoff aufweisenden Ausgangsmaterial (2), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 28, mit einer wenigstens einen Extruder (5) aufweisenden Extrudiereinrichtung (3) zum Extrudieren des Ausgangsmaterials (2), mit wenigstens einer Formgebungseinrichtung zur Herstellung von Prüfkörpern aus dem extrudierten Ausgangsmaterial und mit wenigstens einer der Formgebungseinrichtung nachgelagerten Etikettiereinrichtung und/oder Prägeeinrichtung für die hergestellten Formkörper.
Vorrichtung nach Anspruch 29 dadurch gekennzeichnet, daß die Etikettiereinrichtung oder Prägeeinrichtung zur automatischen Etikettierung oder Prägung der Formkörper ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Etikettiereinrichtung und/oder der Prägeeinrichtung nachgelagerte Prüfeinrichtung für eine Werkstoffprüfung des Prüfkörpers vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und Auswerteeinrichtung vorgesehen ist und daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung ausgebildet ist zur automatischen Zuordnung von etikettierten und/oder geprägten Prüfkörpern zu dem Ausgangsmaterial (2) und/oder zu einem aus einem Produktstrom (7) des extrudierten Ausgangsmaterials hergestellten Zwischen- oder Enderzeugnis.