DE102008047002A1

DE102008047002A1 - Verfahren zum Überwachen der Verarbeitung von Polymerwerkstoffen

Info

Publication number: DE102008047002A1
Application number: DE102008047002A
Authority: DE
Original assignee: Haidlmair Holding GmbH
Current assignee: Haidlmair Holding GmbH
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-18

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Überwachen der Verarbeitung von Polymerwerkstoffen, bei dem während der Verarbeitung der Polymerwerkstoffe Schall gemessen und die Schallmessung ausgewertet wird, wobei insbesondere bei der Verarbeitung der Polymerwerkstoffe entstehender Schall erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Verarbeitung von Polymerwerkstoffen.
Polymermaterialien (Thermoplaste, Elastomere, Duroplaste einschließlich Elends, Copolymere und gefüllter Polymere) werden in unterschiedlichen Prozessen {Fließpressverfahren (”compression moulding”) (z. B. ”sheet moulding compound” SMC), Spritzgussverfahren (”injection moulding”, z. B. bulk moulding compound BMC), Harzinfusionstechnik [”resin transfer moulding” RTM], Extrusionsverfahren [wie Pultrusion (”pultrusion”], Hinterspritzen, Blasformen} verarbeitet. Der eigentlichen Verarbeitungseinheit sind häufig Nachfolgeeinrichtungen [Walzenstühle: Kalandrieren, Oberflächenbehandlungen (z. B. mit Ultraschall), Aufheiz- und Abkühleinrichtungen] nachgeordnet. Sowohl bei der Verarbeitung als auch in den Nachfolgeeinrichtungen hängt in der Regel die optimale Wahl der aktuellen Verarbeitungsparameter (Verarbeitungstemperatur, -druck, Standzeiten u. s. w.) von der aktuellen Zusammensetzung (insbesondere bei Mehrkomponentensystem einschließlich Feuchtegehalt) und darüber hinaus der aktuellen Konsistenz [z. B. Viskosität von Duroplasten beim Reifen abhängig von Molmasse (Prozessparameter: Reifezeit)), Energieeintrag bei gefüllten Polymeren abhängig von Partikelgröße oder Partikelgrößenverteilung (Prozessparameter: Apparat) oder die Zusammensetzung] ab.
Um die optimalen aktuellen Verfahrensparameter zu ermitteln, ist eine Online-Messmethode erforderlich, die entweder direkt oder indirekt die relevanten Parameter (z. B. Fließ- und Deformationsverhalten (im fließfähigen bzw. erstarrten oder ausgehärteten Zustand), Feuchtegehalt, Molmassenverteilung, Füllstoffgehalt, Vernetzungsgrad) liefert. Die Online-Messmethode bietet entscheidende Vorteile sowohl bei Arbeiten auf den Gebieten der Material- und Anlagenentwicklung (Reaktionskinetik, der Diagnose und Quantifizierung von Strukturänderungen wie Phasenübergänge/Aggregatsübergänge), der Prozessoptimierung/-überwachung, Qualitätssicherung, Automatisierung/automatisierte Fertigung, Steuerung und Regelung, als auch in der Grundlagenforschung, um die beispielsweise beim Dosieren, Mischen, Lagern und der anschließenden Wärme- und Druckbehandlung bei reaktivem Polymersystem (wie beispielsweise SMC) ablaufenden Mikroprozesse und im Material vorhandene Mikrostrukturen quantitativ erfassen zu können. Auf Basis dieser Kenntnisse können schließlich die gesamte Verfahrenstechnik, die beteiligten Anlagen und die eingesetzten Ausgangsstoffe zielgerecht (Vermeidung zeit- und kostenintensiver trial-and-error-Versuche) optimiert werden.
Zur Online-Prozesskontrolle werden beispielsweise Messungen (an einem oder mehreren Messpunkten) der Temperatur und des Druckes an der Oberfläche des Bauteils (Durchbohrung des Spritzgussteils oder der Extruder- bzw. Düsenwandung) oder der Temperatur im Werkzeug, beispielsweise in Sacklochbohrung (verdeckt) bzw. des Druckes in Antriebseinheiten (Hydraulikleitungen) oder von Schließkräften (oder Momenten) durchgeführt. Realisiert werden ebenfalls NIR-, IR-, Raman-, NMR-, Drehmoment- und Normalkraft-(z. B. Extruder), Viskositäts- und thermische Leitfähigkeitsmessungen. Zusätzlich werden Offline-Messmethoden eingesetzt, um Proben des Polymermaterials nach der Verarbeitung zu untersuchen (mechanisch-thermische Materialprüfung, Thermoanalyse, Licht-Mikroskopie, REM, TEM, u. s. w.).
Die genannten Messmethoden weisen in einigen Fällen folgende entscheidende Nachteile auf: Die betreffenden Sensoren können nicht verdeckt installiert und Spritzgusswerkzeuge müssen durchbohrt werden. In vielen Fällen wird dadurch die Realisierung einer vollkommenen, ungestörten Oberfläche der Bauteile erschwert bzw. verhindert. Die Methoden sind kostspielig. Die Methoden erlauben nicht eine kontinuierliche Beobachtung oder gar eine Regelung des Produktionsprozesses. Die Methoden liefern nur den Messwert einer Messgröße pro Zeit. Zur Prozesskontrolle- und -regelung sind, abhängig von der Anwendung, mehr Daten erforderlich. Die Messdaten werden nicht im Probenmaterial, sondern im Material des Werkzeugs erfasst. Dies kann lediglich in einigen Fällen durch eine aufwändige Kalibrierung kompensiert werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen der Verarbeitung von Polymerwerkstoffen zu schaffen, das unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile, insbesondere ohne hohen konstruktiven Aufwand an einer entsprechenden Verarbeitungsvorrichtung in einfacher und preiswerter Weise eine kontinuierliche Beobachtung un ter Gewinnung hinreichender Daten, insbesondere zur Prozessregelung, ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass während der Verarbeitung der Polymerwerkstoffe Schall gemessen und die Schallmessung ausgewertet wird.
In einer äußerst bevorzugten Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass bei der Verarbeitung der Polymerwerkstoffe entstehender Schall erfasst wird, wobei üblicherweise Schall im gesamten erfassbaren Frequenzbereich von 16 Hz bis 100 Mhz erfasst wird. Dabei kann alternativ bzw. unterschiedlich an einzelnen Messstellen der Schallerfassung vorgesehen sein, dass Schall über den gesamten Frequenzbereich erfasst wird, dass Schall innerhalb einzelner Teilfrequenzbereiche erfasst wird oder aber, dass Schall in mindestens einem, insbesondere an mehreren einzelnen Frequenzwert(en) erfasst wird. Es hat sich herausgestellt, dass abhängig von der Textur und der Mikrostruktur des Polymermaterials sich lokal variierende Schallgeschwindigkeiten und -dämpfungen und dadurch auch unterschiedliche Schallspektren ergeben. Ebenso bedingen Verschleiß- und Bruchvorgänge im Werkzeug sowie das Materialverhalten des hergestellten Bauteils sowie Wechselwirkungen von Werkzeug mit Polymermaterial bzw. Bauteil Einflüsse auf den Schall (Dämpfung Verstärkung, Frequenzverschiebungen) in unterschiedliche Frequenzbereiche oder bei unterschiedlichen Frequenzen.
Zur Gewinnung aussagefähiger Daten ist in Weiterbildung vorgesehen, dass der erfasste Schall spektral analysiert wird. Aus den gewonnenen Spektraldaten werden in erfindungsgemäßer Weise weiterhin für die Regelung, Qualitäts- und/oder Prozesskontrolle relevante Parameter aus den aufgenommenen Schallspektren abgeleitet, wobei dies in äußerst bevorzugter Ausgestaltung mittels multivariaten Datenanalyse geschieht.
Ausgehend von der erfindungsgemäßen Datenerfassung kann in Weiterbildung vorgesehen sein, dass Eigenschaften des verarbeiteten Polymermaterials bestimmt werden, dass Charakteristika des durch die Verarbeitung entstehenden Verarbeitungserzeugnisses (Bauteil) bestimmt werden und/oder, dass Zustände von die Verarbeitung durchführenden Werkzeugen bestimmt werden.
Die Erfindung nutzt in ihrer bevorzugten Ausgestaltung aus, dass bei Verarbeitungsprozessen, hier insbesondere der Verarbeitung von Polymermaterialien, aufgrund der Geräteschwingungen der eingesetzten Maschinen und Vorrichtungen und das durch diese fließende Polymermaterial Schall erzeugt wird und der erzeugte Schall nicht nur für die Maschinen oder Vorrichtungen, sondern auch das fließende Polymermaterial und dessen Eigenschaften charakteristisch ist, beispielsweise hinsichtlich der Viskosität des verarbeiteten Materials, der Eigenschaften des hergestellten Bauteils, Qualität der Maschinen, etc.
Die durch Auswertung gewonnenen Daten können mittels üblichen mathematischen und statistischen bzw. chemometrischen Methoden, wie Filteroperation, multivariate Datenanalyse (MVDA), erfolgen. Dabei können auftretende Phänomene, wie Schadensfälle an Bauteilen, wie bei Bruchvorgängen, und an Werkzeugen, wie aufgrund von Verschleiß und Ausschuss, sowie Bauteileigenschaften, wie Oberflächenqualität, mit dem gemessenen Spektrum oder Ausschnitten bzw. Teilen von Spektren korreliert werden.
Durch die Erfindung kann nicht nur die aktuelle Zusammensetzung (und daraus abgeleitet die Mischgüte) des Systems, sondern insbesondere auch der gegenwärtige strukturelle Zustand (Reaktionskinetik plus Strukturänderungen, wie Phasenübergänge bzw. Aggregatszustand/-zustände) erfasst werden. Dies erlaubt zum einen eine präzise Auslegung der Anlage zur Verarbeitung von Polymerwerkstoffen, zum anderen können dadurch Qualitätsschwankungen [hinsichtlich der Zusammensetzung und der Struktur (z. B. Reifegrad bei SMC)] vermieden werden. Es ist eine durchgehende Material- und Prozessanalyse sowie -kontrolle von den Ausgangsstoffen über Vor-(wie Premixsysteme bei SMC) und Zwischenprodukte bis hin zu dem Endprodukt möglich. Die Schallspektralanalyse ermöglicht praxisnahe, zerstörungsfreie Messungen während des gesamten Produktionsprozesses. Zeitaufwändige und kostenintensive Offline-Analysen (wie nasschemische Methoden) können vermieden, und Fehldosierungen (Risikominderung von Fehlchargen, Fehlzeiten und Reduktion von Nacharbeit und der Ausschussraten) kann schnell entgegengesteuert werden. Die Bauteilkosten werden verringert durch eine höhere Prozesssicherheit und optimale Haltezeiten (Reduktion der Taktzeiten und damit Erhöhung der Produktionsmenge). Damit verbunden werden ebenfalls die Ausschussrate und die Nacharbeit (Kontrolle der Zusammensetzung und Mischgüte) vermindert. Nach vorhergehender Kalibrierung sind quantitative Aussagen über Zusammensetzung und strukturelle/morphologische Daten sowie andere beim Kalibrier-/Referenzierungsschritt verwendete Parameter (z. B. E- oder Schubmodul, Morphologie) ableitbar. Durch erfindungsgemäße zerstörungsfreie, nicht-invasive Online-Messungen an einer einzigen Probe während des Prozesses (Messtemperatur = Prozesstemperatur) können, ohne Unterbrechung des Prozesses, die bei dispersen Multi-Phasen-Systemen üblichen hohen Standardabweichungen bei der Verwendung mehrerer Proben deutlich verringert werden. Dies ist insbesondere von großer Bedeutung, um grundlegende Zusammenhänge aufzuklären, die dann in die Auslegung der Verfahren (Prozessüberwachung) und in die Auslegung reaktiver Materialien (Materialverhalten, Reaktionskinetik) einfließen. Die Messungen können online bei der jeweiligen Prozesstemperatur (= Messtemperatur) (ohne Unterbrechen und Abkühlen auf eine vorgegebene Messtemperatur) durchgeführt werden. Durch die freie Wahl der Messtemperatur und des Druckes können Effekte aufgrund von Reaktionen von Einflüssen infolge einer Variation der Messtemperatur und des Druckes unterschieden werden.
Durch die Erfindung wird erreicht, dass ein vorzeitiges Entformen (und damit Ausschuss) von polymerisierenden (z. B. PMMA, Gusspolyamid) oder thermoplastischen Bauteilen im Spritzguss vermieden werden kann. Überlange Polymerisierungszeiten (und damit verbundene Kosten) können ebenfalls vermieden werden. Dadurch können Taktzeiten reduziert und damit die Produktionsmengen erhöht werden. Durch die Erfindung wird die Ausschussrate und Nacharbeit reduziert, wodurch eine höhere Effektivität und damit höhere Nachhaltigkeit erreicht wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen kontinuierlichen Qualitätskontrolle können die hergestellten Bauteile direkt nach Verlassen der Produktionsanlage in unterschiedlichen Qualitätsklassen klassifiziert werden. Erreicht der Verschleiß ein vorgegebenes Maß oder setzen Bruchvorgänge ein, können Instandsetzungs- und Reparaturarbeiten veranlasst werden.

Claims

Verfahren zum Überwachen der Verarbeitung von Polymerwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass während der Verarbeitung der Polymerwerkstoffe Schall gemessen und die Schallmessung ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verarbeitung der Polymerwerkstoffe entstehender Schall erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schall innerhalb eines Frequenzbereichs von 16 Hz bis 100 Mhz erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schall über den gesamten Frequenzbereich erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schall innerhalb einzelner Teilfre quenzbereiche erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Schall in mindestens einem, insbesondere an mehreren einzelnen Frequenzwert(en) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Schall spektral analysiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Regelung, Qualitäts- und/oder Prozesskontrolle relevante Parameter aus den aufgenommenen Schallwerten abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Regelung, Qualitäts- und/oder Prozesskontrolle relevante Parameter aus den aufgenommenen Schallwerten mittels multivariaten Datenanalyse abgeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Eigenschaften des verarbeiteten Polymermaterials bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Charakteristika des durch die Verarbeitung entstehenden Verarbeitungserzeugnisses (Bauteil) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zustände von die Verarbeitung durchführenden Werkzeugen bestimmt werden.