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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffhohlkörpern durch
Blasformen,
wobei Vorformlinge aus einer Kunststoffschmelze
gebildet und einer geöffneten
Blasform zugeführt
werden,
wobei in einem an die Vorformlingsbildung jeweils anschließenden Blasformprozess
die Blasform geschlossen sowie die Vorformlinge mit einem gasförmigen Medium
zu Hohlkörpern
aufgeweitet werden,
wobei zur Erzeugung eines sich in Vorformlingslängsrichtung ändernden
Wandprofils die Vorformlingsbildung geregelt wird und dazu mittels
einer axialen Wanddickensteuerung die Vorformlinge jeweils in Profilpunkte
unterteilt werden und der Düsenspalt
und/oder der Massendurchsatz für
die Profilpunkte individuell eingestellt werden und
wobei zumindest
ein für
den Zustand der Kunststoffschmelze kennzeichnender Messwert zur
zusätzlichen
Anpassung des Verfahrens ermittelt wird.
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Ein
Verfahren mit den eingangs beschriebenen Merkmalen ist aus der Druckschrift
DE 695 24 475 T2 bekannt,
wobei durch das dort beschriebene Verfahren ein verbessertes Steuer-
bzw. Regelsystem mit besseren Charakteristika bereitgestellt werden
soll. Die Wanddickensteuerung dient dazu, entlang der Längsrichtung des
Vorformlings Volumenbereiche mit unterschiedlichen Mengen an Kunststoffschmelze
bereitzuhalten, so dass bei dem Blasformprozess Hohlkörper mit
einer gleichmäßigen Wanddicke
erzeugt werden können.
So ist vorgesehen in Bereichen, die einer starken Dehnung während des
Aufweitens unterworfen sind, mehr Kunststoffschmelze vorzusehen.
Entsprechend der Erfordernisse wird dabei während der Vorformlingsbildung
durch die axiale Wanddickensteuerung eine Stellwertkurve abgefahren,
die durch eine Erweiterung oder Verringerung des Düsenspaltes
den Durchtritt der Kunststoffschmelze steuert. Zusätzlich oder
alternativ kann auch vorgesehen sein, die Drehzahl einer Extruderschnecke
eines die Kunststoffschmelze bereitstellenden Extruders zu verändern, um
den Durchfluss zu erhöhen
oder zu verringern. Beide Maßnahmen,
das heißt
die Veränderung
des Düsenspaltes
einerseits und die Änderung
der Drehzahl der Extruderschnecke andererseits, wirken sich unmittelbar
auf den im Extrusionskopf herrschenden Druck aus. Dieser Druck wird
des Weiteren im besonderen Maße
durch die Viskosität
der Kunststoffschmelze beeinflusst. In diesem Zusammenhang ist zu
bemerken, dass die Viskosität
als Maß für den Fließwiderstand
auch unmittelbar die Menge an Kunststoffschmelze bestimmt, die in
einem vorbestimmten Zeitintervall durch den Düsenspalt austritt. Um vor diesem
Hintergrund Prozessabweichung bei dem Verfahren zur Herstellung
von Kunststoffhohlkörpern
zu bestimmten, ist vorgesehen, den Druck im Extrusionskopf, vorzugsweise
nahe des Düsenspalts,
zu bestimmen und daraus das Objektgewicht und die Austrittsgeschwindigkeit
der hergestellten Vorformlinge zu bestimmen und im Rahmen festgelegter
Zielwerte zu halten. Anhand der beiden Parameter des Objektgewichtes
und der Austrittsgeschwindigkeit kann mittelbar auf die Ausrichtung
der Vorformlinge in Bezug auf die Blasform geschlossen werden. Die
Genauigkeit des genannten Verfahrens ist jedoch verbesserungsbedürftig.
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Des
Weiteren sind Verfahren bekannt, bei denen die Vorformlingsbildung
geregelt wird und dazu mittels einer axialen Wanddickenlagesteuerung
das Nettogewicht des Hohlkörpers
sowie eine zweite Regelgröße, welche
die axiale Lage eines ausgewählten
Bereiches des Wandprofils der Formlinge bei einem definierten Prozessablauf
des Einformprozesses zum Schließzeitpunkt
der Blasform mittelbar beschreibt, gemessen werden sowie der die
Vorformlinge formende Düsenspalt
und/oder der Massendurchsatz für
die Vorformlingsbildung korrigiert werden, wenn die Messwerte von
Sollwerten abweichen. Die aus einem heißen, formbaren Kunststoff bestehenden
Formlinge sind zumeist schlauchförmig
und können
durch kontinuierliche Extrusion oder in Speicherkopfanlagen taktweise
hergestellt werden. Die Materialstärke der Vorformlinge wird in
Vorformlingslängsrichtung
und bei komplexer geformten Hohlkörpern häufig auch in Umfangrichtung
durch ein Wanddickenprogramm, welches während der Vorformlingsbildung
abläuft,
gesteuert. Entsprechende Verfahren sind in
EP 0 345 474 B1 ,
EP 0 776 752 B1 und
EP 0 693 357 B1 beschrieben.
Die bekannten Verfahren versuchen mit Hilfe von Markierungen, Zeit-
und Längenmessungen
sowie durch das Auswerten von Gewichtsmessungen Änderungen im Herstellungsprozess
auszuregeln, die sich vor allem aus sich ändernden Eigenschaften der
Kunststoffschmelze ergeben.
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Die
bekannten Verfahren haben sich bewährt um in einem gewissen Maße temperaturbedingte
oder materialbedingte Einflüsse
zu kompensieren, wobei vorrangig Gewichtsmessungen als Regelgrößen genutzt werden.
Das dabei bestimmte Gewicht ist ein integrales Maß, welches
Rückschlüsse auf
die in einem Abschnitt des Kunststoffkörpers vorhandene Materialmenge
erlaubt. Da bei den zuvor beschriebenen Verfahren üblicherweise
integrale Größen zur
Kompensation herangezogen werden, die genaue Verteilung der Kunststoffschmelze
innerhalb der Vorformlinge jedoch von dem komplexen viskoelastischen
Fließverhalten
abhängig
ist, kann eine höhere
Genauigkeit nicht ohne weiteres erreicht werden. Bei dem viskoelastischen
Fließverhalten sind
verschiedene Einflüsse,
wie das Schwellen, Schrumpfen und Auslängen der Vorformlinge, die
untereinander in einer direkten Wechselwirkung stehen, zu berücksichtigen.
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Mit
Schwellen bezeichnet man den Effekt, dass der Durchmesser und die
Wandstärke
des aus dem Düsenspalt
austretenden Vorformlings sich infolge einer Desorientierung der
im Fließkanal
ausgerichteten Molekühle ändert. Unter
Schrumpfen versteht man das Relaxieren der Vorformlige nach dem
Austreten aus dem Düsenspalt.
Das Relaxieren der Polymerketten der Kunststoffschmelze bewirkt
eine Verkürzung
der Vorformlinge, wobei die Wanddicke der Vorformlinge zunimmt.
Auslängen
tritt infolge des Eigengewichts des Vorformlings auf. Unter dem
mit der Extrusion zunehmenden Gewicht des Vorformlings verringern
sich Durchmesser und Wandstärke
des Vorformlings unterhalb des Kopfaustritts. Die Auslängung wird
im Wesentlichen von der Viskosität
der Kunststoffschmelze, dem an einem betrachteten Volumenabschnitt
hängenden
Gewicht und der Zeit, die der Volumenabschnitt diesem Gewicht ausgesetzt
ist, bestimmt. Die am Strangpresskopf beobachtete Austrittsgeschwindigkeit
des Vorformlings nimmt entsprechend zu. Die beschriebenen viskoelastischen
Effekte stehen in einer komplexen Wechselwirkung. Mit längerer Extrusionszeit
und höherer
Massetemperatur wird die Auslängung
größer. Wird
die Auslängung
größer, so
nimmt die Schwellung am Kopfaustritt ab. Bei längeren Extrusionszeiten wird
schließlich
die Schrumpfung im unteren Bereich des Vorformlings mit größerem Abstand vom
Düsenspalt
größer. Des
Weiteren wird das lokale viskoelastische Fließverhalten im besonderen Maße durch
den lokalen Wanddickenprofilverlauf in Längs- und Umfangsrichtung bestimmt.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Herstellung von blasgeformten Hohlkörpern anzugeben,
mit dem es möglich
ist, Vorgabewerte für
das Gewicht und die Wanddickenverteilung der gebildeten Hohlkörper in
engen Toleranzen einzuhalten. Insbesondere soll eine Modifizierung
und Verbesserung der bekannten Verfahren erreicht werden, welche
auf integrale Größen, beispielsweise Gewichtsmessungen,
zurückgreifen.
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Ausgehend
von einem Verfahren zur Herstellung blasgeformter Kunststoffhohlkörper mit
den eingangs beschriebenen Merkmalen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der für
den Zustand der Kunststoffschmelze kennzeichnende Messwert mit einem
vorgegebenen Referenzwert in Relation gesetzt wird, wobei ausgehend
von der Abweichung zwischen dem Messwert und dem Referenzwert für den Vorformling
anhand eines numerischen Models das viskoelastische Fließverhalten
der Kunststoffschmelze und davon ausgehend die räumliche Anordnung mindestens
eines signifikanten Profilpunktes in Abhängigkeit der Zeit bestimmt
werden und dass die bestimmte räumliche
Anordnung des mindestens einen Profilpunktes mit einer Referenzlage
verglichen wird, wobei zur Korrektur von Abweichungen zwischen der
Anordnung des mindestens einen signifikanten Profilpunktes und der
Referenzlage, ein Regeleingriff in die Vorformlingsbildung und/oder den
Blasformprozess erfolgt.
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Während gemäß den aus
dem Stand der Technik bekannten Verfahren lediglich integrale Größen bestimmt
werden, oder durch die Bestimmung der Austrittsgeschwindigkeit und
des Gesamtgewichtes mittelbar die Lage der Vorformlinge zur Blasform
ermittelt wird, ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
die Anordnung konkreter signifikanter Profilpunkte vorauszusagen.
Allein unter Berücksichtigung
des numerischen Modells ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
grundsätzlich
ein Regeleingriff in die Vorformlingsbildung und/oder den Blasformprozess
möglich.
Eine besonders genaue und zuverlässige
Kompensation von Abweichungen im Hinblick auf eine vordefinierte
Prozessführung
können
jedoch dann erreicht werden, wenn die erfindungsgemäß vorgesehene
Berechnung der Lage mindestens eines signifikanten Profilpunktes
in Kombination mit weiteren Regelungsgrößen, beispielsweise der Bestimmung
des Nettogewichtes des geformten Blaskörpers, der Gewichte eines oberen,
unteren und/oder seitlichen Butzens, der Kontrolle des Einformprozesses
oder sonstigen zur Prozessanpassung geeigneten Parametern erfolgt.
Vor diesem Hintergrund und zur Abgrenzung gegenüber den bekannten Verfahren
kann die erfindungsgemäß vorgesehene
Berücksichtigung
des numerischen Modells auch als rheologische Wanddickenlagesteuerung
bezeichnet werden.
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So
ist gemäß der
EP 0 345 474 B1 ein
Verfahren bekannt, welches das Ausregeln von materialbedingten Änderungen
des Blasformprozesses erlaubt, sofern dieser Änderungen das Schwellverhalten
des Vorformlings beeinflussen. Die Praxis hat gezeigt, dass diese
Maßnahmen
nicht ausreichend sind, um insbesondere bei der kontinuierlichen
Extrusion die Einflüsse
des Durchhängens
auszuregeln. Gemäß der
EP 0 776 752 B1 ist
zusätzlich
die Aufteilung des ursprünglichen
Wanddickenprofils der axialen Wanddickensteuerung in ein Wanddickenprofil
und ein Kompensationsprofil mit Multiplikator zum Ausregeln der
Einflüsse
einer sich ändernden
Durchhängung
vorgesehen. Die beiden vorbekannten Verfahren benutzen vorrangig
Gewichtsmessungen für
das Ausregeln von materialbedingten Störgrößen. Die dabei gemessenen Gewichte
stellen jeweils ein integrales Maß für das dem betrachteten Abschnitt
zugeordnete Materialangebot dar. Die genaue Materialverteilung kann
jedoch nicht bestimmt werden. So lange sich der Prozessablauf nicht
wesentlich ändert,
können mit
den bekannten Verfahren geringfügige
materialbedingte Schwankungen ausgeglichen werden, wobei angenommen
wird, dass sich die Materialverteilung in den betrachteten Bereichen
nicht signifikant ändert.
Sofern beabsichtigt oder unbeabsichtigt in den Blasformprozess und/oder
den Prozess der Vorformlingsbildung eingegriffen wird, sind diese
Annahmen nicht mehr gültig.
Zu berücksichtigen
sind insbesondere Abweichungen, die auf Änderungen des Einformprozesses
während
dem Schließen
der Blasform, Änderungen
der Aufblasbedingungen während
der Bildung des Hohlkörpers, Änderungen
der Extrusionsbedingungen des Vorformlings, Änderungen des Betriebspunktes
des Blasformprozesses und/oder der Vorformlingsbildung und Änderungen der
Wanddickenprofilkurve, die der Wanddickenlagesteuerung zugrunde
liegt, zurückzuführen sind.
Durch die Bestimmung des viskoelastischen Fließver haltens der Kunststoffschmelze
anhand des numerischen Modells kann, vorzugsweise in Ergänzung zu
den bekannten Verfahren, ein bedarfsgerechter Regeleingriff bestimmt werden.
Bei der Kombination verschiedener Regelungen kann vorgesehen sein,
dass jeweils ein eigener Regeleingriff ermittelt wird, wobei dann
bezogen auf den jeweiligen Prozessschritt eine Überlagerung der Regeleingriffe
erfolgt. So können
beispielsweise der Steuerkurve einer Wanddickensteuerung Korrekturgrößen überlagert
werden, die jeweils getrennt voneinander bestimmt sind. Gemäß einer
alternativen Ausgestaltung können
jedoch auch Regeleingriffe unter gemeinsamer Berücksichtigung mehrerer Regelgrößen bestimmt werden.
So kann es insbesondere zweckmäßig sein,
das Nettogewicht zusammen mit den entsprechenden Butzengewichten
gemeinsam auszuwerten, da die verschiedenen Gewichte dem gebildeten
Hohlkörper
einerseits und verschiedenen Abschnitten des Vorformlings andererseits
zugeordnet werden können.
So kann sich beispielsweise ergeben, dass zur Kompensation einer
Abweichung des Herstellungsprozesses mehrere Regeleingriffe möglich sind,
wobei dann der tatsächlich
durchgeführte
Regeleingriff unter Berücksichtigung
mehrerer Regelgrößen bestimmt
wird. Durch eine gemeinsame Betrachtung der Regelgrößen ist
es insbesondere auch möglich
vergleichsweise große
Abweichungen durch einen Regeleingriff auszugleichen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es von Vorteil, wenn
durch einen Eingriff in die Steuerung einzelne Regelmaßnahmen
deaktiviert werden können.
Wenn bei ansonsten reproduzierbarem Prozessverlauf beispielsweise
aufgrund des numerischen Modells oder einer der zuvor beschriebenen Regelgrößen eine
unerwartet hohe Abweichung bestimmt wird, so kann diese möglicherweise
ein Hinweis auf eine fehlerhafte Bestimmung von Messdaten oder eine
andersartige Störung
sein. Eine Kompensation ausgehend von den ermittelten Daten ist
in diesem Fall nicht sinnvoll, so dass dann das Verfahren ohne die
Berücksichtigung
des numerischen Modells bzw. der entsprechenden Regelgröße erfolgt.
Durch die beschriebene Ausgestaltung wird damit ein Notfall-Betriebsmodus
bereitgestellt, der, wenn auch mit reduzierter Genauigkeit, eine
fortgesetzte Herstellung von Hohlkörpern ermöglicht. Um das numerische Modell
oder eine der weiteren Regelgrößen unberücksichtigt
zu lassen kann ein Benutzereingriff und/oder eine Kausalitätsabfrage
im Rahmen der Prozesssteuerung vorgesehen sein.
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Wenn
die erfassten Regelgrößen sehr
weit von Referenzgröße abweichen
und eine vorgegebene Maximalabweichung übersteigen, kann dies ein Hinweis
auf eine fehlerhafte Messung oder eine gravierende Störung sein.
Ein Regeleingriff ist dann unter Umständen nicht zweckmäßig. Bei
dem Überschreiten
der Maximalabweichung können
unterschiedliche Maßnahmen
vorgesehen sein. So kann beispielsweise der in dem jeweiligen Herstellungsprozess
gebildete Hohlkörper
aussortiert, ein Fehlersignal ausgegeben oder sogar der gesamte
Prozess angehalten werden. Dabei ist es denkbar für die unterschiedlichen
Maßnahmen
unterschiedliche Schwellen vorzusehen.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass der für
den Zustand der Kunststoffschmelze kennzeichnende Messwert oder
auch mehrere für
den Zustand der Kunststoffschmelze kennzeichnende Messwerte typischerweise
unmittelbar von dem numerischen Modell verarbeitet werden können, so
dass im Gegensatz zu einer erst nachgelagerten Gewichtsmessung oder
Auswertung einer Positionsmarke ein direkter Regeleingriff erfolgen
kann. So ist beispielsweise denkbar, dass noch während der Bildung eines Vorformlings
ausgehend von dem für
den Zustand der Kunststoffschmelze kennzeichnenden Messwert unmittelbar
ein Regeleingriff in die laufende Vorformlingsbildung erfolgt. Ein
solcher unmittelbarer Eingriff kann beispielsweise zweckmäßig sein,
wenn die berechnete räumliche
Anordnung des zumindest einen Profilpunktes besonders stark von
einer vorgegebenen Referenzlage abweicht. Auch wenn kein Eingriff
in einen bereits laufenden Teilprozess vorgesehen ist, kann der
aufgrund des numerischen Modells bestimmte Regeleingriff kurzzeitig
bei einem unmittelbar folgenden Blasformprozess und/oder bei der
nachfolgenden Bildung eines weiteren Vorformlings erfolgen. Um Messungenauigkeiten
und damit eine etwaige Überkompensation
zu vermeiden, kann es im Rahmen einer solchen Verfahrensführung zweckmäßig sein,
den für
den Zustand der Kunststoffschmelze kennzeichnenden Messwert über die
Dauer der Bildung eines Vorformlings zu mitteln oder zu integrieren.
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Die
durch das erfindungsgemäße Verfahren
eröffneten
Möglichkeiten
einer vielseitigen, flexiblen und genauen Korrektur von Abweichungen
ist auch besonders vorteilhaft, wenn eine häufige Umrüstung der verwendeten Blasformanlage
vorgesehen ist. So ist es üblich,
dass eine Blasformanlage zur Herstellung verschiedener Produkte
verwendet wird, wobei dann bei einem Produktwechsel eine Umrüstung erforderlich
ist. Dabei ist zu berücksichtigen,
dass es bei den Rüstvorgängen zu
Fehlern kommen kann und dass sich zwischen zwei Produktionszyklen
eines Produktes bewusste oder unbewusste Änderungen ergeben können. Erfindungsgemäß kann so
zusätzlich
zu einem produktspezifischen Austausch der Prozessdaten eine bedarfsgerechte
Korrektur mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden.
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Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorgesehen, dass für
jeden der Vorformlinge anhand des numerischen Modells das viskoelastische
Fließverhalten
der Kunststoffschmelze und davon ausgehend die räumliche Anordnung mindestens
eines signifikanten Profilpunktes in Abhängigkeit der Zeit bestimmt
wird. Zweckmäßigerweise
ist jedoch vorgesehen, dass für
mehrere Profilpunkte, vorzugsweise sämtliche Profilpunkte, anhand
des numerischen Modells das viskoelastische Fließverhalten der Kunststoffschmelze
und davon ausgehend die räumliche
Anordnung der Profilpunkte in Abhängigkeit der Zeit bestimmt
werden. Darüber hinaus
ist es auch möglich,
bei der Berechnung mit dem numerischen Modell jeweils mehrere Profilpunkte
in Gruppen, das heißt
größere Volumenabschnitte,
zusammenzufassen.
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So
kann in Bezug auf das numerische Modell konkret vorgesehen sein,
die Vorformlinge jeweils in n Segmente zu unterteilen, denen man
n Wanddickenprofilpunkte zuordnet. Bei einer gleichmäßigen Aufteilung der
Segmente und bei einem konstanten Durchsatz kann das pro Zeiteinheit
extrudierte Gewicht des Vorformlings als konstant angenommen werden.
Somit ist das am betrachteten Vorformlingsquerschnitt anhängende Gewicht
bekannt. Jedem Abschnitt kann nun unter Berücksichtigung des Düsenspaltverlaufes
und der Schwellung eine Ausgangslänge, ein Ausgangsdurchmesser
und eine Ausgangswanddicke zugeordnet werden. Die Zeit vom Austreten
eines Vorformlingsabschnitts aus der Düse bis zum Extrusionsende bzw.
dem Ende eines Einformprozesses bestimmten im Wesentlichen die Dauer,
in der die Kunststoffschmelze des Vorformlings einem viskoelastischen
Fließen
unterworfen ist. Dabei ist zu bedenken, dass die einzelnen Vorformlingsabschnitte
nacheinander während
der Vorformlingsbildung erzeugt werden, so dass jedem der Vorformlingsabschnitte
eine wirksame Zeit zugeordnet werden kann. Sofern sich die Extrusionszeit
bzw. die individuelle Zeit bis zum Ende des Einformprozesses nicht ändern, kann
man die für
die jeweilige Vorformlingsabschnitte zugrunde gelegte wirksame Zeit
als konstant annehmen. An jedem Querschnitt des Vorformlings wirkt
die an dem betrachteten Vorformlingsabschnitt hängende Kunststoffschmelze als
Gewicht. Die Gewichtskraft dehnt den betrachteten Vorformlingsabschnitt
in Abhängigkeit
von der Viskosität
und der wirksamen Zeit. Dabei ist die Dehngeschwindigkeit abhängig von
der Viskosität
der Schmelze und der in dem betrachteten Querschnitt vorliegenden
Spannung. Sofern vorgesehen ist, dass sich die Wanddicke des Vorformlings
nicht nur in Vorformlingslängsrichtung
sondern auch um den Umfang ändert,
muss dabei berücksichtigt
werden, dass ein mehrdimensionales komplexes Fließverhalten
mit axial und radial unterschiedlichen Spannungen zu berücksichtigen ist.
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Ändert sich
an einem Profilpunkt die Dehnung, so ändert sich entsprechend für diesen
Punkt auch der Vorformlingsdurchmesser und die Vorformlingswanddicke
sowie die räumliche
Lage der vorher extrudierten Profilpunkte. Entsprechend werden die
Vorformlinge durch das Verhältnis
der einzelnen Abschnittswandstärken
und der einzelnen gedehnten Abschnittslängen charakterisiert. Aus der
Summe der Abschnittswandstärken
einerseits und der Summe der gedehnten Abschnittswandlängen andererseits
kann das Gesamtvolumen des Vorformlings bestimmt werden, welches
im Nachhinein beispielsweise durch Gewichtsmessungen überprüft werden
kann.
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Erfindungsgemäß ist die
Bestimmung zumindest eines für
den Zustand der Kunststoffschmelze kennzeichnenden Messwertes vorgesehen.
Des Weiteren werden jedoch üblicherweise,
wie zuvor beschrieben, zusätzliche
Regelgrößen erfasst.
Um beispielsweise im Nachhinein eine Fehleranalyse oder eine Prozessoptimierung
durchführen
zu können,
ist es zweckmäßig die
ermittelten Informationen zu speichern und im Bedarfsfall einem
Benutzer zur Verfügung
zu stellen. Insbesondere ist durch eine Speicherung der Informationen
eine Analyse möglich,
ob das numerische Modell oder die optional vorgesehenen weiteren
Regelmaßnahmen
unter verschiedenen Prozessbedingungen wie vorgesehen arbeiten.
Zur Überprüfung und
Verbesserung der Regelverfahren können dabei insbesondere auch
eingehende Untersuchungen der gebildeten Hohlkörper vorgesehen sein. Diese
Untersuchungen können
ohne Einschränkung
die Bestimmung der Wanddicke in verschiedenen Bereichen des Hohlkörpers, Belastungsproben
und Material- und Gefügeunterschungen
umfassen.
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Je
nach Anwendungsfall kann ein mehr oder weniger komplexer Modellansatz
zur Beschreibung der Einflussgrößen auf
die Vorformlingsbildung zugrunde gelegt werden. Kann man gegebenenfalls
bei der kontinuierlichen Extrusion von Vorformlingen das Spontanrelaxieren
der Kunststoffschmelze nach dem Austritt aus dem Extrusionskopf
noch durch einfache Korrekturfaktoren beschreiben, so müssen diese
bei der diskontinuierlichen Vorformlingsbildung unbedingt ausführlich in
dem numerischen Modell berücksichtigt
werden. Hiergegen spielt bei der diskontinuierlichen Vorformlingsbildung,
bei der die Kunststoffschmelze intervallartig ausgestoßen wird,
die Durchhängung
aufgrund der kurzen Extrusionszeiten eine untergeordnete Rolle.
Bei der Formulierung des numerischen Modells kann es insbesondere
zweckmäßig sein,
als Einflussgrößen die
Geometrie der Düse
und eines Dorn des Extrusionskopfes, den von der Düsen- und
Dorngeometrie in zeitlicher Abhängigkeit
gebildeten Flusskanal, den zeitlich veränderlichen Düsenspaltverlauf
in Längs-
und Umfangrichtung, das Schussgewicht, das Nettogewicht des gebildeten
Hohlkörpers,
Gewichte von Abfallbutzen, eine Zykluszeit, einen Durchsatz und
die Form einer Quetschnaht zu berücksichtigen. Je nach Prozessführung können sämtliche
oder lediglich ein Teil der genannten Einflussgrößen berücksichtigt werden. Um beispielsweise die
Durchmesserschwellung des Vorformlings zu bestimmen, kann die Breite
der bei einem Einformen des Vorformlings auftretenden Quetschnaht
bestimmt und ausgewertet werden. Des Weiteren kann anhand des bekannten
axialen und radialen Düsenspaltverlaufes,
der Vorformlingslänge
und des Schussgewichtes eine Spaltschwellung ermittelt werden. Grundsätzlich besteht
auch die Möglichkeit
die Spaltschwellung anhand des numerischen Modells zu bestimmen.
Insbesondere wenn sich bei der Formulierung des Modells oder der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
herausstellt, dass eine der genannten Einflussgrößen stets im Wesentlichen unverändert bleibt
und/oder keinen wesentlichen Einfluss auf die Verfahrensführung hat, kann
es aus verfahrenstechnischer Sicht zweckmäßig sein, diesen Parameter
nicht weiter zu berücksichtigen. Dabei
ist zu bemerken, dass gemäß der vorliegenden
Erfindung keine vollständige
theoretische Modellierung des viskoelastischen Fließverhaltens
erfolgen soll. Vielmehr ist ein relativer Vergleich mit Referenzwerten
vorgesehen, so dass auch bei einer unvollständigen Beschreibung des Ge samtsystems
mit einer sehr hohen Zuverlässigkeit
geeignete Regeleingriffe bestimmt werden können.
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Lediglich
exemplarisch wird nachfolgend erläutert, auf welche Weise die
Spaltschwellung ermittelt werden kann. Mit dem eingestellten Grundspalt,
dem Profil für
die Einstellung der axialen Wanddicke entlang der Vorformlinge,
dem eingestellten Hub der Wanddickensteuerung sowie der Düsenspaltbeeinflussung
durch Maßnahmen
radialer Wanddickensteuerung ist für jeden Profilpunkt der wirksame
Düsenspalt
bekannt. Mit dem Düsenspalt
und dem Düsendurchmesser
bzw. dem Dorndurchmesser kann die Fläche des aktiven Düsenspaltes
berechnet werden. Bei einem schlauchförmigen Vorformling und einer
um den Umfang gleichbleibenden Verteilung der Kunststoffschmelze
ergibt sich eine Kreisringfläche.
Für die
weitere Berechnung kann die bestimmte Fläche des Düsenspaltes oder das Produkt
dieser Fläche
mit einem Maß für die Durchmesserschwellung
zugrunde gelegt werden. in Bezug auf den Extrusionsprozess ist jedem
Profilpunkt eine bestimmte Extrusionsdauer und ein bestimmter Abstand
zu der Extrusionsdüse
zuzuordnen. Integriert man die einzelnen Profilpunkte über die
Zeit bzw. über
die Länge,
so erhält
man einen Ersatzhohlkörper,
dem ein Volumen zuzuordnen ist. Geht man davon aus, dass das Schussgewicht
und die Dichte der Kunststoffschmelze bekannt sind, so kann man
damit das Volumen des Vorformlings bestimmen. Setzt man nun das
Volumen des Vorformlings zum Volumen des Ersatzhohlkörpers in
Beziehung, so erhält
man einen Wert für
die Schwellung. Hat man dagegen lediglich mit der Fläche des
Düsenspaltes
gerechnet, so ergibt die berechnete Größe den kombinierten Einfluss
von Durchmesser- und Spaltschwellung wieder. Ändert sich nun aufgrund von
Materialeigenschaftsänderungen
bei gleichem Wanddickenprofil das Schussgewicht, so ändert sich
auch der berechnete Wert für
die Schwellung. Ändert
man dagegen das Wanddickenprofil oder die Zykluszeit, so führt dies
zu einer Änderung
des Volumens des Ersatzhohlkörpers.
Grundsätzlich
besteht auch die Möglichkeit
die Durchmesserschwellung anhand des numerischen Modells zu bestimmen.
Aus der Spalt- und Durchmesserschwellung sowie dem radialen Düsenspaltverlauf
kann für
die einzelnen Profilpunkte die Querschnittsfläche des Vorformlings bestimmt
werden. Weiterhin kann für
jeden Profilpunkt die an dem betrachteten Querschnitt des Vorformlingsabschnittes
angreifende Gewichtskraft bestimmt werden. Aus diesen Werten kann
für jeden
Profilpunkt aus dem Vorformlingsaustrittsquerschnitt und der am
betrachtenden Querschnitt angreifenden Gewichtskraft eine Spannung
bestimmt werden. Unter Heranziehung theoretischer und/oder empirisch
bestimmter Zusammenhänge
bezüglich
des viskoelastischen Fließverhaltens
der jeweils vorgesehenen Kunststoffschmelze kann die zeitliche Entwicklung,
das heißt
die zeitlichen Profiländerungen
des Vorformlings, bestimmt werden. Eine für das viskoelastische Verhalten
zentrale Größe ist die
Viskosität
der Kunststoffschmelze, die mit einer geeigneten Messapparatur vorzugsweise
innerhalb der Extrusionsvorrichtung bestimmt werden kann. Mit Hilfe
der gemessenen Viskosität
kann dann die Dehnviskosität
und die zu erwartende räumliche
Anordnung der Vorformlinge, die im Folgenden auch als IST-Modell
bezeichnet wird, bestimmt werden.
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Als
für den
Zustand der Kunststoffschmelze kennzeichnender Messwert, der vorzugsweise
mittelbar oder unmittelbar eine Bestimmung der Viskosität ermöglicht,
kann innerhalb der für
die Vorformlingsbildung vorgesehenen Plastifiziereinheit eine Temperaturmessung
und/oder eine Druckmessung durchgeführt werden. Bei der diskontinuierlichen
Vorformlingsbildung wird die Kunststoffschmelze üblicherweise mit Hilfe eines
Hydraulikzylinders aus dem Speicherkopf ausgestoßen. Viskositätsänderungen
der Kunststoffschmelze können dabei
aus Änderungen
der zum Ausstoß der
Kunststoffschmelze aus dem Speicherkopf erforderlichen Ausstoßarbeit,
d. h. bei einem gleichbleibenden Ausstoßweg der Ausstoßkraft,
bestimmt werden. So kann die Ausstoßkraft als Produkt von Ausstoßdruck im
Zylinder und Kolbenringfläche
mit dem Schussgewicht und/oder der Schmelzetemperatur in Relation
gesetzt werden, um die Viskositätsänderung
zu bestimmen. Eine Änderung der
Schwellung kann dabei beispielsweise anhand der Verteilung des Nettogewichtes
und der Butzengewichte bestimmt werden. Insbesondere kann das Schwellen
durch eine Änderung
der Ausstoßgeschwindigkeit
beeinflusst werden.
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Um
zu vermeiden, dass eine Vielzahl weiterer Annahmen berücksichtigt
werden müssen
und damit die durchgeführte
Bestimmung des für
den Zustand der Kunststoffschmelze kennzeichnenden Messwertes mit
einer größeren Unsicherheit
verbunden ist, ist gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen,
dass zur Bestimmung der Viskosität
der Kunststoffschmelze zwischen zwei Messstellen eine Druckdifferenz
bestimmt wird. Die Messung der Druckdifferenz erfolgt vorzugsweise
nahe am Düsenaustritt,
so dass der Messwert möglichst
genau mit der Viskosität
des aus dem Extrusionskopf austretenden Vorformlings übereinstimmt.
Andererseits ist zu berücksichtigen,
dass bei einem sich um den Umfang einer Ringdüse ändernden Düsenspalt an verschiedenen Positionen
des Umfangs unterschiedliche Druckdifferenzen auftreten können. Wie
nachfolgend noch im Detail erläutert
können
dabei in Umfangrichtung des Düsenspaltes
oder bei der Extrusion flächiger
Formlinge entlang der Längsrichtung
des dann geraden Düsenspaltes mehrere
Sensorpaare vorgesehen sein. Zusätzlich
besteht auch die Möglichkeit,
weitere Druckmessungen innerhalb der Plastifiziereinheit in einem
größeren Abstand
zu dem Austrittsspalt durchzuführen.
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Da
sich der Düsenspalt
mit der Extrusion der Vorformlinge stetig ändert, ist es empfehlenswert
entweder die Druckdifferenz an einem genau definierten Zeitpunkt
der Extrusion zu messen oder die gemessenen Drücke über einen definierten Zeitraum,
vorzugsweise einen Maschinenzyklus, zu integrieren und die Druckdifferenz
aus beiden Integralen zu bestimmen. Anhand des Durchsatzes und der
Dichte der Schmelze kann der Volumenstrom bestimmt werden. Dabei
kann man die Dichte als konstant oder als Funktion der Temperatur annehmen.
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Sollte
die Blasformanlage nicht mit einer gravimetrischen oder volumetrischen
Durchsatzregelung ausgestattet sein, so kann anhand der Zykluszeit
und einem dem Messintervall zugeordneten Schussgewicht und der Zykluszeit
der Durchfluss bestimmt werden. Sind die Druckdifferenz und der
Durchsatz bekannt, so kann die Viskosität in guter Näherung mit
folgender Formel bestimmt werden:
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Dabei
sind η die
Viskosität, Δp die Druckdifferenz,
D der Durchmesser des Flusskanals, H die Spaltbreite, L der Abstand
zwischen den Druckaufnehmern in Bezug auf den betrachteten Flusskanal
und V
Punkt der Volumenstrom. Um lediglich
Viskositätsänderungen
bestimmen zu können,
reicht es in der Regel aus, die Viskostität wie folgt zu berechnen:
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Dabei
ist K eine geometrieabhängige
Werkzeugkonstante für
den Fließkanalabschnitt
zwischen den beiden Druckaufnehmern. Diese Konstante kann zumindest
bei den üblicherweise
auftretenden Volumenströmen
als konstant angesehen werden. Schließlich kann zur Vereinfachung
auch unmittelbar ein relativer Viskositätswert η
rel als
Maß für die Viskostitätsänderung
berechnet werden:
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Dabei
steht der Index O für
den Zustand, welcher einer Sollwertvorgabe entspricht, und der Index
1 dem aktuell bestimmenden Wert.
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Die
vorgesehenen Druckaufnehmer können
zusätzlich
zu der Viskositätsbestimmung
zu der Bestimmung von Durchsatzschwankungen herangezogen werden.
Ausgehend von der Annahme, dass die Viskosität zumindest innerhalb eines
Zykluses konstant ist, kann eine Durchsatzänderung wie folgt bestimmt
werden:
Mit η1 =
K·Δp1/VPunkt1 η0 = K·Δp0/VPunkt0 η1 = η0 ergibt sich VPunkt1 = Δp1/Δp0·VPunkt0
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Das
erfindungsgemäß vorgesehene
numerische Modell hat insbesondere die Aufgabe, bei sich ändernden
Material- und Prozessparametern die axiale und/oder radiale Düsenspaltsteuerung
so anzupassen, dass für
die einzelnen Abschnitte des Vorformlings die Dehngeschwindigkeit
und die Abschnittslänge
unter Berücksichtigung
der Durchhängung
sowie die Restwanddicke und die Schlauchlänge konstant bleiben. Auf Basis
der relativen Abweichungen des Vorformlingsdurchmessers von Vorgabewerten
kann beispielsweise das Vorblasen, die Stützluft oder der zeitliche Verlauf
des Blasformprozesses, insbesondere der zeitliche Verlauf eines
Einformprozesses angepasst werden.
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Im
Rahmen der Erfindung wird zusätzlich
zu dem numerischen Modell zweckmäßigerweise
zumindest eine weitere Regelgröße ermittelt.
Zur Bestimmung weiterer Regelgrößen kann
beispielsweise das Gewicht des gebildeten Hohlkörpers und/oder eines von dem
Hohlkörper
abgetrennten Butzens bestimmt werden, und/oder eine Lagemarkierung
vorgesehen sein, die an den Vorformlingen angebracht wird, wobei
nachfolgend an den Vorformlingen oder den gebildeten Hohlkörpern die
Position der Lagemarkierung ermittelt wird. Schließlich ist
es auch vorteilhaft, die Extrusionszeit der Vorformlinge bis zum
Erreichen einer definierten Vorformlingslänge zu messen. Des Weiteren
besteht die Möglichkeit
für zumindest
einem von dem Hohlkörper
abgetrennten Butzen das Butzenbild zu bestimmen, um Rückschlüsse auf
die Prozessführung
zu ermöglichen. Üblicherweise
erfolgt bei der Bestimmung der weiteren Regelgröße ein Vergleich mit einem
Referenzwert. Die zusätzlich
bestimmten Regelgrößen können einerseits
dafür genutzt
werden, eine herkömmliche
Wanddickenlagesteuerung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt
ist, durchzuführen.
Zusätzlich
oder alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass einzelne
oder sämtliche
der zuvor genannten Parameter als Eingangsgrößen des numerischen Modells
berücksichtigt
werden.
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Ausgehend
von den zusätzlichen
Regelgrößen können jeweils
geeignete Korrekturfaktoren oder Korrekturkurven für die Durchführung einer
Wanddickenlagesteuerung ermittelt werden. So ist gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass mittels
des Gewichtes des gebildeten Hohlkörpers und/oder des von dem
Hohlkörper
abgetrennten Butzens und/oder mittels der Lagemarkierung ein erster
Korrekturfaktor oder eine erste Korrekturkurve für die Wanddickenlagesteuerung
und mittels des für
den Zustand der Kunststoffschmelze kennzeichnenden Messwertes und
unter der optional vorgesehenen Berücksichtigung weiterer Messwerte
ein zweiter Korrekturfaktor oder eine zweite Korrekturkurve bestimmt
werden, die einer vorgegebenen Steuerkurve der Wanddickenlagesteuerung
durch Superposition überlagert
werden.
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Die
optional vorgesehene Bestimmung eines Butzenbildes kann bevorzugt
dazu eingesetzt werden, eine Gasmenge, die während eines Schließvorganges
der Blasform in den Vorformlingen enthalten ist, in einem Zeitintervall
zwischen einem Schließzeitpunkt
einer Schlauchschließvorrichtung
oder einer Schneidvorrichtung und dem Zeitpunkt, an dem die Blasform
geschlossen ist, anzupassen.
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Wenn
im Rahmen der Erfindung die Bildung von schlauchförmigen Vorformlingen
vorgesehen ist, können
diese bei der Vorformlingsbildung in an sicht bekannter Weise an
ihrem unteren Ende offen oder geschlossen sein. Bei der Bildung
von zunächst
an ihrem unteren Ende offenen Vorformlingen ist unter der Blasform üblicherweise
eine Schlauchschließvorrichtung
vorgesehen, welche den Vorformling wie zuvor beschrieben bei Erreichen
einer vorgegebenen Länge
oder nach Ablauf einer vorgegebenen Extrusionszeit an ihren unteren
Enden verschließt,
wobei dann nachfolgend der Blasformprozess durchgeführt wird.
Eine genauere Steuerung der in den Vorformlingen enthaltenen Gasmenge
ist bei einer solchen Ausgestaltung erst nach einem Verschließen der
Vorformlinge an ihrem unteren Ende unmittelbar vor der Durchführung des
Blasformprozesses möglich,
da zuvor durch die unterseitige Öffnung
ein freier Gasaustausch erfolgen kann. Bei der Extrusion von geschlossenen
Vorformlingen, wobei die Vorformlinge unmittelbar unterhalb des
Extrusionskopfes von einer Schneidvorrichtung voneinander getrennt
und jeweils an ihrem unteren Ende geschlossen werden, kann das in
den Vorformlingen enthaltene Gas, insbesondere auch durch den Extrusionskopf
eingeblasene Stützluft,
nicht entweichen und bestimmt so im Wesentlichen die bei dem Blasformprozess
in den Vorformlingen enthaltene Gasmenge. Dabei ergibt sich, dass
zusätzlich
zu dem optional vorgesehenen Einblasen oder Ablassen, beispielsweise
mit Düsen,
Nadeln oder durch den Extrusionskopf, die während der gesamten Vorformlingsbildung
bereitgestellte Stützluft
in dem Vorformling eingeschlossen bleibt und so eine entscheidende
Größe zur Festlegung
der in den Vorformlingen enthaltenen Gasmenge ist.
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Wie
zuvor erläutert,
ist eine zentrale Größe in Bezug
auf das viskoelastische Schließverhalten
der Kunststoffschmelze die Viskositätsänderungen. Zusätzlich oder
alternativ zu der vorzugsweise durchgeführten Bestimmung der Viskosität durch
die Messung einer Druckdifferenz kann auch vorgesehen sein, zur
Bestimmung der räumlichen
Anordnung des zumindest einen Profilpunktes bei einer definierten
Länge der
Vorformlinge oder nach einer definierten Extrusionszeit eine Temperaturmessung
durchzuführen.
Bevorzugt wird an dem Vorformling die Wärmeverteilung zweidimensional
gemessen. Dazu kann vorgesehen sein, ein Infrarotbild aufzunehmen
und mit einem Referenzbild zu vergleichen. Bei der Auswertung eines
solchen Infrarotbildes kann zusätzlich
auch die Form des Vorformlings erfasst und mit einer als Referenz
vorgegebenen Form verglichen werden. Anhand einer solchen räumlichen
Bestimmung ist eine Überprüfung des
numerischen Modells möglich.
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Die
Bestimmung eines Infrarotbildes hat den Vorteil, dass bei bekannten
Materialeigenschaften der Kunststoffschmelze die Viskosität unmittelbar
während
des Zeitraums der Vorformlingsbildung bestimmt wird. Da das numerische
Modell das Verhalten der Vorformlinge in diesem Zeitintervall berechnet,
kann so ein präziser
Abgleich erfolgen. In Kombination mit Temperaturmessungen innerhalb
der Plastifiziereinheit kann auch die Abkühlung der Kunststoffschmelze
berücksichtigt
werden. In Bezug auf die Bestimmung der Viskosität oder Änderungen der Viskosität kann es
auch von Vorteil sein, die Umgebungstemperatur bei der Vorformlingsbildung
zu bestimmen und bei dem numerischen Modell als Störgröße zu berücksichtigen.
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Um
im Rahmen des numerischen Modells die Genauigkeit weiter zu erhöhen, kann
vorgesehen sein, die Viskosität
der Vorformlinge nach dem Austritt aus dem Düsenspalt als Funktion der Zeit
und/oder des Weges und/oder der Umgebungstemperatur zu berücksichtigen.
Das numerische Modell kann dabei auf vordefinierte Eingabewerte
zurückgreifen,
die beispielsweise experimentell bestimmt sind. Von Vorteil ist
jedoch, wenn eine Veränderung
der Viskosität
nach dem Austritt aus dem Düsenspalt
unter Berücksichtigung
zumindest eines Messwertes bestimmt wird. Besonders vorteilhaft
ist dabei die Temperatur der Vorformlinge wie zuvor beschrieben
mittels eines Infrarotbildes oder durch eine andere Temperaturmessung
direkt zu bestimmen. Zusätzlich
oder alternativ können
auch die Schmelzetemperatur vor dem Austritt aus dem Düsenspalt und/oder
die Umgebungstemperatur, welche maßgeblich die Abkühlung beeinflusst,
herangezogen werden. Bei der Formulierung des numerischen Modells
ist dabei insbesondere auch zu berücksichtigen, dass die Kunststoffschmelze
in Bereichen der Vorformlinge mit geringer Wanddicke schneller abkühlt. Um
die Abkühlung
genau bestimmen zu können,
können
auch die Menge und/oder Temperatur von in den Vorformling eingeblasener
Stützluft
bzw. eines beim Vorblasen eingebrachten Gases berücksichtigt
werden.
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Insbesondere
bei der Bildung kompliziert geformter Hohlkörper ist es üblich, neben
der axialen auch eine radiale Wanddickensteuerung vorzusehen. Dabei
ist es zweckmäßig, dass
auch in Bezug auf das numerische Modell die Vorformlinge in Längs- und
Umfangrichtung in Profilpunkte unterteilt werden, wobei für zumindest
einen Teil der Profilpunkte, vorzugsweise sämtliche Profilpunkte, anhand
des numerischen Modells das viskoelastische Fließverhalten der Kunststoffschmelze
bestimmt wird. Insbesondere bei einer solchen Ausführung kann
vorgesehen sein, bei einer ringförmigen
Düse zur
Bildung schlauchförmiger
Vorformlinge an verschiedenen Positionen in Umfangsrichtung bzw.
bei einem Düsenspalt
zur Extrusion eines ebenen Vorformlings entlang der Längsrichtung
des Düsenspaltes
an mehreren Stellen die Temperatur, einen Druck und/oder vorzugsweise
eine Druckdifferenz der Kunststoffschmelze zu bestimmen.
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Sofern
eine Wanddickensteuerung in Umfangsrichtung vorgesehen ist, kann
der Flusskanal bei der Formulierung des numerischen Modells in Umfangsrichtung
in Teilsegmente unterteilt werden, wobei für jedes Teilsegment und zumindest
einen Teil des Flusskanals eine Werkzeugkonstante L bestimmt wird.
Der Massenstrom verteilt sich dabei derart, dass ein Druckgleichgewicht
angestrebt wird. Dies hat zur Folge, dass für ein Segment mit einem hohen
Fließwiderstand
der dieses Segment durchströmende
Massenstrom abnimmt. Im Rahmen des Modells kann zur Vereinfachung
von einem um den Umfang konstanten Druck ausgegangen werden. Sofern
eine höhere
Genauigkeit gefordert wird, kann, wie zuvor beschrieben, die Anordnung
mehrerer Messaufnehmer in Umfangsrichtung vorgesehen sein.
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Bestehen
um den Umfang zum Beispiel durch eine Profilierung oder durch den
Eingriff der radialen Wanddickensteuerung unterschiedliche Fließwiderstände, so
wird der gesamte Volumenstrom unterschiedlich über den gesamten Umfang verteilt.
Dies hat zur Folge, dass die Extrusionsgeschwindigkeit über den
Umfang nicht konstant ist. Summiert man die Massenstromverteilung
für die
bei einer bestimmten Länge
um den Umfang angeordneten Profilpunkte auf, so kann der Vorformlingslauf
in einem gewissen Maß abgeschätzt werden.
Darüber
hinaus besteht jedoch auch die Möglichkeit,
im Rahmen des numerischen Modells eine genauere Berechnung durchzuführen und
das Fließverhalten
für die
sämtliche
um den Umfang angeordneten Profilpunkte einzeln zu bestimmen.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
ist insbesondere vorgesehen, durch die Superposition verschiedener
Korrekturgrößen die
Vorformlingsbildung und/oder den Blasvorgang zu modifizieren. Dabei
ist zu berücksichtigen,
dass Änderungen
des Verfahrens zur Herstellung von Kunststoffhohlkörpern teilweise
auf unvorhergesehenen Störungen
und teilweise auch auf beabsichtigte Benutzereingriffe zurückzuführen sind.
Beabsichtigte Eingriffe in den Blasformprozess können mit der Intention erfolgen,
aufgetretene Störungen
zu kompensieren oder den Blasformprozess über den zunächst festgelegten, vorgesehenen
Prozessablauf weiter zu optimieren. Des Weiteren sind beispielsweise
auch bei einer geometrischen Veränderung
der Blasform oder einer anderen Zusammensetzung der Kunststoffschmelze
Eingriffe in den Blasformprozess erforderlich. Sofern diese Änderungen
dauerhaft beibehalten werden sollen, ist es zweckmäßig die
Veränderungen
nicht als Korrekturwerte oder -funktionen beizubehalten, sondern
die Programmkurve für
die Wanddickenlagesteuerung und/oder die Referenzwerte für den Blasformprozess
anzupassen. Dazu kann auf besonders vorteilhafte Weise vorgesehen
sein, dass bei einer vorgegebenen Änderung der Verfahrensparameter
automatisch ein geeigneter Eingriff in den Einformprozess und/oder
in die Vorformlingsbildung bestimmt wird. So kann mittels des numerischen
Modells bei einer vorgegebenen Änderung
der Verfahrensparameter gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen sein, dass automatisch
eine geeignete Kompensationskurve bestimmt wird, die von einer vorgegebenen
Steuerkurve der Wanddickenlagesteuerung überlagert wird. Zusätzlich kann
das numerische Modell auch herangezogen werden, neue Referenzwerte
für den
Blasformprozess festzulegen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, bei einem Einformprozess
zu Beginn des Blasformprozesses die Dauer des Schließvorganges
der Blasform oder einen anderen Verfahrensparameter des Einformprozesses
zu bestimmen. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass auch noch
während
des Einformprozesses die Vorformlinge in einem gewissen Maße einem
viskoelastischen Fließen
unterworfen sind, so dass auch das Verhalten der Vorformlinge während des
Einformprozesses im Rahmen des numerischen Modells berücksichtigt
werden kann. Zusätzlich
besteht die Möglichkeit,
die bei der Überwachung
des Schließvorganges
ermittelten Werte zu Optimierung der Vorformlingsbildung und/oder
des Einformprozesses selbst heranzuziehen. Um statistische Schwankungen
auszugleichen, kann dabei vorgesehen sein die Dauer des Schließvorganges
oder einen anderen im Rahmen der Überwachung des Einformprozesses
gewonnenen Parameter über
mehrere nacheinander folgende Schließvorgänge zu ermitteln. Ein Regeleingriff
in den beschriebenen Einformprozess und/oder in einen Vorblasprozess
ist im besonderen Maße auch
geeignet, wenn mittels des numerischen Modells eine relative Abweichung
des Vorformlingsdurchmessers von Vorgabewerten festgestellt wird,
der kompensiert werden soll.
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Wie
bereits zuvor erläutert,
kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
das Butzenbild eines oder mehrerer von dem Hohlkörper abgetrennten Butzens ausgewertet
werden. Dabei ist gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass eine Änderung des Einformprozesses
sowie die Änderung
einer Größe, welche
für das
Butzenbild eines am Kopf der Hohlkörper und/oder entlang einer
Nahtstelle im Seitenbereich der Hohlkörper charakteristisch ist,
festgestellt werden und dass zur Korrektur des Butzenbildes die während des
Einformprozesses in den Vorformlingen enthaltene Gasmenge verändert wird.
Eine Veränderung der
Gasmenge kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass durch
einen Blasdorn oder eine seitlich eingeführte Blasnadel im Rahmen eines
Vorblasens Gas eingeführt
wird. Des Weiteren kann zur Korrektur der Gasmenge auch ein Ablassen
oder Absaugen eines Teils der in den Vorformlingen enthaltenen Gasmenge
erfolgen. Sofern eine Veränderung
der Gasmenge durch ein Vorblasen vorgesehen ist, kann der Zeitpunkt
des Vorblasens und/oder die Zeitdauer des Vorblasens und/oder der
Vorblasdruck korrigiert werden, um das gewünschte Butzenbild zu erzeugen.
Wenn ein Entlüften
oder ein Absaugen vorgesehen ist, können entsprechend der Entlüftungs-
oder Absaugzeitpunkt und/oder die Zeitdauer des Entlüftens oder
Absaugens und/oder der Absaugdruck verändert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist grundsätzlich
dazu geeignet, in Bezug auf einen definierten Prozessablauf eine
Vielzahl von verschiedensten Abweichungen zu korrigieren. Erhebliche
Abweichungen von einem definierten Prozessablauf ergeben sich insbesondere
bei einem Anfahren der Vorformlingsextrusion und des Blasformprozesses
nach einer Unterbrechung. Zu berücksichtigen
sind insbesondere thermische Effekte, die sich auf sämtliche
Verfahrensschritte zur Herstellung von Kunststoffhohlkörpern beziehen
können.
Im Hinblick auf den Extrusionsprozess ist beispielsweise zu berücksichtigen,
dass unmittelbar nach dem Anfahren die Temperatur und die Zusammensetzung
der Kunststoffschmelze möglicherweise
noch keinen stationären Zustand
erreicht haben. Des Weiteren kann die thermische Ausdehnung der
Teile des Extruders und insbesondere der Teile des Extrusionskopfes
mit erheblichen Veränderungen
verbunden sein. Im Hinblick auf den Einformprozess ist zu berücksichtigen,
dass bei hydraulisch und hybrid, d. h. elektrisch und hydraulisch,
angetriebenen Blasformen die Stellbewegungen bzw. ein Teil der Stellbewegungen
bei dem Schließvorgang üblicherweise
hydraulisch erfolgen, wobei das Hydrauliköl unmittelbar nach dem Anfahren
des Blasformprozesses noch vergleichsweise kalt und viskos ist.
Auch bei den des Weiteren rein elektrisch angetriebenen Blasformen können vergleichbare
durch das Anfahren bedingte Abweichungen eintreten. In Bezug auf
das numerische Modell ergibt sich das Problem, dass während des
Anfahrens bestimmte Verfahrensparameter, die als gegeben oder bekannt
vorausgesetzt werden, erhebliche Abweichungen aufweisen. Um dies
in dem numerischen Modell berücksichtigen
zu können
ist vorzugsweise eine Abfrage vorgesehen, ob nach einem Anfahren
des Blasformprozesses und des Prozesses der Vorformlingsbildung
ein stabiler Betriebszustand erreicht ist, wobei typische Abweichungen,
die auf das Anfahren zurückzuführen sind,
durch einen Eingriff in die Vorformlingsbildung und/oder den Blasformprozess
korrigiert werden, so lange noch nicht der stabile Betriebszustand
erreicht ist. Geeignete Korrekturgrößen können beispielsweise empirisch
bestimmt werden.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
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Es
zeigen schematisch:
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1 eine
Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffhohlkörpern mit einer kontinuierlichen
Vorformlingsbildung durch Schneckenextrusion,
-
2 die
Berechnung der Position von Profilpunkten anhand des numerischen
Modells in einer Prinzipskizze,
-
3 ein
in einzelne Längsabschnitte
aufgeteilter Vorformling,
-
4 eine
umfangseitige Aufteilung des Vorformlings in Profilpunkte bei einem
sich in Umfangsrichtung ändernden
Düsenspalt,
-
5 die
Anordnung von Drucksensoren an einer Plastifiziereinheit.
-
Zum
grundsätzlichen
Aufbau der in 1 dargestellten Blasformanlage
gehört
eine Plastifiziereinheit 1 mit einer Extruderschnecke 2 und
einem Extrusionskopf 3, an dem an der Unterseite durch
den Austritt von Kunststoffschmelze aus einem Düsenspalt 4 Vorformlinge 5 gebildet
werden. Die Blasformanlage umfasst des Weiteren eine Einrichtung 6 zum
Blasformen mit einer aus einem Formwerkzeug bestehenden Blasform 7,
einer Spreizeinrichtung 8 sowie einer Schlauchschließvorrichtung 9.
Die Spreizeinrichtung 8, deren Finger üblicherweise entlang der am
unteren Ende der Blasform gebildeten Quetsch naht, also senkrecht
zu der Schließeinrichtung
der Blasform 7 bewegbar sind, ist zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit
um 90° (um
eine vertikale Achse) gedreht dargestellt. Die nach unten aus heißem, formbaren
Kunststoff aus dem Extrusionskopf 3 extrudierten Vorformlinge 5 werden
in eine reproduzierbare Lage zur geöffneten Blasform 7 gebracht. In
dem exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich
die Einrichtung 6 mit der Blasform 7, der Spreizeinrichtung 8 und
der Schlauchschließvorrichtung 9 in
einer Unterkopfposition unmittelbar unterhalb des Extrusionskopfes 3.
Des Weiteren ist aber auch möglich,
die gebildeten Vorformlinge 5 nach Erreichen einer vorgegebenen
Länge oder
Ablauf einer vorgegebenen Extrusionszeit mit einem Greifer von dem
Extrusionskopf 3 abzunehmen und einer in einer Blasposition
angeordneten Einrichtung zuzuführen.
Neben der dargestellten kontinuierlichen Extrusion von schlauchförmigen Vorformlingen
kann auch ein Speicherkopfbetrieb und/oder die Bildung von flächigen Vorformlingen,
die erst nachfolgend zusammengeführt
werden, vorgesehen sein.
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Zu
erkennen ist, dass die Vorformlinge 5 in Vorformlingslängs- und
Umfangsrichtung eine unterschiedliche Wanddickenverteilung aufweisen.
Die Wanddickenverteilung wird dabei üblicherweise durch eine Veränderung
des Düsenspaltes
und/oder des Durchsatzes an Kunststoffschmelze verändert, wozu
insbesondere eine Anpassung der Drehzahl der Extruderschnecke 2 vorgesehen
sein kann. Des Weiteren wird während
des Einformprozesses üblicherweise
die in den Vorformlingen 5 enthaltene Gasmenge geregelt,
wozu bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß der 1 von
unten ein Blasdorn 10 in die durch die Schlauchschließvorrichtung 9 verschlossenen
Vorformlinge 5 eingebracht wird. Zur Regelung der Gasmenge,
die auch ein Ablassen oder Absaugen umfassen kann, kann auch eine
Luftzufuhr oder Abfuhr durch eingestochene Nadeln und/oder durch
den Extrusionskopf 3 vorgesehen sein.
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Am
Kopf und am Boden des gebildeten Hohlkörpers 11 entstehen
Butzen 12, 13, die als Abfall von dem blasgeformten
Hohlkörper 11 abgetrennt
werden. Das Nettogewicht GN des Hohlkörpers 11, das Gewicht GUB
des unteren Butzens 12 sowie das Gewicht GOB des oberen
Butzens 13 werden gemessen und als Regelgrößen für eine Wanddickenlagesteuerung
genutzt. Dieser Wanddickenlagesteuerung liegt die Erkenntnis zugrunde,
dass eine Anordnung der Vorformlinge 5 in der Blasform 7,
die von einer vorgegebenen Anordnung abweicht, auch zu unterschiedlichen
Abschnittsgewichten führt,
wobei die einzelnen Gewichte als integrale Größen Abschnitten der Vorformlinge 5 zugeordnet
werden können.
Entsprechend kann das Gewicht GUB des unteren Butzens 12 zur
Abschätzung
der Materialmenge im unteren Bereich und das Gewicht GOB des oberen Butzens 13 zur
Abschätzung
der Materialmenge im oberen Bereich der Vorformlinge herangezogen
werden. Zusätzlich
kann vorgesehen sein, in einem mittleren Bereich der Vorformlinge
einen weiteren Butzen zu bilden und abzutrennen, wobei dann das
Gewicht des mittleren Butzens eine Abschätzung der in dem mittleren
Bereich der Vorformlinge 5 vorhandenen Kunststoffmenge
erlaubt. Das gesamte Schussgewicht ergibt sich aus dem Bruttogewicht
GB der gebildeten Hohlkörper,
also dem Nettogewicht GN zuzüglich
sämtlicher
Butzengewichte.
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Ein
Regeleingriff kann im Rahmen einer Wanddickenlagesteuerung beispielsweise
dadurch erreicht werden, dass einer vorbestimmten Steuerkurve für die Steuerung
der Spaltgeometrie Korrekturfaktoren oder Korrekturkurven durch
Superposition überlagert
werden. Schließlich
kann zur Verbesserung der Genauigkeit auch vorgesehen sein, den
Einformprozess zu überwachen
und bei Abweichung von Vorgabewerten den Einformprozess selbst und/oder
die Vorformlingsbildung zu modifizieren. Auch wenn sich die bekannten
Maßnahmen
in der Praxis bewährt
haben, ist nachteilig, dass die Gewichtsmessungen integrale Größen darstellen
und die Wanddickenverteilung nur mittelbar und damit mit einer gewissen
Unsicherheit bestimmt werden kann.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgesehene
Bestimmung der räumlichen
Anordnung mindestens einen signifikanten Profilpunktes anhand eines
numerischen Modells und dem Vergleich der bestimmten räumlichen Anordnung
mit einer Referenzlage wird ein Regeleingriff ermöglicht,
der nicht einer integralen Größe, sondern einem
konkreten Profilpunkt des Vorformlings 5 zugeordnet ist.
Vorzugsweise erfolgt die Berechnung des numerischen Modells für sämtliche
Profilpunkte eines Vorformlings 5. Eine besonders hohe
Genauigkeit kann erfindungsgemäß dadurch
erreicht werden, dass die Auswertung zumindest eines für den Zustand
der Kunststoffschmelze kennzeichnenden Messwertes als Zusatz zu
den bekannten Verfahren erfolgt.
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In 2 wird
eine mögliche
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
weiter erläutert.
Zunächst
wird ausgehend von einem definierten und optimierten Prozessablauf 14 ein
Referenzprofil bestimmt. Anschließend erfolgt ein Vergleich 15 zwischen
dem Referenzprofil und einem aufgrund des Ist-Prozesses durch das numerische Modell
bestimmten Ist-Profil. Es wurde angedeutet, dass auf den Ist-Prozess
Störgrößen 22 einwirken.
Anschließend
erfolgt aus dem Vergleich 15 die Bestimmung 16 der
relativen Profilabweichungen. Diese Profilabweichungen werden gemeinsam
mit zumindest einer den Zustand des Ist-Prozesses beschreibenden
Messgröße 21 einer
Plausibilitätsprüfung 18 unterzogen,
worauf eine Festlegung 19 geeigneter Korrekturmaßnahmen
erfolgt. Ausgehend von diesen Korrekturmaßnahmen wird dann der gegenwärtig ablaufende
Ist-Prozess und nachfolgend das dabei zu erwartende Ist-Profil neu
bestimmt, wobei etwaige Änderungen
eines den Zustand der Schmelze beschreibenden Messwertes 17 berücksichtigt
werden. Die den Ist-Prozess beschreibende Größe kann beispielsweise ein
Wert für
die Schlauchlänge,
für das
Hohlkörpergewicht
oder das Schussgewicht sein.
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Im
Rahmen des numerischen Modells wird der Vorformling 5 zweckmäßigerweise
in einzelne Längenabschnitte
unterteilt. Wie der 3 zu entnehmen ist und wie zuvor
erläutert,
ist vorzugsweise vorgesehen, die Vorformlinge 5 in einzelne
Volumenabschnitte zu unterteilen und den Volumenabschnitten einzelne
Profilpunkte zuzuordnen. Der Einfachheit halber wird gemäß der 3 angenommen,
dass für
jeden Längenabschnitt
ein Profilpunkt P1, P2 ...
PN zugeordnet ist. Bei einer genaueren Formulierung
des numerischen Modells erfolgt jedoch zusätzlich eine Aufteilung in Umfangsrichtung,
so dass der gesamte Vorformling 5 in Punkte Pi,j aufgeteilt
wird, wobei der Index i verschiedenen Positionen in Längsrichtungen
und der Index j verschiedenen Positionen in Umfangsrichtung entspricht.
Der 3 ist zu entnehmen, dass im Rahmen des Modells
für jeden der
Profilpunkte Pi eine jeweils zugeordnete
effektive Zeit twi und ein zugeordnetes
Gewicht gi zugrunde zu legen ist. Ausgehend
von dem ermittelten Gewicht, welches sich jeweils aus der nach unten
hin anschließenden Menge
an Kunststoffschmelze ergibt, der Viskosität der Kunststoffschmelze und
der lokalen Wanddicke, können
dann die zeitlichen Veränderungen
bestimmt werden.
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4 zeigt
eine Ausgestaltung, bei der sich die Spaltbreite um den Umfang ändert. Bei
einer solchen Ausgestaltung ist es zweckmäßig den Flusskanal in Umfangsrichtung
in Teilsegmente Uj zu unterteilen. Für jedes
Teilsegment Uj,1 werden dann zumindest für einen
Teil des Flusskanals Werkzeugkonstanten Lj,1 Lj,2 und Lj,3 bestimmt.
Der Massenstrom wird versuchen, sich so zu verteilen, dass sich
ein Druckgleichgewicht einstellt, so dass für Segmente mit einem höheren Fließwiderstand
der Massenstrom an Kunststoffschmelze abnimmt.
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Als
Messwert 17, der für
den Zustand der Kunststoffschmelze kennzeichnend ist, kann eine
Temperatur, ein Druck innerhalb der Plastifiziereinheit oder vorzugsweise
eine Druckdifferenz Δp
innerhalb der Plastifiziereinheit bestimmt werden. 5 zeigt
dazu exemplarisch mögliche
Positionen von Druck sensoren P1 bis P5 innerhalb der Plastifiziereinheit.
Die Drucksensoren können
beispielsweise innerhalb des Extrusionskopfes 3 und insbesondere
nahe des Düsenspaltes 4 angeordnet
sein. Wie zuvor erläutert
kann durch die Bestimmung einer Druckdifferenz Δp bei Kenntnis der vorliegenden
Geometrie direkt die Viskosität
der Kunststoffschmelze ermittelt werden. Um die Genauigkeit des
erfindungsgemäßen Verfahrens
weiter zu erhöhen,
kann vorgesehen sein, im Rahmen des numerischen Modells mehrere
für den
Zustand der Kunststoffschmelze kennzeichnende Messwerte, beispielsweise
mehrere Druckdifferenzen oder auch eine Druckdifferenz und einen
Temperaturwert bzw. ein Temperaturprofil, zu erfassen. Dazu kann
beispielsweise auch, wie in der 3 angedeutet,
eine Infrarotkamera 20 vorgesehen sein, welche ein räumliches
Temperaturprofil der Vorformlinge 5 erfasst, wobei dieses
Temperaturprofil nachfolgend mit einem Referenzprofil verglichen
wird.
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Grundsätzlich besteht
auch die Möglichkeit,
die den Zustand der Schmelze beschreibenden Messwerte außerhalb
der Blasformmaschine in zeitlichen Abständen zu ermitteln. So kann
beispielsweise die Viskosität der
Schmelze mittels eines Rheometers gemessen oder durch Ermittlung
eines MFI (Melt Flow Index) Wertes bestimmt werden, wobei die Messwerte
manuell in die Regelung eingegeben werden. Ferner ist es auch denkbar,
die Schmelzeviskosität
mittels eines Bypass-Rheometers zu bestimmen.
