DE102010027814A1

DE102010027814A1 - Messanlage zur Ermittlung von mechanischen Materialkennwerten von Kunststoffen

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Publication number: DE102010027814A1
Application number: DE102010027814A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hochrein
Original assignee: SKZ - KFE GGMBH KUNSTSTOFF-FORSCHUNG und -ENTWICKLUNG; SKZ KFE GGMBH KUNSTSTOFF FORSCHUNG und ENTWICKLUNG
Current assignee: SKZ - KFE GGMBH KUNSTSTOFF-FORSCHUNG und -ENTWICKLUNG; SKZ KFE GGMBH KUNSTSTOFF FORSCHUNG und ENTWICKLUNG
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: DE102010027814B4

Abstract

Eine Messanlage weist zur Ermittlung von mechanischen Materialkennwerten (K) von Kunststoffen eine Compoundiervorrichtung (3) mit einem Austragselement (4) auf, durch das ein Kunststoff-Strang (2) extrudiert wird. Der Kunststoff-Strang (2) wird in einer nachgeordneten Kühlvorrichtung (9) abgekühlt und mittels einer Abzugsvorrichtung (20, 27) einer Messvorrichtung (28) zugeführt. Die Messvorrichtung (28) ist derart ausgebildet, dass eine mechanische Belastung des Kunststoff-Strangs (2) erfolgt und mindestens ein aus der mechanischen Belastung resultierendes Messsignal (M) erfassbar ist. Aus dem mindestens einen Messsignal (M) wird mittels einer Steuervorrichtung (7) ein mechanischer Materialkennwert (K) des Kunststoff-Strangs (3) bzw. Kunststoffmaterials ermittelt. Die Messanlage (1) ermöglicht eine einfache und schnelle Entwicklung neuer Kunststoffmaterialien.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanlage zur Ermittlung von mechanischen Materialkennwerten von Kunststoffen.
Bei der Entwicklung neuer Kunststoffmaterialien müssen eine geeignete Rezeptur und geeignete Betriebsparameter der Compoundiervorrichtung gefunden werden, sodass das compoundierte Kunststoffmaterial die gewünschten Eigenschaften aufweist. In der Praxis sind insbesondere die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffmaterials von Bedeutung, wie beispielsweise Druck-, Zug- und/oder Schlagzähigkeitseigenschaften.
Die Messung von diese Eigenschaften charakterisierenden Materialkennwerten erfolgt atline oder offline. Zur Herstellung des Kunststoffmaterials wird zunächst Kunststoffgranulat in einer bestimmten Rezeptur bzw. Rezepturfolge in einer Compoundiervorrichtung, die mit bestimmten Betriebsparametern betrieben wird, compoundiert. Aus dem Kunststoffmaterial wird ein Probenkörper erzeugt, der anschließend hinsichtlich der relevanten mechanischen Materialkennwerte untersucht wird. Nach dem Vorliegen der mechanischen Materialkennwerte können die Rezeptur und die Betriebsparameter der Compoundiervorrichtung modifiziert und optimiert werden. Nachteilig ist, dass die beschriebene, iterative Vorgehensweise zu langen Materialentwicklungszyklen führt, da die gemessenen mechanischen Materialkennwerte erst erheblich zeitverzögert zu der Compoundierung des Kunststoffmaterials vorliegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messanlage zu schaffen, die eine einfache und schnelle Entwicklung neuer Kunststoffmaterialien ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Messanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird mittels der Compoundiervorrichtung ein Kunststoff-Strang extrudiert, der als Probenkörper für die nachgeordnete Ermittlung eines mechanischen Materialkennwertes mittels der Messvorrichtung dient. Der heiße Kunststoff-Strang wird nach der Compoundiervorrichtung zunächst mittels der Kühlvorrichtung abgekühlt, sodass dieser eine gewisse mechanische Formstabilität erhält. Der abgekühlte Kunststoff-Strang wird mittels der Abzugsvorrichtung zeitnah zur Compoundierung der Messvorrichtung zugeführt. Die Messvorrichtung ist derart ausgebildet, dass eine mechanische Materialeigenschaft des Kunststoff-Strangs untersucht und mindestens ein diese Materialeigenschaft charakterisierendes Messsignal erfasst wird. Derartige mechanische Materialeigenschaften sind beispielsweise Druck- bzw. Härte-, Zug- und/oder Schlagzähigkeitseigenschaften. In der Messvorrichtung erfolgt eine geeignete mechanische Belastung des Kunststoff-Strangs, die zu einer Deformation oder Zerstörung des Kunststoff-Strangs führt. Mittels geeigneter Messsensoren wird mindestens ein aus der mechanischen Belastung resultierendes Messsignal erfasst, in das die zu untersuchende mechanische Materialeigenschaft des Kunststoff-Strangs eingeht. Das mindestens eine Messsignal wird an die Steuervorrichtung übermittelt, die daraus einen mechanischen Materialkennwert ermittelt, der die zu untersuchende mechanische Materialeigenschaft des Kunststoff-Strangs charakterisiert. Der Materialkennwert erlaubt eine quantitative und/oder qualitative Aussage dahingehend, ob das compoundierte Kunststoffmaterial hinsichtlich seiner mechanischen Materialeigenschaften die gewünschten Anforderungen erfüllt oder nicht.
Die erfindungsgemäße Messanlage ermöglicht auf einfache und schnelle Weise die Ermittlung von spezifischen, mechanischen Materialkennwerten. Die Untersuchung des Kunststoff-Strangs in der Messvorrichtung erfolgt entsprechend Norm-Prüfverfahren, sodass die ermittelten mechanischen Materialkennwerte mit den entsprechenden Materialkennwerten aus dem Norm-Prüfverfahren vergleichbar sind. Da die Herstellung des Probenkörpers, also des Kunststoff-Strangs mittels des Compoundierprozesses erfolgt, ist die Probenkörperherstellung dementsprechend produktionsnah, sodass die aus dem mechanischen Materialkennwert entsprechende Rezeptur und/oder entsprechenden Betriebsparameter der Compoundiervorrichtung unmittelbar auf einen Produktionsprozess übertragbar sind.
Die Messung bzw. Prüfung direkt am extrudierten Kunststoff-Strang ermöglicht somit eine kontinuierliche Online- bzw. Inline-Prüfung mechanischer Materialeigenschaften von Kunststoffen, wobei der extrudierte Kunststoff-Strang als Probenkörper dient. Die Prüfung mechanischer Materialeigenschaften von Kunststoffen kann mittels der Messvorrichtung mit einem geeigneten Prüf- bzw. Messverfahren erfolgen, wobei dieses an konventionelle Norm-Prüfverfahren angelehnt ist. Die Messergebnisse liegen zeitnah zum Herstellungs- bzw. Compoundierprozess des Kunststoff-Strangs vor, sodass eine einfache und schnelle Rückkopplung zur Rezeptur- und/oder Verfahrensoptimierung möglich ist. Der Materialentwicklungszyklus von Kunststoffmaterialien wird hierdurch erheblich beschleunigt.
Die für den Kunststoff-Strang formgebende Austragsöffnung ist vorzugsweise kreisförmig ausgebildet, sodass der Kunststoff-Strang quer bzw. senkrecht zu der Transportrichtung einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat. Das Austragselement kann insbesondere auch mehrere Austragsöffnungen aufweisen, sodass parallel mehrere Kunststoff-Stränge erzeugt werden. Die Kunststoff-Stränge können dann parallel mehreren Messvorrichtungen zugeführt werden, mittels denen unterschiedliche mechanische Materialeigenschaften untersucht werden. In den Messvorrichtungen können beispielsweise Druck- bzw. Härte-, Zug-, und/oder Schlagzähigkeitseigenschaften des Kunststoff-Materials bzw. der Kunststoff-Stränge untersucht werden. Die Austragsöffnungen können gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein, sodass Kunststoff-Stränge mit gleichem und/oder unterschiedlichem Querschnitt erzeugt werden.
Die Compoundiervorrichtung ist vorzugsweise als Einschnecken- oder Mehrschneckenextruder ausgebildet. Vorzugsweise ist die Compoundiervorrichtung als gleichsinnig oder gegensinnig drehender Doppelschneckenextruder ausgebildet.
Eine Messanlage nach Anspruch 2 gewährleistet einen konstanten Volumenstrom, sodass eine vordefinierte Querschnittsgeometrie des extrudierten Kunststoff-Strangs sichergestellt ist. Die Schmelzepumpe ist vorzugsweise als Zahnradpumpe ausgebildet.
Eine Messanlage nach Anspruch 3 ermöglicht eine unmittelbare und automatische Veränderung der Rezeptur in Abhängigkeit des ermittelten Materialkennwerts. Hierdurch wird eine schnelle und automatische Rückkopplung zu der Compoundiervorrichtung zur Rezepturoptimierung ermöglicht.
Eine Messanlage nach Anspruch 4 ermöglicht eine schnelle und automatische Veränderung mindestens eines Betriebsparameters der Compoundiervorrichtung in Abhängigkeit des ermittelten Materialkennwertes. Hierdurch wird eine schnelle und automatische Rückkopplung zu der Compoundiervorrichtung zur Betriebsparameter- bzw. Verfahrensoptimierung ermöglicht.
Eine Messanlage nach Anspruch 5 ermöglicht eine einfache und schnelle Kühlung des extrudierten Kunststoff-Strangs. Vorzugsweise wird als Kühlflüssigkeit Wasser verwendet.
Eine Messanlage nach Anspruch 6 ermöglicht eine Steuerung bzw. Regelung der Temperatur des Kunststoff-Strangs am Ende der Kühlvorrichtung. Die Temperatur wird vorzugsweise in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur des Kunststoff-Strangs geregelt. Die Kühlwirkung ist beispielsweise durch Veränderung der Länge der Kühlstrecke, der Temperatur der Kühlflüssigkeit und/oder der Menge bzw. des Durchsatzes an Kühlflüssigkeit veränderbar.
Eine Messanlage nach Anspruch 7 ermöglicht eine exakte Einstellung bzw. Regelung der Temperatur des Kunststoff-Strangs vor dem Zuführen in die Messvorrichtung. Die Temperierwirkung, also die Heiz- oder Kühlwirkung der Temperiervorrichtung wird vorzugsweise in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur des Kunststoff-Strangs geregelt. Durch die Temperiervorrichtung kann die Temperaturabhängigkeit der mechanischen Materialeigenschaften exakt untersucht und entsprechende mechanische Materialkennwerte ermittelt werden. Dies ist insbesondere deswegen vorteilhaft, da Kunststoffe ihre mechanischen Materialeigenschaften signifikant mit der Temperatur ändern.
Eine Messanlage nach Anspruch 8 ermöglicht eine Regelung der Kühlwirkung der Kühlvorrichtung und/oder der Temperierwirkung, also der Heiz- und Kühlwirkung der Temperiervorrichtung.
Eine Messanlage nach Anspruch 9 ermöglicht eine schnelle und exakte Einstellung der Temperatur des Kunststoff-Strangs. Mit den gemessenen Ist-Temperaturen können die Kühlwirkung der Kühlvorrichtung und/oder die Temperierwirkung der Temperiervorrichtung schnell und exakt geregelt werden.
Eine Messanlage nach Anspruch 10 gewährleistet ein schnelles und exaktes Temperieren des Kunststoff-Strangs.
Eine Messanlage nach Anspruch 11 gewährleistet ein schnelles und exaktes Temperieren des Kunststoff-Strangs. Als Temperierflüssigkeit wird insbesondere Wasser verwendet.
Eine Messanlage nach Anspruch 12 ermöglicht eine Entkopplung der Messvorrichtung von der Kühlvorrichtung und der Compoundiervorrichtung. Vorteilhafterweise ist der Pufferspeicher in eine Temperierkammer integriert, sodass die Zeit, in der sich der Kunststoff-Strang im Pufferspeicher befindet, gleichzeitig zum Temperieren genutzt wird.
Eine Messanlage nach Anspruch 13 erhöht die Genauigkeit des ermittelten mechanischen Materialkennwertes. Schwankungen im Querschnitt des Kunststoff-Strangs beeinträchtigen die Genauigkeit des mechanischen Materialkennwertes. Diese Schwankungen können mittels der Vermessungseinheit und des ermittelten Querschnitts eliminiert werden, wodurch sich die Genauigkeit der Messergebnisse erhöht. Insbesondere kann in Abhängigkeit des ermittelten Querschnitts auch mindestens eine Abzugsvorrichtung in ihrer Abzugsgeschwindigkeit bzw. Abzugskraft gesteuert oder geregelt werden, sodass der Querschnitt des Kunststoff-Strangs veränderbar ist bzw. konstant gehalten werden kann.
Eine Messanlage nach Anspruch 14 vermeidet falsche Ergebnisse bei der Ermittlung des mechanischen Materialkennwertes. Wird die Messung an einem Teil des Kunststoff-Strangs durchgeführt, der von einem inneren Defekt betroffen ist, wie beispielsweise von Vakuolen und/oder Lunkern, so führt dies zu falschen Messergebnissen, da die äußerlich messbare Querschnittsfläche des Kunststoff-Strangs nicht der tatsächlichen Querschnittsfläche entspricht. Durch die Detektionseinheit kann vermieden werden, dass in derartigen Teilbereichen des Kunststoff-Strangs Messungen durchgeführt werden.
Eine Messanlage nach Anspruch 15 ermöglicht eine exakt definierte Zuführung des Kunststoff-Strangs in die Messvorrichtung. Vorzugsweise ist mindestens eine Abzugsvorrichtung zwischen der Temperiervorrichtung und der Messvorrichtung angeordnet.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Messanlage zur Ermittlung eines mechanischen Materialkennwerts eines Kunststoff-Strangs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Darstellung einer Messanlage zur Ermittlung eines mechanischen Materialkennwerts eines Kunststoff-Strangs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Darstellung einer Messanlage zur Ermittlung eines mechanischen Materialkennwerts eines Kunststoff-Strangs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
4 eine schematische Darstellung einer Messanlage zur Ermittlung eines mechanischen Materialkennwerts eines Kunststoff-Strangs gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Eine Messanlage 1 weist zur Extrusion eines Kunststoff-Strangs 2 eine Compoundiervorrichtung 3 auf. Die Compoundiervorrichtung 3 ist als Doppelschneckenextruder ausgebildet und umfasst ein Austragselement 4 in Form eines Lochplattenwerkzeugs, das mindestens eine für den Kunststoff-Strang 2 formgebende Austragsöffnung 5 aufweist. Die Austragsöffnung 5 ist im Querschnitt kreisförmig ausgebildet.
Das Austragselement 4 kann je nach Bedarf mehrere Austragsöffnungen 5 aufweisen, durch die jeweils ein Kunststoff-Strang 2 extrudiert wird. In 1 ist exemplarisch lediglich ein Kunststoff-Strang 2 dargestellt.
Zur Zuführung von verschiedenen Ausgangsstoffen A₁ bis A_n, die in der Compoundiervorrichtung 3 compoundiert und zu dem Kunststoff-Strang 2 extrudiert werden, weist diese eine Dosiereinheit 6 auf. Die Dosiereinheit 6 ist an eine Steuervorrichtung 7 angeschlossen, mittels der die Dosiereinheit 6 betätigbar ist.
Die Compoundiervorrichtung 3 ist zur Einstellung ihrer Betriebsparameter P an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen. Der Aufbau der Compoundiervorrichtung 3 ist grundsätzlich bekannt und üblich. Betriebsparameter P sind beispielsweise die Drehzahl, die Heizleistung und/oder die Kühlleistung.
Der Compoundiervorrichtung 3 ist in einer Transportrichtung 8 des Kunststoff-Strangs 2 eine Kühlvorrichtung 9 nachgeordnet, die zur Abkühlung des extrudierten Kunststoff-Strangs 2 dient. Die Kühlvorrichtung 9 ist als Kühlflüssigkeitsbad mit einer einstellbaren Kühlstrecke S ausgebildet. Zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit 10, insbesondere Wasser oder Stickstoff, weist die Kühlvorrichtung 9 einen Behälter 11 auf, in dessen Innenraum eine erste Umlenkwalze 12 fest und eine zweite Umlenkwalze 13 in der Transportrichtung 8 verfahrbar angeordnet sind. Die zweite Umlenkwalze 13 ist über ein im Wesentlichen T-förmiges Verbindungselement 14 mit einer dritten Umlenkwalze 15 und einen Schlitten 16 verbunden. Der Schlitten 16 ist mittels eines Antriebsmotors 17 an einer in der Transportrichtung 8 verlaufenden Schiene 18 linear verfahrbar. Der Antriebsmotor 17 ist an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen. Die Umlenkwalzen 13 und 15 sind in vertikaler Richtung versetzt zueinander angeordnet, sodass sich die dritte Umlenkwalze 15 außerhalb der Kühlflüssigkeit 10 befindet.
Der Kühlvorrichtung 9 ist in der Transportrichtung 8 eine erste Temperatur-Messeinheit 19 nachgeordnet, die zur berührungslosen Messung einer Ist-Temperatur T₁ des Kunststoff-Strangs 2 dient. Die Temperatur-Messeinheit 19 ist beispielsweise als Infrarot-Temperatursensor ausgebildet und mit der Steuervorrichtung 7 verbunden.
Der Temperatur-Messeinheit 19 ist in der Transportrichtung 8 eine erste Abzugsvorrichtung 20 nachgeordnet. Die Abzugsvorrichtung 20 dient zur Erzeugung einer auf den Kunststoff-Strang 2 wirkenden Kraft in Transportrichtung 8, sodass dieser mit einer definierten Abzugsgeschwindigkeit v₁ von der Kühlvorrichtung 9 zu einer der Abzugsvorrichtung 20 nachgeordneten Temperiervorrichtung 21 transportiert wird. Die Abzugsvorrichtung 20 weist zwei Abzugswalzen 22, 23 auf, die einen Spalt 24 zum Durchführen des Kunststoff-Strangs 2 begrenzen. Die Abzugswalze 22 ist mittels eines Antriebsmotors 25 drehantreibbar. Die Abzugsvorrichtung 20 ist an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen.
Die Temperiervorrichtung 21 dient zum Temperieren, also Heizen oder Kühlen des Kunststoff-Strangs 2. Sie ist als Temperierkammer ausgebildet, deren Innentemperatur T_K mittels der Steuervorrichtung 7 einstellbar ist. Hierzu ist die Temperiervorrichtung 21 an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen.
In die Temperierkammer 21 ist ein Pufferspeicher 26 integriert, der eine in Transportrichtung 8 nachgeordnete zweite Abzugsvorrichtung 27 sowie eine Messvorrichtung 28 von der Kühlvorrichtung 9 und der Compoundiervorrichtung 3 entkoppelt. Der Pufferspeicher 26 weist eine vierte Umlenkwalze 29, mehrere fünfte und sechste Umlenkwalzen 30 und 31 sowie eine siebte Umlenkwalze 32 auf. Die fünften Umlenkwalzen 30 sind fest in der Temperierkammer 21 angeordnet, wohingegen die sechsten Umlenkwalzen 31 an einem Verbindungselement 33 angeordnet sind, das mittels eines Antriebsmotors 34 um eine Schwenkachse 35 verschwenkbar ist. Der Antriebsmotor 34 ist zur Steuerung des Speichervorgangs an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen. Die Umlenkwalzen 29 und 32 sind fest in der Temperierkammer 21 angeordnet und befinden sich in vertikaler Richtung zwischen den Umlenkwalzen 30 und 31.
Die zweite Abzugsvorrichtung 27 dient zum Abziehen des Kunststoff-Strangs 2 aus der Temperiervorrichtung 21 mit einer definierten Abzugsgeschwindigkeit v₂. Entsprechend der Abzugsvorrichtung 20 weist diese zwei Abzugswalzen 36, 37 auf, die einen Spalt 38 für den Kunststoff-Strang 2 begrenzen. Die Abzugswalze 36 ist mittels eines Antriebsmotors 39, der an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen ist, drehantreibbar.
Zwischen der Abzugsvorrichtung 27 und der Messvorrichtung 28 ist eine zweite Temperatur-Messeinheit 40 angeordnet, mittels der eine Ist-Temperatur T₂ des Kunststoff-Strangs 2 unmittelbar vor Eintritt in die Messvorrichtung 28 messbar ist. Die zweite Temperatur-Messeinheit ist entsprechend der ersten Temperatur-Messeinheit 19 ausgebildet.
Die Messvorrichtung 28 dient zur Ermittlung eines mechanischen Materialkennwerts K des Kunststoff-Strangs 2 bzw. des den Kunststoff-Strang 2 bildenden Kunststoffmaterials. Hierzu ist die Messvorrichtung 28 derart ausgebildet, dass mittels eines Belastungselements 41 eine mechanische Belastung des Kunststoff-Strangs 2 erfolgt und mindestens ein aus dieser mechanischen Belastung resultierendes Messsignal M mittels eines Messsensors 42 erfassbar ist. Zur Steuerung der Messung sowie zur Übermittlung des Messsignals M ist die Messvorrichtung 28 an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen.
In der Compoundiervorrichtung 3 werden die Ausgangsstoffe A₁ bis A_n in einem definierten Mischungsverhältnis zu einem zu untersuchenden Kunststoffmaterial compoundiert und durch das Austragselement 4 zu dem Kunststoff-Strang 2 extrudiert. Das Mischungsverhältnis wird von der Steuervorrichtung 7 vorgegeben und mittels der Dosiereinheit 6 eingestellt. Der extrudierte Kunststoff-Strang 2 wird über die Umlenkwalze 12 in die Kühlflüssigkeit 10 geführt und entlang der Kühlstrecke S gekühlt. Die Kühlstrecke S wird mittels der Steuervorrichtung 7 eingestellt, indem der Schlitten 16 an eine bestimmte Position verfahren wird. Dadurch, dass der Kunststoff-Strang 2 zwischen den Umlenkwalzen 13 und 15 geführt ist, ändert sich durch das Verfahren des Schlittens 16 die Austrittsstelle des Kunststoff-Strangs 2 aus der Kühlflüssigkeit 10 und somit die Kühlstrecke S.
Durch das Abkühlen erhält der Kunststoff-Strang 2 die erforderliche mechanische Formstabilität, sodass dieser mittels der Abzugsvorrichtung 20 mit einer vorgegebenen Abzugsgeschwindigkeit v₁ in Transportrichtung 8 weiterbefördert wird. Die Temperatur T₁ des Kunststoff-Strangs 2 nach dem Austritt aus der Kühlvorrichtung 9 wird mittels der Temperatur-Messeinheit 19 berührungslos gemessen und an die Steuervorrichtung 7 übermittelt.
In der Temperiervorrichtung 21 erfolgt eine Temperatureinstellung des Kunststoff-Strangs 2 auf eine mittels der Steuervorrichtung 7 vorgegebene Soll-Temperatur T_S. Hierzu wird die Innentemperatur T_K der Temperierkammer 21 in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur T₁ und/oder der mittels der Temperatur-Messeinheit 40 gemessenen Temperatur T₂ gesteuert oder geregelt. Gleichzeitig erfolgt mittels des Pufferspeichers 26 eine Entkopplung der Messvorrichtung 28 von der Kühlvorrichtung 9 sowie der Compoundiervorrichtung 3. In Abhängigkeit der ersten Abzugsgeschwindigkeit v₁ sowie der zweiten Abzugsgeschwindigkeit v₂ der zweiten Abzugsvorrichtung 27 wird der Antriebsmotor 34 betätigt, sodass das Verbindungselement 33 um die Schwenkachse 35 verschwenkt wird. Dadurch, dass der Kunststoff-Strang 2 mäanderförmig um die Umlenkwalzen 29, 30, 31 und 32 geführt ist, wird der Pufferspeicher 26 durch das Verschwenken in die eine oder die andere Richtung gefüllt oder geleert. Aufgrund der Speicherung des Kunststoff-Strangs 2 hat dieser eine ausreichend lange Verweildauer in der Temperiervorrichtung 21, sodass der Kunststoff-Strang 2 die vorgegebene Soll-Temperatur T_S bzw. die Innentemperatur T_K annehmen kann.
Die Abzugsgeschwindigkeit v₂ wird von der Steuervorrichtung 7 so eingestellt, wie dies für die Messung in der Messvorrichtung 28 erforderlich ist. Vor Eintritt des Kunststoff-Strangs 2 in die Messvorrichtung 28 wird mittels der Temperatur-Messeinheit 40 die Temperatur T₂ gemessen und an die Steuervorrichtung 7 übertragen.
Die Steuervorrichtung 7 übermittelt an die Messvorrichtung 28 zu einem gewünschten Zeitpunkt ein Triggersignal, das einen Messvorgang startet. Zunächst wird mittels des Belastungselements 41 eine mechanische Belastung auf den Kunststoff-Strang 2 ausgeübt. Die mechanische Belastung kann beispielsweise eine Druck-, Zug- oder Scherkraft sein. Mittels des Messsensors 42 wird mindestens ein Messsignal M erfasst, das eine Reaktion des Kunststoff-Strangs 2 auf die mechanische Belastung charakterisiert. Ein derartiges Messsignal M ist beispielsweise eine gemessene Reaktionskraft oder eine gemessene Querschnittsveränderung des Kunststoff-Strangs 2. In das Messsignal M geht somit die zu untersuchende mechanische Materialeigenschaft des Kunststoffmaterials ein. Das Messsignal M wird an die Steuervorrichtung 7 übertragen, die daraus mindestens einen mechanischen Materialkennwert K errechnet. Der Materialkennwert K wird mit einem Soll-Kennwert K_S verglichen. In Abhängigkeit des Materialkennwertes K bzw. des Vergleichsergebnisses werden die Betriebsparameter P und/oder das Mischungsverhältnis der Ausgangsstoffe A₁ bis A_n verändert, um das Betriebsverfahren der Compoundiervorrichtung 3 und/oder die Rezeptur des Kunststoffmaterials zu modifizieren bzw. zu optimieren.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten a. Die Kühlvorrichtung 9a der Messanlage 1a weist eine Kühlflüssigkeits-Pumpe 43 sowie eine Kühlflüssigkeits-Temperiereinheit 44 auf, die über eine Rohrleitung 45 mit dem Behälter 11 verbunden ist und so eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit 10 ermöglichen. Die Kühlwirkung der Kühlvorrichtung 9a ist somit über die Kühlstrecke S, die Temperatur T_F der Kühlflüssigkeit 10 und/oder den Volumenstrom V_F der Kühlflüssigkeit 10 einstellbar. Die Kühlflüssigkeits-Temperiereinheit 44 ist an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen, sodass mittels dieser die Temperatur T_F veränderbar ist. Entsprechend ist die Kühlflüssigkeits-Pumpe 43 an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen, sodass der Volumenstrom V_F veränderbar ist.
Die Temperiervorrichtung 21a ist aus mehreren hintereinander angeordneten Gebläsen 46 ausgebildet und zwischen der Temperatur-Messeinheit 19 und der ersten Abzugsvorrichtung 20 angeordnet. Die Gebläse 46 sind an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen, mittels der der Volumenstrom V_K und die Temperatur T_K des mittels der Gebläse 46 erzeugten Luftstroms veränderbar ist. Zwischen den Abzugsvorrichtungen 20, 27 ist eine Vermessungseinheit 47 angeordnet, die zur Messung bzw. Ermittlung des Durchmessers D und/oder des Querschnitts Q bzw. der Querschnittsfläche des Kunststoff-Strangs 2 dient. Die Vermessung des Durchmessers D und/oder des Querschnitts Q bzw. Profils des Kunststoff-Strangs 2 erfolgt vorzugsweise berührungslos. Die Vermessungseinheit 47 ist an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen, die die ermittelte Querschnittsfläche zur Ermittlung bzw. Korrektur des Materialkennwertes K verwendet. Weicht der Durchmesser D bzw. der Querschnitt Q von einem vorgegebenen Soll-Durchmesser D_S Soll-Querschnitt Q_S ab, so wird mittels der Abzugsvorrichtung 20 und/oder 27 die Abzugsgeschwindigkeit v₁ und/oder v₂ verändert. Hierdurch kann der Durchmesser D bzw. der Querschnitt Q an den gewünschten Soll-Durchmesser D_S bzw. Soll-Querschnitt Q_S angepasst werden. Hinsichtlich der weiteren Funktionsweise wird auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten b. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist die Kühlvorrichtung 9b der Messanlage 1b als Sprühanlage ausgebildet. Der Kunststoff-Strang 2 wird auf ein Transportband 48 extrudiert, das um zwei Umlenkwalzen 49, 50 gespannt und mittels eines Antriebsmotors 51 in Transportrichtung 8 angetrieben wird. Oberhalb des Transportbandes 48 sind mehrere Sprüheinheiten 52 bis 56 in Transportrichtung 8 hintereinander angeordnet. Jede der Sprüheinheiten 52 bis 56 weist eine Sprühdüse 57 und ein zugehöriges Sprühventil 58 auf. Die Sprühdüsen 57 sind über die Rohrleitung 45 mit der Kühlflüssigkeits-Pumpe 43 und der Kühlflüssigkeits-Temperiereinheit 44 verbunden. Die Sprühventile 58 sind zur Einstellung der Ventilöffnung mit der Steuervorrichtung 7 verbunden. Die Kühlstrecke S kann über die Anzahl der in Betrieb befindlichen Sprüheinheiten 52 bis 56 verändert werden. Zusätzlich kann über die Sprühventile 58 der Volumenstrom V_F und über die Kühlflüssigkeits-Temperiereinheit 44 die Temperatur T_F der Kühlflüssigkeit 10 eingestellt werden.
Die Temperiervorrichtung 21b ist entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel als Temperierkammer ausgebildet, durch die der Kunststoff-Strang 2 direkt ohne Zwischenspeicherung geführt wird. Zwischen der Temperatur-Messeinheit 40 und der Messvorrichtung 28 ist die Vermessungseinheit 47b angeordnet, die mechanisch ausgebildet ist. Die Vermessungseinheit 47b weist zwei Messwalzen 59, 60 auf, die einen Messspalt 61 begrenzen, durch den der Kunststoff-Strang 2 geführt wird. Die Messwalze 60 ist fest angeordnet, wohingegen die Messwalze 59 in Abhängigkeit des Durchmessers D bzw. des Querschnitts Q des Kunststoff-Strangs 2 linear verlagerbar ist. Die Verlagerung der Messwalze 59 ist mittels einer Kolben-Zylinder-Einheit 62 messbar. Hierzu ist der in dem Zylinder 63 geführte Kolben 64 mit einem Federelement 65 gegen die Messwalze 59 vorgespannt.
Zwischen der Vermessungseinheit 47b und der Messvorrichtung 28 ist zusätzlich eine Detektionseinheit 66 angeordnet, die zur Ermittlung von inneren Defekten, wie beispielsweise Vakuolen oder Lunkern des Kunststoff-Strangs 2 dient. Die Detektionseinheit 66 ist an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen. Die Detektionseinheit 66 detektiert berührungslos innere Defekte und übermittelt ein entsprechendes Defektsignal E an die Steuervorrichtung 7. Die Steuervorrichtung 7 steuert das Triggersignal für die Messvorrichtung 28 derart, dass die Messung an dem Kunststoff-Strang 2 nicht in dem von den inneren Defekten betroffenen Teilbereich des Kunststoff-Strangs 2 erfolgt. Hinsichtlich der weiteren Funktionsweise wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten c. Die Compoundiervorrichtung 3c der Messanlage 1c weist eine Schmelzepumpe 67 auf, die dem Austragselement 4 in der Transportrichtung 8 vorgeordnet ist. Die Schmelzepumpe 67 ist an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen und dient zur Einstellung eines definierten Kunststoff-Volumenstroms durch das Austragselement 4. Die Schmelzepumpe 67 ist beispielsweise als Zahnradpumpe ausgebildet. Die Kühlvorrichtung 9c weist eine konstante Kühlstrecke S₁ auf, die durch eine feste Anordnung der Umlenkwalzen 13c und 15c erzielt wird. Die Temperiervorrichtung 21c ist als Flüssigkeitsbad ausgebildet und weist einen Behälter 68 mit einer darin aufgenommenen Temperierflüssigkeit 69 auf. Die Temperiervorrichtung 21c ist entsprechend der Kühlvorrichtung 9 des ersten Ausführungsbeispiels oder der Kühlvorrichtung 9a des zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet. Dementsprechend weist diese fest angeordnete Umlenkwalzen 70, 71 zur Zuführung des Kunststoff-Strangs 2 in die Temperierflüssigkeit 69 und linear verfahrbar angeordnete Umlenkwalzen 72, 73 zum Abführen des Kunststoff-Strangs 2 aus der Temperierflüssigkeit 69 auf. Die Umlenkwalzen 72, 73 sind an einem Verbindungselement 74 angeordnet, das mit einem Schlitten 75 verbunden ist. Der Schlitten 75 ist in der Transportrichtung 8 an einer Schiene 76 mittels eines Antriebsmotors 77 verfahrbar. Zur Einstellung der Kühlstrecke S₂ ist der Antriebsmotor 77 an die Steuervorrichtung 7 angeschlossen. Hinsichtlich der Funktionsweise wird auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Die Compoundiervorrichtungen 3, 3c, die Kühlvorrichtungen 9, 9a bis 9c, die Temperiervorrichtungen 21, 21a bis 21c, der Pufferspeicher 26, die Temperatur-Messeinheiten 19, 40, die Vermessungseinheiten 47, 47b und die Detektionseinheit 66 können je nach Bedarf beliebig miteinander kombiniert werden. Insbesondere können für die Untersuchung von mehreren Kunststoff-Strängen 2 in unterschiedlichen Messvorrichtungen 28 auch parallele Messlinien aufgebaut werden, die Vorrichtungen oder Einheiten gemeinsam nutzen oder jeweils eigene Vorrichtungen oder Einheiten aufweisen.

Claims

Messanlage zur Ermittlung von mechanischen Materialkennwerten von Kunststoffen, umfassend – eine Compoundiervorrichtung (3; 3c) zur Erzeugung eines Kunststoff-Strangs (2) – mit einem Austragselement (4), das eine für den Kunststoff-Strang (2) formgebende Austragsöffnung (5) aufweist, – wobei die Austragsöffnung (5) insbesondere kreisförmig ausgebildet ist, – eine der Compoundiervorrichtung (3; 3c) in einer Transportrichtung (8) des Kunststoff-Strangs (2) nachgeordnete Kühlvorrichtung (9; 9a bis 9c) zur Abkühlung des Kunststoff-Strangs (2), – eine der Kühlvorrichtung (9; 9a bis 9c) in der Transportrichtung (8) nachgeordnete Abzugsvorrichtung (20, 27) zur Erzeugung einer auf den Kunststoff-Strang (2) wirkenden Kraft in Transportrichtung (8), – einer Messvorrichtung (28), die derart ausgebildet ist, dass – eine mechanische Belastung des Kunststoff-Strangs (2) erfolgt und – mindestens ein aus der mechanischen Belastung resultierendes Messsignal (M) erfassbar ist, und – einer Steuervorrichtung (7) zur Ermittlung eines mechanischen Materialkennwertes (K) aus dem mindestens einen Messsignal (M).
Messanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Compoundiervorrichtung (3c) eine dem Austragselement (4) in Transportrichtung (8) vorgeordnete Schmelzepumpe (67) aufweist.
Messanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Compoundiervorrichtung (3; 3c) eine Dosiereinheit (6) zur Zuführung von mehreren Ausgangsstoffen (A₁ bis A_n) des Kunststoff-Strangs (2) aufweist, wobei das Mischungsverhältnis der Ausgangsstoffe (A₁ bis A_n) in Abhängigkeit des ermittelten Materialkennwertes (K) mittels der Steuereinrichtung (7) einstellbar ist.
Messanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Betriebsparameter (P) der Compoundiervorrichtung (3; 3c) in Abhängigkeit des ermittelten Materialkennwertes (K) mittels der Steuereinrichtung (7) einstellbar ist.
Messanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (9; 9a bis 9c) mit einer Kühlflüssigkeit (10) betreibbar ist und insbesondere einen mit Kühlflüssigkeit (10) füllbaren Behälter (11) oder mindestens eine Sprüheinheit (52 bis 56) für Kühlflüssigkeit (10) aufweist.
Messanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwirkung der Kühlvorrichtung (9; 9a; 9b) mittels der Steuervorrichtung (7) einstellbar ist.
Messanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kühlvorrichtung (9; 9a bis 9c) und der Messvorrichtung (28) eine Temperiervorrichtung (21; 21a bis 21c) zur Einstellung einer Soll-Temperatur (T_S) des Kunststoff-Strangs (2) angeordnet ist.
Messanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kühlvorrichtung (9; 9a bis 9c), insbesondere zwischen der Temperiervorrichtung (21; 21a bis 21c) und der Messvorrichtung (28) eine Temperatur-Messeinheit (19, 40) angeordnet ist.
Messanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperiervorrichtung (21; 21a bis 21c) eine erste Temperatur-Messeinheit (19) in Transportrichtung (8) vorgeordnet und eine zweite Temperatur-Messeinheit (40) in Transportrichtung (8) nachgeordnet ist.
Messanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (21; 21c) als Temperierkammer ausgebildet ist, deren Innentemperatur (T_K) mittels der Steuervorrichtung (7) einstellbar ist.
Messanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (21a; 21c) ein Gebläse (46) oder einen mit Temperierflüssigkeit (69) füllbaren Behälter (68) aufweist.
Messanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kühlvorrichtung (9) und der Messvorrichtung (28) ein Pufferspeicher (26) angeordnet ist, der insbesondere in die Temperierkammer (21) integriert ist.
Messanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messvorrichtung (28) in der Transportrichtung (8) eine Vermessungseinheit (47; 47b) zur Ermittlung des Querschnitts (Q) des Kunststoff-Strangs (2) vorgeordnet ist.
Messanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Messvorrichtung (28) in der Transportrichtung (8) eine Detektionseinheit (66) zur Ermittlung von inneren Defekten des Kunststoff-Strangs (2) vorgeordnet ist.
Messanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Abzugsvorrichtungen (20, 27) vorgesehen sind, wobei mindestens eine Abzugsvorrichtung (27) der Temperiervorrichtung (21; 21a bis 21c) in Transportrichtung (8) nachgeordnet ist.