DE102015010245A1

DE102015010245A1 - Verfahren zum Dosieren von Kunststoffgranulat

Info

Publication number: DE102015010245A1
Application number: DE102015010245.1A
Authority: DE
Inventors: Klaus STRAKA
Original assignee: Engel Austria GmbH
Current assignee: Engel Austria GmbH
Priority date: 2014-08-14
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2035-08-06
Also published as: US20160046054A1; CN105365172B; AT516122B1; AT516122A1; CN105365172A; DE102015010245B4; US9662818B2

Abstract

Verfahren zur Beeinflussung der Schmelzetemperatur im Plastifizierzylinder einer Plastifiziereinheit (1) für eine Spritzgießmaschine, mit einer in einer Zylinderbohrung eines sich axial erstreckenden Plastifizierzylinders verschiebbar und drehbar angeordneten Plastifizierschnecke (4), wobei ein Dosieren von der Plastifiziereinheit (1) zugeführtem Kunststoffgranulat in Abhängigkeit einer gewünschten Schmelzetemperatur in der Plastifiziereinheit (1) durchgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Schmelzetemperatur im Plastifizierzylinder einer Plastifiziereinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
In gattungsgemäßen Plastifiziereinheiten entstehen während der Plastifizierung des zum Einspritzen benötigten Schmelzereservoirs unerwünschte axiale Temperaturgradienten im Schneckenvorraum. Grund hierfür ist die Reduktion der effektiven Schneckenlänge (siehe C. Rauwendaal, „Polymer Extrusion” 4th Edition, Hanser Munich 2001) beim Dosieren und die damit verbundene Änderung der Schergeschichte und Verweilzeit von einzelnen Granulat und Fluidelementen, sowie die axialen Temperaturgradienten im Plastifizierzylinder.
Im Spritzgießprozess kann die Schmelzetemperatur im Schneckenvorraum mittels der folgenden Stellgrößen beeinflusst werden (siehe z. B. DE 10 2010 024 267 A1 und J. L. White, H. Potente, „Screw Extrusion”, Hanser Munich, 2003).

– Temperaturführung des Plastifizierzylinders: Die Temperatur der Schmelze wird mittels geeigneter Profilvorgaben an der Heizung des Plastifizierzylinders beeinflusst.
– Staudruck: Die Temperatur der Schmelze wird mittels geeigneter Profilvorgaben an die Staudruckregelung der Plastifiziereinheit beeinflusst.
– Schneckendrehzahl (bzw. Schneckenumfangsgeschwindigkeit): Die Temperatur der Schmelze wird mittels geeigneter Profilvorgaben an die Drehzahlregelung eines Motors der Plastifizierschnecke der Plastifiziereinheit beeinflusst.

Der Einsatz der Temperaturführung des Plastifizierzylinders als Stellgröße für die Schmelzetemperaturregelung ist bei Verwendung einer konventionellen Zylinderheizung mittels Keramik-Heizbändern auf Grund der Trägheit des Systems sowie der schlechten Temperaturleitfähigkeit der Schmelze nur bedingt durchführbar.
Eine bessere Eingriffsmöglichkeit bieten hier die Änderung der Drehzahl und/oder des Staudrucks, z. B. steigende Drehzahl bzw. Staudruck gegen Ende des Plastifiziervorgangs, um einerseits einen höheren Energieeintrag in die Schmelze zu gewährleisten und andererseits die Verweilzeit der Schmelze in der Plastifizierschnecke zu erhöhen.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines gattungsgemäßen Verfahrens, welches eine gegenüber dem diskutierten Stand der Technik verbesserte Möglichkeit zur Beeinflussung der Schmelzetemperatur im Plastifizierzylinder einer Plastifiziereinheit für eine Spritzgießmaschine aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Wie eingangs erwähnt, entstehen Temperaturgradienten im Schneckenvorraum einer Plastifiziereinheit teilweise auf Grund der Änderung der wirksamen Schneckenlänge der Plastifizierschnecke während des Plastifizierprozesses. Wird ein Dosieren von der Plastifiziereinheit zugeführtem Kunststoffgranulat in Abhängigkeit einer gewünschten Schmelzetemperatur in der Plastifiziereinheit durchgeführt, kann eine effektive Schneckenlänge der Plastifizierschnecke beeinflusst werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das Dosieren kann mittels handelsüblicher gravimetrischer oder volumetrischer Dosiereinheiten erfolgen. Abhängig vom zugeführten Volumenstrom des Granulats des zu plastifizierenden Kunststoffes kann so die Position des initialen Druckaufbaus variiert werden, was einer Änderung der wirksamen bzw. effektiven Schneckenlänge der Plastifizierschnecke entspricht.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Plastifizierschnecke während des Dosierens unterfüttert wird. Unterfütterung bedeutet, dass der Plastifizierschnecke weniger Granulat zugeführt wird, als sie in der Einzugszone fördern kann. Dadurch werden die Schneckengänge erst ab einem bestimmten Abstand von der Einzugsöffnung vollständig gefüllt. Ab diesem Punkt beginnt auch der Druckaufbau in der Plastifiziereinheit.
Erfolgt zum Beispiel während des Plastifiziervorgangs eine gezielte Unterfütterung der Plastifizierschnecke so, dass die effektive Schneckenlänge konstant ist, können unerwünschte Temperaturgradienten eliminiert werden.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Plastifizierschnecke während des Dosierens derart unterfüttert wird, dass sich die effektive Schneckenlänge der Plastifizierschnecke während der Plastifizierphase verkürzt.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Plastifizierschnecke während des Dosierens derart unterfüttert wird, dass sich die effektive Schneckenlänge der Plastifizierschnecke während der Plastifizierphase erhöht. Hierdurch kommt es zu höheren Schmelzetemperaturen.
Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei welchem ein gewünschter Temperaturgradient des Temperaturverlaufs im Plastifizierzylinder vorgegeben wird und das Dosieren derart erfolgt, dass sich der gewünschte Temperaturgradient im Plastifizierzylinder einstellt.
Anhand der 1 bis 7 wird die Erfindung im Detail diskutiert.
Die 1 zeigt die Situation in einer Plastifiziereinheit 1, wobei das Dosieren so erfolgt, dass sich ein bestimmter Unterfütterungsgrad A einstellt. Eine vollständige Füllung erfolgt im sechsten Schneckengang, ausgehend von der Einfüllöffnung in Richtung Schneckenspitze.
Erfolgt während des Plastifiziervorgangs eine gezielte Unterfütterung der Plastifizierschnecke so, dass die effektive Schneckenlänge konstant ist, können unerwünschte Temperaturgradienten weitgehend eliminiert werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit die verbleibenden Temperaturgradienten durch eine gezielte Verlängerung bzw. Verkürzung der Plastifizierschnecke zu beeinflussen.
2 zeigt ein Beispiel für eine Unterfütterung der Plastifizierschnecke 4 mit einem Unterfütterungsgrad B > A. Eine vollständige Füllung erfolgt erst im siebten Schneckengang, ausgehend von der Einfüllöffnung in Richtung Schneckenspitze.
Diese Verkürzung der wirksamen Schneckenlänge führt zu geringeren Drücken, einem späteren Anschmelzen sowie geringeren Verweilzeiten und damit zu geringeren Schmelzetemperaturen.
Bei einer Verlängerung der wirksamen Schneckenlänge durch eine Verkleinerung des Unterfütterungsgrads B < A wandert die Position des ersten Druckaufbaus in Richtung zur Einfüllöffnung. Diese Situation ist in 3 dargestellt. Eine vollständige Füllung erfolgt bereits im fünften Schneckengang, ausgehend von der Einfüllöffnung in Richtung Schneckenspitze. Dies führt zu erhöhten Drücken entlang der Pflastifizierschnecke, einem früheren Anschmelzen des Granulats sowie größeren Verweilzeiten und damit zu höheren Schmelzetemperaturen.
Das oben beschriebene Verfahren bietet eine neue Stellgröße zur Verwendung in einem Schmelzetemperatur-Regelkreis für die Temperatur im Schneckenvorraum (4 und 7). Das Bezugszeichen 51 in 4 verweist auf eine Steuer- oder Regeleinrichtung für die Dosiereinrichtung.
Die Messung der Temperatur erfolgt dabei bevorzugt mit einem ultraschallbasierten Temperaturmesssystem der mit Bezug auf die 5 bis 7 nachstehend beschriebenen Art.
Ausschnittsweise gezeigt ist eine Plastifiziereinheit 1 für eine Spritzgießmaschine in Form einer in einer Zylinderbohrung eines Plastifizierzylinders (mit Wandung 2) verschiebbar angeordneten, drehbaren Plastifizierschnecke 4. Durch das Aufdosieren von plastifiziertem Kunststoff im Bereich zwischen Einspritzdüse (nicht dargestellt) und der Spitze der Plastifizierschnecke 1 (Schneckenvorraum 3) wird die Plastifizierschnecke 1 von der Einspritzdüse weg bewegt. Dabei bildet sich im Schneckenvorraum 3 ein sogenannter Massepolster.
Wird ein Ultraschallpuls durch eine Kunststoffschmelze entlang eines Schalllaufweges S (zwischen einem Ultraschallsender und Ultraschallempfänger) gesendet, ergibt sich die Laufzeit t_Laufzeit des Pulses durch die Schmelze aus der Formel
wobei c_L,s(p, T) die vom Druck p und der Temperatur T abhängige longitudinale Schallgeschwindigkeit an einer Position s entlang des Schalllaufweges bezeichnet.
Ist die longitudinale Schallgeschwindigkeit C_L als Funktion des Druckes p und der Temperatur T bekannt (durch Kalibrationsmessungen oder bevorzugt durch Nachsehen in dem Fachmann bekannten Tabellen, welche für verschiedene Kunststoffe die Laufzeit von Schall angeben – dies ist möglich, weil im Schneckenvorraum beim Dosieren zumindest annähernd ein konstanter Druck herrscht) kann aus der Laufzeitmessung auf die mittlere Temperatur entlang des Schalllaufweges S geschlossen werden.
Zur Messung der axialen Temperaturverteilung im Schneckenvorraum 3 werden Ultraschall-Laufzeitmessungen an mehreren axialen Positionen durchgeführt. Die Messungen können mittels sogenannter Reflexions- oder Transmissionsmessungen durchgeführt werden. Alternativ kann auch mit einem Ultraschallwandler 5 abwechselnd an unterschiedlichen axialen Positionen über mehrere Spritzgießzyklen gemessen werden.
Die Reflexionsmessung ist in 5 dargestellt. Es erfolgt eine axiale Messung der Schmelzetemperatur im Schneckenvorraum 3.
Ein Ultraschallwandlerarray mit mehreren Ultraschallwandlern 5 wird entlang des Schneckenvorraums 3 an der Wandung 2 des Plastifizierzylinders angebracht. Ein in den Plastifizierzylinder gesendeter Ultraschallpuls, wird an der Oberkante der Zylinderbohrung reflektiert. Ein Teil der Schallenergie läuft weiter durch die plastifizierte Kunststoffschmelze, wird an der Unterkante der Zylinderbohrung reflektiert und läuft zurück zum Ultraschallwandler. Aus der Differenz der Laufzeiten der Reflexionen an der Ober- bzw. Unterkante (toben bzw. t_unten) der Zylinderbohrung und dem bekannten Zylinderdurchmesser d_zylinder kann auf die Schallgeschwindigkeit (bei dem Staudruck p_stau während des Aufdosierens) und somit auf die mittlere Schmelzetemperatur T_m entlang des Schalllaufweges geschlossen werden:
Durch die Messung an verschiedenen axialen Positionen ergibt sich ein axiales Temperaturprofil im Schneckenvorraum 3. Die Berechnung erfolgt in einer in den 4 und 7 dargestellten Auswerteeinheit 8.
Bei der Transmissionsmessung, dargestellt in 6, werden zwei gegenüber liegende Ultraschallwandlerarrays 6, 7 mit Ultraschallwandlern 5 an unterschiedlichen axialen Positionen entlang des Schneckenvorraums 3 an der Wandung 2 des Plastifizierzylinders angebracht, wobei das eine Ultraschallwandlerarray als Senderarray 6 und das gegenüber liegende Ultraschallwandlerarray als Empfängerarray 7 verwendet wird. Alternativ kann auch mit zwei Ultraschallwandlern 5 (Sender und Empfänger) abwechselnd an verschiedenen axialen Positionen über mehrere Spritzgießzyklen gemessen werden.
Ein von einem Ultraschallwandler 5 des Senderarrays 6 in den Plastifizierzylinder gesendeter Ultraschallpuls läuft durch die erste Hälfte der Wandung 2 des Plastifizierzylinders, weiter durch die Kunststoffschmelze und danach durch die zweite Hälfte der Wandung 2 des Plastifizierzylinders zum gegenüber liegenden Ultraschallwandler 5 des Empfängerarrays 7. Von der so gemessenen gesamten Laufzeit t_gesamt des Ultraschallpulses müssen noch die Laufzeiten t_s, t_e durch die Wandung 2 des Plastifizierzylinders abgezogen werden. Diese können durch Reflexionsmessungen mittels der Ultraschallwandler 5 im Sende- bzw. Empfängerarray 6, 7 ermittelt werden. Die Schallgeschwindigkeit c_L ergibt sich aus
Durch die Messung an verschiedenen axialen Positionen ergibt sich ein axiales Temperaturprofil im Schneckenvorraum 3. Die Berechnung erfolgt in einer in den 4 und 7 dargestellten Auswerteeinheit 8. Die Regelung erfolgt über eine Regelvorrichtung 9.
Die Messung von t_e ist relativ aufwendig. Unter der Annahme, dass in der Wandung 2 ein nahezu rotationssymmetrisches Temperaturprofil vorherrscht, ist t_e ungefähr gleich t_s. Damit kann auf die Messung von t_e verzichtet werden.
In allen Ausführungsbeispielen liegen die Ultraschallwandler 5 an der Wandung 2 des Plastifzierzylinders an, befinden sich also nicht in Bohrungen in der Wandung 2, welche die Wandung 2 durchbrechen. Es wäre denkbar, die Ultraschallwandler 5 in Sackbohrungen versenkt in der Wandung 2 anzuordnen, z. B. bei Platzproblemen mit auf dem Plastifizierzylinder montierten Heizbändern.
Die Vorgabe der gewünschten Temperaturgradienten erfolgt zum Beispiel über einen Profilgenerator 10. Der Zusammenhang zwischen Dosiervolumenstrom bei volumetrischer Dosierung bzw. Dosiermassestrom bei gravimetrischer Dosierung und Änderung der Schmelzetemperatur wird dem Regelsystem bevorzugt in Form eines Kennlinienfelds zur Verfügung gestellt. Die Kalibrierung der Kennlinie erfolgt bevorzugt in einem automatisierten Prozess.
Da die Schmelzetemperatur an einer Messposition im Schneckenvorraum 5 zum Zeitpunkt der Messung nicht mehr verändert werden kann, handelt es sich beim Regelungssystem um ein lernendes System, d. h. die Informationen die das System von der Temperaturmessung im aktuellen Zyklus der Plastifiziereinheit 1 bzw. der Spritzgießmaschine erhält werden für eine Berechnung der Stellgröße(n) in den nachfolgenden Zyklen verwendet. Das System benötigt daher eine gewisse Anzahl von Zyklen um den gewünschten Temperaturgradienten im Schneckenvorraum 5 einzustellen. Dies stellt jedoch keine Einschränkung dar, da in einem stabilen und eingeschwungenen Prozess keine dynamischen Änderungen der Schmelzetemperatur auftreten werden.
Das System kann wahlweise in die Maschinensteuerung der Spritzgießmaschine integriert, oder als eigenständiges System eingesetzt werden. Auf Grund der Tatsache, dass für die Temperaturmessung keine Sensorbohrungen benötigt werden, hat die stand-alone Variante den Vorteil dass für mehrere Spritzgießmaschinen nur eine Mess- und Regelungseinheit benötigt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010024267 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Beeinflussung der Schmelzetemperatur im Plastifizierzylinder einer Plastifiziereinheit (1) für eine Spritzgießmaschine, mit einer in einer Zylinderbohrung eines sich axial erstreckenden Plastifizierzylinders verschiebbar und drehbar angeordneten Plastifizierschnecke (4), dadurch gekennzeichnet, dass ein Dosieren von der Plastifiziereinheit (1) zugeführtem Kunststoffgranulat in Abhängigkeit einer gewünschten Schmelzetemperatur in der Plastifiziereinheit (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Plastifizierschnecke (4) während des Dosierens unterfüttert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Plastifizierschnecke (4) während des Dosierens derart unterfüttert wird, dass eine effektive Schneckenlänge der Plastifizierschnecke (4) konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Plastifizierschnecke (4) während des Dosierens derart unterfüttert wird, dass sich eine effektive Schneckenlänge der Plastifizierschnecke (4) verkürzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Plastifizierschnecke (4) während des Dosierens derart unterfüttert wird, dass sich eine effektive Schneckenlänge der Plastifizierschnecke (4) erhöht.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein gewünschter Temperaturgradient des Temperaturverlaufs im Plastifizierzylinder vorgegeben wird und das Dosieren derart erfolgt, dass sich der gewünschte Temperaturgradient im Plastifizierzylinder einstellt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Temperatur im Plastifizierzylinder mittels Ultraschallwandlern (5) ermittelt wird.