DE102018209998B4

DE102018209998B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung eines thermoplastischen Werkstoffs

Info

Publication number: DE102018209998B4
Application number: DE102018209998.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Bonten; Kai Landsecker; Tobias Schaible
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: DE102018209998A1

Abstract

Verfahren zur Untersuchung eines thermoplastischen Werkstoffs (13), insbesondere vorliegend in Form eines Granulats, Recycling-Mahlguts oder einer Mischung aus beidem, mit den Schritten:- der zu untersuchende thermoplastische Werkstoff (13) wird einer Vorrichtung (11) zur Untersuchung zugeführt und darin aufgeschmolzen,- der aufgeschmolzene Kunststoff (22) wird mittels Erzeugung einer ersten Druckdifferenz durch ein Formwerkzeug (25) bewegt, um dabei einen rohrartigen oder hohlkörperartigen Schmelzestrang (27) mit einem Innenraum (30) auszubilden,- der rohrartige oder hohlkörperartige Schmelzestrang (27) wird an seinem von dem Formwerkzeug (25) entfernten Ende (31) verschlossen, um mit dem Innenraum (30) ein Rohr oder einen Hohlkörper (36) zu bilden,- durch Erzeugen einer zweiten Druckdifferenz zwischen Außenumgebung und dem Innenraum (30) in dem Schmelzestrang (27) wird der verschlossene Schmelzestrang ausgeweitet oder aufgeblasen in mindestens eine Richtung,- die Ausweitung des Schmelzestrangs (27) wird hinsichtlich vorbestimmter Charakteristika untersucht als Maß für eine Eigenschaft und/oder eine Verarbeitungseigenschaft für formgebende Verfahren des thermoplastischen Werkstoffs (13) wie Thermoformen, Spritzstreckblasen oder Extrusionsblasformen, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrartige oder hohlkörperartige Schmelzestrang (27) so lange ausgeweitet oder aufgeblasen wird, bis er reißt oder aufbricht, wobei entweder die hierzu notwendigen Umformkräfte oder Umformdrücke als Kenngröße für eine Schmelzeviskosität als Eigenschaft des Werkstoffs (13) verwendet werden, oder dieses Reißen oder Aufbrechen als Versagen des Schmelzestrangs (27) bewertet wird und als maximale Verstreckung oder Deformation des Schmelzestrangs bewertet wird, wobei die derart ermittelte maximale Verstreckung oder Deformation oder die Dauer bis zum Reißen oder Aufbrechen als Maß für die Eigenschaft und/oder die Verarbeitungseigenschaft für formgebende Verfahren des thermoplastischen Werkstoffs (13) wie Thermoformen, Spritzstreckblasen oder Extrusionsblasformen verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung eines thermoplastischen Werkstoffs, insbesondere um ihn daraufhin zu untersuchen, ob er notwendige Eigenschaften bzw. Verarbeitungseigenschaften für eine formgebende Verarbeitung wie Thermoformen, Spritzstreckblasen, Extrusionsblasformen oder vergleichbare Prozesse aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die zur Durchführung dieses Verfahrens bzw. zur Untersuchung des Werkstoffs ausgebildet ist.
Aus dem Stand der Technik ist das Bedürfnis bekannt, Werkstoffe vor einem vorbeschriebenen formgebenden Prozess bei Anlieferung möglichst schnell und einfach auf ihre Eignung für ein derartiges Verfahren überprüfen zu können.
Die DE 102008052608 B3 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffhohlkörpern durch Blasformen. Daraus geht ein Serienverfahren hervor, um aus einem Werkstoff Kunststoffhohlkörper herzustellen. Daraus geht keine Möglichkeit hervor, wie ein Werkstoff davor auf seine Eignung überprüft werden kann.
Aus der US 4297092 A geht hervor, wie bei einem Formwerkzeug zur Herstellung von Kunststoffhohlkörpern ein Luftstrom zugeführt wird. Damit wird aus einem geeigneten Werkstoff der Kunststoffhohlkörper aufgeblasen.
Aus der US 4224561 A geht ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Kunststoffhohlkörpern hervor, wozu eine geeignete Vorrichtung verwendet wird. Mittels eines Stempels kann aufgeschmolzener Werkstoff in ein Formwerkzeug gedrückt werden, in dem er zu einem Kunststoffhohlkörper aufgeblasen wird.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik gelöst werden können und es insbesondere möglich ist, einen Werkstoff schnell und ohne großen zeitlichen oder vorrichtungstechnischen Aufwand auf eine gewünschte Eigenschaft hin untersuchen zu können, insbesondere für vorgenannte formgebende Verfahren wie Thermoformen, Extrusionsblasformen oder Spritzstreckblasen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 18. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für das Verfahren oder nur für die Vorrichtung beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch für die Vorrichtung selbständig und unabhängig voneinander gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Für das Verfahren ist vorgesehen, dass zuerst der thermoplastische Werkstoff, der beispielsweise in Form eines Granulats, eines Recycling-Mahlguts oder einer Mischung aus beidem vorliegt, einer entsprechenden Vorrichtung zur Untersuchung zugeführt wird. Dazu kann er beispielsweise aus einer angelieferten Charge entnommen werden. In der Untersuchungsvorrichtung wird der zu untersuchende Werkstoff aufgeschmolzen. Dann wird der aufgeschmolzene Werkstoff mittels Erzeugung einer ersten Druckdifferenz, beispielsweise mittels eines Stempels, durch ein Formwerkzeug bewegt oder gedrückt. Dabei wird ein rohrartiger oder hohlkörperartiger Schmelzestrang ausgebildet, der einen Innenraum aufweist. In diesem Sinne ist der Schmelzestrang dann als Rohr oder Hohlkörper anzusehen. Das Formwerkzeug ist dafür entsprechend geeignet, beispielsweise kann es ein Pinolen-Formwerkzeug sein.
Der rohrartige oder hohlkörperartige Schmelzestrang wird an seinem freien bzw. von dem Formwerkzeug entfernten Ende, das also zuerst herausgedrückt worden ist, verschlossen, beispielsweise durch eine Art Zange oder Schere. So wird in dem Rohr oder Hohlkörper ein Innenraum gebildet. Insbesondere kann dieses freie Ende durch weiteres Aufbringen der ersten Druckdifferenz bzw. Hindurchdrücken des aufgeschmolzenen Werkstoffs weiterhin von dem Formwerkzeug entfernt werden. Dabei ist es einerseits möglich, den rohrartigen oder hohlkörperartigen Schmelzestrang erst dann zu verschließen, wenn er wie gewünscht weit durch das Formwerkzeug hindurchgedrückt worden ist. Andererseits kann der Schmelzestrang auch gleich verschlossen werden, wenn er ausreichend weit aus dem Formwerkzeug ausgetreten ist oder alles geschmolzene Material herausgedrückt worden ist. In diesem Fall kann zusätzlich auch noch ein Aufdrücken gegen eine Platte odgl. als Verschlussverfahren zur Anwendung kommen, wodurch das freie offene Ende verschlossen wird. Danach kann der Schmelzestrang ausreichend lang ausgebildet bzw. verlängert werden, wobei er dabei verschlossen bleibt.
Anschließend wird eine zweite Druckdifferenz zwischen der Außenumgebung und dem Innenraum in dem Schmelzestrang erzeugt, wodurch der verschlossene Schmelzestrang ausgeweitet oder aufgeblasen wird in mindestens eine Richtung. Vorteilhaft wird er dabei in mindestens zwei Richtungen ausgeweitet bzw. aufgeblasen, insbesondere als eine Art Blase. Diese Ausweitung oder dieses Aufblasen des Schmelzestrangs wird dann hinsichtlich vorbestimmter Charakteristika untersucht als Maß für eine Eigenschaft bzw. eine Verarbeitungseigenschaft des Werkstoffs, insbesondere für Verfahren wie Thermoformen, Spritzstreckblasen, Extrusionsblasformen oder vergleichbare Prozesse. Anhand dieser Untersuchung kann dann leicht festgestellt und entschieden werden, ob dieser Werkstoff bzw. die gesamte Charge des Werkstoffs für das gewünschte Verfahren geeignet ist, so dass es erst dann dem industriellen serientechnischen Verfahren zugeführt wird. So können Produktionsausfälle bzw. Fehlproduktionen deutlich reduziert werden bei geringem Aufwand.
So kann mit der Erfindung eine Möglichkeit geschaffen werden, bei Anlieferung von einem entsprechenden thermoplastischen Werkstoff für die Herstellung von Produkten oder Halbzeugen mit einem der vorgenannten Prozesse sehr schnell, einfach und genau eine Aussage zu treffen.
Dies ist insbesondere aufgrund der Schnelligkeit noch mit der Möglichkeit verbunden, nicht nur eine zu große Zeitverzögerung vor Produktionsbeginn zu vermeiden, sondern sogar eine Warenlieferung, beispielsweise aus einem LKW, vor deren Abladen zu überprüfen und sie bei Beanstandung wieder zu retournieren ohne aufwändige und zeitraubende Umladevorgänge.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann beim Erzeugen der zweiten Druckdifferenz zwischen Außenumgebung und Innenraum im Schmelzestrang der verschlossene Schmelzestrang in mindestens zwei unterschiedliche Richtungen ausgeweitet oder aufgeblasen werden. Somit wird er nicht nur beispielsweise gelängt, sondern wie eine Art Blase ausgeweitet bzw. aufgeblasen. Eine solche Blase wird in der Regel angenähert rund oder eiförmig sein, insbesondere etwas in Richtung des erzeugten Schmelzestrangs langgestreckt sein. Ein maximaler Durchmesser ist dabei in der Regel geringer als eine maximale Länge, vor allem im Fall einer Blasenbildung unter Einwirkung der Schwerkraft bzw. nach unten. Dies kann aber variiert werden, insbesondere indem der Schmelzestrang mit variierendem Verhältnis von Länge zu Durchmesser und zu Wandungsdicke hergestellt wird. Dies kann insbesondere über die erste Druckdifferenz und die Art des Formwerkzeugs leicht eingestellt werden.
In Ausgestaltung der Erfindung kann der rohrartige bzw. hohlkörperartige Schmelzestrang zuerst mittels der ersten Druckdifferenz sozusagen vollständig durch das Formwerkzeug gedrückt werden, bevor sein Ausweiten beginnt. Alternativ könnte das Ausweiten bereits beginnen mittels der zweiten Druckdifferenz, bevor das Herausdrücken des Schmelzestrangs mittels der ersten Druckdifferenz abgeschlossen ist. Dies kann variiert werden abhängig davon, auf welche Eignung man den Werkstoff untersuchen möchte bzw. welche Form nachher mit diesem Werkstoff durch Thermoformen hergestellt werden soll.
Bei der Erfindung wird der rohrartige bzw. hohlkörperartige Schmelzestrang so lange ausgeweitet oder aufgeblasen, bis er reißt oder aufbricht, also nicht mehr geschlossen ist. Dieses Reißen oder Aufbrechen wird dann als Versagen des Schmelzestrangs erkannt bzw. bewertet und somit vorteilhaft auch als maximale Verstreckung oder maximale Deformation des Schmelzestrangs bewertet. Dies ist insbesondere ein Maß in cm als absolutes Längenmaß oder beispielsweise als Verhältnis von Länge zu Durchmesser des ausgeweiteten Schmelzestrangs. Des Weiteren ist es möglich, die derart ermittelte maximale Verstreckung oder Deformation oder auch die Dauer bis zum vorgenannten Reißen oder Aufbrechen als Maß für die Eigenschaft des Werkstoffs heranzuziehen. Insbesondere kann es dann eben eine gewünschte aussagekräftige Verarbeitungseigenschaft sein, insbesondere dann, wenn der Werkstoff für ein vorgenanntes Thermoformen oder vergleichbare Prozesse verwendet werden soll zur Herstellung von Produkten oder Halbzeugen daraus.
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung wird der rohrartige bzw. hohlkörperartige Schmelzestrang wiederum so lange ausgeweitet bzw. aufgeblasen, bis er reißt oder aufbricht. Dabei werden die hierzu notwendigen Umformkräfte oder Umformdrücke berücksichtigt, die vorteilhaft durch Messen des Beaufschlagungsdrucks ermittelt werden können. Sie ergeben eine Kenngröße für eine Schmelzeviskosität als Eigenschaft des Werkstoffs. Somit kann ermittelt werden, wie stark bei der zweiten Druckdifferenz der Druck erhöht oder erzeugt werden muss als Beaufschlagungsdruck, bis der Schmelzestrang reißt. Möglicherweise kann die hierzu notwendige Zeit auch noch gemessen und berücksichtigt werden, bis bei diesem Umformdruck als Beaufschlagungsdruck der Schmelzestrang reißt oder aufbricht.
Hier kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Umformkräfte oder Umformdrücke als Kenngrößen einer sogenannten Schmelzefestigkeit oder Schmelzesteifigkeit verwendet werden, um eine Eigenschaft des Werkstoffs zu bestimmen. Auch diese Eigenschaften können als Maß für die Verarbeitungseigenschaft bei einem der vorgenannten Prozesse zur Verwendung des Werkstoffs herangezogen werden.
Alternativ können ein maximaler Durchmesser und/oder eine maximale Länge des ausgeweiteten Schmelzestrangs sowie eine Umformkraft oder ein Umformdruck als Kennwert für eine Dehnviskosität, eine etwaige Dehnverfestigung und/oder einen kritischen Verstreckungsgrad des Werkstoffs genommen werden, insbesondere jeweils bis zum Reißen der Blase. Auch diesbezüglich ist eine Charakterisierung möglich, welche dann vorteilhaft verwendet werden kann zur Einschätzung des angelieferten Werkstoffs.
In Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Luftdruck als zweite Druckdifferenz bei der Untersuchung des Werkstoffs während des Vorgangs des Aufblasens oder Ausweitens des Schmelzestrangs so geregelt wird, dass sich eine konstante Ausweitungsgeschwindigkeit ergibt. Der Schmelzestrang bzw. die sich bildende Blase dehnt sich also mit konstanter Geschwindigkeit aus bzw. wird mit konstanter Geschwindigkeit größer, insbesondere in jeweils die Richtungen, in welche eben eine Ausweitung stattfindet. Hierfür können entsprechende Sensormittel an der Vorrichtung installiert werden, zum einen um den Luftdruck zu messen, was leicht über bekannte Sensormittel möglich ist, insbesondere an einer Drucklufterzeugung oder Drucklufteinspeisung. Zum anderen kann die Ausweitungsgeschwindigkeit vorteilhaft erfasst werden über eine Kamera oder sonstige optische Sensormittel. Das Signal dieser optischen Sensormittel kann dann über entsprechende Regelalgorithmen eine Drucklufterzeugung oder Drucklufteinspeisung so beeinflussen, vorteilhaft über ein Regelventil, dass sich eben eine konstante Ausweitungsgeschwindigkeit einstellt. Hierbei kann dann der erfasste Luftdruck aufgezeichnet und ausgewertet werden, insbesondere ob er einem aufgezeichneten Verlauf des Luftdrucks noch in gewünschtem Maß nahekommt. Weiterhin kann dadurch eine Beurteilung der Wandstärkenverteilung vorgenommen werden, indem beobachtet wird, ob sich eine homogene Ausbreitung der Blase durch eine Regelung des Drucks einstellt oder ob diese lokal variiert. So kann sie beispielsweise aufgrund der lokalen Deformation durch den Druck bei sich lokal ändernden Wandstärken variieren.
In nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Luftdruck während des Ausweitens so geregelt werden, dass sich eine konstante Ausweitungsbeschleunigung ergibt, so dass also die erste Ableitung der zuvor beschriebenen Ausweitungsgeschwindigkeit nach der Zeit konstant ist. Dies bedeutet, dass das Ausweiten des Schmelzestrangs schneller wird, aber eben mit konstanter Ausweitungsbeschleunigung. Hierfür können im Prinzip an der Vorrichtung zur Untersuchung die vorgenannten Sensormittel verwendet werden. Der Regelalgorithmus wird dann nur anders eingestellt, nämlich auf eben die konstante Ausweitungsbeschleunigung. Hierfür kann an der Vorrichtung auch ein Umschalter oder Einstellschalter vorgesehen sein, mit dem einer dieser beiden Modi zur Untersuchung, möglicherweise auch noch weitere, als Messverfahren eingestellt werden kann.
Wie zuvor angesprochen worden ist, kann vorgesehen sein, den Schmelzestrang erst über seine volle Länge auszubilden bzw. mittels der ersten Druckdifferenz durch das Formwerkzeug zu drücken. Dann kann er verschlossen werden. Dies ermöglicht es, den Schmelzestrang sozusagen schnell und kontinuierlich am Stück auszubilden. Alternativ kann der Schmelzestrang ebenso schon vor seinem vollständigen Ausbilden verschlossen werden, insbesondere eben direkt dann, wenn er aus dem Formwerkzeug austritt. Sobald also der genannte Innenraum entstanden oder gebildet worden ist, wobei er noch nach unten offen ist, wird der Schmelzestrang auf eine eingangs genannte Art und Weise verschlossen. Erst dann wird er weiter ausgebildet und verlängert durch weiteres Hindurchdrücken von aufgeschmolzenem Werkstoff durch das Formwerkzeug.
Bevorzugt erhält der Schmelzestrang seine Form durch die spezielle Formgebung des Formwerkzeugs, welches eben ein sogenanntes Pinolen-Formwerkzeug sein kann. Vorteilhaft wird dabei ein rohrartiger Schmelzestrang hergestellt mit einem Innenraum, besonders vorteilhaft mit umlaufender und längs gleichbleibender Wandstärke. Dies ermöglicht ein gleichmäßiges Ausweiten ohne den Einbau von erwartbaren Schwachstellen. Besonders vorteilhaft ist der Schmelzestrang zylindrisch, insbesondere rundzylindrisch bzw. kreiszylindrisch.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Schmelzestrang unterhalb des Formwerkzeugs ausgebildet bzw. der zu untersuchende Werkstoff wird dabei nach unten herausgedrückt und nach unten bewegt. Dies ist besonders vorteilhaft genau eine vertikale Richtung nach unten. So wirkt sich eine Gewichtskraft auf seine Längserstreckung bezogen gleichmäßig aus.
Alternativ kann der Schmelzestrang unterhalb des Formwerkzeugs ausgebildet werden, und dabei der zu untersuchende Werkstoff zur Seite bewegt werden. Möglicherweise wird der Schmelzestrang auch nicht zuerst unterhalb des Formwerkzeugs ausgebildet, sondern gleich horizontal zur Seite hin, vorteilhaft in der Richtung, in der der zu untersuchende Werkstoff dann zur Seite bewegt wird. Hierfür kann beispielsweise ein kleines Flüssigkeitsbad verwendet werden, in dem oder auf dem der ausgeweitete Schmelzestrang dann transportiert wird. Hierfür bietet sich vor allem ein Bad mit flüssigem Silikon an. Das Bad kann auf entsprechende Temperatur gebracht werden, beispielsweise 50 °C bis 70 °C. So wird verhindert, dass der Schmelzestrang zu schnell und zu stark auskühlt. Hierbei kann der Schmelzestrang ausgeweitet werden wie zuvor.
Während zum Erzeugen der zweiten Druckdifferenz Druckluft besonders geeignet ist wie zuvor beschrieben, kann zum Erzeugen der ersten Druckdifferenz vorteilhaft ein Stempel in die Aufschmelzkammer eingebracht oder eingeführt werden. Damit können bekanntermaßen die notwendigen Drücke besser, einfacher und präzise erzeugt werden, die notwendig sind, um den aufgeschmolzenen Werkstoff durch das Formwerkzeug zu drücken und dadurch den Schmelzestrang auszubilden. Danach kann das Ausweiten des verschlossenen Schmelzestrangs durch Druckluft erfolgen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Druckluft durch eine Ausgangsöffnung des Formwerkzeugs angelegt wird, insbesondere durch einen vorgenannten Stempel hindurch. Hier kann ein Anschluss an eine vorgenannte Drucklufterzeugung vorgesehen sein. Dies weist den großen Vorteil auf, dass der Innenraum in aller Regel noch direkt an das Formwerkzeug anschließen wird, und wenn in diesem Bereich eine Druckluftzufuhr in den Innenraum erfolgt, unterstützt dies das Ausweiten. Des Weiteren kann vermieden werden, von außen sozusagen in den hohlen Schmelzestrang einen Zugang in den Innenraum herstellen oder stechen zu müssen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass die zugeführte Druckluft zum Ausweiten des Schmelzestrangs nach Vorgabe temperiert wird, insbesondere erhitzt wird. Hierfür bietet sich eine vorgenannte Temperatur von 50 °C bis 70 °C besonders an. Dadurch kann der Schmelzestrang voraussichtlich länger und stärker ausgeweitet werden, da der Werkstoff nicht so schnell auskühlt. Vorteilhaft kann die Druckluft aber auf eine Temperatur gebracht werden, die einem späteren Prozess entspricht, für den der zu untersuchende Werkstoff verwendet werden soll.
In nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass eine Geschwindigkeitsabhängigkeit des Deformationsverhaltens des Werkstoffs oder das Deformationsverhalten an sich am ausgeweiteten Schmelzestrang überprüft wird, indem eine Temperatur bei dem Verfahren variiert wird. Dies kann eine Temperatur zum Aufschmelzen des Werkstoffs und/oder eine Temperatur von eingebrachter Druckluft sein, mit welcher die zweite Druckdifferenz erzeugt wird und mit der der Schmelzestrang ausgeweitet wird.
Des Weiteren ist es möglich, dass aus ein- und derselben Werkstoffcharge oder einer entsprechenden gesamten Lieferung das Verfahren zur Untersuchung mehrfach durchgeführt wird, und jedes Mal mit jeweils unterschiedlicher Temperatur. Die Temperatur kann dabei beispielsweise jeweils ansteigen, insbesondere gleichmäßig, was einem Aufheizverhalten für die Vorrichtung, insbesondere an der Schmelzkammer, entgegenkommt und als Maß für das Temperaturverhalten des Werkstoffs herangezogen werden kann. Die Temperaturschritte können beispielsweise im Abstand von 2 °C bis 5 °C sein.
Alternativ zum Variieren der Temperatur zum Aufschmelzen des Werkstoffs und/oder der eingebrachten Druckluft kann für eine grundsätzlich ähnliche Untersuchungsweise ein angelegter Luftdruck variiert werden, mit dem die zweite Druckdifferenz hergestellt wird und mit dem der Schmelzestrang ausgeweitet wird. Das Variieren des Luftdrucks erfolgt vorteilhaft auch in gleich großen Stufen bzw. gleichmäßig und kann beispielsweise als Maß einer Deformations- bzw. Verformungsgeschwindigkeitsabhängigkeit dienen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer Untersuchung des Werkstoffs, also einem Durchgang mit Aufschmelzen, Herstellen des Schmelzestrangs und dessen Ausweiten bis zum Reißen, der Luftdruck nicht variiert bzw. bleibt gleich für eine gleichbleibende zweite Druckdifferenz. Erst bei einer dann folgenden Untersuchung wird der Luftdruck variiert, nämlich vorteilhaft mit einer nächsthöheren oder nächstniedrigeren Stufe.
In nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Werkstoff, der eben üblicherweise nicht in monolithischer Form bzw. als ein Stück oder Block vorliegt, wenn er in die Aufschmelzkammer kommt, sondern beispielsweise als Granulat, noch einmal beim Zuführen in die Vorrichtung bzw. in die Schmelzkammer vermischt wird. Hierfür können an sich bekannte spiralförmige bzw. schneckenförmige Mischvorrichtungen mit entsprechend geformten Kanälen vorgesehen sein. Dadurch wird erreicht, dass der Werkstoff zumindest auf die für das Aufschmelzen bezogene Menge gut und homogen durchmischt ist. Weiterhin können somit die üblichen Belastungen hinsichtlich Scherung und Dehnung gemäß der Plastifizierung auf einem herkömmlichen Extruder nachgestellt und in den Werkstoff eingebracht werden. Eine alternative oder zusätzliche Mischvorrichtungen können auf dem Weg zum Formwerkzeug vorgesehen sein, um den aufgeschmolzenen Werkstoff noch einmal gut zu durchmischen, bevor er durch das Formwerkzeug gedrückt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorteilhaft eine Aufschmelzkammer auf, vor oder über der sich eine Einfülleinrichtung zum Zuführen des zu untersuchenden Werkstoffs befindet. Diese kann trichterförmig sein, unter Umständen eine vorgenannte Mischvorrichtung enthalten. Des Weiteren weist die Vorrichtung ein Formwerkzeug auf, das als Extrusionsdüse ausgebildet sein kann, beispielsweise als Pinolen-Formwerkzeug. Dieses Formwerkzeug kommt nach der Aufschmelzkammer bzw. schließt sich an sie an, vorteilhaft in vertikaler Richtung nach unten.
Es ist eine Verschlusseinrichtung vorgesehen, die mit einem gewissen Abstand zu dem Formwerkzeug angeordnet ist. Sie soll den extrudierten Schmelzestrang verschließen, entweder gleich zu Beginn nach dessen Erzeugung und wenn er aus dem Formwerkzeug austritt, oder erst wenn er seine fertige endgültige Länge erreicht hat. Die Verschlusseinrichtung kann so ausgebildet sein, dass sie sich mit dem unteren Ende des Schmelzestrangs bzw. mit dem freien Ende mitbewegt und diesen dabei verschließt. Dies ist unabhängig von der Art, wie genau die Verschlusseinrichtung den Schmelzestrang verschließt. Dies ermöglicht es, eine Zeitverzögerung beim Herstellen des Schmelzestrangs durch das Verschließen des Schmelzestrangs zu vermeiden.
Des Weiteren ist ein Stempel vorgesehen, der in die Aufschmelzkammer eingefahren wird. Deswegen ist die Aufschmelzkammer vorteilhaft zylindrisch, besonders vorteilhaft rundzylindrisch, wie der Stempel auch. Dabei können Sensoren vorgesehen sein, die die Kraft erfassen, mit welcher der Stempel in die Aufschmelzkammer gedrückt wird. Schließlich ist eine Druckluft-Einrichtung vorgesehen, um damit als zweite Druckdifferenz den Schmelzestrang auszuweiten bzw. aufzublasen. Diese Druckluft-Einrichtung kann mit der Aufschmelzkammer oder mit dem Formwerkzeug oder mit dem Stempel verbunden sein. Sie kann für das Ausweiten sorgen. Dafür kann besonders vorteilhaft eine in vielen Fertigungsstätten vorgesehene stationäre Druckluft-Leitung vorgesehen sein, an welche die Vorrichtung angeschlossen wird. Dies kann über eine flexible längere Leitung erfolgen als Schlauch, damit die Vorrichtung mobil sein kann auf einem Wagen odgl.. An der genannten Druckluft-Einrichtung innerhalb der Vorrichtung können Heizmittel vorgesehen sein. Mit diesen kann das vorgenannte Aufheizen bzw. Temperieren der Druckluft durchgeführt werden.
Die Vorrichtung weist erfindungsgemäß mehrere Sensormittel auf. Mit diesen kann das Versagen bzw. das Reißen oder Aufbrechen des ausgeweiteten Schmelzestrangs erfasst werden. Neben optischen Sensormitteln, vorteilhaft als Kamera, können auch akustische Sensormittel vorgesehen sein. Dies bietet sich dann an, wenn bei den verwendeten Verfahrensparametern durch das Reißen oder Aufbrechen des ausgeweiteten Schmelzestrangs ein hörbares Geräusch entsteht. Des Weiteren können vor allem Sensormittel vorgesehen sein, um den Umformdruck bzw. Umformkräfte beim Ausweiten des Schmelzestrangs zu erfassen, also Luftdrucksensoren. Weitere Sensormittel zur Erfassung einer Ausweitungsgeschwindigkeit, einer Ausweitungsbeschleunigung und/oder einer absoluten Ausweitung des Schmelzestrangs können vorgesehen sein, wie eingangs beschrieben worden ist.
Des Weiteren können Sensormittel zur Erfassung einer Temperatur vorgesehen sein. Diese können in der Druckluft für die zweite Druckdifferenz und/oder zur Erfassung einer Temperatur des Werkstoffs in der Schmelzkammer vorgesehen sein. Über ein Pyrometer kann auf optischem Wege auch eine Temperatur des Werkstoffs in der ausgeweiteten Blase des Schmelzestrangs erfasst werden, was so vorteilhaft berührungslos möglich ist.
In nochmals weiterer möglicher Ausgestaltung der Erfindung können für die Vorrichtung verschiedene Referenzwerkzeuge vorgesehen sein, die unten an das Formwerkzeug angeschlossen werden können. Möglicherweise wird hierzu das Formwerkzeug gegen ein anderes ausgetauscht. Dann wird der Schmelzestrang in das Referenzwerkzeug gedrückt und darin durch Ausweiten, insbesondere durch Aufblasen mit Druckluft als zweite Druckdifferenz, abgeformt bzw. in entsprechende Form gebracht. Dies kann einem vorgenannten Thermoformen oder einem vergleichbaren Prozess entsprechen, für den der Werkstoff verwendet werden kann oder verwendet werden soll. Durch dieses Einbringen oder Einformen in das Referenzwerkzeug kann eine eingangs genannte Eigenschaft oder Verarbeitungseigenschaft des Werkstoffs ermittelt und dieser danach charakterisiert werden. Im Wesentlichen wird dabei ein Vorgang durchgeführt, der ganz ähnlich ist zu demjenigen Vorgang, für den der Werkstoff nachher verwendet werden soll bzw. mit dem unter Verwendung dieses Werkstoffs nachher Produkte mit einem der vorgenannten Prozesse hergestellt werden sollen.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in fünf Schritten,
2 eine Variation des Verfahrens aus 1, bei dem Schritt 2 und Schritt 3 sozusagen vertauscht worden sind,
3 eine vereinfachte Darstellung der Druckluftzufuhr in die Vorrichtung zum Ausweiten des Schmelzestrangs,
4 weitere Messeinrichtungen oder Sensoren an der Vorrichtung und
5 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem am Formwerkzeug befestigten Referenzwerkzeug zum Erproben des Werkstoffs für ein Extrusionsblasformen mit Herstellung eines Hohlkörpers.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 11 dargestellt, mit der ein thermoplastischer Werkstoff 13, der hier als Granulat vorliegt, untersucht werden kann. Insbesondere soll er auf seine Eigenschaften bzw. eine Verarbeitungseigenschaft für formgebende Verfahren wie Thermoformen, Spritzstreckblasen, Extrusionsblasformen oder vergleichbare Prozesse untersucht werden.
Wie eingangs erläutert worden ist, kann für diese Verfahren verwendeter Werkstoff unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, insbesondere dann, wenn er mit recyceltem Werkstoff vermischt wird. Dies ist aus ökologischen Gründen wünschenswert. Wenn nun bei einem Unternehmen zur Herstellung von Gegenständen, beispielsweise Flaschen aus PE bzw. PET, eine Ladung mit Kunststoff als Granulat ankommt, ist es wünschenswert, dass vor dem tatsächlichen Produktionsbeginn damit, insbesondere sogar möglichst schon vor dem Abladen von einem LKW odgl., schnell, einfach und ausreichend sicher geklärt werden kann, ob sich der Kunststoff ausreichend eignet. Dafür ist die Vorrichtung 11 einfach aufgebaut und nicht sehr groß. Sie ist vorteilhaft auf einem fahrbaren Tisch, Wagen odgl. aufgebaut und weist entsprechende Anschlüsse auf, insbesondere Strom und möglicherweise Druckluft, wie nachfolgend noch erläutert wird. So kann sie auch in einen Außenbereich bewegt werden, beispielsweise an einen LKW.
Die Vorrichtung 11 in der ersten Darstellung weist oben einen Einfülltrichter 15 auf, in den eine bestimmte Menge an thermoplastichen werstoff 13 als Granulat eingefüllt werden kann. Hier kann auf genau definierte Art und Weise eine Probenentnahme vorgeschaltet sein. An den Einfülltrichter 15 schließt sich eine Aufschmelzkammer 17 an, die außenseitig eine Heizung 18 oder mehrere Heizelemente einer solchen Heizung 18 aufweist. Das Granulat wird in der Aufschmelzkammer 17 aufgeschmolzen auf vorbestimmte Art und Weise, wobei insbesondere Temperatur und Zeitprofil materialspezifisch vorgegeben sind. Unterhalb der Aufschmelzkammer 17 befindet sich ein Formwerkzeug 25, das hier sehr schematisch dargestellt ist. Es kann vorteilhaft ein eingangs genanntes Pinolen-Werkzeug sein, dessen Ausgestaltung für den Fachmann problemlos zu realisieren ist. Daran kann auch ein Verschluss vorgesehen sein, was ebenfalls leicht zu realisieren ist. Dies entspricht dem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der zweiten Darstellung der 1 entsprechend dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von oben ein Stempel 20 mittels eines hier nicht dargestellten Stempelantriebs in die Aufschmelzkammer 17 eingefahren. Durch den Stempel 20 wird auf den aufgeschmolzenen Kunststoff 22 darin die eingangs genannte erste Druckdifferenz ausgeübt, um ihn durch das Formwerkzeug 25 zu bewegen bzw. zu drücken. Dieser Vorgang läuft an sich ab wie üblich. Alternativ könnte auch eine Art Extruder odgl. vorgesehen sein.
Unterhalb des Formwerkzeugs 25 bildet sich ein Schmelzestrang 27, der hohlkörperartig bzw. rohrartig ist und eine in vertikaler Richtung umlaufende Außenwand 28 aufweist, die einen Innenraum 30 umschließt. In der 1 ist sozusagen der Schmelzestrang 27 im Schnitt dargestellt, um den Innenraum 30 zu zeigen.
Wenn der Schmelzestrang 27 beispielsweise einen Zentimeter oder 5% bis 20% seiner maximalen gewünschten Länge aus dem Formwerkzeug 25 herausgedrückt worden ist, so kann mittels eines eingangs genannten Trennwerkzeugs 34, das beispielsweise als eine Art Zange oder Schere arbeitet, der zuvor unten offene Schmelzestrang 27 verschlossen werden. Dazu wird er einfach von dem Trennwerkzeug 34 zusammengedrückt, die sich berührenden Bereiche verbinden sich miteinander und verschließen den Schmelzestrang 27 nach unten. Dadurch ergibt sich eine Form für das untere Ende 31 entsprechend der dritten Darstellung der 1, die dem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht. Alternativ kann durch das oben beschriebene Trennwerkzeug 34, speziell als Scherenwerkzeug ausgelegt, überschüssiges Material unten am Trennwerkzeugf 34 abgeschert bzw. entfernt werden.
Bei diesem Vorgang des Verschließens des Schmelzestrangs 27 kann das Trennwerkzeug 34 auf gleicher Höhe bleiben, so dass der Schmelzestrang 27 sozusagen kurz angehalten wird bzw. der Stempel 20 kurz nicht bewegt wird. Alternativ könnte das Trennwerkzeug 34 auch mit der Geschwindigkeit des gebildeten Schmelzestrangs 27 nach unten mitbewegt werden, sodass das Herausdrücken des geschmolzenen Kunststoffs 22 nicht unterbrochen werden muss, da hierdurch möglicherweise störende Diskontinuitäten oder Materialfehler entstehen können.
Eine weitere Möglichkeit wäre es, dass der nach unten offene Schmelzestrang 27 auf eine Art Platte gedrückt wird und dadurch an seinem unteren Ende verschlossen wird. Auch hier ist ein Mitbewegen in vertikaler Richtung nach unten möglich.
In der dritten Darstellung der 1 ist auch zu sehen, dass der Stempel 20 vollständig in die Aufschmelzkammer 17 eingefahren ist und den geschmolzenen Kunststoff 22 durch das Formwerkzeug 25 herausgedrückt hat. Der Schmelzestrang 27 weist also sozusagen seine volle gewünschte Länge auf. Dieser Vorgang des Herstellens des Schmelzestrangs 27 kann auf bekannte Weise relativ schnell durchgeführt werden und nur wenige Sekunden dauern, beispielsweise 2 sec bis 10 sec.
Anschließend erfolgt gemäß der vierten Darstellung der 1, die dem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht, das Ausweiten des Schmelzestrangs 27, so dass er eine Art Blase 36 bildet, die eine Außenwand 28 aufweist. Der Innenraum 30 wird dabei größer, und die Außenwand 28 dünner. Insgesamt nähert sich die Form der Blase 36 einer länglichen ovalen Form an, insbesondere rotationssymmetrisch um eine vertikale Achse. Dabei wird der zu untersuchende Kunststoff biaxial verstreckt, indem er sich nämlich dehnt bzw. ausdehnt mit wachsender Blase 36, und die Wanddicke bzw. die Außenwand 28 dünner wird. Dies entspricht ganz gut einem Vorgang beim späteren großserientechnischen Herstellverfahren, insbesondere beim Extrusionsblasformen. Auch bei einem Spritzstreckblasen oder Thermoformen allgemein erfolgt eine solche biaxiale Verstreckung.
Die Blase 36 wird immer weiter aufgeblasen, vorteilhaft mit Druckluft, bis sie gemäß der fünften Darstellung eine maximale Verstreckbarkeit erreicht und sie bzw. die Außenwand 28 versagt. Dies zeigt die fünfte Darstellung ganz rechts, die dem fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht. Dabei kann ein hier dargestellter Riss 37 entstehen, durch welchen Druckluft aus der Blase 36 entweichen kann.
Wie dargestellt, kann nun zum Zeitpunkt des Versagens des Kunststoffes bzw. Platzen der Blase 36 und Entstehen des Risses 37 die Länge L in vertikaler Richtung und/oder der Durchmesser D rechtwinklig dazu der Blase 36 gemessen werden. Diese können in Kombination oder auch jeweils für sich als sehr einfacher Kennwert für eine Eignung des untersuchten Kunststoffs für eine der genannten Anwendungen herangezogen werden, vor allem Extrusionsblasformen oder Thermoformen. In einfachen Worten ausgedrückt, muss der untersuchte thermoplastiche werstoff 13 bzw der aufgeschmolzene Kunststoff 22 bei vorgegebenen Parametern für Temperatur, Dauer und Druck des Ausformens des Schmelzestrangs 27 sowie Aufblasen der Blase 36 einen gewissen Wert für Länge L und/oder der Durchmesser D der Blase 36 erreichen, damit eine grundsätzliche gewünschte Eignung für ein Thermoformen gegeben ist.
Für eine Lieferung von solchem Werkstoff bzw. Kunststoff kann der Versuch wiederholt werden, beispielsweise einmal bis fünfmal, um eine ausreichend genaue Vorhersage zu treffen, insbesondere wenn es sich um Werkstoffe mit einem Anteil von recyceltem Werkstoff handelt und diese vermischt sind. Da eine Dauer eines solchen Versuchs relativ kurz ist und weniger als 5 min in Anspruch nimmt, vorteilhaft weniger als 3 min, können mehrere solcher Untersuchungen in kurzer Zeit durchgeführt werden. Stellt sich der Kunststoff als ungeeignet heraus, beispielsweise weil die Blase 36 viel zu früh platzt, also erforderliche Länge L und/oder Durchmesser D nicht erreicht werden, so kann eine Annahme des Werkstoffs gleich verweigert werden, und er kann mit dem LKW wieder weggeschickt werden. Hat sich die Eignung des Kunststoffs herausgestellt durch Erreichen der gewünschten Eigenschaften, so kann er einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden.
In der 2 ist ein etwas abgewandeltes Verfahren dargestellt, bei dem auch die entsprechende Vorrichtung 11 etwas anders ausgebildet sein kann. Hier wird, wie in der zweiten Darstellung zu sehen ist, mittels des Stempels 20 der aufgeschmolzene Kunststoff 22 zuerst als unten offener Schmelzestrang 27 herausgedrückt. Das offene untere Ende 31 ist hier gut zu ersehen, hier läuft die Außenwand 28 nämlich einfach um. Der Innenraum 30 ist also sozusagen nach unten offen. Wie aus einem Vergleich mit der dritten Darstellung zu ersehen ist, wird der Schmelzestrang 27 als zweiter Schritt des Verfahrens erst mit seiner vollen Länge nach unten ausgebildet, wobei das untere Ende 31 so geformt bleibt wie dargestellt. Dann erst kommt das Trennwerkzeug 34 und verschließt das untere Ende 31. Dies erfolgt vorteilhaft wie zuvor zur 1 beschrieben. In diesem Fall ist der Schmelzestrang also eher rohrartig. Bei dem Verfahren gemäß 1 ist er eher hohlkörperartig, da er dort eben am freien unteren Ende 31, das das von dem Formwerkzeug entfernte Ende ist, verschlossen ist.
Diese Vorgehensweise, bei der Schritt zwei und drei vertauscht sind, weist den Vorteil auf, dass dann das Trennwerkzeug auf alle Fälle nicht vertikal bewegbar sein muss. Durch größere hier aufgebrachte Kräfte am Trennwerkzeug 34 kann das untere Ende 31 des Schmelzestrangs 27 auf alle Fälle verschlossen werden. Ebenfalls kann wie zu 1 erläutert durch das oben beschriebene Trennwerkzeug 34, speziell als Scherenwerkzeug ausgelegt, überschüssiges Material daran abgeschert bzw. entfernt werden. Dann erfolgt gemäß der vierten Darstellung und Schritt 4 wieder das Aufblasen als Ausweiten mit der biaxialen Verstreckung des Kunststoffs.
In der 3 ist dargestellt, wie enige Eigenschaften oder Messwerte ermittelt werden können, die dazu dienen, die Eignung des thermoplastichen werstoffs 13 bzw des aufgeschmolzenen Kunststoffs 22 für das gewünschte Verfahren zu bestimmen. Links ist außen an der Wandung der Aufschmelzkammer 17 zwischen zwei Heizungen 18 ein Temperatursensor angebracht, de eine erste Temperatur T1 ermittelt. Daraus wird die Temperatur bestimmt, auf welche der thermoplastiche werstoff 13 beim Aufschmelzen erhitzt wird. Anhand von T1 kann auch eine Regelung der Heizleistung erfolgen. Vorteilhaft wird für eine Untersuchung eine genau definierte Temperatur T1 verwendet.
An einem Stempelantrieb 21 für den Stempel 20 kann eine Kraft F erfasst werden. Diese muss aufgebracht werden, um den aufgeschmolzenen Kunststoff 22 durch das Formwerkzeug 25 zu drücken. Des Weiteren kann diese Kraft F auch zur Regelung des Stempelantriebs 21 auf ein bestimmtes Maß oder auf eine bestimmte Stempelgeschwindigkeit verwendet werden.
In 3 ist auch dargestellt, wie eine Druckluftleitung 39 von oben bzw. von hinten in den Stempel 20 führt. Gestrichelt ist dargestellt, wie sie durch den Stempel 20 und auch durch das Formwerkzeug 25 hindurch verläuft, so dass sie mit dem Innenraum 30 des Schmelzestrangs 27 bzw. später auch der Blase verbunden ist. Über diese Druckluftleitung 39 erfolgt das Aufblasen bzw. Ausweiten des Schmelzestrangs 27. Eine Temperatur T2 der Druckluft kann gemessen werden, insbesondere dann, wenn diese erhitzt wird. Dafür kann eine Heizung 44 vorgesehen sein, die hier schematisch dargestellt ist. Sie ist auch noch Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11. Zusätzlich kann ein hier nicht dargestellter Drucksensor vorgesehen sein, um den Druck in der Druckluftleitung 39 und somit auch in der Blase 36 zu erfassen.
Die Druckluft 39 ist mit einem Ventil 40 versehen, das einen Ventilantrieb 41 aufweist. Dieser ist vorteilhaft von außen ansteuerbar, insbesondere als Elektromotor oder ähnlicher Stellantrieb. Damit kann mittels des Ventils 40 die Druckluft eingestellt werden und somit die Ausweitgeschwindigkeit oder insgesamt das Ausweiten des Schmelzestrangs 27 zu der Blase 36.
Das Ventil 40 ist nach rechts mittels einer Kupplung 43 mit einer festen stationären Druckluftleitung 42 verbunden. Insbesondere kann zwischen Ventil 40 und stationärer Druckluftleitung 42 auch ein Schlauch vorgesehen sein, mit dem eine mobile Vorrichtung 11 dann mit der stationärer Druckluftleitung 42 verbunden sein kann.
Eine Regelung der Ausweitungsgeschwindigkeit oder der Ausweitungsbeschleunigung ist mittels des Ventils 40 leicht möglich. So kann der Luftdruck als eingangs genannte zweite Druckdifferenz eingestellt und damit gut handhabbar gemacht werden.
Zu der 4, die der vierten Darstellung der 1 und 2 entspricht, und bei der der Schmelzestrang bereits zu einer Blase 36 ausgeweitet worden ist, sind weitere Messeinrichtungen dargestellt. Dies ist zum einen ein Luftdrucksensor 45 für einen Luftdruck P. Damit kann das Entstehen eines Risses 37 in der Blase 36 erfasst werden, beispielsweise weil dann etwas unter Druck stehende Luft austritt.
Des Weiteren ist ein Mikrofon 47 bzw. ein Schallsensor dargestellt. Mit diesem kann das Reißen der Blase 36 erfasst werden, wenn dies möglicherweise ein bestimmtes Geräusch produziert.
Als weitere Möglichkeit ist eine Kamera 48 als Messeinrichtung dargestellt, von der vorteilhaft mehrere vorhanden sein können. Diese kann auf optischem Wege einerseits das Entstehen eines Risses 37 in der Blase 36 feststellen. Des Weiteren können damit möglicherweise auch mittels einer angeschlossenen Bildverarbeitung die Länge L und der Durchmesser D der ausgeweiteten Blase entsprechend 1 ganz rechts erfasst und gemessen werden und Aufschluss über mögliche Dehngeschwindigkeiten geben. Alternativ können diese geometrischen Maße auch mit dem bloßen Auge erfasst werden, beispielsweise im Vergleich zu einer aufgezeichneten Skala an einer hinter der Blase 36 befindlichen Wandung oder Blende der Vorrichtung 11.
Die 5 zeigt eine weitere Variante der Erfindung, gemäß der eine Vorrichtung 11 verwendet werden kann, um einfach und schnell einen thermoplastischen Werkstoff bzw. Kunststoff zu untersuchen. Dazu wird unten, vorzugsweise direkt an dem Formwerkzeug 25, ein sogenanntes Referenzwerkzeug 50 angebracht. Dies kann beispielsweise mittels eines Gewindes oder Bajonettverschlusses erfolgen. Das Referenzwerkzeug 50 weist eine Innenform 51 auf, die oben in einen Zugang 53 geht, der mit dem Formwerkzeug 25 verbunden ist oder gekoppelt ist. Die Innenform 51 entspricht dabei weitgehend, vorteilhaft möglichst genau, der Form eines Gegenstandes, der dann im großserientechnischen Prozess mit dem gerade untersuchten Kunststoff hergestellt werden soll. Anstatt gemäß der zweiten bis vierten Darstellung entsprechend 1 einen Schmelzestrang einfach in den freien Raum herauszudrücken und dann aufzublasen bzw. auszuweiten, erfolgt dies in die Innenform 51 hinein. Auf an sich für derartige Verfahren übliche Art und Weise kann der zu Beginn offene Schmelzestrang an seinem unteren Ende verschlossen werden, wie dies die 1 und 2 ja auch andeuten.
In 5 ist zu ersehen, wie sich die Blase 36 durch Zuführen von Druckluft über eine Druckluftleitung 39, wie vorstehend zu 3 beschrieben, ausweiten lässt. Da die Innenform 51 kleiner ist als die Blase 36 entsprechend 1 und 2 in der fünften Darstellung, wo diese reißt, kann durch Vergleich mit der gestrichelt dargestellten Ausdehnung der Blase gesagt werden, dass vor dem Reißen in der 1 und 2 ganz rechts bei einer Größe der Blase und einer damit zusammenhängenden biaxialen Verstreckung entsprechend L und D die komplette Innenform 51 hätte ausgeformt bzw. gefüllt werden können. Dazu kann nämlich vorgesehen sein, dass die maximale Höhe der Innenform 51 5% bis 20%, vorteilhaft etwa 8%, unter dem Maß L liegt. Ein maximaler Durchmesser der Innenform 51 kann ebenfalls 5% bis 20%, vorteilhaft etwa 10% bis 12%, unter dem Maß D liegen. Somit wäre der Kunststoff mit dem Verhalten gemäß der 1 und 2 ganz rechts geeignet, im großserientechnischen Verfahren Gegenstände entsprechend der Innenform 51 herzustellen.
In nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung, die nicht dargestellt ist, kann aus dem Formwerkzeug 25 unterhalb der Aufschmelzkammer 17 der Schmelzestrang 27, vorteilhaft nachdem er direkt verschlossen worden ist, auf oder in ein Silikonbad gebracht werden. Dieses ist vorteilhaft entsprechend temperiert, wie eingangs erläutert. Des Weiteren wird das Silikonbad relativ zu dem Formwerkzeug in Richtung des austretenden Schmelzestrangs bewegt, so dass dieser sozusagen von dem Formwerkzeug entfernt wird. Dann kann ein Ausweiten oder Aufblasen des verschlossenen Schmelzestrangs erfolgen mit dem Vorteil, dass das Material gar nicht durch seine Gewichtskraft beeinflusst wird oder nach unten gezogen wird. Diese Bewegungsrichtung auf oder in dem Silikonbad ist dann vorteilhaft in horizontaler Richtung.

Claims

Verfahren zur Untersuchung eines thermoplastischen Werkstoffs (13), insbesondere vorliegend in Form eines Granulats, Recycling-Mahlguts oder einer Mischung aus beidem, mit den Schritten: - der zu untersuchende thermoplastische Werkstoff (13) wird einer Vorrichtung (11) zur Untersuchung zugeführt und darin aufgeschmolzen, - der aufgeschmolzene Kunststoff (22) wird mittels Erzeugung einer ersten Druckdifferenz durch ein Formwerkzeug (25) bewegt, um dabei einen rohrartigen oder hohlkörperartigen Schmelzestrang (27) mit einem Innenraum (30) auszubilden, - der rohrartige oder hohlkörperartige Schmelzestrang (27) wird an seinem von dem Formwerkzeug (25) entfernten Ende (31) verschlossen, um mit dem Innenraum (30) ein Rohr oder einen Hohlkörper (36) zu bilden, - durch Erzeugen einer zweiten Druckdifferenz zwischen Außenumgebung und dem Innenraum (30) in dem Schmelzestrang (27) wird der verschlossene Schmelzestrang ausgeweitet oder aufgeblasen in mindestens eine Richtung, - die Ausweitung des Schmelzestrangs (27) wird hinsichtlich vorbestimmter Charakteristika untersucht als Maß für eine Eigenschaft und/oder eine Verarbeitungseigenschaft für formgebende Verfahren des thermoplastischen Werkstoffs (13) wie Thermoformen, Spritzstreckblasen oder Extrusionsblasformen, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrartige oder hohlkörperartige Schmelzestrang (27) so lange ausgeweitet oder aufgeblasen wird, bis er reißt oder aufbricht, wobei entweder die hierzu notwendigen Umformkräfte oder Umformdrücke als Kenngröße für eine Schmelzeviskosität als Eigenschaft des Werkstoffs (13) verwendet werden, oder dieses Reißen oder Aufbrechen als Versagen des Schmelzestrangs (27) bewertet wird und als maximale Verstreckung oder Deformation des Schmelzestrangs bewertet wird, wobei die derart ermittelte maximale Verstreckung oder Deformation oder die Dauer bis zum Reißen oder Aufbrechen als Maß für die Eigenschaft und/oder die Verarbeitungseigenschaft für formgebende Verfahren des thermoplastischen Werkstoffs (13) wie Thermoformen, Spritzstreckblasen oder Extrusionsblasformen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen der zweiten Druckdifferenz zwischen Außenumgebung und dem Innenraum (30) in dem Schmelzestrang (27) der verschlossene Schmelzestrang in mindestens zwei unterschiedliche Richtungen ausgeweitet oder aufgeblasen wird, vorzugsweise als eine Art Blase (36), insbesondere als eine langgestreckte Blase, wobei der maximale Durchmesser kleiner ist als seine Länge.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck bei Erzeugung der zweiten Druckdifferenz als Beaufschlagungsdruck gemessen und verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformkräfte oder Umformdrücke als Kenngrößen einer Schmelzefestigkeit oder Schmelzesteifigkeit als Eigenschaft des thermoplastischen Werkstoffs (13) verwendet werden, wobei diese Eigenschaften als Maß für formgebende Verfahren des thermoplastischen Werkstoffs (13) wie Thermoformen, Spritzstreckblasen oder Extrusionsblasformen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Durchmesser und/oder eine maximale Länge des ausgeweiteten Schmelzestrangs (27) und/oder eine Umformkraft oder ein Umformdruck als Kennwert für eine Dehnviskosität, eine Dehnverfestigung und/oder einen kritischen Verstreckgrad des thermoplastischen Werkstoffs (13) genommen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdruck bei einer Untersuchung des thermoplastischen Werkstoffs (13) während des Vorgangs des Ausweitens so geregelt wird, dass sich eine konstante Ausweitungsgeschwindigkeit des ausgeweiteten Schmelzestrangs (27) einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdruck bei einer Untersuchung des thermoplastischen Werkstoffs (13) während eines Vorgangs des Ausweitens so geregelt wird, dass sich eine konstante Ausweitungsbeschleunigung des ausgeweiteten Schmelzestrangs (27) einstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzestrang (27) erst nach vollständigem Ausbilden des Schmelzestrangs verschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem vollständigen Ausbilden des Schmelzestrangs (27) der Schmelzestrang verschlossen wird, insbesondere direkt nach dem Austritt des Schmelzestrangs aus dem Formwerkzeug (25), wenn sich an ihm der zuerst offene Innenraum (30) gebildet hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzestrang (27) unterhalb des Formwerkzeugs (25) ausgebildet wird und der zu untersuchende thermoplastische Werkstoff (13) dabei nach unten bewegt wird, insbesondere in vertikaler Richtung nach unten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzestrang (27) unterhalb des Formwerkzeugs (25) ausgebildet wird und der zu untersuchende thermoplastische Werkstoff (13) dabei zur Seite bewegt wird, insbesondere in horizontaler Richtung, vorzugsweise unter Verwendung eines Flüssigkeitsbades, insbesondere eines Silikonbads, in oder auf dem der ausgeweitete Schmelzestrang transportiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des aufgeschmolzenen Kunststoffs (22) durch das Formwerkzeug (25) zum Ausbilden des Schmelzestrangs (27) durch Einführen eines Stempels (20) in eine Aufschmelzkammer (17) erfolgt, wobei vorzugsweise das Ausweiten des verschlossenen Schmelzestrangs durch Anlegen eines Luftdrucks mittels Druckluft an den Innenraum (30) im Schmelzestrang des durch eine Ausgangsöffnung des Formwerkzeugs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die eingeführte Druckluft zum Ausweiten des Schmelzestrangs (27) erhitzt oder temperiert ist, vorzugsweise auf mindestens 50 °C.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geschwindigkeitsabhängigkeit des Deformationsverhaltens des thermoplastischen Werkstoffs (13) am ausgeweiteten Schmelzestrang (27) überprüft wird, indem eine Temperatur beim Ausweiten des Schmelzestrangs variiert wird, insbesondere eine Temperatur zum Aufschmelzen des Werkstoffs und/oder eine Temperatur von eingebrachter Druckluft zum Ausweiten des Schmelzestrangs, wobei insbesondere mehrfach aus ein und derselben Werkstoffcharge das Aufschmelzen und Führen durch das Formwerkzeug (25) und Ausweiten durchgeführt wird mit jeweils unterschiedlicher Temperatur, vorzugsweise mit jeweils ansteigender Temperatur.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geschwindigkeitsabhängigkeit des Deformationsverhaltens des thermoplastischen Werkstoffs (13) am ausgeweiteten Schmelzestrang (27) überprüft wird, indem ein angelegter Luftdruck zum Ausweiten des Schmelzestrangs variiert wird, wobei insbesondere mehrfach aus ein und derselben Werkstoffcharge das Aufschmelzen und Führen durch das Formwerkzeug (25) und Ausweiten durchgeführt wird mit jeweils unterschiedlichem Luftdruck, vorzugsweise mit jeweils ansteigendem Luftdruck.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdruck bei einer Untersuchung des thermoplastischen Werkstoffs (13) während eines Vorgangs des Schmelzens und Ausweitens gleich bleibt, vorzugsweise erst bei der nächsten Untersuchung variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Werkstoff (13) beim Zuführen des thermoplastischen Werkstoffs (13) in die Vorrichtung und/oder in die Aufschmelzkammer (17) noch einmal in sich vermischt wird.
Vorrichtung (11) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung aufweist: - eine Einfülleinrichtung (15) für zu untersuchenden Werkstoff (13), - eine Aufschmelzkammer (17), die sich an die Einfülleinrichtung anschließt, - ein Formwerkzeug (25), das sich an die Aufschmelzkammer anschließt, - eine Verschlusseinrichtung (34), die mit Abstand zu dem Formwerkzeug angeordnet ist, um den extrudierten Schmelzestrang (27) zu verschließen, - einen Stempel (20), der in die Aufschmelzkammer (17) einfahrbar ist um aufgeschmolzenen Kunststoff (22) durch das Formwerkzeug (25) zu drücken, - eine Druckluft-Einrichtung, die mit der Aufschmelzkammer (17) oder dem Formwerkzeug (25) oder dem Stempel (20) verbunden ist, um Druckluft in den Schmelzestrang (27) zu führen zu dessen Ausweiten, gekennzeichnet durch Sensormittel zur Erfassung des Versagens durch Reißen oder Aufbrechen des ausgeweiteten Schmelzestrangs (27).
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass an der Druckluft-Einrichtung Heizmittel vorgesehen sind zum Aufheizen der Druckluft.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel akustische und/oder optische Sensormittel (47, 48) sind, insbesondere eine Kamera (48).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet durch Sensormittel zur Erfassung des Umformdrucks entsprechend der zweiten Druckdifferenz im ausgeweiteten Schmelzestrang (27).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, gekennzeichnet durch Sensormittel zur Erfassung der Ausweitungsgeschwindigkeit, der Ausweitungsbeschleunigung und/oder der absoluten Ausweitung des Schmelzestrangs.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, gekennzeichnet durch Sensormittel zur Erfassung der Temperatur in der Druckluft als zweite Druckdifferenz und/oder der Temperatur des Werkstoffs.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug zum Ausbilden des Schmelzestrangs mit Innenraum ein Pinolen-Formwerkzeug ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Referenzwerkzeug (50) aufweist, das an das Formwerkzeug (25) anschließbar ist, in welchem der Schmelzestrang (27) durch Ausweitung abgeformt wird und über welches die Eigenschaft und/oder die Verarbeitungseigenschaft für formgebende Verfahren des thermoplastischen Werkstoffs (13) wie Thermoformen, Spritzstreckblasen oder Extrusionsblasformen charakterisiert wird.