DE102020101387A1

DE102020101387A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reduzieren von Schwankungen des Ausstoßes von Kunststoffmasse

Info

Publication number: DE102020101387A1
Application number: DE102020101387.6A
Authority: DE
Inventors: André WIECZOREK; Walter Josef Kölbl; Peter Kromer
Original assignee: Bc Extrusion Holding GmbH
Current assignee: Bc Extrusion Holding GmbH
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2021-07-22
Anticipated expiration: 2040-01-22
Also published as: DE102020101387B4; CN114981065B; EP4093594A1; WO2021148329A1; US20230051629A1; CN114981065A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von zeitlichen Schwankungen des Ausstoßes von Kunststoffmasse bei der Extrusion von Kunststoffprodukten, insbesondere Kunststoffrohren und Kunststoffprofilen, wobei Kunststoff in einem Extruder (1) aufgeschmolzen und über eine oder mehrere im Extruder angeordnet Extruderschnecken (15) einem Extrusionswerkzeug (2) zugeführt wird, wobei durch Rotation der Extruderschnecke (15) die pastöse Kunststoffmasse unter Aufbau von Druck entlang der Extrusionsachse (7) gefördert wird.Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Ausstoß der Kunststoffmasse an einem Übergangsbereich (16) vom Extruder (1) zum Extrusionswerkzeug (2) oder im Extrusionswerkzeug (2) durch Veränderung der Drehzahl der Extruderschnecke (15) konstant gehalten wird, wobei die Drehzahlveränderung (Y2) innerhalb einer Umdrehung der Extruderschnecke (15) oder generell erfolgt.Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von zeitlichen Schwankungen des Ausstoßes von Kunststoffmasse bei der Extrusion von Kunststoffprodukten, insbesondere Kunststoffrohren und Kunststoffprofilen, wobei Kunststoff in einem Extruder aufgeschmolzen und über eine oder mehrere im Extruder angeordnete Extruderschnecken einem Extrusionswerkzeug zugeführt wird, wobei durch Rotation der Extruderschnecke die pastöse Kunststoffmasse unter Aufbau von Druck entlang der Extrusionsachse gefördert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Verfahren und Vorrichtung zum Extrudieren von Kunststoffmasse sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. So beschreibt die EP 3000582 A2 zum Beispiel eine Extruderschnecke mit stufenförmigen Schneckenstegen, um die Plastifizierleistung zu beeinflussen. Aus der EP 2392446A1 ist ein Verfahren zum Optimieren der Produktqualität bekannt.
Problematisch bleibt aber, trotz all der bekannten Lösungen, dass, bedingt durch die unterschiedlichsten Einflüsse, die für die Erzeugung eines Kunststoffproduktes an das Werkzeug übergebene Kunststoffmasse über den Prozess nicht konstant ist und insbesondere der Massestrom der Kunststoffmasse einer zeitlichen Schwankung unterworfen ist. Je nach eingesetztem Kunststoffmaterial oder der Geometrie z. B. der Schnecke in Verbindung mit der vorherrschenden Temperatur, bis hin zur Geometrie des herzustellenden Produktes und somit der Werkzeuggeometrie, unterscheidet sich die Konstanz des Fließverhaltens der pastösen Masse. Ferner ist der Einfluss der Schneckendrehung auf die Konstanz des Ausstoßes hinlänglich bekannt. Ferner ist hinlänglich bekannt, dass bei einer unveränderten Werkzeuggeometrie der sich aufbauende Druck abhängig vom Ausstoß bzw. Durchsatz ist. Steigende Durchsätze führen zu höheren Drücken und umgekehrt.
Für die Produktion von Kunststoffprodukten mit gleichbleibender Qualität ist aber gerade die Bereitstellung einer konstanten Ausstoßleitung der Kunststoffmasse wichtig, da diese direkten Einfluss darauf nimmt.
Auf gabeder Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzubieten mittels dem/der die Ausstoßleistung der Kunststoßmasse konstant gehalten werden kann.
Die Lös u n g der Aufgabe bezüglich des Verfahrens ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Ausstoß der Kunststoffmasse an einem Übergangsbereich vom Extruder zum Extrusionswerkzeug oder im Extrusionswerkzeug durch Veränderung der Drehzahl der Extruderschnecke konstant gehalten wird, wobei die Drehzahlveränderung innerhalb einer Umdrehung der Extruderschnecke oder generell erfolgt.
Durch die partielle Veränderung der Drehzahl wird genau in dem Bereich, in dem eine Massedruckschwankung auftritt, die Drehzahl gezielt verändert und damit diese auftretende Schwankung weitgehend korrigiert. Damit wird gewährleistet, dass die Schwankung in einem Maße reduziert wird, sodass sie praktisch keinen Einfluss mehr auf die Ausstoßleistung und die Produktqualität hat.
Tritt eine Veränderung des Massestroms oder des Massedrucks über einen längeren Zeitraum auf, kann durch eine automatische Drehzahlkompensation die Drehzahl auch generell angepasst werden, sodass eine neue Basisdrehzahl eingestellt wird. Eine partielle Anpassung auf Basis der neuen Drehzahl bleibt davon unberührt.
Bei dem Einsatz zum Beispiel in der Co-Extrusion gilt das analog für zwei oder mehrere Kunststoffmassen.
Weiterbildungsgemäß ist vorgesehen, dass die Höhe der Drehzahlveränderung anhand eines mathematischen Modells ermittelt wird, wobei mittels vorhanden Messdaten des Druckes der Kunststoffmasse der erforderliche Drehwinkelbereich, in dem die Drehzahl der Extruderschnecke verändert werden muss, bestimmbar ist.
Es werden die erfassten Messdaten gespeichert und können als Erfahrungswerte bereits produzierter Produkte, bei deren Herstellung das Auftreten der Schwankungen bekannt ist, dazu herangezogen, um genau diesen Schwankungen entgegen zu wirken und diese zu kompensieren. Hierbei können eine Vielzahl von Messwerten sowie weitere Parameter einfließen. Die aktuellen Werte werden dabei wiederum gespeichert und verbessern die zukünftige Auswertung über das mathematische Modell. Es handelt sich damit um ein selbstlernendes System welches nicht auf andere Erfahrungswerte zurückgreift.
Zusätzlich kann aber noch gemäß einer weiteren Fortbildung die Drehwinkelposition der Extruderschnecke mittels eines Triggersignals an die Maschinensteuerung übermittelt werden, um den interativen Lernprozess zu unterstützen oder auch nur über dieses Triggersignal Start- und Stopppunkt der Drehzahlveränderung festzulegen.
Die Lös u n g der Aufgabe bezüglich der Vorrichtung ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 4 dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Drehwinkelposition der Extruderschnecke in oder an Teilen der Extruderschnecke ein sich mitdrehender Sender und außerhalb der Extruderschnecke ein gegenüber der Extruderschnecke feststehender Empfänger angeordnet sind.
Es wird also vorgeschlagen, die jeweilige Winkelposition der Schnecke zu bestimmen und so in der Gegenüberstellung zu den auftretenden Schwankungen genau den Bereich festlegen zu können in dem eine Veränderung der Schneckendrehzahl vorgenommen werden muss. Zu den üblichen Schwankungen gehören Druckschwankungen oder Massestromschwankungen.
Vorteilhaft ist auch die Montage eines Massedruckfühlers im Übergangsbereich von Extruder zum Extrusionswerkzeug. Der Fühler kann aber auch an geeigneter anderer Stelle montiert sein.
Weiterbildungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schneckenkupplungshülse mit einer Fixierschraube versehen ist über welche die Schneckenkupplungshülse auf der Extruderschnecke positionsgenau gehalten wird, wobei die Fixierschraube so ausgeführt ist, dass sie aus der Schneckenkupplungshülse hervorsteht und als Sender fungiert.
Gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung kann ein bereits vorhandenes Teil in der Vorrichtung, nämlich die vorgesehene Fixierschraube, gleich als Sender eingesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den weiteren Unteransprüchen wiedergegeben.
In den Zeichnungen wird schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt:

1 zeigt eine typische Extrusionslinie
2 beispielhaft eine Kupplungshülse
3 den Verlauf der Massedruckschwankung über den Schneckenumlauf vor der Massedruckkompensation
4 den Verlauf der Drehzahlveränderung über eine Schneckenumdrehung
5 die Massedruckkompensation über den Schneckenumlauf
6 die Drehzahlveränderung der Extruderschnecke

1 zeigt eine typische Extrusionslinie, wie sie heute für die Produktion von Profilen, Rohren, aber auch für Platten und Folien zum Einsatz kommt. Sie zeigt einen Extruder 1, mit einer Extruderschnecke 15 und der Schneckenkupplungshülse 8. Im Extruder 1 wird Kunststoff aufgeschmolzen und kontinuierlich zur Formgebung ins Extrusionswerkzeug 2 gefördert. Daran schließt sich eine Kalibrier- und Kühlstation 3 an. Je nach Produkt können weitere, auch andersartige Kühlstationen oder Kühlstrecken (z.B.: Rollenbahn, etc.) eingesetzt werden. Nach den Kühlstationen der Kühlstrecke schließt sich eine Abzugsvorrichtung 4 an. Um die Endlosprodukte 6 auf die gewünschte Länge abzuschneiden ist anschließend eine Trennvorrichtung 5 angeordnet. Die Extrusionsachse (= Mitte des Produkts) ist mit der Positionsziffer 7 gekennzeichnet. Der Übergangsbereich zwischen Extruder 1 und Werkzeug 2 ist mit der Position 16 gekennzeichnet.
2 zeigt einen Ausschnitt in der die Verbindung der Antriebswellen 18 zu einer Extruderschnecke 15 mittels einer Schneckenkupplungshülse 8 wiedergegeben ist (hier beispielhaft eine Doppelschnecke), welche die Extruderschnecke 15 positionsgenau hält. Im Bereich der Schneckenkupplung 8 ist jeweils eine Fixierschraube zu sehen mit der eine unbeabsichtigte Verschiebung der Schneckenkupplungshülse 8 verhindert wird. Die aus der Schneckenkupplungshülse 8 herausragende Fixierschraube ist in der Lage als Sender 9 zu wirken und so über einen in diesem Bereich montierten Näherungsschalter, der als Empfänger 10 fungiert, einmal pro Schneckenumdrehung einen Impuls an die Extrudersteuerung zu senden.
Es ist ebenso denkbar als Sender 9 einen Zapfen, ein Loch, einen RFID-Chip oder eine NFC-Tag bis hin zu einem mechanisch zu betätigendem Schalter oder ähnlich zur Kodierung geeignete Mittel einzusetzen. Die eingesetzten Empfänger 10 müssen dann selbstverständlich entsprechend für diesen übertragen Code angepasst werden. Das kann eine Kamera, ein Chiplesegerät ein Barcodescanner, etc. sein, um nur eine Auswahl zu nennen.
Als Aufnahmeposition der Sender/Empfängerkombination ist auch nicht zwingend die Schneckenkupplungshülse 8 erforderlich, diese Position kann auch im oder am Getriebe oder der Antriebswelle etc. sein.
In den 3 bis 5 wird beispielhaft anhand von drei Graphen die Wirkung der Erfindung dargestellt. Auf der X-Ache ist in allen drei Figuren die Winkelposition von 0° bis 360° der Extruderschnecke 15 bezogen auf eine Umdrehung dargestellt.
In 3 ist auf der Y-Achse die Schwankung des Drucks und somit des Ausstoßes der Kunststoffmasse in bar aufgetragen. Ausgehend von der Position 0° nimmt der Druck ab und erreicht bei ca. 170° ein Minimum. Danach steigt der Druck wieder an und erreicht bei einem Winkel von ca. 350° ein Maximum. Um dieser Schwankung entgegenzuwirken wird die Drehzahl der Extruderschnecke 15 in einem bestimmten Winkelbereich verändert.
4 zeigt wiederum beispielhaft eine Erhöhung der Drehzahl bei einer Winkelposition von ca. 90° bis etwa 220°. Dies hat zur Folge, dass die Schwankung des Druckes und somit des Ausstoßes weitgehend kompensiert wird, wie es anschaulich in der 5 zu sehen ist. Hier ist wiederum wie in 3 auf der Y-Achse die Schwankung des Drucks der Kunststoffmasse in bar aufgetragen, die aber bedingt durch die partielle Drehzahlveränderung wesentlich geringer ausfällt.
In der 6 wird diese Drehzahlveränderung gemäß 4 in einer andersartigen Darstellung gezeigt.
Die Drehzahl der Extruderschnecke 15 bezogen auf eine Umdrehung ist als Kreis mit den Winkelpositionen von 0° bis 360° dargestellt. Die vorgegebene Drehzahl ist als erste Schneckendrehzahl 12 wiedergegeben, welche im Bereich von ca. 80° bis ca. 220° zu einer zweiten Schneckendrehzahl 11 erhöht wird. Die Drehrichtung, hier gegen den Uhrzeigersinn, ist mit Position 17 unter Bezug genommen. Folglich kann der Beginn der Drehzahlerhöhung bei etwa 80° als Startwinkel 13 und das Ende der Drehzahlerhöhung bei ca. 220° als Stoppwinkel bezeichnet werden. Wird die Drehrichtung 17 der Extruderschnecke 15 geändert und diese dreht im Uhrzeigersinn, wird der Startwinkel zum Stoppwinkel und umgekehrt.
Alle dargestellten und beschrieben Winkelpositionen sind nur beispielhaft, jeder andere Bereich ist denkbar und richtet sich nach der Winkelposition bei der die Schwankungen auftreten. Auch die Amplitude der Drehzahlerhöhung ist beispielhaft und kann unterschiedliche Ausprägungen annehmen. Beispielhaft wurde oben ein Verfahren beschrieben, bei dem Ausstoßverringerungen durch eine Erhöhung der Drehzahl entgegengewirkt wird. Sinngemäß ist auch eine Umsetzung möglich, bei der in Bereichen mit höherem Ausstoß bzw. Druck die Drehzahl entsprechend verringert wird um die Schwankungen auszugeichen.
Bezugszeichenliste

1: Extruder
2: Extrusionswerkzeug
3: Kalibrier- und Kühltank
4: Abzugsvorrichtung
5: Trennvorrichtung
6: Kunststoffprodukt
7: Extrusionsachse
8: Schneckenkupplungshülse
9: Sender
10: Empfänger
11: Erste Schneckendrehzahl
12: Zweite Schneckendrehzahl
13: Startwinkel von 12
14: Stoppwinkel von 12
15: Extruderschnecke
16: Übergangsbereich von 1 nach 2
17: Drehrichtung von 15
18: Antriebswelle
X: Schneckenumlauf in °
Y1: Schwankung des Drucks der Kunststoffmasse in bar
Y2: Drehzahländerung des Schneckenantriebs in Upm
Y3: kompensierte Schwankungen des Drucks in bar

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3000582 A2 [0002]
EP 2392446 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Reduzierung von zeitlichen Schwankungen des Ausstoßes von Kunststoffmasse bei der Extrusion von Kunststoffprodukten, insbesondere Kunststoffrohren und -profilen, wobei Kunststoff in einem Extruder (1) aufgeschmolzen und über eine oder mehrere im Extruder angeordnet Extruderschnecken (15) einem Extrusionswerkzeug (2) zugeführt wird, wobei durch Rotation der Extruderschnecke (15) die pastöse Kunststoffmasse unter Aufbau von Druck entlang der Extrusionsachse (7) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausstoß der Kunststoffmasse an einem Übergangsbereiche (16) vom Extruder (1) zum Extrusionswerkzeug (2) oder im Extrusionswerkzeug (2) durch Veränderung der Drehzahl der Extruderschnecke (15) konstant gehalten wird, wobei die Drehzahlveränderung (Y2) innerhalb einer Umdrehung der Extruderschnecke (15) oder generell erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Drehzahlveränderung anhand eines mathematischen Modells ermittelt wird, wobei mittels vorhanden Messdaten des Massedruckes der Kunststoffmasse der erforderliche Drehwinkelbereich, in dem die Drehzahl der Extruderschnecke (15) verändert werden muss, bestimmbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelposition der Extruderschnecke (15) mittels eines Triggersignals an eine Maschinensteuerung übermittelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Reduzierung von zeitlichen Schwankungen des Ausstoßes von Kunststoffmasse bei der Extrusion von Kunststoffprodukten, insbesondere Kunststoffrohren und -profilen, wobei Kunststoff in einem Extruder (1) aufgeschmolzen und über eine oder mehrere im Extruder angeordnet Extruderschnecken (15) einem Extrusionswerkzeug (2) zugeführt wird, wobei die Extruderschnecke (15) über eine Schneckenkupplungshülse (8) mit einem Schneckenantrieb verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Drehwinkelposition der Extruderschnecke (15) in oder an Teilen der Extruderschnecke (15) ein sich mitdrehender Sender (9) und außerhalb der Extruderschnecke (15) ein gegenüber der Extruderschnecke (15) feststehender Empfänger (10) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massedruckfühler im Übergangsbereich (16) von Extruder (1) zum Extrusionswerkzeug (2) oder im Extrusionswerkzeug (2) montiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenkupplungshülse (8) mit einer Fixierschraube versehen ist über die die Schneckenkupplungshülse (8) auf der Extruderschnecke (15) positionsgenau gehalten wird, wobei die Fixierschraube so ausgeführt ist, dass sie aus der Schneckenkupplungshülse (8) hervorsteht und als Sender (9) fungiert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Näherungsschalter so angeordnet ist, dass mittels des Senders (9) ein Triggersignal erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungsschalter induktiv oder kapazitiv ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender ein RFID Chip ist.