DE102021130574A1

DE102021130574A1 - Verfahren zur Einhaltung eines Prozessfensters einer Kunststoff-Extrusionsanlage

Info

Publication number: DE102021130574A1
Application number: DE102021130574.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Schwanck; Joseph Kastner; Frank Golla
Original assignee: Rehau Industries SE and Co KG
Current assignee: Rehau Industries SE and Co KG
Priority date: 2021-11-23
Filing date: 2021-11-23
Publication date: 2023-05-25
Also published as: WO2023094220A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einhaltung eines Prozessfensters einer Kunststoff-Extrusionsanlage (100) mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Extruderschnecke (3), wobei die Extruderschnecke (3) in einem Extruderschneckengehäuse (1) gelagert ist, das mittels mindestens einer Heizvorrichtung (10) außenseitig beheizbar und/oder mittels mindestens einer Kühlvorrichtung (20) außenseitig kühlbar ist, wobei die elektrische Leistung der Heizvorrichtung(QH.)und/oder der Kühlvorrichtung(QK.)über mindestens einen Temperatursensor (300) an der Kunststoff-Extrusionsanlage (100) eingestellt, insbesondere geregelt wird und wobei die elektrische Antriebsleistung (PS) der Extruderschnecke (3) fortlaufend ermittelt und als Prozessgröße verarbeitet wird. Erfindungsgemäß wird neben der Antriebsleistung (PS) der Extruderschnecke (3) auch die elektrische Leistung der Heizvorrichtung(QH.)und/oder der Kühlvorrichtung(QK.)fortlaufend ermittelt und als Prozessgröße verarbeitet. In Abhängigkeit des Verhältnisses (S) dieser beiden Messgrößen Heiz- bzw. Kühlleistung(QH., QK.)und Antriebsleistung (PS) zueinander wird die Gesamtzähigkeit der im Extruderschneckengehäuse (1) befindlichen Kunststoffmasse (50) verändert oder alternativ der Extrusionsprozess, insbesondere zwecks Austausch der Extruderschnecke (3) und/oder des Extruderschneckengehäuses (1), angehalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einhaltung eines Prozessfensters einer Kunststoff-Extrusionsanlage mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Extruderschnecke, wobei die Extruderschnecke in einem Extruderschneckengehäuse gelagert ist, das mittels mindestens einer Heizvorrichtung außenseitig beheizbar und/oder mittels mindestens einer Kühlvorrichtung außenseitig kühlbar ist, wobei die elektrische Leistung der Heizvorrichtung und/oder der Kühlvorrichtung über mindestens einen Temperatursensor an der Kunststoff-Extrusionsanlage eingestellt, insbesondere geregelt wird und wobei die elektrische Antriebsleistung der Extruderschnecke fortlaufend ermittelt und als Prozessgröße verarbeitet wird.
Ein Prozessfenster beschreibt die Grenzen, innerhalb derer ein Prozess ablaufen muss, um eine spezifikationsgerechte Qualität eines Produktes zu gewährleisten. Bei einer Herstellung eines komplexen Fensterrahmenprofils mit einer Vielzahl von Hohlkammern im Wege des Prozesses eines Extrusionsverfahren sind beispielsweise der Aufbereitungsgrad der Schmelze und die Wandstärken des Profils von wesentlicher Bedeutung, um einerseits eine ausreichende mechanische Stabilität des Profils zu gewährleisten und andererseits hierfür aus Kostengründen eine möglichst geringe Menge an Kunststoffmaterial einsetzen zu müssen. Das Prozessfenster zur Einhaltung der entsprechenden Wandstärken (oder ganz allgemein von Parametern des herzustellenden Extrusionsprofils) innerhalb von Toleranzgrenzen kann verschiedenste während des Prozesses gemessene Verfahrensparameter umfassen, z.B. Temperaturen, Drücke, Austragsgeschwindigkeiten etc..
In diesem Zusammenhang ist es im Stand der Technik bekannt, als Parameter zur Einhaltung des Prozessfensters den spezifischen Antriebsleistungsbedarf heranzuziehen. Dies ist das Verhältnis aus Antriebsleistung der Extruderschnecke zu außgestoßener Extrudatmenge, z.B. gemessen in kWh / kg. Weiterhin bekannt ist als Parameter die relative Heizleistung, d.h. z.B. die Einschaltdauer von Heizungen und Gebläse zur außenseitigen Temperierung der Extruderschnecke im Verhältnis zur Prozessdauer. Die Interpretation dieser vorgenannten Parameter ist aufgrund ihrer mehrdimensionalen Abhängigkeit jedoch schwierig. Mangelnde Rückschlüsse führen zu fehlerhaft eingestellten Prozessen und damit zu dauerhaften Mehrkosten, die sich z.B. aus erhöhten Abfallwerten, schneller verschleißenden Verfahrenseinheiten (bspw. Extruderschnecke) usw. ergeben. Ferner sind dadurch auch Prozessentwicklungen langwierig und entsprechend teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Einhaltung eines Prozessfensters einer Kunststoff-Extrusionsanlage anzugeben, welches effektiv und gleichzeitig kostengünstig durchführbar ist.
Ausgehend von einem Verfahren mit den eingangs beschriebenen Merkmalen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass neben der Antriebsleistung der Extruderschnecke auch die elektrische Leistung der Heizvorrichtung und/oder der Kühlvorrichtung fortlaufend ermittelt und als Prozessgröße verarbeitet wird und dass in Abhängigkeit des Verhältnisses dieser beiden Prozessgrößen Heiz- bzw. Kühlleistung und Antriebsleistung zueinander die Gesamtzähigkeit der im Extruderschneckengehäuse befindlichen Kunststoffmasse verändert oder alternativ der Extrusionsprozess, insbesondere zwecks Austausch der Extruderschnecke und/oder des Extruderschneckengehäuses, angehalten wird. Die Prozessgrößenverarbeitung erfolgt zweckmäßigerweise mittels elektronischer Datenverarbeitung.
Die Gesamtzähigkeit hängt neben den Betriebsparametern (Temperatur, Druck etc.) u.a. ab von den rheologischen Eigenschaften der Kunststoffschmelze bzw. der Kunststoffpartikel, dem Aufbereitungsgrad, der Mischgüte und natürlich von der Menge an Kunststoff. Sie stellt den Gesamtwiderstand dar, welcher aufgrund der gesamten im Extruderschneckengehäuse enthaltenen Kunststoffmasse der Rotationsbewegung der Extruderschnecke(n) entgegenwirkt. Durch die Rotation der mindestens einen Extruderschnecke wird Kunststoff in Richtung formgebender Düse der Extrusionsanlage (also dem Extrusionswerkzeug) gefördert und schließlich durch diese Düse zwecks Erzeugung eines entsprechenden Profils gepresst. Aus dieser Rotation resultiert eine Scherung der Kunststoffpartikel, welche Reibungswärme erzeugt (Dissipation) und das Aufschmelzen der Kunststoffpartikel im Extruderschneckengehäuse maßgeblich begünstigt. Unterstützt wird dieser Aufschmelzprozess bei Bedarf durch eine äußere Beheizung des Extruderschneckengehäuses. Sofern durch die vorbeschriebene Scherung zu viel Reibungswärme frei wird, können am (in der Regel zylinderförmigen oder auch konischen) Extruderschneckengehäuse außenseitig angeordnete Kühleinrichtungen kühlend wirken. Art und Menge der eingesetzten äußeren Wärmeenergie (d.h. Heizung oder Kühlung in welchem Umfang) bestimmen in vielen Fällen die Qualität der Schmelze am Düsenaustritt und damit die Eigenschaften des extrudierten Halbzeugs. So lässt sich z.B. bei einem mit einer Kühleinrichtung von außen zu kühlenden Prozess aus vergleichsweise geringerer abzuführender Reibungswärme (Kühleinrichtung(en) läuft/laufen weniger häufig) schließen, dass die Homogenität der Schmelze aufgrund reduzierter Scherkräfte abnimmt. Der erfindungsgemäßen Lehre liegt nun die Überlegung zugrunde, die Gesamtzähigkeit der im Extruderschneckengehäuse befindlichen Kunststoffmasse (also sowohl Partikel als auch Schmelze) als zentrale Regel- bzw. Steuergröße zur Einhaltung des Prozessfensters anzusehen. Hierbei muss diese Zähigkeit nicht direkt als Messgröße erfasst werden. Erfindungswesentlich ist vielmehr, dass man bei einer gewünschten Veränderung Maßnahmen ergreift, die in die richtige Richtung gehen. Sofern man beispielsweise bei konstanter Antriebsleistung der Extruderschnecke anhand einer zu niedrigen äußeren Heizleistung feststellt, dass zu viel Dissipation (also eine zu große Wärmeentwicklung) im Gehäuse stattfindet, ist die besagte Gesamtzähigkeit zu hoch. Entsprechend sind in diesem Fall Maßnahmen zu ergreifen, welche diese Gesamtzähigkeit reduzieren. Dies kann beispielsweise eine reduzierte Zufuhr von Kunststoffpartikeln sein, welche nach und nach zu einer Reduzierung der im Extruderschneckengehäuse befindlichen Kunststoffmasse führt und damit die Gesamtzähigkeit herabsetzt. Eine weitere mögliche Maßnahme ist in diesem Fall die vermehrte Zufuhr von Gleitmitteln zum zu verarbeitenden Kunststoff, um die Gesamtzähigkeit zu reduzieren. Auch andere Rezepturveränderungen hinsichtlich des im Extrusionsprozess zu verarbeitenden Kunststoffes können selbstverständlich vorgenommen werden, um die Zähigkeit zu reduzieren. Weitere Maßnahmen können bspw. eine Veränderung der Soll-Temperaturen entlang des Extruderschneckengehäuses, wobei eine Erhöhung der Soll-Temperaturen die Gesamtzähigkeit der Schmelze reduziert bzw. eine Reduzierung der Soll-Temperaturen die Gesamtzähigkeit des Schmelze erhöht. Sofern hingegen die Heizleistung zu hoch ist, so findet innerhalb des Extruderschneckengehäuses zu wenig Reibung statt und es sind entsprechend entgegengesetzte Maßnahmen zu ergreifen (bspw. Erhöhung die Kunststoffzufuhr, Reduzierung von Gleitmitteln etc). Die Einbeziehung der Antriebsleistung für die Extruderschnecke in die Überlegungen führt zu einer Normierung hinsichtlich der Produktionsgeschwindigkeit. Ferner wirken sich absolute Abweichungen hinsichtlich der Heizleistung bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten (also hoher Antriebsleistung der Extruderschnecke) weniger auf die Prozessregelung bzw. -steuerung aus als dies bei niedrigen Antriebsleistungen der Fall ist. Die Heiz- bzw. Kühlleistung im Verhältnis zur Antriebsleistung der Extruderschnecke wird als zentrale Prozessgröße für den Steuerungs- bzw. Regelungsprozess zur Einhaltung des Prozessfensters herangezogen.
Die erfindungsgemäße Lehre zeichnet sich insgesamt durch eine kostengünstige Prozessführung aus, da reduzierte Ausschuss- und Rücklaufmengen sowie ein reduzierter Verschleiß von Schnecken und Gehäusen entstehen. Weitere Vorteile sind eine schnellere und damit kostengünstigere Prozessentwicklung und -einstellung, ein flexiblerer Einsatz von Rezepturen sowie höhere mögliche Prozessgeschwindigkeiten aufgrund sehr genauer und schneller Prozessregelung bzw. -steuerung. Überdies kann die erfindungsgemäße Lehre in der Regel ohne den Einbau zusätzlicher Messgeräte umgesetzt werden, wodurch sich zusätzliche Kostenvorteile ergeben.
Weiterhin eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Identifikation ungeeigneter Schneckengeometrien oder allgemein ungünstiger Betriebszustände, die sich insebsondere bei zu großen Verschleißerscheinigungen hinsichtlich der Extruderschnecke und/oder des Extruderschneckengehäuses einstellen können. Hier ist in der Regel die Einhaltung des Prozessfensters bzw. die Herstellung spezifikationsgerechter Produkte generell nicht möglich. In diesem Fall ist es zweckmäßig, den Extrusionsprozess anzuhalten, um die Menge an Ausschussware möglichst klein zu halten bzw. um Schäden an der Anlage zu verhindern / möglichst klein zu halten. Wenn also beispielsweise konkret das Verhältnis von Heiz- bzw. Kühlleistung zu Antriebsleistung einen bestimmten Grenzwert über- oder unterschreitet, erfolgt aus den vorstehend genannten Gründen sicherheitshalber eine Abschaltung der Extrusionsanlage.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei zu hoher Heizleistung bzw. zu niedriger Kühlleistung im Verhältnis zur Antriebsleistung die Zufuhr von Kunststoffpartikeln erhöht, um den Füllgrad des Extruderschneckengehäuses mit Kunststoffmasse und damit die Gesamtzähigkeit zu erhöhen und/oder die Rezeptur des zu verarbeitenden Kunststoffes wird so verändert, dass die Zähigkeit der daraus entstehenden Kunststoffschmelze erhöht wird und/oder die Soll-Temperaturen entlang des Extruderschneckengehäuses werden reduziert. Bei den Kunststoffpartikeln kann es sich um Kunstoffgranulat und/oder Kunststoffpulver handeln, welches zur Verarbeitung in einem Extrusionsprozess geeignet ist. Die Kunststoffpartikel können ggf. ein Blend aus mehreren verschiedenen Polymeren umfassen und bei Bedarf können den Kunststoffpartikeln Verarbeitungshilfsstoffe (z.B. Gleitmittel) zugesetzt sein. Bei zu niedriger Heizleistung bzw. zu großer Kühlleistung im Verhältnis zur Antriebsleistung hingegen wird vorzugsweise die Zufuhr von Kunststoffpartikeln reduziert, um den Füllgrad des Extruderschneckengehäuses mit Kunststoffmasse und damit die Gesamtzähigkeit zu reduzieren und/oder die Rezeptur des zu verarbeitenden Kunststoffes wird so verändert, dass die Zähigkeit der daraus entstehenden Kunststoffschmelze reduziert wird und/oder die Soll-Temperaturen entlang des Extruderschneckengehäuses werden erhöht.
Im Rahmen der Erfindung liegt es, dass in dem Extruderschneckengehäuse zwei gegenläufige Extruderschnecken achsparallel gelagert sind. Zweckmäßigerweise weist die Kunststoff-Extrusionsanlage mindestens eine gravimetrische und/oder volumetrische Dosiervorrichtung für die Zufuhr von Kunststoffpartikeln auf. Auf diese Weise kann sehr einfach der Füllgrad des Extruderschneckengehäuses mit Kunststoff und damit die Gesamtzähigkeit der im Extruderschneckenhäuse befindlichen Kunststoffschmelze eingestellt werden. Hierdurch wird auch eine manuelle und / oder vorzugsweise automatisierte Justierung im Falle sich ändernder Randbedingungen ermöglicht. Dies können sowohl Rohstoff- und / oder Rezepturschwankungen sein als auch Veränderungen, die mit dem Verschleißzustand der Verfahrenseinheit einhergehen.
Das Extruderschneckengehäuse kann entlang der Extruderschnecke mehrere, vorzugsweise vier bis zehn Regelzonen aufweisen, in denen die äußere Zufuhr von Wärme sowie eine äußere Kühlung jeweils separat eingestellt werden kann. Hierbei ist vorzugsweise in jeder Regelzone mindestens eine separate Heizvorrichtung und/oder Kühlvorrichtung vorgesehen wird. Hierdurch ist eine gezielte und örtlich entsprechend unterschiedliche Beheizung bzw. Kühlung des Extruderschneckengehäuses möglich. Zweckmäßigerweise wird in diesem Fall in jeder dieser Regelzonen mindestens eine Temperaturmessung durchgeführt, wobei die Leistung der in einer Regelzone befindlichen Heiz- bzw. Kühlvorrichtung über eine Temperaturmessung in derselben Regelzone zumindest mit eingestellt, insbesondere mit geregelt wird. Denkbar ist auch, dass Temperaturmessungen aus weiteren Regelzonen zur Einstellung der Heiz- bzw. Kühlleistung in einer bestimmten Regelzone mit hinzugezogen werden (bspw. in einer stromabwärts angeordneten Regelzone). Die äußere Kühlung des Extruderschneckengehäuses erfolgt in der Regel mithilfe von mindestens einem elektrischen Gebläse.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Erhöhung bzw. Reduzierung der Zähigkeit der Kunststoffschmelze durch eine Veränderung des Anteils an Verarbeitungshilfsstoffen (z.B. Gleitmittel) in der Rezeptur des zu verarbeitenden Kunststoffes. Ebenso liegt generell eine Rezepturänderung mit dem Ziel einer Erhöhung bzw. Reduzierung der Gesamtzähigkeit im Rahmen der Erfindung. So kann bspw. beim Einsatz von verschiedenen Kunststoffen als Rohmaterial das Verhältnis dieser Kunststoffe zueinander verändert werden (sofern die Spezifikation des herzustellenden Extrudates dabei weiterhin erfüllt werden kann), wenn dies der gewünschten Veränderung der Gesamtzähigkeit zuträglich ist. Selbstverständlich liegt grundsätzlich eine Kombination zähigkeitserhöhender bzw. zähigkeitsreduzierender Maßnahmen im Rahmen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Lehre kann grundsätzlich für alle Arten von Extrusionsprozessen und entsprechend hergestellte Extrusionsprodukte angewendet werden. Insbesondere eignet sich die Lehre für die Herstellung von Fenster- oder Türpofilen, bspw. aus Hart-PVC, zur Herstellung von Rohren aus z.B. PE (insbesondere vernetztem Polyethylen) oder PP sowie zur Produktion von Kantenbändern für die Möbelindustrie, z.B. aus PP, PMMA, ABS, PET oder auch PVC.
Im Rahmen der Erfindung liegt es selbstverständlich grundsätzlich auch, im Laufe der Produktionsprozesses die Gesamtzähigkeit nacheinander in unterschiedliche Richtungen zu beeinflussen, indem man bspw. die zunächst durch geeignete Maßnahmen absenkt und danach wieder erhöht, um das Prozessfenster fortlaufend einzuhalten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert:

1 eine schematische Darstellung einer Kunststoff-Extrusionsanlage, bei der das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird und
2 eine weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die erfindungsgemäße Lehre angewandt wird.

Die Figuren zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Einhaltung eines Prozessfensters einer Kunststoff-Extrusionsanlage 100. Gemäß 1 weist die Kunststoff-Extrusionsanlage 100 ein Extruderschneckengehäuse 1, eine einzelne im Extruderschneckengehäuse 1 axial drehbar gelagerte und über ein (nicht dargestelltes) Getriebe von einem Elektromotor 2 angetriebene Extruderschnecke 3 zum Aufschmelzen und Fördern von Kunststoffgranulat 4 sowie ein stromab der Extruderschnecke 3 angeordnetes Extrusionswerkzeug 5 auf. Je nach herzustellendem Extrusionsprodukt 70 (z.B. einem Fenster- oder Türprofil für ein Gebäude, einem Rohr oder einem Kantenband für die Möbelindustrie) wird mit Drücken von z.B. 10 bis hin zu 1500 bar und Temperaturen von beispielsweise 60 bis 300 °C gearbeitet. Die Länge der Extruderschnecke 3 beträgt in der Regel das 25- bis 40-fache des Schneckendurchmessers. Die Extruderschnecke 3 kann als sogenannter Schnellläufer ausgebildet sein und wird mit Drehzahlen von bis zu 1500 Umdrehungen pro Minute betrieben. Die Drehzahl N₁ der Extruderschnecke 3 kann je nach Produktherstellung (z.B. schnelle Extrusion mit hoher Drehzahl bei der Herstellung von Extrusionsprofilen mit einfacher Geometrie, bspw. Kantenbändern oder Schläuchen, langsame Extrusion mit niedriger Drehzahl bei der Herstellung komplexer Geometrien, wie z.B. Fensterprofilen mit einer Vielzahl von Hohlkammern) oder auch Rezeptur des zu verarbeitenden Kunststoffgranulats 4 unterschiedlich eingestellt sein. Als zu extrudierendes Material 4 kann bspw. Polypropylen-Kunststoffgranulat verwendet werden. Andere Materialien wie z.B. Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE), Polyamid (PA) oder Polymethylmethacrylat (PMMA) sind jedoch ebenso einsetzbar.
Bei der Ermittlung eines geeigneten Prozessfensters zur Durchführung des Extrusionsverfahrens hat sich anhand von Versuchen herausgestellt, dass die Einhaltung einer bestimmten Temperatur bzw. eines bestimmten Temperaturprofils oder auch Temperaturfeldes innerhalb und/oder an der Außenseite des Extruderschneckengehäuses 1 (z.B. an der Extruderschnecke 3, im Schmelzestrom etc.) innerhalb von ebenfalls versuchstechnisch ermittelten Toleranzen eine Voraussetzung für die Herstellung eines spezifikationsgerechten Extrusionsprofils 70 ist, beispielsweise einem Rahmenprofil für ein Gebäudefenster. Die Temperatur selbst wird durch entsprechende Wärmezufuhr bzw. ggf. -abfuhr durch die Heiz- bzw. Kühleinrichtungen entsprechend konstant gehalten. Um das entsprechende Prozessfenster (welches eine spezifikationsgerechte Produktion sicherstellt) dauerhaft sicher einzuhalten, in die Konstanthaltung der Temperatur bzw. des Temperaturprofils allein jedoch nicht ausreichend. Hier kommt nun die erfindungsgemäße Lehre ins Spiel. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die für die Einhaltung der Temperatur bzw. des Temperaturprofils / Temperaturfeldes erforderliche Heiz- bzw. Kühlleistung(en) $Q_{H}^{.}, Q_{K}^{.}$
im Verhältnis zur Antriebsleistung P_s der Extruderschnecke 3, also der Quotient $S = Q_{H}^{.} / P_{S} bzw, S = Q_{K}^{.} / P_{S}$
sich ebenfalls innerhalb eines bestimmten Werteintervalls [S_min; S_max] bewegen muss, um konstant spezifikationsgerechte Extrusionsprodukte 70 herstellen zu können. Sofern sich der Prozess außerhalb dieses Werteintervalls [S_min; S_max] befindet, müssen Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um das Prozessfenster einzuhalten. Wenn beispielsweise bei einem Prozess, der zusätzliche Heizleistung $Q_{H}^{.}$
erfordert, diese zu klein ist, also der Quotient S unterhalb der Untergrenze S_min liegt, deutet dies auf zu eine hohe Reibungswärmeentwicklung innerhalb des Extruderschneckengehäuses 1 hin. Folglich muss die Gesamtzähigkeit im Gehäuse 1 reduziert werden, bspw. durch eine Reduktion der Zufuhr an Kunststoffgranulat 4 und/oder eine Erhöhung der Gleitmittelmenge und/oder eine Erhöhung der Soll-Termperaturen entlang des Extruderschneckengehäuses 1. Wenn hingegen bei einem Prozess, der eine Abfuhr von überschüssiger Wärmeenergie $Q_{K}^{.}$
erfordert (s. 2), diese abzuführende Wärmeenergie von ihrem Betrag her zu niedrig ist, deutet dieses auf zu geringe Dissipationsvorgänge innerhalb des Extruderschneckengehäuses hin, d.h. die Gesamtzähigkeit muss in diesem Fall erhöht werden, bspw. durch Erhöhung der Kunststoffmengenzufuhr und/oder auch eine Reduzierung der Gleitmittelmenge und/oder durch eine Reduzierung der Soll-Termperaturen entlang des Extruderschneckengehäuses 1.
Die 1 und 2 zeigen folglich jeweils erfindungsgemäße Verfahren zur Einhaltung eines Prozessfensters der Kunststoff-Extrusionsanlage 100, die auf den vorstehenden Überlegungen beruhen. Das Extruderschneckengehäuse 1 ist in 1 mit sechs Heizvorrichtungen 10, bspw. in Form von elektrischen Heizmänteln außenseitig beheizbar ausgebildet. Die Heizmäntel 10 umgeben umfangsseitig jeweils einzelne axiale Abschnitte des Extruderschneckengehäuses 1 und sind in Produktionsrichtung x entlang des Gehäuses 1 hintereinander angeordnet. In 2 hingegen ist das Extruderschneckengehäuse 1 mit fünf Kühlvorrichtungen 20 in Form von Gebläsen (durch schematische Propeller angedeutet) außenseitig kühlbar ausgebildet, wobei entlang des Außenumfangs des Gehäuses 1 jeweils mehere Gebläse 20 vorgesehen sind, um eine über den Gehäuseumfang gleichmäßige Kühlung bewerkstelligen zu können. Es ist ferner erkennbar, dass das Extruderschneckengehäuse 1 in beiden Ausführungsbeispielen jeweils mit mehreren Temperatursensoren 300 ausgestattet ist. In den 1 und 2 befinden sich die Sensoren 300 jeweils in der Wandung des Extruderschneckengehäuses 1 und sind in Produktionsrichtung x entlang des Gehäuses 1 angeordnet. Andere Andordnungen der Sensoren 300 sind jedoch ebenfalls möglich und ggf. zweckmäßig, z.B. direkt an der Innen- und/oder Außenseite der Gehäusewandung, wobei selbstredend bei einem Gehäuse 1 verschiedene Anordnungen miteinander kombiniert werden können. Die Anordnung der Temperatursonsoren 300 hängt insbesondere davon ab, welche Temperaturprofile bzw. Temperaturfelder letztendlich besonders sensibel hinsichtlich der Einhaltung des Prozessfensters sind. Die von den Sensoren 300 gemessenen Temperaturen sollen nun zur dauerhaften Einhaltung des Prozessfensters (innerhalb von Toleranzgrenzen versteht sich) auf zeitlich konstanten Werten gehalten werden. Dies erfolgt in den Ausführungsbeispielen über entsprechende Temperaturregleungen, wobei als Stellgrößen für die Regelungen in 1 die elektrischen Leistungen $Q_{H1}^{.} - Q_{H6}^{.}$
der Heizmäntel 10 bzw. in 2 die elektrischen Leistungen $Q_{K1}^{.} - Q_{K5}^{.}$
der Gebläse 20 dienen. Weiterhin wird auch die vom Elektromotor 2 aufgenommene elektrische Antriebsleistung P_s der Extruderschnecke(n) 3 fortlaufend ermittelt und als Prozessgröße verarbeitet. Erfindungswesentlich ist nun, dass neben der Antriebsleistung P_S der Extruderschnecke(n) 3 auch die elektrischen Leistungen $Q_{H1}^{.} - Q_{H6}^{.}$
der Heizmäntel 10 bzw. die elektrischen Leistungen $Q_{K1}^{.} - Q_{K5}^{.}$
der Gebläse 20 fortlaufend ermittelt und als Prozessgrößen verarbeitet werden. In Abhängigkeit des zuvor definierten Verhältnisses S dieser beiden Prozessgrößen Heizleistung $Q_{H}^{.}$
zu Antriebsleistung P_S bzw. Kühlleistung zu $Q_{K}^{.}$
zu Antriebsleistung P_S zueinander wird nun die Gesamtzähigkeit der im Extruderschneckengehäuse 1 befindlichen Kunststoffmasse 50 verändert. In den Ausführungsbeispielen werden hierzu die einzelnen Heizleistungen $Q_{H1}^{.} - Q_{H6}^{.}$

bzw. Kühlleistungen $Q_{K1}^{.} - Q_{K5}^{.}$
jeweils aufaddiert und der Quotient S entsprechend mithilfe der Gesamtleistungen $Q_{H,Ges}^{.}$
bzw. $Q_{K,Ges}^{.}$
gebildet. Durch Ermittlung der Quotienten aus einer einzelnen oder mehreren Heizleistungen Q_H1-H6 bzw. Kühlleistungen Q_K1-K5 und der Antriebsleistung P_S ergeben sich weiterhin Hinweise darauf, in welcher Ausprägung der Eingriff in den Prozess erfolgen muss.
So wird z.B. bei zu hoher Heizleistung $Q_{H,Ges}^{.}$
bzw. zu niedriger Kühlleistung $Q_{K,Ges}^{.}$
im Verhältnis zur Antriebsleistung P_S die Zufuhr von Kunststoffpartikeln 4 erhöht, um den Füllgrad des Extruderschneckengehäuses 1 mit Kunststoffmasse 50 und damit die Gesamtzähigkeit zu erhöhen. Alternativ oder ergänzend kann auch die Rezeptur des zu verarbeitenden Kunststoffes so verändert werden, dass die Zähigkeit der daraus entstehenden Kunststoffschmelze erhöht wird, bspw. durch eine Reduzierung der zugeführten Gleitmittelmenge. Alternativ oder ergänzend können die Soll-Temperaturen entlang des Extruderschneckengehäuses 1 reduziert werden.
Bei zu niedriger Heizleistung $Q_{H,Ges}^{.}$
bzw. zu großer Kühlleistung $Q_{K,Ges}^{.}$
im Verhältnis zur Antriebsleistung P_S hingegen wird die Zufuhr von Kunststoffpartikeln 4 reduziert, um den Füllgrad des Extruderschneckengehäuses 1 mit Kunststoffmasse 50 und damit die Gesamtzähigkeit der im Extruderschneckengehäuse 1 befindlichen Kunststoffmasse 50 zu reduzieren. Alternativ oder ergänzed kann die Rezeptur des zu verarbeitenden Kunststoffes so verändert werden, dass die Zähigkeit der daraus entstehenden Kunststoffschmelze reduziert wird, beispielsweise durch eine Erhöhung der Gleitmittelzufuhr. Alternativ oder ergänzend können die Soll-Temperaturen entlang des Extruderschneckengehäuses 1 erhöht werden.
Sofern der Quotient S Werte aufweist, die zu weit vom Prozessfenster entfernt sind, erkennt das System, dass eine spezifikationsgerechte Produktion mit regelungstechnischen Maßnahmen nicht erreichbar ist und schalten den Extrusionsprozess ab. Dies kann z.B. bei einem zu starken Verschleiß der Extruderschnecke 3 und/oder des Extruderschneckengehäuses 1 der Fall sein. In den 1 und 2 ist weiterhin erkennbar, dass die Kunststoff-Extrusionsanlage 100 jeweils eine gravimetrische oder auch alternativ volumetrische Dosiervorrichtung 200 für die Zufuhr von Kunststoffpartikeln 4 aufweist. Insgesamt erkennt man ferner, dass das Extruderschneckengehäuse 1 entlang der Extruderschnecke 3 jeweils mehrere Regelzonen 40 aufweist (in 1 sechs, in 2 fünf), in denen die äußere Zufuhr von Wärme sowie eine äußere Kühlung jeweils separat eingestellt werden kann. Hierzu ist in jeder Regelzone 40 jeweils eine Heizvorrichtung 10 bzw. eine Kühlvorrichtung 20 vorgesehen.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Kunststoff-Extrusionsanlage 100 mit einer Doppelschnecke 3' ausgerüstet, d.h. es sind zwei in einem gemeinsamen Extruderschneckengehäuse 1 parallel zueinander angeordnete, zweckmäßigerweise ineinandergreifende Extruderschnecken 3 vorgesehen, die in der Regel wiederum über ein Getriebe 60 von einem gemeinsamen Motor 2 mit gleicher Drehzahl N₂ angetrieben werden. Das Gehäuse 1 weist in diesem Fall im Querschnitt gesehen einen entsprechend 8-förmigen freien Querschnitt auf.
Selbstverständlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung, dass entlang eines Extruderschneckengehäuses in mindestens einer Regelzone gekühlt werden muss, während in mindestens einer anderen Regelzone eine Beheizung erforderlich ist. In diesem Fall ist es zweckmäßig, bei der Bestimmung der Gesamtheiz- bzw. kühlleistung die einzelnen Heiz- und Kühlleistungen vorzeichengerecht zu berücksichtigen. Auch eine in mindestens einer Regelzone temporär abwechselnde Beheizung und Kühlung liegt im Rahmen der Erfindung. Dies ist insbesondere dann ggf. zweckmäßig, sofern die im Extruderschneckengehäuse entstehende Dissipationswärme in etwa den Wärmebedarf deckt, der für eine spezifikationsgerechte Extrusion erforderlich ist.

Claims

Verfahren zur Einhaltung eines Prozessfensters einer Kunststoff-Extrusionsanlage (100) mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Extruderschnecke (3), wobei die Extruderschnecke (3) in einem Extruderschneckengehäuse (1) gelagert ist, das mittels mindestens einer Heizvorrichtung (10) außenseitig beheizbar und/oder mittels mindestens einer Kühlvorrichtung (20) außenseitig kühlbar ist, wobei die elektrische Leistung der Heizvorrichtung $(Q_{H}^{.})$
und/oder der Kühlvorrichtung $(Q_{K}^{.})$
über mindestens einen Temperatursensor (300) an der Kunststoff-Extrusionsanlage (100) eingestellt, insbesondere geregelt wird und wobei die elektrische Antriebsleistung (P_S) der Extruderschnecke (3) fortlaufend ermittelt und als Prozessgröße verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Antriebsleistung (P_S) der Extruderschnecke (3) auch die elektrische Leistung der Heizvorrichtung $(Q_{H}^{.})$
und/oder der Kühlvorrichtung $(Q_{K}^{.})$
fortlaufend ermittelt und als Prozessgröße verarbeitet wird und dass in Abhängigkeit des Verhältnisses (S) dieser beiden Prozessgrößen Heiz- bzw. Kühlleistung $(Q_{H}^{.}, Q_{K}^{.})$
und Antriebsleistung (P_S) zueinander die Gesamtzähigkeit der im Extruderschneckengehäuse (1) befindlichen Kunststoffmasse (50) verändert oder alternativ der Extrusionsprozess, insbesondere zwecks Austausch der Extruderschnecke (3) und/oder des Extruderschneckengehäuses (1), angehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) bei zu hoher Heizleistung $(Q_{H}^{.})$
bzw. zu niedriger Kühlleistung $(Q_{K}^{.})$
im Verhältnis zur Antriebsleistung (P_S) die Zufuhr von Kunststoffpartikeln (4) erhöht wird, um den Füllgrad des Extruderschneckengehäuses (1) mit Kunststoffmasse (50) und damit die Gesamtzähigkeit zu erhöhen und/oder die Rezeptur des zu verarbeitenden Kunststoffes so verändert wird, dass die Zähigkeit der daraus entstehenden Kunststoffschmelze erhöht wird; oder b) bei zu niedriger Heizleistung $(Q_{H}^{.})$
bzw. zu großer Kühlleistung $(Q_{K}^{.})$
im Verhältnis zur Antriebsleistung (P_S) die Zufuhr von Kunststoffpartikeln (4) reduziert wird, um den Füllgrad des Extruderschneckengehäuses (1) mit Kunststoffmasse (50) und damit die Gesamtzähigkeit zu reduzieren und/oder die Rezeptur des zu verarbeitenden Kunststoffes so verändert wird, dass die Zähigkeit der daraus entstehenden Kunststoffschmelze reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Extruderschneckengehäuse (1) zwei gegenläufige Extruderschnecken (3') achsparallel gelagert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Extrusionsanlage (100) mindestens eine gravimetrische und/oder volumetrische Dosiervorrichtung (200) für die Zufuhr von Kunststoffpartikeln (4) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Extruderschneckengehäuse (1) entlang der Extruderschnecke (3) mehrere, vorzugsweise vier bis zehn Regelzonen (40) aufweist, in denen die äußere Zufuhr von Wärme sowie eine äußere Kühlung jeweils separat eingestellt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Regelzone (40) mindestens eine separate Heizvorrichtung (10) und/oder Kühlvorrichtung (20) vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung bzw. Reduzierung der Gesamtzähigkeit durch eine Veränderung des Anteils an Verarbeitungshilfsstoffe in der Rezeptur des zu verarbeitenden Kunststoffes erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die äu-ßere Kühlung mithilfe von mindestens einem elektrischen Gebläse (20) erfolgt.