DE19730891C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Druckkrafterfassung bei Schäumen - Google Patents

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Druckkraft während der Entstehung von Schäumen, wobei der Schaum in einen einen Expansionsraum bildenden Meßbehälter gefüllt ist, der mit einem an einen Kraftaufnehmer angeschlossenen Meßglied versehen ist, wobei das Meßglied des Kraftaufnehmers im Boden des Meßbehälters angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Druckkraft während der Entstehung von aus freischäumendem Kunststoff be­ stehenden Schäumen, sogenannten Freischäumen, wobei der Schaum in ei­ nen mit einem Kraftaufnehmer versehenen und einen Expansionsraum bil­ denden, nach oben offenen Messbehälter gefüllt ist, und wobei an den Kraft­ aufnehmer ein Messglied angeschlossen ist, das die vom Schaum erzeugten Relativkräfte zwischen Messbehälter und Messglied abgreift.

Derartige Messvorrichtungen dienen dazu, gleichzeitig mit dem Ermitteln des Expansionsverhaltens durch Messung der Steigkurve mittels Ultraschall so­ wie gleichzeitig mit dem Messen der Reaktionstemperatur, eine weitere cha­ rakteristische Eigenschaft von Freischäumen zu überprüfen, nämlich die Druckkraft, die ein Schaum beim Aufschäumen auf seine Umgebung ausübt. Die Kenntnis der Größe dieser Druckkraft ist insbesondere bei Hartschäumen wesentlich, da sie ein Maß für die Belastungen ist, denen vom Schaum be­ aufschlagte Gegenstände wie Platten, Türzargen, Wände und dergleichen ausgesetzt sind, wenn diese mit Freischäumen isoliert oder verklebt werden. Außerdem erhält man durch Messung der auf ein Wandsegment ausgeübten Andruckkraft Informationen über den zeitlichen Ablauf der Vernetzungsreak­ tion durch Polymerisation, der Viskosität und der Verfestigung des Schaumes während des Expansionsvorganges. Der Druckabbau während des Aushär­ tens des Schaumes kann ebenfalls erfasst werden.

Zur Erzielung realistischer Bedingungen für das Expansionsverhalten werden für die Druckkraftmessung üblicherweise offene Messbehälter verwendet, wobei die Druckkraft lokalen Charakter aufweist und von der Gefäßform, der Dynamik des Aufschäumens und dem Oberflächenelement des Schaums ab­ hängig ist. Die im Stand der Technik beispielsweise aus dem Prospekt "Time Tech Inc. Introduces its Advanced Ultrasonic Rate of Rise Technology" der Firma Time Techn Inc. bekannten diesbezüglichen Messvorrichtungen beste­ hen aus einem Messbehälter, der einen Druck- oder Kraftaufnehmer aufweist, der von einem Messglied in Form einer Membran oder Zunge beaufschlagt wird. Dieses Messglied besteht aus einem Wandelement, das im Bereich der Umfangswandung des Messbehälters in einer entsprechenden Aussparung vorgesehen ist, und zur Messung einer horizontalen Kraftkomponente dient. Hierbei wird von der Annahme ausgegangen, dass die Druckkraft durch die gegenüberliegende Behälterwandung hervorgerufen wird, die den Schaum nicht ausdehnen lässt und somit eine Gegenkraft im Bereich des Messgliedes des Kraftaufnehmers erzeugt.

Diese Anordnung des Messgliedes des Kraftaufnehmers im Umfangsbereich des Messbehälters hat jedoch den Nachteil, dass aufgrund der Abhängigkeit der Druckkraft von der Behälterform die meist gekrümmte Oberfläche in die­ sem Bereich bei der Auswertung der Messergebnisse mit einberechnet wer­ den muss. Oder aber man kann nur punktuell messen, will man unabhängig von der Behälterkrümmung sein was allerdings nur die Erfassung kleiner Kräfte ermöglicht und wodurch die Messvorrichtung entsprechend unempfind­ lich wird. Dies führt insbesondere im Hinblick auf die im mbar-Bereich liegen­ den Druckwerte zu sehr ungenauen Messergebnissen.

Des weiteren ergeben sich aus unterschiedlichen Messbehälterformen bzw. - größen unterschiedliche Oberflächenverhältnisse im Bereich des Messglie­ des. Auch führt die geringe Einfüllhöhe des flüssigen Materials in der Regel zu einer mangelhaften bzw. gar nicht vorhandenen Beaufschlagung des Messgliedes, was die Aussagekraft der Messergebnisse u. U. beeinträchtigt. Schließlich führt auch die Verspannung des Schaums zwischen Kraftaufneh­ mer und gegenüberliegender Wand dazu, dass die Schaumprobe nach dem Aushärten im Messbehälter unter Einbindung und Kontaminierung des Mess­ gliedes verklemmt ist und nur noch aus dem Messbehälter entnommen wer­ den kann, indem dieser längs einer vertikalen Ebene trennbar ausgeführt ist.

Um das durch den Trennmechanismus auftretende Spiel, das das Messer­ gebnis ebenfalls verfälschen könnte, zu vermeiden, muss dieser entspre­ chend starr ausgeführt werden, was wiederum den Aufwand erhöht.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs geschilderten Art dahinge­ hend zu verbessern, dass eine zuverlässige und von der Behälterform unab­ hängige Druckkraftmessung mit hoher Empfindlichkeit ermöglicht wird, die sich insbesondere auch dazu eignet, in Kombination mit einer simultanen Steighö­ hen- und Reaktionstemperaturmessung zu erfolgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich der Vorrichtung dadurch ge­ löst, dass das an den Kraftaufnehmer angeschlossene Messglied im Boden des Messbehälters angeordnet ist derart, dass das Messglied den Boden er­ setzt und selbst als Boden dient. Bezüglich des Verfahrens wird erfindungs­ gemäß vorgesehen, dass die Messung der Druckkraft durch ein im Boden an­ geordnetes und den Boden ersetzendes Messglied erfolgt, indem die zwischen Messbehälter und Messglied auftretenden, vom Schaum erzeugten Relativ­ kräfte abgegriffen werden. Zum einen kann hierdurch sichergestellt werden, dass - selbst bei noch so geringer Füllhöhe - das Messglied des Kraftaufneh­ mers zuverlässig vom aufschäumenden Material beaufschlagt und vollständig überdeckt wird. Zum anderen liegt ein wesentlicher Vorteil in der erstmals möglichen großflächigen Druckkraftmessung, und zwar aller auf den Boden ausgeübten Kraftkomponenten, die über die gesamte Bodenfläche jeweils die gleiche Richtung aufweisen. Hierdurch ergibt sich eine hohe Empfindlichkeit sogar bei elastischen Weichschäumen.

Obwohl bei den üblicherweise verwendeten vertikal orientierten und an ihrer oberen Seite offenen Messbehältern dem Boden eine gegenüberliegende, zum Aufbau der Gegendruckkraft erforderliche Behälterwandung fehlt, hat sich je­ doch in Versuchen gezeigt, dass die Druckkräfte im Schaum eine Normalkom­ ponente senkrecht zum Behälterboden aufweisen. Diese entsteht dadurch, dass die radial auf die Behälterwand wirkenden Kräfte die Schaumprobe verspannen, so dass sich eine vertikale Kraftkomponente als sogenannte Scherkraft aus­ bilden kann. Da bei den vertikal orientierten Meßbehältern der Boden plan ausgeführt ist, ist auch die bei der Druckermittlung zu berück­ sichtigende Fläche des Bodens leicht zu errechnen und unabhängig von etwaigen Behälterkrümmungen, wie es beim Stand der Technik der Fall ist.

Die Scherkraft entspricht auch der praktischen Erfahrung bei Verwen­ dung der Schäume, da gerade die zu messende Wandandruckkraft dazu führt, daß im Extremfall hinterschäumte Türzargen, Bodenplatten etc. zerstört bzw. ausgebeult werden. Mit ähnlich großen Kräften wirkt die Schaumprobe bei entsprechender Zusammensetzung auch auf den jeweiligen Meßbehälter.

Das Anordnen des Meßgliedes des Kraftaufnehmers im Bodenbereich hat schließlich noch den Vorteil, daß die Schaumprobe nach dem Aushärten in einfacher Weise aus dem glattwandigen Behälter her­ ausgedrückt bzw. -geschlagen werden kann, nämlich insbesondere in der hauptsächlichen Expansionsrichtung des Formschaums, also in Richtung der offenen Oberfläche des Meßbehälters. Da hierbei im Gegensatz zu den Meßzungen des Standes der Technik keine im Be­ reich der Umfangswandung vorgesehenen Kraftaufnehmer von dem Formschaum beaufschlagt werden, stören diese auch nicht bei einem anschließenden Entfernen der Schaumprobe aus dem Meßbehälter.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Meßglied den Boden des Meß­ behälters ersetzt und selbst als Boden dient, wodurch nicht nur das Entfernen der ausgehärteten Schaumproben erleichtert, sondern auch die Zuverlässigkeit des Meßergebnisses aufgrund der vollständigen Erfassung der auf die Bodenfläche wirkenden Druckkräfte verbessert wird.

Weiterhin führt die Anordnung des Meßglieds im Bodenbereich dazu, daß der Meßbehälter oberhalb des Bodens frei und ungehindert zu­ gänglich ist für die eingangs erwähnten Messungen der Steighöhe sowie der Reaktionstemperatur des Schaumes. Die entsprechenden Meßergebnisse werden auch nicht beeinflußt oder gar verfälscht von im Umfangsbereich angeordneten Meßgliedern.

Was den mit dem Meßglied verbundenen Kraftaufnehmer betrifft, so besteht dieser am besten aus einem Biegebalken, der in geeigneter Weise am Meßbehälter festgelegt ist, um die Relativkräfte zwischen Meßbehälterwandung und Bodenfläche messen zu können.

Für die Festlegung des Kraftaufnehmers am Meßbehälter empfiehlt es sich, beispielsweise eine Haltevorrichtung zu verwenden, die im Meß­ behälter unabhängig von dessen jeweiligen Abmessungen verspreiz­ bar ist. So kann die Haltevorrichtung beispielsweise aus zumindest zwei, insbesondere drei, relativ zueinander abstandsveränderbaren Stellgliedern bestehen, die gegen die Wandungen des Meßbehälters verspreizbar sind, wobei diese Stellglieder bevorzugterweise in Vertie­ fungen eingreifen, die in den Wandungen auf der Meßbehälterinnen­ seite angeordnet sind und wodurch sich ein insbesondere in Vertikal-, also in Druckkraftrichtung wirksames Verspannen erreichen läßt.

Um ein zuverlässiges, rückstandsloses Entfernen der Schaumproben aus den Meßbehältern leicht zu ermöglichen, werden diese zweck­ mäßigerweise konisch ausgebildet und mit einer Schutzfolie ausge­ kleidet, die den Kraftaufnehmer und den Meßbehälter gegenüber der Schaumprobe beabstandet.

Eine Variante der oben beschriebenen Meßvorrichtung besteht darin, daß der zylindrische Meßbehälter aus zwei Schüssen besteht. Der als Flansch ausgebildete Bodenbereich mit dem dort angeordneten Kraft­ aufnehmer und der vom Schaum beaufschlagte Expansionsbereich sind trennbar ausgeführt. Das obere Rohrstück besitzt keine eigene Bodenfläche, sondern ist nach unten offen, um den Schaum auf das im unteren Teil angeordnete Meßglied einwirken lassen zu können.

Der Expansionsbereich kann in diesem Fall als Einwegartikel z. B. als Papprohr ausgeführt sein und zusammen mit der Schaumprobe von der Meßvorrichtung abgenommen werden. Damit auch bei den zwei­ teiligen Meßbehältern zuverlässige Ergebnisse erzielt werden, muß der abnehmbare Expansionsbereich während des Meßvorganges fest mit dem Flansch des Unterteils verbunden sein, was beispielsweise über einen Spannring erfolgen kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen; hierbei zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung in geschnittener Seitenansicht;

Fig. 2 die Meßvorrichtung aus Fig. 1 in Unteransicht;

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform einer Meßvorrichtung in geschnittener Seitenansicht; und

Fig. 4 die Meßvorrichtung aus Fig. 3 in Unteransicht.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung 1 in geschnitte­ ner Seitenansicht dargestellt, die einen Kraftaufnehmer 2 aufweist, der im Bereich des Bodens eines Meßbehälters 3 angeordnet ist. Der Kraftaufnehmer besteht aus einem sich horizontal erstreckenden Bie­ gebalken, der mit einem Ende 4 am Meßbehälter 3 festgelegt ist, wäh­ rend das freie, in das Innere des Meßbehälters ragende Ende 5 des Biegebalkens mit einem Meßglied 6 in Form einer tellerförmigen Auf­ nahmeplatte verbunden ist, welche den Boden des Meßbehälters 3 bildet.

Die Festlegung des freien Endes 4 des Biegebalgens am Meßbehälter 3 erfolgt nicht direkt, sondern unter Zwischenschaltung einer Halte­ vorrichtung 7, die aus drei relativ zueinander abstandsveränderbaren Stellgliedern 8a, 8b, 8c besteht, welche gegen die Innenwand des Meßbehälters 3 verspreizbar sind. Hierbei greifen sie in eine in der Meßbehälterinnenwand vorgesehene Umfangsnut 9 ein, wodurch das Meßglied und der Kraftaufnehmer eine vorgegebene Höhenposition einnehmen, indem die Stellglieder an ihren Enden kugelförmige Ober­ flächen aufweisen, die in die Umfangsnut 9 gedrückt werden und hierdurch einen Formschluß mit dem Meßbehälter 3 herstellen.

Durch das Festlegen des Kraftaufnehmers mit Hilfe der Haltevorrich­ tung ergibt sich der Vorteil, daß die gesamte Meßvorrichtung vom An­ wender ohne Werkzeug leicht ausgebaut und auch bei Kontamination mit Hartschaum leicht zerlegt und gereinigt werden kann. Hierzu wird die Haltevorrichtung über eine die Stellglieder gegeneinander ver­ spreizenden Stellschraube 10 betätigt, die in schneller und einfacher Weise ein Positionieren des Kraftaufnehmers im Meßbehälter bzw. dessen Lösen und Entnehmen aus dem Meßbehälter gewährleisten kann.

Zur Erzielung eines sicheren Standes der Meßvorrichtung mit samt des Meßbehälters ist die Nut 9 in einer Höhe angeordnet, die geringer als der halbe Durchmesser der Kugeln 8a, 8b, 8c der Stellglieder ist, so daß bei einem Verspreizen der Stellglieder das Einpressen der Ku­ geln in die Nut zu einem Anheben des Meßbehälters 3 führt und hier­ auf die gesamte Meßvorrichtung auf den drei Kugeln ruht.

Damit die jeweilige Schaumprobe nach dem Schäumversuch in einfa­ cher Weise aus dem Meßbehälter 3 entfernt werden kann, ist dessen Innenwand im von dem Formschaum beaufschlagten Bereich konisch ausgeführt und zwar im Beispiel aus Fig. 1 mit sich nach oben ver­ jüngendem Durchmesser. Hierdurch können die Schaumproben, die nach ihrer Expansion und Aushärtung das Rohr formschlüssig ausfül­ len und sich darin verspannt haben, nach der Entfernung des Kraft­ aufnehmers 2 nach unten aus dem Meßbehälter 3 herausgedrückt und entnommen werden. Schließlich kann zur Vermeidung einer festeren Verbindung des Formschaums mit der Behälterwandung der Meßbe­ hälter mit einer Schutzfolie 31 ausgekleidet werden, die zusammen mit der Schaumprobe aus dem Meßbehälter entfernt werden kann.

Zur Erfassung der Reaktionstemperatur des Schaumes sind in der Umfangswandung des Meßbehälters Bohrungen 32 vorgesehen, durch die sich (nicht dargestellte) Thermoelemente in definierten Höhenpo­ sitionen in den Expansionsbereich einstecken lassen.

In den Fig. 3 und 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 11 dargestellt, das prinzipiell ähnlich wie die Meßvorrichtung 1 aus Fig. 1 ausgeführt ist. Der we­ sentliche Unterschied besteht nun darin, daß in diesem Falle der Meßbehälter zweigeteilt ausgeführt ist, wobei die Meßvorrichtung 11 mit ihrem Kraftaufnehmer 12 in einem Meßbehälter-Flansch 13 ange­ ordnet ist, der dem Bodenbereich des Meßbehälters 3 aus Fig. 1 entspricht. Dieser Flansch 13 dient folglich zur Festlegung des Kraft­ aufnehmers 12, der ebenfalls in Form eines Biegebalkens ausgebildet ist. Hierzu ist ein Ende 14 des Biegebalkens über eine Haltevorrich­ tung 17 mit dem Meßbehälterflansch 13 verspannt, wobei ebenfalls drei Stellglieder 18a, 18b, 18c relativ zueinander gegen die Innen­ wand des Flansches 13 verspreizt werden, wozu sie mit ihren ballig geformten Stellgliedenden in eine Umfangsnut 19 der Flanschinnen­ wand eingreifen.

Die Stellglieder sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht kugelförmig ausgebildet und deren Abstandsveränderung erfolgt über eine Stellschraube 20, die nicht von der Außenseite des Meßbehäl­ ters, sondern von der Unterseite bedienbar ist.

Das andere Ende 15 des Biegebalkens ist - wie bei der Meßvorrich­ tung 1 - mit dem Meßglied 16 verbunden, das in Form einer tellerför­ migen Aufnahmeplatte ausgebildet ist.

Im Unterschied zur Meßvorrichtung aus Fig. 1 ist hier kein gleich­ bleibender Meßbehälter vorgesehen; vielmehr können abnehmbare, den Expansionsraum bildende Meßbehälteraufsätze in Form von Rohrstücken 33 mit dem Flansch 13 verspannt werden. Dies hat den Vorteil, daß nach dem Aushärten der Schaumprobe das mitunter schwierige Problem des Entfernens der Schaumprobe aus dem Meß­ behälter dadurch entfällt, daß die Schaumprobe im Rohrstück 33 ver­ bleibt und zusammen mit diesem von der Meßvorrichtung abgenom­ men wird. Hierbei bildet die Aufnahmeplatte, also das Meßglied 16, jeweils für alle verwendeten Rohrstücke 33 den an den Kraftaufneh­ mer angeschlossenen Boden.

Um ein gegenseitiges Verspannen von Meßbehälterflansch und Meß­ behälteraufsatz bzw. Rohrstück sicherzustellen, ist an der Außenwand des Meßbehälterflansches 13 eine Klemmvorrichtung in Form eines Spannringes 21 vorgesehen, die den jeweiligen Meßbehälteraufsatz mit dem Flansch formschlüssig verbindet.

Zur Vermeidung einer Kontamination der tellerförmigen Kraftaufneh­ merplatte 16 kann diese gegenüber der Schaumprobe wiederum mit einer Schutzfolie 34 abgedeckt werden.

Zusammenfassend liegt der Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß zum einen ein vereinfachter Meßaufbau zur Verfügung gestellt wird, der zum anderen auch noch durch die besondere Position des Kraftaufnehmers bzw. dessen Meßglieds zu einem zuverlässigeren und aussagekräftigeren Meßergebnis führt.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Druckkraft während der Entstehung von Schäumen, wobei der Schaum in einen nach oben offenen, einen Expansionsraum bildenden Messbehälter gefüllt ist und der Messbe­ hälter ein an einen Kraftaufnehmer angeschlossenes Messglied auf­ weist, das die vom Schaum erzeugten Relativkräfte zwischen Mess­ behälter und Messglied abgreift, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied des Kraftaufnehmers (2, 12) im Boden des Messbehälters (3, 13) angeordnet ist derart, dass das Messglied des Kraftaufnehmers (2, 12) den Boden des Messbehälters (3, 13) ersetzt und selbst als Boden (6, 16) dient.

2. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (2, 12) aus einem Biegebalken besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (2, 12) am Messbehälter (3, 13) festgelegt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlegen des Kraftaufnehmers (2, 12) am Messbehälter (3, 13) über eine Haltevorrichtung (7, 17) erfolgt, die im Messbehälter verspreizbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (7, 17) aus zumindest zwei relativ zueinan­ der abstandsveränderbaren Stellgliedern (8a, 8b, 8c, 18a, 18b, 18c) besteht, die gegen die Wandungen des Messbehälters (3, 13) verspreizbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder (8a, 8b, 8c, 18a, 18b, 18c) in auf der Messbe­ hälter-Innenseite vorgesehene Vertiefungen (9, 19) der Wandungen eingreifen.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbehälter mit einer Schutzfolie ausgekleidet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbehälter (3, 13) eine plane Bodenfläche (6, 16) auf­ weist.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbehälter eine zylindrische Form aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbehälter (3) im Bereich des Expansionsraums konisch ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbehälter zumindest zweiteilig ausgeführt ist und einen vom Schaum beaufschlagten Expansionsbereich in Form eines Mess­ behälteraufsatzes (33) aufweist, und dass dieser Aufsatz von einem den Bodenbereich und den dort angeordneten Kraftaufnehmer (12) umfassenden Messbehälterflansch (13) abnehmbar ausgeführt ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbehälter (3) und/oder der Messbehälteraufsatz Boh­ rungen (32) für Temperaturfühler insbesondere in Form von Thermo­ elementen aufweist, wobei die Bohrungen insbesondere in verschie­ denen Höhen des Messbehälters und/oder Messbehälteraufsatzes vorgesehen sind.

13. Verfahren zur Erfassung der Druckkraft während der Entstehung von Schäumen, wobei die Schaumkomponenten in noch flüssigem Zustand in einen nach oben offenen Messbehälter gefüllt werden, insbesondere unter Verwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Druckkraft durch ein im Boden des Messbe­ hälters angeordnetes und den Boden ersetzendes Messglied erfolgt, indem die zwischen Messbehälter und Messglied auftretenden vom Schaum erzeugten Relativkräfte erfasst werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit der Druckkrafterfassung die Steigkurve des Schaumes gemessen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigkurve des Schaumes mittels Ultraschall gemessen wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit der Druckkrafterfassung die Reaktionstempera­ tur im Schaum gemessen wird.