DE19755500A1

DE19755500A1 - Verfahren zum Erfassen des axialen Temperaturprofils der geförderten Formmasse in Schneckenkolbenpumpen

Info

Publication number: DE19755500A1
Application number: DE19755500A
Authority: DE
Inventors: Torsten Kies
Original assignee: Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Current assignee: Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Priority date: 1997-12-13
Filing date: 1997-12-13
Publication date: 1999-06-17

Description

Es ist bekannt, daß Schneckenförder- und Schereinrichtungen, zu denen Schnecken kolbenpumpen zählen und wie sie beispielsweise in der kunststoffverarbeitenden Indu strie zur Extrusion oder beim Spritzgießen von Polymeren eingesetzt werden, bei der Erwärmung und dem Aufschmelzen des Materials kein vollständig gleichmäßiges Temperaturfeld im geförderten Werkstoff erzeugen. Die Temperatur und die Tempera turhomogenität des Ausgangsmaterials sind wesentliche Bestandteile der Herstellungs bedingungen eines Formteils. Besonders bei der Produktion von Teilen aus Kunststoff beeinflussen die Herstellungsbedingungen die Qualität der Erzeugnisse wesentlich. Temperaturschwankungen beeinflussen im allgemeinen die Erzeugnisqualität negativ, da die Reproduzierbarkeit der Herstellungsbedingungen nicht gegeben ist.

Es tritt sowohl ein radiales (1), als auch ein axiales (10) Temperaturprofil auf.

Um eine homogene Temperaturverteilung des Materials vor dem eigentlichen Form prozeß sicher zu stellen, ist die genaue Kenntnis des Temperaturverlaufs des aufberei teten Formstoffs im Stauraum (8), also vor der Schneckenspitze notwendig.

Die experimentelle Ermittlung der genauen Temperaturverhältnisse im Bereich vor der Schneckenspitze ist jedoch mit erheblichen technischen Problemen verbunden. Beson ders beim Spritzgußprozeß als diskontinuierliche Technologie und den verfahrenscha rakteristisch schnell veränderlichen Massedrücken ist es bisher nicht gelungen, die ge nauen axialen Temperaturverhältnisse der verarbeiteten Formmasse zu ermitteln.

Die Bestimmung des radialen (1) Temperaturprofils der Formmasse nach der Plastifi zierung ist bekannt. In DE 41 29 979 wird dazu ein Sensor zur Messung von radialen Temperaturprofilen im Düsenbereich von Plastifizieraggregaten und in Extrusions werkzeugen sowie ein Verfahren zur Optimierung der Maschineneinstellung vorge schlagen. Dabei greift ein Meßkamm in den Fließkanal der Schmelze und nimmt an vielen über den Fließkanalquerschnitt verteilten Meßelementen die Temperatur der ruhenden oder der vorbeiströmenden Schmelze gleichzeitig auf. Die Massedruckab hängigkeit des ermittelten Temperaturprofils ist aufgrund der zeitlich parallelen Meß werterfassung vernachlässigbar gering. Die bei einer Verdichtung des Formmasse auf tretende Kompressionserwärmung erhöht das Temperaturniveau insgesamt, hat aber auf das zu einem definierten Zeitpunkt aufgenommene Temperaturprofil keinen we sentlichen Einfluß.

Um das Temperaturfeld im gesamten Stauraum (8) zu erfassen, ist neben der Messung der Temperaturverhältnisse in radialer Richtung (1) auch die Bestimmung der Tempe raturverhältnisse in axialer Richtung (10) notwendig.

Im Kunststoffberater 5/94, S.25ff. wird ein Verfahren zur Berechnung des axialen Temperaturprofils im Stauraum von Spritzgußmaschinen vorgestellt. Der Plastifizier prozeß in einer Schneckenplastifiziereinheit wird modelliert. In das Modell gehen un ter anderem die Schneckengeometrie, die Zylinderwandtemperatur, die Dosier- und Verweilzeit sowie Stoffkonstanten des verarbeiteten Materials sowie des Zylinder- (4) und des Schnecken-(7)-werkstoffs ein. Die Verarbeitungsparameter Zylinderwandtem peratur, Staudruck und Schneckendrehzahl können mit Hilfe der Simulationsrechnung zeit- oder wegabhängig variiert werden. Damit ist es mit diesem Verfahren möglich, einen optimalen Betriebspunkt des Plastifiziersystems rechnerisch zu ermitteln. Die theoretischen Ergebnisse, die man so erhält, können mit diesem Verfahren jedoch praktisch nicht überprüft werden. In DE 41 10 259 wird der wesentliche Vorteil des dort vorgeschlagenen Verfahrens darin gesehen, daß die für die Steuerung der Parameter Schneckenkolbendrehzahl und Staudruck relevanten Bereiche des Plastifizierhubs er mittelt werden ohne technisch aufwendige und störgrößenbehaftete Meßmethoden und Meßeinrichtungen. Damit ist eine praktische Überprüfung der theoretisch ermittelten Ergebnisse von vorn herein ausgeschlossen. In diesem Zusammenhang erweist sich der Verzicht auf die Messung von Parametern als Nachteil des in DE 41 10 259 vorgeschla genen Verfahrens.

Die bisher genannten Verfahren sind nur zur Abschätzung des Arbeitspunktes von Verarbeitungsmaschinen geeignet. Da Störgrößen wie schwankende Rohstoffeigen schaften des zu verarbeitenden Materials nicht berücksichtigt werden, ist auf der Grundlage dieser Methode eine Prozeßregelung ausgeschlossen. Sich während des Produktionsprozesses verändernde Herstellungsbedingungen werden nicht erkannt. Die Abweichungen zwischen dem realen Verhalten und den rechnerisch ermittelten Größen, die aufgrund von Vereinfachungen bei jedem Modell mehr oder weniger stark auftreten, können nicht ermittelt werden. Das bedeutet, daß über die Genauigkeit des Modells keine Aussage möglich ist. Die praktische Anwendung der Ergebnisse ist da durch kaum möglich.

In Plaste und Kautschuk 29 (9/1982), S. 522ff. wird eine Meßanordnung vorgestellt, bei der ein Temperatursensor im Stauraum (8) einer Plastifiziereinheit einer Spritzguß maschine verwendet wird. Der Meßkopf des Sensors (3) befindet sich dabei in Verlän gerung der Schneckenachse. Das Temperaturprofil der Schmelze wird während des Injizierens der Masse in das verwendete Werkzeug aufgenommen. Die Bestimmung der Temperatur der einzelnen zu untersuchenden Massepunkte erfolgt dabei zeitlich nacheinander. Besonders beim Spritzgußverfahren sind für die Füllung der Kavität sehr hohe Massedrücke erforderlich. Bei Kompression erwärmt sich Kunststoff rever sibel. Die Höhe der Kompressionserwärmung bei einem bestimmten Drucksprung ist materialspezifisch und hängt vom Temperaturniveau der Masse ab. Diese physikali schen Zusammenhänge wurden in Polymer Bulletin 33 (1994), S. 127ff. dargestellt. Differierende Kompressionsdrücke führen zu unterschiedlich starker Kompressions erwärmung, die das aufgenommene Signal verfälschen.

Eine Ermittlung des axialen Temperaturprofils unmittelbar im Stauraum der Plastifi ziereinheit ist damit mit den oben beschriebenen Verfahren während des realen Pro duktionsprozesses unmöglich.

Eine befriedigende Lösung zur verarbeitungsprozeßnähen experimentellen Ermittlung des axialen Temperaturprofils direkt während des Produktionsprozesses ist bisher nicht bekannt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das axiale Temperaturprofil im Schnecken vorraum (8) von Schneckenkolbenpumpen, speziell Spritzgußmaschinen unter Produk tionsbedingungen zu erfassen.

Dieses Problem wird gelöst, daß zusätzlich zum Temperatursignal der lokale Druck im Bereich des Temperatursensors erfaßt wird. Das axiale Temperaturprofil wird ermit telt, indem die Temperaturfunktion der sich während des Einspritzens der Formmasse am Sensor vorbeischiebenden Masse aufgezeichnet wird. Zum Transport der Masse baut sich verfahrensbedingt ein Druck auf. Dieser führt zu einer Kompressionserwär mung, die in das aufgezeichnete Signal mit eingeht und zu einer Verfälschung führt, wenn man aus dem Temperatursignal der sich am Sensor vorbeischiebenden Masse auf das axiale Temperaturprofil im Stauraum (8) schließen will. Das aufgezeichnete Si gnal, das das ursprüngliche Temperaturfeld einschließlich der Kompressions erwärmung widerspiegelt, wird erfindungsgemäß anschließend korrigiert. Aufgrund dieser Korrektur kann aus der aufgezeichneten Temperaturfunktion der sich während des Einspritzens der Formmasse am Sensor vorbeischiebenden Masse, das axiale Tem peraturprofil im Stauraum (8) der geförderten Formmasse bestimmt werden.

Zur Durchführung der Korrektur wird beispielsweise von einer proportionalen, material- und temperaturniveauspezifischen Abhängigkeit zwischen Massedruck und Kompressionserwärmung ausgegangen. Dieser funktionale Zusammenhang zwischen einem wirkenden Drucksprung und daraus folgender Temperaturveränderung aufgrund von Kompressionseffekten wurde im Polymer Bulletin 33 (1994) S. 127ff. aufgezeigt. Mit Hilfe von beispielsweise für Spritzgußverfahren bei der Kompression der Form masse oder nach der Beendigung der Nachdruckphase auftretenden Drucksprüngen zu Zeitpunkten, an denen nur ein sehr geringer Massetransport stattfindet, kann die durch eine Druckveränderung hervorgerufene material- und temperaturniveauspezifische Kompressionserwärmung ermittelt werden. Weiterhin ist es möglich, auf das zu ver arbeitende Material Drucksprünge einwirken zu lassen, die nicht zwingend für den Verfahrensablauf notwendig sind.

Die Kompressionserwärmung bewirkt eine Temperaturerhöhung von beispielsweise

Um diesen Wert ist das gemessene Signal verfälscht.

Im Polymer Bulletin 33 (1994) S. 127ff. wird darauf hingewiesen, daß die Höhe des Temperatursprungs außer von der Höhe des Drucksprungs auch vom Temperaturni veau abhängt. Inwiefern die funktionale Abhängigkeit berücksichtigt werden muß, um hinreichend genaue Ergebnisse zu erhalten, hängt vom konkret verarbeiteten Material und den mittel- und längerfristigen Temperaturschwankungen des Verarbeitungspro zesses ab.

Um die durch den verfahrensnotwendig wirkenden Druck hervorgerufene Kompres sionserwärmung aus dem gemessenen Signal zu eliminieren und die ursprünglichen Temperaturverhältnisse im Stauraum (8) angeben zu können, muß der am Sensor ge messene Wert um Betrag der ursächlich durch die Kompressionserwärmung hervor gerufenen Temperaturveränderung reduziert werden.

Die weg- oder zeitabhängige Funktion der korrigierten Werte repräsentiert die Tempe ratur der Formmasse unter den isobaren Bedingungen im Stauraum unmittelbar vor Beginn des Einspritzens der Masse. Große Unterschiede der Funktionswerte dieser Funktion kennzeichnen ein starkes axiales Temperaturprofil der Formmasse im Stau raum (8).

Zu beachten ist, daß herkömmliche Thermoelemente eine gewisse Meßträgheit auf weisen. Bei einem plötzlichen realen Temperatursprung erfolgt die Veränderung des Meßsignals gedämpft (14) und eventuell zeitverzögert (13). Das Zeitverhalten des Temperatursensors soll bei der Bestimmung des Korrekturfaktors berücksichtigt wer den.

Der genannte Nachteil herkömmlicher Thermoelemente kann umgangen werden, in dem man bekannterweise mit Hilfe eines Strahlungspyrometers die abgegebene Wär mestrahlung der Formmasse mißt. Die Intensität und die Wellenlänge der abgegebenen Strahlung sind temperaturabhängig. Durch geeignete Meßapparaturen oder Auswerte verfahren kann aus der in einem definierten Frequenzband aufgenommenen Strah lungsintensität ein temperaturproportionales Ausgabesignal erzeugt werden. Die Zeit abhängigkeit eines solchen Ausgabesignals ist vernachlässigbar gering.

Mit dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, das axiale (10) Temperaturprofil im Stauraum (8) von Schneckenkolbenpumpen, beispielsweise eingesetzt beim Betrieb von Spritzgußmaschinen, experimentell zu bestimmen und zu überprüfen. Im Zusam menhang mit der bekannten Ermittlung des radialen (1) Temperaturprofils ist es nun möglich, die Temperatur eines jeden Massepunkts im Stauraum zu messen.

Damit werden zum einen Regelstrategien möglich, die ein bestimmtes Temperaturpro fil im Stauraum beinhalten. Zum anderen kann unmittelbar während der Produktion die Qualität der hergestellten Erzeugnisse überprüft werden.

Die Erfindung ermöglicht es, die Herstellungsbedingungen, die bei der Produktion ei nes Produkts vorherrschen, genauer anzugeben. Besonders bei der Verarbeitung von Kunststoffen, sind die Herstellungsbedingungen stark qualitätsbestimmend. Für Produkten, bei deren Herstellung die gleichen technologischen Bedingungen auftreten wie bei der Produktion von Gutmustern, kann man von ähnlich guten Qualitätseigen schaften ausgehen. Bei deutlich unterschiedlichen Herstellungsbedingungen muß eine verminderte Qualität vermutet werden.

Durch die Erfindung kann die Qualität der Erzeugnisse direkt während des Her stellungsprozesses kostengünstig überwacht werden.

Bezugszeichenliste

1

radiale Richtung

2

Strahlungspyrometer

3

Thermoelement

4

Zylinder

5

Schneckenspitze

6

Rückstromsperre

7

Schnecke

8

Stauraum

9

Drucksensor

10

axiale Richtung

11

Drucksprung

12

Kompressionserwärmung

13

Zeitverzögerung

14

Dämpfung

15

gemessener Druckverlauf

16

gemessener Temperaturverlauf

17

korrigierter Temperaturverlauf

Claims

1. Verfahren zum Erfassen des axialen Temperaturprofils der geförderten Form masse in Schneckenkolbenpumpen, beispielsweise eingesetzt beim Betrieb von Spritzgußmaschinen dadurch gekennzeichnet, daß das mit Hilfe eines Sensors aufgenommene Temperatursignal um die druckabhängige Kompressionserwär mung korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem in der Regel ortsfest in die Zylinderwand eingebauten Sensor die Temperatur der sich vor beischiebenden Formmasse erfaßt, an eine Auswerteeinheit zeitecht weiterge geben, mittels eines weiteren Sensors der augenblickliche Massedruck der Schmelze bestimmt und die entsprechenden Signale an eine Auswerteeinheit zeitecht abgegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem oder den verfahrenstypisch auftretenden Drucksprüngen die durch eine Druckver änderung hervorgerufene Kompressionserwärmung bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompres sionserwärmung zusätzlich zu dem verfahrenstypischen Drucksprung oder aus schließlich mit Hilfe eines künstlich erzeugten Drucksprungs ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine technisch bedingte Zeitverzögerung bei der Messung der Temperatur mit Thermoelemen ten oder Widerstandsthermoelementen beim Aufbringen eines Temperatur sprungs für die Druckkorrektur berücksichtigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Be stimmung der Temperatur außer herkömmlichen Thermoelementen auch oder ausschließlich Strahlungspyrometer verwendet werden.