DE19755501A1

DE19755501A1 - Meßanordnung zum Erfassen der Temperatur und des axialen Temperaturprofils der geförderten Formmasse in Schneckenförder- und Schereinrichtungen

Info

Publication number: DE19755501A1
Application number: DE19755501A
Authority: DE
Inventors: Torsten Kies; Gritt Hofmann
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 Standruck 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 verarbeitungsprozeßnahen 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 von Schneckenförder- und Schereinrichtungen, speziell Spritzgußmaschinen zu erfassen.

Das Problem wird gelöst, indem die Position des die Temperaturmessung benötigten Sensors so gewählt wird, daß er ständig die Temperatur der gerade geförderten Form masse bestimmt. Das wird ermöglicht, wenn sich der Temperatursensor beim Zurück ziehen der Schnecke während des Plastifiziervorgangs in axialer Richtung mitbewegt. Technisch realisierbar ist dies beispielsweise, durch Positionierung des Temperatur sensor an der Schneckenspitze.

Die Erfindung umfaßt zwei Ausführungsarten.

Bei der ersten Ausführungsart der Erfindung ist der Temperatursensor in axialer Rich tung gegenüber dem Zylinder beweglich und an die axiale Schneckenbewegung ge koppelt. Die Rotation der Schnecke hingegen wird nicht auf den Sensor übertragen. Die Signalübertragung vom Sensor zur Auswerteeinheit ist dann technisch nahelie gend.

Bei einer weiteren Ausführungsart der Erfindung, ist der Temperatursensor ebenfalls in axialer Richtung gegenüber dem Zylinder beweglich und an die axiale Schnecken bewegung gekoppelt. Bei dieser Ausführungsart wird auch die Rotationsbewegung der Schnecke auf den Sensor übertragen. Die Signalübertragung zu der in der Regel au ßerhalb der Plastifiziereinheit angebrachten Auswerteeinheit erfolgt dann beispiels weise über einen Schleifkontakt. Über den Schleifkontakt wird das vom Sensor aufge nommene Signal direkt oder bereits ein verarbeitetes Signal, beispielsweise eine ver stärkte Spannung der Auswerteeinheit zugeführt. Anstelle eines Schleifkontakts ist auch die Verwendung eines anderen geeigneten Systems zur Signalübertragung bei spielsweise ein Optokoppler möglich.

Erfindungsgemäß wird der Schleifkontakt in Form eines Kollektors, der aus minde stens zwei Kollektorhalbschalen besteht, eingesetzt. Aufgrund der Rotation der Schnecke und des Schleifkontaktes während der Plastifizierphase geschieht die Signal übertragung an die Kollektorhalbschalen alternierend.

Die Funktionsfähigkeit des Systems ist gegeben, wenn alternativ an einer Kolektorhalb schale ein Signal anliegt, an der anderen nicht. Damit ist eine zusätzliche Funktions überprüfung des Systems möglich.

Die an den beiden Kollektorhalbschalen aufgenommenen Meßsignale werden vor oder in der Auswerteeinheit zu einem Gesamtsignal aufaddiert. Daraus folgt die am Sensor gemessene Temperatur.

Die Drehzahl der Schnecke kann bestimmt werden, indem man den alternierenden Wechsel der Signalanlage an den Kollektorhalbschalen zeitabhängig untersucht. Die Anzahl der Pegelwechsel von "0" auf "L" (0: es liegt kein Signal an; L: es liegt ein Signal an) des an genau einer Kollektorhalbschale aufgenommenen Signals pro Minute ist der Anzahl der Umdrehungen pro Minute gleichzusetzen. Bei der Anwendung die ses Auswerteverfahrens kann auf einen sonst üblichen induktiven oder mechanischen Sensor zur Bestimmung der Schneckendrehzahl verzichtet werden.

Die gleiche Verfahrensweise zur Bestimmung der Schneckendrehzahl ist beim Einsatz von anderen Systemen zur Signalübertragung, beispielsweise eines Optokopplers an wendbar. Erfindungsgemäß werden diese anderen Systeme in mindestens zwei Teil systeme unterteilt, die funktionell den Kollektorhalbschalen entsprechen.

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 P- rodukten, 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

Zylinder

3

Schneckenspitze

4

Rückstromsperre

5

Schnecke

6

Thermoelement

7

Stauraum

8

axiale Richtung

9

Signalabgang I

10

Signalabgang II

11

Kontaktstelle

12

Kollektorhalbschale II

13

Schleifkontakt

14

Kabelkanal

15

Zylinder

16

Kollektorhalbschale I

17

Schnecke

18

Umdrehungszeit

19

An Kollektorhalbschale I registrierter Signalverlauf

20

Nullniveau des an Kollektorhalbschale I registrierten Signalverlaufs

21

An Kollektorhalbschale II registrierter Signalverlauf

22

Nullniveau des an Kollektorhalbschale II registrierten Signalverlaufs

23

Gesamtsignal

24

Nullniveau des Gesamtsignals

Claims

1. Eine Meßanordnung zum Erfassen der Temperatur und des axialen Tempera turprofils der geförderten Formmasse in Schneckenförder- und Schereinrich tungen dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor in axialer Richtung an die Schneckenbewegung angekoppelt wird.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der Schnecke nicht auf den Temperatursensor übertragen wird und der Temperatur sensor gegenüber dem Zylinder in tangentialer Richtung nahezu unbeweglich ist.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der Schnecke auf den Temperatursensor übertragen wird.

4. Meßanordnung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß das vom Temperatursensor aufgenommene Signal direkt einer Auswerteeinheit zuge führt wird.

5. Meßanordnung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß das am Temperatursensor aufgenommene Signal verstärkt, modelliert oder in einer an deren Energieform einer Auswerteeinheit zugeführt wird.

6. Meßanordnung nach Anspruch 1, 3, 4, und 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Signalübertragung des vom rotierenden Sensor aufgenommenen Meßsignals auf die nahezu unbewegliche Auswerteeinheit mit Hilfe eines Schleifkontakts erfolgt.

7. Meßanordnung nach Anspruch 1, 3, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Signalübertragung des vom rotierenden Sensor aufgenommenen Meßsignals auf die nahezu unbewegliche Auswerteeinheit mit Hilfe einer anderen Methode der Signalübertragung, beispielsweise mit Hilfe eines Optokopplers erfolgt.

8. Meßanordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Einheit des Schleifkontaktes in Form von zwei Kollektorhalbschalen ausge bildet ist.

9. Meßanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Einheit der Signalübertragungseinheit in Form von zwei feststehenden Signal aufnehmerhalbschalen ausgebildet ist.

10. Meßanordnung nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Kollektorhalbschalen alternierend anliegenden Meßsignale des Tem peratursensors zur Bestimmung der Schneckendrehzahl verwendet werden und die Zeit, die zwischen zwei Pegelwechseln vergeht, gemessen und daraus die Schneckendrehzahl berechnet wird.

11. Meßanordnung nach Anspruch 1, 3, 4, 5, 7 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß die an den Signalaufnehmerhalbschalen alternierend anliegenden Meßsignale des Temperatursensors zur Bestimmung der Schneckendrehzahl verwendet werden und die Zeit, die zwischen zwei Pegelwechseln vergeht, gemessen und daraus die Schneckendrehzahl berechnet wird.