DE2507186A1 - Verfahren zur herstellung von halbzeug aus thermoplastischen formmassen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von Halbzeug aus thermoplastischen Formmassen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeug aus thermoplastischen Formmassen durch Extrusion des im Schmelzenzustand befindlichen Rohproduktes über einen Extruder in eine Kalibrierung mit nachgeschalteter, elektrisch angetriebener und geregelter Abzugsvorrichtung, Bei der Herstellung von Halbzeug aus thermoplastischen Formmassen mittels Extruder ist das Zusammenspiel thermischer und dynamischer Vorgänge zwischen Kalibrierung und Abzug mit entscheidend für die Qualität des fertigen Produktes.
• Der Herstellungsprozeß erfordert eine Vorrichtung, die im wesentlichen aus den drei Baugruppen Extruder, Kalibrier- bzw.
• Kühleinrichtung und Abzugseinrichtung besteht. Die Einstellungs- und Prozeßparameter dieser drei Baugruppen müssen zur Erreichung einer guten Qualität des fertigen Halbzeuges sorgfältig aufeinander abgestimmt sein.
• An jedes herzustellende Halbzeug sind Qualitätsforderungen zu stellen, die die spätere Verwendbarkeit eines Fertigteils bestimmen. Die Einhaltung dieser Forderungen, ihre dauernde Reproduzierbarkeit auch über lange Zeiträume hängen im wesentlichen ab von der Einstellung der Verfahrensparameter.
• Als wichtigste Qualitätskriterien für Halbzeug sind zu nennen: 1. Lunkerfreiheit im Innern des Halbzeug.
• 2. Saubere Oberfläche, ohne Markierungen, Riefen oder verbrannte Stellen.
• 3. Maßhaltigkeit über die gesamte Länge des hergestellten Stranges.
• Das im Extruder plastifizierte und auf die geeignete Verarbeitungstemperatur gebrachte aterial wird durch eine Schnecke in eine am Kopf des Extruders angebrachte Kühldüse gefördert.
• Diese Düse hat eine doppelte Funktion. Sie kühlt das viskose Material ab und bestimmt als Kalibrierung die äußeren Abmessungen des Halbzeugs. Dies bedeutet, daß das extrudierte Material den ganzen Querschnitt der Düse ausfüllt, wobei ein inniger Kontakt entsteht zwischen der Oberfläche des Stranges und der Innenwandung der Düse. Da die Düse gegenüber der Schmelze erheblich kälter ist (Temperaturdifferenz ca. 25000), setzt eine spontane Erstarrung der Oberfläche des Stranges ein.
• Während des weiteren Abkühlvorganges wird vom Kern her Schmelze gegen die erstarrende Außenhaut gepreßt mit einem Druck der dem im Extruder herrschenden Massedruck entspricht.
• Die Außenhaut wird durch den Binnendruck- an die Innenwandung der Düse gepreßt. Die Anpressung wird solange gleichmäßig über den Umfang des Stranges erfolgen, solange die erstarrte Außenhaut an jeder Stelle gleich stark ist. Dies setzt jedoch voraus, daß in der Düse eine radialsymmetrische Temperaturverteilung vorhanden sein muß. Temperaturgradienten in Richtung der Längsachse der Düse haben auf die Radialsymmetrie der Kühlung des Stranges keinen Einfluß.
• Die Anpressung des Stranges an die Innenwandung der Düse erzeugt eine Reibungskraft. Diese Kraft ist eine Funktion des Binnendrucks der Schmelze, der Abmessungen der Düse sowie der Beschaffenheit der Oberfläche der Düsenwandung.
• Ungleichmäßige Temperaturverteilung am Umfang der Düse bewirkt eine einseitige Anpressung des Stranges an die Düsenwandung.
• Die Folge davon ist ein Blockieren des Stranges und damit ein Stillstand der Abzugsbewegung. Dieser Effekt wirkt auf den Extruder zurück und erzeugt dort, bedingt durch-die Fördercharakteristik der Schnecke, ein sprunghaftes Ansteigen des Massedrucks. Dieser Anstieg begünstigt ein weiteres Verkeilen des Stranges in der Kalibrierung. Erst nach dem Abbau des Extrusionsdruckes, zum Beispiel durch Abschalten des Extruders, löst sich die Blockierung, dann nämlich, wenn die Losreißkräfte der Abzugsvorrichtung imstande sind, die aftrfte in der Düse zu überwinden.
• Durch diesen Störeffekt wird aus der gleichförmigen Bewegung des Stranges in Abzugrichtung eine intermittierende Bewegung Das Material unterliegt dadurch unterschiedlichen Verweilzeiten in den einzelnen Abschnitten der Kalibrierung. Die unmittelbare Folge ist eine ungleichmäßige Tiefenwirkung der Kühlung, verbunden mit einer welligen Oberfläche des Fertigteils, Es ist bekannt, zur Beseitigung dieser, die QualitE.t des Halbzeugs beeinträchtigenden Phänomene den Einbau eines Volumenausgleichs gefäßes zwischen Extruder und Extrusionswerkzeug vorzusehexs. Dabei handelt es sich um einen an den Massekanal des Extruders angeschlossenen Hohlraum, in den Schmelze nach überschreiten eines einstellbaren Nassedruckpegels einströmen kann. Durch diese Maßnahme werden Druckspitzen abgebaut und einem weiteren Verkeilen des Stranges nach einsetzender Blokkierung vorgebeugt. Die eigentliche Störgröße, nmlich das Blockieren selbst wird durch den Volumenausgleich aber nicht beseitigt.
• Es kommt hinzu, daß die Arbeitscharakteristik des Volumenausgleichs nicht an die des Extruders angepaßt ist. Während der Extruder aufgrund der Förderwirkung der Schnecke ein relativ starres Verhalten zeigt, ist die Arbeitsweise des Volumenausgleichs, durch die Bauart bedingt, weich nachgebend und damit in etwa einer Feder vergleichbar.
• Einen gewissen Volumenausgleich kann man auch dadurch erreichen, daß man die im Extruder verflüssigte Schmelze nach dem Austritt aus dem Extruder für eine Strecke von einigen Zentimetern ins Freie treten läßt, bevor sie vom dimensionierenden Werkzeug aufgenommen wird. Die Schmelze bildet einen- Wulst zwischen Extruder und Kalibrierung. Der Durchmesser dieses Wulstes ändert sich aufgrund der vorstehend- beschriebenen Schwankungen im Prozeß.
• Dieses Verfahren ist jedoch nur anwendbar bei der Verarbeitung zähfließender Materialien, die auch im plastischen Zustand eine gewisse Formstabilität haben. Polyamid, welches im geschmolzenen Zustand relativ dünnflüssig ist, läßt sich auf diese Weise nicht verarbeiten.
• Der entscheidende Nachteil ist jedoch, daß die beiden Baugruppen Extruder und Abzug dynamisch gesehen völlig unabhängig voneinander arbeiten und daß Parameteränderungen des einen Teils der Anlage vom anderen Teil nicht (im Sinne der Regelungstechnik) kompensiert werden.
• Betrachtet man die Abkühlung eines Stranges vom gegebenem Durchmesser unter idealen Bedingungen, so bildet sich die Phasengrenze zwischen plastischem und erstarrtem Material als Kegel aus. Die Rotationsachse des Kegels fällt mit der Achse der Fortbewegung des Stranges zusammen, die Basis des Kegels liegt in der Eintrittsöffnung der Kalibrierung und entspricht dem Querschnitt des Stranges. Die Kegelspitze befindet sich im Innern der Kalibrierung auf der Mittelachse.
• Der Raumwinkel in der Kegelspitze hängt bei gegebenem Strangdurchmesser und bei konstanten Betriebsbedingungen nur von der Ausstoß- bzw. der Abzugsgeschwindigkeit ab. Mit steigender Abzuggeschwindigkeit wird der Winkel kleiner und der Kegel länger. Einen kurzen Kegel mit großem Spitzenwinkel erhält man bei niedriger Abzuggeschwindigkeit.
• Mit Beginn des Abkühlvorganges in der Kalibrierung setzt eine Volumenverringerung des Stranges ein. Dieser Volumenskontraktion wirkt das Nachdrücken von Schmelze über den flilssigen Massekegel entgegen.
• Bei Störungen im Bewegungsablauf des Stranges, also bei unkontrollierten Verweilzeiten einzelner Strangabschnitte in der Kalibrierung infolge Blockierens, kann es an der Mantelfläche des Massekegels zu Grenzschichtabrissen kommen. An diesen abgerissenen Schichten, die von bereits erstarrtem Material umgeben sind, bilden sich Lunker, da die dort einsetzende Volumenkontraktion nicht mehr durch Nachschieben flüssigen Materials kompensiert werden kann.
• Die Gefahr der Lunkerbildung ist in der Nähe der kegelspitze am größten, da dort der plastische Materialstrang nur noch einen kleinen Querschnitt hat, und dadurch leicht unterbrochen werden kann.
• Es war daher die Aufgabe der Erfindung, über eine geeignete Regelgröße die Abzugsgeschwindigkeit der Formmasse dem Abkühlvorgang in der Kalibrierung derart anzupassen, daß Störungen im Bewegungsablauf des Stranges vermieden werden.
• überraschend wurde gefunden, daß die Formmasse ohne Zwischenschaltung eines Volumenausgleichsgefäßes zwischen Extruder und Kalibrierung gefördert werden kann, sofern die Abzugsgeschwindigkeit der Formmasse über den im Extruder herrschenden Druck der Schmelze als Meß- und Regelgröße geregelt wird.
• Vorteilhaft wird der im Extruder herrschende Druck der Schmelze mittels eines elektrischen Druckaufnehmers gemessen und über mehrere Anpassungsverstärker in ein elektrisches Signal umgesetzt, das als Istwert des Massedrucks angezeigt, registriert und in einer Regeleinrichtung mit einem über Dekadenschalter vorwählbaren Sollwert-Signal verglichen wird, wobei eine hieraus resultierende positive oder negative Differenz auf ein aus einer elektrischen Phasenanschnittsteuerung bestehendes Stellglied derart einwirkt, daß die an den Greifbacken des Abzuges auf den Vollstab einwirkende Abzugkraft über eine Drehzahlverstellung des die Backen antreibenden Gleichstrommotors von einer durch den Sollwert oder über einen separaten Sollwertsteller vorgegebenen Grunddrehzahl in positiver oder negativer Richtung geändert wird.
• Diese Drehzahländerung kann von einem Tachogenerator erfaßt und neben den elektrischen Betriebsdaten des Motors angezeigt und registriert werden.
• Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ist es gelungen, eine gegenüber dem Bekannten äußerst empfindliche Regelung für die Abzugsgeschwindigkeit der Formmasse zu schaffen und darüber hinaus durch den Wegfall des Volumenausgleichgefäßes zwischen Extruder und Kalibrierung die bekannten Herstellverfahren für Halbzeug aus thermoplastischen Formmassen ganz wesentlich zu vereinfachen.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
• Die bestimmende Verfahrens größe der Regelung ist der im Extruder herrschende Massedruck. Er wird von einem elektronischen Regler 4 mittels eines digitalen Einstellpotentiometers 6 als Sollwert vorgegeben. Aus diesem Sollwert resultiert eine bestimmte Abzuggeschwindigkeit. Der Istwert des Massedruckes wird im Extruder 13 mittels eines elektrischen Druckaufnehmers 1 gemessen und fortlaufend mit dem Sollwert verglichen. Im störungsfreien, stationären Betrieb ist die Differenz zwischen Sollwert und Istwert gleich null. Eine beginnende Verkeilung des Stranges 16 im Kalibrierwerkzeug 14 äußert sich in einer spontanen Erhöhung des Massedrucks. Damit tritt eine positive Differenz zwischen Sollwert und Istwert auf. Diese Differenz, eine elektrische Spannung im mV-Bereich, wird über Verstärker 2 aufbereitet.
• Zwischen den Regler 4 und den Antrieb 10 des Abzuges 17 ist als Stellglied eine phasenanschnittgesteuerte- Thyristorschaltung 7 eingesetzt. Die in Folge der Differenz zwischen Sollwert und Istwert des Massedrucks produzierte elektrische Spannung wirkt nun auf dieses Stellglied 7 ein und zwar derart, daß eine positive Differenz die Thyristorschaltung stärker aussteuert, während eine negative Differenz die Aussteuerung zurücknimmt.
• Eine stärkere Aussteuerung des Stellgliedes 7 bewirktceine Erhöhung der Drehzahl des Abzugmotors 10 und damit eine Vergrößerung der Abzugskraft, die über Greifbacken 15 mit Schließkolben den Strang 16 beaufschlagt.
• Da infolge der starren mechanischen Verbindung zwischen I,xtruder 13 Kalibrierung 14 und Abzug 17 über den Strang 16 eine Geschwindigkeitserhöhung nicht spontan möglich ist, vergrößert sich infolgedessen die Abzugskraft und eine beginnende Verkeilung wird schon im Entstehen gelöst.
• Das Lösen der Verkeilung des Stranges 16 äußert sich in einem schnellen Absinken des Massedrucks auf den ursprünglichen Sollwert, wodurch dann über die Regelung die stärkere Aussteuerung des Stellgliedes 7 wieder zurückgenommen wird.
• Mehrere Verstellmöglichkeiten in der Regeleinrichtung erlauben es, sowohl den quantitativen Eingriff des Reglers in die Drehzahlverstellung als auch das Zeitverhalten dieses Eingriffes dem jeweiligen BetrIebs zustand der gesamten Anlage anzupassen.
• Weiterhin ist es möglich, mittels eines Umschalters die Regelung abzuschalten und die Abzuggeschwindigkeit mittels einer Handverstellung 9 in ihrem ganzen Bereich zu durchfahren.
• Anzeigegeräte 3, 5, 8 für den Istwert des Massedrucks (3), für die Drehzahl des Abzugmotors 10 (5) und dessen Motordaten (8), sowie ein Kompensationsschreiber 12 erlauben es, die Verfahrensgrößen. Massedruck, Abzugsgeschwindigkeit (gemessen vom Tachogenerator 11), Motorstrom und Motorspannung fortlaufend zu messen und zu registrieren.

Claims (3)

1. Patentansprüche

   Verfahren zur Herstellung von Halbzeug aus thermoplastischen Formmassen durch Extrusion des im Schmelzenzustand befindlichen Rohproduktes über einen Extruder in eine Kalibrierung mit nachgeschalteter, elektrisch angetriebener und geregelter Abzugsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Formmasse ohne Zwischenschaltung eines Volumnausgleichsgefäßes zwischen Extruder und Kalibrierung gefördert, und die Abzugsgeschwindigkeit der Formmasse über den im Extruder herrschenden Druck der Schmelze als Neß- und Regelgröße geregelt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Extruder herrschende Druck der Schmelze mittels eines elektrischen Druckaufnehmers (1) gemessen und über mehrere Anpassungsverstärker (2) in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, das als Istwert des Hassedrucks (7) angezeigt, registriert (12) und in einer Regeleinrichtung (4) mit einem über Dekadenschalter (6) vorwählbaren Sollwert-Signal verglichen wird, wobei eine hieraus resultierende positive oder negative Differenz auf ein aus einer elektrischen Phasenanschnittsteuerung bestehendes Stellglied (7) derart einwirkt, daß die an den Greifbacken (15) des Abzuges (17) auf den Vollstab (16) einwirkende Ab zugkraft über eine Drehzahlverstellung des die Backen (15) antreibenden Gleichstrommotors (10) von einer durch den Sollwert oder über einen separaten Sollwertsteller (9) vorgegebenen Grunddrehzahl in positiver oder negativer Richtung geändert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahländerung von einem Tachogenerator (11) erfaßt und neben den elektrischen Betriebsdaten (8) des Motors (10) angezeigt (5) und registriert (12) wird.

   Zeichn.