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Bezeichnung: Verfahren und Vorrichtung zum kontinuier-
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lichen Steuern des Extrudiervorganges in Extrudieranlagen Zusatz
zu: - -Ausscheidung aus: -.-Ausstellungspriorität: -.-Unionspriorität : Datum: -.-Land:
~.~ Aktenzeichen: -.-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Steuern des Extrudierablaufs in Extrudieranlagen,
in denen ein Strom von plastifiziertem, thermoplastischen Material von der Extruderpresse,
insbesondere Schneckenpresse über eine Station mit zusätzlichem Strömungswiderstand
(zusätzlichem Materialstau) zum Extrudierwerkzeug geführt wird.
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Zur Steuerung des Extrudierablaufs in Extrudieranlagen hat man bisher
mit mehr oder weniger hohem apparativem Aufwand eine Mehrzahl von Betriebsparametern
überwachen und Steuern müssen, ohne dabei eine wirklich sichere kontinuierliche
Steuerung des Extrudierablaufs zu erreichen. Insbesondere hat man bisher Plastifizierung
und Strömungstnenge des durch die Anlage geführten ther moplastischen Materials
die Drehzahl der Extruderschnecke in gegenseitiger Abhängigkeit mit der Extrudiertemperatur
ver#ndert. Diese Art der Regelung bedeutet jedoch in dem för den Extrudiervorgang
wesentlichen Druck-Ausstoss-Kennlinienfeld der Extruderschnecke den Übergang auf
eine Kennlinie für andere Schneckendrehzal, also andere
Betriebsparameter.
In der Praxis äussert sich ein solcher Übergang durch Verlust an StabilitSt und
Verlieren der optimalen Betriebsverhältnisse. Ausserdem stellt die Xnderung der
Schneckendrehzahl eine nur langsam greifende Regelungsmassnahme dar, so dass auf
diese Weise viele in der Praxis auftretende Betriebsverhältnisse nicht einwandfrei
beherrscht werden können.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Steuern des Extrudierablaufes in Extrudieranlagen
zu schaffen, mit denen ein schneller, wirksamer Regelungseingriff möglich ist, und
ein optimaler Arbeitspunkt, zumindest ein möglichst enger, optimaler Arbeitsbereich
auf der Druck-Ausstoss-Kennlinie der EAruderpresse eingehalten werden kann. Dabei
sollen ferner alle beim Extrudieren von bhermoplastischen Kunststoffen auftretenden
Betriebsverhältnisse beherrschbar gemacht werden.
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Diese Aufgabe wird im Verfahren gemäss der Erfindung dadurch gelöst,
dass der zusätzliche Strömungswiderstand (zusätzlche Materialstau) kontinuierlich
geregelt und dabei der 1#aterial-Gegendruck (P), der von der Gesamtheit des zwischen
der Extruderpresse und dem
Extrudierwerkzeug herrschenden Strömungswiderstandes
im Materialstrom erzeugt wird, kontinuierlich auf vorgegebenem Augenblickswert gehalten
wird.
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Der Erfindung liegt dabei die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass
der im Materialstrom zwischen der Extruderpresse und dem Extrudierwerkzeug erzeugte
Material-Gegendruck (P) eine zentrale Betriebsgrösse für den Extrudiervorgang ist,
von der aus sich alle übrigen Betriebsparameter, die bisher mit hohen. apparativem
Aufwand mehr oder weniger unabhängig voneinander überwacht und gesteuert worden
sind, mit wenig Aufwand, leicht und sicher beherrschen lassen. Im Gegensatz zu den
bisher bekannten Steuerungsmassnahmen im Extruderablauf soll demgegenUber gemäss
der Erfindung in erster Linie die Überwachung und Einstellung des Materialgegendrucks
zwischen Extruder-1 presse und Extrudierwerkzeug vorgenommen werden und dabei der
Material-Gegendruck auf vorgegebenem Augenblickswert gehalten werden.
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Es ist zwar bekannt, bei der Verarbeitung mikroskopischer Materialien
Extruderschnecken mit Entgasungseinrichtungen einzusetzen und am Ausgang der Extruderschnecke
ein Stauventil vorzusehen, um durch Einstellung des Stauventils bei Betriebsbeginn
sicherzustellen, dass der Schneckenabschnitt zwischen der Entgasungsstelle und dem
Schneckenausgang hinreichend mit Material gefüllt ist. Demgegenüber soll aber nach
der Erfindung der Materialstau unabhängig von dieser Voraussetzung zur funktionellen
Steuerung des gesamten Extrudersystems eingesetzt werden. Durch die Erfindung wird
die Möglich kelt geschaffen, während des Extrudierens auch über lange Zeiträume
auf einem optimalen Arbeitspunkt oder zumindest innerhalb eines sehr engen optimalen
Arbeitszeitraumes, d.h. auf der optimalen Werkzeugkennlinie zu arbeiten. Dies bedeutet,
dass alle übrigen, für den Betrieb der Extruderpresse, insbesondere einer Schneckenpresse
wesentlichen Parameter optimal eingestellt werden und bleiben können. Die Regelfunktion
lässt sich mit den an jeder Extrudieranlage grundsätzlich bei Erstinbetriebnahme
und auch später von Zeit zu Zeit und auch beim Einführen von neuem zu verarbeitendem
Material auszuführenden Probe läufen leicht festlegen und stellt damit sicher, dass
der Gegendruck auch
bei Veränderung innerhalb eines optimalen Arbeitsbereiches
der Anlage verbleibt. Auf diese Weise wird volle Betriebsstabilität sichergestellt.
Durch die Erfindung wird es auch möglich, notwendige Eingriffe und Xnderungen an
dem Extrudierwerkzeug, beispielsweise Nachstellen des Heizens und Kühlens am Extrudierwerkzeug,
evtl.
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Spaltverstellungen und vor allem Siebwechsel am Extrudierwerkzeug
möglich, ohne die Stabilität des Extrudiervorganges zu verlieren.
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Bei laufendem Extrudervorgang ist es in der Regel zweckmässig, den
durch den Cesamt-Strömungswiderstand erzeugten Gegendruck auf einem vorher festgelegten
Wert konstant zu halten, also diesen konstanten Cegendruckwert als Regelfunktion
zu benutzen. Für andere Betriebsverhältnisse kommen ggf. auch andere Regelfunktionen
in Betracht. Beispielsweise kann zum Anfahren einer Extrudieranlage der durch den
Gesamt-Strömungswiderstand erzeugte Gegendruck von einem vorher festgelegten Ausgangs-wert
kontinuierlich zu einem ebenfalls vorher festgelegten Betriebswert übergeführt werden.
Der Ausgangswert des Gegendruckes kann beispielsweise etwas höher als der Betriebswert
ange-
setzt werden. Dies bedeutet, dass beim Anfahren des Regeln
gemäss der Erfindung mit langsam abnehmendem Gegendruckwert durchgeführt wird. Man
erreicht dadurch, dass die Anfahrzeiten für die #xtrudieranlage wesentlich herabgesetzt
wird. Bei Gross-Extrudieranlagen sind nämlich solche Anfahrzeiten, bis sich der
Prosessablauf in thermisches Gleichgewicht eingestellt hat, relativ lang. Sie können
eine oder mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Durch das Regeln gemäss der Erfindung
mit Regelfunktion, insbesondere einer Regelfunktion mit kontinuierlich abnehmendem
Gegendruck wert wird sehr schnell nach Anlaufen der Anlage ein stabiles Gleichgewicht
im Prozessablauf eingestellt, wenngleich das endgültige thermische Gleichgewicht
auch noch nicht erreicht ist.
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Vielmehr wird während der Anfahrzeit der Gegendruck im Materialstrom
vor dem Einführen in das Extrudierwerkzeug auf den im jeweiligen thermischen Zustand
der Anlage optimalen, Arbeitsstabilität gewährleistenden Wert gehalten.
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Die Erfindung bietet auch wesentliche Vorteile bei während des Betriebs
vorkommenden, besonderen Betriebsverhältnissen.
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So lassen sich beispielsweise durch die Erfindung auch die bei mit
Sieb vor dem Extrudierwerkzeug ausgerüsteten Extrudieranlaqen, insbesondere am Sieb
eintretenden Betriebsverhältnisse sicher beherrschen. Hierzu empfiehlt es sich gemäss
der Erfindung, den zusätzlichen Stau in Strömungsrichtung des Materials vor dem
Sieb zu erzeugen.
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Bisher hat das Sieb vor dem Eingang des Extrudierwerkzeugs deshalb
besondere Schwierigkeiten im Betrieb der Anlage erzeugt, weil sich ein solches Sieb
naturgemäss während des Betriebes mehr und mehr zusetzt und damit den Strömungswiderstand
verändert. Durch das Regelverfahren gemäss der Erfindung lässt sich diese, durch
das Zusetzen des Siebes nur ungefähr vorhersehbare änderung des Strömungswiderstandes,
durch entsprechendes Vermindern des gewollt erzeugten Staues voll ausgleichen.
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Es tritt dann keine änderung des Gesamt-Strömungswiderstandes ein,
so dass der Prozess auch bei sich zusetzendem Sieb ständig auf dem optimalen Arbeitspunkt
gehalten wird.
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Das Verfahren gemäss der Erfindung hat auch seine besonderen Vorteile
bei Extrudieranlagen, die mit Sieb und automatischer Siebwechselvorrichtung ausgerüstet
sind.
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Durch den Siebwechsel tritt naturgemäss eine starke Ver-
minderung
des Strömungswiderstandes am Sieb ein, weil das zuge setzte Sieb durch ein offenes
Sieb ausgetauscht wird. Diese Verminderung an Strömungswiderstand wird gemäss der
Erfindung durch entsprechende Erhöhung im Strömungswiderstand des Staus aufgefangen.
Der Stau ist dabei auch noch zusätzlich imstande, eventuell während des Siebwechsels
selbst auftretende kurzzeitige Anderungen des Strömungswiderstandes aufzufangen,
beispielsweise wenn zeitweilig überhaupt kein Sieb in dem Strömungsweq des Materials
liegt.
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Eine weitere, durch die Erfindung eröffnete Möglichkeit besteht beispielsweise
in kontinuierlichem Chargenwechsel oder Materialwechsel unter Aufrechterhaltung
stabiler Betriebsverhältnisse. Für Chargenwechsel, d.h. bei Übergang auf Material
gleicher chemischer Art jedoch anderer Herstellungscharge oder Herstellungsstätte
kann es vielfach ausreichen, den Arbeitspunkt der Anlage, d.h. den Gegendruckwert
konstant beizubehalten.
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Bisher waren die beim Einführen von Material anderer Charge, beispielsweise
auch beim Einführen von Rücklaufmaterial, in die Extruderpresse zunächst auftretenden
Uränderung der Materialviskosität am Pressenausgang geeignet, den Ablauf des Extrudierprozesses
instabil zu machen und vielfach sogar abreissen zu lassen. Durch
die
Regelung gemäss der Erfindung kann aber bereits die mittels des veränderbaren Staus
erreichte stabile Aufrechterhaltung des optimalen Arbeitspunktes ausreichen, während
des Ubereanges von einer Charge zu einer anderen die Prozess-Stabilität aufrecht
zu erhalten und die optimalen Plastifizierverhältnisse, insbesondere optimale Viskosität
des plastifizierten Materials am Pressenausgang zu gewährleisten.
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Wenn auf material anderer Charge oder überhaupt anderes Material gleicher,
grundsätzlicher Art übergegangen wird, bei dem der optimale Arbeitspunkt der Anlage
an anderer Stelle der Druck-Ausstoss-Kennlinie der Extruderpresse liegt als bei
dem bisher verarbeiteten Material, so bietet die Erfindung wiederum die ölichkeit,
eine Regelfunktion einzuführen, mit der unter Aufrechterhaltung des stabilen Betriebs
vom bisherigen Arbeitspunkt auf einen neuen Arbeitspunkt übergegangen werden kann.
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Die Erfindung bezeht sich auch auf eine Vorrichtung zum Regeln der
Plastifizierung und bzw. oder der Strömungsmenge des von der Extruderpresse kommenden
Materialstromes.
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Neben der Aufgabe der sicheren Durchführung des oben erörterten Verfahrens
kommt einer solchen Vorrichtung auch noch die Aufgabe zu, zumindest während des
normalen
Betriebes eine selbsttätige Regelung vorzunehmen. Cegebenenfalls
kann eine solche Vorrichtung auch dazu vorgesehen werden, bei von Zeit zu Zeit erforderlichen
Umstellungen, beispielsweise bei Siebwechsel, die erforderlichen Regelmassnahmen
automatisch vorzunehmen.
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Die Vorrichtung gemäss der L'rfindung kennzeichnet sich deshalb dadurch,
dass das Stauventil in seinem Strömungswiderstand verstellbar und mit Einrichtungen
zum Messen des Gegendruckes im Materialstrom vor dem Stauventil und mit automatischen
Einrichtungen zum Einstellen des Stauventils entsprechend einem einzustellenden
Druckwert oder einzustellenden Druckfunktion verbunden ist.
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Mit dieser Ausstattung lässt sich das oben beschriebene Verfahren
während des normalen Arbeitsablaufes einer Extrudieranlage automatisieren. Die Vorrichtung
zum automatischen Verstellen des Stauventils kann dabei in verschiedener Weise ausgebildet
sein: a) als Verstelleinrichtung des Stauventils für elektro-oder sonstige nisch
Gegendruckre#ung in Verbindung mit Stellmotor für das Stauventil oder b) als Verstellvorrichtung
des Stauventils für elektroni-oder sonstige sche Gegendruckregelung in Verbindung
mit Verstellung des Stauventils durch Federkraft oder c) als Verstellvorrichtung
des Stauventils für elektrode onsti#e nische Gegendruckregelung in Verbindung mit
hydrauli-
scher Verstellung des Stauventils.
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Die Details für die technische Ausführung dieser Verstellvorrichtung
in ihren verschiedenen Ausführungsmögt lichkeiten sind aus bekannten Steuer- und
Regeleinrichtungen ohne weiteres zusammenstellbar.
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Ist eine Extrudieranlae mit Materialsieb ausgestattet, dann ist in
der Vorrichtung gemäss der Erwindung das Stauventil vorzugsweise im Strömungsweg
des Materials vor den Materialsieb angeordnet.
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Bei Extrudieranlagen mit automatischer Siebwechsel-Vorrichtung sollte
bei der Vorrichtung gemäss der Erfindung vorzugsweise das Materialsieb ausser mit
dieser automatischen Wechselvorrichtung auch mit einer Messvorrichtung für den Materialgegendruck
über das Sieb versehen sein, also auch eine Messung des Materialdruckes vor und
hinter dem Sieb erfolgen.
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Diese zusätzliche Messvorrichtung für den Druckabfall über das Sieb
soll dann an die automatische Siebwechsel-Vorrichtung und vorzugsweise auch an die
Vorrichtung zum automatischen Verstellen des Stauventils derart angeschlossen sein,
dass die Messvorrichtung für den Material-Druckabfall über das Sieb bei Erreichen
eines vorher bestimmten Durokabfall-
Wertes ein Signal an die Siebwechselvorrichtung
zum Einleiten des Siebwechsels und ein Signal an die Vorrichtung zum automatischen
Verstellen des Stauventils in Sinne der Konstanthaltung des Gesamt-Strömungswiderstandes
über Stauventil, Sieb und Extrudierwerkzeug während des Siebwechselvorganges abgibt.
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Die Vorrichtung gemäss der Erfindung kann auch zu einer Kontrollvorrichtung
für den Normalbetrieb einer Extrudieranlage ausgebaut werden. Diese~0Si&h&rungs
und Kontrollfunktion kommt dann besonders zustatten, wenn an die Extrudieranlage
unmittelbar Vorrichtungen zur Weiterbehandlung des Extrudates, beispielsweise -
Kalibratoren, Rechvorrichtungen oder Thermoformmaschinen angeschlossen sind. Besonderen
Vorteil bietet die als Betriebssicherungs- und Kontrollvorrichtung ausgebaute erfindungsgemässe
Vorrichtung dann, wenn mehr oder weniger alle Funktionfien der Extrudieranlage,
beispielsweise der Materialnachschub, in die Extruderpresse, die Schneckendrehzahl,
die Temperatur an der Schnecke und am Extrudierwerkzeug usw. über einen Betriebscomputer
gesteuert werden sollen. Durch die erfindungsgemässe Konstanthaltung des Material-Gegendruckes
am Ausgang der Extruderpresse und durch die dadurch erreichte Konstanthaltung der
Viskositätsverhältnisse in dem zu extru-
dierenden Material ist
die wesentliche Voraussetzung geschaffen, eine solche Automatisierung einer Extrudieranlage
mittels Betriebscomputer vorzunehmen.
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Im Rahmen der Erfindung sollte bei einer solchen, mit Betriebscomputer
mehr oder weniger automatisierten Extrudieranlage die automatische Verstelleinrichtung
für das Stauventil mit dem Betriebscomputer verbunden sein, damit einerseits bei
ernsten Betriebsstörungen, die durch die Regelung am Stauventil nicht mehr aufgefanden
werden können, eine Rückwirkung auf den Betrietsicomputer und evtl. Anhalten des
Betriebes erfolgt und andererseits der Betriebscomputer der automatischen Einstellvorrichtung
für das Stauventil den konstant zu haltenden Druckwert bzw. die einzuhaltende Druckfunktion
vorschreibt.
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Die Vorrichtung gemäss der Erfindung lässt sich auch bei Koextrusionsanlagen
einsetzen. Hierzu wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, bei Koextrusionsanlagen
mit zwei oder mehr auf ein gemeinsamens Extrudierwerkzeug anbeitenden Extruderpressen
zwischen jeder Extruderpresse und dem Eingang des gemeinsamen Extrudierwerkzeuges
ein Stauventil und in Strömungsrichtung des Materials von jedem dieser Stauventile
eine Einrichtung zum Messen des Gegendruckes im Materialstrom anzubringen, wobei
in denjenigen dieser
Material zum gemeinsamen Extrudierwerkzeug
führenden Zweige das jeweilige Stauventil mit einer automatischen Stellvorrichtung
ausoestattet ist, wenn dieser zwei Einrichtungen mit sich änderndem Strömungswiderstand
enthält. Gegebenenfalls kann man auch die Stauventile in allen diesen Zweigen mit
automatischer Einstellvorrichtung ausstatten, um so auch eine zusätzliche ilöglichkeit
zum Konstanthalten der Viskositätsverhältnisse in allen der Koextrusion zuzuführenden
Materialien sicherzustellen.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Aufbauskizze einer Extrudieranlage
mit Regelvorrichtung gemäss der Erfindung; Fig. 2 ein Diagramm für die Anderung
des Strömungswiderstandes durch Zusetzen des iaterialsiebs bei herkömmlichen Extrudieranlagen;
Fig. 3 ein Regeldiagramm für den gemäss der Erfindung aufgrund der Xnderung des
Strömungswiderstandes am Materialsieb gesteuerten Stau;
Fig. 4
ein Figur 2 entsprechendes Prozessdiagramm unter Anwendung der dem Diagramm gemäss
Figur 3 entsprechenden Regelung; t Fig. 5 eine schaubildliche Darstellung einer
mit Vorsteuerung ausgestatteten Vorrichtung gemäss der Erfindung und vergrösserte
Teilschnittdarstellung des Extrudats ent- 1 sprechend der Linie V-V und Fig. 6 eine
schematische Darstellung einer rit Vorrichtungen gemäss der Erfindung aus-Restatteten
Koextrusionsanlage.
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Bei der in Figur 1 in einer Aufbauskizze wiedergegebenen Extrudieranlage
ist eine Extruderpresse 1 vorgesehen, die im dargestellten Beispiel als Schneckenpresse
ausgebildet sein kann. In den Ausgang 2 der Extruderpresse 1 ist eine Vorrichtung
3 zum Messen des im plastifizierten Material herrschenden Druckes P eingesetzt.
In Strömungsrichtung des die Extruderpresse 1 verlassenden plastifizierten Materials
ist an den Extruderausgang 2 ein Stauventil 4 angeschlossen, so dass sämtliches
plastifiziertes Material dieses Stauventil 4 durchlaufen muss.
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Das Stauventil 4 hat eine Einstellvorrichtung 5 zum Steuern des im
Stauventil 4 gebildeten Materialstaus.
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Diese Einstellvorrichtung 5 kann für Handbetrieb ausgestattet sein,
vorzugsweise ist sie aber, wie weiter unten erläutert, automatisch ausgebildet.
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In Strömungsrichtung des Materials schliesst sich an das Stauventil
4 eine Siebwechseleinrichtung 6 an, mit der ein oder mehrere Siebe in den Materialstrom
eingesetzt werden. Hinter diese Siebwechseleinrichtung 6 ist dann das eigentliche
Extrudierwerkzeug, beispielsweise eine Breitschlitzdüse 7 angebracht. Da das das
Extrudierwerkzeug bzw. die Breitschlitzdüse 7 verlassende Extrudat nur noch wenig
Druckpotential enthält, kann der an der Druckmesseinrichtung 3 am Ausgang der Extruderpresse
1 gemessene Materialdruck praktisch als der über das Stau ventil 4, die Siebanordnung
6 und die Breitschlitzdüse 7 erzeugte Gegendruck angesehen werden, der dem Gesamt-Strömungswiderstand
über Stauventil 4, Siebanordnung 6 und Breitschlitzdüse 7 proportional ist.
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Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens könnte der an der
Druckmesseinrichtung 3 angezeigte Druck P durch Einstellen an der Einstellvorrichtung
5 des Stauventils 4, beispielsweise von Hand, auf einen jeweiligen Wert eingestellt
werden. Dieser Wert könnte bei sich zeit-
lich ändernder Regelfunktion
ein Augenblickswert sein oder auch ein Wert, auf dem der Druck während des Verfahrensablaufs
konstant gehalten wird.
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Wie in Figur 1 gestrichelt eingezeichnet, kann die Einrichtung 3 zum
Messen des Druckes am Ausgang 2 der Extrucarpresse 1 mit einer elektronischen Steuervorrichtung
8 verbunden sein, die die Steuerung der Einstellvorrichtung 5 übernimmt. Diese elektronische
Steuervorrichtung arbeitet dann in dem Sinne, dass der Strömungswiderstand im Stauventil
4 erhöht, also das Stauventil 4 weiter geschlossen wird wenn der Druck P abnimmt
und umgekehrt das Stauventil 4 weiter geöffnet wird, wenn der Druck P zunimmt.
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Die Einstellvorrichtung 5 kann verschiedenen Aufbau aufweisen. Beispielsweise
kann sie motorischer Art sein, um den Ventilkörper des Stauventils 4 in den Strömungsweg
des Materials tiefer einzufahren bzw. aus dem Srömungsweg zurückzuziehen. Die Einstellvorrichtung
5 kann aber auch eine Federvorrichtung sein, die unter Vorspannung gesetzt den Körper
des Stauventils 4 in den Strömungsweg des Materials drückt, wobei das durch das
Stauventil 4 strömende Material bestrebt ist, den Ventilkörper zurückzudrücken
und
dadurch Gleichgewicht zwischen dem im Material herrschenden Druck und der Vorspannung
der Federvorrichtung herstellt. Schliesslich kann die Einstellvorrichtung 5 auch
eine hydraulische Vorrichtung sein,; die entweder zwangsgesteuert den Körper des
Stauventils 4 mehr oder weniger tief in den Strömungsweg des Materials einstellt,
oder auch ähnlich wie die oben erwähnte Federvorrichtung ein Gleichgewicht zwischen
dem in der Einstellvorrichtung erzeugten hydraulischen Durck und dem sicß im Stauventil
4 einstellenden Materialdruck P erzeugt. In jedem Fall wird durch das Stauventil
4 in Verbindung mit der Druckmesseinrichtung 3 ein gewollter Materialdruck am Ausgang
2 der Extruderpresse 1 eingestellt.
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Das Prozessdiagramm nach Figur 2 verdeutlicht die Betriebsverhältnisse
einer Anlage nach Figur 1, wenn bei normalem Extrudierprozess keine Druckregelung
am Stauventil 4 vorgenommen wird. In dem Diagramm sind folgende Betriebswerte wiedergegeben:
Q: Materialausstoss der Extruderpresse 1 (und dementsprechend Extrudatausstoss der
Düse 7; P: ander Einrichtung 3 gemessener Materialdruck; W1: Werkzeugkennlinie bei
geringerem Strömungswiderstand W2: Werkzeugkennlinie bei grösserem Strömungswiderstand;1
Kennlinie der Extruderschnecke;
A1 bzw. A2: Arbeitspunkte; A 1
'A2 : Arbeitsbereich; Q1 bzw. Q2: Materialdurchsätze durch das Werkzeug bei A1 bzw.
A2; Q1, Q2 X Durchsatzabfall; P1 bzw. P2: Materialdruck an der Einrichtung 3 @@
A1 bzw. A2; P1'P 2 : Druckanstieg.
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Das Diagramm der Figur 2 zeigt, dass bei einem zunichst offenen Sieb
eine sich dem-entsprechend kleinereren Strömungswiderstand steilere Werkzeugarbeitslinie
w1 einstellt, die die Kennlinie K der Extruderschneck@ ja Punkt A1 schneidet. Bei
diesem Arbeitspunkt A1 stellt sich entsprechend der Schneckenkennlinie K ein Matorialdruck
P1 und ein Materialdurchsatz Q1 ein. Im Betrieb setzt sich das Sieb bzw. die Siebanordnung
6 ihrer Bestimmung, Verunreinigungen zurückzuhalten, entsprechend mehr und mehr
zu, so dass der Strömungswiderstand des Siebes zunimmt. Die Werkzeugkennlinie W1
geht dementsprechend nach und nach in die flachere Werkzeugkennlinie W2 über. Der
Arbeitspunkt wandert daher entlang der Schneckenkennlinie K bis zum Arbeitspunkt
A2, dem ein an der Einrichtung 3 gemessener höherer Material
druck
P2 und ein verminderter Durchsatz Q2 entspricht.
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Die Lage der Arbeitspunkte A1 und A2 müssen bisher durch Einstellung
an der Extruderpresse 1 und am Werkzeug 7 und durch Wahl des Siebwechselpunktes
so eingerichtet werden, dass die zwischen den Arbeitspunkten A1 und A2 liegende
Strecke der Schneckenkennlinie K einen stabilen Arbeitsbereich darstellt. Dabei
sind aber wesentliche Nachteile unvermeidlich: Wenn das die Düse 7 verlassende Extrudat
weiterbehandelt oder verarbeitet werden soll, bedingt der Durchsatzabfall Q1 , Q2
mehr oder weniger schwierige Probleme für die sich an die Extrudieranlage anschliessenden
Verfahren und Vorrichtungen. Der durch die Verschiebung des Arbeitspunktes von A1
bis A2 bedingte Druckanstieg P1 ,P2 bedringt eine änderung der Viskosität des die
Extruderpresse verlassenden Materials und damit eine Qualitätsänderung des die Düse
7 verlassenden Extrudats. Grösser ist jedoch der Nachteil, dass die durch den höheren
Arbeitsdruck P2 sich einstellende geringere Viskosität des plastifizierten Materials
beim Siebwechsel nicht mehr direkt auf die Werkzeugkennlinie W1 zurückführt, sondern
auf eine wesentlich kleiner verlaufende Werkzeugkennlinie, die in der Skizze gestrichelt
bei W3 angedeutet ist. Dies hat seinen Grund darin, dass die Werkzeugkennlinie nicht
allein
durch den Strömungswiderstand des Werkzeugs, sondern auch massgeblich durch die
Viskosität des durch das Werkzeug geführten #aterials bestimmt wird. Es würde sich
somit ein Arbeitspunkt A3 ergeben, der ausserhalb des stabilen Arbeitsbereiches
der Anlage liegt. Der Siebwechsel bringt daher die Gefahr mit sich, dass Instabilit#t
eintritt und der Extrudierprozess abreisst.
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Diese Gefahr wird um so stärker, je mehr das zu verarbeitende Material
plastifiziert wird. Für viele Herstellungsverfahren ist es aber gerade erwünscht,
das zu verarbeitende Material zum Extrudieren möglichst weigehend zu plastifizieren,
so dass sich das Material gerade noch in den Werkzeugsieben formen und dass das
Werkzeugsieb verlassende Extrudat soeben noch sicher aufgefangen werden kann. Will
man in solchem Grenzbetrieb arbeiten, dann sind die aus Figur 2 ersichtlichen, durch
das Materialsieb bedingten Verhältnisse ausserordentlich störend.
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Figur 3 zeigt, wie durch die Erfindung die durch das Material bedingten
Anderungen des Strömungswiderstandes ohne weiteres durch den zusätzlich erzeugten
Stau aufgefangen werden können, so dass sich ein konstanter, optimaler Betriebsdruck
ohne weiteres aufrecht erhalten lässt. In Figur 3 ist durch die gestrichelte Kurve
21 der über das Werkzeug und das Sieb herrschende Strömungswiderstand W (W) wiedergegeben.
Dieser Strömungswider-
stand nimmt in einem Zeitraum 24 während
des Betriebes zu, bis das Sieb ausrevechselt werden muss, was den Zeitraum 115 in
Anspruch nimmt. Dieser Vorgang wiederholt sich während des Betriebes immer wieder.
Nach der Erfindung wird demgegenüber in dem zusätzlich geschaffenen Stau ein durch
die strichpunktierte Linie 22 angedeuteter zusätzlicher Strömungswiderstand W(Stau)
erzeugt, der durch Regelung in entsprechendem lasse während der Betriebszeiträume
25 entsprechend verkleinert wird und beim Siebwechsel erhöht wird. Die sich aus
beiden Kurven 21 und 22 ergebende resultierende Kurve 23 für den Gesamt-Strömungswiderstand
W(Ges.) ist dann eine parallel zur Zeitachse laufende Gerade. Dies bedeutet, dass
der Gesamt-Strömungswiderstand # (Ges.) zeitlich konstant ist.
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Da Fer andererseits dieser Gesamt-Strömungswiderstand, wie bereits
im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert, proportional zu dem an der Einrichtung 3
gemessenen Druck ist, kann die zeitliche Kurve 23 durch Konstantregelung des Druckes
P am Ausgang 2 der Extruderpresse 1 geregelt werden.
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Andererseits zeigt Figur 4, dass durch den gleichbleibenden Cesamt-Strömungswiderstand
# (Ges.) mit einer
einzigen Werkzeugkennlinie gearbeitet werden
kann. Es ist damit möglich, unter Heranziehen der Schneckendrehzahl des Extruders
1 und sonstiger Parameter den am Ausgang 2 des Extruders 1 auftretenden Druck auf
einen Optimalwert für das zu verarbeitende Material und das zu erzeugende extrudat
einzustellen. Man erhält dadurch eine optimale Werkzeugkennlinie Wopt einen optimalen
Arbeitspunkt Aopt auf der sich von Maximalausstoss Q1 bis Maximaldruck P1 erstreckenden
Schneckenkennlinte K.
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Diesem optimalen Arbeitspunkt A opt entspricht ein optimaler Extrudatausstoss
Q Qopt. Diese Betriebsterhältnisse können auch über den Siebwechsel hinweg kontinuierlich
aufrecht erhalten werden.
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Analog verhalten sich das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe
Vorrichtung auch bei allen übrigen, den Materialdruck am Ausgang 2 der Extruderpresse
1 und den Strörnungswiderstand über das Extrudierwerkzeug beeinflussenden Betriebsverhältnisse,
insbesondere auch dann, wenn diese Betriebsverhältnisse durch änderung in der Viskosität
des plastifizierten Materials hervorgerufen werden, also durch Einführen von Material
abweichender Vrhaltensweise in das Verfahren. Eine Anzahl solcher weiterer Betriebsverhältnisse
ist bereits oben erörtert worden.
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Figur 5 zeigt schematisch eine Extrudieranlage mit automatischer Regelvorrichtung
gemäss der Erfindung. Am Ausgang 2 der Extruderpresse 1 ist wiederum eine Vorrichtung
3 zum Messen des im Materialstrom herrschenden Druckes P eingesetzt. An diese Druckmessvorrichtung
3 ist wiederum eine elektronische Steuervorrichtung 8 angeschlossen, die auf die
automatische Einstellvorrichtung 8 angeschlossen, die auf die automatische Einstellvorrichtung
5 des Stauventils 4 einwirkt. In Strömungsrichtung des von der Extruderpresse 1
zum Extrudierwerkzeug 7 geführten Materialstroms ist hinter dem Stauventil 4 wiederum
eine Siebanordnung 6 eingesetzt, die mit automatischer Siebwechseleinrichtung 26
ausgerüstet ist. Am Eingang und Ausgang der Siebanordnung 6 sind Drucksonden 27
angeordnet, die den Druckabfall Op messen.
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Diese Messeinrichtung 27, 28 ist an die automatische Siebwechselvorrichtung
26 angeschlossen, um ein Signal zum Siebwechsel zu geben, sobald der Druckabfall
bp über die Siebanordnung 6 einen festgelegten Maximalwert erreicht. Gleichtzeitig
gibt diese Messvorrichtung 28 ein Signal an die Steuervorrichtung 8, um die Einstellvorrichtung
5 für das Stauventil 4 zu veranlassen, sofort mit Beginn des Siebwechsels den Staudruck
zu erhöhen.
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Die Erhöhung des Staudruckes am Stauventil 4 kann ent-
sprechend
Figur 3 auf den Wert Popt erfolgen. Es ist aber auch durchaus möglich, über dieses
Mass hinaus während des Siebwechselvorganges einen noch etwas erhöhten Wert des
von der Druckmessvorrichtung 3 gemessenen Druckes P zu wählen, um auf jeden Fall
sicherzustellen, dass die Stabilität des Extruderprozesses über den Siebwechsel
hinaus erhalten bleibt. In dem letzteren Fall wäre von der Messeinrichtung 28 für
den Druckabfall ßp über die Siebanordnung 6 noch ein Freigabesignal an die Steuervorrichtung
8 zu geben, um nach erfolgtem Siebwechsel wieder eine Drucksteuerung auf den optimalen
Arbeitsdruck Popt zu veranlassen.
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Bei dem in Figur 5 gezeigten Beispiel ist die Extrudieranlage mit
einem Computer 35 gesteuert, der nicht nur die Anlage ein- und ausschaltet, sondern
auch die wesentlichen Arbeitsparameter der Anlage auf einem vorherbestimmten, eingestellten
Wert hält. Als Beispiele zeigt Figur 5 bei 35a die Temperatursteuerung an der Extruderpresse,
bei 35b die Temperatursteuerung am Extrudierwerkzeug, d.h. der Breitschlitzdüse
7, bei 35c die Steuerung der Schneckendrehzahl der Extruderpresse 1 und bei 35d
die Steuerung der ;TaterialzufUhrung zur Extruderpresse 1.
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Die Betriebsparameter der Extrudieranlage, von welchen die obigen
Beispiele angeführt sind, werden dem jeweils
zu verarbeitenden
material entsprechend vorher bestimmt und als Software dem Computer 35 eingegeben.
Zu dieser Software kann auch der Wert des am Ausgang 2 der Extruderpresse 1 aufrecht
zu erhaltenden Materialgegendruck P gehören. Die elektronische Steuervorrichtung
8 der automatischen Stelivorrichtung für das Stauventil 4 ist deshalb mit dem Betriebscomputer
35 verbunden, um von dort den jeweilig gewählten Wert für den konstant zu haltenden
Materialgegendruck P zu erhalten.
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Die in Figur 5 getrennt dargestellte Steuervorrichtung 8 kann jedoch
auch direkt in den Computer 35 integriert sein was bedeutet, dass dann der Computer
die Messwerte, die gemäss Figur 5 der Steuervorrichtung 8 zugeführt werden, direkt
aufnimmt, und dafür auch direkt die Steuerung der Stellvorrichtung 5 für das Stauventil
4 übernimmt.
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Es ist auch denkbar, in dem dem Computer 35 dngegebenen Software eine
Abhängigkeitsfunktion zwischen dem am Ausgang 2 der Extruderpresse 1 konstant zu
haltenden Materialgegendruck P und den übrigen Arbeitsparametern der Extrusionsanla#e
vorzusehen. Die dann vorgenommene Verbindung 35e zwischen dem Betriebscomputer 35
und der automatischen Steuervorrichtung 8 kann dann derartig sein, dass an der Steuervorrichtung
8 als Hauptbetriebs-
grösse ein Sollwert für den am Ausgang 2 der
Extruderpresse 1 konstant zu haltenden Materialgegendruck P eingestellt wird. Der
bei 3 gemessene Ist-Wert dieses Materialsegendruckes wird dann vor der elektronischen
Steuervorrichtung 8 auf den Betriebscomputer 35 gegeben, damit dieser entsprechend
der in seiner Software enthaltenen Abhängigkeltsfunktion die übrigen Betriebsparameter
der Extrudieranlage entsprechend anpasst.
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Figur 5 zeigt ferner eine am Ausgang der Breit schlitzdüse 7 angeordnete
Dickenmessvorrichtung 31, die entsprechend dem Doppelpfeil 31a ständig hin- und
herbewegt wird. Die Messwerte dieser Dickenmessvorrichtung 31 laufen auf eine Auswerte-
und Registriervorrichtung 32 und von dieser entsprechend dem Pfeil 33 oder auch
parallel zu dieser auf den Betriebscomputer 35. So kann beispielsweise auf diesem
Wege die Konstanthaltung der Dicke d der Materialbahn 29 über einen der vom Computer
35 gesteuerten Betriebsparameter, beispielsweise die Schneckendrehzahl der Extruderpresse
1, erfolgen. Ausserdem wird auf diese Weise mittels der Dickenmessvorrichtung 31
eine vorteilhafte Betriebsüberwachung erreicht. Kommen nämlich die verschiedenen
Betriebsparameter der Extru-
dieranlage in gegenseitiges Ungleichgewicht
und in Ungleichgewicht zu dem am Ausgang 2 der Extruderpresse 1 konstant gehaltenen
Materialgegendruck P, so äussert sich dies durch Oberflächenunregelmässigkeiten,
beispielsweise Vertiefungen 3 in der Materialbahn 29.
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Der Computer 35 wird dann veranlasst, aufgrund der ihm als Software
eingegebenen Abhängigkeitsfunktion zwischen den Betriebsparametern der Extrudieranlage
den Arbeitspunkt der Extrudieranlage nachzustellen oder - falls dies nicht möglich
ist - Alarm auszulösen oder erforderliche Abschaltvorgänge einzuleiten.
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Figur 6 zeigt anhand einer Skizze, wie die Erfindung auch bei Koextrusionsanlagen
anwendbar ist. Das Beispiel der Figur 6 zeigt eine Koextrusionsanlage mit drei zu
extrudierendes Kunststoffmaterial zu einer gemeinsamen Breitschlitzdüse 7 führenden
Zweigen, also mit drei verschiedenen Extruderpressen la, Ib, ic, die auf ein gemeinsames
Extrudierwerkzeug 7 arbeiten. Die aus den Extruderpressen la, 1b und 1c kommenden
Ströme von plastifiziertem Kunststoff werden vor Erreichen des eigentlichen Extrudierwerkzeuges,
beispielsweise einer Breitschlitzdüse 7, in einem Werkzeughals 24 zusammenge-
führt.
Zwischen dem Werkzeughals 34 und der jeweiligen Extruderpresse 1a, 1b bzw. 1c ist
je ein eigenes Stauventil 4a, 4b bzw. 4c eingesetzt. Ausserdem ist am Ausgang 2a,
2b, bzw. 2c jeder Extruderpresse 1a, 1b bzw. 1c eine Einrichtung 3a, 3b, 3c zum
Messen des Druckes Pa, Pb, Pc im jeweiligen plastifizierten Material eingesetzt.
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Wenn der jeweilige plastifizierben Kunststoff zuführende Zweig irgend
eine Einrichtung 36, beispielsweise ein Sieb, enthält, deren Strömungswiderstand
sich während des Betriebes ändert, so ist in diesem Zweig zwischen der jeweiligen
Druckmessvorrichtung 3a, 3b, 3c und dem Stauventil 4a, 4b bzw. 4c eine automatische
Stellcinrichtung 8, 5 eingesetzt, um den Haterialgegendruck am Ausgang der jeweiligen
Extruderpresse 1a, 1b bzw. 1c konstant zu halten. Zur Verdeutlichung ist gemäss
Figur 6 in den Haupt zweig von der Extruderpresse 1a zum Werkzeughals 34 eine solche
Einrichtung 36 mit sich änderndem Strömungswiderstand, beispielsweise ein Sieb,
eingesetzt, während zwischen der Druckmessvorrichtung 3a und dem Stauventil 4a Einrichtungen
8, 5 zum automatischen Einstellen des Stauventils 4a vorgesehen sind. Diese Möglichkeit
ist jedoch nicht auf den Haupt zweig von der Extruderpresse 1a zum Werkzeughals
34 beschränkt. Am Beispiel des einen Nebenzweiges von der Extruderpresse 1c zum
Werkzeughals 34 ist die gleiche Möglichkeit durch
gestricheltes
Andeuten einer Einrichtung 36 mit sich änderndem Strömungswiderstand und gestricheltes
Andeuten der Einrichtungen 8, 5 zum automatischen Einstellen des Stauventils 4c
angedeutet.
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Es ist denkbar, alle drei Zweige mit den Einrichtungen zum automatischen
Einstellen des Stauventils 4a, 4b, 4c auszustatten, um evtl. auf diese Weise den
Koextrusionsvorgang günstiger und sicherer Steuern zu können.
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Nach der obigen Beschreibung soll in erster Linie elektronische Gegendruckregelung
in Verbindung mit der Stellvorrichtung 5 für das Steuerventil 4 vorgesehen sein.
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Es kommt jedoch auch jegliche andere Art von Steuerung in betracht,
beispielsweise hydraulische oder pneumatische Steuerung oder auch mechanische oder
kombinierte mecha nische-elektrische Steuerung.
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Alle in der Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zeichnung wiedergegebenen
Merkmale des Anmeldungsgegen standes können für sich allein oder in jeder denkbaren
Kombination von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung sein.
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L e e r s e i t e