DE3713400A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern von strangpressenreihen unter anwendung eines mikroprozessors - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum steuern von strangpressenreihen unter anwendung eines mikroprozessorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern von
Strangpressenreihen unter Anwendung eines Mikroprozessors.
In der Kunststoffindustrie werden weitgehend Strangpressenreihen zur Herstellung
von Granulaten, Rohren, Profilen (Platten und anderen Profilen), Hohlkörpern,
(Flaschen, Fässer), sowie zum Folienblasen, Drahtüberziehen und
Erspinnen verwendet. Strangpressenreihen werden von den Strangpressen samt
den sich anschließenden Werkzeugen, Abzieh- und sonstigen Folgeeinrichtungen
gebildet.
Infolge der sich ständig erhöhenden, an durch Strangpressen hergestellte
Kunststoffprodukte gestellten qualitativen und quantitativen Anforderungen entwickelten
sich Technologie und Verarbeitungsmaschine in einem bedeutenden
Maß. In den letzten Jahren haben sich die mechanischen Elemente der
Maschinen nur geringfügig geändert, der Schwerpunkt der Entwicklung verschob
sich auf die Steuerung und Regelung der Einrichtungen.
Eine wirtschaftliche Herstellung von Fertigprodukten guter Qualität beansprucht
eine Prozeßsteuerung der Strangpressen und der Folgeeinrichtungen. In Richtung
zu dem höchsten Niveau der Realisierung fortschreitend, enthält die Prozeßsteuerung
die folgenden Teiltätigkeiten
Überprüfung der Funktionsparameter des Extrudierens (Massenstrom, Drehzahl
der Schnecke, Drehzahl des Getriebes der Abzugsvorrichtung, Zonentemperaturen,
Kopfdruck) und Vergleich mit den registrierten Grenzwerten.
Registrierung der Funktionsparameter in gedruckter Form, eventuell auf einem
maschinellen Datenträger (z. B. Magnetband, Magnetplatte). Nachträgliche
Kontrolle und Auswertung der Betriebsführung.
Zahlenmäßige und logische Prüfung der Funktionsparameter, Feststellung der
Ursache von Betriebsstörungen.
Beim Überschreiten der kritischen Grenzwerte der Funktionsparameter
Warnung des Bedienungspersonals (optische und/oder akustische Signale).
Halten des Wertes der Funktionsparameter auf einem konstanten oder sich
vorschriftsmäßig ändernden Pegel mit Hilfe von Regelstromkreisen.
Steuerung des Startens und Abstellens des Prozesses sowie der abwehrenden
Intervention bei einer Betriebsstörung.
Im Interesse eines bestimmten Zwecks (z. B. der Optimierung des Materialverbrauchs,
der Optimierung der Leistung der Vorrichtung) die Veränderung der
Betriebsparameter.
Das Optimierungsverfahren wird mit Hilfe eines Mikroprozessors aufgrund
eines mathematischen Modells durchgeführt, welcher die Betriebsangaben
kontinuierlich auswertet. Das Modell stellt ein mathematisches System dar,
das unter den Parametern des Verfahrens mit einer annehmbaren Näherung
die Zusammenhänge modellhaft darstellt, die in der Realität bestehen. In diesem
Fall erstreckt sich die Optimierung auf alle Betriebsparameter.
Die bekannten Lösungen für eine Regel von Strangpressenreihen mit Mikroprozessoren
lassen sich wie folgt gruppieren.
a)Temperaturregelung,
b)Dimensionsregelung,
c)Optimierungsregelung des Materialverbrauchs und
d)Optimierungsregelung des Leistungsverbrauchs.
Bei der Temperaturregelung werden im Grunde genommen die Prinzipien der
seit langem bekannten Analogregelung angewandt, die genauer als die anderen
Regelungen ist. Diese Regelung beruht auf einem Vergleichen der gemessenen
Werte mit den von der Bedienungsmannschaft eingestellten Werten und zwar
sowohl in den Fällen der Zylindertemperatur als auch der Werkzeugtemperatur.
Das System erhält diesen eingestellten oder Führungswert immer von außen her,
sowohl im Falle der Analogregelung, wenn es um die Einstellung eines Gerätezeigers,
als auch im Fall einer Digitalregelung, wenn es um die Dateneingabe
mit Hilfe einer Mikroprozessor-Tastatur geht. Bei einer Kaskaden-Temperaturregelung
ist der Führungswert die Temperatur der Schmelze, in diesem Fall wird
die Abweichung der jeweiligen Zylinder- oder Werkzeug-Zonentemperatur von
der Schmelzetemperatur dem System eingegeben.
Bei der Dimensionsregelung ist das Ziel das Einhalten eines bestimmten Wertes
einer der charakteristischen Abmessungen des Endproduktes, so z. B. bei der
Rohrherstellung der Wandstärke, beim Plattenstrangpressen der Blechstärke. Die
Wand- oder Blechstärke wird in Abhängigkeit von der Zeit an verschiedenen
Stellen des Produktes mit Hilfe einer Sonde, z. B. mit einem Induktiv-Meßgeber
oder einer Ultraschallmeßanlage fortwährend gemessen, und der jeweilige
Meßwert wird mit dem Nennwert mit Hilfe des Programmes der Rechnermaschine
gemittelt verglichen. Im Falle einer Abweichung von dem vorgegebenen
Wert wird die Abziehgeschwindigkeit des Produktes verändert.
Bei der Optimierungsregelung des Materialverbrauchs ist das Ziel, eine
möglichst geringe Materialmenge für eine vorgegebene Länge des Endproduktes
aufzuwenden. In diesem Fall erreicht nur ein bestimmter Teil des Endproduktes
die gewünschte, vorgegebene Abmessung. Das Regelverfahren ist dem oben erwähnten
ähnlich.
Bei der Leistungsoptimierungs-Regelung wird das Einhalten des Massenstromes
der Strangpressenanlage an einem Maximalwert orientiert. Der Massenstrom
wird in erster Linie durch die Drehzahl der Zubringerschnecke beeinflußt, und
während deren Regelung wird noch kontrolliert, ob der Kopfdruck bzw. die
Belastung des die Zubringerschnecke antreibenden Motors die Nennwerte überschreiten.
Mit der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung können die Temperatur-, Dimensions- und Leistungsoptimierungs-Regelungen
gleichzeitig realisiert werden; darüber hinaus werden für
die Materialströmung in den Werkzeugspalten solche Parameter eingestellt, die
die Qualität des Endproduktes auf einem entsprechenden Niveau halten.
Dadurch kann eine optimale Herstellung verwirklicht werden, d. h. in einer bestimmten Zeiteinheit kann die maximale Menge an Hochqualitätsprodukten
erreicht werden. Außer der Steigerung des Herstellungsvolumens ermöglicht das
erfindungsgemäße Verfahren auch die Verminderung der Aufenthaltszeit der
Kunststoffschmelze in der Strangpressenvorrichtung, wodurch eine Ersparung an
Hilfsmitteln, beispielsweise an Zusätzen, erzielt werden kann. Es wird darauf
hingewiesen, daß die Hälfte des Rohstoffpreises der harten PVC-Gemische das
PVC-Pulver selbst, die andere Hälfte aber die Stabilisator-, Gleit- und andere
Hilfsmittel ausmachen. Das System, d. h. das mathematische Modell, das in
Form der Software im Speicher abgelegt ist, bildet einen wichtigen Teil der
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Im Vergleich mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen enthalten das erfindungsgemäße
Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung mehrere Neuheiten.
Gemäß den bekannten Verfahren erfolgt die Temperaturregelung dadurch,
daß der Momentwert mit dem von der Bedienungsmannschaft eingestellten
Nennwert vergleichen wird. Demgegenüber werden gemäß der Erfindung die
Führungstemperaturen TH 1 . . . TH 5 und TS 1 . . . TS 3 unter Berücksichtigung auf
die gegenseitigen Beziehungen kalkuliert, wie es aus Fig. 2 anhand eines Flußdiagramms
ersichtlich ist. Mit der Änderung der äußeren Bedingungen der
Parameter des Strangpressenprozesses können sich die optimalen Führungswerte
im Laufe der Herstellung ändern, die erforderlichen Korrekturen werden dabei
durch die Vorrichtung durchgeführt. Eine Neuheit in der Dimensionsregelung
liegt darin, daß die Vorrichtung keinen Dimensionssensor enthält, die optimalen
Werte für den Mengenstrom und die Abziehgeschwindigkeit werden durch die
Vorrichtung unter Berücksichtigung der gegenseitigen Beziehungen berechnet,
die im Flußdiagramm dargestellt sind, und ebenso werden die während der
Herstellung erforderlichen Korrekturen durch die Vorrichtung durchgeführt. Die
Neuheit der Leistungsoptimierungsregelung liegt darin, daß die kritische Schergeschwindigkeit
im Interesse der guten Qualität des Endproduktes berücksichtigt
wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden
im folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform, mit Hilfe der
Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Prozeßsteuersystems, und
Fig. 2 ein Flußdiagramm aus dem die gegenseitigen Zusammenhänge der Parameter
des erfindungsgemäßen Strangpressenverfahrens ersichtlich sind.
Fig. 1 stellt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems
für die Prozeßsteuerung in Form eines Ablaufschemas dar.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 besteht aus Fühlern und Wandlern 1, einer Eingangseinheit
2, einem Speicher 3, einer Steuereinheit 4, einer arithmetischen
Einheit 5, einer Ausgangseinheit 6, einem Signalwandler und Stellorganen 7,
einer Strangpresse 8 und einer Abziehvorrichtung 9.
Der Eingang der Fühler und Wandler 1 ist an die Strangpresse 8 und die
Anziehvorrichtung 9 angeschlossen. Die Ausgänge der Fühler und Wandler 1
sind mit der Eingangseinheit 2 verbunden, während der Ausgang der Eingangseinheit
2 mit der einerseits an den Speicher 3 und andererseits an die arithmetische
Einheit 5 angeschlossenen Steuereinheit 4 verbunden ist. Der Ausgang
der Steuereinheit 4 ist an den Eingang der Ausgangseinheit 6 angeschlossen,
während der Ausgang der Ausgangseinheit 6 an den Eingang des Signalwandlers
und der Stellorgane 7 angeschlossen ist. Die Ausgänge des Signalwandlers und
der Stellorgane 7 sind an die Strangpresse 8 und an die Abziehvorrichtung 9 angeschlossen.
Die Fühler 1 nehmen die Strangpreßgeschwindigkeit, die Temperatur
und den Druck wahr, die Wandler wandeln die von den Fühlern abgegebenen
analogen elektrischen Signale in digitale Signale. Die von den Fühlern abgegebenen
bzw. von den Wandlern gewandelten digitalen Signale gelangen zu der
Eingangseinheit 3 des Mikroprozessors. Der Speicher 3 speichert das mathematische
Modell, sowie das für die Teilprozesse des Extrudierens (Transport des
Feststoffes, Schmelzen, Transport der Schmelze) und für die in dem Werkzeug
vorsichgehende Strömung charakteristische Korrelationssystem.
Die Eingangsveränderlichen des Modells sind die physikalischen und
rheologischen Parameter des zu verarbeitenden festen Kunststoffes, die
geometrischen Parameter des Werkzeugs und der Abziehvorrichtung, die
Funktionsparameter sowie die charakteristische Abmessung des Fertigprodukts.
Die Ausgangsveränderlichen sind das Temperatur- und Druckprofil des Feststoffes
in dem Schneckenkanal, die Parameter des an der Zylinder- und
Schneckenfläche sich abspielenden Schmelzprozesses, das Temperatur- und
Druckprofil der Schmelze in dem Schneckenkanal, der Volumenstrom der
Schmelze, die Temperatur und Druck der in das Werkzeug eintretenden
Schmelze und die Austrittstemperatur der Schmelze.
Nach dem Vergleich der Ausgangsveränderlichen und der aus der Eingangseinheit
2 stammenden Meßergebnisse entscheidet die Steuereinheit 4, ob der
Prozeß betriebsgerecht vor sich geht oder ob eine Intervention erforderlich ist.
In dem letzteren Fall werden die in die Ausgangseinheit 6 weitergeleiteten
Daten in dem Signalwandler und in den Stellorganen 7 gewandelt, wonach der
Betrieb den konvertierten Werten entsprechend weitergeführt wird. Die
entsprechenden Funktionsparameter werden in dem erforderlichen Maß
geändert, wodurch der Prozeß in Richtung zu der optimalen Funktion gelenkt
wird. Die in der arithmetischen Einheit 5 vorsichgehenden Berechnungen
werden von der Steuereinheit 4 periodisch neu eingeleitet. Der Signalwandler
und die Stellorgane 7 führen die Intervention an den entsprechenden Einheiten
der Strangpresse 8 und der Abziehvorrichtung 9 aus.
Aus Fig. 2 ist ein Flußdiagramm ersichtlich, in dem gegenseitige Abhängigkeiten
der Parameter des erfindungsgemäßen Strangpressenverfahrens dargestellt
sind, wobei die Bezugsziffern die folgende Bedeutung haben:
- 11 Messung der Abziehgeschwindigkeit
12 Regelung der Abziehgeschwindigkeit
13 Berechnung des Führungswertes der Abziehgeschwindigkeit
14 Messung der Zylindertemperatur (TH 1 . . . TH 5)
15 Regelung der Zylindertemperatur (TH 1 . . . TH 5)
16 Berechnung des Führungswertes der Zylindertemperatur (TH 1 . . . TH 5)
17 Messung der Werkzeugtemperatur (TS 1 . . . TS 3)
18 Regelung der Werkzeugtemperatur (TS 1 . . . TS 3)
19 Berechnung des Führungswertes der Werkzeugtemperatur (TS 1 . . . TS 3)
20 Messung der Schneckendrehzahl (F)
21 Regelung der Schneckendrehzahl (F)
22 Berechnung des Rührwertes der Schneckendrehzahl (F)
23 Messung des Kopfdrucks (P)
24 Berechnung der Schergeschwindigkeit ()
25 Messung der Schmelztemperatur (TA)
26 geometrische Daten des Werkzeuges (D)
27 Berechnung der Gewindesteigung (E)
28 Berechnung des Schmelzvolumenstromes (Q)
29 Berechnung der Dimensionen des Endproduktes
30 Berechnung der Viskosität (η)
31 Berechnung des Anschwellens der Kunststoffschmelze beim Austreten aus dem Werkzeug (N₁)
32 Rheologische Daten (R)
Alle Parameter stehen in Verbindung mit einem Mikroprozessor, diese Tatsache
ist aber aus Fig. 2 nicht ersichtlich.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung führt also fortwährend Messungen und
Regelungen der Parameter durch und zwar der Zylindertemperaturen TH 1 . . .
TH 5, der Werkzeugtemperaturen TS 1 . . . TS 3, der Schneckendrehzahl F und der
Abziehgeschwindigkeit L. Ferner werden noch ununterbrochen die Schmelzetemperatur
TA und deren Druck (d. h. der Kopfdruck) P vor dem Eintritt ins
Werkzeug gemessen. Diese Parameter stellen gleichzeitig die Eingangsdaten des
mathematischen Modells dar, das bei dem Strangpressenverfahren angewendet
wird. Die Eingangsdaten werden um die geometrischen Daten des Werkzeuges G
und die rheologischen Parameter des zu verarbeitenden Kunststoffes R
ergänzt.
im mathematischen Modell werden auch die Vorgänge betrachtet, die sich in
der Strangpressenanlage (in der Nähe des Schneckenkanals), im Werkzeug bzw.
in der Abziehanlage abspielen. Die im Schneckenkanal ablaufenden Teilvorgänge
bestehen aus der Förderung des Feststoffes, dem Schmelzen und dem
Homogenisieren der Schmelze. Der prinzipiell erreichbare maximale Volumenstrom
der entstehenden Schmelze wird durch den Volumenstrom der Förderung
des Feststoffes bestimmt. Daraus folgt, daß dieser Teilvorgang die Geschwindigkeit
des ganzen Strangpressenverfahrens bestimmt.
Für den Volumenstrom des festen Kunststoffes gilt folgende Beziehung:
Q sz = V · F · tg R h · tg Φ /(tg R h + tg Φ) (1)
wobei V = H · π (D-H) · (E-e) das Volumen des Schneckenkanals pro Gewindesteigung
ist und
- tg R h = E/( π D),
- D der Durchmesser des Strangpressenzylinders,
- H die Gewindetiefe der Strangpressenschnecke,
- E die Gewindesteigung der Strangpressenschnecke,
- e die Breite des Schneckenstegs in Axialrichtung und
- F die Drehzahl der Strangpressenschnecke sind.
- H die Gewindetiefe der Strangpressenschnecke,
- E die Gewindesteigung der Strangpressenschnecke,
- e die Breite des Schneckenstegs in Axialrichtung und
- F die Drehzahl der Strangpressenschnecke sind.
Zwischen den geometrischen Dimensionen, den Reibungsfaktoren des zu
verarbeitenden Kunststoffes und dem Förderwinkel Φ gilt die folgende Beziehung:
cos Φ = A £ sin Φ + A₄ + A₅ + A₆ (2)
In der Gleichung (2) gilt für
A₁ = A₂ (R a + µ cs )/(1-A₃µ cs ) (3)
wobei A₂ = (D-H)/D; A₃ = E/(D-H); R a = arc tg {E/[ π · (D-H]} und µ cs der
Reibungsfaktor an der Schneckenoberfläche sind.
A₄ = 2Hµ cs p m A₂[µ h P h (E-e)] · [(A₁ R a ) + A₂] (4)
wobei p m = 0,33; p h = (1-A₇) · m/(1-A₇k); A₇ = (D-2H)/D; k = m/p m ;
m = cos² R a + p m sin² R a und µ n der Reibungsfaktor an der Zylinderoberfläche sind.
m = cos² R a + p m sin² R a und µ n der Reibungsfaktor an der Zylinderoberfläche sind.
A₅ = A₇µ cs p cs cos R cs /(µ h p h ) · [(A₁ R cs ) + A₇] (5)
wobei p cs = [(m/A₇)-1)]/[(1/A₇) k -1] und R cs = arc tg {E/[ π (D-2H)]}
sind,
A₆ = (A₂ cos R a · sin R a H/µ h p h L cs )(A₁ R a + A₂) ln P sz (6)
wobei L cs die tatsächliche der Schnecke und P sz der hier gemessene
Feststoffdruck sind.
Für die Reibungsfaktoren gelten die folgenden Beziehungen:
µ h = b₁T h ³ + b₂T h ² + b₃T h + b₄v h ³ + b₅v h ² + b₆v h + -b₇ (7)
In den obigen Beziehungen sind
- T n die Temperatur an der Zylinderoberfläche,
- T cs die Temperatur an der Schneckenoberfläche,
- v cs = π (D-2H)F die Tangentialgeschwindigkeit an der Schneckenoberfläche,
-v h = π DF die Tangentialgeschwindigkeit an der Zylinderoberfläche und
- b₁ . . . b₇ und c₁ . . . c₇ die von der Qualität des zu verarbeitenden Stoffes abhängigen Faktoren, wobei die letzteren durch Experimente bestimmt werden können.
- T n die Temperatur an der Zylinderoberfläche,
- T cs die Temperatur an der Schneckenoberfläche,
- v cs = π (D-2H)F die Tangentialgeschwindigkeit an der Schneckenoberfläche,
-v h = π DF die Tangentialgeschwindigkeit an der Zylinderoberfläche und
- b₁ . . . b₇ und c₁ . . . c₇ die von der Qualität des zu verarbeitenden Stoffes abhängigen Faktoren, wobei die letzteren durch Experimente bestimmt werden können.
Die Werte der Reibungsfaktoren von verschiedenen Kunststoffen liegen
zwischen 0,12 und 0,59, wobei diese Werte von der Temperatur und der Tangentialgeschwindigkeit abhängen.
Für eine Umrechnung des Volumenstromes in Massenstrom muß die Dichte des
Kunststoffgranulats bestimmt werden:
p = [(a₀-a₁T)/V] · (1 + P/a) b (9)
wobei die Werte der Faktoren a₀, a₁ und a bzw. b von der Qualität des zu
verarbeitenden Kunststoffes abhängen und durch Experimente bestimmt werden
können.
Das Kunststoffgranulat verdichtet sich während seiner Vorwärtsförderung im
Schneckenkanal der Strangpresse, dabei entsteht ein fester Kunststoff-Pfropf,
dessen Dichte in der Praxis mit der Dichte des homogenen festen Kunststoffes
gleich ist. Die Dichtewerte der homogenen Kunststoffe können in Abhängigkeit
vom Druck und der Temperatur aufgrund der in der Fachliteratur befindlichen
Daten berechnet werden.
Das Volumen entsprechend einer Gewindesteigung des Schneckenkanals vermindert
sich vom Aufgabetrichter bis zum Werkzeug hin entlang des Kanals. Diese
Tatsache ergibt sich aus den Veränderungen der geometrischen Daten, meistens
nimmt die Gewindetiefe H, seltener die Gewindesteigung E ab. Die geometrischen Dimensionen werden im allgemeinen im mittleren Teil der Schnecke
verändert, in der Nähe des Aufgabetrichters (Feststoffförder-Zone) und in
der Nähe des Werkzeuges (Schmelzeförder-Zone) ist die Geometrie konstant.
Die Temperatur der inneren Oberfläche des Zylinders steigt entlang des Kanals
in Richtung zum Werkzeug hin an. Die Temperatur der inneren Oberfläche
wird insbesondere durch die Zonentemperaturen des Zylinders bestimmt, sie
kann in Axialrichtung der Schnecke (Temperaturprofil) mit Hilfe der geometrischen
Positionen der Temperaturfühler und der gemessenen Zonentemperaturen
TH 1 . . . TH 5 anhand der linearen oder parabolischen Interpolation ermittelt
werden. In dem Bereich, in dem die Temperatur den Erweichungspunkt des zu
verarbeitenden Kunststoffes erreicht, entsteht eine Schmelzschicht auf der
Zylinderoberfläche. Die maximale Dicke dieser Schmelzschicht entspricht der
Größe des Spaltes zwischen dem Schneckensteg und dem Zylinder (0,1 bis
0,01 mm). Nach dem Erscheinen der Schmelzeschicht wird das Schmelzen im
Bereich einer Strecke beendet, die 1 bis 2 Gewindesteigungen entspricht, und
der Schneckenkanal wird vollständig mit geschmolzenen Stoff gefüllt. Die
Temperatur der Schneckenoberfläche folgt mit einem gegebenen Unterschied
der Temperatur der Zylinderoberfläche. Deren Größe wird ausschlaggebend
durch die Abkühlung der Schnecke bestimmt. Im Falle einer neutralen (nicht
abgekühlten) Schnecke ist dieser Unterschied vernachlässigbar.
Bevor die Erweichungstemperatur erreicht wird, kann der Druck des festen
Kunststoffes an verschiedenen Punkten der Schnecke (Druckprofil) gemäß der
Gleichung 6 errechnet werden. Die Berechnung erfolgt nach der Iterationsmethode:
- 1) In der Axialrichtung der Schnecke wird die Schnecke in kleine Strecken aufgeteilt, und deren grundlegende geometrische Dimensionen (H, E, e) werden berechnet, dann werden deren durchschnittliche Temperaturen anhand der linearen oder parabolischen Interpolation bestimmt.
- 2) Wenn die Temperatur kleiner als die durchschnittliche Erweichungstemperatur des zu verarbeitenden Kunststoffes ist, wird der Volumenstrom der Feststoffförderung nach den Gleichung (1) bis (6) berechnet.
- 3) Der Volumenstrom wird nach der Gleichung (9) in Mengenstrom umgerechnet.
- 4) Der Druck auf dem gegebenen Punkt wird nach der Gleichung (6) berechnet, dann werden die Berechnungen mit dem Druckwert nach der Gleichung (2) bereinigt, bis der Unterschied zwischen zwei, in nacheinander erfolgenden Zyklen berechneten Druckwerte kleiner als ein gegebener Wert wird. Das Kontrollkriterium der Berechnungen entspricht dem Wert des Mengestromes.
Der Druck hat eine wichtige Rolle in der Förderung des festen Kunststoffes:
bis zu einer gegebenen Grenze steigert er die Förderung, übersteigt der Druck
diesen Wert, vermindert sich der Mengestrom. Abhängig von der Qualität des
zu verarbeitenden Kunststoffes können die Schneckendrehzahl und das
Temperaturprofil mit Hilfe der Gleichungen (1) bis (9) ermittelt werden, bei
denen und bei der gegebenen Schneckengeometrie das Druckprofil am günstigsten
und gleichzeitig der Mengestrom der Festkunststoff-Förderung maximal
sind. Aufgrund dieser Berechnungen wird die Bestimmung der Führungswerte
TH 1 . . . TH 5 und F durchgeführt.
Der Mengestrom der Schmelzeförderung ist:
Q ö = V · F (10)
wobei V das Volumen der letzten Gewindesteigung des Schneckenkanals ist. Der
Mengestrom kann auch in diesem Fall aus der Beziehung zwischen Dichte und
Temperatur bzw. Druck - aufgrund der in der Fachliteratur angegebenen Daten
- berechnet werden. Je größer der Mengestrom der Schmelzeförderung, desto
größer ist die Leistung der Strangpressenanlage. Der größere Feststoffstrom
erhöht die Rückströmung im Schneckenkanal, dadurch wird die ins Werkzeug
eintretende Schmelze homogener, deren Temperatur, Druck und Viskosität
schwanken dabei in Abhängigkeit von der Zeit in kleinerem Maß.
Das Werkzeug kann hinsichtlich der Schmelzeströmung in zwei Teile aufgeteilt
werden: der erste Teil weist den formgebenden Werkzeugspalt auf, der eine
dem Endprodukt entsprechende Dimension hat, wobei der zweite Teil eine, den
Strangpressenkopf mit dem Werkzeugspalt verbindende Strecke umfaßt, die im
wesentlichen als ein Kanal mit sich vermindernden Querschnitt betrachtet
werden kann. Der Widerstand des formgebenden Werkzeugspaltes ist wesentlich
größer, deshalb muß dessen Geometrie bei der Berechnung in Betracht gezogen
werden. In einem allgemeinen Fall kann der Volumenstrom der durch den
Werkzeugspalt fließenden Schmelze nach der folgenden Gleichung berechnet
werden:
Q = K · P/η (11)
wobei
wobei
- K der Reziprok-Werkzeugwiderstand,
- P der Druck der ins Werkzeug eintretenden Schmelze, und
- η deren Viskosität sind.
- P der Druck der ins Werkzeug eintretenden Schmelze, und
- η deren Viskosität sind.
Die Viskosität der Schmelze ist die Funktion der Temperatur und der Schergeschwindigkeit
.
Im Fall eines Spaltes mit rundem Querschnitt beträgt dieser Reziprok-Werkzeugwiderstand
K = R⁴ · π/8L sz (12)
wobei
- R der Radius des kreisförmigen Spaltes und
- L sz die Länge des Werkzeugspaltes mit konstanter geometrischer Dimension sind.
- L sz die Länge des Werkzeugspaltes mit konstanter geometrischer Dimension sind.
Die Schergeschwindigkeit beträgt
= 4Q/ π R ³ (13)
Wenn der Spalt dagegen z. B. einen viereckigen Querschnitt hat, beträgt
K = BH r ³/12L sz (14)
wobei
- B die Breite des Spalts und
- H r dessen Höhe sind.
- H r dessen Höhe sind.
Die Schergeschwindigkeit beträgt dann
= 6Q/BH r ². (15)
Die aus den Gleichungen (14) und (15) ermittelten Daten sind dann richtig,
wenn B/H r < 20 ist. In anderen Fällen ist der Wert von K noch mit einem Strömungsfaktor f p zu multiplizieren, dessen Wert bei Hf/B = 1 gleich 0,42 ist.
Wenn sich der Wert H r /B Null nähert, nähert sich f p dem Wert 1. In solchen
Fällen, wenn Spalte mit verschiedenen Geometrien (z. B. halbkreisförmig,
elliptisch) verwendet werden, kann ein Wertpaar B und H r aus der Geometrie
definiert werden, so daß der Strömungsfaktor in Funktion von H r /B ermittelt
werden kann und die Gleichung (14) verwendet wird. Zum Beispiel im Falle eines
Rohrwerkzeuges (ein röhrenförmiger Spalt):
K = (2f R a + H v )H v ³/12L sz (16)
= 6Q/(R k + R b ) · (R k -R b )² (17)
wobei
- R k der Radius des äußeren Kreises,
- R b der Radius des inneren Kreises,
- R a = (R k + R b )/2 und
- HV = R k -R b sind.
- R b der Radius des inneren Kreises,
- R a = (R k + R b )/2 und
- HV = R k -R b sind.
Mit der Anwendung von verschiedenen Werkzeugen wird bei der Erhöhung des
Volumenstromes ein kritscher Schergeschwindigkeitswert erreicht, bei dem
Strömungsstörungen (z. B. Schmelzebruch, Oberflächenrunzelungen) entstehen.
Die kritische Schergeschwindigkeit beträgt:
k = 0,375 (3n + 1) P/0,025η₀ (18)
wobei
- η₀ die maximale Viskosität,
- n = d lg /d lg τ und
- τ die Scherspannung sind.
- n = d lg /d lg τ und
- τ die Scherspannung sind.
Die rheologischen Kennzeichen der Schmelze sind die folgenden: die Viskosität
und der erste Normalspannungsunterschied sind gleicherweise die Funktionen
der Temperatur bzw. der Schergeschwindigkeit. Die funktionellen Zusammenhänge
werden durch eine Gleichung mit vier Parametern angegeben, die die
non-linearen visko-elastischen Parameter beschreibt.
Die Viskosität ist
der erste Normalspannungsunterschied ist
Nach den Gleichungen (19) und (20) gilt:
wobei
- λ die Relaxationszeit und
- c der Verschiebungsfaktor sind.
- c der Verschiebungsfaktor sind.
Die Parameter η₀, α, λ und c der Integralgleichung mit vier Parametern
können mit rheologischen Messungen bestimmt werden.
Das Anschwellen der Kunststoffschmelze nach dem Austritt aus dem Werkzeugspalt
kann im Falle eines Spaltes mit kreisförmigen Querschnitt S z. B. mit
Hilfe der folgenden Gleichung berechnet werden:
N₁ = p R²²/64ν {[(n + 1) (3n + 1)/(2n + 1)]-[(n + 1)d lg(1/S)/S²d lg]} (21)
wobei in anderen Fällen, d. h. bei der Anwendung von anderen Werkzeugen die
aufgrund von Erfahrungen veränderten Formen der obigen Gleichung
angewendet werden können.
Die Regelung geht von den geometrischen Parametern des Werkzeuges R, B, H r
und L sz aus. Danach werden der Werkzeugwiderstand E = 1/K aus den Werten
K z. B. nach einer der Gleichungen (12), (14) bzw. (16), und demgemäß die
Schergeschwindigkeit nach einer der Gleichungen (13), (15) oder (17)
berechnet.
In Kenntnis der Temperatur TA, der rheologischen Daten h₀, α, λ und c
sowie der Schergeschwindigkeit können die Viskosität η aus der Gleichung
(19) und der erste Normalspannungsunterschied N₁ aus der Gleichung (20) und
ferner das Anschwellen aus der Gleichung (21) bestimmt werden.
In Kenntnis des Drucks P, der Viskosität und des Reziprok-Werkzeugwiderstandes
können der Volumenstrom Q aus der Gleichung (11) und die kritische
Schergeschwindigkeit aus der Gleichung (18) berechnet werden.
Das Hauptkriterium der Regelung besteht darin, Änderungen der Schmelzetemperatur
TA und des Schmelzedrucks P während des Prozesses möglichst
klein zu halten oder gar zu vermeiden. Dies kann mit Hilfe der Gleichungen (1)
bis (9) des obenbeschriebenen mathematischen Modells verwirklicht werden. Mit
Hilfe dieses Modells können die Führungswerte TH 1 bis TH 5 und F unter Anwendung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung errechnet werden. Die Schwankung
kann durch die Korrekturen der Führungswerte TS 1 bis TS 3 vermindert werden.
Die Regelung der Dimensionen des Endproduktes erfolgt unter Berücksichtigung
des Volumenstromes, des ersten Normalspannungsunterschiedes, des sich daraus
ergebenden Anschwellens und der Werkzeuggeometrie sowie der kritischen
Schergeschwindigkeit, wobei der Volumenstrom aus der Gleichung (11), der
erste Normalspannungsunterschied aus der Gleichung (20), das Anschwellen aus
(21) und die kritische Schergeschwindigkeit aus der Gleichung (18) berechnet
werden können.
Claims (4)
1. Verfahren zum Steuern von Strangpressenreihen unter Anwendung eines
Mikroprozessors, dadurch gekennzeichnet, daß das Strangpressenverfahren
unter Berücksichtigung der gegenseitigen Beziehungen zwischen den gemessenen
und geregelten Parametern des Strangpressenverfahrens (Zylindertemperaturen,
Werkzeugtemperaturen, Schneckendrehzahl, Abziehgeschwindigkeit)
sowie zwischen deren gemessenen Parametern (Kopfdruck, Stofftemperatur)
und zwischen deren errechneten Parametern (Schergeschwindigkeit,
Viskosität, erster Normalspannungsunterschied, Werkzeugwiderstand, Massenstrom,
kritische Schergeschwindigkeit, Anschwellen, charakteristische
Dimension) gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungswerte
der Zylindertemperaturen, der Werkzeugtemperaturen sowie der Schneckendrehzahl
mit Hilfe der Gleichungen (1) bis (9) des mathematischen Modells
sowie aus den gemessenen Kopfdruck- und Stofftemperaturen bestimmt
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
charakteristische Dimension des Endproduktes mit Hilfe der Gleichungen (11)
und (19) bis (21) sowie aus den gemessenen Abziehgeschwindigkeitswerten
berechnet wird, daß dann der Führungswert der Abziehgeschwindigkeit mit
Hilfe der obenerwähnten Dimension korrigiert wird.
4. Vorrichtung zum selbstkorrigierenden und -kontrollierenden, adaptiven, optimalen
Steuern von Strangpressenreihen mit Fühlern und Wandlern, einer Eingangseinheit,
einer mit Speicher und einer arithmetischen Einheit versehenen
Steuereinheit, einer Ausgangseinheit sowie einem Signalwandler und
Stellorganen, die an die Strangpressenvorrichtung und den Abzieher angeschlossen
sind, dadurch gekennzeichnet, daß die arithmetische Einheit mit
einem Speicher versehen ist, der Programme nach den Ansprüchen 1, 2 bzw.
3 enthält, deren Ausgangsdaten die Führungswerte der Zylindertemperaturen,
der Werkzeugtemperaturen, der Schneckendrehzahl sowie der Abziehgeschwindigkeit
bilden.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
AT188586 | 1986-12-04 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3713400A1 true DE3713400A1 (de) | 1988-06-09 |
DE3713400C2 DE3713400C2 (de) | 1990-01-25 |
Family
ID=3523124
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873713400 Granted DE3713400A1 (de) | 1986-12-04 | 1987-04-21 | Verfahren und vorrichtung zum steuern von strangpressenreihen unter anwendung eines mikroprozessors |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3713400A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5099090A (en) * | 1988-05-11 | 1992-03-24 | Ariel Electronics, Inc. | Circuit writer |
EP0512303A1 (de) * | 1991-04-29 | 1992-11-11 | The Goodyear Tire & Rubber Company | Kontinuierliches Mischen von Elastomerzusammensetzungen |
EP1609581A2 (de) | 2004-06-25 | 2005-12-28 | Technoplast Kunststofftechnik Gesellschaft m.b.H. | Verfahren zur Herstellung von Profilen aus Thermoplastischem Kunststoff |
DE102005020374B4 (de) * | 2005-05-02 | 2010-07-22 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Steuerung eines Produktionsprozesses für extrudierte Profilbauteile |
-
1987
- 1987-04-21 DE DE19873713400 patent/DE3713400A1/de active Granted
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Title |
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AT414225B (de) * | 2004-06-25 | 2006-10-15 | Technoplast Kunststofftechnik | Verfahren zur herstellung von profilen aus thermoplastischem kunststoff |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3713400C2 (de) | 1990-01-25 |
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Legal Events
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