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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rheometer zur
Anordnung am Ausgang einer Zuführeinrichtung bzw. -schnecke
einer Polymermaterial-Spritzgußmaschine mit einem
Rheometerkörper, bei dem ein erstes Ende mit einem Teil zur
mechanischen Verbindung mit der Zuführeinrichtung versehen ist, wobei
der Rheometerkörper einen Kanal für den Fluß des
Polymermaterials und mindestens zwei entlang des Kanals angeordnete
Drucksensoren aufweist.
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Die Erfindung findet vorteilhaft Anwendung auf dem Gebiet der
Kunststoffindustrie und insbesondere beim Spritzen,
Extrudieren und Formen der Kunststoffe.
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Im allgemeinen umfassen Spritzgußmaschinen für
Polymermaterialien einen Trichter, der die Polymermaterialien in
Granulatform zu einer Endlos-Zuführschnecke hinleitet. Eine
Heizvorrichtung bringt die zu spritzenden Materialien zum Schmelzen,
die dann durch die Zuführeinrichtung zu einer Spritzdüse mit
einer Geschwindigkeit und einem hydraulischen Druck geführt
werden, deren Werte durch die Maschine vorgegeben werden.
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Um die Spritzbedingungen gut in den Griff zu bekommen, ist es
vorteilhaft, wenn man die hauptsächlichen rheologischen
Fließparameter des betreffenden Polyinermaterials kennt.
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Hierfür ist es schon bekannt, am Ausgang der Zuführeinrichtung
und anstelle der Spritzdüse einen Rheometer zu verwenden, bei
dem zwei Drucksensoren, die stromaufwärts und stromabwärts des
Flusses angeordnet sind, es ermöglichen, Messungen
durchzuführen, die zu einer Bestimmung der Viskosität des auf die
Betriebstemperatur geschmolzenen Polymermaterials führen. Der
Rheometer wird dann abmontiert und die Spritzdüse wieder
angebracht, um mit dem Spritzvorgang fortzufahren.
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Die Verwendung derartiger Rheometer erfordert es, jedesmal
einerseits die Zuführdüse zu entfernen und andererseits den
Rheometer selbst anzubringen.
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Darüber hinaus fließt bei diesen Rheometern das geschmolzene
Polymermaterial unter einem Druck, der im wesentlichen gleich
dem Atmosphärendruck ist, frei nach außen, also unter einem
Druck, der wesentlich schwächer als der wirkliche Spritzdruck
beim normalen Betrieb ist. Es ergibt sich hieraus ein
systematischer Fehler, der damit zusammenhängt, daß sich die
Meßbedingungen von den tatsächlichen Arbeitsbedingungen
unterscheiden.
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In der französischen Patentanmeldung FR-2 621 525 wurde
bereits eine Spritzvorrichtung für thermoplastische Materialien
vorgeschlagen, bei der zwischen der Presse und der Spritzdüse
ein Pheometermodul mit kapillarer Düse montiert ist. Der
Körper des Moduls ist mit Bohrungen versehen, welche die
Drucksensoren aufnehmen. Diese Bohrungen sind stromaufwärts und
stromabwärts der Düse angeordnet.
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Somit sind die Drucksensoren dort nicht unmittelbar auf der
Höhe des Flusses in der Düse, sondern in Räumen außerhalb des
Flußkanals angeordnet. Die gemessenen Drücke sind diejenigen
dieser Räume und nicht diejenigen des Polymermaterials auf der
Höhe des Flusses. Um dieses Problem zu vermeiden, offenbart
die Druckschrift GB-A-2 621 525 eine Vorrichtung, die es
ermöglicht, Druckmessungen in der Düse durchzuführen.
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Die Erfindung schlägt nun ein Rheometer vor zur Anordnung am
Ausgang einer Zuführeinrichtung bzw -schnecke einer Maschine
zur Verarbeitung eines Polymermaterials (wie z. B. einer
Spritzmaschine oder einer Extrudiervorrichtung), mit einem
Rheometerkörper, bei dem ein erstes Ende mit einem Teil zur
mechanischen Verbindung mit der Zuführeinrichtung versehen ist
und bei dem ein dem ersten gegenüberliegendes zweites Ende mit
einer Spritzdüse zum Spritzen des Polymermaterials versehen
ist, wobei der Rheometerkörper einen Kanal für den Fluß des
Polymermaterials und mindestens zwei entlang des Kanals
angeordnete Drucksensoren hat und der Kanal zumindest teilweise
durch eine Düse gebildet wird, die ein zylindrisches Flußloch
in Längsrichtung hat, gekennzeichnet durch die im
kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 enthaltenen Merkmale.
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Ein derartiger Rheometeraufbau hat gegenüber den Rheometern
des Stands der Technik zahlreiche Vorteile.
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Insbesondere ermöglicht er die direkte Messung von Flußdrücken
unter echten Spritzbedingungen. Die rheologischen Parameter
werden somit mit hoher Genauigkeit bestimmt, ohne daß es
notwendig wäre, an den Druckmessungen Korrekturen durchzuführen,
um die Geometrie der Räume, in denen sich die Drucksenoren
befinden, oder die Störungen aufgrund von Effekten beim
Eintritt- oder Austritt aus der Düse (Einfallswinkel beim
Eintritt, Kompressibilität des Materials, elastische Effekte)
zu berücksichtigen.
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Darüber hinaus ermöglicht er die Erfasssung von Druckmeßwerten
an drei oder mehr Punkten des Flusses in der Düse, so daß es
möglich ist, nicht nur auf die Viskosität des
Polymermaterials, sondern auch auf andere für dieses Material
charakteristische Parameter Zugriff zu haben, wie z. B. seine
Elastizität, welche die bloßen Druckmessungen stromaufwärts und
stromabwärts der Düse nicht zu bestimmen ermöglichten.
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Die Rheometer des Stands der Technik ermöglichen ihrerseits
nur die Gewinnung der Größenordnung einer besonderen
Eigenschaft (Scherspannung), und zwar auf indirekte Weise auf der
Grundlage vereinfachender Hypothesen.
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Dieser Aufbau ermöglicht ebenfalls, Flußkanäle zu verwenden,
deren Innendurchmesser viel kleiner als im Falle von
Rheometern des Stands der Technik ist, bei denen der Durchmesser der
Düse größer als ein Grenzdurchmesser in Abhängigkeit von den
Abmessungen der Räume stromaufwärts und stromabwärts von der
Düse sein muß. Die Scherraten, die der erfindungsgemäße
Rheometer zu verwirklichen ermöglicht, sind somit viel höher als
im Falle von Rheometern des Stands der Technik.
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Die Erfindung wird durch die folgenden verschiedenen Merkmale
vorteilhaft vervollständigt, die allein oder in allen
technisch möglichen Kombinationen aufgenommen werden können:
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- die Düse weist mindestens drei Löcher in Querrichtung
auf, die in das Flußloch münden und Drucksensoren an der
Mündung des Flußlochs aufnehmen,
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- die Drucksensoren sind mit einer Verarbeitungseinheit
verbunden, die in Abhängigkeit von den durch die Sensoren
gelieferten Druckmeßwerten die scheinbare Viskosität und
Elastizität des Polymermaterials bestimmt,
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- der Durchmesser des Flußloches der Düse ist kleiner oder
gleich 2,5 mm,
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- der Durchmesser des Flußlochs der Düse ist zwischen 2 und
2,5 mm,
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- der Rheometerkörper umfaßt außerdem mindestens ein
Aufnahmeloch zur Aufnahme eines Temperatursensors,
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- das Verbindungsteil umfaßt mindestens ein Aufnahmeloch
zur Aufnahme eines Temperatursensors,
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- der Rheometerkörper umfaßt mindestens zwei Aufnahmelöcher
zur Aufnahme eines Temperatursensors, die jeweils in die
Leitung stromaufwärts und stromabwärts der Düse münden.
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Die folgende Beschreibung der angefügten Zeichnungen, die als
nicht einschränkend auf zufassende Beispiele dienen sollen,
trägt zum Verständnis bei, worin die Erfindung besteht und wie
sie auszuführen ist.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
Rheometers.
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Fig. 2 ist ein Schema einer Einheit zum Verarbeiten der durch
den Rileometer von Fig. 1 gelieferten Meßwerte.
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Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Rheometer 100 zur Anordnung am
Ausgang einer nicht dargestellten Zuführeinrichtung einer
Maschine zum Spritzen eines Polymermaterials in der durch die
Pfeile F1 und F2 dargestellten Richtung. Der Rheometer 100 von
Fig. 1 umfaßt einen Rheometerkörper 110, bei dem ein erstes
Ende mit einem Teil 120 zur mechanischen Verbindung mit der
Zuführeinrichtung versehen ist, während ein dem ersten
entgegengesetztes zweites Ende eine Spritzdüse 130 zum Spritzen des
Polymermaterials im geschmolzenen Zustand in eine nicht
dargestellte Gußform aufnimmt.
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Wie man in Fig. 1 sieht, umfaßt der Rheometerkörper 110 eine
zylindrische Aufnahme 110a, in der eine zylindrische Düse 140
angeordnet ist, die ein Längsloch 144 für den Fluß hat, das
mit Kanälen 172, 173, die es verlängern, stromaufwärts und
stromabwärts der Düse einen Kanal definiert, der es dem
Polymermaterial ermöglicht, von dem Verbindungsteil 120 an der
Zuführeinrichtung zur Einspritzdüse 130 zu fließen.
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Die Düse 140 von Fig. 1 ist mit drei Querlöchern 141, 142, 143
ausgestattet, die in das Flußloch 144 münden und in denen
jeweils die Enden der drei Drucksensoren 111, 112, 113 am Auslaß
des Flußloches aufgenommen werden können. Die Drucksensoren
111, 112, 113 sind vorzugsweise piezoelektrische Wandler,
deren sensitives Element mit dem geschmolzenen Polymermaterial
in dem Flußloch der Ziehdüse 140 unmittelbar bündig in Kontakt
ist. Die Enden der Sensoren 111, 112, 113 schließen in dem
Flußloch 144 jeweils am Einlaß und am Auslaß der Düse und in
ihrem mittleren Teil bündig ab.
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Die Entfernung, welche die Achse eines solchen Sensors 111,
112, 113 vom Eingang oder Ausgang der Düse trennt, ist größer
als zehnmal der Durchmesser des Längsloches 144. Diese
minimalen Entfernungen sind zu beachten, um eine nicht gestörte
Messung der Flußdrücke in der Düse zu gewinnen. Der Durchmesser
des Loches 144 wird vorteilhafterweise zwischen 2 und 2,5 mm
gewählt. Für eine Düse mit kleinerem Durchmesser bringt die
Anwesenheit der Sensoren Xtörungen des Flusses des
Polymermaterials mit sich. Es ist zu beachten, daß das Polymermaterial
in Düsen mit einem Durchmesser zwischen 2 und 2,5 mm nicht
hindurchgeleitet werden könnte, falls der Rheometer nicht auf
einer Einspritzpresse montiert wäre.
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Um das Polymermaterial im geschmolzenen Zustand auf einer
gegebenen Solltemperatur zu halten, ist der Rheometerkörper 110
mit Mitteln zur Regulierung der Temperatur ausgestattet, die
in dem Beispiel von Fig. 1 durch zwei
Widerstandsheizmanschetten 151, 152 gebildet werden, bei denen der Heizstrom durch
eine in der Spritzmaschine angeordnete Steuereinrichtung 200
reguliert wird.
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Um die Temperatur des Rheometers zu überwachen, sind auf dem
Rheometerkörper 110 unterschiedliche Meßpunkte vorgesehen, bei
denen Aufnahmelöcher 114, 115, 170, 171 eingearbeitet sind, um
Temperatursensoren, z. B. Thermoelemente aufzunehmen. Die
Aufnahmen 114, 115 sind Blindlöcher, die außerhalb des Körpers
110 münden und sind senkrecht zur Düse 140, rechtwinklig zur
Achse, entlang der sich diese erstreckt, eingearbeitet. Diese
Aufnahmen 114 und 115 sind jeweils zwischen der Aufnahme eines
Endsensors 111, 112 und der Aufnahme eines Mittelsensors 113
angeordnet. Die Aufnahmen 170 und 171 sind senkrecht zur Achse
des Kanals des Rheometers und münden einerseits außerhalb des
Körpers 110 und andererseits in Kanälen 172, 173 stromaufwärts
bzw. stromabwärts der Ziehdüse. Das Verbindungsteil 120 umfaßt
ein Aufnahmeloch 121 für einen Temperatursensor, ebenfalls ein
Thermoelement.
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Wie man in Fig. 1 sieht, kann der Rheometerkörper 110 aus drei
Teilen bestehen, die in der Länge überlagert sind, entlang der
sich der Flußkanal erstreckt. Zwei Hauptteile 116, 117
umfassen insbesondere die Drucksensoren 111, 112, die in die quer
angeordneten Endlöcher 141, 142 der Düse 140 münden. Ein
Zwischenstück 118 umfaßt den Drucksensor 113, der in das quer
angeordnete Zwischenloch 143 der Düse 140 mündet. Die
Hauptteile
116, 117, das Zwischenteil 118, sowie das
Verbindungsteil 120 und die Spritzdüse 130 sind durch Schrauben 160
zerlegbar zusammengebaut.
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Das Zwischenstück 118 kann weggelassen werden. In diesem Fall
umfaßt die Düse nur zwei querverlaufende Endlöcher, die den
Löchern 141, 142 von Fig. 1 entsprechen. Im folgenden wird man
sehen, daß die Bestimmung gewisser rheologischer Parameter des
verwendeten Polymermaterials tatsächlich nur die Kenntnis von
zwei Druckwerten erfordert. Das Teil 118 kann auch durch ein
anderes Zwischenteil unterschiedlicher Länge bezüglich der
Achse des Flußkanals ersetzt werden.
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In beiden Fällen wird die Düse 140 somit durch eine Düse
unterschiedlicher Länge ersetzt, die an die Länge des neuen
Zwischenteils angepaßt ist. Diese neue Düse hat eine Länge, die
der neuen Länge der zylindrischen Aufnahme 110a entspricht.
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Es ist auch möglich, den Körper 110 zu zerlegen, um die Düse
140 durch eine Düse mit unterschiedlichem Innendurchmesser zu
ersetzen.
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Die Länge der Teile 116, 117 und 118 entlang der Achse des
Flußkanals ist so, daß die durch den Körper 110, die
Spritzdüse 130 und das Verbindungsteil gebildete Gesamtheit eine Länge
hat, die vergleichbar zu derjenigen einer herkömmlichen
Spritzdüse ist. Die Anbringung des Rheometers auf der Maschine
führt zu keinem Spritzdruckverlust bezüglich der Spritzungen,
die man mit herkömmlichen Düsen durchführt.
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Fig. 2 zeigt das Schema der Datenverarbeitung, das den Zugriff
auf mechanische Eigenschaften des Polymermaterials im Verlaufe
des Flusses ermöglicht.
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Die Steuereinrichtung 200 der Spritzmaschine z. B. ein
Mikroprozessor, gibt der Zuführeinrichtung einen hydraulischen
Druck Ph, einen Volumendurchfluß Q und eine Schmelztemperatur
des betrachteten Polymermaterials vor. Zum anderen überwacht,
wie weiter oben gesagt, der Steuermikroprozessor 200 den
Speisestrom der Heizmanschetten 151, 152 des Rheometers.
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Die durch den Rheometer 100 gelieferten Druck- und
gegebenenfalls Temperaturmeßwerte werden durch die Verstärker 301, 302
verstärkt und neben dem Volumendurchfluß Q und, bei Bedarf,
dem hydraulischen Druck Ph an einen Analog/Digital-Wandler 400
angelegt. Ein Mikrorechner 500 verarbeitet die so
digitalisierten Daten gemäß einem Programm, welche die weiter unten
dargestellten mathematischen Ableitungen in Informatiksprache
übersetzt. Die gewonnenen Ergebnisse, scheinbare Viskosität
und Elastizität, werden einer Anzeigevorrichtung 600, einem
Drucker oder Plotter zugeführt.
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Im folgenden betrachtet man den Fluß bzw. die Strömung in der
Ziehdüse als stationäre achsensymmetrische Scherströmung.
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Die Scherspannung τω an der Wand ist gegeben durch die
Beziehung
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τω = R/2 ΔP/L
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wobei R der Radius der Düse und L ihre Länge ist. ΔP ist der
Druckabfall in der Düse. Man sieht, daß die Messung von ΔP nur
zwei Werte und somit zwei Drucksensoren erfordert.
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Im Falle von Newtonschen Fluiden wird die Scherrate an der
Wand ω ausgedrückt durch:
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wobei Q der Volumendurchfluß der Zuführeinrichtung ist.
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Im Falle Nicht-Newtonscher Fluide ist es notwendig, an der
vorhergehenden Formel eine Korrektur vorzunehmen, um eine
echte
Scherrate ωr zu erhalten, die definiert ist durch
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Im Falle von Fluiden, deren rheologisches Verhalten dem
Potenzgesetz folgt, läßt sich der Pseudoelastizitätsindex n
schreiben als
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n= d(Lnτω)/d(Ln ω)
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Man erhält somit den Ausdruck
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ωr = 3n-1/4n ω
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welcher die echte Scherrate ausgehend von der scheinbaren
Scherrate an der Wand ergibt.
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Die korrigierte scheinbare Viskosität η kann somit geschrieben
werden als
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η = τω/ ω
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Die Elastizität N&sub1; der Polymermaterialen im geschmolzenen
Zustand ist im allgemeinen durch die erste Differenz der
Normalspannungen gekennzeichnet:
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N&sub1; = τ&sub1;&sub1; - τ&sub2;&sub2;
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wobei τ&sub1;&sub1; die Normalspannung in der Strömungsrichtung und τ&sub2;&sub2;
die Normalspannung in der Scherrichtung bezeichnet. Die
Elastizität kann als Funktion des Ausgangsdruckes PD
folgendermaßen ausgedrückt werden:
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N&sub1;=Ps(1+ d(LnPS)/d(Lnτω)
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Im Falle des erfindungsgemäßen Rheometers kann der Druck PS am
Ausgang der Düse 140 durch direkte Messung oder lineare
Extrapolation der Änderungen des durch die Sensoren 111, 112, 113
gemessenen Druckes in Abhängigkeit von der Position in der
Düse bestimmt werden. Das Ergebnis ist umso genauer, je größer
die Anzahl von Drucksensoren ist, woraus sich das Interesse
erklärt, z. B. drei Sensoren anzuordnen.
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Das erfindungsgemäße Rheometer hat zahlreiche Vorteile:
- es ermöglicht die Bestimmung unterschiedlicher
rheologischer Eigenschaften wie z. B. der Viskosität, der
Elastizität und/oder der Kompressibilität, unter realen
Spritzverarbeitungsbedingungen ohne Störung des
Verarbeitungszyklus, und zwar in minimaler Zeit und mit großer
Genauigkeit;
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- das Vorhandensein von Drucksensoren in der Düse
(Kapillare) an genauen Positionen und in Kontakt mit dem
Polymermaterial ermöglicht die genaue Messung der realen
Scherspannung an der Wand, wodurch die Viskosität des
Materials mit hoher Genauigkeit bestimmt wird;
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- das Vorhandensein von mindestens drei Sensoren in der
Düse ermöglicht die Bestimmung der Elastizität der
Polymere, einer rheologischen Größe, zu der man mit anderen
Vorrichtungen keinen direkten Zugang hat;
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- die Möglichkeit, die Länge und den Durchmesser der Düse
bei der vorliegenden Erfindung zu verändern, eröffnet ein
großes Studiengebiet für die Eigenschaft von Polymeren
(Basisprodukte, Verbundstoffe, Mischungen, Elastomere,
etc) und ermöglicht somit den Zugang zu anderen für die
Verarbeitung unentbehrlichen Parametern wie z. B. die
Kompressibilität des Materials in Abhängigkeit vom
Spritzdruck, das Gleiten an der Wand, insbesondere im
Falle von Elastomeren, Phasentrennungsphänomene in
Abhängigkeit von der Scherrate im Falle von Polymermischungen,
etc;
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- das Vorhandensein von Temperatursensoren im Kontakt mit
dem Material ermöglicht die genaue Messung der Temperatur
des Polymers, einem unentbehrlichen Parameter für die
Untersuchung der rheologischen Kenngrößen des Materials,
der auch zum großen Teil die Verarbeitung bestimmt; somit
ermöglicht das Vorhandensein von zwei Temperatursensoren
stromaufwärts und stromabwärts der Ziehdüse (170 und 171)
die Untersuchung des Phänomens der Selbsterhitzung des
Materials;
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- das Datengewinnungssystem (Fig. 2) ermöglicht nicht nur
die Aufzeichnung und Darstellung der rheologischen
Eigenschaften, sondern auch die Bestimmung eines Gesetzes des
Verhaltens des Materials auf der Grundlage
experimenteller Daten; dieses Gesetz ist unverzichtbar für die
Modellierung der Strömung der Polymere im Verlaufe ihrer
Verarbeitung;
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- dieses System ermöglicht es, in Gegenwart von Sensoren in
der Gießform, das Verhalten des Materials in den
Zuführkanälen und im Nest der Gußform zu untersuchen.