WO2016037205A1 - Vorrichtung und verfahren zur modularen materialanalyse für kunststoffe - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur modularen materialanalyse für kunststoffe Download PDF

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    • G01N33/44—Resins; Plastics; Rubber; Leather
    • G01N33/442—Resins; Plastics

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for modular material analysis for plastics.
  • a melt stream of the material to be tested is conveyed through a defined sieve.
  • the pressure increase is recorded in front of the screen during the extrusion of a defined amount of material. This is then a measure of the dispersing quality of the material.
  • the melt is conveyed on a high-pressure capillary rheometer by means of pultrusion through a defined capillary geometry with different throughputs.
  • the pressure is measured before the capillary inlet. From the parameters of pressure, throughput, capillary diameter and capillary length, shear rate and viscosity can be calculated. This is done with different parameters, so that one can establish a functional relationship between shear rate and viscosity.
  • a laboratory extruder continuously feeds e.g. three capillaries of different geometry.
  • the pressures in front of the capillaries are measured per capillary at a defined throughput.
  • the advantage of this method is that you get several measurement points at the same time and thus the determination of the viscosity function is considerably faster.
  • a film of the material to be inspected is produced by means of an extruder, slot die and casting roll. This film is passed over a light source and viewed with a camera. Defects of various kinds can be detected optically and evaluated with suitable software. A statistical evaluation of the various fault characteristics then provides a quality statement about the tested material. For materials that are not translucent, an incident light method is used.
  • the most commonly used color measurement method is the spectral method.
  • a sample is illuminated with a daylight lamp and the light emanating from the film is split into different wavelength ranges.
  • the colorimetric data are calculated.
  • the measuring methods NIR, FTIR, TGA and mass spectroscopy serve to obtain further information about the composition of the melt.
  • additives, impurities, polymer molecules or parts thereof can be detected.
  • the object of the present invention was to overcome the disadvantages of the prior art and to provide an apparatus and a method by means of which a user is able to carry out a simple material analysis for plastics.
  • the device according to the invention comprises at least two different measuring devices of the group measuring devices for optical measurement of the melt (eg IR spectrometer), measuring devices for pressure filter test, rheology measuring devices, optical film inspection measuring devices, plastic film measuring devices, color measurement measuring devices, olfactory measuring devices Measurement of the melt or film and measuring instruments for NIR, FTIR, TGA, terahertz radiation, gas chromatography and mass spectroscopy, and is characterized by the fact that the measuring devices in question are mechanically and / or functionally interconnected.
  • the group measuring devices for optical measurement of the melt eg IR spectrometer
  • measuring devices for pressure filter test e.g., pressure filter test, rheology measuring devices, optical film inspection measuring devices, plastic film measuring devices, color measurement measuring devices, olfactory measuring devices
  • Measurement of the melt or film and measuring instruments for NIR, FTIR, TGA, terahertz radiation, gas chromatography and mass spectroscopy characterized by the fact that the measuring devices in
  • the term “different measuring devices” means that they are measuring devices for measuring different measured quantities.
  • the device preferably comprises a pressure filter test device and a rheology measuring device, and in particular other measuring devices of the above-mentioned group can always, at least a different meter must be included in the device.
  • the measuring devices usually comprise a sensor system and a system for processing and / or forwarding the plastic material to be measured (hereinafter referred to as "transport system").
  • the transport system of the respective measuring devices comprises the system for processing and / or forwarding of the plastic film to be produced by the manufacturing device.
  • the sensor system is thus integrated there in such a manufacturing device and performs its measurements at the point where the plastic material passes through the corresponding production s step.
  • the method according to the invention comprises the steps of: a) introducing (preferably automatically introducing) a plastic material into a first measuring device (eg as a melt, as a solid plastic strand or as a foil), b) measuring properties of the plastic material by means of the first measuring device, c) guiding (preferably automatic guidance) of the plastic material emerging from the preceding measuring device into a further measuring device, d) measuring properties of the plastic material by means of the further measuring device.
  • a first measuring device eg as a melt, as a solid plastic strand or as a foil
  • steps c) and d) are preferably repeated for these measuring devices until the plastic material has been measured by all available measuring devices.
  • the order of the gauges should preferably be governed by the condition of the measured plastic material during the measurement in view of the manufacture of the plastic product (eg, a plastic film).
  • a plastic material is first liquefied, then the liquid material is extruded, and finally cooled again and solidified with it.
  • measurements on the liquid plastic material eg the pressure filter test or the optical test of the melt
  • measurements on the liquid plastic material should take place prior to extrusion, rheology measurements during extrusion and measurements of mechanical characteristics or colors after extrusion or after cooling of the plastic material.
  • the first measuring device is a measuring device for the pressure filter test. This has the reason that in practice usually a pressure filter test is performed and this requires a liquid state of the plastic. If optical and / or olfactory measurements of the melt take place, the measuring device can be used for
  • Pressure filter test also be the second or third measuring device after one or two meters for optical and / or olfactory test of the melt.
  • the measuring device following the pressure filter test device is a measuring device for measuring the rheology.
  • the measuring devices with regard to the direction of movement of the plastic material or the naming in the process in the order of pressure measuring device, rheology measuring devices, optical film inspection devices, mechanical properties of plastic films, measuring devices for color measurement, and
  • the measuring devices are formed in the device as modules ("measuring modules"), which in particular are designed so that they can both be reversed in their position and replaced by other measuring modules it is advantageous that the position of a measurement module for a pressure filter test in the device has a fixed place, it may still be useful, for example, if the measuring modules for optical film inspection or for color measurement can be exchanged or exchanged.
  • the measuring modules it is necessary for the measuring modules to be connected to one another.
  • This compound can be mechanical in nature and in particular represent a fixed mechanical connection between the measuring modules.
  • the connection can also be of a functional nature, in which the readout and control of the measuring modules, together with the data taking takes place by means of a central system (eg via a central system for control and data processing).
  • the compound consists of both a mechanical and a functional compound.
  • the device comprises a holding structure, on or by means of which all measuring modules are fixedly connected to each other.
  • this holding structure comprises at least one carrier system to which all measuring modules can be firmly attached.
  • the holding structure comprises the housings of the measuring modules (or their holders), which are shaped such that in each case two housings can be firmly connected to one another by means of a carrier system. The housings are preferably under pressure to prevent contamination.
  • the carrier systems are located on the housings each at respective positions, so that each housing can be firmly connected to any other housing.
  • the plastic material is automatically guided by a measuring module to the respectively following measuring module.
  • the exit for the plastic material of a measuring device always opens into the inlet for the plastic material of the following measuring device, so that the plastic material exiting from one measuring device automatically enters the subsequent measuring device automatically.
  • the device comprises at least one guiding system which automatically transports the plastic material emerging from a measuring device to the following measuring device and introduces it, the guiding system in particular is configured that tears are avoided, for example, by accurate measurement of the web tension, pull groups, roller guides or rounded guide elements.
  • the device comprises a computing system, which is designed to control the transport of the plastic material or its processing and at the same time is designed to collect the data from the individual sensor systems of the measuring devices and possibly already to process or to perform a preprocessing.
  • the device comprises at least one guiding system which automatically transports the plastic material leaving a measuring device to and feeds the following measuring device, wherein the guiding system preferably also by the computing system is controlled.
  • the computing system comprises a GUI (graphical user interface) or a control panel with display elements for easy operation and readout.
  • GUI graphical user interface
  • control panel with display elements for easy operation and readout.
  • This device has the advantage that it can respond immediately to changes in material properties by the quality data directly in the production process or at least the direct measurement on one and the same plastic material, and thereby a significant increase in efficiency can be achieved.
  • the measuring modules are arranged "on-line" in a production device, ie, the device according to the invention is integrated in this production device. ⁇ br/> ⁇ br/> In a further preferred embodiment, the measuring modules are arranged "off-line".
  • the device according to the invention thus represents a separate measuring unit, in particular with a shredder, extruder or unwinder.
  • the device is preferably designed such that material is diverted before the measurement and, in particular, archived or returned after the measurement.
  • the user is able to choose which measuring modules he would like to use for his measurements.
  • there is a basic module consisting of pressure filter test and rheology, which is also a preferred embodiment. This is necessary because even within these measurements a film can be produced which is required for the subsequent tests (e.g., optical film inspection or color measurement).
  • Another advantage of the device according to the invention is that the structure can be made very robust. This is very important, for example, for an off-line device which can be used for measuring recycled plastics, in particular for recycling recycled plastics from the area of "end of life cycle" into the production Measuring instruments make it possible to define clear quality criteria for these materials.
  • the device comprises wall elements with which the sensor systems and transport systems can be sealed dust and / or fluid-tight in order to keep impurities away from the test film.
  • Measuring devices for the olfactory measurement of a material are known to the person skilled in the art.
  • odor analyzers or spectrometers are used for a device according to the invention.
  • an analysis takes place in a gas chromatograph.
  • the olfactory measurement module comprises a heating element, e.g. an oven.
  • control device for controlling properties of a plastic product
  • the control device comprises an arithmetic unit, an information receiving unit and a control unit, wherein the information receiving unit is designed to obtain information about characteristics of the plastic product via measuring devices or arithmetic units and to make it available to the arithmetic unit and the control unit is adapted to properties of the plastic product control or control devices that are involved in the production process of the plastic product.
  • the arithmetic unit comprises a memory (area) in which the received information is stored in such a way that a memory area is assigned to each measured parameter or at least can be uniquely identified on the basis of an address.
  • the arithmetic unit includes a memory (area), in which previously defined quality parameters / functions of the plastic product are stored.
  • a memory area
  • previously defined quality parameters / functions of the plastic product are stored.
  • these are compared directly or after calculation of a function or matrix based on the relevant measured values with corresponding quality parameters. If the measured / calculated values deviate from the quality parameters (possibly by a predetermined amount), the control unit is activated by means of the arithmetic unit so that it passes through a previously stored dosing algorithm.
  • the algorithm is designed such that, in the event of deviations of a measured value or a group of measured values, it controls functions in the production of the plastic product which are relevant for the relevant measured values (for example, the temperature or composition of the plastic with regard to the pressure filter test).
  • Measured values of measuring modules of the device for modular material analysis according to the invention are made available to the control device. This is preferably done by arranging these measured values in a matrix, with each measured value becoming one determined material property corresponds exactly one matrix position and / or the measured values are assigned there a fixed position in a scholarfterm. In particular, each of these measurements is assigned to exactly one variable, these variables representing parts of a function or matrix.
  • Elements of the matrix or variables of the function are thus assigned measured parameters and, after calculations of functions or matrix properties, can be compared with previously stored parameters.
  • the computing system performs, in particular after each data take, calculations with respect to the matrix or the function or their parts and compares the result of this calculation with a previously set value or value range.
  • the production of the plastic product is controlled by means of a preset routine (for example by means of dosing algorithms) until the result of the matrix / function calculations again corresponds to the preset value or is back within the preset value range.
  • an appropriate additive can be added on the basis of the measured value for the viscosity, if this deviates, or if a desired color is to be obtained, in the case of deviations a corresponding color pigment is added, or if not desired Odor is detected, an appropriate flavor can be added. In this way, on-line regulation of quality characteristics of the plastic product is possible, which increases the overall quality and reduces the rejects.
  • a preferred embodiment relates to measuring devices / measuring modules for pressure filter test.
  • Associated devices are preferably designed for automatic screen change, in particular by means of filter modules can be improved simply by the fact that the removed filter modules, which may contain important information in the screened material, are subjected to further analyzes, such as an optical assessment, a microscopic examination, IR spectroscopy, X-ray fluorescence spectrography or a measurement after a Vera ,
  • a preferred pressure filter testing device includes filter modules and a pressure sensing sensor system, wherein the filter modules are positionable in the flow of plastic melt and the changing system is adapted to automatically replace the filter modules.
  • Suitable sensor systems are known to those skilled in the art and in particular include pressure sensors, which are arranged so that they can measure a pressure increase upstream of the filter during the extrusion of a defined amount of material.
  • Preferred filter modules include filter support structures for sieves / filters or for groups of sieves / filters.
  • Preferred filter modules include cartridges in which at least one filter / screen is disposed, or the filter modules are formed on belts (e.g., filter or screen belts) and, in particular, correspond to surfaces on these belts.
  • Preferred filter modules include sieves and / or filters or combinations of filters and / or sieves. Furthermore, preferred filter modules are areas of a sieve or filter belt.
  • Granules, perforated surfaces or areas of threads or belts are preferably used as filter modules.
  • the change system is configured to move a belt containing the filter modules through the melt stream, or is designed to move cartridges into and out of a melt stream.
  • the filter modules are moved into the measuring range and removed from it.
  • the device preferably comprises an opening which is opened and closed again after the introduction of a filter module.
  • the movement of the opening is preferably achieved electrically, mechanically, hydraulically or by compressed air.
  • the opening is opened, the holding structures of the Kirysys- moved (eg by means of wedges and spindle drives), brought the filter module in position and the opening closed again.
  • filters / sieves and filter / sieve packages of different thicknesses can be inserted in order.
  • the filter modules are areas on a belt-shaped screen or filter material.
  • the interchangeable system is configured such that its support structure can receive a coiled, filter module tape in a first position, its moving system configured to unroll the tape and portions of the tape (on which filter modules are formed) through a melt stream can lead.
  • the holding system is also designed to resume the guided through the melt stream tape and the movement system designed to rewind the tape, possibly after curing, the device is particularly equipped with an additional cooling module. It is advantageous if the filter module is arranged pressure-tight in its measuring position, so that the melt can not escape laterally.
  • the filter modules (even if they are on tapes) have a denser structure at their edges.
  • a denser structure can be achieved, for example, by a denser weave or a targeted shaping of a lower hole density at the edges.
  • Such filter modules increase the tightness of the device.
  • filter modules are used, which are arranged in particular on tracks. By different weaves, for example, different subtleties, these filter modules are realized as separate modules or as successive and / or adjacent areas on a tape surface. It is important here that, for sealing against the polymer melt, the screen webs are each woven longitudinally and transversely closer to the edge regions of the filter modules than in the center of the filter modules.
  • the sealing is achieved by metal foils, resins, or other high temperature resistant thermoplastic or thermosetting plastics, wherein the respective material is applied or applied to the edge regions of the filter modules.
  • Preferred seals are also wedge constructions, edges or transverse weaves.
  • Filter modules are preferably applied (in particular on a belt) in such a way that, in the edge region of the filter module, a margin is worked out over a width of 1 mm to 5 cm, in particular to a width between 5 mm and 2 cm, which has a denser filter to improve the tightness - / sieve structure and / or has a sealant and a sieve / filter area encloses, which is intended to perform measurements.
  • the pressure filter test device it is possible to measure not only with a screen geometry but in succession with several different filter modules, which differ in their fineness, screen or screen materials. It is also possible to assemble individual sieve packages, or even to measure with filter modules containing filter sands (e.g., minerals, plastics and / or metals) and combinations of all sorts of materials.
  • filter sands e.g., minerals, plastics and / or metals
  • the device comprises a tempering system, which is designed to pre-temper the filter modules in front of the measuring range and / or to cool after the measurement.
  • the filter modules are cooled after ejection and fall orderly in a collection magazine and are optionally individualized. This makes it possible to use the sieves for further analysis of impurities.
  • a melt pump and / or a measuring system for flow measurement (for example a Coriolis mass flow rate measurement) is preferably arranged between the extruder / screw conveyor and the filter.
  • a correct and constant throughput is preferably achieved by controlling the melt movement (eg the speed of the screw in the extruder).
  • a measuring method can be improved by feeding the removed filter modules, which may contain important information in the filtered-out material, to further analyzes, such as e.g. optical assessment, microscopic examination, spectroscopic method (e.g., optical or IR) or ashing.
  • optical assessment e.g. optical assessment
  • microscopic examination e.g., microscopic examination
  • spectroscopic method e.g., optical or IR
  • the filter modules are arranged so that they follow one another at a complete change through the melt stream with increasing or decreasing values of a certain property.
  • the filter modules are arranged such that the filter module adjacent in one direction has a smaller one
  • the device is designed so that not the entire melt stream is measured, but a part of the melt stream is branched off and measured in a pressure filter test. This part is then preferably returned to the melt stream. In particular, a sample is removed from the area of the screw conveyor. In this way, a well-timed measurement within the pressure filter test can be done without interrupting a manufacturing process.
  • the device is designed to automatically label the filter modules.
  • the device is designed so that not the entire melt stream is measured but a part of the melt stream is branched off and measured in a pressure filter test. This part is then preferably returned to the melt stream.
  • a sample is removed from the area of the screw conveyor. In this way, a well-timed measurement within the pressure filter test can be done without interrupting a manufacturing process.
  • a preferred embodiment relates to measuring devices / measuring modules for rheology.
  • a laboratory extruder for example a LAB
  • a side stream of a main extruder feeds continuously e.g. three capillaries of different geometry.
  • the device is designed so that after the sieve of the measuring device for pressure filter test instead of the usual round nozzle, a Schlitzkapillare is arranged adjacent to the sieve area, which is already belonging to the measuring device / module for rheology, or the connection between the pressure filter test and the rheology measurement.
  • the device is designed so that the melt stream is split into at least two parallel streams, wherein on one of the pressure filter test and on the other measurements to the rheology is performed.
  • a prefiltration of the plastic melt at least before the measurement of the rheology of advantage.
  • At least three pressure transducers are included in the relevant sensor system with respect to the rheology measurement.
  • the arrangement of the measuring device / measuring module for rheology is designed so that by means of a pressure transducer, the inlet pressure loss for the assessment of elastic properties can be measured, in particular by means of one of the aforementioned pressure transducer.
  • the arrangement of the measuring device / measuring module for rheology is designed so that by means of at least two pressure transducer (in particular the other two of the aforementioned at least three pressure transducer), the pressure difference for calculating the viscosity and shear rate can be measured.
  • the rheometer preferably comprises a flat capillary.
  • the slot capillary for measuring the rheology is dimensioned so that a band of at least 5 mm wide, in particular at least 50 mm wide is extruded.
  • the maximum width depends on the machine dimension and is for example 5 m.
  • the slot capillary is preferably wedge-shaped, at least in its edge region. Depending on the type of measurement, it may be advantageous if the capillary is straight, wedge-shaped or wedge-shaped only at the edge.
  • the measuring module comprises, in addition to the slot capillary (which can also act as a nozzle), further round or slot capillaries.
  • the slot capillary is adjustable in width and lip distance to accommodate the various materials and viscosity ranges.
  • different capillary modules are used depending on the type of measurement and type of material, as well as the desired throughput through the system. Preferred shapes are flat, round or polygonal.
  • the device is designed so that it contains an extrusion unit (in particular an extrusion unit containing a Schlitzkapillare, which is preferably adjustable and / or interchangeable) and after exiting the extrusion unit, a smoothing roller is arranged, on which or by means of which the film is cooled and is drawn to the required thickness, the film is corked, or the film is calendered.
  • an extrusion unit in particular an extrusion unit containing a Schlitzkapillare, which is preferably adjustable and / or interchangeable
  • a smoothing roller is arranged, on which or by means of which the film is cooled and is drawn to the required thickness, the film is corked, or the film is calendered.
  • the device comprises a roller structured on its surface, the device being adapted to apply this structure to the Apply surface of the plastic film.
  • a roller structured on its surface, the device being adapted to apply this structure to the Apply surface of the plastic film.
  • Preference is given to structures of the group of mattings, roughenings, relief structures, longitudinal strips, corrugations, prismatic or lens structures and markings or signs. These structures need not be formed on the entire lateral surface of the roller. It is preferred that only part of the lateral surface of the roller is structured, in particular its edge region.
  • Such an embodiment provides the advantages that markings can be applied automatically or the film can be prepared for special optical measurements.
  • edge pinching or vacuum units and / or air knife are preferably used.
  • the roller is provided with many common Be layers such as hard chrome, chemical nickel, Teflon, TiN, CrN, PVD layers, DLC (Diamond like carbon). Often, the use determines the appropriate coating.
  • the rheology measuring module has at least two (in particular at least three) capillaries (eg tubes, channels, nozzles or bores) which have dimensions of between 0.001 mm and 10 mm, in particular between 0.05 mm and 5 mm, and all different diameters, preferably with the same cross-sectional shape.
  • the diameters preferably differ by more than 0.1 mm, in particular by more than 0.4 mm.
  • Also preferred here is a modularity, an adjustability and / or an interchangeability.
  • the device preferably comprises a conveying unit, e.g. a melt pump for better promotion of the melt stream.
  • a conveying unit e.g. a melt pump for better promotion of the melt stream.
  • a preferred embodiment relates to measuring devices / measuring modules for optically evaluating the film.
  • a measuring module for optically evaluating the film preferably comprises an illumination system and an image recording system.
  • the illumination system is designed such that it can emit light onto a plastic film by means of at least one illumination unit and can record images of this plastic film by means of the image recording system.
  • the image recording system preferably comprises sensors with cell-shaped or areally arranged photosensitive sensors, in particular CCD sensors and / or CMOS sensors. Commercially available cameras can also be used for such a detector.
  • the illumination system comprises at least one illumination unit which is arranged with respect to a plastic film to be measured on the same side as an element of the image acquisition system (incident light configuration) and / or on the other side of an element of the image acquisition system (transmitted light configuration).
  • incident light configuration an element of the image acquisition system
  • transmitted light configuration a combination of incident light and transmitted light configuration is preferred.
  • the illumination system comprises at least two illumination units emitting different radiations (e.g., different colors and / or IR / UV).
  • the radiation is preferably monochromatic and / or polarized.
  • At least two illumination units and / or at least two image recording units which are arranged in respectively different angles to a surface of the product to be measured, are preferred.
  • Image recording units are also preferably arranged pivotably and fulfill in particular the function of a scanner.
  • the measuring module is designed to perform several shots at the same longitudinal position of the film.
  • the camera is designed so that it can be moved in the transverse direction of the film, but also different shots at different wavelengths from one and the same point of the film are preferably made.
  • the measuring module additionally comprises a unit (e.g., movable roller) adapted to tension the plastic film or to serve as a web spreading unit.
  • a unit e.g., movable roller
  • the measuring module In its design as a web storage unit, it allows several shots of the film at one and the same longitudinal position of the film.
  • a preferred embodiment is designed such that an analysis of the deviations despite offset of the surface to be measured is possible. This is done in particular by a corresponding control of the lighting units and / or the image recording units.
  • the modules are offset in the web direction of the film to be measured, wherein the analysis of the same location of the film by accurate displacement measurement or triggering e.g. through the markers already mentioned above.
  • the measuring devices / measuring modules for optically evaluating the film comprises a compact film guide via a lighting unit, wherein at least one camera is arranged above the lighting unit, which is directed onto the film and records an image of a film section (transmitted light method).
  • the measuring devices / measuring modules for optically evaluating the film comprise a compact film guide under a lighting unit, wherein at least one camera, which is directed onto the film and an image, is arranged on the film side on which the lighting unit is located of a film section (incident light method).
  • the entire width thereof is recorded or imaged by means of the at least one camera over a preset length range of the film.
  • the cameras used are preferably designed to accommodate different spectral ranges, which do not necessarily comprise only visible light, but in particular also the UV range and the IR range.
  • a preferred embodiment relates to measuring devices / measuring modules for mechanical characteristics.
  • the device is designed such that it comprises a traction unit, to which a plastic film guided through the device can be fed.
  • a traction unit to which a plastic film guided through the device can be fed.
  • Such a train preferably comprises two pairs of rollers lying one behind the other, with the first pair of rollers, viewed relative to the direction of movement of a film, rotating more slowly than the second pair of rollers, so that the film is stretched.
  • the rollers are driven in particular by means of drive units (for example electric motors).
  • the tensioning device is in particular arranged vertically and provided with a foil guide. This ensures that the film can run in again after a demolition.
  • tension is also arranged horizontally or at any desired angle.
  • rolls are compressed electrically, mechanically, pneumatically or hydraulically.
  • the line pressure is determined and regulated in particular by means of sensors.
  • the rollers can be coated with all sorts of materials. Preferred rolls (either or both) are rubberized, rough, one being rubberized and one being rough.
  • the sensor system of a measuring device / measuring module for mechanical characteristic values comprises in particular at least one power meter or at least one ammeter, which measures the power or the current of the drive unit of the faster running roller pair.
  • the Measuring the power or the current consumption of the faster-moving pair of rollers is a measure of the force with which the film is stretched and thus provides information about the mechanics of the film.
  • the sensor system of a measuring device / measuring module for mechanical characteristic values additionally comprises, in particular, at least one power meter or at least one ammeter, which measures the power or the current of the drive unit of the slower running roller pair. This facilitates calibration and improves measurement accuracy.
  • the device comprises tensile load cells or measuring rollers.
  • the mechanical characteristic measuring module comprises two pairs of rollers, which are spaced apart from one another and guide a plastic film between them, so that this plastic film can not slip in each of the pairs of rollers.
  • the measuring module also comprises a measuring roller, which is arranged between these two pairs of rollers.
  • the measuring module is preferably designed such that the measuring roller can be pressed against a guided between the roller pairs plastic film and the pressing force in relation to the deflection of this measuring roller can be measured.
  • the measuring module is also preferably designed so that the measuring roller can be vibrationally applied to a plastic film guided between the roller pairs.
  • the ratio of pressing force to deflection of the measuring roller gives a measured value for mechanical characteristics of the plastic film.
  • this measuring module is arranged so that the plastic film is vertical or horizontal.
  • a preferred embodiment relates to measuring devices / measuring modules for colorimetry, NIR, FTIR, TGA, terahertz radiation (for example for measuring thickness profiles or laminations), gas chromatography and mass spectroscopy, UV-Vis.
  • the senor system is designed so that it can be modularly integrated into the system given a film guide and / or holding devices.
  • the device is designed to additionally automatically mark the measured plastic film, in particular by means of characters, barcodes, RFID elements, engravings, or other patterns.
  • the device preferably comprises printers, marking elements, elements for applying adhesive materials, stamping, or other elements for changing surfaces.
  • the device is designed so that markings on the plastic film can be scanned via a scanning element and a computing unit equipped with an operating software (which are contained in particular in the device). In this way it is possible to record measurement results or quality marks directly on the plastic film or to mark measuring ranges.
  • the device is designed so that not the entire melt stream or the entire plastic product is measured for measurement in any measurement module but a part of the melt stream / plastic product is diverted.
  • the relevant extraction unit is designed so that the measured mass flow or the measured plastic product correlates temporally directly with the main flow, in particular by small diameter in the withdrawal stream, which may be widened or separated edge regions of the plastic product.
  • a marginal strip analysis of the plastic product is carried out, or the device is designed at least to perform a marginal strip analysis.
  • This part is then preferably returned to the melt stream or a recovery.
  • a well-timed measurement which is correlated with the melt flow / plastic product, in particular without interrupting a manufacturing process done.
  • the device can contain at least one pre-filter, in particular at its inlet or the inlet of individual measuring modules.
  • the system contains reference materials (eg pure granules, reference samples of the plastic material or the plastic film, color samples or IR reference samples).
  • the device may also have its own reference extruder for this purpose.
  • At least one melt buffer is arranged between the extruder head or screw conveyor and a measuring module or a melt pump or between two measuring modules.
  • This melt buffer collects incoming melt and presses the melt through an outlet as needed. In this way, a continuous measurement is possible even with a discontinuous operation of a system.
  • Figure 1 shows schematically a preferred embodiment
  • Figure 2 shows schematically a further preferred embodiment
  • FIG. 3 schematically shows a further preferred embodiment.
  • FIG. 4 schematically shows a further preferred embodiment.
  • FIG. 1 schematically shows a preferred embodiment in which four measuring modules 1 fixedly connected to one another are attached to a screw conveyor 2.
  • the screw conveyor 2 in this example does not comprise an outlet nozzle, only a liquid plastic material passes out of the screw conveyor after passing through the screw, passes automatically into the first of the measuring modules 1 and passes through the row of measuring modules 1 while the plastic material is measured and optionally processed.
  • the screw conveyor may also be part of the device.
  • measuring module A could be a measuring instrument for the olfactory measurement of the art melt Melt
  • measuring module B is a measuring device for pressure filter test
  • measuring module C be a measuring device for rheology of the plastic
  • measuring module D be a measuring device for optical measurement of the resulting plastic film, wherein measuring module D in this case rollers for Smoothing of the plastic film could have (but these could also be included in measuring module C).
  • FIG. A similar device is shown in FIG. Here is a complete extruder equipped with measuring modules.
  • the plastic material emerging from the screw conveyor 2 is pressed through an opening 3, in which a pressure filter test is carried out, which is measured by the pressure measuring module 4. Subsequently, a
  • a device according to the invention can contain all the elements of FIG. 2, but it is also possible to use a commercially available extruder and design a device according to the invention according to FIG. 3, in which the pressure measuring module 4, the rheology measuring module 6 and the optical measuring module 7 are firmly connected to each other and this composite is shaped so that it can be attached to commercially available extruder (plus, if necessary, a screen for pressure filter test).
  • FIG. 4 shows a further preferred embodiment in a detailed, yet sketchy illustration.
  • a melt stream is introduced into a pressure measuring module 4 (black arrow upper left) and a pressure filter test is performed. This is followed by a rheology test in a rheology measurement module 6, during which the melt is extruded into a film (black strand) which, if necessary, is deflected by rollers and passes through the further measurement stations.
  • the film After a smoothing / cooling by means of the subsequent roller (large radius), the film is deflected by means of three rollers and it takes place in an optical measuring module 7 of 2 wide. Ren rollers supports an optical measurement instead. Thereafter, the film is in turn deflected by means of two rollers and there is between two pairs of rollers, a measurement of mechanical properties of the film with a mechanical measuring module 8 instead. Finally, after a deflection over two rollers, the smell of the film is checked by means of an olfactory measuring module 9. Furthermore, the film is deflected again over two rollers and is optionally available for further processing or further measurements.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur modularen Materialanalyse für Kunststoffe umfassend mindestens zwei unterschiedliche Messgeräte der Gruppe Messgeräte zur optischen Vermessung der Schmelze, Messgeräte zum Druckfiltertest, Messgeräte zur Rheologie, Messgeräte zur optischen Folieninspektion, Messgeräte mechanischer Kennwerte von Kunststofffolien, Messgeräte zur Farbmessung, Messgeräte zur olfaktorischen Vermessung der Schmelze oder der Folie und Messgeräte zur NIR, FTIR, TGA Terahertzstrahlung, Gaschromatographie und Massenspektroskopie, wobei die betreffenden Messgeräte mechanisch und/oder funktional miteinander verbunden sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur modularen Materialanalyse für Kunststoffe
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur modularen Materialanalyse für Kunststoffe.
In der Kunststoffherstellung und Verarbeitung findet sich eine große Vielfalt an Methoden, um die Eigenschaften der dort verwendeten Werkstoffe zu charakterisieren. Besonders in der Qualitätssicherung bei Rohstoffherstellern, Masterbatch Herstellern und Verarbeitern haben sich seit vielen Jahren einige grundlegende Verfahren durchgesetzt, welche zum großen Teil genormt sind.
Diese Verfahren sind beispielsweise der Druckfiltertest, der z.B. mit der DIN EN 13900-5 „Bestimmung mit dem Druckfiltertest" normiert ist, die Ermittlung von Viskositätsfunktio- nen, eine optische Folieninspektion (DIN EN 13900-6„Bestimmung mit dem Folientest"), Farbmessungen, NIR, FTIR, TGA und Massenspektroskopie oder mechanische Festigkeitsmessungen (z.B. auf Zug, Druck, Kratzfestigkeit, Taber Abraser).
Das Prinzip eines Druckfiltertests wird anhand des folgenden Beispiels kurz umrissen.
Von einem Laborextruder wird ein Schmelzestrom des zu prüfenden Materials durch ein definiertes Sieb gefördert. Dabei wird die Druckerhöhung vor dem Sieb während der Extrusion einer definierten Materialmenge aufgezeichnet. Diese ist dann ein Maß für die Dispergierqua- lität des Materials.
Zur Ermittlung von Viskositätsfunktionen werden grundsätzlich zwei Verfahren favorisiert, die im Folgenden kurz beschrieben werden.
Bei dem ersten Verfahren wird an einem Hochdruckkapillarrheometer mittels Pultrusion die Schmelze durch eine definierte Kapillarengeometrie mit verschiedenen Durchsätzen gefördert. Hierbei wird der Druck vor dem Kapillareneinlauf gemessen. Aus den Parametern Druck, Durchsatz, Kapillarendurchmesser und Kapillarenlänge lassen sich Schergeschwindigkeit und Viskosität errechnen. Dies wird mit verschiedenen Parametern durchgeführt, so dass man einen funktionalen Zusammenhang zwischen Schergeschwindigkeit und Viskosität herstellen kann.
Bei dem zweiten Verfahren speist ein Laborextruder kontinuierlich z.B. drei Kapillaren unter- schiedlicher Geometrie. Auch hier werden bei definiertem Durchsatz je Kapillare die Drücke vor den Kapillaren gemessen. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass man mehrere Messpunkte gleichzeitig erhält und somit die Ermittlung der Viskositätsfunktion erheblich schneller wird. Bei einem beispielhaften Verfahren zur optischen Folieninspektion wird mittels eines Extruders, Breitschlitzdüse und Gießwalze eine Folie aus dem zu inspizierenden Material hergestellt. Diese Folie wird über eine Lichtquelle geführt und mit einer Kamera betrachtet. Fehlstellen unterschiedlichster Art können so optisch erfasst und mit einer geeigneten Software ausgewertet werden. Eine statistische Auswertung der verschiedensten Fehlercharakteristiken liefert dann eine Qualitätsaussage über das geprüfte Material. Für Materialien, die nicht Lichtdurchlässig sind, wird dabei ein Auflichtverfahren eingesetzt.
Die am häufigsten angewendete Methode zur Farbmessung ist das Spektralverfahren. Dabei wird eine Probe mit einer Tageslichtlampe beleuchtet und das von der Folie ausgehende Licht in verschiedene Wellenlängenbereiche aufgespalten. Mittels eines Sensors oder eines Sensorsystems werden die farbmetrischen Daten errechnet.
Die Messverfahren NIR, FTIR, TGA und Massenspektroskopie dienen dazu, weitere Informationen über die Zusammensetzung der Schmelze zu erhalten. So können beispielsweise Addi- tive, Verunreinigungen Polymermoleküle oder Teile davon detektiert werden.
In der Regel sind dies stationäre Laborgeräte welche mit einem Messkopf und einer Auswerteeinheit ausgerüstet sind. In modernen Geräten ist diese in den Messkopf integriert. Alle diese Messverfahren haben sich in der Analytik und Qualitätskontrolle von Kunststoffen seit Jahrzehnten bewährt. Ein entscheidender Nachteil ist jedoch die Tatsache, dass diese Verfahren jeweils nur als einzelne Off-Line Messgeräte zur Verfügung stehen. Diese müssen mit Proben beschickt werden, was in der Regel manuell geschieht. Hinzu kommt, dass die Geräte häufig in unterschiedlichen Labors stehen und von unterschiedlichem Personal bedient werden. Diese Situation führt dazu, dass Daten für eine Qualitätskontrolle nie zeitnah zum eigentlichen Produktionsprozess zur Verfügung stehen. Außerdem wird durch die räumliche Trennung häufig das Zusammenführen der unterschiedlichen Daten schwierig, so dass oftmals ein Gesamtbild des Qualitätszustandes des Produktes nicht generiert werden kann.
Durch den zeitlichen und räumlichen Versatz der Qualitätsbeurteilung und dem aktuellen Produktionszustand wird es unmöglich auf Qualitätsabweichungen schnell und gezielt zu reagieren. Dies führt dazu, dass Ausschuss nicht schnell genug als solcher erkannt wird und die- ser unter Umständen aufwendig aussortiert und nachbearbeitet werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels derer ein Benutzer in der Lage ist, eine einfache Materialanalyse für Kunststoffe vorzunehmen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens zwei unterschiedliche Messgeräte der Gruppe Messgeräte zur optischen Vermessung der Schmelze (z.B. IR Spektrometer), Messge- räte zum Druckfiltertest, Messgeräte zur Rheologie, Messgeräte zur optischen Folieninspektion, Messgeräte mechanischer Kennwerte von Kunststofffolien, Messgeräte zur Farbmessung, Messgeräte zur olfaktorischen Vermessung der Schmelze oder der Folie und Messgeräte zur NIR, FTIR, TGA, Terahertzstrahlung, Gaschromatographie und Massenspektroskopie, und zeichnet sich dadurch aus, dass die betreffenden Messgeräte mechanisch und/oder funktional miteinander verbunden sind.
Selbstverständlich bedeutet die Formulierung„unterschiedliche Messgeräte", dass es sich dabei um Messgeräte zur Messung unterschiedlicher Messgrößen handelt. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ein Messgerät zum Druckfiltertest und ein Messgerät zur Rheologie und ins- besondere weitere Messgeräte der oben genannten Gruppe. Auch wenn ähnliche Messgeräte vorliegen können, muss stets zumindest ein unterschiedliches Messgerät in der Vorrichtung enthalten sein. Wie oben bereits angedeutet, ist dem Fachmann der generelle Aufbau der einzelnen Messgeräte bekannt. Die Messgeräte umfassen zumeist ein Sensorsystem und ein System zur Verarbeitung und/oder Weiterleitung des zu vermessenden Kunststoffmaterials (im Folgenden „Transportsystem" genannt).
In dem Fall, dass die Messgeräte in einer Vorrichtung zur Fertigung von Kunststofffolien integriert sind, umfasst das Transportsystem der betreffenden Messgeräte das System zur Verarbeitung und/oder Weiterleitung der von der Fertigungsvorrichtung herzustellenden Kunststofffolie. Das Sensorsystem ist dort also in eine solche Fertigungsvorrichtung integriert und führt seine Messungen an der Stelle durch, wo das Kunststoffmaterial den entsprechenden Fertigung s schritt durchläuft.
Das erfindungsgemäße Verfahren, welches mit einer solchen Vorrichtung durchgeführt wird, umfasst die Schritte: a) Einführen (vorzugsweise automatisches Einführen) eines Kunststoffmaterials in ein erstes Messgerät (z.B. als Schmelze, als festes Kunstoffstrang oder als Folie), b) Messung von Eigenschaften des Kunststoffmaterials mittels des ersten Messgeräts, c) Führung (vorzugsweise automatische Führung) des aus dem vorangehenden Messgerät austretenden Kunststoffmaterials in ein weiteres Messgerät, d) Messung von Eigenschaften des Kunststoffmaterials mittels des weiteren Messgeräts.
Bei vorliegen weiterer Messgeräte in der Vorrichtung werden die Schritte c) und d) bevorzugt so lange für diese Messgeräte wiederholt, bis das Kunststoffmaterial von allen vorhandenen Messgeräten vermessen worden ist. Die Reihenfolge der Messgeräte sollte sich bevorzugt nach dem Zustand des vermessenen Kunststoffmaterials während der Messung in Anbetracht der Fertigung des Kunststoffprodukts (z.B. einer Kunststofffolie) richten. Während der Fertigung einer Plastikfolie wird ein Kunststoffmaterial zunächst verflüssigt, dann das flüssige Material extrudiert, und zuletzt wieder abgekühlt und damit verfestigt. Somit sollten insbesondere Messungen am flüssigen Kunststoffmaterial (z.B. der Druckfiltertest oder der optische Test der Schmelze) vor einer Extrusion stattfinden, Messungen zur Rheologie während einer Extrusion und Messungen mechanischer Kennwerte oder von Farben nach einer Extrusion bzw. nach einer Abkühlung des Kunststoffmaterials.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Messgerät um ein Messgerät zum Druckfiltertest. Dies hat den Grund, dass in der Praxis meist ein Druckfiltertest durchgeführt wird und dieser einen flüssigen Zustand des Kunststoffs benötigt. Finden optische und/oder olfaktorische Messungen der Schmelze statt, kann das Messgerät zum
Druckfiltertest auch das zweite oder dritte Messgerät nach einem oder zwei Messgeräten zum optischen und/oder olfaktorischen Test der Schmelze sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem auf das Messgerät zum Druckfiltertest folgende Messgerät um ein Messgerät zur Messung der Rheologie.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Messgeräte bezüglich der Bewegungsrichtung des Kunststoffmaterials bzw. der Nennung im Verfahren in der Reihenfolge Messgeräte zum Druckfiltertest, Messgeräte zur Rheologie, Messgeräte zur optischen Folieninspektion, Mess- geräte mechanischer Kennwerte von Kunststofffolien, Messgeräte zur Farbmessung und
Messgeräte zur NIR, FTIR, TGA, Terahertzstrahlung, Gaschromatographie und Massenspektroskopie angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Messgeräte, zumindest deren Sensorsysteme, in der Vorrichtung als Module ausgeformt („Messmodule"), die insbesondere so gestaltet sind, dass sie sowohl in ihrer Position vertauscht werden können als auch durch andere Messmodule ersetzt werden können. Auch wenn es von Vorteil ist, dass die Position eines Messmoduls für einen Druckfiltertest in der Vorrichtung einen festen Platz hat, kann es dennoch nützlich sein, wenn sich beispielsweise die Messmodule zur optischen Folieninspektion oder zur Farbmessung austauschen oder vertauschen ließen.
Zum Erreichen der erfindungsgemäßen Lösung ist notwendig, dass die Messmodule miteinander verbunden sind. Diese Verbindung kann mechanischer Natur sein und insbesondere eine feste mechanische Verbindung der Messmodule untereinander darstellen. Die Verbindung kann aber auch funktioneller Natur sein, in dem die Auslese und Steuerung der Messmodule, zusammen mit der Datennahme mittels eines zentralen Systems erfolgt (z.B. über ein zentrales System zur Steuerung und Datenverarbeitung).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Verbindung sowohl in einer mechanischen als auch in einer funktionalen Verbindung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform mit einer mechanischen Verbindung umfasst die Vorrichtung eine Halte struktur, auf oder mittels der alle Messmodule miteinander fest verbunden sind. Diese Haltestruktur umfasst dabei insbesondere mindestens ein Trägersystem an dem alle Messmodule fest angebracht werden können. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Haltestruktur die Gehäuse der Messmodule (oder deren Halterungen), die dabei so ausgeformt sind, dass jeweils zwei Gehäuse mittels eines Trägersystems fest mit- einander verbunden werden können. Die Gehäuse stehen bevorzugt unter Überdruck, um Verunreinigungen zu verhindern.
Vorzugsweise befinden sich die Trägersysteme an den Gehäusen jeweils alle an entsprechenden Positionen, so dass jedes Gehäuse mit jedem anderen Gehäuse fest verbunden werden kann.
Bei einer solchen festen mechanischen Verbindung ist es besonders bevorzugt, wenn das Kunststoffmaterial automatisch von einem Messmodul zu dem jeweils folgenden Messmodul geführt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform mündet der Austritt für das Kunststoffmaterial eines Messgeräts stets in den Eintritt für das Kunststoffmaterial des folgenden Messgeräts, so dass das aus dem einen Messgerät austretende Kunststoffmaterial direkt in das nachfolgende Messgerät automatisch eintritt.
Ebenso ist bevorzugt, dass die Vorrichtung mindestens ein Führungssystem umfasst, welches das aus einem Messgerät austretende Kunststoffmaterial automatisch zu dem folgenden Messgerät transportiert und in dieses einführt, wobei das Führungssystem insbesondere so ausgestaltet ist, dass Abrisse vermieden werden, z.B. durch genaue Messung der Bahnspannung, Zuggruppen, Walzenführungen oder abgerundete Führungselemente.
Beide Merkmale können auch zusammen in einer Vorrichtung vorliegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform mit einer funktionalen Verbindung umfasst die Vorrichtung ein Rechensystem, welches dazu ausgelegt ist, den Transport des Kunststoffmaterials oder dessen Verarbeitung zu steuern und gleichzeitig dazu ausgelegt ist, die Daten von den einzelnen Sensorsystemen der Messgeräte zu sammeln und ggf. bereits zu verarbeiten oder eine Vorverarbeitung durchzuführen.
Auch in diesem Falle ist es selbst bei einer fehlenden mechanischen Verbindung der Messgeräte bevorzugt, dass die Vorrichtung mindestens ein Führungssystem umfasst, welches das aus einem Messgerät austretende Kunststoffmaterial automatisch zu dem folgenden Messgerät transportiert und in dieses einführt, wobei das Führungssystem vorzugsweise ebenfalls durch das Rechensystem gesteuert wird.
Bevorzugt umfasst das Rechensystem eine GUI (Graphische Benutzeroberfläche) oder eine Bedienungskonsole mit Anzeigeelementen zur einfachen Bedienung und Auslese.
Diese Vorrichtung hat den Vorteil, dass man durch das Anfallen der Qualitätsdaten direkt im Produktionsprozess oder zumindest der Direktmessung an ein und demselben Kunststoffmaterial, sofort auf Änderungen der Materialeigenschaften reagieren kann, und dadurch eine deutliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit erreicht werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Messmodule„On-Line" in einer Fertigungsvorrichtung angeordnet, die erfindungsgemäße Vorrichtung ist also in dieser Fertigung s Vorrichtung integriert. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Messmodule„Off-Line" angeordnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt also eine separate Messeinheit dar, insbesondere mit einem Schredder, Extruder oder Abwickler. Bevorzugt ist die Vorrichtung dermaßen ausgestaltet, dass Material vor der Vermessung abgezweigt und insbesondere nach der Vermessung archiviert oder rückgeführt wird.
Durch den oben beschriebenen modularen Aufbau ist der Anwender in der Lage, dass er wäh- len kann, welche Messmodule er für seine Messungen einsetzen möchte. In der Praxis wird es dabei so sein, dass es ein Grundmodul gibt, welches aus Druckfiltertest und Rheologie besteht, was auch eine bevorzugte Ausführungsform darstellt. Dies ist deshalb notwendig, weil bereits im Rahmen dieser Messungen eine Folie erzeugt werden kann, welche für die nachfolgenden Prüfungen (z.B. optische Folieninspektion oder Farbmessung) erforderlich ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass der Aufbau sehr robust gestaltet werden kann. Dies ist zum Beispiel für ein Off-Line-Gerät sehr wichtig, welches zur Vermessung von rezy klierten Kunststoffen eingesetzt werden kann, insbesondere zur Rückführung von rezyklierten Kunststoffen aus dem Bereich„End of Life Cycle" in die Produkti- on. Durch die Verbindung der Messgeräte ist es möglich, eindeutige Qualitätskritierien für diese Materialien zu definieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Wandelemente, mit denen die Sensorsysteme und Transportsysteme staub- und/oder fluiddicht verschlossen werden kann, um Verunreinigungen von der Prüffolie fern zu halten.
Messgeräte zur olfaktorischen Vermessung eines Werkstoffes sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt werden für eine erfindungsgemäße Vorrichtung Geruchsmessgeräte oder Spektro- meter verwendet. Bevorzugt findet eine Analyse in einem Gaschromatographen statt.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Messmodul zur olfaktorischen Vermessung ein Heizelement, z.B. einen Ofen.
Bevorzugt ist auch eine Vorrichtung zur Steuerung von Eigenschaften eines Kunststoffpro- dukts (im Folgenden auch als„Steuervorrichtung" bezeichnet), die Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein kann oder auch eine separate Vorrichtung sein kann. Die Steuervorrichtung umfasst eine Recheneinheit, eine Informationsempfangseinheit und eine Steuereinheit, wobei die Informationsempfangseinheit dazu ausgelegt ist, über Messgeräte oder Recheneinheiten Informationen über Kenngrößen des Kunststoffprodukts zu erhalten und der Recheneinheit zur Verfügung zu stellen und die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, Ei- genschaften des Kunststoffprodukts zu steuern oder Geräte zu steuern, welche im Herstel- lungsprozess des Kunststoffprodukts involviert sind, zu steuern.
Die Recheneinheit umfasst einen Speicher(bereich), in dem die empfangenen Informationen dermaßen abgespeichert werden, dass jedem gemessenen Parameter ein Speicherbereich zu- geordnet ist oder zumindest anhand einer Adresse eindeutig identifiziert werden kann.
Zudem umfasst die Recheneinheit eine Speicher(bereich), in dem vorher festgelegt Qualitäts- parameter/-funktionen des Kunststoffprodukts hinterlegt sind. In der Recheneinheit werden zu festgelegten Zeiten (z.B. nach Empfang eines Messwerts oder einer Gruppe von Messwerten) diese direkt oder nach Berechnung einer auf den betreffenden Messwerten basierender Funktion oder Matrix mit entsprechenden Qualitätsparametern verglichen. Weichen die gemessenen / berechneten Werte von den Qualitätsparametern (ggf. um einen vorher festgelegten Betrag) ab, wird mittels der Recheneinheit die Steuereinheit akti- viert so dass sie einen vorher ab gespeicherten Dosieralgorithmus durchläuft. Der Algorithmus ist dabei insbesondere so gestaltet, dass er bei Abweichungen eines Messwerts oder einer Gruppe von Messwerten genau dort Funktionen bei der Herstellung des Kunststoffprodukts steuert, welche für die betreffenden Messwerte relevant sind (z.B. Die Temperatur oder Zusammensetzung des Kunststoffs bezüglich des Druckfiltertests)
In Kombination mit der vorliegenden Erfindung ist die folgend beschriebene Ausführungsform besonders bevorzugt. Erklärend sei hinzugefügt, dass im Folgenden bereits ein Messwert eines Messmoduls verwendet werden kann, jedoch für ein besseres Verständnis von „Messwerten" und„Messmodulen" gesprochen wird.
Messwerte von Messmodulen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur modularen Materialanalyse werden der Steuervorrichtung zur Verfügung gestellt. Bevorzugt geschieht dies, in dem diese Messwerte in eine Matrix eingeordnet werden, wobei jedem Messwert zu einer bestimmten Werkstoffeigenschaft genau eine Matrixposition entspricht und/oder die Messwerte werden dort einer festen Position in einem Prüfterm zugeordnet. Insbesondere wird jeder dieser Messwerte genau einer Variablen zugeordnet, wobei diese Variablen Teile einer Funktion oder Matrix darstellen.
Elementen der Matrix oder Variablen der Funktion sind somit gemessene Parameter zugeordnet und können nach Berechnungen von Funktionen oder Matrixeigenschaften mit vorher hinterlegten Parametern verglichen werden. Das Rechensystem führt, insbesondere nach jeder Datennahme, Berechnungen im Hinblick auf die Matrix bzw. die Funktion oder deren Teilen durch und vergleicht das Ergebnis dieser Rechnung mit einem vorher eingestellten Wert oder Wertebereich. Bei Abweichungen von diesem Wert bzw. Wertebereich wird mittels einer voreingestellten Routine die Produktion des Kunststoffprodukts gesteuert (z.B. mittels Dosieralgorithmen), bis das Ergebnis der Be- rechnungen von Matrix/Funktion wieder dem voreingestellten Wert entspricht bzw. wieder im voreingestellten Wertebereich liegt.
Mittels dieser Steuervorrichtung kann z.B. bei einer Verunreinigung des Ausgangsmaterials gezielt Reinmaterial hinzugegeben werden, anhand des gemessenen Wertes für die Viskosität, falls diese abweicht, ein entsprechendes Additiv hinzugefügt werden, oder falls eine gewünschte Farbe erzielt werden soll, bei Abweichungen ein entsprechendes Farbpigment zugesetzt werden, oder falls ein nicht gewünschter Geruch festgestellt wird, ein entsprechendes Aroma hinzugefügt werden. Auf diese Weise ist eine Onlineregelung von Qualitätsmerkmalen des Kunststoffprodukts möglich, was die Gesamtqualität erhöht und den Ausschuss verrin- gert.
Im Folgenden werden einige Verbesserungen für einzelne Messgeräte, bzw. Messmodule vorgestellt, die einzeln für sich bereits Erfindungen darstellen können. Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft Messgeräte/Messmodule zum Druckfiltertest.
Diesbezügliche Vorrichtungen („Druckfiltertestvorrichtungen") sind bevorzugt zu einem automatischen Siebwechsel ausgelegt, insbesondere mittels Filtermodulen. Ein Messverfahren kann einfach dadurch verbessert werden, dass die entnommenen Filtermodule, die wichtige Informationen im ausgesiebten Material enthalten können, einer weiteren Analysen zugeführt werden, wie z.B. einer optischen Beurteilung, einer mikroskopischen Untersuchung, IR- Spektro skopie, Röntgenfluoreszensspektrographie oder einer Messung nach einer Vera- schung.
Eine bevorzugte Druckfiltertestvorrichtung umfasst Filtermodule und ein Sensorsystem zur Druckmessung, wobei die Filtermodule im Fluss der Kunststoffschmelze positionierbar sind und das Wechselsystem dazu ausgelegt ist, die Filtermodule automatisch auszuwechseln.
Geeignete Sensorsysteme sind dem Fachmann bekannt und umfassen insbesondere Drucksensoren, welche so angeordnet sind, dass sie eine Druckerhöhung vor dem Filter während der Extrusion einer definierten Materialmenge messen können. Bevorzugte Filtermodule umfassen Filter-Haltestrukturen für Siebe/Filter oder für Gruppen von Sieben/Filtern. Bevorzugte Filtermodule umfassen Kartuschen in denen mindestens ein Filter/Sieb angeordnet ist oder die Filtermodule sind auf Bändern (z.B. Filter- oder Siebbändern) ausgebildet und entsprechen insbesondere Flächen auf diesen Bändern. Bevorzugte Filtermodule umfassen Siebe und/oder Filter oder Kombinationen aus Filtern und/oder Sieben. Des Weiteren stellen bevorzugte Filtermodule Bereiche eines Sieb- oder Filterbandes dar. Als Filtermodule werden bevorzugt Granulate, gelochte Flächen oder Flächen aus Fäden oder Bändern verwendet. Bevorzugt ist das Wechselsystem dazu ausgelegt, ein Band beinhaltend die Filtermodule durch den Schmelzestrom zu bewegen, oder es ist dazu ausgelegt, Kartuschen in und aus einem Schmelzestrom zu bewegen.
Mittels des Wechselsystems werden die Filtermodule in den Messbereich verbracht und aus diesem entfernt. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung dafür eine Öffnung, welche dazu geöffnet und nach Einbringen eines Filtermoduls wieder geschlossen wird. Die Bewegung der Öffnung wird bevorzugt elektrisch, mechanisch, hydraulisch oder mit Druckluft erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Öffnung geöffnet, die Haltestrukturen des Wechselsys- tems bewegt (z.B. mittels Keilen und Spindelantrieben), das Filtermodul in Position gebracht und die Öffnung wieder geschlossen.
Bevorzugt ist auch ein Aufbau mit mehreren konzentrischen Positionen von Filtermodulen. Damit können Filter/Siebe und Filter-/Siebpakete unterschiedlicher Dicke geordnet eingelegt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Filtermodule Bereiche auf einem bandförmigen Sieb- oder Filtermaterial.
Bevorzugt sind Bänder mit Sieb/Filter strukturen der Gruppe gewebte oder gestrickte Siebe/Filter, Glasfasersiebe/-filter, gelaserte, kalandrierte oder genadelte Siebe/Filter, mit Öffnungen versehene Metallfolien, Vliese (z.B. Stapelfaservliese) oder Kombinationen der vorgenannten Strukturen nebeneinander und/oder übereinander ausgestattet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wechselsystem so ausgestaltet, dass seine Haltestruktur ein zusammengerolltes, Filtermodul-Band in einer ersten Position aufnehmen kann, sein Bewegungssystem so ausgestaltet, dass es das Band abrollen und Bereiche des Bandes (auf denen Filtermodule ausgebildet sind) durch einen Schmelzestrom führen kann. Bevorzugt ist das Haltesystem zudem dazu ausgebildet, das durch den Schmelzestrom geführte Band wieder aufzunehmen und das Bewegungssystem dazu ausgelegt, das Band wieder zusammenzurollen, ggf. nach einer Aushärtung, wobei die Vorrichtung dazu insbesondere mit einem zusätzlichen Kühlmodul ausgestattet ist. Es ist von Vorteil, wenn das Filtermodul in seiner Messposition druckdicht angeordnet ist, so dass die Schmelze nicht seitlich entweichen kann.
Bevorzugt weisen die Filtermodule (auch wenn sie auf Bändern vorliegen) an ihren Rändern eine dichtere Struktur auf. Eine solche Struktur kann z.B. durch eine dichtere Verwe- bung/V er strickung oder eine gezielte Formung von einer geringeren Lochdichte an den Rändern erreicht werden. Durch solche Filtermodule wird die Dichtigkeit der Vorrichtung erhöht. In einer diesbezüglich bevorzugten Ausführungsform werden Filtermodule verwendet, die insbesondere auf Bahnen angeordnet sind. Durch unterschiedliche Webarten z.B. unterschiedliche Feinheiten, sind diese Filtermodule als separate Module oder als hintereinander und/oder nebeneinander liegende Bereiche auf einer Bandfläche realisiert. Wichtig ist hier, dass zur Abdichtung gegen die Polymerschmelze die Siebbahnen jeweils längs und quer an den Randbereichen der Filtermodule dichter gewoben sind als im Zentrum der Filtermodule.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Abdichtung durch Metallfolien, Harze, oder andere hochtemperaturfeste thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe erreicht, wobei das jeweilige Material an den Randbereichen der Filtermodule an- oder aufgebracht wird. Bevorzugte Abdichtungen sind auch Keilkonstruktionen, Kanten oder Querwebungen.
Bevorzugt sind (insbesondere auf einem Band) Filtermodule dermaßen angelegt, dass im Randbereich des Filtermoduls auf einer Breite von 1 mm bis 5 cm, insbesondere auf einer Breite zwischen 5 mm bis 2 cm, ein Rand ausgearbeitet, welcher zur Verbesserung der Dichtigkeit eine dichtere Filter-/Sieb struktur und/oder eine Dichtungsmasse aufweist und einen Sieb-/Filterbereich umschließt, der dazu bestimmt ist, Messungen durchzuführen.
Mit der Druckfiltertestvorrichtung ist es möglich, nicht nur mit einer Siebgeometrie sondern nacheinander mit mehreren unterschiedlichen Filtermodulen zu messen, welche sich bezüglich ihrer Feinheit, Siebart oder Siebmaterialien unterscheiden. Ebenso ist es möglich, individuelle Siebpakete zusammenzustellen oder auch mit Filtermodulen zu messen, die Filtersande enthalten (z.B. aus Mineralien, Kunststoffen und/oder Metallen) und Kombinationen aus allen möglichen Materialien.
Mit einer solchen Ausführungsform, welche einen Wechsel von Filtermodulen zur Verfügung stellt, ergibt sich nicht nur die Möglichkeit einer automatisierten Materialprüfung, sondern auch die Möglichkeit für den jeweiligen Anwendungsfall Siebe/Filter zu optimieren. Denkbar sind z.B. Bänder mit verstärkter Kantenverwebung oder mit über der Länge unterschiedlichen Gewebestrukturen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Temperier-system, welches dazu ausgelegt ist, die Filtermodule vor dem Messbereich vorzutemperieren und/oder nach der Messung zu kühlen. Bevorzugt werden die Filtermodule nach dem Ausstoß gekühlt und fallen geordnet in ein Auffangmagazin und werden gegebenenfalls individualisiert. Damit ist es möglich, die Siebe zur weiteren Analyse von Verunreinigungen zu verwenden. Um einen konstanten Durchsatz des aufgeschmolzenen Werkstoffs zu erreichen, ist bevorzugt eine Schmelzepumpe und/oder ein Messsystem zur Durchflussmessung (z. B. eine Coriolis- Massedurchsatzmessung) zwischen Extruder/Schneckenförderer und Filter angeordnet. Bei der Verwendung eines Messsystems zur Durchflussmessung wird ein korrekter und konstanter Durchsatz bevorzugt über die Regelung der Schmelzebewegung (z.B. die Drehzahl der Schnecke im Extruder) erreicht.
Ein Messverfahren kann dadurch verbessert werden, dass die entnommenen Filtermodule, die wichtige Informationen im ausgefilterten Material enthalten können, einer weiteren Analysen zugeführt werden, wie z.B. einer optischen Beurteilung, einer mikroskopischen Untersu- chung, einem Spektroskopieverfahren (z.B. optisch oder IR) oder einer Veraschung.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Filtermodule so angeordnet, dass sie sich bei einem vollführten Wechsel durch den Schmelzestrom mit zunehmend steigenden oder fallenden Werten einer bestimmten Eigenschaft einander folgen. Zum Beispiel sind die Filtermodu- le so angeordnet, dass das in einer Richtung jeweils benachbarte Filtermodul eine kleinere
(oder größere) Maschen-/Lochweite aufweist. Auf diese Weise entsteht eine Abfolge, mit der bei einer Messung abgestuft Grade der Werkstoffschmelze vermessen werden kann (z.B. der Reinheitsgrad). In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung so gestaltet, dass nicht der gesamte Schmelzestrom vermessen wird, sondern ein Teil des Schmelzestroms abgezweigt und im Rahmen eines Druckfiltertests vermessen wird. Dieser Teil wird anschließend bevorzugt wieder dem Schmelzestrom zugeführt. Insbesondere wird eine Probe aus dem Bereich der Förderschnecke entnommen. Auf diese Weise kann eine zeitlich gut aufgelöste Messung im Rahmen des Druckfiltertests ohne Unterbrechung eines Fertigungsprozesses erfolgen.
In einer diesbezüglichen bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, die Filtermodule automatisch zu kennzeichnen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung so gestaltet, dass nicht der gesamte Schmelzestrom vermessen wird sondern ein Teil des Schmelzestroms abgezweigt und im Rahmen eines Druckfiltertests vermessen wird. Dieser Teil wird anschließend bevorzugt wie- der dem Schmelzestrom zugeführt. Insbesondere wird eine Probe aus dem Bereich der Förderschnecke entnommen. Auf diese Weise kann eine zeitlich gut aufgelöste Messung im Rahmen des Druckfiltertests ohne Unterbrechung eines Fertigungsprozesses erfolgen.
Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft Messgeräte/Messmodule zur Rheologie.
Bevorzugt speist bei dem Verfahren zur Messung der Rheologie ein Laborextruder (zum Beispiel ein LAB) oder ein Seitenstrom eines Hauptextruders kontinuierlich z.B. drei Kapillaren unterschiedlicher Geometrie. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung so gestaltet, dass nach dem Sieb des Messgeräts zum Druckfiltertest an Stelle der sonst üblichen Runddüse im Anschluss an den Siebbereich eine Schlitzkapillare angeordnet ist, welche bereits zum Messgerät/Messmodul zur Rheologie gehörig ist, bzw. die Verbindung zwischen dem Druckfiltertest und die Messung zur Rheologie darstellt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass der Schmelzstrom in mindestens zwei parallele Ströme aufgeteilt wird, wobei an dem einen der Druckfiltertest und an dem anderen Messungen zur Rheologie durchgeführt wird. Für diese Ausführungsform ist eine Vorfilterung der Kunststoffschmelze zumindest vor der Messung zur Rheologie von Vorteil.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind bezüglich der Messung zur Rheologie im betreffenden Sensorsystem mindestens drei Druckaufnehmer enthalten. Bevorzugt ist die Anordnung des Messgeräts/Messmoduls zur Rheologie so gestaltet, dass mittels eines Druckaufnehmers der Einlaufdruckverlust für die Beurteilung der elastischen Eigenschaften gemessen werden kann, insbesondere mittels eines der vorgenannten Druckaufnehmer. Weiter bevorzugt ist die Anordnung des Messgeräts/Messmoduls zur Rheologie so gestaltet, dass mittels mindestens zweier Druckaufnehmer (insbesondere der beiden anderen der vorgenannten mindestens drei Druckaufnehmer) die Druckdifferenz zur Berechnung der Viskosität und Schergeschwindigkeit gemessen werden kann.
Bevorzugt umfasst das Rheometer eine Flachkapillare.
Bevorzugt ist die Schlitzkapillare zur Messung der Rheologie so dimensioniert, dass ein Band von mindestens 5 mm Breite, insbesondere mindestens 50 mm Breite extrudiert wird. Die Maximalbreite ist von der Maschinenabmessung abhängig und beträgt beispielsweise 5 m. Die Schlitzkapillare ist vorzugsweise keilförmig gestaltet, zumindest in ihrem Randbereich. Je nach Art der Messung kann es von Vorteil sein, wenn die Kapillare gerade, keilförmig oder nur am Rand keilförmig gestaltet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Messmodul neben der Schlitzkapillare (die auch als Düse fungieren kann) weitere Rund- oder Schlitzkapillaren. Dies dient vor Allem zur Erweiterung des Messbereichs. Insbesondere ist die Schlitzkapillare in Breite und Lippenabstand einstellbar, um eine Anpassung an die verschiedenen Materialien und Viskositätsbereiche zu ermöglichen. Vorzugsweise werden verschiedene Kapillarenmodule je nach Art der Messung und Art des Materials, sowie dem gewünschten Durchsatz durch das System eingesetzt. Bevorzugte Formen sind flach, rund oder polygonal.
Bevorzugt ist die Vorrichtung dermaßen gestaltet, dass sie eine Extrusionseinheit enthält (insbesondere einer Extrusionseinheit enthaltend eine Schlitzkapillare, die vorzugsweise einstellbar und/oder austauschbar ist) und nach dem Austritt aus der Extrusionseinheit eine Glättwalze angeordnet ist, auf der bzw. mittels derer die Folie gekühlt wird und auf die erforderliche Dicke gezogen wird, die Folie gekastet wird, oder die Folie kalandriert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Walze auf, die auf ihrer Oberfläche strukturiert ist, wobei die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, diese Struktur auf die Oberfläche der Kunststofffolie aufzubringen. Bevorzugt sind Strukturen der Gruppe Mattierungen, Aufrauungen, Reliefstrukturen, Längsbahnen, Riffelungen, Prismen- oder Linsenstrukturen und Markierungen oder Zeichen. Diese Strukturen müssen dabei nicht auf der gesamten Mantelfläche der Walze ausgebildet sein. Es ich bevorzugt, dass nur ein Teil der Mantelfläche der Walze strukturiert ist, insbesondere ihr Randbereich.
Eine solche Ausführungsform ergibt die Vorteile, dass automatisch Markierungen aufgebracht werden können oder die Folie für besondere optische Vermessungen vorbereitet werden kann.
Um eine gute Haftung der Folie auf der Walze zu gewährleisten, werden bevorzugt Edge Pin- ning- oder Vakkumeinheiten und/oder Luftrakel eingesetzt. Insbesondere ist die Walze mit vielen gängigen Be Schichtungen wie Hartchrom, chemisch Nickel, Teflon, TiN, CrN, PVD Schichten, DLC (Diamond like Carbon) versehen. Oftmals bestimmt die Verwendung die geeignete Beschichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Messmodul zur Rheologie mindestens zwei (insbesondere mindestens drei) Kapillaren (z.B. Rohre, Kanäle, Düsen oder Bohrungen) auf, welche Abmessungen zwischen 0.001 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 0,05 mm und 5 mm aufweisen und alle unterschiedliche Durchmesser, bei vorzugsweise gleicher Querschnittsform, aufweisen. Die Durchmesser unterscheiden sich vorzugsweise um mehr als 0,1 mm, insbesondere um mehr als 0,4 mm. Bevorzugt ist auch hier eine Modularität, eine Verstellbarkeit und/oder eine Austauschbarkeit.
Insbesondere wenn das Messmodul zur Rheologie nach einem Messmodul zum Druckfiltertest angeordnet ist, umfasst die Vorrichtung vorzugsweise eine Fördereinheit z.B. eine Schmelzepumpe zur besseren Förderung des Schmelzestroms.
Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft Messgeräte/Messmodule zur optischen Beurteilung der Folie. Bevorzugt umfasst ein Messmodul zur optischen Beurteilung der Folie ein Beleuchtungssystem und ein Bildaufnahmesystem. Das Beleuchtungssystem ist dabei so ausgestaltet, dass es mittels mindestens einer Beleuchtungseinheit Licht auf eine Kunststofffolie strahlen kann und mittels des Bildaufnahmesystems Bilder dieser Kunststofffolie aufnehmen kann.
Das Bildaufnahmesystem umfasst dabei vorzugsweise Sensoren mit zellenförmig oder flächig angeordneten lichtempfindlichen Sensoren, insbesondere CCD-Sensoren und/oder CMOS- Sensoren. Es können für einen solchen Detektor auch handelsübliche Kameras benutzt werden.
Das Beleuchtungssystem umfasst mindestens eine Beleuchtungseinheit, welche bezüglich einer zu vermessenden Kunststofffolie auf der gleichen Seite wie ein Element des Bildaufnahmesystems angeordnet ist (Auflichtkonfiguration) und/oder auf der anderen Seite eines Elements des Bildaufnahmesystems angeordnet ist (Durchlichtkonfiguration). Es ist insbe- sondere eine Kombination von Auflicht- und Durchlichtkonfiguration bevorzugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Beleuchtungssystem mindestens zwei Beleuchtungseinheiten, welche unterschiedliche Strahlungen emittieren (z.B. unterschiedliche Farben und/oder IR/UV). Die Strahlung ist vorzugsweise monochromatisch und/oder polari- siert.
Bevorzugt sind mindestens zwei Beleuchtungseinheiten und/oder mindestens zwei Bildaufnahmeeinheiten, die in jeweils unterschiedlichen Winkeln zu einer Oberfläche des zu vermessenden Produktes angeordnet sind.
Bildaufnahmeeinheiten sind zudem bevorzugt schwenkbar angeordnet und erfüllen insbesondere die Funktion eines Scanners.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Module zur optischen Vermessung zu Dunkel- feldmessungen, Messungen zum differenziellen Interferenzkontrast, Laserscattering particle sized distribution analysis, optische Messungen zur Spannungsverteilungen, Polarisationsmessungen, optische Anregung von Phononen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Messmodul dazu ausgelegt, mehre Aufnahmen an derselben Längsposition der Folie durchzuführen. Bevorzugt ist die Kamera so gestaltet, dass sie in Querrichtung zur Folie bewegt werden kann, bevorzugt werden aber auch unterschiedliche Aufnahmen bei unterschiedlichen Wellenlängen von ein und derselben Stelle der Folie gemacht.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Messmodul zusätzlich eine Einheit (z.B. bewegbare Walze), welche dazu ausgelegt ist, die Kunststofffolie in Spannung zu versetzen oder als Bahnspreichereinheit zu dienen. In ihrer Ausführung als Bahnspeichereinheit ermöglicht sie mehrere Aufnahmen der Folie an ein und derselben Längsposition der Folie.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dermaßen ausgestaltet, dass eine Analyse der Abweichungen trotz Versatz der zu vermessenden Oberfläche möglich ist. Dies geschieht insbesondere durch eine entsprechende Steuerung der Beleuchtungseinheiten und/oder der Bildauf- nahmeeinheiten .
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Module in Bahnrichtung der zu vermessenden Folie versetzt angeordnet, wobei die Analyse der gleichen Stelle der Folie durch genaue Wegmessung oder Triggerung z.B. durch die bereits oben genannten Markierungen erfolgt.
Bevorzugt umfasst das Messgeräte/Messmodule zur optischen Beurteilung der Folie eine kompakte Folienführung über eine Beleuchtungseinheit, wobei über der Beleuchtungseinheit mindestens eine Kamera angeordnet ist, welche auf die Folie gerichtet ist und ein Bild eines Folienabschnitts aufnimmt (Durchlichtverfahren).
Des Weiteren ist bevorzugt, dass das Messgeräte/Messmodule zur optischen Beurteilung der Folie eine kompakte Folienführung unter einer Beleuchtungseinheit umfasst, wobei auf der Folienseite, an der sich die Beleuchtungseinheit befindet, mindestens eine Kamera angeordnet ist, welche auf die Folie gerichtet ist und ein Bild eines Folienabschnitts aufnimmt (Auflicht- verfahren). Bevorzugt wird bei den beiden vorgenannten Verfahren über einen voreingestellten Längenbereich der Folie deren gesamte Breite mittels der mindestens eine Kamera aufgenommen bzw. abgebildet. Die verwendeten Kameras sind bevorzugt dazu ausgelegt, verschiedene Spektralbereiche aufzunehmen, die nicht zwingend nur sichtbares Licht umfassen, sondern insbesondere auch den UV-Bereich und den IR-Bereich.
Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft Messgeräte/Messmodule für mechanische Kenn- werte.
Bevorzugt ist die Vorrichtung dermaßen ausgelegt, dass sie ein Zugwerk umfasst, dem eine durch die Vorrichtung geführte Kunststofffolie zugeführt werden kann. Ein solches Zugwerk umfasst vorzugsweise zwei hintereinander liegende Walzenpaare, wobei sich das relativ zur Bewegungsrichtung einer Folie aus gesehen erste Walzenpaar langsamer dreht als das zweite Walzenpaar, so dass die Folie gedehnt wird. Die Walzen werden insbesondere mittels Antriebseinheiten (z.B. Elektromotoren) angetrieben.
Das Zugwerk ist dabei insbesondere senkrecht angeordnet und mit einer Folienführung verse- hen. Damit ist sichergestellt, dass die Folie nach einem Abriss wieder einlaufen kann. Das
Zugwerk ist aber in bevorzugten Ausführungen, insbesondere bei der Verwendung von Führungen, Blechen oder Rollen auch waagrecht oder im beliebigen Winkel angeordnet.
Insbesondere werden Walzen elektrisch, mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch zusam- mengepresst. Der Liniendruck wird dabei insbesondere mittels Sensoren bestimmt und geregelt.
Die Walzen können mit allen möglichen Materialien beschichtet sein. Bevorzugte Walzen (eine der beiden oder beide) sind gummiert, rau, wobei eine gummiert und eine rau sein kann.
Das Sensorsystem eines Messgeräts/Messmoduls für mechanische Kennwerte umfasst insbesondere mindestens ein Leistungsmessgerät oder mindestens ein Strommessgerät, welches die Leistung oder den Strom der Antriebseinheit des schneller laufenden Walzenpaares misst. Die Messung der Leistung oder der Stromauf nähme des schneller laufenden Walzenpaares ist ein Maß für die Kraft mit der die Folie gedehnt wird und liefert somit eine Aussage über die Mechanik der Folie. Das Sensorsystem eines Messgeräts/Messmoduls für mechanische Kennwerte umfasst zusätzlich insbesondere mindestens ein Leistungsmessgerät oder mindestens ein Strommessgerät, welches die Leistung oder den Strom der Antriebseinheit des langsamer laufenden Walzenpaares misst. Dies erleichtert eine Eichung und verbessert die Messgenauigkeit. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Zugmessdosen oder Messwalzen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Messmodul für mechanische Kennwerte zwei Walzenpaare, welche zueinander beabstandet sind und eine Kunststofffolie jeweils zwischen sich führen, so dass diese Kunststofffolie in jedem der Walzenpaare nicht verrutschen kann. Zudem umfasst das Messmodul noch eine Messwalze, welche zwischen diesen beiden Walzenpaaren angeordnet ist. Das Messmodul ist dabei bevorzugt so ausgestaltet, dass die Messwalze gegen eine zwischen den Walzenpaaren geführte Kunststofffolie gepresst werden kann und die Presskraft im Verhältnis zu der Auslenkung dieser Messwalze gemessen werden kann. Das Messmodul ist aber auch bevorzugt so ausgestaltet, dass die Messwalze schwin- gend auf eine zwischen den Walzenpaaren geführte Kunststofffolie aufgebracht werden kann.
Das Verhältnis von Presskraft zu Auslenkung der Messwalze ergibt einen Messwert für mechanische Kennwerte der Kunststofffolie. Bevorzugt ist dieses Messmodul dermaßen angeordnet, dass die Kunststofffolie senkrecht oder waagerecht verläuft.
Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft Messgeräte/Messmodule zur Farbmessung, NIR, FTIR, TGA, Terahertzstrahlung (z.B. zur Messung von Dickenprofilen oder Schichtungen), Gaschromatographie und Massenspektroskopie, UV- Vis.
Bevorzugt ist das Sensorsystem so ausgestaltet, dass es bei gegebener Folienführung und/oder Haltevorrichtungen modulartig in das System integriert werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, die vermessene Kunststofffolie zusätzlich automatisch zu kennzeichnen, insbesondere mittels Zeichen, Barcodes, RFID-Elementen, Gravuren, oder anderen Mustern. Bevorzugt umfasst die Vorrich- tung dazu Drucker, Markierungselemente, Elemente zum Aufbringen von klebenden Materialien, Stanzen, oder andere Elemente zum Verändern von Oberflächen.
Die Vorrichtung ist insbesondere dazu ausgelegt, dass über ein Scanelement und einer mit einer Bediensoftware ausgestatteten Recheneinheit (die insbesondere in der Vorrichtung ent- halten sind) Markierungen auf der Kunststofffolie eingescannt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, Messergebnisse oder Gütemarkierungen direkt auf der Kunststofffolie zu vermerken oder Messbereiche zu markieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung so gestaltet, dass zur Messung in einem beliebigen Messmodul nicht der gesamte Schmelzestrom oder das gesamte Kunststoffprodukt vermessen wird sondern ein Teil des Schmelzestroms/Kunststoffprodukts abgezweigt wird. Dabei ist die diesbezügliche Entnahmeeinheit so gestaltet, dass der vermessene Massestrom bzw. das vermessene Kunststoffprodukt zeitlich direkt mit dem Hauptstrom korreliert, insbesondere durch kleine Durchmesser im Entnahmestrom, die ggf. aufgeweitet werden oder abgetrennte Randbereiche des Kunststoffprodukts.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Randstreifenanalyse des Kunststoffprodukts durchgeführt, bzw. die Vorrichtung ist zumindest zu der Durchführung einer Randstreifenanalyse ausgelegt.
Dieser Teil wird anschließend bevorzugt wieder dem Schmelzestrom oder einer Verwertung zugeführt. Auf diese Weise kann eine zeitlich gut aufgelöste Messung, welche mit dem Schmelzefluss/Kunststoffprodukt korreliert ist, insbesondere ohne Unterbrechung eines Fertigungsprozesses erfolgen.
Zum Schutz der Vorrichtung kann diese mindestens einen Vorfilter enthalten, insbesondere an ihrem Einlass oder den Einlass von einzelnen Messmodulen. Zur Kalibration von Messmodulen enthält die Anlage Referenzmaterialien (z.B. Reingranulat, Referenzproben des Kunststoffmaterials bzw. der Kunststofffolie, Farbmuster oder IR- Referenzproben). Die Vorrichtung kann zu diesem Zweck auch einen eigenen Referenzextruder aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen Extruderkopf bzw. Förderschnecke und einem Messmodul bzw. einer Schmelzepumpe oder zwischen zwei Messmodulen mindestens ein Schmelzepuffer angeordnet. Dieser Schmelzepuffer sammelt einlaufende Schmelze und presst die Schmelze je nach Bedarf über einen Auslass heraus. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Messung selbst bei einem diskontinuierlichen Betrieb einer Anlage möglich.
Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt.
Figur 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform;
Figur 2 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform;
Figur 3 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
Figur 4 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
Figur 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform, in der vier fest miteinander verbundene Messmodule 1 an einem Schneckenförderer 2 angebracht sind. Der Schneckenförderer 2 umfasst in diesem Beispiel keine Austrittsdüse, es tritt lediglich ein flüssiges Kunststoffmaterial nach Durchlaufen der Schnecke aus dem Schneckenförderer aus, gelangt automatisch in das erste der Messmodule 1 und durchläuft die Reihe der Messmodule 1 während das Kunststoffmaterial vermessen und gegebenenfalls verarbeitet wird.
Der Schneckenförderer kann auch Teil der Vorrichtung sein.
Seien die vier Messmodule 1 von links nach rechts mit den Buchstaben A bis D bezeichnet, könnte beispielsweise Messmodul A ein Messgerät zur olfaktorischen Messung der Kunst- stoffschmelze, Messmodul B ein Messgerät zum Druckfiltertest, Messmodul C ein Messgerät zur Rheologie des Kunststoffs sein, wobei in Messmodul C dann eine Extrudierdüse umfassen würde, und Messmodul D ein Messgerät zur optischen Vermessung der entstehenden Kunststofffolie sein, wobei Messmodul D in diesem Falle Walzen zum Glätten der Kunststofffolie aufweisen könnte (diese könnten aber auch in Messmodul C enthalten sein).
Eine ähnliche Vorrichtung ist in Figur 2 dargestellt. Hier ist ein vollständiger Extruder dargestellt, der mit Messmodulen ausgestattet ist. Das aus dem Schneckenförderer 2 austretende Kunststoffmaterial wird durch eine Öffnung 3 hindurchgepresst, in der ein Druckfiltertest durchgeführt wird, der von Druck- Messmodul 4 vermessen wird. Anschließend wird eine
Kunststofffolie mittels der Düse 5 extrudiert, wobei gleichzeitig eine Rheologiemessung mit dem Rheologie-Messmodul 6 stattfindet. Zuletzt wird die Kunststofffolie mittels Gießwalzen geglättet und optisch mit einem optischen Messmodul 7 vermessen, wobei diese Gießwalzen in diesem Beispiel Teil des optischen Messgeräts sind. An Stelle des optischen Messmoduls 7 kann auch ein olfaktorisches Messmodul zur olfaktorischen Vermessung vorliegen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann alle Elemente der Figur 2 enthalten, es ist aber auch möglich, dass ein handelsüblicher Extruder verwendet wird und eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Figur 3 gestaltet ist, in der das Druck- Messmodul 4, das Rheologie- Messmodul 6 und das optische Messmodul 7 fest miteinander verbunden sind und dieser Verbund dermaßen geformt ist, dass er an handelsübliche Extruder angebracht werden kann (ggf. zuzüglich eines Siebes zum Druckfiltertest).
In Figur 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform in einer detailreicheren aber dennoch skizzenhaften Abbildung dargestellt.
Ein Schmelzestrom wird in ein Druck-Messmodul 4 eingeführt (schwarzer Pfeil links oben) und ein Druckfiltertest durchgeführt. Darauf folgt ein Test zur Rheologie in einem Rheologie- Messmodul 6, während dem die Schmelze zu einer Folie extrudiert wird (schwarzer Strang), welche ggf. von Walzen umgelenkt die weiteren Messstationen durchläuft.
Nach einer Glättung/Kühlung mittels der anschließenden Walze (großer Radius) wird die Folie mittels drei walzen umgelenkt und es findet in einem optischen Messmodul 7 von 2 weite- ren Walzen unterstützt eine optische Messung statt. Darauf hin wird die Folie wiederum mittels zwei Walzen umgelenkt und es findet zwischen zwei Walzenpaaren eine Messung zu mechanischen Eigenschaften der Folie mit einem mechanischen Messmodul 8 statt. Zuletzt wird nach einer Umlenkung über zwei Walzen der Geruch der Folie mittels eines olfaktorischen Messmoduls 9 überprüft. Im Weiteren wird die Folie wieder über zwei Walzen umgelenkt und steht ggf. einer weiteren Verarbeitung oder weiteren Messungen zur Verfügung.
All diese Messmodule sind mechanisch und/oder funktional verbunden. Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten der Erfindung, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.
Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verste- hen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen.
Vor allem können die einzelnen in den Figuren gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus einige Bestandteile der Figuren teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt worden sein können. Bezugszeichenaufstellung
Messmodul
S chneckenförderer
Öffnung
Druck- Messmodul
Düse
Rheologie-Mes smodul
Optisches Messmodul
Mechanisches Messmodul
Olfaktorisches Messmodul

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zur modularen Materialanalyse für Kunststoffe umfassend mindestens zwei unterschiedliche Messgeräte der Gruppe Messgeräte zur optischen Vermessung der Schmelze, Messgeräte zum Druckfiltertest, Messgeräte zur Rheologie, Messgeräte zur optischen Folieninspektion, Messgeräte mechanischer Kennwerte von Kunststofffolien, Messgeräte zur Farbmessung, Messgeräte zur olfaktorischen Vermessung der Schmelze oder der Folie und Messgeräte zur NIR, FTIR, TGA, Terahertzstrahlung, Gaschromatographie und Massenspektroskopie, wobei die betreffenden Messgeräte mechanisch und/oder funktional mitei- nander verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgeräte, zumindest deren Sensorsysteme, in der Vorrichtung als Module ausgeformt sind (Messmodule 1), die insbesondere so gestaltet sind, dass sie sowohl in ihrer Position vertauscht werden können als auch durch andere Messmodule (1) ersetzt werden können, wobei bevorzugt ein Messmodul (1) der Vorrichtung ein Messmodul (1) zum Druckfiltertest und ein in Bewegungsrichtung des Kunststoffs folgendes Messmodul (1) ein Messmodul (1) zur Messung der Rheologie ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Messmodule (1) eine feste mechanische Verbindung der Messmodule (1) untereinander darstellt und/oder die Auslese und Steuerung der Messmodule (1), zusammen mit der Datennahme mittels eines zentralen Systems erfolgt.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Haltestruktur umfasst, auf oder mittels der alle Messgeräte miteinander fest verbunden sind, wobei diese Haltestruktur insbesondere mindestens ein Trägersystem umfasst an dem alle Messgeräte fest angebracht werden können oder die Haltestruktur die Gehäuse der Messgeräte oder deren Halterungen umfasst, die so ausgeformt sind, dass jeweils zwei Gehäuse mittels eines Trägersystems fest miteinander verbunden werden können.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmodule (1) dermaßen angeordnet sind, dass das Kunststoffmaterial automatisch von einem Messgerät zu dem jeweils folgenden Messgerät geführt wird, wobei der Austritt für das Kunststoffmaterial eines Messgeräts stets in den Eintritt für das Kunststoffmaterial des folgenden Messgeräts mündet, und/oder dass die Vorrichtung mindestens ein Führungssystem umfasst, welches das aus einem Messgerät austretende Kunststoffmaterial automatisch zu dem folgenden Messgerät transportiert und in dieses einführt.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Rechensystem umfasst, welches dazu ausgelegt ist, den Transport des Kunststoffmaterials oder dessen Verarbeitung zu steuern und gleichzeitig dazu ausgelegt ist, die Daten von den einzelnen Sensorsystemen der Messgeräte zu sammeln und insbesondere bereits zu verarbeiten oder eine Vorverarbeitung durchzuführen.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmodule (1)„On-Line" in einer Fertigungsvorrichtung angeordnet sind oder dass die Messmodule (1)„Off-Line" angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Messmodul zum Druckfiltertest aufweist, welches zu einem automatischen Siebwechsel ausgelegt ist, insbesondere mittels Siebkartuschen und/oder einem Sieb- band, wobei Siebstrukturen der Gruppe gewebte oder gestrickte Siebe, Glasfasersiebe, gela- serte oder genadelte Metallfolien und Kombinationen der vorgenannten Strukturen nebeneinander und/oder übereinander bevorzugt sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so gestaltet ist, dass nach dem Sieb des Messmodul (1) zum Druckfiltertest an Stelle der sonst üblichen Runddüse im Anschluss an den Siebbereich eine Schlitzkapillare angeordnet ist, welche bereits zum Messmodul (1) zur Rheologie gehörig ist, und insbesondere die Verbindung zwischen dem Messmodul zum Druckfiltertest und dem Messmodul (1) zur Rheologie darstellt oder dass die Vorrichtung dermaßen ausgestaltet ist, dass der Schmelzstrom in mindestens zwei parallele Ströme aufgeteilt und an dem einen der Druckfiltertest und an dem anderen Messungen zur Rheologie durchgeführt werden.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmodul (1) zur Rheologie mindestens drei Druckaufnehmer umfasst, wobei das Messmodul zur Rheologie insbesondere so gestaltet ist, dass mittels eines Druckaufnehmers der Einlaufdruckverlust für die Beurteilung der elastischen Eigenschaften gemessen werden kann, und dass mittels mindestens zweier Druckaufnehmer die Druckdifferenz zur Berechnung der Viskosität und Schergeschwindigkeit gemessen werden kann.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmodul (1) eine Beleuchtungseinheit und eine Kamera aufweist, welche in Rich- tung einer zu vermessenden Folie gerichtet ist, wobei Beleuchtungseinheit und Kamera so ausgestaltet sind, dass sie eine Folie im Durchlichtverfahren oder Auflichtverfahren vermessen können.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem eines Messmoduls (1) für mechanische Kennwerte mindestens ein
Leistungsmessgerät oder mindestens ein Strommessgerät umfasst, welches die Leistung oder den Strom einer Antriebseinheit einer Walze eines Walzenpaares misst.
13. Verfahren zur modularen Materialanalyse für Kunststoffe mit einer Vorrichtung nach einer der vorangehenden Ansprüche umfassend die Schritte: a) Einführen eines Kunststoffmaterials in ein erstes Messgerät, b) Messung von Eigenschaften des Kunststoffmaterials mittels des ersten Messgeräts, c) Führung des aus dem vorangehenden Messgerät austretenden Kunststoffmaterials in ein weiteres Messgerät, d) Messung von Eigenschaften des Kunststoffmaterials mittels des weiteren Messgeräts, e) Wiederholen der Schritte c) und d) bis alle Messgeräte durchlaufen sind.
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