WO2021136842A1

WO2021136842A1 - Vorrichtung und verfahren zur überwachung der innengeometrie eines rohres

Info

Publication number: WO2021136842A1
Application number: PCT/EP2021/050001
Authority: WO
Inventors: Heinrich Dohmann; Henning Stieglitz; Klaus Becker; Michael Käthler
Original assignee: Battenfeld-Cincinnati Germany Gmbh
Priority date: 2020-01-04
Filing date: 2021-01-01
Publication date: 2021-07-08
Also published as: DE102020100090A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Geometrie eines extrudierten Rohres mindestens umfassend: eine Sende- und/oder Empfangseinheit (14), ein Datenübertragungsmedium (12) und eine Auswerteeinheit (13). Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Datenübertragungsmedium (12) in einem Führungskanal (11) angeordnet ist, wodurch eine Verbindung vom Inneren des extrudierten Rohres zu einem Bereich außerhalb einer Extrusionslinie geschaffen wird, mindestens eine Sende- und/oder Empfangseinheit (14) an dem Ende des Datenübertragungsmediums (12) angeordnet ist, welches sich im Inneren des Rohres befindet, mittels der Sende- und/oder Empfangseinheit (14) die Innenwandung des extrudierten Rohres dreidimensional erfassbar ist, über das Datenübertragungsmedium (12) Daten an die Auswerteeinheit (13) übermittelbar sind. Sowie ein diesbezügliches Verfahren.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung der

Innengeometrie eines Rohres

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft Vorrichtung zur Ermittlung der Geometrie eines extrudierten Rohres mindestens umfassend: eine Sende- und/oder Emp fangseinheit, ein Datenübertragungsmedium und eine Auswerteeinheit sowie ein dazugehöriges Verfahren.

Bei der Herstellung von großen Kunststoffrohren und dicken Wandstär ken ist besonders direkt nach dem Anfahren der Extrusionslinie eine frühe geometrische Kontrolle des zu erzeugenden Rohres von großer Be deutung. Die Extrusionsgeschwindigkeit ist sehr gering obwohl der Ma terialverbrauch in der Regel relativ hoch ist. D.h. wenn die Rohrgeomet rie erst nach 12m oder 18m nach dem Kalibriervorgang überprüft und angepasst werden kann, ist bereits viel Zeit vergangen und entsprechend viel Material verbraucht. Da die Rohrgeometrie sich auch nach der Kali bierhülse im Verlauf der Kühlstrecke kontinuierlich verändert, sollte diese idealerweise inline ab der Kalibrierhülse und in der nachfolgendem Abkühl strecke stufenlos überwacht werden.

Heutige Ultraschall-Messeinrichtungen können die Rohrgeometrie nur an einer Stelle der Linie über den Umfang vermessen. Des Weiteren be nötigt die Messeinrichtung ausreichend Platz über dem Außenumfang.

Es gibt auch Überlegungen eine Ultraschallmesseinrichtung im Innen rohr bei der Kalibierhülse zu positionieren, aber auch in diesem Fall muss die entsprechende Halterung über das Extrusionswerkzeug reali siert werden. Des Weiteren gibt es wieder erhebliche Platzprobleme und auch die Werkzeugtemperaturen von bis zu 230°C sind deutlich zu hoch. Im Normalfall können Ultraschall- Messeinrichtungen nicht über 60°C belastet werden.

Aus dem Stand der Technik ist zum Beispiel die DE 102018 104705 Al bekannt, die ein Vorrichtung zum Vermessen eines rohrförmigen Stranges offenbart. Hier wird eine elektromagnetische Strahlung auf die Innenseite eines Rohres ausgesand und über einem Empfänger die von der Innenwandung reflektierende Strahlung erfass und zur Auswertung herangezogen.

Nachteilig ist hier, dass nur ein Kreisring, also eine Art Scheibe des Rohres ermittelbar ist und somit keine Rückschlüsse auf einen größeren Bereich des Rohrers gezogen werden können. Weiterhin herrscht auch hier, wie oben beschrieben, ein größerer Platzbedarf.

Zur Ermittlung der Innenmaße von Industriehallen bis zur Ausmessung komplexer Kleinbauteile werden Messverfahren wie Laserentfernungs messer oder 3D-Scanner bereits erfolgreich eingesetzt.

A u f g a b e der Erfindung ist es, die Rohrinnengeometrie sowie die entsprechende Oberflächenbeschaffenheit zu ermitteln, um Rück schlüsse auf die die gesamte geometrische Ausführung ziehen zu kön nen, wodurch die Qualität des Rohres kontrollierbar ist und nötige Ge genmaßnahmen ergriffen werden können.

Die L ö s u n g der Aufgabe bezüglich der Vorrichtung ist in Ver bindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeich net, dass das Datenübertragungsmedium in einem Führungskanal ange ordnet ist, wodurch eine Verbindung vom Inneren des extrudierten Roh res zu einem Bereich außerhalb einer Extrusionslinie geschaffen wird, mindestens eine Sende- und/oder Empfangseinheit an dem Ende des Da tenübertragungsmediums angeordnet ist, welches sich im Inneren des Rohres befindet, mittels der Sende- und/oder Empfangseinheit die In nenwandung des extrudierten Rohres dreidimensional erfassbar ist, über das Datenübertragungsmedium Daten an die Auswerteeinheit übermittel bar sind.

Die L ö s u n g der Aufgabe bezüglich der Verfahrens ist in Ver bindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeich net, dass das mittels des Datenübertragungsmedium von eine Sende- und/oder Empfangseinheit die Innenwandung des extrudierten Rohres als Zylinderform erfasst wird, über das Datenübertragungsmedium die erfassten Daten an die Auswerteeinheit übermittelt werden, und mittels der Auswerteeinheit die dreidimensionale Geometrie des extrudierten Rohres als Zylinder ermittelt wird.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteran sprüchen wiedergegeben.

Mittels dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung kann erstmals eine Zy lindrische Form des Inneren eines extrudierten Rohres ermittelt werden. Anhand diese 3D Bildes können dann eine Vielzahl von Parameter, die die Qualität des erzeugten Rohres beeinflussen, herangezogen und gege benenfalls verbessert bzw. geändert werden.

So kann z.B. die Wandstärke bestimmt werden, da das exakte Abmaß und die Position zum vermessenen Zylinder der Kalibrierhülse bekannt ist. Über die Steuerung kann dann das Spaltmaß des Werkzeuges verän dert werden.

Es ist aber auch möglich die Zentrierung des Rohres anzupassen, wenn diese aufgrund der ermittelten Messwerte gegenüber den theoretischen Idealwerten entsprechend abweichen, indem die Positionierung zueinan der geändert werden.

Über diese geometrischen Vergleichbarkeit (Messdaten mit den theoreti sche Idealwerten) kann auch z.B. bei sehr dickwandigen Rohren das ty- pische Auftreten des Sagging Effektes erkannt und minimiert oder sogar verhindert werden.

Dies sind nur beispielhaft erwähnte Auswertungsmöglichkeiten die diese erfmdungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren ermöglicht.

Unter der Inanspruchnahme von weiteren Mess- und Geometriedaten von der Extrusionslinie kann die Ausrichtung des Kalibiertankes zum Werkzeug und auch das Erfassen der Durchsatzleitung ermittelt werden.

Die Welligkeit des Rohres an der Innenoberfläche sowie Rückschlüsse auf die Oberfläche des Rohres und damit die Qualität selbst können wie der direkt ermittelt werden. Da elektrische Bauteile temperaturempfmdlich sind, kann ein Kühlung vorgesehen werden. So kann z.B. der Führungskanal gekühlt werden. Entweder wird er mit Luft oder sogar mit vorgekühlter Luft durchströmt oder er ist mit einer Kühlung in Form von Kühlrippen, einem zusätzli chen Kühlkanal oder dergleichen ummantelt, der dann z.B. mit Kühl- wasser oder sonstigem Kühlmedium durchströmt wird.

Die durchströmende Luft durch den Führungskanal hat zusätzlich den Vorteil, dass die Bauteile zum Erfassen der Daten im Inneren des Roh res, wie die Sende- und/oder Empfangseinheit ebenfalls gekühlt werden, aber vor allem dass diese nicht mit der kontaminierten Luft von dem Kunststoffrohr verschmutzt werden können und so es zu Fehlmessung führen kann.

Sofern die Helligkeit zur Durchführung der Messungen nicht ausreicht, kenn der Innenraum mittels einer Beleuchtung wie einer LED aufgehellt werden. Die gesamten Messeinrichtungen sind ja, wie oben beschrieben, an dem Datenübertragungsmedium angeordnet. Das datenübertragungsmedium kann innerhalb des Führungskanals hin und her beweget werden. Dies hat nicht nur den Vorteil, dass unterschiedliche Bereiche im Inneren des Rohres gezielt angesteuert werden können, sondern auch den großen Vorteil, dass die Messungen nach Bedarf erfolgen können. Es ist also möglich während der Produktion gezielt Messung vorzunehmen und so mit quasi online Daten zu erhalten. Wenn dann nachfolgend eine zufrie denstellende Rohrqualität durch entsprechende verfahrenstechnische An passungen stationär erreicht wurde, kann die Messeinrichtung wieder aus den Führungskanal herausgezogen und entfernt werden. Der Extrusi onsprozess kann ohne Unterbrechung stationär weiterlaufen. Die Posi tion der Messeinrichtung ist im System erfasst und so bei einer Folge messung exakt wieder angefahren werden, was durch eine elektromecha nische Steuerung des Verfahrens der Messeinrichtung im Führungskanal sichergestellt werden kann.

Mit dieser Technologie zum Ausmessen der Rohrinnengeometrie direkt nachdem Werkzeug, also die Positionierung zu Beginn der Kalibierhülse im Rohr, kann mit diesem einen Messpunkt die gesamte Rohrinnengeo metrie in der Extrusionslinie ermittelt werden. Idealerweise befindet sich im Rohrinneren nur diese Sende- und Empfangseinheit und ggf. eine entsprechende Beleuchtung. Die Daten werden über ein Datenübertra gungsmedium wie ein Kabel oder Lichtleiter etc. durch das Werkzeug nach außen geführt. So können die optischen Messdaten außerhalb vom heißen Werkzeug von einer entsprechenden Auswertelektronik bei Um gebungstemperaturen ausgewertet werden. Eine solche Vorgehensweise, ist sehr platzsparend, kann über ein entsprechendes Leerführungsrohr im Werkzeug auch noch während der Produktion in der Messposition unter der Kalibierhülse im Rohr positioniert werden und kann zusätzlich auch über ein Kühlluftstrom im Leerführungsrohr gekühlt werden. Die Vorteile einer Innenmessung liegen auf der Hand. Innen gibt es keine Hindernisse die das Messen erschweren könnten, wie das bei einer Außenmessung der Fall wäre. Hier könnten das Sprühwasser der Rohr kühlung, oder die Stützvorrichtung des Rohres in der Kalibrierung, die Kalibierhülse selbst und auch die Übergänge zwischen den Kühlkam mern und Kühltanks eine saubere Messung beeinflussen bis unmöglich machen.

In den Zeichnungen wird schematisch eine erfmdungsgemäße Vorrich- tung gezeigt:

Fig. 1 zeigt eine typische Extrusionslinie

Fig. 2 Schnitt durch ein Extrusions Werkzeug

Figur 1 zeigt eine typische Extrusionslinie, wie sie heute für die Produk tion von Profilen, Fensterrahnen und Rohren, aber auch für Platten und Folien zum Einsatz kommt. Sie zeigt einen Extruder 1 , in dem Kunst stoff aufgeschmolzen und kontinuierlich zur Formgebung ins Extrusi onswerkzeug 2 gefördert wird. Daran schließt sich eine Kalibrier- und Kühlstation 3 an. Je nach Produkt können weitere, auch andersartige Kühlstationen oder Kühlstrecken (z.B.: Rollenbahn, etc.) eingesetzt wer- den. Nach den Kühlstationen der Kühlstrecke schließt sich eine Abzugs vorrichtung 4 an. Um die Endlosprodukte 6 auf die gewünschte Länge abzuschneiden ist anschließend eine Trennvorrichtung 5 angeordnet. Die Extrusionsachse (= Mitte des Produkts) ist mit der Positionsziffer 7 ge kennzeichnet. Der Übergangsbereich zwischen Extruder 1 und Werk- zeug 2 ist mit der Position 8 gekennzeichnet.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch ein Extrusionswerkzeug 2 mit einem Führungskanal 11. Der Führungskanal 11 schafft eine Verbindung vom Ende des Extrusionswerkzeuges 2 am Übergang zum Kalibrier- und Kühltank 3 zum Niedrigtemperaturbereich außerhalb des Extrusions werkzeuges. Der Kalibirier- und Kühltank ist nur schematisch als Strich- Punkt-Line wiedergegeben und eine Kalibrierhülse 10 nur angedeutet. Ebenfalls nur angedeutet ist der Schmelzeausgang 9 der aus der Seiten wandung 16 des Extrusionswerkzeuges austritt.

Im Führungskanal 11 ist ein Datenübertragungsmedium 12 unterge bracht. Das kann ein Glasfasserkabel oder ein sonstiges bekanntes Me dium sein das erfasste Daten übertragen kann. An dem inneren Ende des Datenerfassungsmediums 12 sind hier beispielhaft zwei Sende- und/oder Erfassungseinheiten 14 angeordnet. Diese Sende- und/oder Erfassungs einheiten 14 sind in der Lage das räumliche Innere des Rohres zu erfas sen. Die dafür erforderlichen Einheiten können in einer oder in mehreren Bauteilen untergebracht sein. Es ist also möglich eine Sende- und Erfas- sungseinheit als ein Bauteil anzuordnen oder getrennt in zwei Bauteile, deshalb wird hier von einer Sende- und/oder Empfangseinheit gespro chen.

Die erfassten Daten werden über das Datenübertragungsmedium 12 an die Auswerteeinheit 13 übertragen. Während der Datenerfassung muss die Position der Sende- und/oder Empfangseinheit 14 fix sein. Zur Er mittlung deren Position kann dies Sende- und/oder Empfangseinheit 14 eine Fixierpunkt an der Seitenwandung 16 des Extrusionswerkzeuges 2.

Über diese erfassten Daten in Verbindung mit dem ermittelten Fixpunkt, kann die Auswerteeinheit 13 eine 3D Geometrie des Rohres berechnen. Für eine eventuelle Aufhellung im Inneren des Rohres ist ein Beleuch tung 15 vorgesehen die z.B. aus einer LED besteht. Die dafür benötigte Stromversorgung kann ebenfalls über den Führungskanal 11 bereitge stellt werden. Bezugszeichenliste :

1 Extruder

2 Extrusionswerkzeug

3 Kalibrier- und Kühltank 4 Abzugsvorrichtung

5 Trennvorrichtung

6 Profil

7 Extrusionsachse

8 Übergangsbereich von 1 nach 2 9 Schmelzeaustritt

10 Kalibrierhülse

11 Führungskanal

12 Datenübertragungsmedium

13 Auswerteinheit 14 Sende- und/oder Empfangseinheit

15 Beleuchtung

16 Seitenwandung von 2

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Geometrie eines extrudierten Roh res mindestens umfassend: eine Sende- und/oder Empfangseinheit (14), ein Datenübertragungsmedium (12) und eine Auswerteeinheit (13), dadurch gekennzeichnet, dass das Datenübertragungsmedium (12) in einem Führungskanal (11) angeordnet ist, wodurch eine Verbindung vom Inneren des extru dierten Rohres zu einem Bereich außerhalb einer Extrusionslinie geschaffen wird, mindestens eine Sende- und/oder Empfangseinheit (14) an dem Ende des Datenübertragungsmediums (12) angeordnet ist, welches sich im Inneren des Rohres befindet, mittels der Sende- und/oder Empfangseinheit (14) die Innenwan dung des extrudierten Rohres dreidimensional erfassbar ist, über das Datenübertragungsmedium (12) Daten an die Auswer- teeinheit (13) übermittelbar sind.

io

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und/oder Empfangseinheit (14) eine optische Einheit ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Auswerteeinheit (13) in einem Bereich angeordnet ist in dem eine Temperatur unterhalb von 60°C herrscht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (13) außerhalb eines Extrusions Werkzeuges ange ordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Führungskanal (11) gekühlt ist und/oder der

Führungskanal (11) mit Luft durchströmt wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Datenübertragungsmedium (12) im Führungska nal (11) hin und her bewegbar ist.

7. Verfahren zur Ermittlung der Geometrie eines extrudierten Rohres mittels mindestens: einer Sende- und/oder Empfangseinheit (14), einem Datenübertragungsmedium (12) und einer Auswerteeinheit (13), dadurch gekennzeichnet, dass das mittels des Datenübertragungsmedium (12) von eine Sende- und/oder Empfangseinheit (14) die Innen wandung des extrudierten Rohres als Zylinderform erfasst wird, über das Datenübertragungsmedium (12) die erfassten Daten an die Auswerteeinheit (13) übermittelt werden, und mittels der Auswerteeinheit (13) die dreidimensionale Geo metrie des extrudierten Rohres als Zylinder ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinheit (13) die erfassten Daten ausgewertet und mit theoretischen Idealwerten verglichen und in Verbindung mit der Maschinensteuerung Parameter im Extrusionsprozess beeinflusst werden, um die Gesamtqualität des Rohres zu verbessern.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinheit (13) die Wandstärke des Rohres auf grund der bekannten Durchmesserdaten der Kalibrierhülse (10) er mittelt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass mittels der Auswerteeinheit (13) die Längs- und Ra dialwelligkeit des Rohres ermittelt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, dass die Temperaturverteilung im erfassten Rohrbereich bestimmt wird.