DE2751225C3

DE2751225C3 - Vorrichtung mit einer nach dem Siebpaket eines Schneckenextruders angeordneten Schmelzindex-Meßeinrichtung und Verfahren zum Regeln der Viskosität von aufgeschmolzenem und auszuformendem Kunststoff

Info

Publication number: DE2751225C3
Application number: DE2751225A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. 7031 Dachtel Friedrich
Original assignee: Werner & Pfleiderer 7000 Stuttgart De
Current assignee: Werner & Pfleiderer 7000 Stuttgart De
Priority date: 1977-11-16
Filing date: 1977-11-16
Publication date: 1981-08-13
Also published as: DE2751225A1; IT1099656B; FR2409144A1; IT7829231A0; JPS5478762A; JPS6234532B2; FR2409144B1; GB2009972B; US4213747A; IT1099856B; DE2751225B2; GB2009972A

Description

der für das Durchdringen der Siebe aufgebracht werden muß, zum Druck der Formwerkzeuge hinzuaddiert werden muß; und dieser zusätzliche Druck ist keine konstante Größe, sondern er steigt mit dem Verschmutzungsgrad des Siebes an, um bei einem Siebwechsel 5 schlagartig auf einen niedrigen Anfangswert zurückzufallen. Versuche haben gezeigt, daß aufgrund Siebverschmutzungen Druckerhöhung zwischen 20 bar und 40 bar eintreten können.

Die durch die Siebverschinutzung auftretenden Druckerhöhungen können dadurch kompensiert werden, daß zwischen dem Auslaßende des Schneckenkneters und der Siebwechseleinrichtung eine Drossel mit veränderbarem Durchtrittsquerschnitt für die Schmelze angeordnet ist, deren Drosselwirkung möglichst in dem Maße verringert wird, wie ein Druckanstieg über dem Siebpaket auftritt, um insgesamt, nämlich vor dem Formwerkzeug, die Extrusionstemperatur möglichst konstant zu halten. Allerdings kann die Beeinflussung der Drossel sich nicht auf eine Abhängigkeit vom momentanen Druck der Schmelze beschränken. Denn für die Materialqualität ist, wie schon erwähnt, der Schmelzindex des auszuformenden Kunststoffes von entscheidender Bedeutung, und die Beziehung zwischen Viskosität der Schmelze und Druck in der Schmelze ist nicht nur abhängig vom auszupressenden Material selbst, sondern auch von Behandlungseinflüssen aufgrund des konkret angewandten Schneckenkneters.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung eingangs genannter Art in dem Sinne weiterzubilden, daß im Interesse konstanter Materialeigenschaften eine Drossel-Verstellung nach Maßgabe des momentanen Schmelzindex vor dem Formwerkzeug unter Berücksichtigung des für die gewünschten Materialeigenschaften charakteristischen r> Schmelzindex ermöglicht wird.

Diese Aufgabe, die Viskosität zu regeln, wird erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung gattungsgemäßer Art die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 getroffen sind.

Die erfindungsgemäße Lösung gewährleistet unter Verwendung einer als solchen bewährten Meßeinrichtung eine echte Viskositäts-Regelung des zu verarbeitenden Kunststoffes unmittelbar vor dem Formwerkzeug, wobei für den Betrieb des Reglers von der Erkenntnis ausgegangen ist. daß es keineswegs erforderlich ist, die Schmelzindex-Bestimmung bei Temperaturen vorzunehmen, die für labormäßige Untersuchungen den standardisierten Meßbedingungen bzw. Vergleichstabellen entsprechen: vielmehr genügt es. die Temperaturabhängigkeit der Viskosität für einen bestimmten Kunststofftyp aus als solchen bekannten rviatenaidaien zu bestimmen und dann ufigcächict der Abweichungen von der Standard-Temperatur den Schmelzindex bei Momentantemperatur vor dem Formwerkzeug mittels einer Messung der Druckdifferenz über einer Meßdüse, insbesondere Kapillar-Meßdüse, bei gemessenem bzw. konstantem Probenfluß zu ermitteln, woraufhin Abweichungen von der angestrebten Material-Viskosität durch entsprechende Beeinflus- mi sung des Durchtrittsquerschnittes der Drossel kurzfristig kompensiert werden können.

In allen Fällen von strukturviskosen Stoffen ist es durch die erfindungsgemäße Lösung, nämlich durch Eingriff in eine Schmelzviskositäts-Regelstrecke über b? eine Drossel als Stellglied und unter Verwendung einer als solchen bekannten Schmelzindex-Meßeinrichtung zur Gewinnung von Istwert-Wertepaaren für einen Zweikoordinatenregler, möglich, Schwankungen in der Qualität des Aufgabeproduktes vor einem Formwerkzeug derart auszugleichen, daß eine einheitliche Qualität für das Produkt erzielt wird, das das Formwerkzeug verläßt, wie es insbesondere bei Extrusions-Fertigungsvorgängen, aber auch bei der Rohstoff-Granulation erwünscht ist.

Um Regelschwingungen aufgrund von Laufzeiteffekten möglichst zu vermeiden, ist es zweckmäßig, unter strikter Abkehr von der vorbekannten Anwendungsweise von Schmelzindex-Meßeinrichtungen nicht nur auf einen Temperatur-Adapter für den Probenstromkanal zu verzichten, sondern die weiterbildende Maßnahme nach Anspruch 2 zu treffen. Dadurch ist sichergestellt, daß Schmelzindex-Variationen nahezu trägheitslos erfaßt werden, weil außer den Druckschwankungen auch die Temperaturänderungen im Material vor dem Formwerkzeug sich praktisch unverzögert und ungedämpft an den Meßaufnehmern auswirken, um so für das Signal über die Regelabweichung dem geänderten Druckwert (bzw. dem geänderten Durchsatzmengenwert) seinen geänderten Temperaturwert in der Regler-Kennlinie zuzuordnen.

Die Drossel selbst, also das Stellglied des Regelkreises, ist zweckmäßigerweise gemäß Anspruch 3 realisiert. Denn eine solche Drossel ist wesentlich feinfühliger und mit geringerem apparativem Aufwand verstellbar, als nach dem Stande der Technik die Axialverlage rung einer belasteten Schnecke insgesamt.

Der beschriebene Schmelzindex-Regelkreis kann an sich ohne weiteres kontinuierlich arbeiten. Apparativ vorteilhafter ist es aber, ihn gemäß Anspruch 4 als diskontinuierlichen oder Abtast-Regelkreis aufzubauen. Wenn die Abtastintervalle den Materialgegebenheiten und den vorkommenden Schwankungen der Materialeigenschaften angepaßt sind, sind Nachteile in Form von erhöhten Regelschwingungen praktisch ausgeschlossen. Andererseits wird dadurch der Vorteil erzielt, am Reglerausgang lediglich ein besonders einfaches Signal über die Regelabweichung als Steuersignal für das Stellglied in Form der Drossel zu benötigen, indem schrittweise eine Veränderung der Drosseleinstellung um ein vorgegebenes Intervall vorgenommen wird, bis die Schmelzindex-Gegebenheiten in der Regelstrecke im Rahmen vorgegebener Toleranzen beim erwünschten Arbeitspunkt auf der Regler-Kennlinie liegen.

Im erfindungsgemäß eingesetzten Zweikoordinatenregler ist vorteilhaft ein Abtaster gemäß Anspruch 5 einsetzbar. Solche Regler arbeiten beispielsweise nach Art der herkömmlichen Fallbügel-Regler mit der Besonderheit, daß die Abszissen-Variable nun nicht die Zeit ist. sondern die über den ersten Istwert-Eingang erfaßte mornentanternperatür in der Schmelze vor dem Formwerkzeug. Solche Zweikoordinatenregler sind ζ. B. als Programmregler kommerziell erhältlich. Ihre Funktion basiert darauf, daß auf eine leitende Grundfläche eine nichtleitende Folie aufgespannt wird, deren Berandungsverlauf im Koordinatensystem der Funktion der Regler-Kennlinie entspricht Solange der nach Maßgabe der beiden Istwerte in x- und in y-Richtung ausgelenkte Abtaststift unterhalb der gewünschten, als Sollwert dienenden Regler-Kennlinie auf der isolierenden Folie aufliegt erscheint am Regler-Ausgang ein Ausgangssignal, welches eine derartige Beeinflussung des Stellgliedes hervorruft daß der Abtaststift aufgrund Parameter-Änderungen in der Regelstrecke in Richtung auf die Berandung der Folie, also zum Verlauf der Regler-Kennlinie hin, läuft Bei

Überschreiten dieser Folien-Berandung gelangt der Abtaststift auf die elektrisch leitende Grundfläche, und am Regler-Ausgang erscheint nun ein Signal, das eine gegensinnige Beeinflussung des Stellgliedes hervorruft. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Abtaststift um den Verlauf der Regler-Kennlinie herum schwankt, also in der Strecke sich Gegebenheiten einstellen, die angenähert Istwert-Parameterpaaren nach Maßgabe der Sollwert-Funktion entsprechen. Der Betrag dieser Schwankungen um den Sollwert herum ist durch die Abtast-Periode vorgebbar, also durch die Periodizität der Abfrage der Druck- und Temperaturaufnehmer an der Strecke, wofür derartige Zweikoordinatenregler in der Regel bereits mit einem entsprechenden, einstellbaren Intervallgeber ausgerüstet sind.

Ansteile des erwähnten Programmgebers mit Sollwert-Vorgabe über eine geschnittene Schablone sind auch ähnlich arbeitende Programmgeber mit optischer oder sonstiger elektronischer Abtastung der zweidimensional vorgegebenen Regler- oder Sollwert-Kennlinie einsetzbar.

Apparativ zwar teuerer, hinsichtlich der praktischen Anwendungsmöglichkeiten aber wesentlich vielseitiger ist es, den Zweikoordinatenregler gemäß Anspruch 6 zu realisieren. Dazu ist z. B. ein programmierbarer Tischrechner mit Magnetbandkassetten-Speicher einsetzbar, ebenso — wenn auch weniger komfortabel hinsichtlich der Eingabemöglichkeiten neuer Kennlinienparameter — ein vom Preis her günstigerer Mikroprozessor mit programmierbarem Speicher. In diesem Falle wird das empirisch ermittelte Diagramm der Regler-Kennlinie (vgl. nachstehend) als mathematisches PolynoTi ausgedrückt und im Vergleichsrechner abgespeichert, der daraufhin Istwert-Paare mit dem zugeordneten Funktionswert der abgespeicherten Regler-Kennlinie vergleicht und in gleicher Weise, wie zuvor beschrieben, am Regler-Ausgang ein Signal über die Regelabweichung abgibt, nach Maßgabe dessen eine Vergrößerung oder Verkleinerung des bisher wirksamen Drossel-Querschnittes erfolgt, um in der Regel-Strecke wieder die Istwert-Wertepaare entsprechend der vorgegebenen Material-Viskosität einzustellen. Für die Programmierung solcher mathematischer Vergleichs-O'perationen innerhalb des Vergleichsrechners kann auf die von den Rechner-Liefeni iten zur Verfügung gestelHen Standard-Programme zurückgegriffen werden, wenn nicht im konkreten Ei izelfalle ein optimiertes Programm unter Berücksichtigung der konkret vorliegenden Fertigungsgegebenheiten bevorzugt und individuell erstellt werden soll.

Um einerseits Regelschwingungen auch nach größeren Abweichungen vom Sollzustand in der Regelstrecke möglichst zu vermeiden und andererseits nach Auslenkungen aus dem Sollzustand eine rasche Rückkehr zu stationärem Verhalten des Regelkreises zu erzielen, ist es zweckmäßig, gemäß der zusätzlichen Weiterbildung nach Anspruch 7 vorzugsweise bei eingeschwungenem Betrieb des Regelkreises in rascher Folge Sollwert-Istwert-Vergleiche durchzuführen, wobei etwaige Abweichungen nur zum Anlaß kleiner Einheits-Verstellungen an der Drossel genommen werden; während bei einem momentanen Schmelzindex in der Strecke, der weit abseits der Regler-Kennlinie liegt, in größeren zeitlichen Abständen größere Einheits-Verstellungen an der Drossel hervorgerufen werden, bis wieder eine hinreichende Annäherung an die vorgegebene Kennlinie erreicht ist

Man könnte daran denken, bei Sollwert-Abweichungen sowohl den Druck als auch die Temperatur der auszupressenden Masse vor dem Formwerkzeug über getrennte Stellglieder zu beeinflussen. Ein solcher der zweifachen Istwert-Ermittlung entsprechender zweifaeher Stell-Eingriff in die Regelstrecke könnte aufgrund der Abhängigkeit von Druck und Temperatur in der zu verpressenden Kunststoffmasse aber ohne besondere aufwendige Zusatzmaßnahmen schnell zu unkontrollierbarem Verhalten des Regelkreises führen. Darüber

ίο hinaus ist eine Beeinflussung der Regelstrecken-Temperatur als Stellgröße aufgrund des thermischen Verhaltens der Anlage und der Masse nur langsam möglich, mit dem Erfordernis, dieses bei der Dimensionierung des Zeitverhaltens des Regelkreises zusätzlich als Totzeit berücksichtigen zu müssen; dagegen ist über die Verstellung der Drossel als Steilglied eine rasche Variation des Druckes in der Masse vor dem Formwerkzeug möglich mit einer entsprechenden, wenn auch zeitverzögerten Schwankung der Temperatür nach Maßgabe der vorliegenden Materialgegebenheiten. Deshalb ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung zweckmäßig, wie bereits angedeutet, für die Wirkungsweise des Regelkreises davon auszugehen, bei — zunächst — konstanter Temperatur eine Ausregelung der einmal ermittelten Regelabweichung primär über den Druck in der Strecke als Stellgröße vorzunehmen, was auch mittels der schon beschriebenen Ringspalt-Drossel apparativ einfach durchführbar ist.

Beim praktischen Einsatz des Erfindungsgegenstandes werden zweckmäßigerweise gemäß Anspruch 9 unnötiges Schaltspiel an der Drossel und damit Bauelementenverschleiß und Schwir.gneigungen des Regelkreisverhaltens vermieden.

Andererseits ist es für den praktischen Einsatz nach der zusätzlichen weiterbildenden Maßnahme des Anspruches 10 zweckmäßig, durch eine Grenzwert-Umschaltung dafür zu sorgen, daß der selbsttätig wirkende Regelkreis außer Funktion gesetzt wird, wenn große Abweichungen des Schmelzindex von der Sollwertoder Reglerkennlinie festgestellt werden, weil dann für die Materialqualitäl unter Umständen andere Materialparameter von ausschlaggebender Bedeutung werden können und weil dann für die vergleichsweise lange Zeit bis zur Rückkehr zu Sollgegebenheiten eine Ausformung von Material mit ungewünschten Eigenschaften erfolgen würde.

Hinsichtlich des eingangs genannten Verfahrens wird gemäß Anspruch 11 vorgegangen.

so Insbesondere dann, wenn im Zweikoordinatenregler als Sollwert-Istwert-Vergleicher — wie vorstehend erörtert — zweckmäßigerweise ein programmierbarer Digitalrechner als nach zwei Koordinaten arbeitender Abtastregler angewandt wird, ist die Weiterbildung nach Anspruch 12 zweckmäßig, d.h. zur Gewinnung materialspezifischer Schmelzindex- oder Regler-Kennlinien wird der vorgesehene Schneckenextruder mit bekannten Materialien bei unterschiedlich einstellbaren Materialtemperaturen vor dem Formwerkzeug betrie-

bo ben, wobei Schmelzindexmessungen durchgeführt werden. Diese Meßergebnisse können gemäß Anspruch 13, wie als solches bei der Anwendung von programmierbaren Rechnern zur statistischen Auswertung von Versuchsergebnissen bekannt, umgesetzt werden.

b5 Da der erfindungsgemäße Regelkreis vorzugsweise gemäß Anspruch 14 hochgefahren wird, ist es zweckmäßig, den Rechner dafür auszulegen, daß er während dieser Betriebsphase die über die Schmelzin-

dex-Meßeinrichtung ermittelten Istwert-Wertepaare lediglich als Orientierungsgrößen für die Handsteuerung ausdruckt, vorteilhaft verbunden mit einer Signalgabe bei Erreichen eines vorgegebenen Betriebspunkts oder Sollwertes.

Die Erfindung ist in nachstehender Beschreibung anhand von in der Zeichnung vereinfacht dargestellten und auch in den Unteransprüchen berücksichtigten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fi g. 1 einen Schneckenextruder im vertikalen Längsschnitt,

Fig. 2 in vereinfachter vertikaler Längsschnitt-Darstellung ein dem Schneckenextruder gemäß F i g. 1 über eine Axial-Drossel, ein Anfahrventil und ein Siebpaket nachgeschaltetes Formwerkzeug mit angebauter Schmelzindex-Meßeinrichtung für einen als Blockschaltbild dargestellten Regelkreis mit der Drossel als Stellglied gemäß der Erfindung,

F i g. 3 ein Fließdiagramm von Polypropylen für eine bestimmte Meßdüse innerhalb der Meßeinrichtung und mit der Probenstrom-Temperatur als Parameter,

Fig.4 eine Regler-Kennlinie für Betrieb eines Schmelzindex-Regelkreises nach F i g. 2 bei konstantgehaltener Probenstrom-Schergeschwindigkeit durch die Meßdüse, ermittelt aus dem Fließdiagramm gemäß Fig. 3,

F i g. 5 einen Regelkreis nach F i g. 2, aber umgeschaltet auf Betneb mit konstanter Schubspannung des Piobenstromes durch die Meßdüse und

F i g. 6 eine Regler-Kennlinie entsprechend F i g. 4 für den Regelkreis nach F i g. 5.

Bei dem in F i g. 1 im vertikalen Längsschnitt vereinfacht dargestellten Schneckenextruder 1 ist in einem Gehäuse 2 eine Schnecke 3 angeordnet. Diese besieht aus einer Schneckenwelle 4, auf der schraubenlinienförmig verlaufende Schneckenwindungen 5 angebracht sind, zwischen denen sich Schneckengänge 6 befinden. Die Schnecke 3 ist in einer Schneckenbohrung 7 des Gehäuses 2 derart angeordnet, daß die Schneckenwindungen 5 nur ein geringes Laufspiel gegenüber der Innenwandung des Gehäuses 2, also gegenüber der Wand der Schneckenbohrung 7 aufweisen. Das Gehäuse 2 besteht aus einzelnen, als Gehäuseschüsse bezeichneten Abschnitten 8, 9, 10, 11, die jeweils mittels zugeordneter Flansche 12 (von denen nur diejenigen zwischen den Abschnitten 9 und 10 in F i g. 1 dargestellt sind) miteinander axial fluchtend zusammengeschraubt sind. Das daraus sich ergebende gesamte Gehäuse 2 ist über im Bereiche seiner beiden Enden angeordnete Ständer 13, 14 auf einem Fundament 15 abgestützt. Die Schnecke 3 wird von einem Motor 16 über ein Untersetzungsgetriebe 17 angetrieben.

An dem in Förden xhtung 18 ersten Abschnitt 8 ist ein Materialzuführtrichter 19 angeordnet, der über eine Einzugsöffnung 20 mit der Schneckenbohrung 7 verbunden ist Dem Materialzuführtrichter 19 wird das zu verarbeitende Material in Pulverform über eine Dosiereinrichtung 21, bei der es sich üblicherweise um eine Bandwaage handelt, von einem Bunker 22 zugeführt

Durch den ersten Abschnitt 8 wird eine Einzugszone A gebildet, von der das Material einer Druckaufbau- und Plastifizierzone B im nächstfolgenden Abschnitt 9 zugeführt wird, der — noch im selben Abschnitt 9 — eine Knetzone C nachgeschaltet ist In dieser sind auf der Schneckenwelle 4 Stauscheiben 23 angebracht, mittels derer das zu behandelnde Material besonders intensiv geknetet wird. Derartige Stauscheiben 23 sind aus der DE-PS 9 40 109 (entsprechend US-PS 28 14 472 und GB-PS 7 55 069) bekannt. Wenn es erforderlich ist, können entgegen der Prinzipdarstellung nach Fig. 1 auch mehrere derartige Druckaufbau- und Plastifizierzonen B mit jeweils nachgeschalteten Knetzonen C hintereinander angeordnet sein.

In dem in Förderrichtung 18 auf die Knetzone C folgenden Abschnitt 10 ist eine Entspannungs- und Entgasungszone D angeordnet, in der ein Druckabbau im Material und anschließend eine Entgasung erfolgt. Hierzu ist über einer dafür vorgesehenen Entgasungsbohrung 24 im Abschnitt 10 eine Haube 25 gasdicht mit letzterem verbunden, von der aus eine Leitung 26 zu einer Vakuumpumpe 27 führt.

Dem in Förderrichtung 18 letzten Abschnitt 11 mit dem Auslaßende 28 des Schneckenextruders 1, in dem die Schnecke 3 endet, ist eine in ihrem freien Querschnitt einstellbare axiale Drossel 29 nachgeordnet, deren wirksamer Durchlaßquerschnitt über einen elektrisch ansteuerbaren Stellmotor 30 (vgl. Fig.2) veränderbar ist. Eine derartige Drossel 29 ist beispielsweise aus der DE-OS 21 21 305 als Baueinheit mit der Schneckenwelle 4 bzw. mit einem Fortsatz der Schneckenbohrung 7 im letzten Abschnitt 11 bekannt. Im Rahmen der Ausführungsbeispiele der Erfindung wird bevorzugt eine einstellbare Axial-Ringspalt-Drossel 29 angewandt, wie sie aus der vertikalen Längsschnitt-Prinzipdarstellung der F i g. 2 ersichtlich ist. Sie besteht im wesentlichen aus einem im Strömungsweg hinter dem Auslaßende 28 des Schnekkenextruders 1 angeordneten Hohlzylinder 31 und einem darin mittels des Stellmotors 30 über ein Schneckengetriebe 32 axial verschiebbaren Stiftkolben

33. Der Durchlaß und damit die Drosselwirkung bestimmt sich danach, wie weit der Stiftkolben 33 in den Hohlzylinder 31 hineinverfahren ist, wie lang also die wirksame axiale Länge des Ringspaltes 34 zwischen dem Hohlzylinder 31 und dem Stiftkolben 33 ist.

Der Drossel 29 ist in Förderrichtung 18 ein bei Extruder Anlagen übliches Anfahrventil 35 nachgeordnet Dieses arbeitet unter Verwendung eines Dreiwege-Hahnes 36, um während der Anfahr-Phase der Anlage die erste eintreffende Schmelze hier durch einen Auslaß 37 abführen zu können, bis sich stationäre Gegebenheiten vor dem Formwerkzeug 38, etwa einer Unterwasser-Granulierlochplatte als Extrusions-Formwerkzeug, eingestellt haben.

Dem Anfahrventil 35 ist zunächst jedoch eine Filtereinrichtung in Form eines Siebpaketes 39 nachgeschaltet das mittels einer sogenannten Siebwechselvorrichtung bei Verschmutzung gegen ein frisches Siebpaket 39 ausgetauscht werden kann. Derartige Siebwechselvorrichtungen sind beispielsweise aus der US-PS 27 63 308 bekannt

Die durch das Siebpaket 39 hindurchgepreßte Schmelze gelangt in die Veiteilkanäle 40 eines Anschlußkopfes 41 für das Formwerkzeug 38.

Sowohl in einzelnen Abschnitten 8, 9, 10, 11 des Gehäuses 2 des Schneckenextruders 1 als auch in den Gehäuse- oder Wandungsbereichen der beschriebenen, dem Auslaßende 28 des Schneckenextruders 1 nachgeschalteten Aggregatteile sind Heizkanäle 42 vorgesehen, über die nach Maßgabe des erreichten Aggregatzu-Standes und der vorgesehenen mechanischen Beeinflussung des zu behandelnden Kunststoffes die einzelnen Abschnitte der Gesamtanlage mittels Heißwasser oder mittels Heizpatronen auf bestimmten, für die jeweilige

Behandlungsweise des konkret in Betracht gezogenen Materials empirisch ermittelten Temperaturen gehalten werden.

An den Anschlußkopf 41 vor dem Formwerkzeug 38 ist eine als solche bekannte Schmelzindex-Meßeinrichtung 43 angebaut. Diese weist eine als Zahnradpumpe ausgebildete Dosierpumpe 44 auf, die im Verlaufe eines vor den Verteilkanälen 40 abzweigenden Probenstromkanals 45 angeordnet ist. Um den Probenstromkanal 45 im Interesse der Vermeidung von Wärmeverlusten im ι ο abgezweigten Schmelzen-Probenstrom möglichst kurz ausbilden zu können, ist, wie in F i g. 2 symbolisch dargestellt, die Dosierpumpe 44 in-das Gehäuse 46 des Anschlußkopfes 41 hineinverlegt. Der Probenstromkanal 45 endet am Eingang einer Meßdüse 47, die ausgangsseitig zur umgebenden Atmosphäre hin geöffnet ist. Die Meßdüse 47 weist eine hinsichtlich ihres Radius R und ihrer Länge L sehr definierte und vorzugsweise mit den Standardabmessungen entsprechender Labormeßgeräte übereinstimmende Geome· trie auf. Vor dem Eingang 48 der Meßdüse 47 sind ein Druckaufnehmer 49 und ein Temperaturaufnehmer 50 an den Probenstromkanal 45 angeschlossen. Die Dosierpumpe 44 ist einerseits mit einem Antriebsmotor 51 und andererseits mit einem Drehzahlgeber 52, etwa einem Tachogenerator oder einem Impulsgeber, gekoppelt. Es ist die Eigenschaft solcher Zahnrad-Dosierpumpen 44, pro Umdrehung ein ganz exaktes Fördervolumen zu liefern, so daß über den Drehzahlgeber 52 beispielsweise das Fördervolumen pro Zeiteinheit, nämlich bei konstanter Drehzahl η des Antriebsmotors 51 bzw. der Dosierpumpe 44, bestimmbar ist. Andererseits läßt sich somit über die Ansteuerung des Antriebsmotors 51 die Fördermenge im Probenstromkana! 45 definiert beeinflussen.

Zur Schmelzindex-Bestimmung, also zur Bestimmung der Materialeigenschaften durch Messung der Materialviskosität am Ausgang des Siebpaketes 39 und damit vor dem Formwerkzeug 38, wird mittels der Dosierpumpe 44 der Meßdüse 47 ein Schmelzstrang oder Produktstrom definierten Volumens pro Zeiteinheit zugeführt, der aus dem Anschlußkopf 41 vor dem Formwerkzeug 38, im Zuge der Speisung des Formwerkzeuges 38 aus dem Schneckenextruder 1, abgezogen wird Beim Durchtritt durch die Meßdüse 47 tritt über diese ein Druckabfall Ap auf, der mittels des Druckaufnehmers 49, bei gleichzeitiger Temperaturmessung am Eingang 48 der Meßdüse 47 mittels des Temperaturaufnehmers 50, bei konstanter Förderleistung der Dosierpumpe 44 gemessen wird. In speziellen Fällen, auf die nachstehend noch eingegangen wird, ist es zweckmäßiger, über Messung des Druckabfalles Ap die Drehzahl η der Dosierpumpe 44 derart einzuregeln, daß sich stets ein konstanter Druckabfall Ap einstellt

Für die Scherviskosität η der Schmelze in der Meßdüse 47 gilt

V = ^WaJy [kpsec/cm²],

60

wobei τ wand die Schubspannung der Schmelze an der Wand der Meßdüse 47 und γ die Schergeschwindigkeit ist In Hinblick auf die gegebene Geometrie der Meßdüse 47 gilt für die Schubspannung an der Düsenwand die Beziehung

= -£'-£■ [kp/cm²] mit D = 2R.

Dementsprechend gilt für die Schergeschwindigkeit die Beziehung

T =

32· ρ

[sec"¹].

In letztgenannter Beziehung ist ζ) der Volumenstrom der Schmelze pro Zeiteinheit.

Die Einheiten in vorstehenden Beziehungen sind Zentimeter für den Durchmesser D bzw. den Radius R und für die Länge L der Meßdüse 47, kp/cm² für den Druckabfall Ap und cmVmin für den Volumenstrom Q.

Wie vorstehende Beziehungen erkennen lassen, kann die Scherviskosität η bei vorgegebener Geometrie der Meßdüse 47 durch die Messung der Temperatur Tund des Druckes ρ bzw., da die Meßdüse 47 zur Atmosphäre hin geöffnet ist, Ap am Eingang 48 der Meßdüse 47 bestimmt v/erden, wenn der Volumenstrom Q durch Vorgabe der Drehzahl n der Dosierpumpe 44 vorgegeben wire.

Auf einem Anzeigegerät 53 können diese Einflußgrößen zur Bestimmung des Schmelzindexes der über das Formwerkzeug 38 momentan auszuformenden Schmelze angezeigt werden, und durch Programmierung eines Rechners 514 auf vorstehend genannte Beziehungen unter Berücksichtigung der bekannten geometrischen Ausbildung der Meßdüse 47 kann außerdem oder statt dessen unmittelbar ein Zahlenwert über die momentane Scherviskosität ermittelt werden.

Die Hersteller von Kunststoffen wie Polyäthylen und Polypropylen staffeln ihre Produktpalette nach den Schmelzindizes dieser Kunststoffe, da für einen bestimmten Kunststoff je nach dem ihn charakterisierenden Schmelzindex unterschiedliche Anwendungs-Optimierungen erfolgen. Für einen Kunststoff eines bestimmten Schmelzindexes sind seine Eigenschaften, soweit sie für die Verformung des Kunststoffes unter Berücksichtigung seiner thermischen Behandlung von Bedeutung sind, in Fließkurven dargestellt. F i g. 3 zeigt die Fließkurven für einen gängigen Kunststoff, nämlich für Polypropylen mit einem Volumenstrom von zehn Gramm je zehn Minuten bei einer Schmelzetemperatur von 190" C, gemessen gemäß den Standardbedingungen Mh

Die Fließkurven, wie sie in F i g. 3 für den erwähnten speziellen Kunststoff wiedergegeben sind, stellen die Abhängigkeit der Wandungs-Schubspannung Tn_a„_d als Funktion der Schergeschwindigkeit für unterschiedliche Schmelzetemperaturen T als Parameter dar. Aus der dargestellten Abhängigkeit ist zu sehen, daß bei Temperaturanstieg in der Schmelze ein stärkerer Abbau des Kunststoffes stattfindet was einen höheren Wert bei der Schmelzindex-Messiing bedeutet Oberhalb etwa 290... 300⁰C verläuft die Schmelzindex-Zunahme, also der Vorgang des thermischen Abbauens, immer rascher. Bei der Auswertung der in F i g. 3 wiedergegebenen Kurvenverläufe ist zu beachten, daß in beiden Koordinatenrichtungen ein logarithmischer Maßstab zugrunde gelegt ist

Fließkurven der in F i g. 3 dargestellten Art für jeweils einen bestimmten zur Verarbeitung vorgesehenen Kunststoff können mittels Labormeßverfahren entsprechend ASTM (American Society for Testing and Materials) Standard D 1238 — 65 T bzw. DIN 53 735 oder nach der ISO-Empfehlung ISO/R 1133 — 1969 zur MFR-Bestrmmung (Schmelzmdexmessung), bei vorgegebener Schmelzetemperatur am Meßdüsen-Eingang als Parameter, auf genommen werden.

Zweckmäßiger ist es, solche Fließkurven für bestimmte, vorgegebene Materialien unmittelbar mit demjenigen Schneckenextruder 1 (vgl. F i g. 1 oder 2) unter Verwendung der angebauten Schmelzindex-Meßeinrichtung 43 (siehe F i g. 2) aufzunehmen, an dem später im Zuge der Produktion eine Schmelzindex-Regelung nach der vorliegenden Erfindung Anwendung finden soll. Dazu wird für ein bekanntes, in den Schneckenextruder 1 eingegebenes Material unter Wahl eines geeigneten Betriebspunktes für den Antrieb der Schnecke 3 und bei intensiver Beheizung über die Heizkanäle 42 auf eine bestimmte Temperatur Γ der Schmelze im Probenstromkanal 45 mittels des Anzeigegerätes 53 eine Kurvenschar entsprechend derjenigen, die in Fig.3 wiedergegeben ist, aufgenommen, wobei entweder nachträglich oder unmittelbar über den angeschlossenen Rechner 54 eine Umrechnung gemäß den o. g. Beziehungen erfolgt, nämlich

20

Für den Produktionsbetrieb mit Regelung auf konstanten Schmelzindex dient die Schmelzindex-Meßeinrichtung 43 als Istwertgeber für einen Zweikoordinatenregler 55 (siehe Fig. 2). Der Zweikoordinatenregler 55 weist zwei Istwerteingänge 56, 57 für das Istwert-Wertepaar entsprechend den Koordinaten der Regler-Kennlinie 58 auf. Der erste Istwerteingang 56 ist für den Betrieb des Regelkreises an den Temperaturaufnehmer 50 angeschlossen, weil, wie unten noch ausgeführt, für die Schmelzindex- oder Viskositätsregelung die Reglerkennlinie 58 stets die Momentantemperatur Tals Abszissen-Istwert aufweist. Der Betrieb des Reglers ist umschaltbar, um ihn wahlweise mit Temperatur-Druck-Kennlinie oder mit Temperatur-Fördermengijn-Kennlinie als Regler-Kennlinie 58 zu betreiben. Für diese Betriebsweisen-Umschaltung ist ein im einpoligen Blockschaltbild gemäß F i g. 2 symbolisch dargestellter Umschaltersatz 59 vorgesehen. Dieser ist in Fig.2 für Regelung nach der Temperatur-Druck-Kennlinie 58 bei konstanter Fördermenge der Dosierpumpe 44 eingeschaltet, wofür der Drehzahlgeber 52 der Dosierpumpe 44 ausgangsseitig über einen Drehzahlregler 60 an den Antriebsmotor 51 geschaltet ist.

Die Reglerkennlinie 58 hat die Funktion eines Sollwertgebers, d. h. für jede Istwert-Wertepaareanden Istwerteingängen 56, 57 wird im Regler 55 festgestellt, ob dieses Wertepaar oberhalb oder unterhalb der Reglerkennlinie 58 liegt, und am Reglerausgang 61 ein entsprechendes Signal über die Regelabweichung zur Ansteuerung des Stellgliedes abgegeben. Zur Gewinnung der Reglerkennlinie 58 wird das Fließdiagramm gemäß F i g. 3 zugrunde gelegt. Für die in F i g. 2 eingetragene Schalterstellung des Umschaltersatzes 59 gemäß Betrieb mit konstanter Fördermenge der Dosierpumpe 44, entsprechend konstanter Schergeschwindigkeit γ, werden für verschiedene Schmelzetemperaturen Γ die Schubspannungen τ wand ermittelt und daraus die zugeordneten Druckwerte ρ mittels der e>o vorstehend erläuterten Beziehungen errechnet. Für das in F i g. 3 eingezeichnete Beispiel ergibt sich so die Reglerkennlinie 58, die in Fi g. 4 wiedergegeben ist. Als Parameter wurde für das genannte, dem vorliegenden Beispiel zugrunde gelegte Material eine Schergeschwindigkeit von ^23S"¹ gewählt. Für die verschiedenen Temperaturen der Kurvenschar in Fig.3 ergeben sich aus den Schnittpunkten mit diesem Parameter die in F i g. 3 aölesbaren Schubspannungen vwanA die in F i g. 4 links von der Ordinate eingetragen sind, und aus den Umrechnungen die der Ordinate zugeordneten Druckwerte ρ über den einzelnen Temperaturen T als Abszissenwerte.

Falls es sich beim Zweikoordinatenregler 55 (siehe Fig.2) um einen elektromechanischen Abtastregler nach Art eines im Schrittbetrieb arbeitenden x-y-Abtasters handelt wird eine Schablone 62 mit einer Berandung entsprechend der Reglerkennlinie 58 aus elektrisch nicht leitendem Material geschnitten und in den Zweikoordinatenregler 55 auf eine Abtastfläche 63 aus elektrisch leitendem Material gelegt Der in F i g. 2 symbolisch eingetragene Abtaststift 64 ist sowohl in χ -Richtung als auch in y-Richtung verschiebbar, wofür Stellmotore 65, 66 vorgesehen sind, die über die Istwerteingänge 56 bzw. 57 angesteuert werden. Bei einem zweckmäßigen und als solchen bekannten und kommerziell erhältlichen Zweikoordinatenregler 55 dieser Art ist ein Zeitgeber 67 vorhanden, der in vorgebbarer Folge ein Absenken des Abtaststiftes 64 auf die Abtastfläche 63 bewirkt. Wenn aufgrund eines !stwert-Werttpaares der Abtaststift 64 oberhalb der Reglerkennlinie 58 steht, erfolgt beim Absenken das Schließen ei..es Stromkreises, der dagegen nicht geschlossen wird, wenn das Absenken im Bereiche der Schablone 62 und somit unterhalb der Reglerkennlinie 58 erfolgt. Somit hängt das Ausgangssignal am Reglerausgang 61 davon ab, ob die Istwert-Wertepaare an den Istwerteingängen 56,57 einem Koordinatenwert oberhalb oder unterhalb der Reglerkennlinie 58 entsprechen. Danach wieder bestimmt sich die Ansteuerung des Stellgliedes in Form des Stellmotors 30, nämlich derart, daß der Durchtrittsquerschnitt durch die Ringspalt-Drossel 29 verringert wird, wenn für eine Momentantemperatur in der Schmelze der Druckabfall Ap über die Meßdüse 47 zu groß ist während bei zu kleinem Druckabfall Ap der Drosselquerschnitt vergrößert wird. Dazu kann beispielsweise ein bipolares Signal vom Reglerausgang 61 geliefert werden, während bei anderen praktischen Gestaltungen derartiger Zweikoordinatenregler 55 der Reglerausgang 61 zweipolig ist und je nachdem, ob der Stellmotor 30 für Schließen oder für Öffnen der Drossel 2.9 angesteuert werden soll, entweder auf dem einen oder auf dem anderen Leitungszug der Zweileiter-Verbindung zum Stellmotor 30 ein Signal erscheint. Beim Schließen der Drossel 29 nimmt der Widerstand für die Kunststoffschmelze, die von dem Schneckenkneter 1 über das S'ebpaket 39 an das Formwerkzeug 38 geliefert wird, zu, d. h. sowohl der Druck vor dem Formwerkzeug 38 und damit auch im Probenstromkanal 45 als auch die Schmelzetemperatur T nehmen zu, was einem Anstieg des Schmelzindex-Wertes und damit einem verstärkten Abbau des Polypropylen entspricht. Dagegen sinkt bei weiter geöffneter Drossel 29 der Durchgangswiderstand durch den Ringspalt 34, d. h. der Druck und damit auch die Temperatur in der Schmelze erniedrigen sich, was einer Verringerung des Schmelzindexes und damit einer Erhöhung der Schmelzviskosität des Polypropylens im Formwerkzeug 38 entspricht. Es wird also durch entsprechende Einstellung des durch die Drossel 29 hervorgerufenen Widerstandes eine Beeinflussung der Temperatur und damit des Abbaugrades der auszutragenden Schmelze vorgenommen, unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Friktionswärme im Bereiche der Druckzone vor der Spitze des Schneckenextruders 1 direkt proportional mit dem Druck in der Schmelze

zunimmt. Ein durch Verstopfungserscheinungen im Siebpaket 39 hervorgerufener Druckanstieg auf dem Wege der Schmelze vom Schneckenextruder 1 zum Formwerkzeug 38 kann durch entsprechende Vergrößerung des wirksamen Durchtrittsquerschnittes durch die Drossel 29 kompensiere werden, was duich den beschriebenen Regelkreis selbsttätig und quasi-kontinuierlich sichergestellt wird, auch im Falle der raschen Druckschwankungen aufgrund Siebwechsels, wenn mittels einer Siebwechselvorrichtung ein verstopftes Siebpaket 39 gegen ein frisches ausgetauscht wird, über dem ein erheblich geringerer Druckanstieg stattfindet. So ist die Einhaltung einer konstanten Schmelzviskosität durch Beeinflussung der Regelstrecke über die als Stellglied wirkende Drossel 29 möglich, und damit die Voraussetzung für automatischen Betrieb des Abbauens von Polypropylen geschaffen; das Formwerkzeug 38 liefert trotz ständig sich verändernder Druckgegebenheiten über dem Siebpaket 39 ein Erzeugnis konstanter Qualität.

Ober den Zeitgeber 67 wird eine derartige Abtastrate vorgegeben, daß Laufzeit- oder Totzeiteffekte im Zuge des Vortriebes der Schmelze durch die Drossel 29 und das Siebpaket 39 zum Formwerkzeug 38 nicht zu Regelschwingungen führen, weil immer erst dann wieder ein Sollwert-Islwert-Vergleich in Form der Abtastung über der Abtastfläche 63 im Zweikoordinatenregler 55 erfolgt, wenn nach einer Verstellung der Drossel 29 sich wieder quasi-stationäre Verhältnisse vor dem Formwerkzeug 38 eingestellt haben, je nach den konkreten Gegebenheiten nach 1... 10 sek.

Es ist jedoch zweckmäßig, den Zweikoordinatenregler 55 erst dann in Betrieb zu setzen, wenn die Anlage nach Betriebsbeginn einmal von Hand auf den gewünschten Arbeitspunkt 68 auf der Reglerkennlinie 58 (siehe Fig.4) eingefahren wurde, wie es durch die Einfahrkurve 69 symbolisch dargestellt ist. Denn ein stabiler Arbeitspunkt 68 stellt sich erst dann ein, wenn die Betriebsparameter der Anlage stationäre Werte eingenommen haben. Beim Einfahren wird zweckmäßigerweise das Anfahrventil 35 geöffnet, so daß diejenige Schmelze, die noch keine stationären Eigenschaften aufweist, durch den Auslaß 37 — anstelle durch das Formwerkzeug 38 — entfernt wird, mit Abziehen nur desjenigen Qiantums an Schmelze ei rch das Siebpakel 39, das für die Schmelzindex-Meßpinrichtung 43 benötigt wird, für das Anfahren ist die Drossel 29 zunächst ganz geöffnet. Stationäre Verhältnisse haben sich eingestellt, wenn der Material-Durchsatz, das Drehmoment für den Antrieb des Schneckenextruders 1, dessen Drehzahl und die Temperaturverteilung über der Anlage Werte erreicht haben, die für den Betriebszustand der konkret in Betracht gezogenen Anlage charakteristisch sind. Wenn sich auf dem Anzeigegerät 53 bzw. nach Umrechnung über die vorstehend erläuterten Beziehungen aus der Rechner-Ausgabe des Rechners 54 ergibt, oaß der Arbeitspunkt 68 praktisch erreicht ist, in dem sich die Einfahrkurve 69 mit der Reglerkennlinie 58 schneidet (siehe Fig. 4), kann das Anfahrventil 35 geschlossen und der bo Zweikoordinatenregler 55 in Betrieb gesetzt werden. Aufgrund des Zweipunkt-Betriebsverhaltens des Zweikoordinatenreglers 55 schwanken fortan die Istwerte um die Reglerkennlinie 58, wobei der Betrag dieser Schwankungen durch die Abtast-Intervalle (in der Regel b5 zwischen ein und zehn Sekunden) über den Zeitgeber 67 vorgebbar ist.

Zweckmäßigerweise ist jedoch ein Grenzwertmelder 70 den Istwerteingängen 56, 57 parallel geschaltet, der im Falle einer vorgebbaren Abweichung von der Reglerkennlinie 58 einen Signalgeber 71 ansteuert und/oder den Zweikoordinatenregler 55 außer Betrieb setzt, weil aufgrund vom Regelkreis nicht beherrschter Störeinflüsse die stationären Verhältnisse verlassen wurden und die Anlage neu eingefahren werden muß. Der Fall kann auch eintreten, wenn die apparativen Parameter der Produktionsanlage, wie Durchsatz, Drehzahl und Gehäusetemperatur des Schneckenextruders 1, so ungünstig vorgegeben sind, daß bei bestimmten Regelabweichungen und in Hinblick auf vorgegebene Einheits-Verstellungen mittels des Stellmotors 30 der Arbeitspunkt 68 nicht innerhalb vorgegebener Zeit wieder erreichbar ist.

Zugleich kann dieser Grenzwertmelder 70 dafür ausgelegt sein, nach Inbetriebnahme des Reglerkreises eine Blockierschaltung 72 dahingehend zu beeinflussen, daß im Interesse der Vermeidung unnötigen Schaltspieles des Stellmotors 30 eine Verstellung der Drossel 29 noch nicht bei geringen Regelabweichungen eintritt, sondern nur bei Überschreiten eines vorgegebenen Betrages der Regelabweichung vom Reglerausgang 61 ein Signal auf den Stellmotor 30 gegeben wird.

Ein solcher Grenzwertmelder 70 kann in gleicher Weise nach dem Prinzip eines Zweikoordinaten-Abtasters aufgebaut sein, wie der beschriebene Zweikoordinatenregler 55. Auf der Abtastfläche 63 ist dann eine nur streifenförmige Srhablone angeordnet, die den Verlauf der Reglerkennliii e 58 wiedergibt, so daß erst dann, wenn der Abtaststiif 64 oberhalb oder unterhalb dieses Streifens auf die Abtastfläche 63 niedergeht, der elektrische Kontakt hergestellt wird, der die Blockierschaltung 72 freigibt. In F i g. 2 ist ein Umschalter 73 am Ausgang des Grenzwertmelders 70 vorgesehen, der während des Hochfahrens der Anlage von Hand auf den Signalgeber 71 geschaltet ist, um ein Signal auszulösen, wenn die Einfahrkurve 69 (vgl. Fig.4) den streifenförmigen Toleranzbereich 74 beiderseits der Reglerkennlinie 58 schneidet, woraufhin der Umschalter 73 auf die Blockierschaltung 72 umgeschaltet wird, um das Signal vom Reglerausgang 61 freizugeben, wenn im nun folgenden automatischen Regelbetrieb dieser Toleranzbereich 74 wieder verlassen werden sollte.

Wenn, wie eingangs erwähnt, der Zweikoordinatenregler 55 durch einen Rechner realisiert ist — sei es durch einen gesonderten Vergleichsrechner 75 gemäß F i g. 5, sei es durch einen Zentralrechner, der auch der Aufnahme der Fließdiagramme gemäß F i g. 3 dient und nach Inbetriebnahme des automatisch wirkenden Reglerkreises gleichzeitig im Zeitschachtelungs-Betrieb als der dem Anzeigegerät 53 nachgeschaltete Rechner 54 nach Fig. 2 dient —, dann bedarf es der Umwandlung einer Reglerkennlinie 58 entsprechend Fig.4 in ein Polynom, um für jedes Istwertpaar feststellen zu können, ob der Querschnitt der Drossel 29 verringert oder vergrößert werden muß. Ein solches Polynom kann empirisch aus der empirisch gewonnenen Reglerkennlinie entsprechend Fig.4 ermittelt werden; zweckmäßiger ist es, bereits bei der Aufnahme der Daten, aus denen sich ein Fließdiagramm entsprechend Fig. 3 darstellen läßt, die Wertepaare zur Gewinnung des Polynomes zu extrapolieren und das Polynom mittels als solcher bekannter Unterprogramme zur Definition von Kennlinien durch vorgegebene Wertepaare bereits innerhalb des Rechners zu erstellen.

Bei einer Versuchsausführung zur Erfindung entsprechend F i g. 2 mit einem Rechner als Zweikoordinaten-

regier 55 wurde für die Materialeigenschaften entsprechend Fig.3/Fig.4 folgendes Polynom zugrunde gelegt:

T= 281,214-13,220 4p+0,138 4p².

Im Falle der Realisierung des Zweikoordinatenreglers 55 durch einen Rechner kann ferner die gesonderte gerätetechnische Realisierung des Grenzwertmelders 70 entfallen, da bei der Vorgabe des Betriebsprogrammes im Zeitschachtelungs-Betrieb zugleich eine rechnerische Analyse der Istwert-Wertepaare im Hinblick auf vorgegebene Toleranzen bezüglich der Reglerkennlinie 58 durchgeführt werden kann, um beispielsweise bei zu starken Abweichungen vom stationären Betrieb des Regelkreises den Signalgeber 71 anzusteuern, andererseits bei nur geringen Regelabweichungen noch auf eine Ansteuerung des Stellmotors 30 zur Veränderung des momentan wirksamen Drosselquerrchnittes zu verzichten. Da ein Regelkreis unter Verwendung eines Rechners als Regler — im vorliegenden Beispielsfalle als Zweikoordinatenregler 55 — ohnehin als diskontinuierlicher oder Abtastregelkreis arbeitet, dessen Tastfrequenz über die Zeitbasis für die Funktion des Rechners vorgebbar ist, erübrigt sich ein gesonderter Zeitgeber 67 für die Periodizität der Abfrage der Istwert-Wertepaare und deren Vergleich mit der Reglerkennlinie 58. Bei Verwendung eines Rechners als Zweikoordinatenregler 55 ist es darüber hinaus ohne weiteres realisierbar, die Stärke der Ansteuerung des Stellmotors 30 bei Erfordernis einer Veränderung des Drosselquerschnittes proportional zur momentanen Abweichung des Istwert-Wertepaares von der Reglerkennlinie 58 zu wählen, etwa derart, daß das vom Reglerausgang 61 abgegebene Stellsignal für den Stellmotor 30 im Falle einer Einheitsamplitude in der Länge variiert oder im Falle einer Einheitslänge in der Amplitude variiert wird. Auf diese Weise ist auch bei relativ starken Abweichungen der Schmelzeeigenschaften vor dem Formwerkzeug 38 ein rasches Wiederannähern an den der momentan gegebenen Temperatur T zugeordneten Arbeitspunkt 68 auf dieser Reglerkennlinie 58 (vgl. F i g. 4) gewährleistet.

Ferner ist der Einsatz eines Rechners, beispielsweise des eingangs genannten Typs, auch deshalb einem elektromechanischen Zweikoordinatenregler 55 nach dem Prinzip der x-y-Abtastung vorzuziehen, weil dieser Rechner zugleich dazu herangezogen werden kann, umgerechnete Daten über die Schmelzeeigenschaften, insbesondere über vorübergehende Abweichungen von den Solleigenschaften, für spätere Kontrollzwecke zu ermitteln und abzuspeichern bzw. auszudrucken, wie es als solches durchaus bei der Realisierung industrieller Regelkreise unter Verwendung von Prozeßrechnern auf anderen technologischen Gebieten bekannt ist.

Aus vorstehend angegebenen Beziehungen ergibt sich, daß die Funktion des Regelkreises nach F i g. 2 auch gewährleistet wäre, wenn die Reglerkennlinie 58 der Beziehung

η = f(T)

60

genügt, wofür die Schubspannung konstant gehalten bleiben müßte, was über eine entsprechende Variation der Probenstromfördermenge durch Beeinflussung der Drehzahl der Dosierpumpe 44 erreichbar wäre. Für die praktische Funktion eines solchen Regelkreises müßte die Variation der Drehzahl der Dosierpumpe 44 aber einen sehr großen Bereich überstreichen, weshalb eine Regelung nach diesen Kriterien aus Gesichtspunkten der Praktikabilität und Funktionssicherheit des Regelkreises weniger empfehlenswert ist, als die in Fig.2 in Verbindung mit F i g. 4 dargestellte Regelung.

Wenn jedoch keine Abbau- oder Vernetzungserscheinungen des Polypropylen infolge der Knet- und Erwarmungsbehandlung angestrebt werden, sondern lediglich ein normales Granulieren von Polypropylen (oder von Polyäthylen), dann treten in der Regelstrecke, also im Bereiche zwischen der Austragsstelle des Schneckenkneters 1 (vgl. Fig. 1) und dem Formwerkzeug 38 (vgl. Fi g. 2, etwa eine Unterwasser-Granulierplatte darstellend) nicht so große Temperaturschwankungen auf, und der Regelkreis muß lediglich dafür ausgelegt werden, den langsamen Druckanstieg im Zuge der Verschmutzung des Siebpaketes 39 und die schlagartige Druckminderung bei Austausch eines verschmutzten Siebpaketes 39 gegen ein frisches, durch entsprechende Verstellung des wirksamen Durchtrittsquerschnittes der Drossel 29 zu kompensieren. Zwar kann auch hier der¹ Funktion des Regelkreises wieder eine konstante Schergeschwindigkeit aufgrund konstanter Pumpenförderleistung, entsprechend F i g. 2/F i g. 4, zugrunde gelegt werden; in diesem Falle ist aber auch ein Betrieü mit dem Parameter konstanter Düsenwandungsschubspannung entsprechend konstantem Druckabfall über der Meßdüse 47 ohne die vorgenannten Schwierigkeiten zu großer Variation der Pumpendrehzahl möglich, worauf das in Fig.5/Fig.6 dargestellte Ausführungsbeispiel zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens abgestellt ist.

Dafür ist der Umschaltersatz 59 am Eingang des Antriebsmotors 51 für die Dosierpumpe 44 nun an den Regelabweichungs-Ausgang eines Druckreglers 76 geschaltet, dessen Istwerteingang dem Druckaufnehmer 49 innerhalb der Schmelzindex-Meßeinrichtung 43 nachgeschaltet ist, die in F i g. 5 auf das Funktionswesentliche reduziert und in Zusammenhang mit einer ebenfalls vereinfachten symbolischen Darstellung der übrigen Anlagenteile aus F i g. 2 wiedergegeben ist.

Auf den ersten Istwerteingang 56 des Zweikoordinatenreglers 55 ist wieder der Temperaturaufnehmer 50 der Schmelzindex-Meßeinrichtung A3 geschaltet, während der zweite Istwerteingang 57 nun über den Umschaltersatz 59' an den Ausgang des Drehzahlgebers 52 angeschlossen ist; d. h., der zweite Istwert ist die Momentandrehzahl, mit der die Dosierpumpe 44 angetrieben wird, um bedingungsgemäß über der Meßdüse 47 der Schmelzindex-Meßeinrichtung 43, unabhängig von Druck- und Temperaturschwankungen in der Schmelze innerhalb der Regelstrecke vor dem Formwerkzeug 38, einen konstanten Druckabfall Ap aufrechtzuerhalten.

Der Zweikoordinatenregler 55 arbeitet nun nach der in F i g. 6 wiedergegebenen Reglerkennlinie 58, die sich entsprechend dem Vorgehen zum Gewinnen einer Reglerkennlinie 58 nach Fig.4 wiederum aus den empirisch ermittelten Fließkurven gemäß dem Fließdiagramm F i g. 3 gewinnen läßt, wofür die entsprechenden Schnittpunkte in F i g. 6 links neben der Ordinate eingetragen sind. Dort sind ferner die sich aus den Umrechnungen bei vorgegebener geometrischer Ausbildung der Meßdüse 47 ergebenden, zugeordneten Werte für den Volumenstrom Q bei der jeweiligen Dosierpumpen-Drehzahl η angegeben, die sich aus den oben angegebenen Abhängigkeiten für die Schergeschwindigkeit i· ergeben.

Wie schon für das Beispiel einer Reglerkennlinie 58 nach F i g. 4 erläutert, läßt sich auch die Reglerkennlinie

Ap =

Φ·

JO

58 fur den Zweikoordinatenregler 55 beim Aufbau des Regelkreises nach Fig.5 als Polynom darstellen, um den Zweikoordinatenregler 55 wieder als Vergleichsrechner 75 zu realisieren.

Entscheidend ist, daß am Reglerausgang 61 bei Istwert-Wertepaaren, die oberhalb der Reglerkennlinie 58 (Fig.6) Hegen, der Stellmotor 30 für ein Schließen der Drossel 29 angesteuert wird, bei Wertepaaren unterhalb der Reglerkennlinie 58 dagegen die Drossel 29 geöffnet wird. ι ο

Aus Stsfsilitätsgründen ist es auch bei diesem Ausführungsbeispiel wieder ratsam, nach Inbetriebnahme der Anlage zunächst eine Beeinflussung von Hand, etwa längs der Einfahrkurve 69 in Fi g. 6, vorzunehmen, bis ein Arbeitspunkt 68 auf der Reglerkennlinie 58 wenigstens angenähert erreicht ist, um nun auf selbsttätigen Regelbetrieb umzuschalten. Für die Abfragefrequenz des diskontinuierlich arbeitenden Zweikoordiiiatenreglers 55 und für etwaige Möglichkeiten einer Steügliedbeeinflussung nach Maßgabe der momentanen Abweichungen von der Reglerkennlinie 58 gelten wieder die vorstehend in Zusammenhang mit Fig.2/ F i g. 4 gebrachten Erörterungen. Es wäre ferner, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ein Betrieb des Schmelzviskositätsregelkreises mit einer Reglerkennlinie nach der Beziehung für mengenstromabhängigen Druckaufbau

Schmelzetemperatur T entsprechend den einzelnen Fließkurven des Fließdiagrammes nach Fig.3 ausgegangen werden müßte. Wenn diese Voraussetzung nicht hinreichend gewährbar ist, ist es allerdings möglich, die in dem Fließdiagramm nach Fig.3 dargestellte Abhängigkeit von der Schmelzetemperatur T dem Regelkreis als zusätzliche Einflußgröße nach Art einer Störgröße entsprechend den Beziehungen

m=ffT) und Φ=ί(Τ)

aufzuschalten.

Vorstehende, modifizierte Reglerkennlinie (vgl. E.Bernhardt, a.a.O. Seite 257, Gl. 152) gilt für strukturviskose Stoffe wie Polymerschmelzen, die dem Fließgesetz

γ = Φ ■ τ"
gehorchen. Darin sind

m = der Fließexponent,
Φ = - = die Fluidität

möglich, wofür allerdings von der Annahme konstanter Stoffwerte, und τ ist wieder die Schubspannung der Schmelze an der Wand der Meßdüse.

Hierzu 6 Blatt Zcichnunaen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung mit einer nach dem Siebpaket eines Schneckenextruders angeordneten Schmelzindex-Meßeinrichtung, bestehend aus einer drehzahlsteuerbaren Dosierpumpe mit Drehzahlgeber und einer in einem Probenstromkanal angeordneten Meßdüse sowie unmittelbar vor dem Eingang der Meßdüse an den Probenstromkanal angeschlossenen Druck- und Temperaturaufnehmern, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Viskosität eines im Schneckenextruder (1) aufgeschmolzenen Kunststoffes vor dem Formwerkzeug (38), zwischen dem Auslaßende (28) des Schneckenextruders (1) und dem Siebpaket (39) eine Drossel (29) veränderbaren Durchlaßquerschnittes angeordnet ist, deren Stellmotor (30) dem Reglerausgang (61) eines programmierbaren Zweikoordinatenreglers (55) nachgeschaltet ist, dessen Regler-Kennlinie (58) als Temperatur-Druck-Kennlinie bei Betrieb der Dosierpumpe (44) mit konstanter Fördermenge bzw. als Temperatur-Fördermengen-Kennlinie bei Betrieb der Dosierpumpe (44) mit konstantem Druckabfall über die Meßdüse (47) vorgebbar ist, wobei auf einen der Istwerteingänge (56) des Zweikoordinatenreglers (55) der Temperaturaufnehmer (50) und auf den zweiten Istwerteingang (57) der Druckaufnehmer (49) bzw. der Drehzahlgeber (52) geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzindex-Meßeinrichtung (43) mit einem kurzen Probenstromkanal (45) ausgestattet und in innigem thermischem Kontakt an dem Maschinengehäuse zwischen dem Siebpaket (39) und dem Formwerkzeug (38) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (29) als Axial-Ringspaltdrossel aus einem Hohlzylinder (31) und einem darin mittels eines Stellmotors (30) axial verschiebbaren Stiftkolben (33) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis mit diskontinuierlich arbeitendem Zweikoordinaten-Regler (55) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Zweikoordinatenregler (55) als Sollwert-Istwert-Vergleicher ein von den beiden Istwerten ausgesteuerter, nach Art eines Zweipunktreglers schaltender A'-y-Abtaster für eine nach der Sollwertfunktion (Regler-Kennlinie 58) geschnittene Schablone (62) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Zweikoordinatenregler (55) als Sollwert-Istwert-Vergleicher ein digitaler Vergleichs-Rechner (75) vorgesehen ist, dem die Sollwertfunktion (Regler-Kennlinie 58) als Polynom einspeicherbar ist und der ein Reglerausgangssignal nach Maßgabe der Abweichung des Istwert-Wertepaares von der Sollwertfunktion (Regler-Kennlinie 58) auslöst.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reglerausgangssignal und/oder das Abtastintervall für Übernahme von Istwert-Wertepaaren in den Zweikoordinatenregler (55) in Abhängigkeit von der Sollwertabweichung variierbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß das Reglerausgangssignal durch die Sollwert-Istwert-Abweichung des Druckes bzw. der Fördermenge bei Temperatur-Istwert bestimmt ist

9 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Sollwert-Istwert-Vergleich für die Abgabe eines Reglerausgangssignals zur Ansteuerung des Stellmotors (30) eine Schalthysterese vorgesehen ist

10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten einer vorgebbaren Regelabweichung eine Blockierschaltung (72) zwischen dem Reglerausgang (61) und dem Stellmotor (30) sowie gegebenenfalls ein Signalgeber (71) von einem Grenzwertmelder (70) ansteuerbar sind.

11. Verfahren zum Regeln der Viskosität von aufgeschmolzenem und auszuformendem Kunststoff, dessen Temperatur und Druck gemessen wird, durch Beeinflussung einer Materialfluß-Drosselstelle im Anschluß an die Knetbehandlung des Kunststoffes, insbesondere bei einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für den spezifischen Kunststoff eine empirisch ermittelte Schmelzindex- oder Regler-Kennlinie

Δ ρ = f(T)bzw. Q = f(T)
worin

Δρ der Druckabfall über einer Meßdüse einer Schmelzindex-Meßeinrichtung,

T die Temperatur eines Probenstromes am Eingang der Meßdüse und

Q der an die Meßdüse gelieferte Probenstromfluß ist,

als Sollwert-Charakteristik vorgegeben wird, daß in vorgebbaren Intervallen der Schmelzindex bei Momentantemperatur des aufgeschmolzenen Kunststoffes vor seinem Ausformen bestimmt und daß je nach der Abweichung des Istwert-Wertepaares von der Regler-Kennlinie, bezogen auf Momentantemperatur in der Schmelze, die Materialfluß-Drosseiung verstärkt oder verringert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung materialspezifischer Schmelzindex- oder Regler-Kennlinien an der für Ausformproduktion vorgesehenen Verarbeitungsanlage für einen vorgegebenen, spezifischen Kunststoff bei einstellbarer Schmelzetemperatur vor dem Ausformen Schmelzindexmessungen zur Erstellung von Fließdiagrammen durchgeführt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßergebnisse für die Schmelzindexmessung unmittelbar in einen Rechner eingespeist und darin zu abzuspeichernden Polynomen von Regler-Kennlinien umgesetzt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausformen des Kunststoffes von Hand in die Nähe des Arbeitspunktes auf der vorgegebenen Regler-Kennlinie eingefahren und dann auf selbsttätige Regelung umgeschaltet wird, wenn das Reglerausgangssignal einen vorgebbaren Betrag der Regelabweichung unterschreitet.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß je nach der Vorgabe der Regler-Kennlinie entweder der für die Schmelzin-

dex-Istwertmessung an eine Meßdüse gelieferte Volumenstrom oder der über einer Meßdüse auftretende Druckabfall als vorgebbarer konstanter Betriebsparametei· verwendet wird.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer nach dem Siebpaket eines Schneckenextruders angeordneten Schmelzindex-Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Regeln der Viskosität von aufgeschmolzenem und auszuformendem Kunststoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 11.

Aus der Firmen-Druckschrift »CONTINUOUS CAPILLARY RHEOMETERS FOR ON-LINE PROCESS CONTROL; F. H. McGinnis« SEISCOR Division, Seismograph Service Corporation, Tulsa, Oklahoma, ist es bekannt, Schmelzindex-Meßeinrichtungen der erwähnten Art hinter dem Siebpaket von Schneckenextrudern anzuordnen. Derartige Meßeinrichtungen wurden unter dem Gesichtspunkt entwickelt, im Zuge der laufenden Kunststoff-Verarbeitung Schmelzindizes zu bestimmen, wie sie herkömmlicherweise nach Probenentnahme durch standardisierte Laborbehandlung gewonnen werden. Dazu wird bei den beschriebenen Anordnungen aus dem laufenden Produktionsprozeß ein Probenstrom über einen Probenstromkanal abgezweigt und in einem Adapter-Kanal mittels Wärmetauschern bei hinreichender Verweilzeit auf diejenige Temperatur abgekühlt bzw. aufgeheizt, die der Standardtemperatur für Vergleichsmessungen im Labormaßstab entspricht, weil die üblicherweise in der Kunststofftechnologie benutzten Material-Vergleichsdaten auf diese Standardbedingungen für labormäßige Meßanordnungen abgestellt sind; vgl. die in ASTM D 1238-65 Toder in DIN 53 735 fixierten Parameter zur Schmelzindex-Messung.

Aus den DE-AS 20 54 615 bzw. 21 19 136 ist ein Regelkreis bekannt, mittels dessen eine gekoppelte Regelung der Temperatur und des Druckes von aufgeschmolzenem Kunststoff vor dem einer Kunststoff-Schneckenpresse nachgeschalteten Formwerkzeug angestrebt wird. Regelstrecke ist der Kanal vor dem Formwerkzeug, und als Stellglied dient eine axial einstellbare Ringspalt-Drossel. Zusätzlich erfolgt ein Eingriff in die Regelstrecke durch Variation der Arbeitsdrehzahl der Schneckenpresse. Zur Istwert-Ermittlung dienen Druck- und Temperaturaufnehmer vor dem Formwerkzeug. Dem Sollwert-Istwert-Vergleich dient ein Prozeßrechner, der mit einem im Sollbetriebspunkt, nämlich unter betriebsmäßigen Bedingungen aufgenommenen AnsRrechfunktionen-Gradienten der Kunststoff-SchneckentJre^sse programmiert sein soll, was nicht im einzelnen aufgeführt ist. Es ist lediglich gesagt, daß im Interesse guter Verformbarkeit des Kunststoffes die simultane Regelung von Temperatur und Druck vor dem Forrtlwerkzeug angestrebt ist und dazu Störeinflüsse bezüglich der genannten Größen in sehr kurzer Zeit ausgeregelt werden sollen. Allerdings wird dabei übersehen, daß — entgegen den dort zugrunde gelegten Annahmen — tatsächlich der Druck vor dem Formwerkzeug auch bei konstanter Spaltlänge der Drossel gar nicht allein von der Schneckendrehzahl abhängt. Vielmehr hängt die Material-Temperatur von der Spaltlänge, der Schneckendrehzahl und weiteren Einflußgrößen (wie Mengenstrom, Stoffwerten und wirksamen Drucksummen in der Anlage vor dem Formwerkzeug) ab, weshalb die angestrebte Reglerfunktion aus physikalischen Gründen nicht realisierbar ist. Denn der tatsächliche Druck vor dem Formwerkzeug ist, abgesehen vom Mengenstrom, von Stoffwerten und von der Massetemperatur, in erster Linie allein von der Geometrie des Formwerkzeuges abhängig. Diese Zusammenhänge sind beschrieben in E. Bernhardt, Processing of Thermoplastic Materials, 1959, insbesondere Gleichung 152 auf Seite 257 und Fig. 431 auf Seite 209.

Der Erfindung liegt dagegen die Erkenntnis zugrunde, daß einerseits bei der Bearbeitung von Kunststoffen auf ein- oder mehrwelligen Schneckenextrudern die thermische Vorgesch. :hte und damit die Schmelzviskosität des aufgeschmolzenen und auszuformenden Kunststoffes sehr wesentlich für die Qualität des Endproduktes ist, andererseits die bekannten Anordnungen zur eingegliederten Probennahme (für die Beurteilung der voraussichtlichen Qualität des Endproduktes aufgrund vordem Formwerkzeug gegebener Materialeigenschaften) nicht unmittelbar aussagekräftig sind, weil die Wirkung dieser Meßeinrichtungen auf einer Temperaturumsetzung in der abgezweigten Probe und damit auf einer vergleichsweise langen Dauer für die Durchführung der Messung

jo beruht. Vor dem Formwerkzeug können aber vergleichsweise rasche Schwankungen der Materialeigenschaften, wie sie durch den momentanen Schmelzindex definierbar sind, auftreten, weshalb die vorbekannten Anordnungen in der Praxis der Kunststoff-Technologie nur dort sinnvoll anwendbar scheinen, wo aufgrund der spezifischen Material-Behandlungsschritte solche Schwankungen nicht oder noch nicht von Bedeutung sind oder nur hinreichend langsam auftreten. Dagegen müssen für bestimmte Anwendungsgebiete innerhalb festgesetzter Grenzen liegende Werte der Schmelzviskosität des auszuformenden, aufgeschmolzenen Kunststoffes eingehalten werden. So ist insbesondere bei Polyolefinen die Einhaltung dieser Grenzen ganz entscheidend von der Temperatur des Kunststoffes nach Verlassen des Schneckenkneters abhängig. Diese Temperatur bestimmt sich aber nicht nur nach dem Durchsatz, der Schneckendrehzahl, der Schneckengeometrie und der Temperaturführung des Schneckengehäuses, sondern sie hängt ganz entscheidend vom Schmelzedruck vor der Schneckenspitze ab. In diesem Bereich ist die von der Schnecke dissipierte Energie direkt proportional dem Druck, und fast der gesamte Betrag der dissipierten Energie wird in Wärme umgesetzt, was zu einem entsprechenden Anstieg der Temperatur im gepreßten Kunststoff führt. Diese durch den Druck vor der Schneckenspitze bedingte Temperaturerhöhung kann z. B. beim thermischen Abbauen (nämlich bei starker Viskositätsverminderung) von Polypropylen erwünscht sein; dagegen is* der Effekt beim normalen Granulieren von Polypropylen oder von Niederdruckpolyäthylen unerwünscht. Vor dem Granulieren derartiger Materialien wird, insbesondere wenn das Granulat Filmqualität haben soll, die Kunststoffschme'ze durch ein feinmaschiges Siebpaket gefiltert, das sich allmählich zusetzt und mittels einer Siebwechseleinrichtung regelmäßig ausgetauscht wird. Für die Beurteilung der Qualität des auszuformenden Kunststoffes ist deshalb zu berücksichtigen, daß der Druck,