DE3013184A1

DE3013184A1 - Verfahren und vorrichtung zum extrudieren und formen von thermoplastischem material

Info

Publication number: DE3013184A1
Application number: DE19803013184
Authority: DE
Inventors: Gen Endo; Hirokazu Hori; Yoshihiro Kawada; Junzo Sakai
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1979-04-05
Filing date: 1980-04-03
Publication date: 1980-10-23
Also published as: FR2453014B1; JPS5947980B2; FR2453014A1; IT8021116A0; US4478775A; GB2048759B; JPS55133943A; AU540062B2; IT1140807B; AU5699680A; CA1147922A; GB2048759A

Description

•V

Verfahren und Vorrichtung zum Extrudieren und Formen von thermoplastischem Material

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Extrudieren und Formen von thermoplastischem Material, bei dem fortlaufend eine konstante Menge an geschmolzenem thermoplastischem Material von einem Extruder, insbesondere einer Schneckenpresse, extrudiert und fortlaufend eine konstante Menge von diesem extrudierten geschmolzenen thermoplastischen Material mit Hilfe einer Meßpumpe zu einem Werkzeug gefördert wird.

Das geschmolzene thermoplastische Material kann in sich ändernder Menge und aus sich ändernder Ursache aus dem Extruder austreten, was als ab- und zunehmende Bewegung sich äußert, aufgrund von Änderungen der Formbarkeit des Materials, des Ihnendrucks im Extruder und dgl. Das im vorstehenden erwähnte Verfahren bezweckt die Überwachung dieser Vorgänge, durch welche die Form und die Gestalt der

vom Extruder zum Werkzeug geförderten Produkte mit Hilfe der Meßbeeinflußt werden

pumpe/ Ein derartiges Verfahren ist in der Fig. 5 schematisch dargestellt. Bei diesem Verfahren wird eine Druckdifferenz zwischen Stellen, die stromaufwärts und stromabwärts von einer Meßpumpe 101 liegen, mit Hilfe von Sensoren 102a und 102b ermittelt. In Abhängigkeit davon wird dann die Drehzahl einer Schnecke 103a in einem Extruder 103 mit Hilfe einer Steuereinrichtung 104 so eingestellt, daß eine Abweichung der festgestellten Druckdifferenz von einem vorbestimmten Wert minimiert wird. Eine Änderung der Drehzahl der Schnecke bedeutet jedoch auch eine Änderung der Temperatur innerhalb des Extruders 103, was hinwiederum eine Änderung der Schmelztemperatur für das Kunststoffmaterial beispielsweise nach sich ziehen kann. Diese Änderungen treten ohne eine bestimmte Beziehung zur Änderung der Drehzahl der Schnecke 103a auf. Hieraus resultiert, daß die Druckdifferenz an der

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Meßpumpe 101 instabil wird und vom vorbestimmten Wert stark abweichen kann. Insofern ist es vom Gesichtspunkt der Steuertechnik aus gesehen, äußerst schwierig bzw. praktisch unmöglich, eine ausreichende Überwachung der zu- und abnehmenden Bewegung an den Produkten, welche von einem Werkzeug 105 abgegeben werden, zu erzielen, um den praktischen Erfordernissen zu genügen.

Die in der Fig. 5 dargestellte Vorrichtung enthält außerdem einen Motor 106 für den Antrieb der Schnecke, der durch eine Steuereinrichtung 104 gesteuert ist, sowie eine Beschickungseinrichtung 107 zur Zuführung des thermoplastischen Materials.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine Überwachung der Ausstoßschwankungen einfacher und wirkungsvoller zu erzielen, so daß für den Ausstoß die Genauigkeit erzielt wird, welche den praktischen Anforderungen gerecht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch Iu. 6 angegebenen Merkmale gelöst, wobei in den Unteransprüchen vorteilhafte Weiterbildungen angegeben sind.

Bei einem Verfahren zum Extrudieren und Formen von thermoplastischem Material der eingangs genannten Art wird eine Ausführungsform darin gesehen, daß zusätzlich mittels einer Beschickungseinrichtung mit konstantem Volumen kontinuierlich eine konstante Menge an thermoplastischem Material dem Extruder zugeführt wird, der Druck des geschmolzenen thermoplastischen Materials zwischen dem Extruder und der Meßpumpe ermittelt wird und die Drehzahl der Meßpumpe so eingestellt wird, daß die Abweichung des gemessenen Druckes von einem vorbestimmten Druckwert verringert bzw. minimiert wird.

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Wenn die Drehzahl der Meßpumpe wie beschrieben eingestellt ist, ergeben sich nur noch vernaehlässigbare thermische Änderungen aufgrund der Änderungen der Drehzahl der Meßpumpe . Die Änderungen des gemessenen Drucks im Zusammenhang mit den Änderungen der Drehzahl der Pumpe sind regulär und scharf definiert, d.h. sie stehen zueinander in einer bestimmten Beziehung. Demzufolge treten Förderschwankungen bzw. Ausstoßschwankungen kaum auf, und falls diese tatsächlich in Erscheinung treten, werden sie rasch und wirkungsvoll ermittelt. In vorteilhafter Weise erzielt man somit eine positive Über-

(PuIs ier en) wachung der Förderungs- und Ausstoßschwankungen/unter Verwendung von Regelungstechniken. Man erzielt gleichförmige Produkte, die dem Werkzeug entnommen werden,

Anhand der Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es .zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 graphische Darstellungen von Versuchsergebnissen

^{bis 4} und

Fig 5 ein weiteres Blockschaltbild einer bekannten Vor

richtung.

Einer Doppelschneckenpresse 1 werden eine konstante Menge an thermoplastischem Material, aus einer Beschickungseinrichtung 2 mit konstantem Volumen fortlaufend und aus einer weiteren Beschickungseinrichtung 3 mit konstantem Volumen eine konstante Menge an Flüssigkeit, wie beispielsweise Weichmacher, zugeführt. Durch Drehung einer Schnecke Ib, welche mit Hilfe einer Antriebsmaschine la, die beispielsweise einen

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Elektromotor enthält, wird das thermoplastische Material erhitzt und in den geschmolzenen Zustand übergeführt, wobei von der Schnecke Ib eine Scherwirkung auf das thermoplastische Material ausgeübt wird. Das thermoplastische Material wird außerdem mit der Flüssigkeit gleichzeitig vermischt. Der Extruder 1 extrudiert fortlaufend eine konstante Menge an geschmolzenem thermoplastischem Material durch ein Filter 4 zu einer Meßpumpe 5. Die Meßpumpe 5 schickt eine konstante Menge an geschmolzenem thermoplastischem Material durch ein weiteres Filter 6 zu einem Werkzeug 7. Im Werkzeug 7 wird das thermoplastische Material zu Kunststoffgegenständen in bestimmter Gestalt und Größe geformt.

Ein Drucksensor 9 ist zwischen dem Extruder 1 und der Meßpumpe sowie stromabwärts vom Filter 4 angeordnet, um den Druck des geschmolzenen thermoplastischen Materials zu messen. Mit Hilfe eines Wandlers 10 wird der gemessene Druck in ein elektrisches Signal umgewandelt, das zu einer Regeleinrichtung 11 weitergeleitet wird. In der Regeleinrichtung 11 läßt sich ein Druckunterschied zwischen dem gemessenen Druck und einem vorbestimmten Druck, der durch eine Druckvorgabeeinrichtung 12 festgelegt ist, feststellen und in Abhängigkeit davon ein Signal erzeugen, da an eine Drehzahländerungseinrichtung 13 weitergegeben wird. Die Drehzahländerungseinrichtung 13 steuert die Drehzahl einer Antriebsmaschine 14, beispielsweise eines Elektromotors, der mit der Meßpumpe 5 verbunden ist. Auf diese Weise wird die Drehzahl der Pumpe automatisch auf die richtige Drehzahl eingestellt, wobei das Pulsieren des Masseausstoßes, d.h. an den Produkten, die aus dem Werkzeug 7 hervortreten, überwacht und vermieden wird.

Als Extruder 1 können verschiedene Arten von Schneckenpressen zur Anwendung kommen. Beispielsweise kann eine Einschneckenpresse oder

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auch eine Mehrfachschneckenpresse verwendet werden. Die Schnecke Ib kann mit änderbarer Drehzahl umlaufen.

Die Beschickungseinrichtung 2 mit dem konstanten Volumen für die Zugabe des thermoplastischen Materials kann eine Speiseschnecke, ein Rührwerk, einen Drehvorschub oder ein anderes geeignetes Transportmittel aufweisen. Es können hier unterschiedliche spezielle Ausbildungen zur Anwendung kommen.

Die Beschickungseinrichtung mit konstantem Volumen für die Zugabe der Flüssigkeit kann eine Getriebepumpe, eine Kolbenpumpe, eine Membranpumpe oder ein anderes Fördermittel aufweisen. Es ist auch möglich, auf die Beschickungseinrichtung 3 zu verzichten

Die Meßpumpe 5 kann als Rotationspumpe, beispielsweise Getriebepumpe, Flügelrädpumpe oder dgl. oder als Friktionspumpe, beispielsweise mit einer Schnecke oder dgl., oder als Pumpe von einem anderen Typ ausgebildet sein. Der Aufbau der Drehzahländerungseinrichtung 13 für die Pumpe 5 ist ebenfalls variabel.

Als Produkte, welche vom Werkzeug 7 geformt werden können, kommen Rohre, Folien, Filme und andere Gegenstände in Frage. Diese Produkte können in eine weitere Verarbeitungsstufe eingebracht werden, beispielsweise können sie in dieser mit einem Überzug versehen werden oder sonstwie bearbeitet werden.

Der Drucksensor 9 kann elektrisch, hydraulisch, mechanisch oder auf andere Weise arbeiten bzw. ausgebildet sein.

Die im vorstehenden beschriebene Anordnung zur automatischen Einstellung der Drehzahl der Meßpumpe ist allgemein bezeichnet als auto-

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.9-

matischer Regleimechanismus A. Die spezielle Ausbildung und die Einstellarbeit können in vielfacher Weise abgeändert sein.

Besonders eignet sich ein PID-System und ein System, das obere und untere Grenzen festsetzt, für den Betrieb der automatischen Reglereinrichtung A, so daß man aus dem Werkzeug Produkte erhält mit gleichförmiger Qualität. Durch das Bemessungssystem, durch das die obere und die untere Grenze festgelegt wird, wird die Drehzahl der Meßpumpe 5 erhöht, wenn der gemessene Druckwert größer ist als ein vorbestimmter oberer Druckwert und wird verringert, wenn der gemessene Druckwert geringer als ein vorbestimmter unterer Grenzdruckwert ist.

Anstelle des automatischen Eegleimechanismus A können auch Mittel vorhanden sein, welche den Druckwert, der durch den Drucksensor gemessen wird, anzeigen, so daß die Einstellung der Meßpumpe 5 auf die entsprechende Drehzahl manuell erfolgen kann. Für diesen Fall wählt man die bestgeeignete Anordnung für den Betrieb des Systems, durch welches die oberen und unteren Bemessungsgrenzen festgesetzt werden.

Die Meßpumpe kann gesteuert werden durch Messung einer Druckdifferenz zwischen Drücken, die stromaufwärts und stromabwärts von der Meßpumpe ermittelt wurden und durch Gleichmachen dieser Drücke.

In den Figuren 2, 3 und 4 sind Meßergebnisse bzw. Versuchsergebnisse des PID-Eegleisystems dargestellt. Bei den Versuchen wurde die Drehzahl der Meßpumpe 5 eingestellt durch Proportionalsteuerung P und Integralsteuerung I auf verschiedene Weise.

Jede der Figuren stellt die PID-Steuerung bzw. -Regelung dar, wobei ⁹⁶⁶⁴ 030043/0792

eine Menge Q, welche eine 12, 5%ige Erhöhung einer festgelegten Menge Q₀ darstellt, zwei Minuten extrudiert wird. In der Fig. 2 ist der Zeitfaktor für die integrale Steuerung I klein bemessen (0,1 min), wobei die Drehzahl der Meßpumpe 5 mit guter Ansprechcharakteristik in Abhängigkeit von den Druckänderungen an der Saugseite der Pumpe geregelt wird. Di der Fig. 3 ist die Proportionalregelung P auf eine kleine Konstante (50%) festgelegt, wodurch wiederum eine äußerst empfindliche Regelung erzielt wird.

In der Fig. 4 ist die Proportionalregelung P auf eine große Konstante (500%) festgelegt und die Integralregelung I auf eine lange Zeit (25 mini wobei sich eine weiche Steuerung der Drehzahl zeigt.

Die in der Fig. 4 gezeigte Regelung verringert Änderungen der Drehzahl der Meßpumpe 5 so,daß diese eine volumenmäßige Konstanz aufweist. Bei plattenähnlichen Produkten erzielt man daher geringe Unebenheiten. Bei der Herstellung derartiger Produkte wird man daher die in der Fig. 4 vorgesehene Regelung den in den Figuren 2 und 3 vorgesehenen Regelungen vorziehen.

Unter Zuhilfenahme einer in der Fig. 4 gezeigten Regelung wurden 20 Produktstücke, die aus dem Werkzeug kamen, im Abstand von jeweils 30 Sekunden gemessen und es ergab sich eine volumenmäßige

Konstanz von —— (wobei 6 eine Standardabweichung und x" ein

Durchschnittswert sind) mit -. 2 %.

Die Erfindung schafft somit ein Verfahren zum Extrudieren und Formen von thermoplastischem Material, bei dem eine konstante Menge an thermoplastischem Material kontinuierlich aus einer Schneckenpresse mit Hilfe einer Meßpumpe einem Werkzeug zugeführt wird. Der Extruder bzw. die Schneckenpresse wird mit einer konstanten

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Menge an thermoplastischem Material fortlaufend beschickt. Die Meßpumpe wird auf die richtige Drehzahl eingestellt, so daß der Druck des geschmolzenen thermoplastischen Materials zwischen dem Extruder und der Meßpumpe innerhalb eines vorbestimmten Bereiches bleibt.

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Claims

Patentanwälte 8000 München 22 · Steinsdorfstraße 21 - 22 · Telefon 089 / 22 94 41 SEKISUI KAGAKU KOGYO KABUSHKI KAISHA 4-go, 4-ban, 2-chome, Nishitenma, Kita-Ku, Osaka-shi, Osaka-fu, JAPAN Verfahren und Vorrichtung zum Extrudieren und Formen von thermoplastischem Material Patentansprüche:

1. . Verfahren zum Extrudieren und Formen von thermoplastischem Material, bei dem

- fortlaufend eine konstante Menge an geschmolzenem thermoplastischem Material aus einem Extruder extrudiert wird und

- fortlaufend eine konstante Menge an geschmolzenem, aus dem Extruder extrudierten thermoplastischen Material einem Werkzeug mit Hilfe einer Meßpumpe zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- fortlaufend eine konstante Menge an thermoplastischem Material dem Extruder mit Hilfe einer Beschickungseinrichtung mit konstantem Volumen zugeführt wird,

- der Druck des geschmolzenen thermoplastischen Materials zwischen dem Extruder und der Meßpumpe gemessen wird und

- die Drehzahl der Meßpumpe so eingestellt wird, daß die Abweichung

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des gemessenen Druckes von einem vorbestimmten Druck verringert bzw. minimiert wird .

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine konstante Menge an Flüssigkeit dem als Doppelschneckenpresse ausgebildeten Extruder mit Hilfe einer weiteren Beschickungseinrichtung mit konstantem Volumen zugeführt wird.

3 Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Meßpumpe durch einen automatischen Reglermechanismus eingestellt wird..

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der automatische Eeglermechanismus als PID-System ausgebildet wird.

5 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere und eine untere Druckbemessungsgrenze für den ermittelten Druckwert festgelegt wird.

6. Vorrichtung zum Extrudieren und Formen von thermoplastischem Material mit einer Schneckenpresse, die fortlaufend in konstanter Menge geschmolzenes thermoplastisches Material extrudiert und einer Meßpumpe, die fortlaufend eine konstante Menge des von der Schneckenpresse extrudierten thermoplastischen Materials einem Werkzeug zuführt,
dadurch gekennzeichnet, daß

- die Schneckenpresse (1) eine Beschickungseinrichtung (2) zur Beschickung mit konstantem · Volumen aufweist,

- zwischen der Schneckenpresse (1) und der Meßpumpe (5) eine Druckmeßeinrichtung (9) zur Messung des Druckes des geschmolzenen thermoplastischen Materials angeordnet ist und

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- eine Einstelleinrichtung (13) für die Drehzahl der Meßpumpe (5) in der Weise ausgestattet ist,_ daß die Abweichung des gemessenen Druckwertes von einem vorbestimmten Druckwert sich verringert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Beschickungseinrichtung (3) vorgesehen ist, welche eine konstante Menge an Flüssigkeit, insbesondere Weichmacher, der Schneckenpresse (1) zuführt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehzahleinstellung der Meßpumpe (5) ein automatischer Eeglermechanismus (A) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der automatische Reglermechanismus (A) als PID-System ausge¹ bildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere und eine untere Druckbemessungsgrenze für den gemessenen Druckwert festgelegt ist.

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