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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verarbeiten eines Kunststoffs. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren durchzuführen und ein System, welches das Steuergerät enthält.
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Stand der Technik
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Die Eigenschaften von Kunststoffen hängen stark von der Länge der Makromoleküle ab, aus welchen sie bestehen. Eine Veränderung der Makromoleküle durch Auf- und Abbau geht mit einer Veränderung der Eigenschaften einher, was in den meisten Fällen nicht gewünscht ist. Solche Änderungen der Kettenlänge von Makromolekülen können beispielsweise durch hohe Temperaturen, Scherkräfte, ultraviolette Strahlung und chemische Reaktionen hervorgerufen werden.
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Bei der Aufbereitung von Kunststoffen durch Beimischung von Additiven im Extruder (Compoundierung) und bei den meisten Kunststoffverarbeitungsprozessen wie beispielsweise Spritzguss, 3D-Druck, Extrudieren, Blasformen, Kalandrieren, Pressen und Molden sowie in nachgeschalteten Prozessschritten wie beispielsweise beim Schweißen muss Energie in den Kunststoff eingebracht werden. Dies erfolgt in der Regel durch Erhitzen. Diese Energie muss immer so hoch gewählt werden, dass man sich in einem „Verarbeitungsfenster“ befindet. Beispielsweise wird ein Temperatureintrag so hoch gewählt, dass die Schmelztemperatur des Kunststoffs überschritten wird. Hierbei kann es jedoch schon zu Veränderungen der Makromoleküle beispielsweise durch Kettenspaltung kommen. Das Verarbeitungsfenster ist daher zu höheren Temperaturen hin streng limitiert. Schon eine geringfügig zu hohe Temperatur kann sich signifikant auf die Materialeigenschaften auswirken. Dies führt dann zu einer verschlechterten Qualität eines in dem Verarbeitungsprozess hergestellten Kunststoffbauteils. Weiterhin können Scherkräfte zu einer mechanischen Kettenspaltung führen und Feuchtigkeit kann eine hydrolytische Kettenspaltung bewirken.
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Die
DE 10 2006 031 268 A1 beschreibt die Überwachung und Regelung einer Extrusions- oder Spritzgussmaschine. Dabei werden Messgrößen eines eingespritzten Materials, wie beispielsweise dessen Temperatur, Viskosität, Homogenität und Druck, mit Sollwerten verglichen, um die Produktion anhand von Abweichungen der Istwerte von den Sollwerten zu regeln.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Vorrichtung zum Verarbeiten eines Kunststoffs, insbesondere in einem Spritzgussverfahren, weist mindestens eine Messeinrichtung auf, die eingerichtet ist, um eine Materialveränderung des Kunststoffs nach mindestens einem Prozessschritt, insbesondere einem Spritzguss-Prozessschritt, zu untersuchen. Die Materialveränderung kann dadurch entstehen, dass beispielsweise eine Kettenspaltung von Makromolekülen erfolgt. Wenn nach einem Prozessschritt untersucht wird, welche Materialveränderung des Kunststoffs erfolgt ist, so kann eine direkte Aussage über den Einfluss von Prozessparametern auf den Zustand des Kunststoffs getroffen werden und dadurch eine Optimierung der kompletten Verarbeitung erfolgen.
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Da eine Materialveränderung des Kunststoffs üblicherweise dadurch entsteht, dass sich die Kettenlängen seiner Makromoleküle ändern, ist es bevorzugt, dass die Messeinrichtung eine spektroskopische Messeinrichtung ist. Besonders bevorzugt sind hierbei die FTIR-Spektroskopie (Fourier Transformation Infrarot) und die NIR-Spektroskopie (Nahinfrarot), welche eine ortsaufgelöste Untersuchung ermöglichen. Die Messeinrichtung kann nachträglich an oder in alle kunststoffverarbeitenden Systeme angebracht werden.
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In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung eine Spritzgussmaschine. In dieser laufen Prozessschritte des Spritzgießens ab, welche zu einer Materialveränderung des Kunststoffs führen können. Messeinrichtungen sind in der Spritzgussmaschine vorzugsweise zumindest in einer Granulat-/Rezyklatzufuhr und in einer Düse angeordnet. Damit kann der Kunststoff vor und nach dem Passieren eines Zylinders durch simultane Materialcharakterisierung und instantane Regelung zur Optimierung der Prozessparameter, der Spritzgussmaschine untersucht werden.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Vorrichtung ein Spritzgusswerkzeug. Mit einer dort angeordneten Messeinrichtung kann der Kunststoff nach dem Verlassen einer Düse einer Spritzgussmaschine und gegebenenfalls dem Aushärten im Spritzgusswerkzeug untersucht werden. Dabei ist die Messeinrichtung bevorzugt an einer besonders beanspruchten Position des herzustellenden Kunststoffteils angeordnet, da eine Materialveränderung durch unterschiedlichen Wanddicken lokal unterschiedlich stark ausgeprägt sein kann und besonders an einer stark beanspruchten Position eine Degradation des Kunststoffs vermieden werden muss.
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In dem Verfahren zum Regeln einer Spritzgussmaschine wird die Materialveränderung eines Kunststoffs in mehreren Spritzguss-Prozessschritten untersucht. Prozessparameter des Spritzgussprozesses werden in Abhängigkeit vom Ergebnis der Untersuchung geändert. Diese Änderung erfolgt insbesondere indem die Prozessparameter simultan bzw. instantan angepasst werden. Dazu werden die Untersuchungsergebnisse bzw. Analyseergebnisse insbesondere einer Vorverarbeitung unterzogen. Indem beispielsweise die Materialveränderung des Kunststoffs nach mehreren Spritzguss-Prozessschritten in ein Vorhersagemodell eingegeben wird, kann eine Aussage über den Einfluss der Spritzguss-Parameter auf den Zustand des Kunststoffs getroffen werden und dadurch sowohl ein Regeln der Spritzgussmaschine selbst als auch eine Optimierung der gesamten Spritzguss-Prozesskette erfolgen. Dadurch kann der Ausschuss im Spritzgussverfahren minimiert werden.
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Es ist bevorzugt, dass die Materialveränderung mittels Messeinrichtungen in der Spritzgussmaschine untersucht wird. Dies ermöglicht es Aussagen über die Veränderung des Kunststoffs in der Spritzgussmaschine unter Einfluss der vorliegenden Prozessparameter zu treffen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Materialveränderung mittels mindestens einer Messeinrichtung innerhalb eines Spritzgusswerkzeugs untersucht wird. Damit kann herausgefunden werden, welche Materialveränderung der Kunststoff nach dem Verlassen der Spritzgussmaschine aufweist.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Verfahren auch die Materialveränderung des Kunststoffs vor einem Granulierungsschritt und/oder nach einem Fügeschritt berücksichtigt. In einem Granulierungsschritt wird ein Grundmaterial des Kunststoffs üblicherweise mit Additiven und/oder Verstärkungsstoffen vermischt und dann über Scherung und Temperaturerhöhung in einem Extruder homogenisiert und anschließend granuliert. Dies kann bereits zu einer Veränderung der Makromoleküle des Kunststoffs führen. In dem Fügeschritt wird ein Kunststoffteil, das aus dem Werkzeug entnommen wurde, entgratet und beispielsweise mittels Schweißens weiter bearbeitet. Auch dies führt zu einer Temperaturbelastung des Kunststoffs, welche zu einer Materialveränderung führen kann.
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Wenn die Vorrichtung keine Spritzgussmaschine ist, sondern für eine andere Art der Kunststoffverarbeitung eingerichtet ist, beispielsweise für die Extrusion, das Blasformen oder das Molden, dann können weitere Verfahren zum Regeln derartiger Vorrichtungen vorgesehen sein, in denen die Materialveränderung des Kunststoffs in mehreren Prozessschritten untersucht wird und Prozessparameter in Abhängigkeit vom Ergebnis der Untersuchung geändert werden.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens in einem elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
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Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät einer Spritzgussmaschine wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um die Spritzgussmaschine mittels des Verfahrens zu regeln. Zusammen mit einer Spritzgussmaschine mit mindestens einer Messeinrichtung und einem Spritzgusswerkzeug bildet das elektronische Steuergerät das System zum Verarbeiten eines Kunststoffs unter Nutzung des Verfahrens.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch ein System zum Verarbeiten eines Kunststoffs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 stellt in einem Ablaufdiagramm ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Ein in 1 dargestelltes System zum Verarbeiten eines Kunststoffs umfasst eine Spritzgussmaschine 10, ein Spritzgusswerkzeug 20 und ein elektronisches Steuergerät 30. Die Spritzgussmaschine 10 weist eine Granulat-/Rezyklatzufuhr 11 auf, in der eine erste spektroskopische Messeinrichtung 12 angeordnet ist. Diese ist mittels einer ersten Datenleitung 13 mit dem elektronischen Steuergerät 30 verbunden. Ein in die Granulat-/Rezyklatzufuhr 11 eingefülltes Kunststoffgranulat wird in der Spritzgussmaschine geschmolzen und zu einer Düse 14 transportiert. Dort ist eine zweite spektroskopische Messeinrichtung 15 angeordnet, die mittels einer zweiten Datenleitung 16 mit dem elektronischen Steuergerät 30 verbunden ist. Die Kunststoffschmelze wird aus der Düse 14 in ein zweiteiliges Spritzgusswerkzeug 20 ausgestoßen. In diesem ist eine dritte spektroskopische Messeinrichtung 21 so angeordnet, dass sie eine Kavität zur Aufnahme des geschmolzenen Kunststoffs kontaktiert. Die dritte spektroskopische Messeinrichtung 21 ist mittels einer dritten Datenleitung 22 mit dem elektronischen Steuergerät 30 verbunden.
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Ein Rohmaterial des Kunststoffs, bei dem es sich beispielsweise um Polybutylenterephthalat (PBT) handeln kann, wird zunächst in einem Behälter 40 bereitgestellt. Wie in 2 dargestellt ist, ist in diesem Behälter 40 eine vierte spektroskopische Messeinrichtung 41 angeordnet, um die ursprüngliche Zusammensetzung des Kunststoffs spektroskopisch zu untersuchen. Diese Information wird mittels einer weiteren Datenleitung an das elektronische Gerät 30 weitergeleitet. Der Kunststoff wird in einem Compoundierungsschritt 61 mit Glasfasern als Verstärkungsstoffen vermischt und in einem nicht dargestellten Extruder homogenisiert. Er wird granuliert und in die Granulat-/Rezyklatzufuhr 11 der Spritzgussmaschine 10 eingefüllt. Dort wird das Granulat mittels der ersten spektroskopischen Messeinrichtung 12 erneut untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung mittels der ersten spektroskopischen Messeinrichtung 12 und der vierten spektroskopischen Messeinrichtung 41 werden im elektronischen Steuergerät 30 zur Reglung des Compoundierungsschritts verwendet, indem Parameter des Extruders, welcher ebenfalls von dem elektronischen Steuergerät 30 gesteuert wird, wie beispielsweise die dort angewandten Scherkräfte und die Temperatur der Kunststoffschmelze, geändert werden, wenn die Extrusion zu einer Verschlechterung der Materialeigenschaften des Kunststoffs führt.
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Das Kunststoffgranulat wird nun dem temperierbaren Zylinder der Spritzgussmaschine 10 zugeführt und dort durch die Temperatur und die Scherwirkung einer dort angeordneten Schnecke aufgeschmolzen und zur Düse 14 transportiert 62. Dort wird die Zusammensetzung der Kunststoffschmelze mittels der zweiten spektroskopischen Messeinrichtung 15 erneut untersucht und diese Information an das elektronische Steuergerät weitergegeben. Aufgrund einer eventuellen Materialveränderung gegenüber der mittels der ersten spektroskopischen Messeinrichtung 12 gemessenen Zusammensetzung, erfolgt ein Regeln von Temperatur- und Scherkräften in dem Spritzgussschritt 62.
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Die Kunststoffschmelze wird nun unter hohem Druck in das Spritzgusswerkzeug 20 eingespritzt 63, um dort zu erkalten. Das so erhaltene erkaltete Kunststoffteil wird mittels der dritten spektroskopischen Messeinrichtung 21 erneut untersucht. Wird eine Materialveränderung gegenüber jener Zusammensetzung erkannt, welche mittels der zweiten spektroskopischen Messeinrichtung 15 gemessen wurde, so ändert das elektronische Steuergerät 30 durch einen Regeleingriff den Druck beim Einspritzen der Kunststoffschmelze.
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Das nach Öffnen des Spritzgusswerkzeugs 20 erhaltene Kunststoffteil wird entgratet und die dabei abgetrennten Kunststoffgrate werden Granuliert und als Rezyklat der Granulat-/Rezyklatzufuhr 11 zugeführt. In der weiteren Verfahrensführung kann durch die Messeinrichtungen überwacht werden, welchen Einfluss der Rezyklatanteil am Granulat auf die Produktqualität hat und der Rezyklatanteil dementsprechend optimiert werden.
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Anschließend wird es in einem Fügeschritt 64 mittels Laserschweißens partiell aufgeschmolzen, um es mit anderen Kunststoffteilen zusammenzufügen. Nach Abschluss des Fügens wird es in einem Untersuchungsbehälter 50 mittels einer fünften spektroskopischen Messeinrichtung 51 nochmals auf Materialveränderungen gegenüber der mit der dritten Messeinrichtung 21 gemessenen Zusammensetzung untersucht. Mittels der Informationen über eventuelle Materialveränderung kann auch das Laserschweißgerät im Fügeschritt 64 vom elektronischen Steuergerät 30 geregelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006031268 A1 [0004]
