DE19530275A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Schmelzextrusion - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der SchmelzextrusionInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Regelung der Schmelzextrusion zweier Materialien, von
denen das eine weitgehend konstante und das andere schwankende
Eigenschaften aufweist.
Bei Schmelzextrusionsverfahren werden zwei oder mehrere Rohmaterial
komponenten in einen Extruder gegeben, aufgeschmolzen und unter
Druck durch eine Düse gepreßt. Die Homogenisierung und die longitudi
nale Beförderung der Schmelze in Richtung auf die Düse erfolgt durch
eine Extruderschnecke, die zwischen der Rohmaterialzufuhr und der Ex
trusionsdüse angeordnet ist. Diese Schnecke wird mit einer bestimmten
Drehzahl oder einem bestimmten Drehmoment angetrieben. Nach dem
Passieren der Düse kann die Schmelze zu dem gewünschten Formteil
verformt oder der austretende Strang granuliert werden.
Um die Qualität des Endproduktes auf konstantem Niveau zu halten,
müssen Abweichungen in den Materialeigenschaften der Rohmaterialkom
ponenten oder Schwankungen in dem Extrusionsprozeß schnell erkannt
und zur Regelung des Extrusionsvorganges verwendet werden.
Mehrere Regelungsmodelle wurden in der Literatur vorgeschlagen.
DE 27 51 225 schlägt die Regelung der Viskosität der extrudierbaren Schmelze
aufgrund einer Schmelzindexbestimmung vor, die ihrerseits auf Druck- und
Temperaturmessungen beruht. Die Regelung wird dabei durch ein
Stellglied vorgenommen, das als Drossel ausgebildet ist und den Schmel
zefluß zwischen der Extruderschnecke und der Extruderdüse reguliert.
Nachteil dieser Anordnung ist zum einen die große Totzeit der Rege
lung, da die zur Bestimmung des Schmelzindex notwendigen Bestim
mungsgrößen Druck und Temperatur erst unmittelbar vor der Formung
gemessen werden. Zum anderen schafft die Drossel neue Probleme, wie
einen Druck- und damit einen Temperaturanstieg im Aufschmelzbereich,
die dem Ziel des Regelvorgangs, der Qualitätssicherung, insgesamt zuwi
der laufen können.
DD 155 935 schlägt die Ermittlung einer komplexen Prozeßkenngröße
vor, um Stellgrößen wie die Temperatur, den Druck und die Schnecken
drehzahl zu steuern. Auch hier besteht der Nachteil vor allem in einer
langen Totzeit für die Regelung, denn die Bestimmung einer komplexen
Kenngröße für die Materialeigenschaften des Spritzgußteiles nimmt not
wendig erhebliche Zeit in Anspruch.
Die lange Totzeit ist auch ein Nachteil des in DE 35 22 565 vorgeschla
genen Regelmechanismus, bei dem rheologische Parameter des extrudier
ten Kunststoffes zur Steuerung von Extrusionsparametern wie Temperatur,
Druck, Schneckendrehzahl und Volumenstrom verwendet werden. Da die
Bestimmung der rheologischen Parameter häufig nur an den fertig ex
trudierten Stücken möglich ist, kann bei dieser Art der Regelung auch
ein erheblicher Ausschuß entstehen.
Einen weiteren Regelmechanismus offenbart DE 36 42 757. Aus der
Messung der dynamischen Viskosität der Schmelze in einer Meßstrecke
sollen Stellparameter für den Extrusionsprozeß gewonnen werden. Dabei
besteht das Problem langer Totzeiten insbesondere dann, wenn die
Produktqualität mit hoher Verläßlichkeit garantiert werden soll. Denn
einige Extrusionsprodukte neigen zum Vercracken, wodurch die Meßkapil
laren für die Viskositätsmessung verengt werden, so daß die Steuergröße
für die Qualitätskontrolle verfälscht wird. Diese Problematik konnte
bisher nur dadurch sicher gelöst werden, daß die gesamte hergestellte
Charge in einem Quarantänesilo gelagert wird, bis eine Offline-Viskosi
tätsmessung erfolgt ist.
Schließlich schlägt DE 37 13 400 die Bestimmung rheologischer Parame
ter nach der Extrusion und vor der unmittelbaren Formung der Spritz
gußstücke vor, um Prozeßkenngrößen wie die Temperatur im Aufschmelz
bereich und die Drehzahl der Extrusionsschnecke zu regulieren.
Allen vorstehend beschriebenen Extrusionsverfahren gemeinsam ist, daß
eine Regelung der Extrusionsbedingungen zum Zweck der Qualitätskon
trolle mit langen Totzeiten verbunden ist, da die Steuerparameter erst
relativ spät in dem Herstellungsprozeß ermittelt werden. Infolgedessen
wird in keiner der zitierten Schriften eine Regelung der Rohmaterialzu
fuhr, insbesondere eine Regelung der Zusammensetzung des Rohmaterials
vorgeschlagen. Vielmehr wird eine konstante Zusammensetzung der
Rohmaterialkomponenten vorausgesetzt, um die Eigenschaften des End
produktes konstant zu halten. Der Einsatz von Recyclingstoffen ist in
diesen Fällen nicht möglich, da die Eigenschaften von recycleten Roh
stoffen erfahrungsgemäß starken Schwankungen unterworfen sein können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Bereitstellung eines
Verfahrens und einer Vorrichtung zur Regelung der Schmelzextrusion
zweier Materialien, von denen das eine weitgehend konstante, das andere
schwankende Eigenschaften hat. Mit weitgehend konstanten Eigenschaften
ist in diesem Zusammenhang die übliche Konstanz der Zusammensetzung
und Struktur des Rohmaterials gemeint, wie sie bei den oben beschriebe
nen Verfahren durch Vorbehandlung oder Vorauswahl des Rohmaterials
üblicherweise erreicht wird. Der Ausdruck schwankende Eigenschaften
bezeichnet demgegenüber eine Schwankung der Zusammensetzung oder
Struktur und der damit verbundenen Stoffeigenschaften, die über das bei
den beschriebenen Extrusionsverfahren üblicherweise tolerierte Maß
hinausgehen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch das in den Ansprüchen
beschriebene Verfahren zur Regelung der Schmelzextrusion zweier Mate
rialien gelöst, von denen das eine weitgehend konstante und das andere
schwankende Eigenschaften aufweist. Dabei erfolgt eine Messung eines
oder mehrerer Extruderparameter und eine Regelung der Zuführmenge
mindestens eines der beiden Materialien aufgrund der gemessenen Ex
truderparameter, wobei die Regelung aufgrund eines Prozeßmodelles oder
eines Kennfeldes erfolgt, das die Extruderparameter mit dem Mengen
verhältnis der beiden Materialien verknüpft.
Extruderparameter sind solche Prozeßparameter, die direkt am Extruder,
nicht erst nach der Extrusionsdüse oder erst am Produkt des Extrusions
vorganges bestimmt werden, so daß die Totzeit der Regelung minimal ist.
Kennfeldregelung ist eine Regelung, bei der der Zusammenhang zwischen
der geregelten und der regelnden Größe in einem mindestens zweidimen
sionalen Kennfeld eindeutig dargestellt ist. Über das Kennfeld wird also
der eindeutige Zusammenhang zwischen einer Eigenschaftsschwankung,
z. B. einer Zusammensetzungsschwankung einer Rohmaterialkomponente
und Regelparametern wie Temperatur, Druck oder Schneckendrehmo
ment, oder einer daraus errechneten Kenngröße hergestellt. Zum Zweck
der Regelung muß vor Beginn des Extrusionsprozesses ein eigenes Kenn
feld für jede Rohmaterialkombination ermittelt werden. Diese Eichung
kann mit oder ohne Zuhilfenahme eines mathematischen Modells vor
genommenen werden. Im Rahmen vorliegender Erfindung wird eine
Eichung bevorzugt, die mit Hilfe eines in Versuchen für eine bestimmte
Gruppe von Rohmaterialkombinationen ermittelten mathematischen
Prozeßmodells die schnelle Anpassung der Kennfeldsteuerung an den
konkreten Anwendungsfall erlaubt. So wird neben einem Höchstmaß an
Direktheit der Regelung auch ein Höchstmaß an Flexibilität der Rege
lunganpassung an verschiedene verwendete Rohmaterialien erreicht. Das
Kennfeld wird bevorzugt mittels einer statistischen Versuchsplanung
ermittelt. Es können aber auch Neuronale Netzwerke oder wissensbasierte
Systeme, z. B. Fuzzylogic, eingesetzt werden.
Statt eines experimentell bestimmten oder errechneten Kennfeldes kann
auch ein auf bestimmten physikalischen Annahmen beruhendes Prozeß
modell eingesetzt werden.
Dabei ist es nicht nötig, Parameter, z. B. rheologische Parameter des
extrudierten Produktes, zu ermitteln. Es wird vielmehr mit Hilfe der
Kennfeld- bzw. Prozeßmodellregelung von Extruderparametern wie etwa
dem Schneckendrehmoment auf Eigenschaften bzw. Eigenschaftsänderun
gen der Eduktmischung geschlossen. Aufgrund dieses Ergebnisses wird
dann das Mengenverhältnis der Materialkomponenten eingestellt.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem Temperatur und Druck der ex
trudierten Schmelze im Aufschmelzbereich des Extruders, sowie das
Schneckendrehmoment als Extruderparameter verwendet werden. Dieses
Verfahren bietet den besonderen Vorteil, daß die gemessenen Größen,
die aufgrund ermittelter oder angenommener und in einem Kennfeld
oder Prozeßmodell ausgedrückten Zusammenhänge Eigenschaften des
Extrusionsprodukts wiedergeben, in einem sehr frühen Verfahrensstadium
gemessen werden. Dadurch bleiben die Totzeiten bei der Regelung
deutlich geringer als bei bekannten Verfahren, die direkt oder indirekt
Produktkenngrößen ermitteln, denn die Produktkenngröße kann erst
ermittelt werden, wenn die erfaßte Produkteigenschaft bereits existiert.
Besondere Vorteile bietet ein Verfahren, bei dem als Material mit
schwankenden Eigenschaften ein Recyclingmaterial verwendet wird. Vor
zugsweise besteht mindestens eines der extrudierten Materialien zu
mindestens 50 Gew.-% aus Polyamid, insbesondere Polyamid-6.
Erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung zur Regelung der Schmelz
extrusion zweier Materialien vorgestellt, von denen das eine weitgehend
konstante und das andere schwankende Eigenschaften aufweist. Diese
Vorrichtung weist Einrichtungen zur Messung eines oder mehrerer Ex
truderparameter, sowie Einrichtungen zur Regelung der Zuführmenge
mindestens eines der beiden Materialien aufgrund der gemessenen Ex
truderparameter auf, wobei die Regelung aufgrund eines Prozeßmodelles
oder eines Kernfeldes erfolgt, das die Extruderparameter mit dem Men
genverhältnis der beiden zugeführten Rohmaterialien verknüpft. Bevorzugt
ist eine Vorrichtung, die Einrichtungen zur Messung von Temperatur und
Druck der extrudierten Schmelze im Aufschmelzbereich und zur Messung
des Schneckendrehmoments als Extruderparameter verfügt.
Die Messung der Steuergrößen Temperatur, Druck und Schneckendreh
moment im Aufschmelzbereich führt an sich schon zu einer im Rahmen
der Erfindung sehr wünschenswerten Regelung des Extrusionsprozesses
mit kurzer Totzeit. Die Regelung mittels eines Kennfeldes bietet aber
zusätzliche besondere Vorteile.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen
Vorrichtung können zum ersten Mal Stoffe mit schwankenden Eigen
schaften im Rahmen eines Extrusionsverfahrens verwendet werden, um
Produkte mit präzise eingestellten Eigenschaften herzustellen. Folgendes
Beispiel soll dies erläutern:
Ein Produkt mit weitestgehend konstanten Eigenschaften - Polyamid 6
vom Typ Ultramido® BS 400 - wurde in einem Schneckenextruder gemein
sam mit einem Produkt mit schwankenden Eigenschaften - wechselnde
Mischung aus Polyamid 6 des Typs Ultramid® BS 400 und des Typs
Ultramido® B 3 natur - aufgeschmolzen und extrudiert. Der Durchsatz
betrug etwa 100 kg/h. Ziel war ein Extrusionsprodukt mit möglichst
konstanten Eigenschaften.
Zur Regelung der zugeführten Rohmaterialmenge wurden Druck und
Temperatur in der Aufschmelzzone und das Schneckendrehmoment
gemessen. Das Kennfeld der Regelung des Mengenverhältnisses wurde
aufgrund des folgenden Prozeßmodells bestimmt:
Dabei bedeutet Qkonstant die von dem Material mit konstanten Eigen
schaften, Qschwankend die von dem Material mit schwankenden Eigenschaf
ten eingesetzte Stoffmenge. VZist und VZsoll sind die Istwerte und Soll
werte für die Viskositätszahlen der Schmelze in der Aufschmelzzone. Der
nicht online meßbare Istwert wurde hier mit Hilfe eines Modells aus
Druck und Temperatur in der Aufschmelzzone, sowie dem Schnecken
drehmoment und dem aktuell eingestellten Mischungsverhältnis der
Rohmaterialkomponenten berechnet. Die Koeffizienten c₀ bis c₃ wurden
mit Hilfe einer statistischen Versuchsplanung in Vorversuchen ermittelt.
Statt dieses Modells könnte ebensogut ein anderes Prozeßmodell der
Bestimmung des Kennfeldes zu Grunde gelegt werden. Entscheidend ist
nur, daß zur Regelung der zugesetzten Rohmaterialmengen Extruder
parameter verwendet werden und diese Regelung über ein Kennfeld
erfolgt.
Claims (6)
1. Verfahren zur Regelung der Schmelzextrusion zweier Materialien,
von denen das eine weitgehend konstante und das andere schwan
kende Eigenschaften aufweist,
gekennzeichnet durch
eine Messung eines oder mehrerer Extruderparameter und eine Re gelung der Zufuhrmenge mindestens eines der beiden Materialien aufgrund der gemessenen Extruderparameter, wobei
die Regelung aufgrund eines Prozeßmodelles oder eines Kennfeldes erfolgt, das die Extruderparameter mit dem Mengenverhältnis der beiden Materialien verknüpft.
eine Messung eines oder mehrerer Extruderparameter und eine Re gelung der Zufuhrmenge mindestens eines der beiden Materialien aufgrund der gemessenen Extruderparameter, wobei
die Regelung aufgrund eines Prozeßmodelles oder eines Kennfeldes erfolgt, das die Extruderparameter mit dem Mengenverhältnis der beiden Materialien verknüpft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung
von Temperatur und Druck der extrudierten Schmelze im Auf
schmelzbereich und des Schneckendrehmoments als Extruderparame
ter.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als
Material mit schwankenden Eigenschaften ein Recyclingmaterial
verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß mindestens eines der extrudierten Materialien zu
mindestens 50 Gew.-% aus Polyamid besteht.
5. Vorrichtung zur Regelung der Schmelzextrusion zweier Materialien,
von denen das eine weitgehend konstante und das andere schwan
kende Eigenschaften aufweist,
gekennzeichnet durch
Einrichtungen zur Messung eines oder mehrerer Extruderparameter und
Einrichtungen zur Regelung der Zuführmenge mindestens eines der beiden Materialien aufgrund der gemessenen Extruderparameter, wobei
die Regelung aufgrund eines Prozeßmodelles oder eines Kennfeldes erfolgt, das die Extruderparameter mit dem Mengenverhältnis der beiden Materialien verknüpft.
Einrichtungen zur Messung eines oder mehrerer Extruderparameter und
Einrichtungen zur Regelung der Zuführmenge mindestens eines der beiden Materialien aufgrund der gemessenen Extruderparameter, wobei
die Regelung aufgrund eines Prozeßmodelles oder eines Kennfeldes erfolgt, das die Extruderparameter mit dem Mengenverhältnis der beiden Materialien verknüpft.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Einrichtungen
zur Messung von Temperatur und Druck der extrudierten Schmelze
im Aufschmelzbereich und des Schneckendrehmoments als Extruder
parameter.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19530275A DE19530275A1 (de) | 1995-08-17 | 1995-08-17 | Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Schmelzextrusion |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19530275A DE19530275A1 (de) | 1995-08-17 | 1995-08-17 | Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Schmelzextrusion |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19530275A1 true DE19530275A1 (de) | 1997-02-20 |
Family
ID=7769720
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19530275A Withdrawn DE19530275A1 (de) | 1995-08-17 | 1995-08-17 | Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Schmelzextrusion |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19530275A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20220143894A1 (en) * | 2019-04-24 | 2022-05-12 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Method for producing a battery |
-
1995
- 1995-08-17 DE DE19530275A patent/DE19530275A1/de not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20220143894A1 (en) * | 2019-04-24 | 2022-05-12 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Method for producing a battery |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8141 | Disposal/no request for examination |