DE19530275A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Schmelzextrusion - Google Patents

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:

Beispiel

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 Q_konstant die von dem Material mit konstanten Eigen­ schaften, Q_schwankend die von dem Material mit schwankenden Eigenschaf­ ten eingesetzte Stoffmenge. VZ_ist und VZ_soll 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.

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.

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.