DE3833776C2 - Vorrichtung zur Extrusion einer thermoplastischen Schmelze - Google Patents

Vorrichtung zur Extrusion einer thermoplastischen Schmelze

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-AS 15 54 833 bekannt. Bei dieser Schneckenpresse erfolgt die Verfahrensführung lediglich durch Erfassung und Überwachung des Drucks am Ende des Extruders.
Ein derartiges Verfahren kann jedoch keinesfalls die komplexen Verhältnisse im Extruderzylinder, insbesondere nicht die relevan­ ten Parameter zwischen der Schmelze und den mechanisch auf die Schmelze wirkenden Reib- und Scherkräften auf dem Weg durch den Extruder erfassen.
Weitere Vorrichtungen sind aus der DE 31 33 647 C2 bekannt. Dort ist eine Temperaturüberwachung nicht vorgesehen.
Weiterhin ist aus der DE 29 10 041 C2 bekannt, die Schmelze mit einer konstanten Temperatur auszupressen. Dies erfolgt jedenfalls nicht über eine Temperaturüberwachung. Insbesondere sind dort keine Maßnahmen zur Einstellung der gewünschten Schmelzetemperatur getroffen.
Die Erfindung betrifft jedoch vor allem Ein-Schnecken- Extruder.
Die kaskadenförmige Hintereinanderschaltung eines Extruders und einer Pumpe hat den Vorteil, daß der Austrag der thermo­ plastischen Schmelze mit großer Gleichmäßigkeit des Mate­ rials, der Temperatur und des Drucks auch gegen hohen Druck erfolgen kann. Insbesondere ist es möglich, den Extruder im adiabatischen Betrieb, d. h. bei hohen Drehzahlen und hoher Scherleistung zu fahren, so daß auch mit einem kleinen Extru­ der und bei geringer Leistung ein hoher Ausstoß erzielt werden kann. Der Nachteil ist jedoch, daß hierbei eine Druck­ regelung des Schmelzedrucks zwischen Extruder und Pumpe erfolgen muß, indem die Drehzahl des Extruders entsprechend nachgestellt wird. Dadurch verliert man bei dem adiabatischen Extruder die Möglichkeit, die Scherleistung und damit die Aufschmelzleistung zu beeinflussen, um einerseits ausreichend hohe Schmelzetemperaturen zu erzielen, eine Überhitzung andererseits aber zu vermeiden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung so auszugestalten, daß das produzierte Ergebnis durch eine verbesserte Verfahrens­ führung homogener wird.
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen von Anspruch 1 in Zuordnung zu dessen Oberbegriff.
Dabei ergibt sich, daß der Extruder "unterfüttert" gefahren wird. Das heißt: Die Dosiereinrichtung ist so eingestellt, daß der Extruder nicht vollständig gefüllt wird. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, das Drehmoment des Extruders, welches ein Maß für die Scherleistung ist, durch entspre­ chende Verstellung der mittels der Dosiereinrichtung zuge­ führten Menge des thermoplastischen Materials so zu verstel­ len und einzustellen, daß vorgegebene Temperaturwerte erzielt werden.
Das Drehmoment der Extruderschnecke kann z. B. durch Messung des vom Antriebsmotor aufgenommenen Stroms gemessen werden.
Es erfolgt sodann eine Sollwertvorgabe des Stroms und die zugeführte Menge des thermoplastischen Materials wird so ein­ gestellt, daß der gemessene Strom dem Sollwert entspricht.
Eine weitere Beherrschung der Verfahrensführung wird dadurch erzielt, daß auch die Temperatur der Schmelze entweder im Endbereich des Extruders oder zwischen Extruder und Pumpe oder hinter der Pumpe gemessen und die Sollwertvorgabe, die das Drehmoment repräsentiert, also z. B. die Sollwertvorgabe des Stroms des Antriebsmotors, so nachverstellt wird, daß die Temperatur innerhalb der vorgegebenen Grenzen bleibt.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Vorrichtung zum Extrudieren thermoplastischer Massen besteht aus 1. Dosiereinrichtung, 2. Extruder, 3. Filter, 4. Zahnrad­ pumpe, 5. Extrusionswerkzeug.
Bei der Dosiereinrichtung 1 kann es sich z. B. um eine Förder­ schnecke handeln, die durch einen Motor 7 angetrieben wird.
Die Dosiereinrichtung 1 wird über einen Trichter 8 mit einem Granu­ lat des thermoplastischen Materials beschickt. Die Förder­ schnecke ist so ausgelegt, daß keine oder nur eine geringfü­ gige Plastifizierung und Erwärmung des thermoplastischen Materials erfolgt. Durch ein Meßgerät 9 wird die Drehzahl des Antriebsmotors 7 gemessen und mit einem vorgegebenen Sollwert nsoll sowie einem weiteren Signal 11 verglichen. Das Ver­ gleichssignal wird einem Leistungsregler 10 zur Ausregelung der Drehzahl aufgegeben. Auf die Erzeugung und Bedeutung des Signals 11 wird später eingegangen.
Das aus der Dosiereinrichtung 1 ausgetragene Granulat wird über einen Trichter 12 dem Extruder zugeführt. Der Extruder 2 wird durch einen Motor 13 mit hoher Drehzahl angetrieben. Die (nicht dargestellte) Schnecke des Extruders 2 ist so ausgelegt, daß bei der vorgegebenen hohen Drehzahl eine sehr hohe Scher­ leistung erbracht werden kann. Daher ist der Extruder ohne weitere Wärmezufuhr in der Lage, das zugeführte thermopla­ stische Material aufzuschmelzen. Der Extruder arbeitet also adiabatisch. Die Schmelze wird durch den Filter 3 gefiltert und sodann durch die Zahnradpumpe gegen den hohen Druck des Extrusi­ onswerkzeuges 5 z. B. als Folie 6 ausgetragen.
Die Schnecke des Extruders 2 benötigt an ihrem Ende keine Druckaufbauzone und allenfalls eine kurze Homogenisierzone, da beide Funktionen vor allem durch die nachfolgende Zahnrad­ pumpe 4 erfüllt werden. Die Zahnpumpe 4 wird durch einen nicht dargestellten Antriebsmotor über einen Leistungsregler 14 mit konstanter Drehzahl angetrieben. Daher ist der Ausstoß der Zahnradpumpe 4 sowie der gegen das Extrusionswerkzeug 5 erzeugte Schmelzedruck konstant.
Zwischen dem Ausgang des Extruders 2 und dem Filter 3 bzw. der Zahnradpumpe 4 ist ein Drucksensor vorgesehen, durch den der Druck p1 bzw. p2 der aus dem Extruder austretenden thermoplastischen Schmelze ermittelt wird. Es sei hinzugefügt, daß der Druck verhältnismäßig nied­ rig ist und z. B. 30 bar beträgt.
Das Meßsignal des Drucks wird über einen Wandler 15 einem Regler 16 zugeführt. In dem Regler 16 wird zum einen der Sollwert nsoll der Extruderdrehzahl und der gemessene Istwert nmess der Extruderdrehzahl miteinander verglichen. Dabei wird die Sollwertdrehzahl des Extruders durch ein Drucksignal 17 nachgesteuert. Das entstehende Ausgangssignal 18 ist der Strom, mit dem der Extrudermotor 13 beaufschlagt wird. Durch diese Rückführung des Schmelzedrucks zwischen Extruder 2 und Filter 3 wird bewirkt, daß der Druck vor dem Filter 3 kon­ stant bleibt.
Der Strom Iist, der dem Extrudermotor 13 aufgegeben wird, ist gleichzeitig ein Maß für die augenblickliche Scherleistung des Extruders. Dieser Strom wird durch eine Meßeinrichtung 19 gemessen. Das Ausgangssignal Imess wird mit einem Sollwert­ signal Isoll verglichen. Das Differenzsignal ist das bereits zuvor erwähnte Signal 11, das gemeinsam mit dem Signal nmess und dem Signal nsoll der Dosiereinrichtung aufgegeben wird. Durch diese Rückführung des Drehmoment-Meßsignales auf den Antrieb der Dosiereinrichtung wird erreicht, daß stets so viel thermoplastische Masse dem Extruder zugeführt wird, daß die Scherleistung des Extruders konstant bleibt. Durch Ein­ stellung des Sollwertes des Drehmoments bzw. Stroms Isoll kann die Scherleistung und damit auch die der thermopla­ stischen Masse zugeführte Wärme und die in der thermopla­ stischen Masse erzielte Temperatur eingestellt werden.
Zusätzlich ist auch eine Überwachung der Temperatur möglich. Hierzu ist zwischen dem Extruderausgang und dem Filter 3 ein Temperaturmeßelement vorgesehen. Das Temperatursignal tist wird über einen Wandler in das Temperatursignal Tmess umge­ formt. Das Temperatursignal Tmess wird mit dem eingestellten Sollwert Isoll verglichen. Erst das Differenzsignal wird mit dem Drehmoment-Meßwert Imess verglichen und zur Einstellung der Drehzahl des Dosiergerätes benutzt. Die zugeführte Dosiermenge wird also zusätzlich so eingestellt, daß eine bestimmte Sollwert-Temperatur Tsoll erreicht wird.
Bezugszeichenliste
1 Dosiereinrichtung
2 Extruder
3 Filter
4 Zahnradpumpe
5 Extrusionswerkzeug
6 Folie
7 Antriebsmotor
8 Trichter
9 Meßgerät
10 Leistungsregler
11 Signal
12 Trichter
13 Extrudermotor
14 Leistungsregler
15 Wandler
16 Regler
17 Drucksignal
18 Ausgangssignal
19 Meßeinrichtung
20 Vergleichseinrichtung.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Extrusion einer thermoplastischen Schmel­ ze, mit der Hintereinanderschaltung einer Dosiereinrichtung zur dosierten Zuführung des thermoplastischen Materials mit einstellbarer Dosierge­ schwindigkeit (Menge pro Zeiteinheit), eines Extruders zum Aufschmelzen des zugeführten thermo­ plastischen Materials und einer mit konstanter Drehzahl angetriebenen Zahnrad­ pumpe zum Austragen der thermoplastischen Schmelze gegen hohen Druck, wobei der Schmelzedruck zwischen Extruder und Zahnradpumpe über die Drehzahl des Extruders auf einen konstanten Wert ausgeregelt wird und wobei das Drehmoment der Extruderschnecke durch Verstellung der Dosiergeschwindigkeit der Dosiereinrichtung auf einen Drehmoment-Sollwert ausgeregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Schmelzetemperatur im Endbereich des Extruders gemessen und durch Verstellung des Drehmoment- Sollwertes in vorgegebenen Grenzen ausgeregelt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzetemperatur zwischen Extruder und Zahn­ radpumpe gemessen wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzetemperatur hinter der Zahnradpumpe ge­ messen wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder ohne Wärmezufuhr adiabatisch betreibbar ist.
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