DE69308539T2 - Rheometer für spritzgusspresse - Google Patents

Rheometer für spritzgusspresse

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rheometer zur Anordnung am Ausgang einer Zuführeinrichtung bzw. -schnecke einer Polymermaterial-Spritzgußmaschine mit einem Rheometerkörper, bei dem ein erstes Ende mit einem Teil zur mechanischen Verbindung mit der Zuführeinrichtung versehen ist, wobei der Rheometerkörper einen Kanal für den Fluß des Polymermaterials und mindestens zwei entlang des Kanals angeordnete Drucksensoren aufweist.
  • Die Erfindung findet vorteilhaft Anwendung auf dem Gebiet der Kunststoffindustrie und insbesondere beim Spritzen, Extrudieren und Formen der Kunststoffe.
  • Im allgemeinen umfassen Spritzgußmaschinen für Polymermaterialien einen Trichter, der die Polymermaterialien in Granulatform zu einer Endlos-Zuführschnecke hinleitet. Eine Heizvorrichtung bringt die zu spritzenden Materialien zum Schmelzen, die dann durch die Zuführeinrichtung zu einer Spritzdüse mit einer Geschwindigkeit und einem hydraulischen Druck geführt werden, deren Werte durch die Maschine vorgegeben werden.
  • Um die Spritzbedingungen gut in den Griff zu bekommen, ist es vorteilhaft, wenn man die hauptsächlichen rheologischen Fließparameter des betreffenden Polyinermaterials kennt.
  • Hierfür ist es schon bekannt, am Ausgang der Zuführeinrichtung und anstelle der Spritzdüse einen Rheometer zu verwenden, bei dem zwei Drucksensoren, die stromaufwärts und stromabwärts des Flusses angeordnet sind, es ermöglichen, Messungen durchzuführen, die zu einer Bestimmung der Viskosität des auf die Betriebstemperatur geschmolzenen Polymermaterials führen. Der Rheometer wird dann abmontiert und die Spritzdüse wieder angebracht, um mit dem Spritzvorgang fortzufahren.
  • Die Verwendung derartiger Rheometer erfordert es, jedesmal einerseits die Zuführdüse zu entfernen und andererseits den Rheometer selbst anzubringen.
  • Darüber hinaus fließt bei diesen Rheometern das geschmolzene Polymermaterial unter einem Druck, der im wesentlichen gleich dem Atmosphärendruck ist, frei nach außen, also unter einem Druck, der wesentlich schwächer als der wirkliche Spritzdruck beim normalen Betrieb ist. Es ergibt sich hieraus ein systematischer Fehler, der damit zusammenhängt, daß sich die Meßbedingungen von den tatsächlichen Arbeitsbedingungen unterscheiden.
  • In der französischen Patentanmeldung FR-2 621 525 wurde bereits eine Spritzvorrichtung für thermoplastische Materialien vorgeschlagen, bei der zwischen der Presse und der Spritzdüse ein Pheometermodul mit kapillarer Düse montiert ist. Der Körper des Moduls ist mit Bohrungen versehen, welche die Drucksensoren aufnehmen. Diese Bohrungen sind stromaufwärts und stromabwärts der Düse angeordnet.
  • Somit sind die Drucksensoren dort nicht unmittelbar auf der Höhe des Flusses in der Düse, sondern in Räumen außerhalb des Flußkanals angeordnet. Die gemessenen Drücke sind diejenigen dieser Räume und nicht diejenigen des Polymermaterials auf der Höhe des Flusses. Um dieses Problem zu vermeiden, offenbart die Druckschrift GB-A-2 621 525 eine Vorrichtung, die es ermöglicht, Druckmessungen in der Düse durchzuführen.
  • Die Erfindung schlägt nun ein Rheometer vor zur Anordnung am Ausgang einer Zuführeinrichtung bzw -schnecke einer Maschine zur Verarbeitung eines Polymermaterials (wie z. B. einer Spritzmaschine oder einer Extrudiervorrichtung), mit einem Rheometerkörper, bei dem ein erstes Ende mit einem Teil zur mechanischen Verbindung mit der Zuführeinrichtung versehen ist und bei dem ein dem ersten gegenüberliegendes zweites Ende mit einer Spritzdüse zum Spritzen des Polymermaterials versehen ist, wobei der Rheometerkörper einen Kanal für den Fluß des Polymermaterials und mindestens zwei entlang des Kanals angeordnete Drucksensoren hat und der Kanal zumindest teilweise durch eine Düse gebildet wird, die ein zylindrisches Flußloch in Längsrichtung hat, gekennzeichnet durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 enthaltenen Merkmale.
  • Ein derartiger Rheometeraufbau hat gegenüber den Rheometern des Stands der Technik zahlreiche Vorteile.
  • Insbesondere ermöglicht er die direkte Messung von Flußdrücken unter echten Spritzbedingungen. Die rheologischen Parameter werden somit mit hoher Genauigkeit bestimmt, ohne daß es notwendig wäre, an den Druckmessungen Korrekturen durchzuführen, um die Geometrie der Räume, in denen sich die Drucksenoren befinden, oder die Störungen aufgrund von Effekten beim Eintritt- oder Austritt aus der Düse (Einfallswinkel beim Eintritt, Kompressibilität des Materials, elastische Effekte) zu berücksichtigen.
  • Darüber hinaus ermöglicht er die Erfasssung von Druckmeßwerten an drei oder mehr Punkten des Flusses in der Düse, so daß es möglich ist, nicht nur auf die Viskosität des Polymermaterials, sondern auch auf andere für dieses Material charakteristische Parameter Zugriff zu haben, wie z. B. seine Elastizität, welche die bloßen Druckmessungen stromaufwärts und stromabwärts der Düse nicht zu bestimmen ermöglichten.
  • Die Rheometer des Stands der Technik ermöglichen ihrerseits nur die Gewinnung der Größenordnung einer besonderen Eigenschaft (Scherspannung), und zwar auf indirekte Weise auf der Grundlage vereinfachender Hypothesen.
  • Dieser Aufbau ermöglicht ebenfalls, Flußkanäle zu verwenden, deren Innendurchmesser viel kleiner als im Falle von Rheometern des Stands der Technik ist, bei denen der Durchmesser der Düse größer als ein Grenzdurchmesser in Abhängigkeit von den Abmessungen der Räume stromaufwärts und stromabwärts von der Düse sein muß. Die Scherraten, die der erfindungsgemäße Rheometer zu verwirklichen ermöglicht, sind somit viel höher als im Falle von Rheometern des Stands der Technik.
  • Die Erfindung wird durch die folgenden verschiedenen Merkmale vorteilhaft vervollständigt, die allein oder in allen technisch möglichen Kombinationen aufgenommen werden können:
  • - die Düse weist mindestens drei Löcher in Querrichtung auf, die in das Flußloch münden und Drucksensoren an der Mündung des Flußlochs aufnehmen,
  • - die Drucksensoren sind mit einer Verarbeitungseinheit verbunden, die in Abhängigkeit von den durch die Sensoren gelieferten Druckmeßwerten die scheinbare Viskosität und Elastizität des Polymermaterials bestimmt,
  • - der Durchmesser des Flußloches der Düse ist kleiner oder gleich 2,5 mm,
  • - der Durchmesser des Flußlochs der Düse ist zwischen 2 und 2,5 mm,
  • - der Rheometerkörper umfaßt außerdem mindestens ein Aufnahmeloch zur Aufnahme eines Temperatursensors,
  • - das Verbindungsteil umfaßt mindestens ein Aufnahmeloch zur Aufnahme eines Temperatursensors,
  • - der Rheometerkörper umfaßt mindestens zwei Aufnahmelöcher zur Aufnahme eines Temperatursensors, die jeweils in die Leitung stromaufwärts und stromabwärts der Düse münden.
  • Die folgende Beschreibung der angefügten Zeichnungen, die als nicht einschränkend auf zufassende Beispiele dienen sollen, trägt zum Verständnis bei, worin die Erfindung besteht und wie sie auszuführen ist.
  • Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Rheometers.
  • Fig. 2 ist ein Schema einer Einheit zum Verarbeiten der durch den Rileometer von Fig. 1 gelieferten Meßwerte.
  • Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Rheometer 100 zur Anordnung am Ausgang einer nicht dargestellten Zuführeinrichtung einer Maschine zum Spritzen eines Polymermaterials in der durch die Pfeile F1 und F2 dargestellten Richtung. Der Rheometer 100 von Fig. 1 umfaßt einen Rheometerkörper 110, bei dem ein erstes Ende mit einem Teil 120 zur mechanischen Verbindung mit der Zuführeinrichtung versehen ist, während ein dem ersten entgegengesetztes zweites Ende eine Spritzdüse 130 zum Spritzen des Polymermaterials im geschmolzenen Zustand in eine nicht dargestellte Gußform aufnimmt.
  • Wie man in Fig. 1 sieht, umfaßt der Rheometerkörper 110 eine zylindrische Aufnahme 110a, in der eine zylindrische Düse 140 angeordnet ist, die ein Längsloch 144 für den Fluß hat, das mit Kanälen 172, 173, die es verlängern, stromaufwärts und stromabwärts der Düse einen Kanal definiert, der es dem Polymermaterial ermöglicht, von dem Verbindungsteil 120 an der Zuführeinrichtung zur Einspritzdüse 130 zu fließen.
  • Die Düse 140 von Fig. 1 ist mit drei Querlöchern 141, 142, 143 ausgestattet, die in das Flußloch 144 münden und in denen jeweils die Enden der drei Drucksensoren 111, 112, 113 am Auslaß des Flußloches aufgenommen werden können. Die Drucksensoren 111, 112, 113 sind vorzugsweise piezoelektrische Wandler, deren sensitives Element mit dem geschmolzenen Polymermaterial in dem Flußloch der Ziehdüse 140 unmittelbar bündig in Kontakt ist. Die Enden der Sensoren 111, 112, 113 schließen in dem Flußloch 144 jeweils am Einlaß und am Auslaß der Düse und in ihrem mittleren Teil bündig ab.
  • Die Entfernung, welche die Achse eines solchen Sensors 111, 112, 113 vom Eingang oder Ausgang der Düse trennt, ist größer als zehnmal der Durchmesser des Längsloches 144. Diese minimalen Entfernungen sind zu beachten, um eine nicht gestörte Messung der Flußdrücke in der Düse zu gewinnen. Der Durchmesser des Loches 144 wird vorteilhafterweise zwischen 2 und 2,5 mm gewählt. Für eine Düse mit kleinerem Durchmesser bringt die Anwesenheit der Sensoren Xtörungen des Flusses des Polymermaterials mit sich. Es ist zu beachten, daß das Polymermaterial in Düsen mit einem Durchmesser zwischen 2 und 2,5 mm nicht hindurchgeleitet werden könnte, falls der Rheometer nicht auf einer Einspritzpresse montiert wäre.
  • Um das Polymermaterial im geschmolzenen Zustand auf einer gegebenen Solltemperatur zu halten, ist der Rheometerkörper 110 mit Mitteln zur Regulierung der Temperatur ausgestattet, die in dem Beispiel von Fig. 1 durch zwei Widerstandsheizmanschetten 151, 152 gebildet werden, bei denen der Heizstrom durch eine in der Spritzmaschine angeordnete Steuereinrichtung 200 reguliert wird.
  • Um die Temperatur des Rheometers zu überwachen, sind auf dem Rheometerkörper 110 unterschiedliche Meßpunkte vorgesehen, bei denen Aufnahmelöcher 114, 115, 170, 171 eingearbeitet sind, um Temperatursensoren, z. B. Thermoelemente aufzunehmen. Die Aufnahmen 114, 115 sind Blindlöcher, die außerhalb des Körpers 110 münden und sind senkrecht zur Düse 140, rechtwinklig zur Achse, entlang der sich diese erstreckt, eingearbeitet. Diese Aufnahmen 114 und 115 sind jeweils zwischen der Aufnahme eines Endsensors 111, 112 und der Aufnahme eines Mittelsensors 113 angeordnet. Die Aufnahmen 170 und 171 sind senkrecht zur Achse des Kanals des Rheometers und münden einerseits außerhalb des Körpers 110 und andererseits in Kanälen 172, 173 stromaufwärts bzw. stromabwärts der Ziehdüse. Das Verbindungsteil 120 umfaßt ein Aufnahmeloch 121 für einen Temperatursensor, ebenfalls ein Thermoelement.
  • Wie man in Fig. 1 sieht, kann der Rheometerkörper 110 aus drei Teilen bestehen, die in der Länge überlagert sind, entlang der sich der Flußkanal erstreckt. Zwei Hauptteile 116, 117 umfassen insbesondere die Drucksensoren 111, 112, die in die quer angeordneten Endlöcher 141, 142 der Düse 140 münden. Ein Zwischenstück 118 umfaßt den Drucksensor 113, der in das quer angeordnete Zwischenloch 143 der Düse 140 mündet. Die Hauptteile 116, 117, das Zwischenteil 118, sowie das Verbindungsteil 120 und die Spritzdüse 130 sind durch Schrauben 160 zerlegbar zusammengebaut.
  • Das Zwischenstück 118 kann weggelassen werden. In diesem Fall umfaßt die Düse nur zwei querverlaufende Endlöcher, die den Löchern 141, 142 von Fig. 1 entsprechen. Im folgenden wird man sehen, daß die Bestimmung gewisser rheologischer Parameter des verwendeten Polymermaterials tatsächlich nur die Kenntnis von zwei Druckwerten erfordert. Das Teil 118 kann auch durch ein anderes Zwischenteil unterschiedlicher Länge bezüglich der Achse des Flußkanals ersetzt werden.
  • In beiden Fällen wird die Düse 140 somit durch eine Düse unterschiedlicher Länge ersetzt, die an die Länge des neuen Zwischenteils angepaßt ist. Diese neue Düse hat eine Länge, die der neuen Länge der zylindrischen Aufnahme 110a entspricht.
  • Es ist auch möglich, den Körper 110 zu zerlegen, um die Düse 140 durch eine Düse mit unterschiedlichem Innendurchmesser zu ersetzen.
  • Die Länge der Teile 116, 117 und 118 entlang der Achse des Flußkanals ist so, daß die durch den Körper 110, die Spritzdüse 130 und das Verbindungsteil gebildete Gesamtheit eine Länge hat, die vergleichbar zu derjenigen einer herkömmlichen Spritzdüse ist. Die Anbringung des Rheometers auf der Maschine führt zu keinem Spritzdruckverlust bezüglich der Spritzungen, die man mit herkömmlichen Düsen durchführt.
  • Fig. 2 zeigt das Schema der Datenverarbeitung, das den Zugriff auf mechanische Eigenschaften des Polymermaterials im Verlaufe des Flusses ermöglicht.
  • Die Steuereinrichtung 200 der Spritzmaschine z. B. ein Mikroprozessor, gibt der Zuführeinrichtung einen hydraulischen Druck Ph, einen Volumendurchfluß Q und eine Schmelztemperatur des betrachteten Polymermaterials vor. Zum anderen überwacht, wie weiter oben gesagt, der Steuermikroprozessor 200 den Speisestrom der Heizmanschetten 151, 152 des Rheometers.
  • Die durch den Rheometer 100 gelieferten Druck- und gegebenenfalls Temperaturmeßwerte werden durch die Verstärker 301, 302 verstärkt und neben dem Volumendurchfluß Q und, bei Bedarf, dem hydraulischen Druck Ph an einen Analog/Digital-Wandler 400 angelegt. Ein Mikrorechner 500 verarbeitet die so digitalisierten Daten gemäß einem Programm, welche die weiter unten dargestellten mathematischen Ableitungen in Informatiksprache übersetzt. Die gewonnenen Ergebnisse, scheinbare Viskosität und Elastizität, werden einer Anzeigevorrichtung 600, einem Drucker oder Plotter zugeführt.
  • Im folgenden betrachtet man den Fluß bzw. die Strömung in der Ziehdüse als stationäre achsensymmetrische Scherströmung.
  • Die Scherspannung τω an der Wand ist gegeben durch die Beziehung
  • τω = R/2 ΔP/L
  • wobei R der Radius der Düse und L ihre Länge ist. ΔP ist der Druckabfall in der Düse. Man sieht, daß die Messung von ΔP nur zwei Werte und somit zwei Drucksensoren erfordert.
  • Im Falle von Newtonschen Fluiden wird die Scherrate an der Wand ω ausgedrückt durch:
  • wobei Q der Volumendurchfluß der Zuführeinrichtung ist.
  • Im Falle Nicht-Newtonscher Fluide ist es notwendig, an der vorhergehenden Formel eine Korrektur vorzunehmen, um eine echte Scherrate ωr zu erhalten, die definiert ist durch
  • Im Falle von Fluiden, deren rheologisches Verhalten dem Potenzgesetz folgt, läßt sich der Pseudoelastizitätsindex n schreiben als
  • n= d(Lnτω)/d(Ln ω)
  • Man erhält somit den Ausdruck
  • ωr = 3n-1/4n ω
  • welcher die echte Scherrate ausgehend von der scheinbaren Scherrate an der Wand ergibt.
  • Die korrigierte scheinbare Viskosität η kann somit geschrieben werden als
  • η = τω/ ω
  • Die Elastizität N&sub1; der Polymermaterialen im geschmolzenen Zustand ist im allgemeinen durch die erste Differenz der Normalspannungen gekennzeichnet:
  • N&sub1; = τ&sub1;&sub1; - τ&sub2;&sub2;
  • wobei τ&sub1;&sub1; die Normalspannung in der Strömungsrichtung und τ&sub2;&sub2; die Normalspannung in der Scherrichtung bezeichnet. Die Elastizität kann als Funktion des Ausgangsdruckes PD folgendermaßen ausgedrückt werden:
  • N&sub1;=Ps(1+ d(LnPS)/d(Lnτω)
  • Im Falle des erfindungsgemäßen Rheometers kann der Druck PS am Ausgang der Düse 140 durch direkte Messung oder lineare Extrapolation der Änderungen des durch die Sensoren 111, 112, 113 gemessenen Druckes in Abhängigkeit von der Position in der Düse bestimmt werden. Das Ergebnis ist umso genauer, je größer die Anzahl von Drucksensoren ist, woraus sich das Interesse erklärt, z. B. drei Sensoren anzuordnen.
  • Das erfindungsgemäße Rheometer hat zahlreiche Vorteile: - es ermöglicht die Bestimmung unterschiedlicher rheologischer Eigenschaften wie z. B. der Viskosität, der Elastizität und/oder der Kompressibilität, unter realen Spritzverarbeitungsbedingungen ohne Störung des Verarbeitungszyklus, und zwar in minimaler Zeit und mit großer Genauigkeit;
  • - das Vorhandensein von Drucksensoren in der Düse (Kapillare) an genauen Positionen und in Kontakt mit dem Polymermaterial ermöglicht die genaue Messung der realen Scherspannung an der Wand, wodurch die Viskosität des Materials mit hoher Genauigkeit bestimmt wird;
  • - das Vorhandensein von mindestens drei Sensoren in der Düse ermöglicht die Bestimmung der Elastizität der Polymere, einer rheologischen Größe, zu der man mit anderen Vorrichtungen keinen direkten Zugang hat;
  • - die Möglichkeit, die Länge und den Durchmesser der Düse bei der vorliegenden Erfindung zu verändern, eröffnet ein großes Studiengebiet für die Eigenschaft von Polymeren (Basisprodukte, Verbundstoffe, Mischungen, Elastomere, etc) und ermöglicht somit den Zugang zu anderen für die Verarbeitung unentbehrlichen Parametern wie z. B. die Kompressibilität des Materials in Abhängigkeit vom Spritzdruck, das Gleiten an der Wand, insbesondere im Falle von Elastomeren, Phasentrennungsphänomene in Abhängigkeit von der Scherrate im Falle von Polymermischungen, etc;
  • - das Vorhandensein von Temperatursensoren im Kontakt mit dem Material ermöglicht die genaue Messung der Temperatur des Polymers, einem unentbehrlichen Parameter für die Untersuchung der rheologischen Kenngrößen des Materials, der auch zum großen Teil die Verarbeitung bestimmt; somit ermöglicht das Vorhandensein von zwei Temperatursensoren stromaufwärts und stromabwärts der Ziehdüse (170 und 171) die Untersuchung des Phänomens der Selbsterhitzung des Materials;
  • - das Datengewinnungssystem (Fig. 2) ermöglicht nicht nur die Aufzeichnung und Darstellung der rheologischen Eigenschaften, sondern auch die Bestimmung eines Gesetzes des Verhaltens des Materials auf der Grundlage experimenteller Daten; dieses Gesetz ist unverzichtbar für die Modellierung der Strömung der Polymere im Verlaufe ihrer Verarbeitung;
  • - dieses System ermöglicht es, in Gegenwart von Sensoren in der Gießform, das Verhalten des Materials in den Zuführkanälen und im Nest der Gußform zu untersuchen.

Claims (8)

1. Rheometer (100) zur Anordnung am Ausgang einer Zuführeinrichtung bzw. -schnecke einer Maschine zur Verarbeitung eines Polymer-Materials, mit einem Rheometerkörper (110), bei dem ein erstes Ende mit einem Teil (120) zur mechanischen Verbindung mit der Zuführeinrichtung versehen ist und bei dem ein dem ersten gegenüberliegendes zweites Ende mit einer Spritzdüse (130) zum Spritzen des Polymer-Materials versehen ist, wobei der Rheometerkörper (110) einen Kanal für den Fluß des Polymer-Materials und mindestens zwei entlang des Kanals angeordnete Drucksensoren (111, 112, 113) hat und der Kanal zumindest teilweise durch eine Düse (140) gebildet wird, die ein zylindrisches Flußloch (144) in Längsrichtung hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (140) mindestens zwei Löcher (141, 142, 143) in Querrichtung hat, welche in das Flußloch münden und zum Aufnehmen der jeweiligen Drucksensoren (111, 112, 113) an der Mündung des Flußlochs (144) bestimmt sind, und daß der Reometerkörper (110) zwei Hauptstücke (116, 117) und ein Zwischenstück (118) aufweist, die zerlegbar zusammengebaut sind und die Düse enthalten, so daß das Zwischenstück weggelassen oder durch ein Zwischenstück unterschiedlicher Höhe ersetzt werden kann, wobei die Düse durch eine entsprechende Düse mit unterschiedlicher Höhe und/oder unterschiedlichem Durchmesser ersetzt werden kann.
2. Rheometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rheometerkörper (110) darüberhinaus mindestens ein Aufnahmeloch (114, 115) zur Aufnahme eines Temperatursensors aufweist.
3. Rheometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Flußlochs (144) der Düse kleiner oder gleich 2,5 mm ist.
4. Rheometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Durchmesser des Flußlochs (144) der Düse zwischen 2 und 2,5 mm ist.
5. Rheometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil (120) ein Aufnahmeloch (121) zur Aufnahme eines Temperatursensors aufweist.
6. Rheometer nach einem der Ansprüche 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rheometerkörper (110) mindestens zwei Aufnahmelöcher (171, 172) aufweist, die zur Aufnahme eines Temperatursensors dienen und in den Kanal stromaufwärts bzw. stromabwärts der Düse (140) münden.
7. Rheometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (140) mindestens drei Löcher (141, 142, 143) in Querrichtung hat, welche in das Flußloch münden und Drucksensoren (111, 112, 113) an der Mündung des Flußlochs (144) aufnehmen.
8. Rheometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksensoren (111, 112, 113) mit einer Verarbeitungseinheit verbunden sind, welche in Abhängigkeit von den durch diese Sensoren gelieferten Druckmeßwerten die scheinbare Viskosität und Elastizität des Polymer-Materials bestimmt.
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