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Dokumentenidentifikation DE102006023760B4 22.01.2009
Titel Verfahren zur automatisierten Materialentwicklung
Anmelder KraussMaffei Technologies GmbH, 80997 München, DE
Erfinder Sieverding, Matthias, Newton, N.C., US;
Zimmet, Rainer, 74382 Neckarwestheim, DE;
Bürkle, Erwin, Dr., 83671 Benediktbeuern, DE;
Zwiesele, Jochen, 54456 Tawern, DE
Vertreter Wilhelm, L., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 80997 München
DE-Anmeldedatum 20.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006023760
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.01.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2009
IPC-Hauptklasse B29C 45/00  (2006.01)  A,  F,  I,  20060520,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse B29C 45/54  (2006.01)  A,  L,  I,  20060520,  B,  H,  DE
G01N 1/28  (2006.01)  A,  L,  I,  20060520,  B,  H,  DE
G01N 1/38  (2006.01)  A,  L,  I,  20060520,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Entwicklung einer gewünschten Materialzusammensetzung, wobei aus mehreren Ausgangsmaterialien unterschiedliche Materialzusammensetzungen (Rezepturen) gebildet werden, aus denen Prüfkörper mit entsprechend unterschiedlichen Materialzusammensetzungen hergestellt und in einer Prüfeinrichtung untersucht werden.

Um eine gewünschte Materialzusammensetzung zu entwickeln ist es bekannt, unterschiedliche Materialzusammensetzungen, nachfolgend auch Rezepturen genannt, in einem Extruder aufzuschmelzen, zu vermischen und zu einem Prüfgranulat zu verarbeiten. Das so hergestellte Prüfgranulat wird dann nachfolgend in einer Plastifizier- und Einspritzeinheit in einer Spritzgießmaschine aufgeschmolzen und in einem Spritzgießwerkzeug zu Prüfkörpern ausgeformt. Die so hergestellten Prüfkörper können dann anschließend untersucht werden, beispielsweise auf ihre mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und vieles andere mehr.

Üblicherweise werden dabei die Rezepturen händisch von einer Bedienperson eingegeben, was mit entsprechenden Personalkosten verbunden ist.

Desweiteren stehen aufgrund der chargenweisen Herstellung des Prüfgranulats nur diskontinuierliche Änderungen in den unterschiedlichen Rezepturen zur Verfügung, so dass es mit beträchtlichem Zusatzaufwand verbunden ist, wenn man eine zwischen zwei Rezepturen liegende Materialzusammensetzung prüfen möchte, da hierfür extra eine Charge an Prüfgranulat hergestellt werden muss.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Prüfkörpern unterschiedlicher Materialzusammensetzung zu vereinfachen und zu automatisieren.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Dadurch, dass die unterschiedlichen Rezepturen in einem Spritzgießcompounder verarbeitet und zu den Prüfkörpern geformt werden, können ganze Versuchsreihen einfach und automatisch abgefahren werden, ohne dass jeweils eine neue Charge an Prüfgranulat hergestellt werden muss. Vielmehr kann das Ausgangsmaterial direkt gemischt und verarbeitet werden, so dass ohne großen Aufwand bedarfsweise auch Nuancen in unterschiedlichen Materialzusammensetzungen eingestellt werden können. Die unterschiedlichen Rezepturen können in der Steuerung des Spritzgießcompounders hinterlegt sein oder sie können von einem Datenträger in die Steuerung eingelesen werden, beispielsweise über eine Diskette, CD, USB-Stick oder aber auch über eine Datenleitung von einem externen Computer. Die so hergestellten Prüfkörper können dann entsprechend der Versuchsreihe gleich einer Prüfeinrichtung zugeführt und die gewonnen Prüfergebnisse über die Steuerung oder einen externen Computer der jeweiligen Rezeptur zugeordnet werden.

Durch die Verwendung eines Spritzgießcompounders kann nach jedem Spritzgießzyklus die gerade gespritzte Rezeptur über ein geeignetes Ausschleusventil aus der Plastifizier- und Einspritzeinheit des Spritzgießcompounders abgelassen werden. Nachfolgend kann dann die nächste (neue) Rezeptur in der Plastifizier- und Einspritzeinheit aufbereitet und zu einem Prüfkörper mit einer nächsten Materialzusammensetzung ausgeformt werden, wobei ein erster Teil der neuen Rezeptur zunächst über das Ausschleusventil abgelassen werden kann, bis eine homogene Materialzusammensetzung sichergestellt ist und etwaige Reste der vorangegangenen Rezeptur vollständig verschwunden sind.

Je nach gewünschter Materialzusammensetzung können für eine Versuchsreihe beispielsweise mehrere Kunststoffkomponenten mit unterschiedlichen Gewichts- oder Volumenanteilen an der Rezeptur aufgeschmolzen und zu Prüfkörpern geformt werden. Es können aber auch Faserstoffe wie beispielsweise Glas- oder Naturfasern eingemischt werden. Ebenso können Füllstoffe wie z. B. Fe2O3, Talkum, Kreide, Ti-Oxide, usw. eingemischt werden. Beispielsweise kann in einer Versuchsreihe der Anteil an Faserstoffen stufenweise verändert werden, von z. B. 10%–70% Faseranteil in der Rezeptur. Desweiteren kann in einer Versuchsreihe bei konstantem Faseranteil die Art der Fasern variieren, z. B. verschiedene Arten von Naturfasern oder Glasfasern, gegebenenfalls auch mit unterschiedlicher Faserlänge. Bei all diesen Versuchsreihen können die einzelnen Anteile der Materialien an der Rezeptur beliebig eingestellt und verändert werden und zwar von einem Prüfkörper zum nächsten Prüffkörper, ohne dass eine gewisse Mindestmenge an Prüfgranualt zuvor hergestellt und bereitgehalten werden müsste. Um jeweils „sortenreine" Prüfkörper einer Rezeptur zu erhalten, kann nach einem Wechsel der Rezeptur zunächst eine Anzahl an Ausschuß-Prüfkörpern hergestellt werden, bevor ein Prüfkörper ausschließlich der neuen Rezeptur zur Verfügung steht.

Die Ausgangsmaterialien können zunächst gemischt und dann als Gemisch über einen Einfülltrichter in den Extruder der Plastifizier- und Einspritzeinheit des Spritzgießcompounders eingegeben werden. Es können aber auch mehrere Einfülltrichter am Extruder vorgesehen werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert werden.

Ein Spritzgießcompounder gemäß Figur umfaßt einen Doppelwellen-Extruder mit einem Schneckenzylinder 10, in dem zwei achsparallele Schnecken 16, 18 axial unverschieblich und gleichsinnig drehbar gelagert sind. Über einen Schneckenförderer 13 und einen Trichter 14 wird mindestens ein erstes Kunststoffmaterial von einer Dosierstation 12 in das Innere des Schneckenzylinders eingeführt und durch Drehung der Schnecken 10 mittels eines Antriebs plastifiziert und in Richtung. eines Ausstoßendes gefördert, an dem der Schneckenzylinder 10 in eine Verbindungsleitung 32 mündet. Über weitere Dosierstationen 12.112.n, gegebenenfalls auch ohne Schneckenförderer, und weitere Trichter 14.114.n können weitere Kunststoffmaterialien und/oder sonstige Ausgangsmaterialien, wie z. B. Fasern, Füllstoffe, Farbstoffe und vieles andere mehr, in den Extruder eingegeben zu einem Kunststoffmaterialgemisch aufbereitet werden. Die Kunststoffmaterialien und/oder sonstigen Ausgangsmaterialien können aber auch von den Dosierstationen 12, 12.112.n über einen gemeinsamen Trichter, beispielsweise den ersten Trichter 14, in den Extruder eingegeben werden, wie dies mit dem die Dosierstationen 12.1 bis 12.n verbindenden und auf den Trichter 14 weisenden Pfeil in der Figur veranschaulicht ist. Die verschiedenen Ausgangsmaterialien (Kunststoffe und/oder sonstige Ausgangsmaterialien) können desweiteren auch über eine gemeinsame Dosierstation „vorgemischt" an einer Stelle dem Extruder zugeführt werden, wie dies mit den Kästchen M1, M2, ....Mn in der Figur angedeutet werden soll. Falls auch die Herstellung von geschäumten Prüfkörpern gewünscht wird, kann zwischen dem Trichter 14 und dem Ausstoßende des Zylinders eine Treibmittelzufuhrstation 20 vorgesehen werden, die Treibmittel in Form von Gas mittels einer Pumpe 8 aus einem Gasspeicher in das vorzugsweise bereits plastifizierte Kunststoffmaterialgemisch einleitet.

Die Verbindungsleitung 32 mündet in einen Zwischenspeicher 40, d. h. einen Sammelraum 47 eines Speicherzylinders 45, in dem ein Speicherkolben 42 verschiebbar aufgenommen ist. Der Sammelraum 47 ist über eine Leitung 70 mit einem Sammelraum 56 einer Einspritz-Kolben-Zylinder-Anordnung 50 verbunden.

Während des Betriebs wird kontinuierlich Kunststoffmaterialgemisch von dem Extruder gefördert und aufbereitet und füllt den Sammelraum 56 der Anordnung 50, wobei der Kolben 52 von dem nachfließenden Kunststoffmaterialgemisch verdrängt oder geregelt zurückgezogen wird. Wenn der Sammelraum 56 bis zu einem vorgegebenen Maß mit Kunststoffmaterialgemisch gefüllt ist, wird die Verbindung zwischen dem Zwischenspeicher 40 und der Einspritzzylinderanordnung 50 über ein Sperrorgan 72 unterbrochen, und das plastifizierte Kunststoffmaterialgemisch wird von dem Kolben 52, der durch einen Antrieb 58 betrieben wird, in eine Form 60 eingespritzt, um einen oder mehrere Prüfkörper aus diesem Kunststoffmaterialgemisch, also gemäß der vorgegebenen Rezeptur herzustellen.

Gleichzeitig sammelt sich im Sammelraum des Zwischenspeichers 40 das kontinuierlich vom Extruder nachgelieferte Kunststoffmaterialgemisch. Um dabei möglichst konstante Druckverhältnisse zu ermöglichen, ist der Kolben 42 des Zwischenspeichers 40 mit einer Verschiebevorrichtung verbunden. Die Verschiebevorrichtung umfaßt zwei Kolben-Zylinder-Anordnungen 44 und 46, wobei die jeweiligen Kolben über ein Verbindungsglied 48 mit dem Kolben 42 des Zwischenspeichers 40 verbunden sind.

Durch Beaufschlagen der Kolben der Kolbenzylindereinheiten 44, 46 mit einem Druckmittel können die Kolben verschoben werden und bewegen dementsprechend über das Verbindungsglied 48 den Kolben 42 des Zwischenspeichers 40. Dabei ist die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß die Verschiebevorrichtung eine definierte Kraft auf den Kolben des Zwischenspeichers 40 ausüben kann, so daß das plastifizierte Kunststoffmaterialgemisch im Zwischenspeicher unter einem definierten Druck steht, d. h. die Kolben der Verschiebevorrichtung werden in der Figur von oben mit Druckmitteln beaufschlagt. Gegebenenfalls kann es auch sinnvoll sein, den Kolben des Zwischenspeichers aktiv nach oben zu verschieben, so daß in diesem Fall die Kolben 44, 46 von unten mit Druckmitteln beaufschlagt werden.

Die Verschiebung des Kolbens 42 kann abhängig von den Signalen eines Drucksensors (nicht dargestellt) geregelt werden, der in dem Zwischenspeicher oder, vorzugsweise, im Verlauf der Leitung 32 angeordnet ist, beispielsweise um einen Druck einzuhalten, bei dem mit Treibmittel versehenes Kunststoffmaterialgemisch noch nicht expandiert. Die Anordnung des Drucksensors in der Leitung 32 hat dabei den Vorteil, daß Druckschwankungen, die vom Extruder verursacht werden, frühzeitig erkannt werden können und der Kolben 40 entsprechend frühzeitig verfahren werden kann.

Im Verlauf der Leitung 32 ist ferner ein Sperr- und Entlastungsorgan 30 angeordnet, mit dem die Verbindung zwischen der Ausstossöffnung des Extruders und dem Zwischenspeicher 40 unterbrochen werden kann. Wenn beispielsweise wegen einer Störung im Extruder Kunststoffmaterialgemisch mit zu geringem Druck geliefert wird oder bei einer Störung in der Einspritzeinheit Kunststoffmaterialgemisch nicht weiter verarbeitet werden kann und die Kapazität des Zwischenspeichers ausgeschöpft ist, sperrt das Organ 30 die Verbindung, so daß das Kunststoffmaterial stromab des Organs 30 mittels des Zwischenspeichers 40 auf dem erforderlichen Druck gehalten wird.

Desweiteren ist das Organ 30 mit einer Ableitung 34 als Ausschleusventil versehen, um das Kunststoffmaterialgemisch gemäß der aktuellen Rezeptur nach Fertigstellung eines oder mehrerer Prüfkörper aus dem System abführen zu können, beispielsweise in ein Wasserbad 74. Ebenso kann ein erster Teil an Kunststoffmaterialgemisch gemäß der nachfolgenden Rezeptur zunächst aus dem Extruder abgeführt werden, bevor die nächsten Prüfkörper mit der neuen Rezeptur hergestellt werden Da außerdem die dem Organ 30 nachgelagerten Teile der Plastifizier- und Einspritzeinheit vorzugsweise von der vorangegangenen Rezeptur zu reinigen sind, wird eine Anzahl an Prüfkörper-Formteilen herzustellen und als „Fehlteil" zu entsorgen sein, d. h. es wird eine bestimmte Menge an neuem Kunststoffmaterialgemisch abgespritzt, bevor wieder ein Prüfkörper zur Verfügung steht, der mit Sicherheit nur aus dem Kunststoffmaterialgemisch der nachfolgenden Rezeptur besteht. Auf diese Weise kann man sicherstellen, dass der nachfolgende Prüfkörper auf jeden Fall nur nach der neuen Rezeptur hergestellt worden ist und keine Anteile der vorangegangenen Rezeptur mehr vorhanden sind.

Das Sperr- und Entlastungsorgan 30 umfaßt einen Körper 31, in den einerseits das Ausstoßende des Schneckenzylinders 10 mündet, andererseits die Verbindungsleitung 32. In dem Körper 31 ist ein Stößel 33 verschiebbar gelagert, der mit einer Kolben-Zylindereinheit 35 verbunden ist. Von einer Hydraulikmittelpumpe 39 wird Hydraulikmittel über Leitungen 36 oder 37 der Kolben-Zylindereinheit so zugeführt, daß der Stößel 33 entsprechend einer Stellung des Steuerventils 38 verschoben werden kann. Dabei ist die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß der Stößel in eine erste Stellung eingestellt werden kann, in der das Ausstoßende des Schneckenzylinders 10 mit der Ableitung 34 verbunden ist, und mindestens einer zweiten Stellung, in der das Organ 30 das Ausstoßende des Schneckenzylinders 10 mit der Verbindungsleitung 32 verbindet. Daneben kann noch eine weitere Stellung vorgesehen sein, in der der Stößel 33 das Ausstoßende des Schneckenzylinders 10 verschließt.

Generell kann zum Anfahren des Systems der Stößel zunächst in seine erste Stellung verschoben werden, so daß anfänglich produziertes Kunststoffmaterialgemisch aus dem System abgeleitet wird. Das anfänglich anfallende Kunststoffmaterialgemisch hat nämlich in der Regel zu Beginn noch nicht die erforderliche Konsistenz und/oder Zusammensetzung gemäß der vorgegebenen Rezeptur, die erst während des kontinuierlichen Betriebs des Extruders erzielt wird. Sobald das Material die gewünschte Konsistenz hat, was sich durch Erfahrungswerte, Beobachtung des austretenden Kunststoffmaterialgemischs und/oder Messungen ergibt, wird das Organ 30 in seine Durchlaßstellung verschoben, so daß das ferner anfallende Kunststoffmaterialgemisch in den Zwischenspeicher geleitet wird und für die nachfolgende Herstellung des oder der Prüfkörper aus diesem Kunststoffmaterialgemisch gemäß dieser Rezeptur zur Verfügung steht. Es ist auch möglich, das Organ 35 in eine Verschlußstellung zu verfahren, was den Druckaufbau im Extruder unterstützt.

Vorzugsweise wird das Organ 30 ebenfalls abängig von den Signalen des Drucksensors betrieben, um einen übermäßigen Druckaufbau bzw. einem Druckabfall stromab des Extruders entgegenzuwirken.

Vorzugsweise wird das Sperr- und Entlastungsorgan 30 ferner im Zusammenhang mit der oder den Dosierstationen 12, 12.1 bis 12.n betrieben. So kann beispielsweise das Sperr- und Entlastungsorgan 30 in die Entlastungsstellung verfahren werden, wenn durch eine Steuerung erkannt wird, dass über eine Dosierstation eine nicht korrekte Mischung von Ausgangsprodukten zugeführt wird. In diesem Fall weist die plastifizierte Kunststoffmasse nicht die Zusammensetzung gemäß der vorgebenen Rezeptur auf und kann dementsprechend aus dem System abgeleitet werden, bis eine korrekte Dosierung für diese Rezeptur erzielt ist.

In der hier nicht dargestellten Steuerung des Spritzgießcompounders sind eine oder mehrere Versuchreihen mit Rezepturen an Kunststoffmaterialgemischen hinterlegt oder können von einem Datenträger in die Steuerung eingelesen werden. Die Steuerung des Spritzgießcompounders „arbeitet" die Versuchsreihen automatisch ab, wobei die Rezepturen automatisch mittels der Dosierstationen richtig eingestellt werden können.

Der Einfachheit halber nicht dargestellt sind an sich bekannte Handlingsgeräte und Prüfeinrichtungen, um den oder die Prüfkörper nach jedem Spritzgießzyklus aus der Form 60 entnehmen und untersuchen zu können.

Einzelheiten über die einzusetzenden Antriebe sowie über eine Regeleinrichtung für den Zwischenspeicher 40 sowie für das Sperr- und Entlastungsorgan 30 sind hier nicht angegeben, da deren Umsetzung dem Fachmann geläufig ist.


Anspruch[de]
Verfahren zur automatisierten Entwicklung einer gewünschten Materialzusammensetzung, wobei aus mehreren Ausgangsmaterialien unterschiedliche Materialzusammensetzungen (Rezepturen) gebildet werden, aus denen Prüfkörper mit entsprechend unterschiedlichen Mateirialzusammensetzungen hergestellt und in einer Prüfeinrichtung untersucht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Rezepturen in einem Spritzgießcompounder verarbeitet und zu den Prüfkörpern geformt werden, wobei die unterschiedlichen Rezepturen in der Steuerung des Spritzgießcompounders hinterlegt sind oder von einem Datenträger oder über eine Datenleitung in die Steuerung eingelesen werden können, und wobei die unterschiedlichen Rezepturen automatisch entsprechend einer vorgegebenen Versuchsreihe abgefahren und Prüfkörper unterschiedlicher Materialzusammensetzung automatisch hergestellt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Spritzgießzyklus oder nach einer bestimmten Anzahl von Prüfkörpern einer Rezeptur die Plastifizier- und Einspritzeinheit des Spritzgießcompounders von der gerade gespritzten Rezeptur gereinigt wird und dass eine neue Rezeptur in der Plastifizier- und Einspritzeinheit aufbereitet und zu einem Prüfkörper mit einer nächsten Materialzusammensetzung geformt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Spritzgießzyklus oder nach einer bestimmten Anzahl von Prüfkörpern die gerade gespritzte Rezeptur über ein Ausschleusventil aus der Plastifizier- und Einspritzeinheit des Spritzgießcompounders abgelassen wird, und dass eine neue Rezeptur in der Plastifizier- und Einspritzeinheit aufbereitet und zu Prüfkörpern mit der nächsten Materialzusammensetzung geformt wird, wobei zunächst eine Anzahl von Reinigungs-Prüfkörpern hergestellt und aus der Versuchsreihe ausgeschleust wird, bevor die eigentlichen Prüfkörper hergestellt und untersucht werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkörper einer Versuchsreihe automatisch aus dem Prüfkörper-Formwerkzeug entnommen und an die nachfolgende Prüfeinrichtung übergeben werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ausgangsmaterial entsprechend der zu fahrenden Rezeptur hinsichtlich Masse und/oder Volumen abgemessen von einer Dosiervorrichtung in die Plastifiziereinheit eingegeben wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Ausgangsmaterial eine eigene Dosiervorrichtung zugeordnet ist. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsmaterialien in einem Mischer vermischt und dann als Mischung in die Plastifiziereinheit eingegeben werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterialien verschiedene Kunststoffe und/oder Füll- und Verstärkungstoffe und/oder Farbstoffe verwendet werden.






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