AT511088B1 - Extruder zur verarbeitung von kunststoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Extruder mit einer mit zumindest einem Schneckensteg (1, 2) versehenen Schnecke (3) welche in einem Zylinder (4) drehbar gelagert ist, wobei der Zylinder (4) eine sich über einen Teil seiner axialen Länge erstreckende Einzugszone (5) aufweist, welche mit zumindest einer zwischen benachbarten Zylinderstegen (6) gebildeten Nut (7) versehen ist, wobei angrenzend an die Einzugszone (5) eine Aufschmelzzone (8) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (4) in Förderrichtung angrenzend an die Einzugszone (5) einen Durchmesser aufweist, welcher im Wesentlichen gleich ist zu dem Durchmesser im Grund der Nuten (7) und dass die Schnecke (3) in Förderrichtung angrenzend an die Einzugszone (5) einen größeren Durchmesser aufweist, als im Bereich der Einzugszone (5).

Description

österreichisches Patentamt AT 511 088 B1 2012-09-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Extruder zur Verarbeitung von Kunststoffen, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, so wie er beispielsweise in der DE 199 28 870 A1 beschrieben ist. Im Einzelnen betrifft die Erfindung insbesondere einen Einschneckenextruder, ist jedoch nicht hierauf beschränkt.

[0002] Nutbuchsenextruder sind seit vielen Jahren bekannt und werden eingesetzt, um eine hohe und zum Teil gegendruckunabhängige Förderwirkung durch Erhöhung der Feststoffreibung am Zylinder bzw. Erhöhung der übertragbaren Schubkräfte zu erreichen. Um am Zylinder möglichst hohe Schubkräfte übertragen zu können, werden in diesen über eine Länge, die ungefähr drei- bis fünfmal dem Schneckendurchmesser entspricht, achsenparallele oder auch wendeiförmige, konisch auslaufende Nuten (abnehmende Nutentiefe) mit unterschiedlichen Querschnitten (z.B. rechteckig, sichelförmig, halbrund) eingearbeitet. Die Nuten sind hierbei in der Feststoffförderzone eingesetzt und laufen in der Regel vor dem Ende der Feststoffförderzone aus. Die Schnecke weist über die gesamte Länge einen konstanten Außendurchmesser auf. Durch die hohe Förderwirkung und die geometrische Verengung des verfügbaren Volumens beim Ende der Nuten kann ein hoher Druck aufgebaut und eine weitestgehend gegendruckunabhängige Förderung realisiert werden.

[0003] Der hohe Druck am Ende der Nuten verursacht wiederum erhöhten Verschleiß an Schnecke und Nutbuchse. Durch den hohen Druckaufbau, insbesondere bei hohen Schneckendrehzahlen, kommt es zu einer Erwärmung des Kunststoffes, was zu einer Bildung eines Schmelzefilms und einer Reduktion des spezifischen Ausstoßes (Ausstoß je Schneckenumdrehung) führen kann.

[0004] Ein Ansatz, diese Druckerhöhung zu vermindern, ist, die Nut durchlaufend zu gestalten und neben der Feststoffförderzone auch die Aufschmelzzone und die Austragszone mit Nuten im Zylinder zu versehen. Ein derartiges System ist in der DE 199 28 870 A1 beschrieben. Dieses Konzept hat jedoch den Nachteil, dass speziell im Bereich der Austragszone in den Nuten Stagnationen des aufgeschmolzenen Polymers auftreten können, was zu erhöhter Verweilzeit und zum Abbau des Polymers führen kann.

[0005] Eine Extruderschnecke wird üblicherweise in drei Zonen, die Feststoffförderzone, die Aufschmelzzone und die Schmelzeförderzone eingeteilt. In der Feststoffförderzone liegt das zu verarbeitende Polymer als Feststoff vor und wird im Schneckengang nach vorne gefördert. In der Aufschmelzzone, welche klassisch oder mit einem Barrieresteg an der Schnecke ausgeführt sein kann, wird das Polymer mit Hilfe von Scherung und Wärme aufgeschmolzen, bis am Ende dieser Zone nur Schmelze vorliegt. In der Schmelzeförderzone erfolgt die Homogenisierung der Schmelze. Gegebenenfalls befinden sich auch Scher- und/oder Mischteile an der Schnecke.

[0006] Die Bezeichnungen vorne und hinten beziehen sich auf den Materialfluss: Hinten von der Einfüllöffnung entlang der Schnecke nach vorne zur Schneckenspitze hin. Am vorderen Ende des Extruders ist meist über einen Flansch ein formgebendes Werkzeug angeordnet.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Extruder der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit einen hohen Wirkungsgrad aufweist und die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

[0008] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0009] Ziel der Erfindung ist es somit, einen hohen spezifischen Ausstoß über einen weiten Drehzahlbereich zu realisieren, den Druckanstieg speziell am Ende der Nuten und die Temperaturerhöhung der Schmelze gering zu halten. Ein weiteres Ziel ist somit eine optimale Selbstreinigung der Nuten, sodass kein Material in den Nuten stagniert und abgebaut wird. Neben dem Vermeiden von Materialabbau, kommt der guten Selbstreinigung auch bei der Verarbeitung verschiedener Rezepturen und dem dabei notwendigen Material- und Farbwechsel eine große Bedeutung zu. Ebenso soll durch den neuartigen Extruder sichergestellt werden, dass 1 /7 österreichisches Patentamt AT 511 088 B1 2012-09-15 ausreichend Kunststoffgranulat eingezogen wird und somit ein hoher Ausstoß bei entsprechender Extruderdrehzahl möglich ist.

[0010] Um eine erhöhte Förderwirkung zu erzielen. Ist im Feststoffförderbereich ein formschlüssiges Halten des Granulats notwendig. Dieser Formschluss wird durch sogenannte Nuten hergestellt.

[0011] Anstatt Nuten ins Material des Zylinders einzuarbeiten, können auch Stege aus dem Zylinder herausragen und im Zwischenraum wiederum Nuten formen. Beide Ausführungsvarianten sind für die Erfindung möglich. Der einfacheren Verständlichkeit wegen, wird jedoch in der folgenden Beschreibung von Nuten gesprochen.

[0012] Bei dem erfindungsgemäßen Extruder sind nicht die Nuten auslaufend, sondern die Stege. Der Durchmesser des Zylinders entspricht am Ende der Nuten in etwa dem Durchmesser vor dem Auslaufen der Nuten zuzüglich der zweifachen Nutentiefe. Durch diese konstruktive Maßnahme ergibt sich am Ende der Nuten ein größeres Volumen und damit wird eine Druckspitze vermieden.

[0013] Gleichzeitig nimmt der Schneckenaußendurchmesser im Bereich, wo keine Nuten mehr vorliegen, zu. Der Schneckenaußendurchmesser nimmt etwa um den doppelten Wert zu, den die Nuten am Ende als Tiefe haben. Dadurch entspricht der Schneckenaußendurchmesser wieder, bis auf ein notwendiges Spiel, dem Zylinderdurchmesser.

[0014] Der Kerndurchmesser der Schnecke kann gleich bleiben, sich auch erhöhen oder gesenkt werden. Gleichzeitig mit der Änderung des Außendurchmessers kann auch die Gangtiefe, die Steigung, die Stegbreite oder die Gängigkeit der Schnecke verändert werden.

[0015] In einer weiteren Ausführungsvariante ist der genutete Bereich auch länger und die Nuten laufen erst im Bereich der Aufschmelzzone aus. Die Länge des genuteten Bereichs kann zwischen dem 3-fachen und 20-fachen, vorzugsweise zwischen dem 4-fachen und 15-fachen der Länge oder zwischen 5% bis 80%, vorzugsweise zwischen 10% bis 60% der gesamten Schneckenlänge betragen. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere am Beginn der Aufschmelzzone die Nuten den Aufschmelzvorgang beschleunigen können. Liegt jedoch bereits mehr Schmelze wie Feststoff vor, wird durch die Nuten keine Verbesserung mehr erreicht, sodass diese im zweiten Bereich der Aufschmelzzone endend ausgeführt sind.

[0016] Das Ende der Stege, also das Ende der genuteten Zone, kann abgestuft, oder auch konisch auslaufend gestaltet sein. Ist das Ende abgestuft, ergibt sich auch in der Schnecke eine abgestufte Erhöhung des Schneckenaußendurchmessers, während bei einem konischen Auslaufen der Schneckenaußendurchmesser ebenfalls konisch erhöht wird.

[0017] Der Schneckensteg kann durchlaufen und wird im Bereich des Auslaufens der Nuten entsprechend erhöht, sodass sich der Außendurchmesser bis auf ein notwendiges Spiel dem Zylinderdurchmesser angleicht. Es ist aber auch möglich den Schneckensteg zu unterbrechen und mit einem neuen Schneckensteg weiter zu fördern. Dabei können die Stege auch zueinander versetzt sein.

[0018] Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass sowohl die Schnecke, wie auch der Zylinder, im Einzugsbereich konisch ausgeführt sind. Das heißt, dass der Außendurchmesser vom Einfülltrichter über die Einzugszone bis zumindest teilweise der Aufschmelzzone hin entsprechend abnimmt.

[0019] Dieser Bereich entspricht vorzugsweise auch dem genuteten Bereich des Zylinders. Mit dem konischen Einzugsbereich kann eine größere Menge an Kunststoffgranulat, Pulver, Gries oder Recyclat, eingezogen werden. Dies ist insbesondere bei sogenannten Schnellläufern, also Extrudern, die mit einer hohen Schneckendrehzahl betrieben werden, von Vorteil. Ebenso ist dies bei der Verarbeitung von Materialien mit geringer Schüttdichte vorteilhaft.

[0020] Im Falle einer konischen Schnecke und entsprechenden konischen Nuten mit einer anschließenden parallelen Zone, können die Nuten durch den Konus frei in der parallelen Zone auslaufen. Dadurch ist wiederum kein Auslaufwiderstand für das Material gegeben und eine 2/7 österreichisches Patentamt AT 511 088 B1 2012-09-15

Druckspitze kann vermieden werden.

[0021] Die Ausführungsform im genuteten Bereich kann als eingesetzte Nutbuchse, als im Zylinder ausgearbeitete Nuten, oder durch Stege, die in den Zylinder hineinragen, ausgeführt sein. Die Tiefe der Nuten kann über die Länge konstant bleiben, oder einen beliebigen Verlauf eines Tiefenprofils aufweisen. Es ist ebenso möglich, insbesondere wenn die Nuten durch Stege gebildet werden, dass diese verstellbar sind und somit die Förderwirkung des Extruders einstellbar ist.

[0022] Die Querschnittgeometrie der Nuten kann, wie in der Zeichnung dargestellt, annähernd quaderförmig, aber auch dreieckig, halbrund oder jede andere beliebige Geometrie sein. Die Querschnittsfläche der Nuten zur Querschnittsfläche der Stege kann jedes beliebige Verhältnis einnehmen. Ebenso kann auch nur eine Nut verwendet werden. Die Nuten können rein axial verlaufen, oder auch als Wendelnuten ausgeführt sein. Es ist möglich die Nuten in einem Bereich des Zylinders axial und anschließend gewendelt auszuführen, oder umgekehrt.

[0023] Die verwendete Schnecke kann eine klassische Drei- oder Mehrzonenschnecke oder auch eine Barriereschnecke sein.

[0024] Der Zylinder kann einstückig gefertigt werden, oder auch aus mehreren Teilen bestehen, welche zu einem Zylinder verbunden werden. Die Teilung des Zylinders kann hier sowohl axial, wie auch radial erfolgen und auch mehrfach vorliegen. Durch eine mehrstückige Fertigung ergibt sich die Möglichkeit der Demontage und damit eines einfacheren Schneckenziehens, falls dieses notwendig ist.

[0025] Durch die erfindungsgemäße Ausführung ergibt sich keine Druckspitze, somit geringerer Verschleiß an der Anlage. Durch die niedrigeren Drücke wird auch eine erhebliche Temperaturerhöhung des Kunststoffes vermieden. Mit dem Extruder ergibt sich durch die Ausführung der Nuten bis in den Aufschmelzbereich eine verbesserte Förderwirkung, insbesondere, da auch die Aufschmelzgeschwindigkeit erhöht wird. Durch das parallele Auslaufen der Nuten ohne Reduktion der Nutentiefe und den offenen Endquerschnitt ergibt sich weiters eine bessere Selbstreinigung der Nuten und eine hoher spezifischer Ausstoß über einen weiten Drehzahlbereich.

[0026] Die erfindungsgemäß vorgesehenen Nuten können sich, wie erwähnt, nicht nur längs der Einzugszone erstrecken, sondern auch in einen Teil der Aufschmelzzone. Solange noch einzelne Feststoffpartikel im System vorliegen, erweist es sich als vorteilhaft, wenn in dem Zylinder Nuten ausgebildet sind.

[0027] Die Erfindung ist insbesondere auch für schnelllaufende Schnecken vorteilhaft anwendbar, welche beispielsweise mit 1500 min"1 drehen.

[0028] Um einen günstigen Übergang zwischen dem mit Nuten versehenen Bereich und dem nachfolgenden Bereich vorzusehen, ist es auch möglich, den Querschnitt der Nuten größer werdend auszubilden, beispielsweise, indem die Stege eine abnehmende Umfangsbreite oder eine abnehmende Umfangshöhe aufweisen.

[0029] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt: [0030] Fig. 1 eine axiale Teil-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Extruders, [0031] Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie A-A von Fig. 1, und [0032] Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß der Linie B-B von Fig. 1.

[0033] Erfindungsgemäß weist der Extruder eine Schnecke 3 auf, welche um eine Drehachse 9 drehbar ist. Die Schnecke 3 weist einen Kerndurchmesser 10 auf, welcher über den in Fig. 1 gezeigten Bereich konstant ist. Der Kern der Schnecke 3 ist somit zylindrisch ausgebildet.

[0034] Es kann von Vorteil sein, den Kerndurchmesser im Einzugsbereich variabel zu gestalten. Eine zunehmende Gangtiefe der Schnecke wird eine weitere Druckreduktion bewirken. Eine 3/7 österreichisches Patentamt AT511 088B1 2012-09-15 abnehmende Gangtiefe dagegen kann zur Erhöhung der gegendruckunabhängigen Förderwirkung beitragen, aber auch den Druck im Einzugsbereich erhöhen.

[0035] An der Außenseite des Kerns der Schnecke 3 sind Schneckenstege 1, 2 ausgebildet, welche sich schraubenlinienförmig oder wendeiförmig erstrecken, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Fig. 1 zeigt einen Schneckensteg 1 mit einem Außendurchmesser 11, welcher in einer Einzugszone 5 eines Zylinders 4 des Extruders angeordnet ist.

[0036] Angrenzend an die Einzugszone 5 ist eine Aufschmelzzone 8 vorgesehen. In dieser ist zumindest ein Schneckensteg 2 ausgebildet, welcher einen Außendurchmesser 12 aufweist, welcher größer ist, als der Außendurchmesser 11.

[0037] Die Schneckenstege 1 und 2 weisen einen möglichst geringen Randspalt zur Innenwan-dung des Zylinders 4 auf, so wie dies aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt ist.

[0038] Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel (siehe auch Fig. 2) sind am Umfang des Zylinders 4 in der Einzugszone 5, gleichmäßig um den Umfang verteilt, mehrere Nuten 7 vorgesehen, welche zwischen erhabenen, radial nach innen vorstehenden Zylinderstegen 6 ausgebildet sind. Die Nuten 7 werden somit durch die Zylinderstege 6 ausgebildet. Die radiale Tiefe der Nuten ist durch die Nutentiefe 13 bzw. durch die sich daraus ergebende Höhe der Zylinderstege festgelegt, siehe Fig. 1.

[0039] Erfindungsgemäß ist der radiale Innendurchmesser der Nuten 7 im Bereich der Einzugszone 5 gleich dem radialen Innendurchmesser im Bereich der Aufschmelzzone 8. Am Nutende 14 bzw. am Ende der Zylinderstege 6, welche die längs- bzw. wendeiförmig in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten (siehe Fig. 2) definieren, ergibt sich somit, wie in Fig. 1 gezeigt, ein Durchmessersprung, welcher sich auch in den unterschiedlichen Außendurchmessern 11 und 12 der Schneckenstege 1 und 2 widerspiegelt.

[0040] Die Fig. 2 zeigt in der Schnittansicht lediglich einen Schneckensteg 1. Es versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung auch eine mehrgängige Schnecke vorgesehen sein kann.

[0041] Die Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht längs der Linie B-B und somit eine Ansicht auf das stirnseitige Ende des mit den Zylinderstegen 6 versehenen Bereichs der Einzugszone 5. Dabei ist insbesondere ersichtlich, dass in der in Fig. 3 gezeigten Ausgestaltungsvariante die Zylinderstege 6 eine in Umfangsrichtung abnehmende Breite aufweisen können, so dass sich gleichsam konisch erweiternde Nuten 7 ergeben, welche einen gleichmäßigeren Übergang zu dem einen größeren freien Durchmesser aufweisenden Bereich der Aufschmelzzone 8 ergeben.

[0042] Die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann auch bei konischen Einschneckenextrudern, bei welchen die Einzugszone 5 konisch ausgebildet ist, vorgesehen werden, so wie bei Doppel-und Mehrschneckenextrudern, insbesondere bei parallelen und konischen Gleichläufern.

BEZUGSZEICHENLISTE 1,2 Schneckensteg 3 Schnecke 4 Zylinder 5 Einzugszone 6 Zylindersteg 7 Nut 8 Aufschmelzzone 9 Drehachse 10 Kerndurchmesser 11, 12 Außendurchmesser 13 Nutentiefe 14 Nutenende 4/7

Claims (10)

1. österreichisches Patentamt AT 511 088 B1 2012-09-15 Patentansprüche 1. Extruder mit einer mit zumindest einem Schneckensteg (1, 2) versehenen Schnecke (3), welche in einem Zylinder (4) drehbar gelagert ist, wobei der Zylinder (4) eine sich über einen Teil seiner axialen Länge erstreckende Einzugszone (5) aufweist, welche mit zumindest einer zwischen benachbarten Zylinderstegen (6) gebildeten Nut (7) versehen ist, wobei angrenzend an die Einzugszone (5) eine Aufschmelzzone (8) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (4) in Förderrichtung angrenzend an die Einzugszone (5) einen Durchmesser aufweist, welcher im Wesentlichen gleich ist zu dem Durchmesser im Grund der Nuten (7) und dass die Schnecke (3) in Förderrichtung angrenzend an die Einzugszone (5) einen größeren Durchmesser aufweist, als im Bereich der Einzugszone (5).
2. 2. Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzugszone (5) mit konstantem Durchmesser oder konisch mit einem in Förderrichtung kleiner werdenden Durchmesser ausgebildet ist.
3. 3. Extruder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (7) mit einem sich über ihre Länge gleichbleibenden Querschnitt oder mit einem sich ändernden Querschnitt, insbesondere mit einem sich in Förderrichtung zum Ende der Nuten (7) vergrößerten Querschnitt versehen sind.
4. 4. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schneckendurchmesser von der Einzugszone (5) zu dem in Förderrichtung angrenzenden Bereich sprunghaft vergrößert, wobei die radiale Höhe der Zylinderstege (6) über die Länge der Einzugszone (5) im Wesentlichen konstant ist, oder dass sich der Schneckendurchmesser von der Einzugszone (5) zu dem in Förderrichtung angrenzenden Bereich kontinuierlich vergrößert, wobei die radiale Höhe der Zylinderstege (6) über die Länge der Einzugszone (5) abnimmt.
5. 5. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Schnecke (3) von der Einzugszone (5) zu dem angrenzenden Bereich um 3% bis 10% zunimmt, oder dass der Durchmesser der Schnecke (3) von der Einzugszone (5) zu dem angrenzenden Bereich um die doppelte Tiefe der Nuten (7) zunimmt.
6. 6. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (7) eine axiale Länge aufweisen, welche gleich ist dem vier- bis fünfzehnfachen Außendurchmesser der Schnecke (3) oder zwischen 5% bis 80%, vorzugsweise zwischen 10% und 60% der gesamten Schneckenlänge beträgt.
7. 7. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (7) in Axialrichtung parallel zur Drehachse (9) der Schnecke (3) verlaufend oder gewendelt ausgebildet sind.
8. 8. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (7) durch Zylinderstege (6) gebildet werden, welche den Zylinder (6) der Einzugszone (5) durchgreifen, wobei die Zylinderstege (6) bevorzugt in Radialrichtung verstellbar sind und/oder dass die Stegfläche größer ist als die Nutfläche.
9. 9. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zylinderstege (6) bis in zumindest einen Teil der an die Einzugszone (5) angrenzenden Aufschmelzzone (8) erstrecken.
10. 10. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzugszone (5) und zumindest ein Teil der Aufschmelzzone (8) konisch mit veränderlichem Schneckenaußendurchmesser und Zylinderdurchmesser ausgebildet ist und/oder dass sich an den konischen Bereich ein zylindrischer Bereich anschließt und/oder dass die Nuten (7) mit einem parallelen offenen Nutenauslauf ohne Reduktion der Nutentiefe ausgebildet sind. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 5/7