Schneckenpresse mit einfacher Schnecke
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schneckenpresse, beispielsweise eine Strangpresse oder eine Spritzgussmaschine, mit einer als Plastifizierungselement angeordneten einfachen Schnecke, die in einem Zylinder drehbar ist, und mit einem Magazin zur Zufuhr von Material von einem dazu gehörenden Auslass zu einem Einlass der Schnecke.
Bekanntlich wird Polyvinylchlorid bei zu hohen Erweichungstemperaturen abgebaut, jedenfalls wenn die darin vorkommenden Stabilisatoren verbraucht sind. Zu einem solchen Abbau kann es unter anderem bei Auftreten von Reibungswärme kommen, die beispielsweise durch zu hohe Umlaufzahlen der Schnecke oder zu niedrige Temperatur des Zylinders verursacht wird. Bei der Weichmachung aller Thermoplaste und insbesondere von festem Polyvinylchlorid ist es erwünscht, dass der Kunststoff in der Strangpresse so schonend wie möglich behandelt wird.
In konventionellen Schneckenpressen mit einfacher Schnecke muss diese sich ganz und gar selbst füllen.
Dies ist jedoch beispielsweise bei der Weichmachung von Polyvinylchlorid weniger angebracht, da es hierbei zu etlichen schwer zu bemeisternden Problemen kommt.
Erstens muss die Luftmenge, die in dem als Ausgangsmaterial verwendeten granulierten oder pulverförmigen Kunststoff vorhanden ist und mit diesem in die Schnecke gerät, sowie Gase, die im Kunststoff entwickelt werden, im Gegenstrom zum Materialfluss in der Schnecke ausgepresst werden, um durch deren Zuflussende und das Magazin abzugehen. Um mit diesem Problem fertig zu werden, hat man bisher dem Zylinder, der die Schnecke umgibt, an zweckmässigen Stellen Entlüftungslöcher angebracht, um die Luft und Gase durch diese Entlüftungslöcher auspressen zu können. Falls die Schnecke bereits vom Zuflussende aus vollkommen mit Material und darin eingeschlossener Luft gefüllt ist, entstehen weiterhin bei verschiedenen Litergewichten, bei verschiedenen Zusammensetzungen, Korngrössen usw.
Kompressionsprobleme, auch wenn das Ausgangsmaterial gleich ist. Schliesslich entsteht bei der Weichmachung von festem Polyvinylchlorid ein Drehmoment, das ganz wesentlich grösser ist als bei der Weichmachung von anderen Thermoplasten, wenn die Schnecke vollkommen mit Material angefüllt ist. Dies hat wiederum zu bedeuten, dass die Antriebsvorrichtung überdimensioniert und die Umlaufzahl reduziert werden muss. Bei beginnendem Abbau des in der Schnecke befindlichen Materials kann das Drehmoment aber dennoch so gross werden, dass die Antriebsvorrichtung der Maschine die Schnecke zuweilen nicht zu rotieren vermag. Die Maschine kommt dann ganz einfach zum Stillstand, und dann ist die zeitraubende und teure Arbeit erforderlich, die Maschine auseinandernehmen und Maschine und Werkzeug reinigen zu müssen, wodurch es zu einem Betriebsverlust kommt.
Bei der Weichmachung von festem Polyvinylchlorid in einer Schneckenpresse mit einfacher Schnecke ist es bisher nicht möglich gewesen, mit Schnecken, die sich selbst füllen, eine Zusammensetzung zustande zu bringen, die hinsichtlich der Kosten des Ausgangsmaterials genauso vorteilhaft ist, wie die entsprechende Zusammensetzung einer Schneckenpresse mit doppelten Schnecken, was darauf zurückzuführen ist, dass die mechanische Belastung des Materials in einer selbstfüllenden, einfachen Schnecke stärker ist als die mechanische Belastung, mit der man bei einer Presse mit doppelten Schnecken zu rechnen hat.
Bei einer selbstfüllenden einfachen Schnecke wird ausserdem diese mechanische Belastung des Materials ganz erheblich stärker, das dem Kerndurchmesser der Schnecke am nächsten liegt, als die des Materials, das dicht an dem Zylinder liegt, und zwar weil das Material mittels der Schnecke hauptsächlich axial vorgeschoben wird, ohne in seine Rotationsbewegung einbezogen zu werden. Im dem Kerndurchmesser am nächsten liegenden Material kommt es dann zu einer stärkeren Reibungswirkung als im dem Zylinder am nächsten liegenden Material, wobei als Begleiterscheinung eine stärkere Wärmeentwicklung im dem Kerndurchmesser der Schnecke am nächsten liegenden Material auftritt, was bedeutet, dass die Weich machung des Produktes ungleichmässig ausfällt.
Die Schnecke kann hierbei ganz nach den Kompressions- verhältnissen und anderen Faktoren bis zu einer Temperatur erhitzt werden, die im Verhältnis zur an dem Zylinder eingestellten Temperatur so hoch liegt, dass man die Schnecke kühlen muss, indem man ein Kühlmittel in einen in dieser vorhandenen, zentralen Kanal einführt. Eine solche Temperierung der Schnecke ist selbstverständlich nicht die richtige Lösung des Problems der Erreichung einer schonenden Behandlung des Materials in einer Schneckenpresse mit einfacher Schnecke. Das einzige, was man mit der Temperierung der Schnecke erreicht, ist, dass ein Überschuss der entstandenen Reibungswärme abgeleitet wird, die unsanfte Behandlung des Materials und mitfolgende Verteuerung der Zusammensetzung bleiben jedoch bestehen.
Die Erfindung bezweckt die Beseitigung der vorstehend erwähnten Probleme, was an einer Schneckenpresse der einleitend besagten Art dadurch erreicht wird, dass Öffnungen in dem Gewinde in der Plastifizie- rungszone der Schnecke als axiale Entgasungsverbin- dung zwischen der Plastifizierungszone der einen einzigen Gewindeeingang aufweisenden Schnecke und dem Einlass der Schnecke angeordnet sind, wobei die Plastifizierungszone vom Einlass der Schnecke durch ein zusammenhängendes Gewinde, das sich vom Einlass zur Plastifizierungszone hin über einen wesentlichen Teil der axialen Länge der Schnecke erstreckt, getrennt ist.
Durch die Erfindung wird eine schonendere Behandlung des Materials in einer Schneckenpresse erzielt, was unter anderem auch zu bedeuten hat, dass sich die zur Zusammensetzung gehörende Menge von Stabilisatoren und Schmiermitteln vermindern lässt, so dass die Zusammensetzung sogar billiger wird als die entsprechende Zusammensetzung einer Schneckenpresse mit doppelten Schnecken. Dies ist sowohl aus technischen als auch wirtschaftlichen Gründen von grossem Wert, unter anderem weil die Anschaffung einer Schneckenpresse mit einfacher Schnecke billiger ist als eine entsprechende Maschine mit doppelten Schnecken, aber auch weil eine Maschine mit einfacher Schnecke eine grössere Leistung hat und universeller benutzt werden kann als eine entsprechende Maschine mit doppelten Schnecken.
Währed man bei einer selbstfüllenden Schnecke die mechanische Belastung des Materials nur durch Regulierung der Zylindertemperatur und der Schneckendrehzahl regeln kann, hat man bei einer gemäss der Erfindung angeordneten Schneckenpresse eine weitere Regulierungsmöglichkeit durch Dosieren des Ausgangsmaterials zur Schnecke, wodurch der Ablass der Luft und Gase von der Schnecke in bisher nicht bekannter Weise ermöglicht wird.
Zur Verdeutlichung der Erfindung wird diese nachstehend unter Hinweis auf die beigefügte Zeichnung beispielsweise näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Axialschnitt einer Strangpresse gemäss der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 und
Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie III-III in Fig. 1.
Zur auf der Zeichnung gezeigten Strangpresse gehört ein Zylinder 10, in dem eine axial nichtverschiebbare Schnecke 11 rotierbar gelagert ist, deren Schnekkenkanal mit einer Einlauföffnung 12 am Zuflussende und mit einer Auslauföffnung 13 am Auslassende der Schnecke kommuniziert, wobei diese Auslauföffnung in einem Werkzeug 14 angebracht ist, das mittels eines Werkzeughalters 15 mit dem Zylinder 10 verbunden ist.
Die Schnecke ist in konventioneller Weise mit einem nicht gezeigten Antriebsmotor verbunden, um von diesem rotiert zu werden. Der Zylinder 10 ist von Heizkörpern 16 umgeben, mit denen er sich auf eine vorher bestimmte Temperatur erwärmen lässt. Auf dem Ständer 17 ist ein trichterförmiges Magazin 18 für das Ausgangsmaterial angebracht, das in der Strangpresse erweicht werden soll, und dieses Magazin weist unten eine Auslauföffnung 19 auf. Die Auslauföffnung 19 ist durch ein Dosierventil 20 einstellbar, das aus einem Gehäuse 21 mit einer darin drehbar angebrachten, durchbohrten zylindrischen Ventilspindel 22 besteht, an der ein Betätigungshebel 23 angebracht ist.
Das Gehäuse hat eine durch eine Ventilspindel einstellbare, durchgehende Öffnung 24, die oben mit der Auslauföffnung des Magazins 18 in Verbindung steht und unten vertikal frei oberhalb der Zuflussöffnung 12 zur Schnecke 11 im Abstand zu dieser mündet, der der Höhe der Ständer 17 entspricht, so dass man die durch das Ventil dosierte Materialmenge unbehindert überwachen kann, die in die Einlauföffnung 12 abrinnt. Indem man die Ventilspindel 21 mittels des Betätigungshebels 23 dreht, bewirkt man, dass eine grössere oder kleinere Material- menge in freiem Fall vom Magazin 18 in die Einlauf öffnung 12 abrinnt, wobei am Magazin eventuell eine elektromagnetische Vibrafionsvorriditung zur vollständigen Beherrschung der Materialdosierung anmontiert sein kann.
Bei beginnendem Abbau des Materials in der Schnecke lässt sich die Materialdosierung undloder die Schneckendrehzahl durch einen einfachen Handgriff vermindern, wobei die Belastung des in der Schnecke bearbeiteten Materials gleichzeitig mit der Behebung des Abbaus reduziert wird. Durch die Dosierung des Materials zur Schnecke, so dass die Schnecke an ihrem Zuflussende nur die gewünschte, vorher bestimmte Materialmenge erhält, wird das zum Betrieb der Schnecke erforderliche Drehmoment erheblich kleiner als bei einer selbstfüllenden Schnecke, und daher kann die Umdrehungszahl der Schnecke zur Erreichung der gleichen Menge von plastifiziertem Material pro Zeiteinheit wie bei einer Schnecke, die sich ganz und gar selbst füllt, gesteigert werden.
Durch das beschriebene Dosierventil 20 wird somit die der Einlauföffnung 12 zugeführte Materialmenge begrenzt, so dass sich die Schnecke nicht beliebig selbst füllen kann. Dies hat jedoch gleichzeitig zu bedeuten, dass in die Strangpresse zusammen mit dem Material aus dem Magazin 18 eine grössere Luftmenge eingeführt wird, und dies ist, wie bereits erwähnt, unerwünscht.
Gemäss der Erfindung ist die Schnecke daher so geformt, dass eine effektive Entlüftung erfolgt.
Zwecks Auslass der grösseren Luftmenge, die dem der Einlauföffnung 12 zugeführten Materials durch das Dosierverfahren beigemischt wird und auch im Material entwickelter Gase weist die Schnecke 11 eine Anzahl von Schlitzen 25 im Schneckengewinde auf, die hauptsächlich radial in Ebenen angebracht sind, die hauptsächlich winkelrecht zur Schneckenachse liegen. Diese Schlitze dienen zum Verdichten und zur Entlüftung des Materials in einer Plastifizierungszone und tragen gleichzeitig zur Knetung und Homogenisierung des plastifizierten Materials bei. Die gleichzeitige Fräswir- kung im Material, zu der es durch die Rotation der Schnecke zum axial vorgeschobenen Material an den Schlitzen kommt, bewirkt eine vorwärts gerichtete Kraft, die dem Druck auf die Lagerung der Maschine entgegenwirkt, was ihre Haltbarkeit verlängert.
Durch die Rotation der Schnecke drückt die vordere Flankenflä- che 26 des Schneckengewindes das Material vorwärts, wobei aber, wie auf der Zeichnung angedeutet, Luft an der entgegengesetzten, hinteren Flankenfläche 27 vorhanden ist. Diese Luft ist jedoch nicht eingeschlossen, da sie dank der direkten, offenen Verbindung mit der Einlauföffnung 12 frei durch die Schnecke nach hinten abgehen kann. Die Schlitze beginnen im axialen Abstand von der Einlauföffnung 12, so dass die Plastifizie- rungszone vom Einlass 12 durch ein zusammenhängendes Gewinde getrennt ist, und zweckmässigerweise wird die Materialmenge im Verhältnis zur Drehzahl der Schnecke in der Weise bemessen, dass im Schneckenkanal bis zum Anfang der Schlitze immer Raum zum Durchlass der Luft durch das Material zurück zur Einlauföffnung 12 und dann ins Freie hinaus vorhanden ist.
Da das Material im vorderen Teil der Schnecke gut entlüftet ist, können die Schlitze im Abstand vom Ausflussende der Schnecke aufhören, und somit genügt es, die Schlitze 25 wie in der gezeigten Ausführung über dem mittleren Teil der Schnecke anzuordnen. Von der Einlauföffnung können die Luft und Gase frei abgehen, ohne vom im Magazin 18 vorhandenem Material behindert zu werden. In einer konventionellen Strangpresse liegt das Material dagegen bis zur Einlauföff- nung 12 hin ganz kompakt im Magazin und übt einen solchen Druck aus, dass die Luft lieber mit in die Schnecke geht, als nach hinten abzuziehen, wie in der Maschine gemäss der Erfindung.
Wenn das Material in der Schnecke an der ersten Windung der Schnecke mit den Schlitzen 25 vorbeigelangt, bewirkt die Vorschubkraft, d. h. der Druck des Materials auf die vordere Flankenfläche 26, dass ein Teil des Materials durch die Schlitze 25 nach dem Teil des Schneckenkanals zurückgeht, der sich hinter der fraglichen Windung der Schnecke befindet, wobei gleichzeitig eingedrungene Luft und etwickelte Gase zurück- gedrängt werden, um durch die Einlauföffnung 12 auszuströmen. Der Rest des Materials wird jedoch vorwärtsgeschoben, um vor der nächsten Windung in den Schneckenkanal zu gelangen, wo sich der gleiche Vorgang wiederholt.
In dieser Weise füllt die dosierte Materialmenge allmählich den Schneckenkanal aus, wobei gleichzeitig die durch das Dosierverfahren eingelassene Luft und entwickelte Gase zurückgedrängt werden, so dass man ganz sicher ist, dass der vordere Teil der Schnecke ganz mit Material angefüllt wird, das poren- frei ist.
Durch den Materialaustausch, der ständig von dem Teil des Schneckenkanals, der vor einer Windung der Schnecke liegt, nach dem Teil des Schneckenkanals hin erfolgt, der hinter der gleichen Windung liegt, soweit Schlitze in dem Gewinde der Schnecke angebracht sind, erhält man, wie erwähnt, eine bessere Knetung und Homogenisierung des in der Strangpresse vorhandenen Materials, als es bei konventionellen Strangpressen mit einfachen Schnecken der Fall ist. Diese Knetung und Homogenisierung des Materials wird grösser, je mehr und je breitere Schlitze pro Windung vorhanden sind, die in der Schnecke aufgenommen sind. Die Materialmenge, die in Wirklichkeit von Windung zu Windung der Schnecke vorgeschoben wird, entspricht dem Volumen des Schneckenkanals, vermindert um das Volumen, das die Schlitze darstellen.
Bei kontinuierlichem Betrieb einer Strangpresse mit einfacher Schnecke, die sich selbst füllt, beginnt nach gewisser Zeit der Abbau des Materials zwischen dem vorderen Ende der Schnecke und der vor dieser angebrachten Siebplatte, was zu bedeuten hat, dass die Maschine geöffnet und gereinigt werden muss und die in der Siebplatte angebrachten Siebtücher ausgewechselt werden müssen, wenn man einen totalen Abbau des Materials verhindern-will.
Zu diesem Phänomen kommt es früher oder später bei konventionellen Strangpressen mit einfacher Schnecke immer, und zwar erstens wegen der starken mechanischen Belastung, der das Material in derartigen Schnecken ausgesetzt ist, die eventuell keine Entlüftungsvorrichtung haben, und zweitens weil das der Zentrumachse der Schnecke und der Siebplatte am nächsten liegende Material nicht mit neuem Material ersetzt wird, sondern dort ganz oder teilweise still liegenbleibt, was zum Abbau führt. Der Grund hierfür ist wiederum der, dass ein Druckabfall entsteht, wenn das Material den Schneckenkanal verlässt und in den zwischen dem Ende der Schnecke und der Siebplatte vorhandenen Zwischenraum gelangt, um dann durch die Siebplatte abzugehen. Je stärker die mechanische Belastung bei der Materialbehandlung in der Schnecke selbst ist, um so höher wird der Druckabfall vor dem Ende der Schnecke.
Die mechanische Belastung kann im Verhältnis zu diesem Druckabfall vor der Schnecke so gross sein, dass Bestandteile des Materials ausgeschieden werden, was zu einer Betriebsstörung und Produktzerstörung führt.
Wenn das in der beschriebenen Strangpresse dosierte, porenfreie, gut geknetete und homogenisierte Material das Ausflussende der Schnecke erreicht hat, sollen der vorstehend beschriebene Druckabfall und die damit zusammenhängenden Abbautendenzen, besonders bei der Weichmachung von festem Polyvinylchlorid, eliminiert werden. Die Vorrichtung an der beschriebenen Strangpresse, mit der dies erreicht wird, soll nun beschrieben werden.
Die Strangpresse hat in bekannter Weise eine Siebplatte 30, die jedoch eine zur Endfläche der Schnecke 11 gewandte, abgestumpfte, konische Fläche 31 aufweist, wodurch ein Materialstrom zustande kommt, der zum Zentrum einer mit einer zentralen Spitze 32 versehenen Endfläche der Schnecke gerichtet ist. Weiterhin hat die Siebplatte eine durchbohrte Fläche 33, durch die das Innere des Zylinders 10 mit der Auslauföffnung 13 in Verbindung steht. Die Grösse dieser durchbohrten Fläche soll geringer sein als die Grösse der zur Siebplatte gewendeten Endfläche der Schnecke. Hierdurch wird der Druckabfall in der zwischen der Endfläche der Schnecke und der Siebplatte vorhandenen Kammer und im Werkzeug 14 selbst eliminiert oder zumindest reduziert, so dass ein Vakuum bzw. Ausscheidungen von Materialbestandteilen vermieden werden.
Durch die beschriebene Ausführung der Siebplatte 30 wird auch das Risiko einer Überhitzung des Materials im Zentrum der Auslauföffnung 13 durch das Werkzeug 14 und im Zentrum der Kammer vor der Endfläche der Schnecke behoben. Da das Material an sich wärmeisolierend wirkt, ist das Risiko des Materialabbaus immer im Zentrum am grössten und um so grö sser, je dicker die Materialschicht ist. Dieses grössere Risiko wird durch die Siebplatte eliminiert, und zwar dank einer sicheren Durchströmung allen von der Schnecke kommenden Materials.
Eine Modifikation der oben beschriebenen Strang- presse besteht darin, dass die Endfläche der Schnecke 11 in der Weise konisch abgestumpft wird, dass sie eine zentrale ebene Fläche mit gleichem Durchmesser erhält wie die durchbohrte Fläche der Siebplatte und einen konischen Übergangsteil zwischen dieser Fläche und der Schnecke im übrigen mit gleichem Kegelwinkel wie die Fläche 31 der Siebplatte 30 erhält, wobei zwischen dem Schneckenende und der Siebplatte ein schmaler Spalt vorhanden ist, der mit der Auslauföffnung 13 durch ein Werkzeug 14 durch Bohrungen in der Siebplatte verbunden ist.
Bei einer Schneckenpresse gemäss der Erfindung (Strangpresse oder Spritzgussmaschine) wird ein niedrigeres Drehmoment der Schnecke erreicht als bei konventionellen Pressen, wodurch die Belastung sowohl des Materials als auch der Maschine reduziert wird. Das Drehmoment im Verhältnis zur möglichen Drehzahl der Schnecke ist günstiger als bei konventionellen Schneckenpressen, und da die mechanische Belastung des in der Maschine bearbeiteten Materials geringer wird, ist der Druckabfall vor der Schnecke auch niedriger, und die Maschine bearbeitet das Material insgesamt schonender als bisher bekannte Strangpressen und Spritzgussmaschinen mit einfacher Schnecke.