Extruder für thermoplastische Kunststoffe
Von den heute bekannten, zum Auspressen thermoplastischer Kunststoffe verwendbaren Extrudern werden praktisch vorwiegend die sogenannten Schneckenpressen, bei denen das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Schnecke zwischen 10 und 30 liegt, verwendet. Dies gilt sowohl für Einfach- als auch für Doppel- und Mehrfachextruder. Andere bekannte Konstruktionen, wie Kolben-, Scheiben-, Planeten- und Schmelzplattenextruder, sind bisher nur für Spezialzwecke und in unbedeutenden Stückzahlen hergestellt worden.
Es war bisher üblich, bei der Konstruktion von Extrudern verschiedener Grösse deren einzelne Teile im wesentlichen geometrisch verhältnisgleich zu vergrössern oder zu verkleiner. Ein bedeutender Nachteil solcher Konstruktionen ist, dass Extruder mit grossen Leistungen auch grosse Längen aufweisen und dadurch unverhältnismässig schwer und teuer sind. Ausserdem werden bei solchen Konstruktionen mit zunehmender Leistung die Verhältnisse an den Ausgängen der in die Schnecke geschnittenen Förderkanäle immer schwieriger, weil die aus den Kanälen fliessende Masse im Bereich höchster Drücke radial oder konisch nach innen und an der sich drehenden Schneckenspitze entlang geführt werden muss.
Im Verlauf der Entwicklung von sogenannten schnellaufenden adiabatischen Schneckenpressen, die Durchmesser von 8-120 mm aufweisen, war gefunden worden, dass mit Schnecken mit kleinen Durchmessern und entsprechend geringen absoluten Längen, beispielsweise mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Länge von 150 mm bei Umfangsgeschwindigkeiten von 1 m/sek, die Extrusion für verschiedene Thermoplaste besser als bei allen Modellen mit grösseren Schnecken kontrolliert werden kann. Dabei wurde weiter gefunden, dass die Homogenität des extrudierten Kunststoffs, die Ausstossgleichmässigkeit und die mögliche Steuerung der Temperatur etwa umgekehrt proportional zum Durchmesser der Schnecke sind.
Weiter wird aufgrund von Entwicklungsarbeiten mit schnellaufenden adiabatischen Schneckenpressen ( Kunststoffe , Heft 10, 1963, Optimale Abmessungen schnellaufender Extruderschnecken ) angenommen, dass die mit kleinen Schnecken erreichbaren Qualitätsvorteile durch die sehr kleine Tiefe der Kanäle in der Meteringzone (Dünnschichtverfahren), die beispielsweise bei einer Schnecke von 15 mm Durchmesser nur 0,5 mm beträgt, begründet sind.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die eingangs beschriebenen Nachteile durch die Anwendung der erwähnten neuen Erkenntnisse zu vermeiden und die Vorteile der kleinsten Modelle auch für Extruder mit grossen Ausstossleistungen nutzbar zu machen.
Der erfindungsgemässe Extruder für thermoplastische Kunststoffe mit einem rohrförmigen, in einem Gehäuse angeordneten und um einen unbewegbaren Innendorn drehbaren Förderorgan, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Förderorgans unabhängig vom Durchmesser und kleiner als 300 mm ist und auf diesem Förderorgan oder auf dem Innendorn mindestens drei schneckenförmig verlaufende und in der Meteringzone eine Tiefe von weniger als 1 mm aufweisende Förderkanäle angeordnet sind.
Ein besonderer Vorteil des neuen Extruders ist, dass er direkt in einen Folienblaskopf oder einen Rohrspritzkopf eingebaut werden kann, wobei gleichzeitig auf der Innenseite und auf der Aussenseite zwei verschiedene Stoffe extrudiert werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass wegen der Kürze des Förderorgans der Innendorn des Spritzkopfs durch das Förderorgan hindurchgeführt werden kann. Dadurch kann weiter das Spritzwerkzeug ohne die üblichen Dornträger ausgeführt werden. Diese Anordnung ermöglicht besonders bei Einfärbungen eine bessere Farbverteilung quer zur Spritzrichtung.
Der neue Extruder eignet sich besonders für solche Endprodukte, wie z.B. Blasfolien und Rohrköpfe, für die Spritzwerkzeuge mit einem kreisförmigen Austritt verwendet werden, da der Extruderaustritt bereits kreisringförmig ist.
Zum Austritt aus dem Spritzwerkzeug werden dann nur kurze Wege benötigt.
Die Verweilzeit des Kunststoffs im Extruder weist wegen gleicher Länge der einzelnen Stromfäden kaum Unterschiede auf. Eine gleichmässige Vorwärts strömung im Spritzwerkzeug ist jedoch nur dann möglich, wenn eine Mehrzahl von Förderkanälen in das Förderorgan eingearbeitet sind und die Konstruktion so ausgeführt ist, dass auch alle Förderkanäle gleichzeitig gespeist werden können. Dies kann vorzugsweise durch Ringkanäle erreicht werden.
Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des neuen Extruders,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Extruder nach Fig. 1.
Der in Fig. 1 gezeigte Extruder enthält ein rohrförmiges Förderorgan 1, das in einem Extrudergehäuse, das aus einem Aussenteil 2 und einem als Dorn ausgebildeten Innenteil 3 besteht, gelagert ist. Der Antrieb erfolgt von einem Zentralmotor über ein Getriebe mit den beiden um 1800 versetzten Zahnrädern 4, wie insbesondere aus Fig. 2 zu ersehen ist.
Um Radialkräfte zu vermeiden, kann der Antrieb auch durch zwei Motore, die direkt auf die beiden Antriebsritzel 4 einwirken oder von einer Seite aus, wobei jedoch eine zusätzliche Radiallagerung erforderlich ist, erfolgen. Die Materialeingänge 5 und 6 sind in Fig. 1 um 900 versetzt gezeichnet.
Zum Verteilen des Materials über den Umfang des Förderorgans sind Verteilerkammern 10, 11 und für die Umformung des Materials in das Enderzeugnis die relativ kurzen Ausstosskanäle 7 vorgesehen. Weiter können bekannte Siebund Zentriereinsätze 9 vorgeschaltet werden.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Förderorgan rohrförmig und weist auf seiner Innen- und auf seiner Aussenfläche drei schneckenförmig verlaufende Förderkanäle auf, deren Breite kleiner als 40 mm und deren Tiefe in der Meteringzone kleiner als 1 mm ist. Die Länge des Förderorgans ist kleiner als 300 mm.
Bei Ausführungsformen mit grosser Ausstossleistung werden gleichartige Förderkanäle, allerdings mit anderem Krümmungsradius, auf ein Förderorgan mit einem entsprechend grösseren Durchmesser aufgebracht. Beispielsweise können auf der Aussenfläche eines Förderorgans mit einem Durchmesser von 150 mm und einer Länge von 150 mm zehn Förderkanäle mit den oben genannten Abmessungen eingearbeitet werden.
Bei einem rohrförmigen Förderorgan mit beispielsweise einem Aussendurchmesser von 157 mm und einem Innendurchmesser von etwa 143 mm können doppelt so viele, nämlich zwanzig Förderkanäle eingearbeitet werden, weil die Kanäle sowohl auf der Aussenseite als auch auf der Innenseite des Rohrs oder auf der Aussenseite des Rohrs und auf den im Innern des Rohrs befindlichen, stehenden Dorn eingeschnitten werden können. Wenn die Ausstossleistung einer Schnecke mit dem oben genannten Durchmesser von 15 mm, mit einer Länge entsprechend dem zehnfachen Durchmesser, d. h. 150 mm, und mit nur einem Förderkanal für Hochdruckpolyäthylene mit einem Meltindex von 0,3 etwa 10 kg/Std. beträgt, so ist die Leistung des beschriebenen rohrförmigen Förderorgans mit zwanzig Förderkanälen 200 kg/Std.
Für einen Extruder mit einer Leistung von 400 kg/Std.
würde nach den gleichen Überlegungen ein Förderorgan mit vierzig Förderkanälen benötigt. Zum Einschneiden dieser grossen Zahl von Kanälen wäre ein Rohr von etwa 407 mm Aussendurchmesser, einem Innendurchmesser von etwa 393 mm und einer Länge von 150 mm notwendig. Ein noch grösseres Förderorgan, beispielsweise mit 1,5 m Durchmesser und 150 mm Länge, würde eine Leistung von 1,5-2 t/Std.
ermöglichen.
Die bei dem vergrösserten Förderorgan durch veränderte Verhältnisse in dem nachfolgenden Spritzwerkzeug bewirkten unterschiedlichen Rückdrücke beeinflussen die Ausstossleistung nur unbedeutend, da die sehr geringe Tiefe der Förderkanäle in der Meteringzone auch bei erhöhten Rückdrücken keine nennenswerten Rückströmungen zulässt.
Weiter geht bei der Berechnung der Rückströmung mit Hilfe der bekannten Formel für die Ausstossmenge die Tiefe der Förderkanäle in der Meteringszone nur in der dritten Potent ein. Dadurch sind auch bei höchsten Spritzdrücken keine wesentlichen Leistungsminderungen zu erwarten.
Da bei allen Ausführungsformen, unabhängig von der Anzahl der Förderkanäle, die Form der einzelnen Kanäle gleich bleibt, und da mit Sicherheit angenommen werden darf, dass der der Anzahl der Kanäle entsprechend veränderte Krümmungsradius keinen Einfluss auf die Qualität des extrudierten Kunststoffs ausübt, sind für alle Ausführungsformen gleiche Qualitätswerte zu erwarten. Die mechanischen und die Festigkeitsverhältnisse erlauben jede Vergrösserung des neuen Extruders, da die Widerstandsmomente mit der dritten Potenz des Durchmessers des Förderorgans ansteigen, während die Antriebsleistungen nur linear zunehmen. Erfahrungsgemäss tritt bei einem Förderorgan mit 15 mm Durchmesser und mit einem Kanal noch kein Schaftbruch ein.
Extruder for thermoplastics
Of the extruders known today that can be used for extruding thermoplastics, so-called screw presses, in which the ratio of length to diameter of the screw is between 10 and 30, are used predominantly. This applies to both single and double and multiple extruders. Other known constructions, such as piston, disk, planetary and melt plate extruders, have so far only been produced for special purposes and in insignificant numbers.
It has hitherto been customary in the construction of extruders of various sizes to enlarge or reduce their individual parts in an essentially geometrically proportionate manner. A significant disadvantage of such designs is that extruders with high capacities also have great lengths and are therefore disproportionately heavy and expensive. In addition, with such designs, the conditions at the outlets of the conveyor channels cut into the screw become more and more difficult with increasing performance, because the mass flowing out of the channels in the area of highest pressures has to be guided radially or conically inwards and along the rotating screw tip.
In the course of the development of so-called high-speed adiabatic screw presses, which have a diameter of 8-120 mm, it was found that with screws with small diameters and correspondingly small absolute lengths, for example with a diameter of 15 mm and a length of 150 mm at peripheral speeds of 1 m / sec, the extrusion for various thermoplastics can be controlled better than for all models with larger screws. It was also found that the homogeneity of the extruded plastic, the uniformity of the discharge and the possible control of the temperature are approximately inversely proportional to the diameter of the screw.
Furthermore, on the basis of development work with high-speed adiabatic screw presses (Kunststoffe, Heft 10, 1963, optimal dimensions of high-speed extruder screws), it is assumed that the quality advantages that can be achieved with small screws are due to the very small depth of the channels in the metering zone (thin-film process), which, for example, occurs in a screw 15 mm diameter is only 0.5 mm, are justified.
The aim of the present invention is to avoid the disadvantages described at the outset by applying the new findings mentioned and to make the advantages of the smallest models usable for extruders with high output rates.
The extruder according to the invention for thermoplastics with a tubular conveying element arranged in a housing and rotatable about an immovable inner mandrel is characterized in that the length of the conveying element is independent of the diameter and less than 300 mm and on this conveying element or on the inner mandrel at least three Conveying channels running helically and having a depth of less than 1 mm in the metering zone are arranged.
A particular advantage of the new extruder is that it can be installed directly in a film die head or a pipe extrusion head, whereby two different substances can be extruded on the inside and outside at the same time. Another advantage is that, because of the shortness of the conveying element, the inner mandrel of the spray head can be passed through the conveying element. As a result, the injection mold can continue to be designed without the usual mandrel supports. This arrangement enables a better color distribution transversely to the direction of spraying, especially in the case of coloring.
The new extruder is particularly suitable for such end products as e.g. Blown films and pipe heads for which injection molds with a circular outlet are used, since the extruder outlet is already circular.
Only short distances are then required to exit the injection molding tool.
The residence time of the plastic in the extruder shows hardly any differences because the individual stream filaments are the same length. A uniform forward flow in the injection molding tool is only possible if a plurality of conveying channels are incorporated into the conveying element and the construction is designed in such a way that all conveying channels can also be fed at the same time. This can preferably be achieved by means of ring channels.
The invention is explained below using an exemplary embodiment. In the drawings shows:
1 shows a longitudinal section through a preferred embodiment of the new extruder,
FIG. 2 is a plan view of the extruder according to FIG. 1.
The extruder shown in FIG. 1 contains a tubular conveying element 1 which is mounted in an extruder housing which consists of an outer part 2 and an inner part 3 designed as a mandrel. The drive is carried out by a central motor via a transmission with the two gears 4 offset by 1800, as can be seen in particular from FIG.
In order to avoid radial forces, the drive can also be carried out by two motors that act directly on the two drive pinions 4 or from one side, although an additional radial bearing is required. The material inlets 5 and 6 are drawn offset by 900 in FIG.
Distribution chambers 10, 11 are provided for distributing the material over the circumference of the conveying element, and the relatively short ejection channels 7 are provided for forming the material into the end product. Known sieve and centering inserts 9 can also be connected upstream.
In the embodiment shown, the conveying element is tubular and has three helical conveying channels on its inner and outer surface, the width of which is less than 40 mm and whose depth in the metering zone is less than 1 mm. The length of the conveyor organ is less than 300 mm.
In embodiments with a high output capacity, similar conveyor channels, but with a different radius of curvature, are applied to a conveyor element with a correspondingly larger diameter. For example, ten conveyor channels with the dimensions mentioned above can be incorporated on the outer surface of a conveyor element with a diameter of 150 mm and a length of 150 mm.
In the case of a tubular conveying element with, for example, an outside diameter of 157 mm and an inside diameter of about 143 mm, twice as many, namely twenty conveying channels can be incorporated, because the channels are on the outside as well as on the inside of the pipe or on the outside of the pipe and can be cut on the standing mandrel located inside the tube. If the output of a screw with the above-mentioned diameter of 15 mm, with a length corresponding to ten times the diameter, i.e. H. 150 mm, and with only one conveying channel for high pressure polyethylene with a melt index of 0.3 approx. 10 kg / hour. is, the performance of the tubular conveyor member described with twenty conveyor channels is 200 kg / hour.
For an extruder with an output of 400 kg / hour.
According to the same considerations, a conveyor organ with forty conveyor channels would be required. To cut this large number of channels, a pipe with an outside diameter of about 407 mm, an inside diameter of about 393 mm and a length of 150 mm would be necessary. An even larger conveyor element, for example with a diameter of 1.5 m and a length of 150 mm, would have an output of 1.5-2 t / hour.
enable.
The different back pressures caused by changed conditions in the downstream injection mold in the enlarged conveying element have only an insignificant effect on the output, since the very shallow depth of the conveying channels in the metering zone does not allow any noteworthy backflows even with increased back pressures.
Furthermore, when calculating the return flow with the help of the well-known formula for the discharge quantity, the depth of the conveying channels in the metering zone is only included in the third potential. As a result, no significant performance reductions are to be expected even at the highest injection pressures.
Since in all embodiments, regardless of the number of conveying channels, the shape of the individual channels remains the same, and since it can be assumed with certainty that the radius of curvature changed according to the number of channels does not affect the quality of the extruded plastic, are for everyone Embodiments to expect the same quality values. The mechanical and strength ratios allow the new extruder to be enlarged, since the moments of resistance increase with the third power of the diameter of the conveyor element, while the drive powers only increase linearly. Experience has shown that with a conveyor element with a diameter of 15 mm and with a channel, the shaft does not break.