DE10009843A1 - Extruder mit Blister - Google Patents
Extruder mit BlisterInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Extruder, insbesondere zur Verarbeitung von Kunststoffschmelzen, mit einem in einem Extrudergehäuse angeordneten Extrusionsraum (4), der mindestens einen Gehäuseabschnitt (1) mit zylindrischer Innenoberfläche aufweist, in welchem eine Extruderschneckenwelle (2) motorisch drehbar angeordnet ist, die zur Bildung eines Ringspalts (17) als Drosselstelle (Blister 15), insbesondere zur Einstellung des Drucks der Schmelze, mindestens einen zylindermantelförmigen Abschnitt (5) auf der Schneckenwelle aufweist. Dabei ist die Spalthöhe des Ringspalts (17) durch von außen einstellbare Kraftwirkung unter elastischer Verformung der zylindrischen Oberfläche des Extrusionsraums (4) und/oder der Schneckenwelle (2) gezielt veränderbar.
Description
Die Erfindung betrifft einen Extruder, insbesondere zur Verarbeitung von
Kunststoffschmelzen, mit einem in einem Extrudergehäuse angeordneten
Extrusionsraum, der mindestens einen Gehäuseabschnitt mit zylindrischer
Innenoberfläche aufweist, in welchem eine Extruderschneckenwelle motorisch drehbar
angeordnet ist, die zur Bildung eines Ringspalts als Drosselstelle mindestens einen
zylindermantelförmigen Abschnitt auf der Schneckenwelle aufweist.
Eine solche als Ringspalt ausgebildete Drosselstelle im Extrusionsraum wird auch als
Blister bezeichnet und dienst insbesondere zur Einstellung des Drucks der im Extruder
verarbeiteten Schmelze. Hinter dieser Drosselstelle können beispielsweise
Schleppmittel zugesetzt werden, die in die aufschäumende Kunststoffschmelze
eingearbeitet werden und als Stripmittel dienen. Die Wirkung des Blisters ist stark
abhängig von der Spalthöhe im Ringspalt zwischen dem zylindrischen Teil der
Extruderschnecke und der Innenoberfläche des zylindrischen Extrusionsraums. Die
Spalthöhe liegt im praktischen Fall häufig in einer Größenordnung von etwa 3 mm. Die
optimale Spalthöhe ist weniger von der Baugröße des jeweiligen Extruders als vielmehr
von den Eigenschaften des zu verarbeitenden Materials (Temperatur, Zähigkeit)
abhängig. Nach dem bisherigen Stand der Technik ist eine Veränderung der Spalthöhe
regelmäßig mit einem entsprechenden Austausch der Schneckenwelle bzw. des
zylindrischen Teils der Schneckenwelle im Bereich der Drosselstelle verbunden. Die
Verarbeitung unterschiedlicher Werkstoffe erfordert daher häufig einen Wechsel der
Schneckenwelle, damit möglichst optimale Verarbeitungsbedingungen eingestellt
werden können. Im Falle nichtstationärer Verarbeitungsprozesse ändert sich die
optimale Größe des Ringspaltes des Blisters. Bisher besteht keine Möglichkeit, in einer
solchen Situation eine Optimierung der Spalthöhe vorzunehmen. Insbesondere bei
Anfahrvorgängen, bei denen noch keine konstante Betriebstemperatur des Extruders
erreicht ist, können sich durch unterschiedliche Temperaturdehnungen Veränderungen
in der wirksamen Spalthöhe des Blisters einstellen. Auch dies lässt sich bisher nicht in
optimaler Weise beherrschen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Extruder der eingangs genannten Art
dahingehend weiterzubilden, dass eine weitgehend optimale Betriebsweise im Bereich
des Blisters möglich ist, auch wenn unterschiedliche Werkstoffe verarbeitet werden
sollen oder sich die Werkstoffeigenschaften verändern, ohne dass ein größerer
Umrüstaufwand für den Extruder erforderlich wird.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Extruder dadurch, dass die
Spalthöhe des Ringspalts am Blister durch von außen einstellbare Kraftwirkung unter
elastischer Verformung der zylindrischen Oberfläche des Extrusionsraums und/oder
der Schneckenwelle gezielt veränderbar ist. Die hierfür eingesetzten Mittel können
beispielsweise hydraulischer Art sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sieht die
Erfindung daher ein hydraulisches Druckaggregat vor, welches die Kraft zur
Oberflächenverformung im Bereich der Drosselstelle entweder an der zylindrischen
Oberfläche des Extrusionsraums oder an der zylindrischen Oberfläche der
Schneckenwelle oder auch an beiden liefert.
Eine Verformung der zylindrischen Oberfläche im Drosselstellenbereich ließe sich im
Grundsatz selbstverständlich auch mit pneumatischen Mitteln oder sogar mit
mechanischen oder elektromechanischen Mitteln (z. B. durch eine Vielzahl verfahrbarer
Druckstifte), wenngleich dies eindeutig nicht bevorzugt wird. Zweckmäßigerweise wird
die Erfindung so ausgeführt, dass im Bereich der Drosselstelle in der Wand des
Gehäuseabschnitts, wo der Blister angeordnet werden soll, und/oder im zylindrischen
Teil der Schneckenwelle eine ringförmig umlaufende Druckkammer vorgesehen wird.
Diese Druckkammer sollte auf der dem Extrusionsraum jeweils zugewandten Seite
eine im Vergleich zur Wanddicke des Extrusionsraums erheblich geringere Wanddicke
aufweisen. Diese Wand wird im folgenden wegen ihrer geringen Dicke als
Membranwand bezeichnet. Zweckmäßigerweise ist die Druckkammer jeweils im
besagten Gehäuseabschnitt des Extrudergehäuses vorgesehen und nicht auf der
Schneckenwelle. Der Grund hierfür ist in erster Linie darin zu sehen, dass eine
insbesondere hydraulische Druckmittelversorgung der Druckkammer wegen der damit
verbundenen Abdichtungsprobleme an der Schneckenwelle ungleich schwieriger zu
bewerkstelligen ist als am Extrudergehäuse, das im Unterschied zur Schneckenwelle
völlig unbeweglich ist.
Es empfiehlt sich, die Druckkammer des Blisters in einem separaten im wesentlichen
ringförmigen Gehäuseteil anzuordnen, das lediglich eine kurze axiale Baulänge
aufweist, dessen Länge also kleiner ist als der Innendurchmesser des
Extrusionsraums. Zweckmäßigerweise ist dieses ringförmige Gehäuseteil durch eine
Flanschverbindung mit den übrigen Teilen des Extrudergehäuses verbunden.
In fertigungstechnischer Hinsicht bietet es sich an, die Druckkammer als
Schweißkonstruktion auszuführen. Dabei sollten die Schweißnähte vorteilhafterweise
außerhalb der Membranwand in dickwandigeren Bereichen vorgesehen werden, um
die Membranwand selbst möglichst nicht in die Wärmeeinflusszone der Schweißnaht
gelangen zu lassen, wodurch sich deren Werkstoffeigenschaften ungünstig verändern
könnten.
Die Membranwand sollte in ihrer Dimensionierung auf einen Differenzdruck von
mindestens 100 bar, vorzugsweise von mindestens 150 bar ausgelegt sein. In jedem
Fall muss sichergestellt sein, dass die durch den angelegten hydraulischen Druck in
der Druckkammer hervorgerufenen Kräfte an der Membran nur zu elastischen, nicht
aber zu plastischen Verformungen führen. Außerdem sollte die Belastung unter der
kritischen Beullast liegen, damit sich auf der Membranwand, die an der
Innenoberfläche des Extrusionsraums angeordnet ist, keine in Umfangsrichtung wellige
Verformung ergibt. Das würde nämlich bedeuten, dass die effektive Spalthöhe des
Blisters in Umfangsrichtung variiert. Im praktischen Fall liegt die zweckmäßige Dicke
der Membranwand im Bereich von etwa 0,5 bis 3 mm, vorzugsweise im Bereich von 1
bis 2 mm. Diese Angaben sind jedoch nicht als beschränkend anzusehen.
Grundsätzlich hängt das Maß der Verformung nicht nur von der Dicke der
Membranwand und dem aufgebrachten Druck in der Druckkammer ab, sondern wird
selbstverständlich auch stark beeinflusst durch die axiale Länge der Membranwand,
d. h. durch die Länge der Erstreckung der Druckkammer in Richtung der Achse der
Schneckenwelle. Je länger die Membranwand ist, um so stärker wird die Verformung
bei gleichem Druck.
Mit besonderem Vorteil lässt sich die Erfindung an einem Extruder nutzen, bei dem in
Materialflussrichtung hinter dem Blister ein mehrwelliger Extruderabschnitt
nachgeschaltet ist. Dieser mehrwellige Extruderabschnitt kann insbesondere als
Planetwalzenextruderabschnitt ausgebildet sein.
Durch die erfindungsgemäße Ausstattung eines Extruders mit einem Blister, beidem
die wirksame Spalthöhe des Ringspaltes ohne Probleme jederzeit einfach durch eine
von außen einstellbare Kraft durch elastische Verformung gezielt verändert werden
kann, ist die Möglichkeit gegeben, ohne einen Wechsel der Schneckenwelle
unterschiedliche Werkstoffe unter optimalen Verfahrensbedingungen zu verarbeiten,
sofern die übrigen Schneckenelemente für den jeweiligen Werkstoff grundsätzlich
geeignet sind. Bei instationären Verarbeitungsbedingungen ist es erstmals möglich, im
laufenden Betrieb eine optimale Wahl der Spalthöhe eines Blisters vorzunehmen und
zu realisieren. In der bevorzugten Ausführungsform eines Blisters mit hydraulischer
Druckkammer und Membranwand ist dies durch einfache Vorgabe des hydraulischen
Drucks in der Druckkammer möglich.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele in der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Extruders mit einem im Mittelteil
angeordneten Planetwalzenextruderabschnitt,
Fig. 2 eine ausschnittsweise schematische Darstellung eines Blisters mit
hydraulischer Druckkammer und
Fig. 3 ein Gehäuseteil mit hydraulischer Druckkammer.
Die schematische Darstellung des Extruders in Fig. 1 zeigt ein Extrudergehäuse, das
von einer Schneckenwelle 2 über nahezu die gesamte axiale Länge durchsetzt ist. Die
mit einem Wellenzapfen 3 mit Passfeder versehene Schneckenwelle 2 ist von einem
nicht dargestellten Motor über ein ebenfalls nicht dargestelltes Getriebe rotatorisch
angetrieben. Der unmittelbar an das Getriebe anschließende Gehäuseabschnitt 1,
dessen zylindrische Oberfläche im Durchmesser im wesentlichen dem
Aussendurchmesser der Schnecke der Schneckenwelle 2 entspricht, umschließt einen
Teil des Extrusionsraums 4. Der Gehäuseabschnitt 1 ist mit einem Anschlussstutzen
einer Schmelzezuführung 14 versehen. Dem dargestellten Extruder wird also das zu
verarbeitende Material nicht in Form von Granulat oder Pulver, sondern in bereits
aufgeschmolzener Form zugeführt. Unmittelbar im Anschluss an die Schnecke der
Schneckenwelle 2 ist im Gehäuseabschnitt 1 auch ein Blister 15 angeordnet, der eine
Drosselstelle bildet, so dass der vor dem Blister 15 liegende Teil des Extrusionsraums
4 stets vollständig mit Schmelze gefüllt ist. Der Blister 15 wird gebildet durch einen
kurzen, zylindermantelförmigen Abschnitt 5 auf der Schneckenwelle 2. Beiderseits
dieses zylindermantelförmigen Abschnitts 5 schließen sich ebenfalls kurze
kegelstumpfförmige Bereiche der Schneckenwelle 2 an. Auf die Gestaltung des Blisters
15 wird weiter unten noch näher eingegangen.
Hinter dem Blister 15 ist im Gehäuseabschnitt 1 der Anschlussstutzen einer
Schleppmittelzuführung 13 angeordnet, durch die z. B. Wasser in den Extrusionsraum 4
und somit in die Schmelze eingedüst werden kann. Die Schneckenwelle 2 ist hinter
dem Blister 15 als sogenannter Igel 6 gestaltet, d. h. mit stachelartigen, von der
Schneckenwelle 2 radial abstehenden Mischelementen versehen. In diesem Bereich
des Extrusionsraums 4 findet daher eine starke Blasenbildung in der Schmelze statt.
Die Schmelze gelangt danach in einen Planetwalzenextruderabschnitt 8, von dessen
Planetwalzen 9 in der Darstellung zwei erkennbar sind. Die Planetwalzen 9 sind an
ihren Enden jeweils in den Planetenrädern 7a, 7b eines Planetengetriebes gelagert,
dessen Sonnenräder mit 10a und 10b bezeichnet sind. Die Sonnenräder 10a, 10b sind
Bestandteil der Schneckenwelle 2. Im Bereich des Planetwalzenextruderabschnitts 8
findet ein Strippen der Schmelze statt. Die freigesetzten Gase können durch einen
Entgasungsdom 16 entweichen. Im Anschluss an den Planetwalzenextruderabschnitt 8
ist wiederum eine Zone 11 eines Einwellenextruders vorgesehen, in der die entgaste
Schmelze auf den erforderlichen Extrusionsdruck gebracht Und durch eine
Extrusionsdüse 12 ausgestoßen wird.
Die Fig. 2 zeigt in einer ausschnittsweisen Darstellung den Bereich des
erfindungsgemäß gestalteten Blisters 15 als Schnitt längs der Extruderachse. Von der
Schneckenwelle 2 ist lediglich der zylindermantelförmige Abschnitt 5 mit den beiden
daran unmittelbar anschließenden kegelstumpfförmigen Bereichen dargestellt. Der
ringförmige Gehäuseteil 20 des Blisters 15 mit der hydraulischen Druckkammer 18 ist
als kurzes separates Gehäuseteil ausgestaltet. Die Druckkammer ist durch eine
Schweißkonstruktion gebildet, die aus zwei Teilen zusammengesetzt ist. Der äußere
ringförmige Teil ist als massives Bauteil ausgeführt, während in den inneren
ringförmigen Teil die hydraulische Druckkammer 18 z. B. durch einen Drehvorgang
eingearbeitet worden ist. Durch Ineinanderfügen der beiden ringförmigen Teile und
umlaufende Verschweißung beiderseits des ringförmigen Fügespaltes wird die
Druckkammer 18 nach außen vollständig abgedichtet. Das hydraulische Druckmedium
kann durch eine in dem Schnittbild nicht dargestellte Zuleitung in die Druckkammer 18
eingeführt werden. Zum Extrusionsraum 4 hin weist die Druckkammer 18 eine Wand
auf, die als Membranwand 19 bezeichnet ist und eine im Vergleich zur Wanddicke des
Extrudergehäuses außerordentlich geringe Wanddicke besitzt. Zwischen der
Oberfläche des zylindermantelförmigen Abschnitts 5 der Schneckenwelle 2 und dieser
Membranwand 19 ist ein relativ kleiner Ringspalt gebildet, der beispielsweise eine
Größe von 2 oder 3 mm aufweist. Die Größe dieses Ringspalts 17 ist für die
Einstellung des Schmelzendrucks von wesentlicher Bedeutung. Relativ geringe
Änderungen in der Spalthöhe machen sich bereits stark bemerkbar. Damit die
Schneckenwelle 2 exakt koaxial in diesem Ringspalt 17 bzw. im Extrusionsraum 4 liegt,
ist es im Regelfall notwendig, die Schneckenwelle 2 nicht fliegend, sondern beidseitig
zu lagern. Durch die Einleitung eines unter erhöhtem Druck stehenden hydraulischen
Mediums in die Druckkammer 18 kann die Membranwand 19 in Richtung auf die
Schneckenwelle 2 verformt werden. Die Membranwand 19 beult sich im dargestellten
axialen Längsschnitt nach unten aus. Im Querschnitt zur Längsachse gesehen
bedeutet dies, dass sich der Innendurchmesser des Extrusionsraum 4 im Bereich der
Membranwand verringert, der Ringspalt 17 des Blisters somit ebenfalls verringert wird.
Da der Druck des Druckmediums in weiten Grenzen veränderbar ist, aber jede
Druckänderung nur mit vergleichsweise kleinen Veränderungen in der Verformung der
Membranwand 19 verbunden ist, lässt sich die effektive Spalthöhe im Ringspalt 17
außerordentlich genau einstellen. Der hierfür erforderliche Steuerungsaufwand ist als
geringfügig zu bezeichnen.
Die Fig. 3 zeigt beispielhaft teils in der Seitenansicht und teils ebenfalls als axialen
Längsschnitt (Teilfigur a) sowie als teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht
(Teilfigur b) den Gehäuseteil 20 für einen erfindungsgemäßen Blister in einer
hinsichtlich der Größenverhältnisse realistischen Form. Das Gehäuseteil 20 ist im
wesentlichen ringförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die um den Bereich der
Mittelachse liegende zylindrische Öffnung ist Teil des Extrusionsraums 4. Im
Außenbereich ist der Gehäuseteil 20 im Sinne eines Flansches mit nicht dargestellten
Durchgangsbohrungen versehen, um eine Befestigung mit den daran anschließenden
Teilen des Extrudergehäuses auf einfache Weise zu ermöglichen. Im Unterschied zu
der Ausführung in Fig. 2 ist die ringförmige Druckkammer 18 mit der Membranwand.
19 im axialen Längsschnitt nicht klappsymmetrisch gestaltet, sondern weist eine
Querschnittsform auf, die einem Schuh ähnelt. Dadurch ist es möglich, die
Druckkammer 18 bis in den Bereich des nach rechts weisenden Absatzes des
ansonsten scheibenförmigen Gehäuseteils 20 zu erstrecken. Auch in diesem Fall ist
die. Druckkammer 18 als Schweißkonstruktion gebildet. Die Schweißnähte sind so
angeordnet, dass sie in dickwandigeren Bereichen des Gehäuseteils 20 liegen und
nicht in unmittelbarer Nähe der Membranwand 19. Um die Druckkammer 18 mit
Hydraulikmittel zu versorgen, ist außen an dem Gehäuseteil 20 ein Gewinde für einen
Hydraulikanschluss 23 vorgesehen, der seinerseits über einen Kanal 22 mit der
Druckkammer 18 verbunden ist. Im vorliegenden Fall beträgt der Innendurchmesser
des Extrusionsraums 4 etwa 90 mm, während die Dicke der Membranwand 19 bei 1 mm
und die Länge der Druckkammer bzw. des zugehörigen Gehäuseteils 20 bei etwa
30 mm liegt.
1
Gehäuseabschnitt
2
Schneckenwelle
3
Wellenzapfen
4
Extrusionsraum
5
zylindermantelförmiger Abschnitt
6
Igel
7, b Planetenräder
7, b Planetenräder
8
Planetwalzenextruderabschnitt
9
Planetwalze
10a, b Sonnenrad
10a, b Sonnenrad
11
Einwellenextruderzone
12
Extrusionsdüse
13
Schleppmittelzuführung
14
Schmelzezuführung
15
Blister
16
Entgasungsdom
17
Ringspalt
18
Druckkammer
19
Membranwand
20
ringförmiger Gehäuseteil
22
Kanal
23
Hydraulikanschluss
Claims (10)
1. Extruder, insbesondere zur Verarbeitung von Kunststoffschmelzen, mit einem in
einem Extrudergehäuse angeordneten Extrusionsraum (4), der mindestens
einen Gehäuseabschnitt (1) mit zylindrischer Innenoberfläche aufweist, in
welchem eine Extruderschneckenwelle (2) motorisch drehbar angeordnet ist,
die zur Bildung eines Ringspalts (17) als Drosselstelle (Blister 15), insbesondere
zur Einstellung des Drucks der Schmelze, mindestens einen
zylindermantelförmigen Abschnitt (5) auf der Schneckenwelle aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spalthöhe des Ringsplats (17) durch von außen einstellbare
Kraftwirkung unter elastischer Verformung der zylindrischen Oberfläche des
Extrusionsraums (4) und/oder der Schneckenwelle (2) gezielt veränderbar ist.
2. Extruder nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein hydraulisches Druckaggregat vorgesehen ist, das die Kraft zur
Oberflächenverformung liefert.
3. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Bereich der Drosselstelle in der Wand des Gehäuseabschnitts (1)
und/oder in der Schneckenwelle (2) eine ringförmig umlaufende Druckkammer
(18) vorgesehen ist, die auf der dem Extrusionsraum (4) zugewandten Seite
eine im Vergleich zur Wanddicke des Extrusionsraums (4) erheblich geringere
Wanddicke aufweist (Membranwand 19).
4. Extruder nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckkammer (18) jeweils im Gehäuseabschnitt (1) vorgesehen ist.
5. Extruder nach einem der Ansprüche 3 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckkammer (18) in einem separaten ringförmigen Gehäuseteil (20)
von kurzer axialer Baulänge angeordnet ist, das vorzugsweise durch eine
Flanschverbindung mit den übrigen Teilen des Extrudergehäuses verbunden ist.
6. Extruder nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckkammer (18) als Schweißkonstruktion ausgebildet ist.
7. Extruder nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schweißnähte außerhalb der Membranwand (19) in dickwandigeren
Bereichen angeordnet sind.
8. Extruder nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Membranwand (19) auf einen Differenzdruck von mindestens 100 bar,
insbesondere von mindestens 150 bar ausgelegt ist.
9. Extruder nach einem Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Membranwand (19) eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 3 mm,
insbesondere im Bereich von 1 bis 2 mm aufweist.
10. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Blister (15) zumindest ein mehrwelliger Extruderabschnitt,
insbesondere ein Planetwalzenextruderabschnitt (8), nachgeschaltet ist.
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2000
- 2000-02-24 DE DE10009843A patent/DE10009843B4/de not_active Expired - Fee Related
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