DE10009843B4

DE10009843B4 - Extruder mit Blister

Info

Publication number: DE10009843B4
Application number: DE10009843A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Behling
Original assignee: Berstorff GmbH
Current assignee: KraussMaffei Extrusion GmbH
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: DE10009843A1

Abstract

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) mindestens einen zylindermantelförmigen Abschnitt (5) auf der Schneckenwelle aufweist, dadurch gekennzeichnet,
– dass 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 ist,
– dass ein hydraulisches Druckaggregat vorgesehen ist, das die Kraft zur Oberflächenverformung liefert und
– dass im Bereich der Drosselstelle in der Wand des Gehäuseabschnitts (1) und/oder in der Schneckenwelle (2) eine ringförmig umlaufende hydraulische 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).

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.

Aus der DE 198 31 540 A1 ist eine Vorrichtung bekannt zur partiellen Veränderung eines geschlossenen Fließkanalquerschnitts, dessen Innenkontur durch einen beispielsweise zylindrischen Verdrängungskörper gebildet wird. Der Fließkanal ist vorzugsweise Teil einer Extrusionsdüse zur Erzeugung eines Schlauchs aus fließfähigen Massen. Die Vorrichtung besitzt äußere Stellelemente in Form radial von außen nach innen zustellbarer Stifte und mindestens einen Bereich einer Fließkanalwand, der aus einer Hülse mit einer Wanddicke von maximal 1 mm besteht, wobei diese Hülse mittels der zustellbaren Stifte lokal nach innen deformierbar ist. Der im Fließkanal angeordnete Verdrängungskörper kann ebenfalls mit einer Hülse mit kleiner Wanddicke versehen sein, die über auf konischen Stützflächen axial verschiebliche Stützelemente nach außen lokal verformbar ist. Auf diese Weise kann der Fließkanalquerschnitt im Bereich der dünnen Fließkanalwand gezielt verringert werden. Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist es, dass die zustellbaren Stifte und verschieblichen Stützelemente keine über dem Querschnitt des Fließkanals gleichmäßige Verformung zulassen, da die Einleitung der Verformungskräfte immer nur punktuell oder örtlich begrenzt erfolgen kann. Je größer die Zahl der zur Verformung eingesetzten Elemente ist, umso gleichmäßiger ist zwar die Verformung einstellbar, umso größer ist aber auch der Betätigungsaufwand für diese Elemente. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, dass die dünnen Wände der Hülsen unvermeidbar durch den im Fließkanal herrschenden Massendruck entgegen der Kraftwirkung der zur Verstellung eingesetzten Elemente verformt werden. Ein Betriebseinsatz unter den geometrischen Verhältnissen des völlig unbelasteten Zustands (Nullstellung) der Vorrichtung ist somit unmöglich.

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 durch einen Extruder mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Spalthöhe des Ringspalts am Blister ist durch von außen einstellbare Kraftwirkung unter elastischer Verformung der zylindrischen Oberfläche des Extrusionsraums und/oder der Schneckenwelle gezielt veränderbar. Hierzu sieht die Erfindung 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, wobei 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 weist auf der dem Extrusionsraum jeweils zugewandten Seite eine im Vergleich zur Wanddicke des Extrusionsraums erheblich geringere Wanddicke auf. 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 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, bei dem 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:
1 eine schematische Darstellung eines Extruders mit einem im Mittelteil angeordneten Planetwalzenextruderabschnitt,
2 eine ausschnittsweise schematische Darstellung eines Blisters mit hydraulischer Druckkammer und
3 ein Gehäuseteil mit hydraulischer Druckkammer.
Die schematische Darstellung des Extruders in 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 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 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 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
8: Planetwalzenextruderabschnitt
9: Planetwalze
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

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) mindestens einen zylindermantelförmigen Abschnitt (5) auf der Schneckenwelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass 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 ist, – dass ein hydraulisches Druckaggregat vorgesehen ist, das die Kraft zur Oberflächenverformung liefert und – dass im Bereich der Drosselstelle in der Wand des Gehäuseabschnitts (1) und/oder in der Schneckenwelle (2) eine ringförmig umlaufende hydraulische 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).
Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (18) jeweils im Gehäuseabschnitt (1) im Bereich der Drosselstelle (15) vorgesehen ist.
Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 2, 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.
Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (18) als Schweißkonstruktion ausgebildet ist, die von einem äußeren und einem inneren ringförmigen Teil gebildet ist.
Extruder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnähte außerhalb der Membranwand (19) in dickwandigeren Bereichen angeordnet sind.
Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranwand (19) auf einen Differenzdruck von mindestens 100 bar, insbesondere von mindestens 150 bar ausgelegt ist.
Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.
Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Blister (15) zumindest ein mehrwelliger Extruderabschnitt, insbesondere ein Planetwalzenextruderabschnitt (8), nachgeschaltet ist.