DE10024762B4

DE10024762B4 - Verfahren zur Formgebung gleitfähiger Massen durch Druckförderung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10024762B4
Application number: DE2000124762
Authority: DE
Inventors: Harald Dr. Garrecht; Adam Dr. Geissler; Joachim Dr. Götz; Marian Dr. Peciar
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Universitaet Karlsruhe
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Universitaet Karlsruhe
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2020-05-20
Also published as: DE10024762A1

Abstract

Verfahren zur Formgebung gleitfähiger Massen durch Druckförderung in einem vorgegebenen Förderquerschnitt, wobei in dessen Randzone Gleitmittel eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gleitmittel vor dem Einspeisen Ultraschall eingekoppelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Formgebung gleitfähiger Massen durch Druckförderung in einem vorgegebenen Förderquerschnitt, wobei in dessen Randzone Gleitmittel eingespeist wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Unter "Druckförderung" im Sinne der Erfindung wird jede Förderung verstanden, bei der die zu fördernde Masse mittels eines extern aufgebrachten Drucks in einem vorgegebenen Förderabschnitt fortbewegt wird. Die Druckförderung dient dabei dem Zweck der Ortsverlagerung der Masse von einer Aufgabestelle zu einer Abgabestelle, wobei an der Abgabestelle gegebenenfalls eine Verarbeitung der Masse erfolgt. Sie hat das Ziel, die zu fördernde Masse unter Druck zu komprimieren und/oder zu formen. Als typisches Beispiel seien Strangpressen und Extruder genannt. Als "gleitfähige Masse" im Sinne der Erfindung werden alle Massen verstan den, die mehr oder weniger homogen und/oder kompressibel sind, stets aber einen gewissen Fluidgehalt mit gegebenenfalls variierender Viskosität aufweisen. Bei dem Fluid kann es sich wiederum um eine Flüssigkeit, eine Kunststoffschmelze oder dergleichen handeln.

Bei jeder Druckförderung findet in Förderrichtung ein Druckabfall statt, der um so höher ist, je größer die Wandreibung und je größer die innere Reibung der geförderten Masse ist, d.h. je schlechter ihr Gleitverhalten ist, das wiederum in der Regel mit steigendem Feststoffgehalt schlechter wird. Bei einer der Formgebung dienenden Druckförderung treten je nach Fluid- bzw. Feuchtgehalt der Masse Arbeits- und Förderdrucke im Bereich von 200 bis 300 bar auf. Dabei kann es je nach Konsistenz und Homogenität der Masse lokal zu unzulässig hohen Druckspitzen kommen. Diese können an Formwerkzeugen zu Schäden oder Verschleiß führen. Enthält die zu fördernde Masse Feststoffe, kommt es ferner zu Verschleiß an der Rohr- oder Gehäusewandung.

Überdies sind abhängig vom Druck- und Gleitverhalten bei nicht-einphasigen Fluiden Entmischungen festzustellen. So zeigt sich insbesondere bei Dispersionen im Bereich der Rohr- oder Gehäusewandung ein höherer Feuchtgehalt bzw. eine Feuchtabnahme im Innern der Masse. Ferner kommt es über den Förderquerschnitt zu einer variierenden Massendichte und damit zu Inhomogenitäten. Erhält ein solchermaßen hergestellter Formkörper seine Formstabilität erst durch einen anschließenden Trocknungs-, Härte- oder Erstarrungsprozeß, wie dies beispielsweise bei zementgebundenen Materialien, keramischen Massen oder Schmelzen der Fall ist, entstehen Oberflächendefekte, z.B. Schuppenbildung, Drachenzahnbildung (sogenannte "shark skin") oder auch innere Defekte, wie Scherfugen, Risse, Schmelzbruch oder dergleichen.

Zur Verringerung der Viskosität von gleitfähigen Massen anläßlich der Druckförderung ist der Einsatz von Ultraschall bekannt. Die DE 35 11 452 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Glaskörpern, indem eine plastische, insbesondere SiO₂-Partikel enthaltende Ausgangsmasse durch Strangpressen geformt wird. Zur Erniedrigung der Viskosität der Ausgangsmasse und zur Verbesserung der Mischung ist die Einkoppelung von Ultraschall in die Masse vorgesehen, was mittels eines Preßstempels der Strangpresse geschieht, welcher mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Ultraschall ausgestattet ist.

Um das Gleitverhalten der geförderten Masse im Sinne einer Reduzierung des Druckabfalls zu beeinflussen, ist es weiterhin bekannt, der Masse schon vor Aufgabe in die Druckförderung Gleitmittel zuzugeben. Der DE 41 06 645 A1 welche auf die vorstehend erwähnte DE 35 11 452 A1 Bezug nimmt, ist ein gegenüber letzterer ähnliches Verfahren zur Formgebung von gleitfähigen Massen, z.B. Keramiken, entnehmbar, wobei zusätzlich der Einsatz von Gleitmitteln erwähnt ist, welche den pulverförmigen Ausgangsstoffen neben anderen geeigneten Zusätzen, wie organischen Bindemitteln, Emulgatoren, Stabilisatoren etc., zugesetzt werden.

Ebenso ist es bekannt, Gleitmittel in geringen Mengen über eine ringförmige Verteilung in den Förderquerschnitt einzuspeisen (z.B. DE 25 14 420 A1 ).

Bei der formgebenden Druckförderung wirken sich Gleitmittel aber in der Regel qualitätsmindernd auf die Oberflächengüte aus. Sie können insbesondere die Oberflächenfestigkeit bzw. -härte negativ beeinflussen. Handelt es sich um schwerflüchtige Gleitmittel, wie Öle oder dergleichen, müssen sie unter Umständen in einem nachfolgenden Reinigungsprozeß entfernt werden. Bei Formkörpern aus Feststoffdispersionen sinkt der Feststoffgehalt an der freien Oberfläche des Formkörpers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Formgebung schlecht gleitfähiger Massen durch Druckförderung Beschädigungen des Formwerkzeugs infolge bei der Förderung auftretender Druckspitzen und insbesondere oberflächennahe Defekte am Formkörper zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in das Gleitmittel vor dem Einspeisen Ultraschall eingekoppelt wird.

Zur Lösung der genannten Aufgabe sieht die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Formgebung gleitfähiger Massen, wie ein Extruder, eine Strangpresse oder dergleichen, mit einem Gehäuse mit einem vorgegebenen Förderquerschnitt und wenigstens einem druckerzeugenden Element, wie einer Schnecke, einem Kolben oder dergleichen, zur Druckförderung der gleitfähigen Masse in Richtung eines Formkopfes vor, welche insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens der vorgenannten Art geeignet und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vorrichtung eine Einrichtung zur Zuführung von Gleitmittel aufweist und diese Einrichtung zur Zuführung von Gleitmittel mit wenigstens einem Sender zum Einkoppeln von Ultraschall in das Gleitmittel ausgestattet ist.

Werden in die Randzonen des Förderquerschnitts Gleitmittel eingespeist, welche die Druckförderung unterstützen, so ermöglicht die erfindungsgemäße zusätzliche Einkopplung von Ultraschall eine Reduzierung der Menge an Gleitmittel. Ferner können Gleitmittel eingesetzt werden, die bisher für die Unterstützung einer Druckförderung als nicht geeignet angesehen worden sind. Hierzu zählen insbesondere nicht einphasige Gleitmittel, wie Fluide mit Feststoffzusätzen, z.B. Gemische aus hydraulischen Bindemitteln, Sanden, Fasern, Wasser und Additiven für die Druckförderung bei der Formgebung von Zementmörteln. Im Gegensatz zur bloßen Anwendung von Gleitmitteln verarmen die Randzonen nicht an Feststoff.

Beim Extrudieren energetischer Materialien, beispielsweise polymergebundener Sprengstoffe, ist ein hoher Feststoffanteil erwünscht. Aus sicherheitstechnischen Gründen darf aber der Druckabfall nicht zu groß werden. Durch Zugabe von Gleitmittel und gleichzeitiges Einkoppeln von Ultraschall läßt sich der Druckabfall verringern bzw. umgekehrt der Feststoffgehalt erhöhen.

Ferner ist es möglich, nicht nur in das Gleitmittel vor dem Einspeisen in die Druckförderung Ultraschall einzukoppeln, sondern auch in die geförderte gleitfähige Masse Ultraschall einzukoppeln.

Bei Pasten und Suspensionen, die bei der Druckförderung zur Entmischung, gegebenenfalls auch nur im Randbereich, neigen, zeigt sich bei Einkopplung von Ultraschall eine Änderung der Konsistenz. Solche Massen bleiben bei der Druckförderung in homogener Form erhalten, zeigen also keine Entmischungseffekte und bleiben damit gleitfähig. Die Ursache wird in einer Art Gelbildung bei Einwirken von Ultraschall vermutet.

Bei Massen, die in besonderem Maß zum Entmischen neigen, kann es sich empfehlen, die gesamte Masse vor der Förderung mit Ultraschall zu behandeln.

Für die zusätzliche Einkopplung von Ultraschall in die geförderte gleitfähige Masse stehen verschiedene Varianten zur Verfügung. So kann das mit Ultraschall beaufschlagte Gleitmittel stromauf und/oder stromab der Ultraschall-Einkopplung in die gleitfähige Masse eingespeist werden. Es kann aber auch Ultraschall zumindest auf einem Teil derjenigen Förderstrecke, auf welcher der gleitfähigen Masse mit Ultraschall beaufschlagtes Gleitmittel zugeführt wird, eingekoppelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung von Formkörpern aus Pasten, Dispersionen oder Stoffgemischen mit geringem Fluidgehalt, wobei das Fluid als Binder oder Teil eines Bindersystems wirksam sein kann. Das Verfahren eignet sich ferner insbesondere zur Herstellung von Formkörpern aus Zementmörtel oder aus keramischen Massen oder auch zur Herstellung von Formkörpern aus gefüllten Kunststoffen, wobei das Fluid die Kunststoffschmelze sein kann.

Schließlich lassen sich mit der erfindungsgemäß ausgestalteten Druckförderung auch Formkörper aus brennbaren Abfallstoffen herstellen, um diese für Verbrennungszwecke zu kompaktieren.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bieten sich, wie bereits angedeutet, insbesondere Extruder an. Dabei können am Gehäuse des Extruders Ultraschall-Sender angeordnet sein. Vorzugsweise jedoch sind solche Sender nur im Bereich des Formkopfs des Extruders vorgesehen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Formgebung gleitfähiger Massen durch Druckförderung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Axialschnitt im Bereich des Formkopfs eines Extruders in einer ersten Ausführung;
2 einen der 1 entsprechenden Schnitt einer anderen Ausführungsform und
3 einen der 1 entsprechenden Schnitt einer dritten Ausführungsform.
In 1 bis 3 ist der Formkopf 4 einer Strangpresse, eines Extruders oder dergleichen wiedergegeben, wobei das druckerzeugende Element, z.B. ein Kolben, eine Schnecke oder eine Doppelwellenschnecke, nicht gezeigt ist. Der Formkopf 4 verjüngt sich zum Austrittsende.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine disperse Masse 1, z.B. eine Paste, gefördert und zu einem Endlosstrang oder zu Strangabschnitten umgeformt. Der Paste 1 wird im Bereich des Formkopfes 4 Gleitmittel 2 zugegeben, das zum einen zur Reduzierung des Druckabfalls in der Druckförderung, zum anderen zur Verbesserung der Randzonen des Formkörpers dient. Das Gleitmittel 2 gelangt aus einem Vorratsbehälter 8 über eine Dosierpumpe 7 in einen Injektionskanal 3, aus dem das Gleitmittel 2 in ringförmig angeordnete Injektionsdüsen 2a bis 2d gelangt und somit gleichmäßig über den Förderquerschnitt verteilt wird. Zur Kontrolle des Injektionsdrucks ist im Injektionskanal 3 ein Manometer 5 angeordnet. Zwischen der Dosierpumpe 7 und dem Manometer 5 ist ein Ultraschall-Sender 6 angeordnet, mittels dessen Ultraschall in das Gleitmittel 2 eingekoppelt wird. Bei dem Gleitmittel 2 kann es sich um ein einphasiges Fluid oder um ein feststoffhaltiges Fluid handeln, das durch die Ultraschall-Einkopplung homogen fluidisiert wird. Mit den Bezugszeichen 2a bis 2d sind mögliche Positionen für die ringförmige Zuführung des Gleitmittels angedeutet. In der Regel wird sich nur eine der Positionen empfehlen, die in Abhängigkeit von der geförderten pastenförmigen Masse 1 und/oder der Art des Gleitmittels 2 und/oder dem Druckverlauf im Formkopf 4 ausgewählt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile der Vorrichtung bzw. das Fördergut und das Gleitmittel verwendet. Hierbei handelt es sich um einphasiges homogenes Gleitmittel, in das wiederum über den Sender 6 Ultraschall eingekoppelt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird das Gleitmittel 2 über die Einrichtung 3, 5, 7, 8 und 9 in herkömmlicher Weise im Bereich des Formkopfs 4 ringförmig zugeführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ultraschall-Sender 6 am Formkopf 4 angeordnet und wird Ultraschall unmittelbar in die Paste 1 eingekoppelt, und zwar vor Zugabe des Gleitmittels 2. Die Positionen 6a bis 6e geben mögliche Positionen des Ultraschall-Senders 6 an, die wiederum in Abhängigkeit vom Fördergut und Gleitmittel sowie deren Fließverhalten bei der Druckförderung optimierend ausgewählt werden. Der Sender 6 zum Beaufschlagen des Gleitmittels 2 mit Ultraschall (vgl. 1 und 2) ist in 3 nicht wiedergegeben.

Claims

Verfahren zur Formgebung gleitfähiger Massen durch Druckförderung in einem vorgegebenen Förderquerschnitt, wobei in dessen Randzone Gleitmittel eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gleitmittel vor dem Einspeisen Ultraschall eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die geförderte gleitfähige Masse Ultraschall eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Masse vor der Förderung Ultraschall eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmittel stromauf und/oder stromab der Ultraschall-Einkopplung in die Masse eingespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschall zumindest auf einem Teil derjenigen Förderstrecke, auf welcher der gleitfähigen Masse Gleitmittel zugeführt wird, in die Masse eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Formkörpern aus Pasten, Dispersionen oder Stoffgemischen mit geringem Fluidgehalt.
Verfahren nach Anspruch 6 zur Herstellung von Formkörpern aus Dispersionen oder Stoffgemischen mit einem als Binder oder Teil eines Bindersystems wirksamen Fluid.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 zur Herstellung von Formkörpern aus Zementmörtel.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 zur Herstellung von Formkörpern aus keramischen Massen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 zur Herstellung von Kunststoff-Formkörpern.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 zur Herstellung von Formkörpern zum Zwecke der Verbrennung.
Vorrichtung zur Formgebung gleitfähiger Massen (1), wie ein Extruder oder eine Strangpresse, mit einem Gehäuse mit einem vorgegebenen Förderquerschnitt und wenigstens einem druckerzeugenden Element, wie einer Schnecke oder einem Kolben, zur Druckförderung der gleitfähigen Masse (1) in Richtung eines Formkopfes (4), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Einrichtung (3, 5, 7, 8) zur Zuführung von Gleitmittel (2) aufweist und diese Einrichtung (3, 5, 7, 8) zur Zuführung von Gleitmittel (2) mit wenigstens einem Sender (6) zum Einkoppeln von Ultraschall in das Gleitmittel (2) ausgestattet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse Ultraschall-Sender (6) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschall-Sender (6) nur am Formkopf (4) der Vorrichtung angeordnet sind.