DE102006011067A1

DE102006011067A1 - Extruder-/Spritzgießschnecke

Info

Publication number: DE102006011067A1
Application number: DE102006011067A
Authority: DE
Inventors: Martin Würtele
Original assignee: Krauss Maffei Kunststofftechnik GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2007-09-13
Also published as: WO2007101752A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schnecke für eine Extrudervorrichtung oder eine Spritzgießvorrichtung, aufweisend zumindest eine Aufschmelzzone (101) mit einem Kanal (7) für aufzuschmelzendes Material, der einen Kanalquerschnitt besitzt. Um eine Extrusions-/Spritzgießschnecke anzugeben, bei der ein verbessertes Aufschmelzverhalten realisiert ist und die Schmelze eine verbesserte thermische und mechanische Homogenität besitzt, wird vorgeschlagen, dass der Kanalquerschnitt innerhalb der Aufschmelzzone (101) einen Kanalquerschnittsverlauf (DeltaA<SUB>0</SUB>) besitzt, der entlang einer Koordinate (z) konvex verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Extruder-/Spritzgießschnecke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US 6921191 B2 ist eine Extruderschnecke mit einer Einzugszone, einer Aufschmelzzone und einer Austragszone bekannt, bei der gemäß einem ersten Beispiel entlang einer Förderrichtung von der Einzugszone hin zur Austragszone der Schneckenkerndurchmesser vom Beginn der Einzugszone an zunächst linear abnimmt und in einer zweiten Sektion wieder linear zunimmt. In einem zweiten Beispiel nimmt der Schneckenkerndurchmesser zunächst linear ab. In einer darauffolgenden Zone ist er entlang der Schneckenlängsachse ein Stück konstant und steigt dann wiederum linear an und verläuft im Endbereich der Schnecke wiederum konstant.
Aus der US 6752528 ist eine Extruderschnecke mit einer Einzugszone, einer Aufschmelzzone und einer Austragszone bekannt, wobei innerhalb der Aufschmelzzone bei konstanter Gangsteigung der Schneckenkerndurchmesser linear zunimmt, so dass entlang der Aufschmelzzone der Kanalquerschnitt linear abnimmt.
Aus der US 2004/0213077 A1 ist eine Extruderschnecke mit einer Einzugszone, einer Aufschmelzzone und einer Austragszone bekannt, bei der der Kanalquerschnitt in der Aufschmelzzone immer größer ist als der Kanalquerschnitt in der Einzugszone. Eine Vergrößerung des Kanalquerschnitts im Bereich der Aufschmelzzone relativ zur Einzugszone kann durch eine geeignete Wahl der Kanalbreite, welche der Gangsteigung entspricht und der Kanaltiefe, welche der Gangtiefe entspricht, erreicht werden.
Üblicherweise werden aus Wirtschaftlichkeitsgründen und im Sinne einer rationellen Verarbeitung Standartausführungen von Spritzgießmaschinen mit Drei-Zonen-Universalschnecken geliefert, mit denen sich fast alle für die Spritzgießverarbeitung gebräuchlichen Thermoplaste gut verarbeiten lassen. Dieser Schneckentyp ist wie in der Extrusion durch die Aufteilung der Schnecke 1 (1) in drei verschiedene Zonen, einer Einzugszone 100, einer Umwandlungszone (Aufschmelzzone, Kompressionszone) 101 und einer Austragszone 102 (Metering-Zone), aufgeteilt. Den einzelnen Zonen kommen unterschiedliche Aufgaben zu.
Die Einzugszone 100 ist im Wesentlichen für die Aufnahme, Förderung und Verdichtung des Kunststoffrohstoffes verantwortlich und soll einen Druckaufbau realisieren.
Die Aufschmelzzone 101 soll den angelieferten Feststoff möglichst schonend und vollständig in den schmelzflüssigen Zustand überführen.
In der Austragszone 102 erfolgt das Fördern und Mischen der Schmelze durch Schlepp- und Druckströmung.
An einer Schneckenspitze (nicht dargestellt) befindet sich in der Regel noch eine Rückstromsperre, die das Zurückströmen der sich im Schneckenvorraum befindlichen Schmelze während der Einspritzphase und Nachdruckphase verhindern soll.
Die wichtigste Aufgabe einer Spritzgießplastifiziereinheit ist das Umwandeln des Feststoffes in Schmelze. Das Gesamtsystem "Plastifizieraggregat", dessen wesentlicher Bestandteil die Extruder-/Spritzgießschnecke 1, auch Plastifizierungsschnecke genannt, ist, wird vorrangig nach ihrem Aufschmelzvermögen beurteilt. Durch das Aufschmelzverhalten wird entscheidend die Massehomogenität im Schneckenvorraum und damit die Formteilqualität beeinflusst. Für Extrusionsschnecken wurden viele qualitative visuelle Untersuchungen vorgenommen, um Erkenntnisse über den Aufschmelzvorgang zu erlangen. Bei der Verarbeitung vieler im Schmelzezustand wandhaftender Kunststoffe wurde das Maddock-Modell inzwischen von vielen Autoren im Wesentlichen bestätigt und hat sich weitgehend durchgesetzt. Dieses Modell wird nachfolgend anhand der 1 bis 2c kurz erläutert, wobei 1 schematisch eine Schnecke 1 zeigt und zur Erläuterung nachfolgend benutzter Begriffe dient.
1 zeigt ausschnittsweise eine Extruder-/Spritzgießschnecke 1, im Folgenden Schnecke 1, welche in einem Schneckenzylinder 2 in einer Antriebsrichtung 3 drehbar gelagert ist. Die Schnecke 1 besitzt einen Schneckenkern 4 mit einem Kerndurchmesser D. Um den Schneckenkern 4 ist, diesen helixartig umgebend, ein Schneckengang 5 angeordnet. Der Schneckengang 5 ist als Steg ausgebildet und ragt außen umfänglich um den Schneckenkern 4 ein Stück über diesen hervor. Bei einem Antrieb der Schnecke 1 in der Antriebsrichtung 3 ergibt sich eine Förderrichtung 6 entlang einer Schneckenlängsachse für von der Schnecke 1 gefördertes Material, welches sich in einem Schneckenkanal 7, im Folgenden Kanal 7 genannt, befindet. Der Kanal 7 wird durch den Schneckenkern 4, benachbarte Abschnitte des Schneckenganges 5 und außenseitig durch den Schneckenzylinder 2 begrenzt.
Der Schneckengang 5 besitzt eine Schubflanke 5a und eine Gegenschubflanke 5b, wobei die Schubflanke 5a in Richtung der Förderrichtung 6 weist und die Gegenschubflanke 5b entgegen dieser Richtung weist.
Der Schneckengang 5 weist einen Gangsteigungswinkel ϕ auf. Der Abstand zweier gleichartiger Flanken, d. h. der Abstand zwischen zwei in Förderrichtung 6 (= Schneckenlängsrichtung) aufeinanderfolgenden Schubflanken 5a oder zwischen zwei in Förderrichtung aufeinanderfolgenden Gegenschubflanken 5b wird als Gangsteigung t bezeichnet. Der Abstand zwischen dem Schneckenkern 4 und der Innenseite des Schneckenzylinders 2 wird als Gangtiefe h bezeichnet.
Der Schneckengang 5 hat eine Stegbreite e. Als Gangbreite b ist die lichte Weite zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schneckengängen 5 definiert.
Als Relativgeschwindigkeit v_rel ist die Geschwindigkeit des sich im Kanal 7 befindlichen Materiales relativ zum Schneckenzylinder 2 in Förderrichtung 6 bei angetriebener Schnecke 1 zu verstehen.
Die gesamte Aufschmelzzone 101 der Schnecke ist schematisch in den 2a–2c anhand eines in die Zeichenebene abgewickelten Kanals 7 in der Aufsicht (2a), im Längsschnitt (2b) und im Querschnitt (2c) (in Richtung v_rel) dargestellt.
Ein sich im Kanal 7 befindlicher Feststoff/Feststoffblock 10 ist allseitig von Schmelze umhüllt. Er gleitet auf Schmelzefilmen 11 am Schneckengrund (Schneckenkern 4) und 12 an einer Gegenflanke 5a, deren Dicken auf Grund von viskoser Reibung und Erwärmung durch die heiße Schnecke 1 in Förderrichtung 6 stetig zunimmt.
Das Aufschmelzen des Feststoffes 10 findet jedoch hauptsächlich an einer heißen Zylinderwand 13 des Schneckenzylinders 2 statt und zwar durch Wärmeleitung und viskose Reibung (Dissipation) in einem nur wenige Zehntel Millimeter dicken Schmelzefilm 14 zwischen dem Feststoff 10 und der Zylinderwand 13. Die Relativgeschwindigkeit v_rel sorgt dafür, dass die entstehende wandhaftende Schmelze sofort weggeschleppt wird, wodurch der Schmelzefilm 14 stets sehr dünn bleibt. Dadurch wird sowohl die Wärmeleitung von der heißen Zylinderwand 13 in den Feststoff 10 als auch die Dissipation im Schmelzefilm 14 und damit die Aufschmelzleistung in dem darunter liegenden Feststoff 10 forciert.
Anschließend wird die weggeschleppte Schmelze an der Schubflanke 5a größtenteils abgeschabt und sammelt sich in einem Schmelzepool/Schmelzewirbel 15. In geringem Maße wird der Feststoff 10 auch auf der dem Schmelzewirbel (Schmelzepool) 15 zugewandten Seite aufgeschmolzen. Ein kleiner Teil der Schmelze vom Schmelzewirbel 15 gelangt über einen Leckspalt 16 in den Schmelzefilm 14 zurück. Beim Fortschreiten des Materialstroms in einer Kanalrichtung 17 wird der Schmelzewirbel 15 immer breiter und drückt dabei den deformierbaren und daher schmaler werdenden Feststoffblock 10 zur Gegenschubflanke 5b hin. Um die Aufschmelzfläche zwischen dem Feststoff 10 und der Zylinderwand 13 möglichst groß zu halten, wird in der Regel die Schnecke 1 in der Aufschmelzzone 101 mit abnehmender Gangtiefe h ausgeführt, wodurch der Feststoffblock 10 sowohl in die Breite gequetscht als auch in Kanalrichtung 17 beschleunigt wird.
Gegen Ende der Aufschmelzzone 101 bricht der Feststoffblock 10 oftmals in Folge von Beschleunigungskräften in Teilstücke 18 auseinander und die in der in 2c gezeigten idealisierten Vorstellungen treffen in diesem Endbereich der Aufschmelzzone 101 in der Praxis dann nicht mehr zu. Falls die in der Schmelze fortschwimmenden Teilstücke 18 in den Nachfolgezonen der Schnecke 1 nicht oder nur ungenügend aufgeschmolzen werden, führt dies zu thermischen Inhomogenitäten im Formteil/Extrudat, wodurch die Produktqualität erheblich beeinträchtigt werden kann.
Übliche Schnecken 1 besitzen in der Aufschmelzzone 101 eine zur Austragszone 102 hin linear abnehmende Gangtiefe h.
Außerdem ist es bekannt, lass in der Aufschmelzzone 101 gleichzeitig die Gangsteigung t linear zunehmen kann ( US 4,129,386 ). Eine kontinuierliche Abnahme der Gangtiefe h bei gleichbleibender Gangsteigung t führt zu einer linear verlaufenden Abnahme eines Kanalquerschnitts A₀ von der Einzugszone 100 hin zur Austragszone 102 (Metering-Zone).

Der Kanalquerschnitt A₀ einer Schnecke 1 berechnet sich in jedem Abschnitt der Schnecke 1 aus dem Produkt seiner Gangbreite b und der Gangtiefe h in diesem Abschnitt. Dabei können Verlustflächen, die sich aus dem üblicherweise vorliegenden Flankenwinkeln und -radien ergeben, berücksichtigt werden. Für eine übliche Schnecke 1 mit konstanter Gangsteigung t und kontinuierlich abnehmender Gangtiefe h wird dies im Folgenden an einem Beispiel dargestellt.

Schneckendurchmesser	D:= 50 mm
Zonenlänge (z. B. der Aufschmelzzone 101)	L:= 350 mm
Gangtiefe zu Beginn der Zone 101	h_a:= 6,5 mm
Gangtiefe am Ende der Zone 101	h_e:= 3,0 mm
Gangsteigung zu Beginn der Zone 101	t_a:= 50 mm
Gangsteigung am Ende der Zone 101	t_e:= 50 mm
Stegbreite zu Beginn der Zone 101	e_a:= 5 mm
Stegbreite am Ende der Zone 101	e_e:= 5 mm

aktiver Flankenwinkel	γ_a:= 90 Grad
passiver Flankenwinkel	γ_p:= 120 Grad
aktiver Radius	r_a:= 3 mm
passiver Radius	r_p:= 6 mm
Gangzahl	i:= 1

Für die Betrachtung des Kanalquerschnitts A₀ wird die Aufschmelzzone 101 beispielsweise in Teilabschnitte zerlegt.
Somit ergibt sich für die einzelnen Teilabschnitte der folgende Verlauf der Geometriegrößen:
Für die Berechnung der Gangbreite wird zunächst der Gangsteigungswinkel berechnet
Der Kanalquerschnitt A₀ berechnet sich somit zu:

Kanalquerschnitt A₀ A₀(z) := b(z)·h(z)
Werden die Verlustflächen berücksichtigt, sind zunächst einige Hilfsgrößen zu berechnen
Bei der Berechnung der aktiven Verlustflächen sind folgende Fallunterscheidungen vorzunehmen:
Bei der Berechnung der passiven Verlustflächen sind folgende Fallunterscheidungen vorzunehmen:

Es ergibt sich ein korrigierter A(z):=A₀(z) – (B_a(z) + B_p(z))

Kanalquerschnitt zu:
Somit ergeben sich für die gewählte Aufschmelzzone 101 folgende Daten:
Oben aufgeführte tabellarische Zahlenwerte sind in 3 graphisch dargestellt. 3 zeigt den Kanalquerschnittsverlauf A₀(z) in der Einheit mm² als durchgezogene Linie und den Kanalquerschnittsverlauf A(z) in mm² als punktierte Linie. Der Graph für den Kanalquerschnitt A(z) liegt durchgängig unterhalb des Graphen des Kanalquerschnittes A₀(z). Der Unterschied der Werte für einen Kanalquerschnitt A₀ und einen Kanalquerschnitt A, jeweils für einen bestimmten Wert z ist ein Maß für die Verlustflächen. Der Kanalquerschnitt A₀(z) und der Kanalquerschnitt A(z) verlaufen über den gesamten Bereich z linear fallend (A₀(z)) oder konkav fallend (A(z)).
Näherungsweise kann für die Betrachtung des Kanalquerschnittes A₀ von einem Rechteckkanal ausgegangen werden. Somit werden die Verlustflächen auf Grund der Flankenradien und -winkel vernachlässigt. Dies ist gängige Praxis.
Schnecken 1 aus dem Stand der Technik haben üblicherweise den Nachteil, dass gegen Ende der Aufschmelzzone 101 hin zur Austragszone 102 der Feststoffblock 10 meist in Folge von hohen Beschleunigungskräften in die Teilstücke 18 auseinanderbricht. Dies konnte anhand von Schnitten nachgewiesen werden. Damit wird der Aufschmelzprozess uneffektiv und die Teilequalität des extrudierten oder spritzgegossenen Produktes nachteilig beeinflusst. Können nämlich einzelne Teilstücke 18 aus Feststoff 10 in der nachfolgenden Austragszone 102 einer Standardschnecke 1 oder der Mischzone einer Mischschnecke nicht vollständig aufgeschmolzen werden, führt dies zu Inhomogenitäten im Formteil.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Extrusions-/Spritzgießschnecke anzugeben, bei der ein verbessertes Aufschmelzverhalten realisiert ist und die Schmelze eine verbessere thermische und mechanische Homogenität besitzt. Außerdem soll ein erhöhter Massendurchsatz bei gleicher oder sogar verbesserter Qualität der Schmelze möglich sein. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Auseinanderbrechen eines Feststoffblockes innerhalb der Aufschmelzzone zu vermeiden und somit die Aufschmelzleistung der Extruder-/Spritzgießschnecke im Bereich der Aufschmelzzone zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einer Extruder-/Spritzgießschnecke mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den von den unabhängigen Ansprüchen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Erkenntnis ist, dass der Verlauf der Gangsteigung t und der Verlauf der Gangtiefe h entlang einer Förderrichtung 6 von der Einzugszone 100 hin zur Austragszone 102 (Metering-Zone) derart gewählt sind, dass der Verlauf des Kanalquerschnittes A₀ einem konvexen Kurvenverlauf gehorcht. Unter einem konvexen Kurvenverlauf ist dabei ein Abbild einer Funktion zu verstehen, welche in einem betrachteten Abschnitt stets oberhalb einer seiner Tangenten liegt.
Definition:

1. Eine in einem Bereich (a, b) differenzierbare Funktion f ist konvex, wenn die erste Ableitung der Funktion f in dem Bereich (a, b) monoton steigend ist.
2. Eine in einem Bereich (a, b) zweimal differenzierbare Funktion f ist in dem Bereich (a, b) konvex, wenn für alle Werte aus dem Bereich (a, b) gilt, dass die zweite Ableitung der Funktion f größer oder. gleich 0 ist (vergleiche Bronstein, Taschenbuch der Mathematik, 23. Auflage 1987, Seite 270, 271 mit Fußnote 1).

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein Auseinanderbrechen des Feststoffblockes 10 innerhalb einer Aufschmelzzone 102 einer Extruder-/Spritzgießschnecke 1 (im Folgenden Schnecke 1) wesentlich von der Beschleunigung des Materialstranges innerhalb eines Kanalquerschnittes A₀ der Schnecke 1 abhängt. Erfindungsgemäß wurde weiter erkannt, dass eine wesentliche Verbesserung des Zusammenhalts des Feststoffblockes 10 in der Aufschmelzzone 101 der Schnecke 1 auch bis zum Ende der Aufschmelzzone 101 hin erreicht werden kann, wenn die Beschleunigung des Materialstranges innerhalb der Kanäle 7 auf niedrigem Niveau, insbesondere auf niedrigem Niveau konstant oder nahezu konstant verläuft. Wenn die Beschleunigung des Materialstromes innerhalb des Kanals 7 konstant oder nahezu konstant über die gesamte oder nahezu über die gesamte Aufschmelzzone 101 erfolgt, werden überhöhte Kräfte auf Grund von gestiegener Beschleunigung vermieden, die für das Auseinanderbrechen des Feststoffblocks 10, insbesondere am Ende oder zum Ende der Aufschmelzzone 101 hin, verantwortlich sind. Die Beschleunigungskräfte oder ein Ansteigen der Beschleunigungskräfte kann vermieden oder reduziert werden, wenn die Beschleunigung über die gesamte Aufschmelzzone 101 konstant, insbesondere auf niedrigem Niveau konstant, gehalten wird. Hierzu wurde in einem weiteren Schritt der Erfindung erkannt, dass die Beschleunigung des Materialstromes konstant gehalten werden kann, wenn der Kanalquerschnitt A₀ des Schneckenkanals 7 innerhalb der Aufschmelzzone 101 einer konvexen Funktion folgend ab- oder zunimmt.
Dies kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden.
Beispielsweise kann der Kanalquerschnitt ΔA₀(z) über eine Vorgabe des Gangtiefenverlaufes Δh(z), des Gangsteigungsverlaufes Δt(z) oder über eine Kombination aus beiden beeinflusst werden. Bei konstanter Gangsteigung t ist beispielsweise der Gradient, z. B. der Gangtiefenabnahme/-zunahme Δh(Z), zu Beginn der Aufschmelzzone 101 größer als am Ende der Aufschmelzzone 101, während bei stetig abnehmender Gangtiefe h(z) die Gangsteigung Δt(z) am Beginn der Aufschmelzzone 101 abnimmt und zum Ende der Aufschmelzzone 101 hin wieder zunimmt. Es ist aber auch möglich, den Schneckenkanal 7 entlang des Kanals 7 nebeneinander verlaufend in einen Bereich mit konstant abnehmendem Kanalquerschnitt A₀, z. B. mit halber Gangbreite b, und in einen Bereich mit konvex verlaufendem Kanalquerschnitt A₀ aufzuteilen. Hierbei ist zumindest im Bereich der Aufschmelzzone 101 die Schnecke 1 im Bereich des Kanalbodens gestuft ausgebildet, wobei ein Teilkanal im Querschnitt linear ab- oder zunimmt und ein anderer Teilkanal im Querschnitt einer konvexen Funktion gehorcht.
Weiterhin ist es möglich, den konvexen Querschnittsverlauf ΔA₀(z) in der Aufschmelzzone 101 durch das Aneinanderreihen von Teilzonen mit jeweils linear abnehmendem Querschnittsverlauf anzunähern, wobei der Gradient einer nachfolgenden Teilzone kleiner ist als derjenige der vorhergehenden Teilzone.
Bei ansteigendem Querschnittsverlauf ΔA₀(z) gilt dies in umgekehrter Weise.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass die zur Verfügung stehende Aufschmelzlänge der Schnecke 1 besser genutzt wird, da der Feststoffblock 10 am Ende der Aufschmelzzone 101 nicht auseinanderbricht. Dadurch wird ein verbessertes Aufschmelzen, bzw. eine verbesserte Aufschmelzleistung, der Schnecke 1 erreicht. Außerdem ergibt sich eine verbesserte thermische und mechanische Homogenität der Schmelze. Weiterhin sind erhöhte Durchsätze an Material bzw. Schmelze bei gleicher und/oder verbesserter Qualität möglich.
Figurenkurzbeschreibung:
Es zeigen:
1: schematisch eine teilgeschnittene Längsschnittansicht auf eine Extruder-/Spritzgießschnecke zur Darstellung zu definierender Begriffe;
2a: eine schematische Darstellung eines Aufschmelzvorganges in einer Aufschmelzzone nach Maddock in einer abgewickelten Kanaldraufsicht;
2b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie Z-Z in 2a;
2c: eine Schnittdarstellung entlang der Linie X-X in 2a;
3: eine graphische Darstellung eines Kanalquerschnittsverlaufes eines Kanals einer Schnecke gemäß dem Stand der Technik entlang der Aufschmelzzone;
4: eine graphische Darstellung einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Kanal einer Schnecke gemäß dem Stand der Technik entlang der Aufschmelzzone;
5: eine graphische Darstellung des Beschleunigungsverlaufes in einem Kanal entlang der Aufschmelzzone gemäß dem Stand der Technik.
Die folgenden 6 bis 7c dienen zur Erläuterung der Erfindung, welche anhand dieser Figuren beispielhaft näher beschrieben wird. Es zeigen:
6: eine graphische Darstellung des Kanalquerschnittverlaufes gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik;
7a: graphisch eine Gegenüberstellung des Verlaufes der Gangtiefe gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik;
7b: graphisch den Verlauf der Kanalgeschwindigkeit gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik;
7c: graphisch den Verlauf der Beschleunigung im Kanal gemäß der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik;
8a: den Verlauf der Gangsteigung gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik;
8b: den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit im Kanal gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik;
8c: den Verlauf der Beschleunigung im Kanal gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik.
Ziel ist es, die Aufschmelzzone 101 einer Schnecke 1 so auszulegen, dass das Granulat-/Schmelzegemisch – vor allem am Ende der Aufschmelzzone 101 – nur gering beschleunigt wird, um dadurch das Aufbrechen des Feststoffblocks 10 und die daraus resultierenden negativen Auswirkungen auf die Schmelze (siehe oben) zu unterdrücken. Um dies zu realisieren wird eine Schnecke 1 vorgestellt, deren Kanalquerschnitt A₀ in der Aufschmelzzone 101 nicht linear oder konkav vom Ende der Einzugszone 100 hin zum Beginn der Austragszone 102 verläuft (üblicherweise abnimmt), sondern einem konvexen Kurvenverlauf folgt. Dies kann sowohl über eine Vorgabe des Gangtiefenverlaufes Δh(z), des Gangsteigungsverlaufes Δt(z) oder über eine Kombination aus beiden vorgegeben werden. Bei konstanter Gangsteigung t ist somit der Gradient des Gangtiefenverlaufes, d. h. der Gradient der Gangtiefenerhöhung oder der Gradient der Gangtiefenabnahme zu Beginn der Aufschmelzzone 101 größer als am Ende der Aufschmelzzone 101, während bei linear abnehmender (zunehmender) Gangtiefe h(z) die Gangsteigung Δt(z) am Beginn der Aufschmelzzone 101 abnimmt (zunimmt) und zum Ende der Aufschmelzzone 101 hin wieder zunimmt (abnimmt). Es ist aber auch möglich, den Schneckenkanal 7 in einen Bereich mit konstant abnehmendem Querschnitt (z. B. halber Gangbreite b) und in einen Bereich mit konvex verlaufendem Querschnitt ΔA₀ aufzuteilen.
Weiterhin ist es möglich, den konvexen Querschnittsverlauf ΔA₀ in der Aufschmelzzone 101 durch das Aneinanderreihen von Teilzonen mit linear abnehmendem Querschnittsverlauf (wie im Folgenden dargestellt) anzunähern.
Im Folgenden wird beispielhaft eine mögliche Auslegungsvariante vorgestellt, mit deren Hilfe der konvexe Verlauf des Kanalquerschnittes ΔA₀ dimensioniert werden kann. Die Auslegung realisiert eine konstante Beschleunigung auf niedrigem Niveau.
Für die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit in Kanalrichtung 17 wird eine Schneckendrehzahl angenommen, mit deren Hilfe der Volumenstrom als Produkt der Strömungsgeschwindigkeit und des Kanalquerschnitts A₀ berechnet wird.
In der Aufschmelzzone 101 wird das Granulat in Schmelze umgewandelt. Für die Berechnung des Massedurchsatzes kann zu Beginn der Aufschmelzzone 101 mit der Dichte am Ende der Einzugszone 100 (nach Bürkle) und am Ende der Aufschmelzzone 101 von der Schmelzedichte des zu verarbeitenden Kunststoffes ausgegangen werden.
Aus dem tatsächlichen Massedurchsatz der Schnecke 1 lässt sich mit Hilfe der Dichtefunktion die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit bzw. Beschleunigung in Kanalrichtung in jedem Intervall betrachten.
Für die oben angegebenen beispielhaften Zahlenwerte für die Schüttdichte, die Dichte am Ende der Einzugszone 100 und die Schmelzdichte sowie der Wert für den tatsächlichen Massendurchsatz ist in 4 beispielhaft ein tatsächlicher Strömungsgeschwindigkeitsverlauf im Kanal 7 dargestellt. Hinsichtlich der geometrischen Randbedingungen betreffend den Schneckendurchmesser, die Zonenlänge, die Gangtiefe h am Beginn und am Ende der Zone 101, die Gangsteigung t am Beginn und am Ende der Zone 101 sowie die Stegbreite e am Beginn und am Ende der Zone 101 sind die Zahlenwerte gemäß der vorne näher erläuterten Schnecke aus dem Stand der Technik zu Grunde gelegt. Die Strömungsgeschwindigkeit im Kanal 7 steigt von einem Ausgangswert bei z = 0 in Form einer konvexen Kurve an bis auf einen Endwert bei z = 350 mm.
Aus obiger Formelherleitung für die tatsächliche Beschleunigung im Kanal 7 ist mit den für die 4 genannten Zahlenvorgaben in 5 für dieses Beispiel aus dem Stand der Technik die tatsächliche Beschleunigung im Kanal 7 graphisch dargestellt. Die Beschleunigung im Kanal 7 nimmt von einem Startwert bei z = 0 mm bis zu einem Endwert bei z = 350 mm am Ende der Aufschmelzzone 101 zu und besitzt einen konvexen Verlauf. Da die Beschleunigung am Ende der Aufschmelzzone 101 am größten ist, sind dort auch die Kräfte auf den Feststoffblock 10 am größten, was das ungewollte Auseinanderreißen des Feststoffblockes 10 bewirkt.
Ausgehend von dieser Erkenntnis am Beispiel einer Schnecke aus dem Stand der Technik wird im Folgenden eine Herleitung für die Auslegung einer erfindungsgemäßen Schnecke 1 angegeben, bei der das Ziel einer konstanten Beschleunigung im Kanal 7 innerhalb der Aufschmelzzone 101 erreicht ist.
Idealerweise nimmt die Strömungsgeschwindigkeit über der Länge der Aufschmelzzone 101 konstant zu, d. h. mit konstanter Beschleunigung (siehe oben). Somit ist eine linear ansteigende Strömungsgeschwindigkeit anzustreben.
Durch Gleichsetzen des tatsächlichen Verlaufs der Strömungsgeschwindigkeit v_t(z) mit dem anzustrebenden linearisierten Verlauf v(z) erhält man den erforderlichen Kanalquerschnitt A₀ aus
der erforderliche Kanalquerschnitt
Hierbei sind die Verlustflächen nicht berücksichtigt.
Der erfindungsgemäß ermittelte Kanalquerschnitt ΔA₀(z) ist in 6 zusammen mit dem linear abfallenden Querschnittsverlauf A₀(z) gemäß dem Stand der Technik graphisch dargestellt. Der Kanalquerschnittsverlauf ΔA₀(z) besitzt über dem ausgewählten z-Bereich einen konvexen Verlauf, da der Graph der Funktion ΔA₀(z) für alle z aus dem betrachteten Bereich stets oberhalb einer beliebig an diesem Graph angelegten Tangente verläuft (vergleiche Definition oben).
Da der Kanalquerschnitt A₀ näherungsweise das Produkt aus Gangbreite b und Gangtiefe h ist, lässt sich somit der erforderliche Gangtiefenverlauf Δh(z) bei konstanter oder linearer Gang steigung t(z) oder der erforderliche Gangsteigungsverlauf Δt(z) bei konstanter oder linearer Gangtiefe h(z) ableiten.
1. Beispiel: Bestimmung des erforderlichen Gangtiefenverlaufes Δh(z)
Diese oben genannten beispielhaften tabellarisch aufgelisteten Zahlenwerte sind in den 7a bis 7c graphisch veranschaulicht. 7a zeigt den erfindungsgemäßen Gangtiefenverlauf Δh(z) in einer punktierten Linie und den Gangtiefenverlauf h(z) gemäß dem Stand der Technik in einer durchgezogenen Linie. 7b zeigt den Kanalgeschwindigkeitsverlauf v_h(z) gemäß der Erfindung in einer punktierten Linie und den Kanalgeschwindigkeitsverlauf v_t(z) gemäß dem Stand der Technik in einer durchgezogenen Linie. 7c zeigt den Beschleunigungsverlauf a_h(z) gemäß der Erfindung in einer punktierten Linie und den Beschleunigungsverlauf a_t(z) gemäß dem Stand der Technik in einer durchgezogenen Linie.
7a zeigt, dass bei einer konstanten Gangsteigung t der Gangtiefenverlauf Δh(z) gemäß der Erfindung einer konvexen Funktion gehorchen muss, welche insbesondere monoton fallend ist. Hieraus ergibt sich eine resultierende Kanalgeschwindigkeit gemäß der Erfindung, welche linear ansteigend ausgebildet ist (vergleiche 7b). Dies bedeutet, dass die zugehörige Beschleunigung a_h(z) konstant ist, wie aus 7c hervorgeht. Im Gegensatz dazu ist die resultierende Beschleunigung a_t(z) gemäß dem Stand der Technik ansteigend. Somit ist das Ziel einer konstanten Beschleunigung über den gesamten Bereich der Aufschmelzzone 101 erreicht. Hieraus resultiert ein gleichmäßiger Krafteintrag auf den Feststoffblock 10, so dass ein ungewolltes Abreißen der Teilstücke 18 vermieden ist.
2. Beispiel: Bestimmung des erforderlichen Gangsteigungsverlaufes Δt(z)
Oben tabellarisch aufgeführte Zahlenwerte sind in den 8a bis 8c graphisch dargestellt. 8a zeigt den Gangsteigungsverlauf Δt(z) gemäß der Erfindung in einer punktierten Linie und den Gangsteigungsverlauf t(z) gemäß dem Stand der Technik in einer durchgezogenen Linie. 8b zeigt den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit v_st(z) gemäß der Erfindung in einer punktierten Linie und den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit v_t(z) gemäß dem Stand der Technik in einer durchgezogenen Linie. 8c zeigt den Verlauf der Beschleunigung a_st(z) gemäß der Erfindung in einer punktierten Linie und den Beschleunigungsverlauf a_t(z) gemäß dem Stand der Technik in einer durchgezogenen Linie. Aus 8a geht hervor, dass der erfindungsgemäße Gangsteigungsverlauf Δt(z) einer konvexen Funktion ge horcht und ausgehend von z = 0 zunächst monoton fällt, bis etwa zur Mitte der Aufschmelzzone 101, um anschließend wiederum auf den Ausgangswert, wie bei z = 0, anzusteigen. Der Kurvenverlauf der Funktion Δt(z) ist konvex im Sinne obiger Definition, da der Graph der Funktion stets oberhalb seiner Tangenten verläuft. Aus einem derartigen Verlauf der Gangsteigung Δt(z) über z resultiert gemäß 8b ein erfindungsgemäß gewünschter linearer Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit im Kanal 7 der in 8b dargestellt ist. Da die Strömungsgeschwindigkeit im Kanal 7 gemäß der Erfindung linear ansteigt, muss die zugehörige Beschleunigung a_st(z) gemäß der Erfindung konstant sein. Dies ist in 8c verdeutlicht. Da die Beschleunigung im Kanal 7 über die gesamte Aufschmelzzone 101 konstant ist, ist ein Kraftanstieg gerade am Ende der Aufschmelzzone 101 auf den Feststoffblock 10 vermieden, so dass ein ungewolltes Abbrechen bzw. Abreißen von Teilstücken 18 vermieden ist.
Für den konvexen Verlauf des Kanalquerschnittes A₀ ergeben sich somit beispielsweise die folgenden Vorgaben für den Gangtiefenverlauf Δh(z) bei gegebenem Verlauf der Gangsteigung t(z) oder für den Gangsteigungsverlauf Δt(z) bei gegebenem Verlauf der Gangtiefe h(z).
Auch wenn in der Aufschmelzzone 101 anstelle der Dichte am Ende der Einzugszone 100 nur mit der Schmelzedichte oder der Schüttdichte gerechnet wird, ergibt sich mit einem konvexen Verlauf (Zunahme oder Abnahme) des Kanalquerschnitts A₀ eine Optimierung der Beschleunigung in Kanalrichtung 17.
Für Schnecken 1, bei denen der Kanalquerschnitt A₀ der Austragszone 102 nicht kleiner als der der Einzugszone 100 ist, sondern gleich oder größer, gilt die gleiche Vorgehensweise. Auch in diesem Fall kann die Beschleunigung durch einen konvexen Verlauf des Kanalquerschnittes ΔA₀ von der Einzugszone 100 hin zur Austragszone 102 konstant auf niedrigem Niveau gehalten werden.

1: Schnecke
2: Schneckenzylinder
3: Antriebsrichtung
4: Schneckenkern
5: Schneckengang
5a: Schubflanke
5b: Gegenschubflanke
6: Förderrichtung
7: Kanal
10: Feststoff/Feststoffblock
11: Schmelzefilm
12: Schmelzefilm
13: Zylinderwand
14: Schmelzefilm
15: Schmelzewirbel/Schmelzewirbel
16: Leckspalt
17: Kanalrichtung
18: Teilstücke
100: Einzugszone
101: Aufschmelzzone
102: Austragszone
D: Kerndurchmesser
ϕ: Gangsteigungswinkel
t: Gangsteigung
h: Gangtiefe
b: Gangbreite
e: Stegbreite
A₀: Kanalquerschnitt

Claims

Schnecke für eine Extrudervorrichtung oder eine Spritzgießvorrichtung aufweisend zumindest eine Aufschmelzzone (101) mit einem Kanal (7) für aufzuschmelzendes Material, der einen Kanalquerschnitt besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalquerschnitt innerhalb der Aufschmelzzone (101) einen Kanalquerschnittsverlauf (ΔA₀) besitzt, der entlang einer Koordinate (z) konvex verläuft.
Schnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Kanalquerschnittes (ΔA₀) konvex zunehmend ausgebildet ist.
Schnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Kanalquerschnittes (ΔA₀) konvex abnehmend ausgebildet ist.
Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer konstanten Gangsteigung (t) innerhalb der Aufschmelzzone (101) ein Gangtiefenverlauf (Δh(z)) konvex ansteigend oder konvex abfallend ausgebildet ist.
Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer linear abnehmenden Gangtiefe (h) innerhalb der Aufschmelzzone (101) ein Gangsteigungsverlauf (Δt(z)) konvex ansteigend oder konvex abfallend ausgebildet ist.
Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gangtiefenverlauf (Δh(z)) und der Gangsteigungsverlauf (Δt(z)) entlang der Aufschmelzzone (101) hinsichtlich ihres Verlaufes derart variabel gewählt sind, so dass das Produkt aus der Gangtiefe (Δh(z)) und der Gangsteigung (Δt(z)) entlang der Aufschmelzzone (101) einen konvexen Verlauf besitzt, wobei das Produkt aus Gangtiefe (Δh(z)) und Gangsteigung (Δt(z)) näherungsweise dem Kanalquerschnitt (ΔA₀(z)) entspricht.
Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsgeschwindigkeit (v_h(z)) im Kanal (7) linear ansteigend oder linear abfallend über z ausgebildet ist.
Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschleunigung im Kanal (7), welche auf das sich im Kanal (7) befindliche Material einwirkt, über die Koordinate (z) entlang der Aufschmelzzone (101) konstant ist.
Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gangsteigungsverlauf (Δt(z)) vom Beginn der Aufschmelzzone (101) an zunächst abfällt und anschließend einem konvexen Verlauf gehorchend wieder ansteigt.
Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalquerschnitt (A₀) in einer der Aufschmelzzone (101) vorgelagerten Einzugszone (100) der Schnecke (1) kleiner ist als der Kanalquerschnitt (A₀) einer der Aufschmelzzone (101) nachgelagerten Austragszone (102).
Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalquerschnitt (A₀) in einer der Aufschmelzzone (101) vorgelagerten Einzugszone (100) der Schnecke (1) gleich oder größer ist als der Kanalquerschnitt (A₀) einer der Aufschmelzzone (101) nachgelagerten Austragszone (102).