DE102007000510A1

DE102007000510A1 - Einschneckenextruder mit über seine Länge verändertem Schneckenkanalquerschnitt

Info

Publication number: DE102007000510A1
Application number: DE102007000510A
Authority: DE
Inventors: Johannes Wortberg; Hassan Rahal
Original assignee: DUISBURG ESSEN INST fur, University of; Universitat Duisburg-Essen Institut fur Produkt Engineering
Current assignee: DUISBURG ESSEN INST fur, University of; Universitat Duisburg-Essen Institut fur Produkt Engineering
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2009-04-23

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Einschneckenextruder für die Kunststoffverarbeitung mit einer in einem horizontalen und im wesentlichen zylindrischen Schneckengehäuse drehbar gelagerten angetriebenen Schnecke (1), wobei das Schneckegehäuse wenigstens eine Einzugsöffnung zur Aufnahme von Kunststoffgranulat aufweist, wobei sich die Schnecke (1) von einer Einzugszone (I) über eine Aufschmelzzone (M) bis hin zu einer Scher-Mischzone (S) erstreckt und wobei die Schnecke (1) wenigstens einen schneckenförmigen Steg (2) und dazwischen verlaufenden Schneckenkanal (3) sowie an ihrem Ende Scher- und Mischteile (4) aufweist. Um für einen bestimmten Schneckendurchmesser eine wesentlich größere Ausstoßleistung bei niedriger Schmelztemperatur und guter Homogenität der Schmelze zu erreichen und zur Ermöglichung der Verarbeitung eines breiten Materialspektrums ist vorgesehen, dass der Querschnitt des Schneckenkanals (3) in der Einzugszone (I) und in der Aufschmelzzone (M) in Richtung Schneckenspitze unterschiedlich groß ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Einschneckenextruder für die Kunststoffverarbeitung mit einer in einem horizontalen und im wesentlichen zylindrischen Schneckengehäuse drehbar gelagerten angetriebenen Schnecke, wobei das Schneckengehäuse wenigstens eine Einzugsöffnung zur Aufnahme von Kunststoffgranulat aufweist, wobei sich die Schnecke von einer Einzugszone über eine Aufschmelzzone bis hin zu einer Scher-Mischzone erstreckt, und wobei die Schnecke wenigstens einen schneckenförmigen Steg und dazwischen verlaufenden Schneckenkanal sowie an ihrem Ende Scher- und Mischteile aufweist.
Extruder und insbesondere Einschneckenextruder sind in vielerlei Ausführungen seit langem bekannt. Die Extrusionstechnologie ist ständigen Weiterentwicklungen unterworfen. Neue Produkte, neue Materialien oder Materialmischungen sowie ständig steigende Leistungs-, Qualitäts- und Wirtschaftlichkeitsansprüche erfordern in regelmäßigen Abständen entweder Investitionen in neue Anlagen oder die Anpassung bzw. Nachrüstung der bestehenden Maschinentechnik. Das betrifft besonders die technologischen Kernelemente dieser Anlagen: die Steuerungs- und Regelungstechnik, die Extrusionswerkzeuge und die Extruder selbst. Da mit Einschneckenextrudern fast alle thermoplastischen Kunststoffe verarbeitet werden können, sind deren Einsatzbereiche sehr vielfältig und dementsprechend auch die Zielsetzung für verfahrenstechnische Leistungssteigerungen und Optimierungen.
Einschneckenextruder sind in zwei Hauptausführungen am Markt verfügbar, nämlich Glattrohrextruder und Nutbuchsenextruder. Die jüngeren Entwicklungen dieser Systeme sind in erster Linie auf Weiterentwicklungen der Schnecken zurückzuführen, die in verschiedensten Ausführungen, wie beispielweise Dreizonenschnecke, Wave-Schnecke, Barriereschnecke, konische Schnecke etc., ausführt sein können. Sie können ein- oder mehrgängig ausgebildet sein.
Alle bisherigen Konzepte sahen vor, dass das Unterschreiten einer bestimmten Schneckengangtiefe im Einzugsbereich einen negativen Einfluss auf den Förderwirkungsgrad und den Druckaufbau haben. So ist die Vergrößerung der Schneckengangtiefe und damit das Schneckenkanalvolumen begrenzt, was sich wiederum durch eine begrenzte Förderrate ausdrückt. Bei den bisherigen Anlagen erfolgte ein quasi vollständiges Aufschmelzen des Kunststoffmaterials in der Aufschmelzzone, also vor Erreichen der Scher-Mischzone.
Aufgrund dieses Zusammenhangs ist die Ausstoßleistung bei festgelegter Extruderbaugröße begrenzt. Zudem besteht aufgrund der höheren Schererwärmung die Gefahr einer Überschreitung der zulässigen Schmelzetemperatur bei hohen Schneckendrehzahlen.
Bei Nutbuchsenextrudern wird der Durchsatz, also die Förderrate, in der Einzugszone bestimmt. Dabei kann durch Vorgabe des Durchsatzes durch die Einzugszone das Aufschmelzverhalten, das axiale Druckprofil und die Schmelzequalität beeinflusst werden. Diese Prozessmerkmale werden aber ebenfalls durch die Geometrie der Aufschmelz- und der Mischzone beeinflusst.
Aus der DD-PS 134 616 ist bereits ein Einschneckenextruder mit einem sich ändernden Querschnitt des Schneckenkanals bekannt. Hier erfolgt die Änderung des Schneckenkanalquerschnitts jedoch über die Kanallänge, und zwar über in Längsrichtung zueinander versetzte Kanalspuren.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Einschneckenextruder der eingangs genannten und zuvor näher beschriebenen Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass für einen bestimmten Schneckendurchmesser eine wesentliche größere Ausstoßleistung bei niedriger Schmelztemperatur und guter Homogenität der Schmelze erreicht wird. Des weiteren soll die Verarbeitung eines breiten Materialspektrums ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Querschnitt des Schneckenkanals in der Einzugszone und in der Aufschmelzzone in Richtung Schneckenspitze unterschiedlich groß ausgebildet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Einschneckenextruder werden das Schneckenkanalvolumen im Einzugsbereich ohne Beeinträchtigung der Feststofffördereffektivität vergrößert und die Widerstandscharakteristik in den nachfolgenden Zonen minimiert. Die Beherrschung niedrigerer Schmelzetemperaturen bedingt eine geringe Schererwärmung und/oder eine geringe Verweilzeit der Schmelze im Extruder. Erfindungsgemäß erfolgt dabei ein unvollständiges Aufschmelzen des Kunststoffmaterials vor dem Scher-Mischteil, insbesondere mit zunehmender Schneckendrehzahl, so dass der Scher-Mischteil bei dieser konstruktiven Lösung einen bedeutenden Teil der Plastifizieraufgabe übernimmt. Auf diese Weise kann eine erhebliche Reduzierung der Schmelzetemperatur bei zugleich guter Schmelzehomogenität gewährleistet werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in Richtung Schneckenspitze die Tiefe des Schneckenkanals zwischen zwei Stegen unterschiedlich groß ausgebildet. Bevorzugt vergrößert sich die Tiefe des Schneckenkanals in der Einzugszone in Richtung Schneckenspitze. Auf diese Weise wird ein besonders effektiver Einzug des Kunststoffgranulats und damit eine hohe Durchsatzrate erreicht.
Aus der DE-AS 12 71 973 ist für sich bereits eine Änderung der Schneckenkanaltiefe in Richtung Schneckenspitze bekannt. Die darin beschriebene Schneckenpresse verfügt bereits über eine konische Schnecke im Einzugsbereich. Dort ist auch das Schneckengehäuse konisch aufgeweitet. Folglich verkleinert sich dort die Tiefe des Schneckenkanals in Richtung Schneckenspitze. In der sich anschließenden Aufschmelzzone ist die Schnecke jedoch als "gewöhnliche" Schnecke mit gleichbleibendem Schneckenkanalquerschnitt ausgebildet.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich die Tiefe des Schneckenkanals in der Aufschmelzzone wieder vergleichmäßigt. Durch den Kanaltiefeunterschied der Einzugszone bildet sich am aktiven Schneckensteg ein Schmelzekanal und am passiven Schneckensteg ein Feststoffkanal aus. In der Aufschmelzzone wächst nun durch die sich vergleichmäßigende Tiefe des Schneckenkanals der Schmelzekanal kontinuierlich in Richtung Schneckenspitze und der Feststoffkanal reduziert sich entsprechend. Dies entspricht dem wesentlichen Aufbau einer für sich bekannten Barriereschnecke, ein den Schmelzekanal vom Feststoffkanal trennender Barrieresteg ist jedoch bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nicht vorhanden. Auf diese Weise fließt ein bedeutender Feststoffanteil vom Feststoffkanal in den Schmelzekanal. Dieser Wärmeaustausch zwischen dem 'warmen' Medium (Schmelze) und dem 'kalten' Medium (Feststoff) bewirkt eine Reduzierung der Schmelzetemperatur. Im Schmelzekanal bilden sich Feststoffinseln, so dass beim Eintritt in die Scher-Mischzone immer noch ein Anteil von ungeschmolzenem Feststoff übrig ist. In der sich anschließenden Scher-Mischzone wird das übrige Feststoffmaterial plastifiziert und auf diese Weise die entstehende Schmelze homogenisiert.
Nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Aufschmelzzone vor Beginn der Mischzone die Tiefe des Schneckenkanals in Richtung Schneckenspitze wieder verringert wird. Der am Ende dieser Zone noch vorhandene Feststoffanteil wird in der sich anschließenden Scher- und Mischzone aufgeschmolzen und die gesamte Schmelze homogenisiert.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass die Veränderung der Tiefe des Schneckenkanals in Richtung Schneckenspitze kontinuierlich erfolgt. Die Schmelze sammelt sich dabei vor dem aktiven Steg, an dem die Schneckenkanaltiefe in Richtung Schneckenspitze wächst.
Im Gegensatz wird die Tiefe des Schneckenkanals am passiven Steg reduziert.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Veränderung der Tiefe des Schneckenkanals in Richtung Schneckenspitze gestuft erfolgt. Hierbei weist der Schneckenkanal wenigstens eine Stufe auf, um den Schmelzekanal vom Feststoffkanal zu "trennen". Entlang dem Schneckenverlauf sind jedoch auch die Stufen kontinuierlich ausgebildet.
Neben der Veränderung des Schneckenkanalquerschnitts über die Tiefe kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auch eine Veränderung der Breite des Schneckenkanals erfolgen. Im Rahmen der Erfindung ist auch eine Kombination der sich ändernden Tiefe mit einer sich ändernden Breite des Schneckenkanals umfasst.
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird eine erhebliche Zunahme des Durchsatzes im Einschneckenextruder ermöglicht. Ferner findet – auch bei hohen Förderraten bzw. Schneckendrehzahlen – eine wesentliche Reduzierung des Druckes am Ende der Einzugszone statt, gleichzeitig wird eine niedrige Schmelzetemperatur gewährleistet. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Geometrie der Scher- und Mischteile ist auch bei hohen Durchsatzraten eine sehr gute Schmelzehomogenität festzustellen.
Schließlich besteht eine weitere Lehre der Erfindung darin, dass im Bereich der Einzugszone eine koaxial um die Schnecke angeordnete Einzugsschnecke vorgesehen ist. Mit Hilfe einer solchen Einzugsschnecke lässt sich der Durchsatz und damit die Förderrate noch weiter erhöhen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Schnecke in Seitenansicht,
1A die Einzugszone der Schnecke aus 1 in vergrößerter Darstellung,
2A einen Teilschnitt des Schneckenkanals entlang der Linie II-II aus 1A,
2B eine erste Alternative des Schneckenkanals gemäß 2A,
2C eine weitere Alternative des Schneckenkanals gemäß 2A,
3A die Aufschmelzzone der erfindungsgemäßen Schnecke in vergrößerter Darstellung,
3B eine alternative Ausgestaltung der Schnecke in der Aufschmelzzone,
4A einen Teilschnitt des Schneckenkanals entlang der Linie IVA-IVA aus 3A,
4B einen Teilschnitt des Schneckenkanals entlang der Linie IVB-IVB aus 3A,
5 eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schnecke in Seitenansicht,
5A eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes VA in 5 und
5B eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes VB in 5.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schnecke 1 für einen erfindungsgemäßen, hier als Glattrohrextruder ausgeführten Einschneckenextruder in Seitenansicht. Die einzelnen Zonen: I Einzugszone, M Aufschmelzzone und S Scher- und Mischzone sind oberhalb der Schnecke 1 angedeutet. Man erkennt ferner einen schneckenförmig verlaufenden Steg 2, der beidseitig einen Schneckenkanal 3 begrenzt. Im Bereich der Scher- und Mischzone S sind Scher- und Mischteile 4 angeordnet, im dargestellten Ausführungsbeispiel erkennt man vier nicht näher einzeln bezeichnete Scher- und Mischteile 4, die Anzahl kann jedoch je nach zu verarbeitendem Kunststoffmaterial und anderen Prozessparametern variieren.
In 1A ist nun die Schnecke 1 im Bereich der Einzugszone I in vergrößerter Darstellung gezeigt. Hier ist von besonderem Interesse der Querschnitt der Schnecke 1 und des Stegs 2, wobei ein Teilschnitt entlang der Linie II-II in 2A wiedergegeben ist. Der Schnitt ist im Bereich der Flanke 5 des Steges 2, welcher im folgenden als 'aktiver Steg' bezeichnet werden soll und einer gegenüberliegenden Flanke 6, welche im folgenden als 'passiver Steg' bezeichnet wird, gelegt, um die unterschiedliche Geometrie des Schneckenkanals 3 besser erläutern zu können.
Im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Schnecke 1 zwischen den Stegen 2 im Bereich der Einzugszone I mit einem konisch verlaufenden Schneckenkanalboden 7 versehen. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine Veränderung des Querschnitts des Schneckenkanals 3 in Richtung Schneckenspitze erfolgt, wobei sich die Tiefe des Schneckenkanals 3 zur Schneckenspitze hin (d. h., im dargestellten Fall nach links) vergrößert.
Alternative Ausgestaltungen einer solchen Querschnittsvergrößerung sind in den 2B sowie 2C dargstellt. In der Ausführung gemäß 2B sorgt eine Stufe 8 für die gewünschte Querschnittsänderung des hier mit 3' bezeichneten Schneckenkanals. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Stufen 8', 8'' vorzusehen, um einen entsprechenden sich ändernden Querschnitt des Schneckenkanals 3'' zu erreichen, wie dies in 2C dargestellt ist. Nicht dargestellt ist, dass noch weitere oder auch unterschiedlich hohe bzw. breite Stufen vorgesehen sein können.
Wesentlich bei allen drei dargestellten Alternativen ist, dass ein guter Transport des zugeführten (nicht dargestellten) Kunststoffgranulats erreicht wird, indem der passive Steg 6 höher ausgebildet ist als der aktive Steg 5. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei höheren Schneckendrehzahlen eine ausreichende Menge an Kunststoffmaterial einzutragen. Der Eintrag kann darüber hinaus durch Verwendung einer koaxialen Einzugsschnecke (nicht dargestellt) im Einzugsbereich weiter erhöht werden.
In 3A ist nun die Schnecke 1 im Bereich der Aufschmelzzone M vergrößert dargestellt. Zu Beginn der Aufschmelzzone (rechts in 3A) verfügt der Schneckenkanal 3 über eine Stufe 8, welche im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel zunächst in ihrer Breite zunimmt, da auch der Anteil des geschmolzenen Materials zunimmt. Die Höhe der Stufe 8 nimmt jedoch bis etwa zur Mitte des dargestellten Ausschnittes ab, so dass im Bereich der Linie IVA-IVA der Schneckenkanal ungestuft ausgebildet ist.
Im weiteren Verlauf bildet sich dann eine Stufe 8* aus, welche sowohl an Höhe als auch an Breite zunimmt, um dem sich stetig verringernden Feststoffanteil Rechnung zu tragen. Zur besseren Erläuterung sind die Teilschnitte entlang der Linien IVA-IVA und IVB-IVB in den 4A und 4B im Querschnitt dargestellt. Man erkennt deutlich, dass sich auch im ungestuften Bereich an der passiven Flanke des Steges 2 ein Feststoffkanal 9' ausbildet und an der aktiven Flanke entsprechend ein Schmelzekanal 10'. Im Bereich der gestuften Ausgestaltung des Schmelzekanals 3 mit der Stufe 8* ist der Feststoffanteil im Feststoffkanal 9 deutlich weniger geworden. Durch die sich in Förderrichtung kontinuierlich in Richtung Schneckenspitze ändernde Breite und Tiefe des Feststoffkanals bricht das kompakte Feststoffbett und bildet 'Feststoffinseln'. Dies ist jedoch durchaus erwünscht, da auch diese Feststoffpartikel spätestens in der Scher- und Mischzone S aufgeschmolzen werden. Dort erfolgt dann auch eine gute Homogenisierung der Kunststoffschmelze. Durch die lange Verweilzeit der Feststoffinseln im Extruder sowie in geringe Scherung bleibt die Schmelzetemperatur im gewünschten Bereich.
In 5 ist schließlich eine weitere alternative Ausgestaltung einer Schnecke 1' eines erfindungsgemäßen Einschneckenextruders dargestellt, bei der auf die gestufte Ausführung vollkommen verzichtet wird. Hier ist ersichtlich, dass durch eine entsprechende Ausgestaltung des Steges 2' und des Schneckenkanals 3 nahezu überall eine konische Ausbildung des Schneckenkanalbodens gezeigt ist.
Eine vergrößerte Darstellung des Kreises VA ist in 5A dargestellt, hier ist der konische Schneckenkanalboden 7' deutlich zu erkennen. Die Konizität nimmt dabei allmählich ab bis in die etwa mittig angeordnete Aufschmelzzone, danach ändert sich die Richtung der Konizität des Schneckenkanalbodens 7'' entsprechend der Veränderung des Feststoff-/Schmelze-Anteils, wie in 5B, einer Vergrößerung des Kreisausschnittes VB in 5, gezeigt. Im weiteren Verlauf spielt daher aufgrund des ständig steigenden Schmelzeanteils der aktive Steg 5'' eine immer größere Rolle, am passiven Steg 6'' bilden sich, wie bereits beschrieben, Feststoffinseln aus.
Es ist klar, dass im Rahmen der Erfindung auch weitere Ausführungsmöglichkeiten denkbar sind, die von den dargestellten Ausführungsbeispielen nicht umfasst sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DD 134616 [0007]
- DE 1271973 A [0012]

Claims

Einschneckenextruder für die Kunststoffverarbeitung mit einer in einem horizontalen und im wesentlichen zylindrischen Schneckengehäuse drehbar gelagerten angetriebenen Schnecke (1, 1'), wobei das Schneckengehäuse wenigstens eine Einzugsöffnung zur Aufnahme von Kunststoffgranulat aufweist, wobei sich die Schnecke (1, 1')) von einer Einzugszone (I) über eine Aufschmelzzone (M) bis hin zu einer Scher-Mischzone (S) erstreckt, und wobei die Schnecke (1, 1') wenigstens einen schneckenförmigen Steg (2, 2') und dazwischen verlaufenden Schneckenkanal (3, 3', 3'') sowie an ihrem Ende Scher- und Mischteile (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Schneckenkanals (3, 3', 3'') in der Einzugszone (I) und in der Aufschmelzzone (M) in Richtung Schneckenspitze unterschiedlich groß ausgebildet ist.
Einschneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung Schneckenspitze die Tiefe des Schneckenkanals (3, 3', 3'') zwischen zwei Stegen (2, 2') unterschiedlich groß ausgebildet ist.
Einschneckenextruder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Tiefe des Schneckenkanals (3, 3', 3'') in der Einzugszone (I) in Richtung Schneckenspitze vergrößert.
Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Tiefe des Schneckenkanals (3, 3', 3'') in der Aufschmelzzone (M) in Richtung Schneckenspitze vergleichmäßigt.
Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Tiefe des Schneckenkanals (3, 3', 3'') in der Aufschmelzzone (M) in Richtung Schneckenspitze verkleinert.
Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Tiefe des Schneckenkanals (3, 3', 3'') in Richtung Schneckenspitze kontinuierlich verändert.
Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Schneckenkanals (3, 3', 3'') in Richtung Schneckenspitze gestuft ausgeführt ist.
Einschneckenextruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneckenkanal (3, 3', 3'') eine Stufe (8, 8', 8'', 8*) aufweist.
Einschneckenextruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneckenkanal (3, 3', 3'') zwei Stufen aufweist.
Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Breite des Schneckenkanals (3, 3', 3'') über seine Länge in Richtung Schneckenspitze kontinuierlich verändert.
Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzekanal (10, 10') in Richtung Schneckenspitze bei gleichzeitiger Verkleinerung des Feststoffkanals (9, 9') kontinuierlich anwächst.
Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschneckenextruder als Glattrohrextruder ausgeführt ist.
Einschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschneckenextruder als Nutbuchsenextruder ausgeführt ist.
Einschneckenextruder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einzugszone eine koaxial um die Schnecke angeordnete Einzugsschnecke vorgesehen ist.