DE102008047209A1

DE102008047209A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Kühlen von Kunststoffprofilen

Info

Publication number: DE102008047209A1
Application number: DE102008047209A
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. Dobrowsky; Leopold Dipl.-Ing. Hackl
Original assignee: Cincinnati Extrusion GmbH
Current assignee: BATTENFELD-CINCINNATI AUSTRIA GMBH, AT
Priority date: 2008-09-15
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2010-04-15
Also published as: WO2010029143A2; WO2010029143A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Extrusionslinie zur Herstellung von Kunststoffprofilen, vorzugsweise Kunststoffrohren, umfassend mindestens einen Extruder (1), ein Werkzeug (2), eine Kalibrierung (3) sowie weitere Nachfolgeeinrichtungen (4, 5). Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Werkzeug (2) aus mehreren Funktionsbereichen mit getrennten Schmelzekanälen besteht, mittels denen die Kunststoffschmelze in Teilschmelzen aufteilbar und die Temperatur der Schmelze reduzierbar ist. Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Erhöhung der Kühlleistung einer Extrusionslinie zum Extrudieren eines Kunststoffprofils, insbesondere eines Kunststoffrohres, das die Schritte umfasst a) Aufschmelzen von Kunststoff in einem Extruder (1), b) Formen eines Kunststoffstranges und Zuführen des Kunststoffstranges zu einem Werkzeug (2), c) Formen eine Kunststoffprofils mittels des Werkzeuges (2) und Kalibrieren und Aushärten mittels Kühlung des Profils in einer Kalibrierung (3). Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kunststoffstrang im Werkzeug (2) in mehrere Teilstränge aufgeteilt wird und die Temperatur der Schmelze vor Austritt aus dem Werkzeug (2) reduziert wird. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein so entsprechend hergestelltes Kunststoffrohr.

Description

Die Erfindung betrifft eine Extrusionslinie zur Herstellung von Kunststoffprofilen, vorzugsweise Kunststoffrohren, umfassend mindestens einen Extruder, ein Werkzeug, eine Kalibrierstation sowie weitere Nachfolgeeinrichtungen.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erhöhen der Kühlleistung einer Extrusionslinie zum Extrudieren eines Kunststoffprofiles, insbesondere eines Kunststoffrohres, das die Schritte umfasst: a) Aufschmelzen von Kunststoff in einem Extruder, b) Formen eines Kunststoffstranges und Zuführen des Kunststoffstranges zu einem Werkzeug, c) Formen eines Kunststoffprofiles mittels des Werkzeuges, d) Kalibrieren und Aushärten mittels Kühlung des Profiles in einer Kalibrierung, wobei zusätzlich zur Außenkühlung in der Kalibrierstation das Profil im Inneren gekühlt wird.
Zur Herstellung von Rohren wird Kunststoff in einem Extruder aufgeschmolzen und durch ein entsprechendes Werkzeug gepresst. In einer anschließenden Kalibrierung wird der so erzeugte Außendurchmesser eingefroren und in Wassersprühbädern oder -vollbädern dem Kunststoff über die Außenoberfläche die Wärme entzogen. Dabei muss die gesamte Wärme durch die Kunststoffwand nach außen geleitet werden, wo sie dann vom Kühlwasser abgeleitet wird. Mit zunehmender Rohrwanddicke wird die Kühllänge überproportional länger, da der Kunststoff ein schlechter Wärmeleiter ist. Hinzu kommt, dass die Temperatur im Inneren des Rohres lange auf einem hohen Niveau bleibt und der Kunststoff ausreichend Zeit hat, aufgrund der Schwerkraft nach unten abzurinnen.
Die Folge ist, dass die Rohrwanddicke im oberen Bereich immer kleiner als im unteren Bereich ist.
Dieser Prozess hat mit zunehmender Rohrwanddicke also zwei Nachteile. Die Kühllänge wird überproportional länger und der Kunststoff rinnt an der Innenwand ab, die Folge ist eine ungleiche Wanddickenverteilung. Um diese Nachteile zu verringern sind mehrere Systeme einer Rohrinnenkühlung wie aus der EP 795 389 bekannt. Diese Systeme sind in ihrer Wirkungsweise jedoch sehr eingeschränkt. Da das Rohr sowohl außen als auch innen gekühlt wird, wird sowohl die Außenkontur als auch die Innenkontur eingefroren. Wenn nun die Schmelze in der Mitte der Rohrwand durch Wärmeableitung nach außen und innen erstarrt, entstehen durch die starke Volumenreduzierung beim Übergang vom schmelzeförmigen in den festen Zustand Lunker. Diese Gefahr wird mit dicker werdenden Rohrwandstärken größer.
Aus der JP 56-005 750 A ist eine Vorrichtung zur Extrusion von Kunststoffprofilen bekannt, der plastifizierte Kunststoffmasse zuführbar ist und die mehrere Ringkanäle aufweist, die zu einem gemeinsamen Schmelzekanal vereinigt werden. Um diese Ringkanäle sind Kühlkanäle angeordnet.
Aus der DE 10 2005 031 747 A1 sind ein Verfahren zur Innenkühlung hohler Kunststoffprofile und ein Extruder zur Herstellung hohler Kunststoffprofile bekannt. Hierbei wird die Innenkühlung dadurch erreicht, dass in den Innenraum des Hohlprofiles ein Kühlgas geleitet wird, wobei das Kühlgas in einem Ranqueschen Wirbelrohr erzeugt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Extrusionslinie sowie ein Verfahren anzubieten, bei dem die Wärme möglichst gleichmäßig über die gesamte Wanddicke des Rohres abgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird mittels einer Extruderlinie gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass das Werkzeug aus mehreren Funktionsbereichen mit getrennten Schmelzekanälen besteht, mittels denen die Kunststoffschmelze in Teilschmelzen aufteilbar und die Temperatur der Schmelze reduzierbar ist.
Weiterbildungsgemäß ist vorgesehen, dass das Werkzeug zusätzlich mindestens einen Durchbruch aufweist, wobei der Durchbruch mittels eines durch das Werkzeug geführten Rohres gebildet werden kann. Damit eine Temperaturtrennung zwischen dem eigentlichen Werkzeug und dem Durchbruch, also dem eingelegten Rohr, entsteht, ist fortbildungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem Rohr und dem Werkzeug ein Luftspalt vorliegt. Je nach Beschaffenheit des Werkzeugs können auch mehrere Durchbrüche vorhanden sein.
Durch diesen Durchbruch wird es nun möglich, Luft im Gegenstromverfahren zu leiten. Dabei kommt es zum Wärmeaustausch zwischen der Luft und dem extrudierten Rohr, die dann im Inneren durch das Werkzeug hindurch abgesaugt wird. Idealerweise wird diese abgeführte Wärme zur Energierückgewinnung eingesetzt. Als Einsatzgebiet ist mehreres denkbar. Es kann z. B. das Kunststoffrohmaterial vorgewärmt oder ein Stirlingmotor angetrieben werden.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 5 dadurch gelöst, dass der Kunststoffstrang im Werkzeug in mehrere Teilstränge aufgeteilt wird und die Temperatur der Schmelze vor Austritt aus dem Werkzeug reduziert wird.
Die Temperatur wird somit weiterbildungsgemäß um mindestens 10°C bis 50°C gesenkt, wobei fortbildungsgemäß vorgesehen ist, dass die Temperatur um mindestens 20°C bis 40°C, vorzugsweise um 30°C, gesenkt wird.
Es wird also die Temperatur der Kunststoffschmelze mindestens in den Übergangsbereich zwischen Schmelzezustand und teilkristallinem Zustand bei teilkristallinen Kunststoffen oder in den Übergangsbereich zwischen Schmelzezustand und Glaszustand bei amorphen Kunststoffen gesenkt, wobei darauf zu achten ist, dass die Temperatursenkung nur soweit erfolgt, dass eine Verschweißung zwischen den einzelnen Schichten sichergestellt ist.
Diese Temperatursenkung kann durch ein Gegenstromverfahren, bei dem die im Inneren des Rohres entstandene Wärme durch das Werkzeug hindurch abgesaugt wird, unterstützt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich besonders zur Herstellung dickwandiger Rohre.
In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, es zeigt
1 eine Extrusionslinie,
2 einen Schnitt durch das Werkzeug,
3 den Gegenstand gemäß 2 in einer alternativen Ausführung und
4 die einzelnen Temperaturbereiche.
In 1 ist schematisch eine Extrusionslinie dargestellt, wobei der Extruder 1 seitlich am Extrusionswerkzeug 2 angeordnet ist. In Extrusionsrichtung 7 betrachtet schließt sich ans Werkzeug 2 die Kalibrierung 3 an, der wiederum der Abzug 4 folgt. Die Kalibrierung 3 umfasst einen Vakuumtank mit eingebauter Kalibrierhülse. An die Kalibrierung können sich auch noch weitere Kühlbäder anschließen.
Eine weitere Nachfolgeeinrichtung, hier eine Trennvorrichtung in Form von einer Säge 5, schließt sich an. In der beispielhaft dargestellten Extrusionslinie wird ein Rohr 9 gefertigt. Eine Absaugung 6 ist am Anfang der Extrusionslinie direkt am Werkzeug angeordnet. Das Werkzeug 2 weist einen Durchbruch 8 auf, der Durchbruch 8 steht mit der Absaugung 6 in Verbindung, so dass die Absaugung 6 das Luftvolumen im Inneren des Rohres 9 bis zum Ende der Extrusionslinie im Bereich der Trennvorrichtung 5 gegen die Extrusionsrichtung 7 absaugen kann.
In 2 ist ein erfindungsgemäßes Werkzeug 2 dargestellt. Der eigentliche Schmelzekanal 10, mittels dem das Kunststoffprofil extrudiert wird, bildet den Schlussteil eines Gesamtwerkzeuges. Der Mittelteil des Werkzeuges 2 besteht aus mehreren Ringkanälen 13, die sich an einer Zusammenfließstelle 12 vereinigen und den Beginn des gemeinsamen Schmelzekanals 10 bilden. Die einzelnen Ringkanäle 13, die mit Zuführkanälen 14 in Verbindung stehen, werden mit plastifizierter Kunststoffmasse aus dem in dieser Figur nicht dargestellten Extruder 1 versorgt. Zwischen den Ringkanälen 13 sind Kühlkanäle 11 angeordnet, die mit einem ebenfalls nicht dargestellten Kühlkreislauf in Verbindung stehen. Die Kühlkanäle sind so angeordnet, dass sie der vorhandenen Materialmasse des Werkzeuges möglichst gleichmäßig Wärme entziehen können. Das Werkzeug teilt sich somit in die drei Funktionsbereiche Verteilbereich 15, an den die Schmelze aus dem oder den Extrudern an den Stellen A, B, C den Zuführkanälen 14 zugeführt wird, und auf die Ringkanäle 13 aufgeteilt wird, Kühlbereich 16, in dem die Ringkanä le 13 mit Kühlkanälen 11 versehen sind, und den Formgebungsbereich 18, in dem die vorgekühlte Schmelze zusammenfließt, auf. Um die Wärme aus dem Inneren des Rohres abzuführen, ist im Werkzeug 2 ein Durchbruch 8 mittels eines Rohres vorgesehen. Zwischen dem Rohr 8 und dem eigentlichen Werkzeug 2 ist zur Temperaturtrennung ein Luftspalt 18 vorgesehen.
In 3 ist eine alternative Ausführung der Erfindung dargestellt. Sie unterscheidet sich zur Ausführung gem. 2 dadurch, dass die Zuführung der Schmelze zentral, also nur über einen Extruder erfolgt. Es ist somit ein Schnitt durch das Werkzeug 2 dargestellt, in dem wieder der eigentliche Schmelzekanal 10 zu sehen ist, mittels dem das Kunststoffprofil extrudiert wird. Es bildet auch hier den Schlussteil eines Gesamtwerkzeuges. Auch hier besteht der Mittelteil des Werkzeuges 2 aus mehreren Ringkanälen 13, die sich an der Zusammenfließstelle 12 vereinigen und den Beginn des gemeinsamen Schmelzekanals 10 bilden. Die einzelnen Ringkanäle 13 stehen mit den Zuführkanälen 14 in Verbindung. Deutlich ist zu erkennen, dass die Zuführkanäle 14 von einem nicht dargestellten Extruder 1 zentrisch angeströmt werden und dann auf die drei Wendelverteiler aufgeteilt werden. Auch hier sind zwischen den Ringkanälen 13 Kühlkanäle 11 angeordnet, die mit einem ebenfalls nicht dargestellten Kühlkreislauf in Verbindung stehen. Selbstverständlich sind die Kühlkanäle wieder so angeordnet, dass sie der vorhandenen Materialmasse des Werkzeuges möglichst gleichmäßig Wärme entziehen können. Auch hier teilt sich das Werkzeug 2 in die drei Funktionsbereiche Verteilbereich 15, Kühlbereich 16 und Formgebungsbereich 18 auf. Auch in dieser Ausführungsform ist zur Abführung der Wärme aus dem Inneren des Rohres, im Werkzeug 2 ein Durchbruch 8 mittels eines Rohres vorgesehen. Zwischen dem Rohr 8 und dem eigentlichen Werkzeug 2 ist wieder zur Temperaturtrennung ein Luftspalt 18 vorgesehen.
Es sei angemerkt, dass sowohl gem. der Ausführung nach 2 als auch gem. Ausführung nach 3 jeder Ringkanal 13 mit ein und derselben Kunststoffmasse oder aber auch mit unterschiedlichen Kunststoffmassen beaufschlagt werden kann. Hierzu ist lediglich der Zuführkanal 14 zu modifizieren, so dass jeder Zuführkanal beispielsweise einem eigenen Extruder 1 zugeordnet ist. Es können somit beispielsweise unterschiedliche Farbschichten im Rohr erzeugt werden oder auch zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften gefertigt werden. Es ist somit beispielsweise möglich, den mittleren Teil mit einem Recyclat zu beaufschlagen, welches dann im Fertigteil von beiden Seiten mit hochwertigerem Material umschlossen ist.
4 zeigt schematisch einen Kurvenverlauf eines teilkristallinen sowie eines amorphen Kunststoffes, wobei das spezifische Volumen v über der Temperatur T dargestellt ist. Die dargestellte Volllinie 22 steht beispielhaft für den teilkristallinen Werkstoff und die gestrichelte Linie 23 für einen amorphen Kunststoff. Beim Abkühlen soll also sichergestellt werden, dass die Temperatur von dem Schmelzezustand, dargestellt in dem Bereich 21, mindestens in den Übergangsbereich 20 abgekühlt wird, aber die Abkühlung nicht so stark erfolgt, dass der Feststoffbereich 19 erreicht wird. Im Feststoffbereich 19 herrscht bei teilkristallinen Kunststoffen ein teilkristalliner Zustand und bei amorphen Kunststoffen ein Glaszustand vor.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Vorrichtung ist es damit vereinfacht möglich, gleichmäßig Wärme über die gesamte Wanddicke des Rohres abzuführen.

1: Extruder
2: Werkzeug
3: Kalibrierung
4: Abzug
5: Trennvorrichtung
6: Absaugung
7: Extrusionsrichtung
8: Durchbruch
9: Kunststoffprofil
10: Schmelzekanal
11: Kühlkanal
12: Zusammenfließstelle
13: Ringkanal
14: Zuführkanal zu 13
15: Verteilerbereich von 2
16: Kühlbereich von 2
17: Formgebungsbereich von 2
18: Luftspalt
19: Feststoffbereich
20: Übergangsbereich
21: Schmelzezustand
22: Kurve teilkristalliner Kunststoff
23: Kurve amorpher Kunststoff
v: spezifisches Volumen
T: Temperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 795389 [0005]
- JP 56-005750 A [0006]
- DE 102005031747 A1 [0007]

Claims

Extrusionslinie zur Herstellung von Kunststoffprofilen, vorzugsweise Kunststoffrohren, umfassend mindestens einen Extruder (1), ein Werkzeug (2), eine Kalibrierung (3) sowie weitere Nachfolgeeinrichtungen (4, 5), dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (2) aus mehreren Funktionsbereichen mit getrennten Schmelzekanälen besteht, mittels denen die Kunststoffschmelze in Teilschmelzen aufteilbar und die Temperatur der Schmelze reduzierbar ist.
Extrusionslinie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (2) zusätzlich mindestens einen Durchbruch (8) aufweist.
Extrusionslinie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (8) mittels eines durch das Werkzeug (2) geführten Rohres gebildet wird.
Extrusionslinie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rohr und dem Werkzeug (2) ein Luftspalt (18) vorliegt.
Verfahren zur Erhöhung der Kühlleistung einer Extrusionslinie zum Extrudieren eines Kunststoffprofils, insbesondere eines Kunststoffrohres, das die Schritte umfasst, a) Aufschmelzen von Kunststoff in einem Extruder (1), b) Formen eines Kunststoffstranges und Zuführen des Kunststoffstranges zu einem Werkzeug (2), c) Formen eines Kunststoffprofiles mittels des Werkzeuges (2) und Kalibrieren und Aushärten mittels Kühlung des Profils in einer Kalibrierung (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffstrang im Werkzeug (2) in mehrere Teilstränge aufgeteilt wird und die Temperatur der Schmelze vor Austritt aus dem Werkzeug (2) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur um mindestens 10°C bis 50°C gesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur um mindestens 20°C bis 40°C, vorzugsweise um 30°C, gesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Kunststoffschmelze mindestens in den Übergangsbereich zwischen Schmelzezustand und teilkristallinem oder Glaszustand gesenkt wird.
Kunststoffrohr, insbesondere dickwandiges Kunststoffrohr, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 5 und mit einer Extruderlinie nach Anspruch 1.