DE102008047209A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Kühlen von Kunststoffprofilen - Google Patents
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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 - Aus der
JP 56-005 750 A - 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 gemäß2 in einer alternativen Ausführung und -
4 die einzelnen Temperaturbereiche. - In
1 ist schematisch eine Extrusionslinie dargestellt, wobei der Extruder1 seitlich am Extrusionswerkzeug2 angeordnet ist. In Extrusionsrichtung7 betrachtet schließt sich ans Werkzeug2 die Kalibrierung3 an, der wiederum der Abzug4 folgt. Die Kalibrierung3 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 Rohr9 gefertigt. Eine Absaugung6 ist am Anfang der Extrusionslinie direkt am Werkzeug angeordnet. Das Werkzeug2 weist einen Durchbruch8 auf, der Durchbruch8 steht mit der Absaugung6 in Verbindung, so dass die Absaugung6 das Luftvolumen im Inneren des Rohres9 bis zum Ende der Extrusionslinie im Bereich der Trennvorrichtung5 gegen die Extrusionsrichtung7 absaugen kann. - In
2 ist ein erfindungsgemäßes Werkzeug2 dargestellt. Der eigentliche Schmelzekanal10 , mittels dem das Kunststoffprofil extrudiert wird, bildet den Schlussteil eines Gesamtwerkzeuges. Der Mittelteil des Werkzeuges2 besteht aus mehreren Ringkanälen13 , die sich an einer Zusammenfließstelle12 vereinigen und den Beginn des gemeinsamen Schmelzekanals10 bilden. Die einzelnen Ringkanäle13 , die mit Zuführkanälen14 in Verbindung stehen, werden mit plastifizierter Kunststoffmasse aus dem in dieser Figur nicht dargestellten Extruder1 versorgt. Zwischen den Ringkanälen13 sind Kühlkanäle11 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 Verteilbereich15 , an den die Schmelze aus dem oder den Extrudern an den Stellen A, B, C den Zuführkanälen14 zugeführt wird, und auf die Ringkanäle13 aufgeteilt wird, Kühlbereich16 , in dem die Ringkanä le13 mit Kühlkanälen11 versehen sind, und den Formgebungsbereich18 , in dem die vorgekühlte Schmelze zusammenfließt, auf. Um die Wärme aus dem Inneren des Rohres abzuführen, ist im Werkzeug2 ein Durchbruch8 mittels eines Rohres vorgesehen. Zwischen dem Rohr8 und dem eigentlichen Werkzeug2 ist zur Temperaturtrennung ein Luftspalt18 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 Werkzeug2 dargestellt, in dem wieder der eigentliche Schmelzekanal10 zu sehen ist, mittels dem das Kunststoffprofil extrudiert wird. Es bildet auch hier den Schlussteil eines Gesamtwerkzeuges. Auch hier besteht der Mittelteil des Werkzeuges2 aus mehreren Ringkanälen13 , die sich an der Zusammenfließstelle12 vereinigen und den Beginn des gemeinsamen Schmelzekanals10 bilden. Die einzelnen Ringkanäle13 stehen mit den Zuführkanälen14 in Verbindung. Deutlich ist zu erkennen, dass die Zuführkanäle14 von einem nicht dargestellten Extruder1 zentrisch angeströmt werden und dann auf die drei Wendelverteiler aufgeteilt werden. Auch hier sind zwischen den Ringkanälen13 Kühlkanäle11 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 Werkzeug2 in die drei Funktionsbereiche Verteilbereich15 , Kühlbereich16 und Formgebungsbereich18 auf. Auch in dieser Ausführungsform ist zur Abführung der Wärme aus dem Inneren des Rohres, im Werkzeug2 ein Durchbruch8 mittels eines Rohres vorgesehen. Zwischen dem Rohr8 und dem eigentlichen Werkzeug2 ist wieder zur Temperaturtrennung ein Luftspalt18 vorgesehen. - Es sei angemerkt, dass sowohl gem. der Ausführung nach
2 als auch gem. Ausführung nach3 jeder Ringkanal13 mit ein und derselben Kunststoffmasse oder aber auch mit unterschiedlichen Kunststoffmassen beaufschlagt werden kann. Hierzu ist lediglich der Zuführkanal14 zu modifizieren, so dass jeder Zuführkanal beispielsweise einem eigenen Extruder1 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 Volllinie22 steht beispielhaft für den teilkristallinen Werkstoff und die gestrichelte Linie23 für einen amorphen Kunststoff. Beim Abkühlen soll also sichergestellt werden, dass die Temperatur von dem Schmelzezustand, dargestellt in dem Bereich21 , mindestens in den Übergangsbereich20 abgekühlt wird, aber die Abkühlung nicht so stark erfolgt, dass der Feststoffbereich19 erreicht wird. Im Feststoffbereich19 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
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 795389 [0005]
- - JP 56-005750 A [0006]
- - DE 102005031747 A1 [0007]
Claims (9)
- 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.
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