DE102010048925B4 - Extruder for processing plastics - Google Patents
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Abstract
Extruder mit einer mit zumindest einem Schneckensteg (1, 2) versehenen Schnecke (3), welche in einem Zylinder (4) drehbar gelagert ist, wobei der Zylinder (4) eine sich über einen Teil seiner axialen Länge erstreckende Einzugszone (5) aufweist, welche mit zumindest einer zwischen benachbarten Zylinderstegen (6) gebildeten Nut (7) versehen ist, wobei angrenzend an die Einzugszone (5) eine Aufschmelzzone (8) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (4) in Förderrichtung angrenzend an die Einzugszone (5) einen Durchmesser aufweist, welcher gleich ist zu dem Durchmesser im Grund der Nuten (7), dass die Schnecke (3) in Förderrichtung angrenzend an die Einzugszone (5) einen sprunghaft vergrößerten Durchmesser aufweist, als im Bereich der Einzugszone (5), und dass die Einzugszone (5) mit konstantem Durchmesser ausgebildet ist.Extruder with a screw (3) provided with at least one screw web (1, 2), which is rotatably mounted in a cylinder (4), the cylinder (4) having a feed zone (5) extending over part of its axial length, which is provided with at least one groove (7) formed between adjacent cylinder webs (6), a melting zone (8) being provided adjacent to the feed zone (5), characterized in that the cylinder (4) adjoins the feed zone () in the conveying direction ( 5) has a diameter which is equal to the diameter in the base of the grooves (7), that the screw (3) in the conveying direction adjacent to the feed zone (5) has an abruptly enlarged diameter than in the area of the feed zone (5), and that the feed zone (5) is formed with a constant diameter.
Description
Die Erfindung betrifft einen Extruder zur Verarbeitung von Kunststoffen, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, so wie er beispielsweise in der
Nutbuchsenextruder sind seit vielen Jahren bekannt und werden eingesetzt, um eine hohe und zum Teil gegendruckunabhängige Förderwirkung durch Erhöhung der Feststoffreibung am Zylinder bzw. Erhöhung der übertragbaren Schubkräfte zu erreichen. Um am Zylinder möglichst hohe Schubkräfte übertragen zu können, werden in diesen über eine Länge, die ungefähr drei- bis fünfmal dem Schneckendurchmesser entspricht, achsenparallele oder auch wendelförmige, konisch auslaufende Nuten (abnehmende Nutentiefe) mit unterschiedlichen Querschnitten (z. B. rechteckig, sichelförmig, halbrund) eingearbeitet. Die Nuten sind hierbei in der Feststoffförderzone eingesetzt und laufen in der Regel vor dem Ende der Feststoffförderzone aus. Die Schnecke weist über die gesamte Länge einen konstanten Außendurchmesser auf. Durch die hohe Förderwirkung und die geometrische Verengung des verfügbaren Volumens beim Ende der Nuten kann ein hoher Druck aufgebaut und eine weitestgehend gegendruckunabhängige Förderung realisiert werden.Grooved-nut extruders have been known for many years and are used to achieve a high and sometimes back pressure-independent conveying effect by increasing the solids friction on the cylinder or increasing the transferable shear forces. In order to be able to transmit as high a shear force as possible to the cylinder, axially parallel or helical tapered grooves (decreasing groove depth) with different cross sections (eg rectangular, crescent-shaped) are provided over a length corresponding to about three to five times the screw diameter , half round) incorporated. The grooves are used here in the solids conveying zone and usually run out before the end of the solids conveying zone. The worm has a constant outer diameter over its entire length. Due to the high conveying effect and the geometric narrowing of the available volume at the end of the grooves, a high pressure can be built up and a largely counter-pressure-independent delivery can be realized.
Der hohe Druck am Ende der Nuten verursacht wiederum erhöhten Verschleiß an Schnecke und Nutbuchse. Durch den hohen Druckaufbau, insbesondere bei hohen Schneckendrehzahlen, kommt es zu einer Erwärmung des Kunststoffes, was zu einer Bildung eines Schmelzefilms und einer Reduktion des spezifischen Ausstoßes (Ausstoß je Schneckenumdrehung) führen kann.The high pressure at the end of the grooves in turn causes increased wear on the worm and grooved bushing. Due to the high pressure build-up, especially at high screw speeds, there is a heating of the plastic, which can lead to the formation of a melt film and a reduction of the specific output (output per screw revolution).
Ein Ansatz, diese Druckerhöhung zu vermindern, ist, die Nut durchlaufend zu gestalten und neben der Feststoffförderzone auch die Aufschmelzzone und die Austragszone mit Nuten im Zylinder zu versehen. Ein derartiges System ist in der
Eine Extruderschnecke wird üblicherweise in drei Zonen, die Feststoffförderzone, die Aufschmelzzone und die Schmelzeförderzone eingeteilt. In der Feststoffförderzone liegt das zu verarbeitende Polymer als Feststoff vor und wird im Schneckengang nach vorne gefördert. In der Aufschmelzzone, welche klassisch oder mit einem Barrieresteg an der Schnecke ausgeführt sein kann, wird das Polymer mit Hilfe von Scherung und Wärme aufgeschmolzen, bis am Ende dieser Zone nur Schmelze vorliegt. In der Schmelzeförderzone erfolgt die Homogenisierung der Schmelze. Gegebenenfalls befinden sich auch Scher- und/oder Mischteile an der Schnecke.An extruder screw is usually divided into three zones, the solids conveying zone, the melting zone and the melt conveying zone. In the solids conveying zone, the polymer to be processed is present as a solid and is conveyed forward in the screw flight. In the melting zone, which can be designed conventionally or with a barrier web on the screw, the polymer is melted by means of shear and heat until at the end of this zone there is only melt. In the melt conveying zone, the homogenization of the melt takes place. If necessary, there are also shearing and / or mixing parts on the screw.
Die Bezeichnungen vorne und hinten beziehen sich auf den Materialfluss: Hinten von der Einfüllöffnung entlang der Schnecke nach vorne zur Schneckenspitze hin. Am vorderen Ende des Extruders ist meist über einen Flansch ein formgebendes Werkzeug angeordnet.The terms front and rear refer to the material flow: at the rear from the filling opening along the screw towards the front of the screw. At the front end of the extruder, a shaping tool is usually arranged via a flange.
Die
Die
Aus der
Die
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Extruder der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit einen hohen Wirkungsgrad aufweist und die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.The invention has for its object to provide an extruder of the type mentioned, which has a high efficiency and avoids the disadvantages of the prior art with a simple structure and simple, cost-effective manufacturability.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. According to the invention the object is achieved by the combination of features of
Ziel der Erfindung ist es somit, einen hohen spezifischen Ausstoß über einen weiten Drehzahlbereich zu realisieren, den Druckanstieg speziell am Ende der Nuten und die Temperaturerhöhung der Schmelze gering zu halten. Ein weiteres Ziel ist somit eine optimale Selbstreinigung der Nuten, sodass kein Material in den Nuten stagniert und abgebaut wird. Neben dem Vermeiden von Materialabbau, kommt der guten Selbstreinigung auch bei der Verarbeitung verschiedener Rezepturen und dem dabei notwendigen Material- und Farbwechsel eine große Bedeutung zu. Ebenso soll durch den neuartigen Extruder sichergestellt werden, dass ausreichend Kunststoffgranulat eingezogen wird und somit ein hoher Ausstoß bei entsprechender Extruderdrehzahl möglich ist.The aim of the invention is thus to realize a high specific output over a wide speed range, to keep the pressure rise especially at the end of the grooves and the temperature increase of the melt low. A further goal is therefore an optimal self-cleaning of the grooves, so that no material stagnates and degrades in the grooves. In addition to avoiding material degradation, good self-cleaning also plays an important role in the processing of various formulations and the necessary material and color changes. Likewise, it should be ensured by the novel extruder that sufficient plastic granules are drawn and thus a high output at the appropriate extruder speed is possible.
Um eine erhöhte Förderwirkung zu erzielen ist im Feststoffförderbereich ein formschlüssiges Halten des Granulats notwendig. Dieser Formschluss wird durch sogenannte Nuten hergestellt.In order to achieve an increased conveying effect, a positive retention of the granulate is necessary in the solids conveying area. This positive connection is produced by so-called grooves.
Anstatt Nuten ins Material des Zylinders einzuarbeiten, können auch Stege aus dem Zylinder herausragen und im Zwischenraum wiederum Nuten formen. Beide Ausführungsvarianten sind für die Erfindung möglich. Der einfacheren Verständlichkeit wegen, wird jedoch in der folgenden Beschreibung von Nuten gesprochen.Instead of incorporating grooves in the material of the cylinder, webs can protrude from the cylinder and in turn form grooves in the space. Both variants are possible for the invention. For ease of understanding, however, it will be discussed in the following description of grooves.
Bei dem erfindungsgemäßen Extruder sind nicht die Nuten auslaufend, sondern die Stege. Der Durchmesser des Zylinders entspricht am Ende der Nuten in etwa dem Durchmesser vor dem Auslaufen der Nuten zuzüglich der zweifachen Nutentiefe. Durch diese konstruktive Maßnahme ergibt sich am Ende der Nuten ein größeres Volumen und damit wird eine Druckspitze vermieden.In the extruder according to the invention not the grooves are leaking, but the webs. The diameter of the cylinder at the end of the grooves corresponds approximately to the diameter before the leakage of the grooves plus twice the groove depth. By this design measure results in the end of the grooves, a larger volume and thus a pressure spike is avoided.
Gleichzeitig nimmt der Schneckenaußendurchmesser im Bereich, wo keine Nuten mehr vorliegen, zu. Der Schneckenaußendurchmesser nimmt etwa um den doppelten Wert zu, den die Nuten am Ende als Tiefe haben. Dadurch entspricht der Schneckenaußendurchmesser wieder, bis auf ein notwendiges Spiel, dem Zylinderdurchmesser.At the same time, the outside diameter of the screw increases in the area where there are no more grooves. The outer diameter of the screw increases approximately twice the depth of the grooves at the end. As a result, corresponds to the outer diameter of the screw, except for a necessary clearance, the cylinder diameter.
Der Kerndurchmesser der Schnecke kann gleich bleiben, sich auch erhöhen oder gesenkt werden. Gleichzeitig mit der Änderung des Außendurchmessers kann auch die Gangtiefe, die Steigung, die Stegbreite oder die Gängigkeit der Schnecke verändert werden.The core diameter of the screw can remain the same, and also increase or decrease. Simultaneously with the change in the outer diameter, the flight depth, the pitch, the web width or the flexibility of the screw can be changed.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist der genutete Bereich auch länger und die Nuten laufen erst im Bereich der Aufschmelzzone aus. Die Länge des genuteten Bereichs kann zwischen dem 3-fachen und 20-fachen, vorzugsweise zwischen dem 4-fachen und 15-fachen der Länge oder zwischen 5% bis 80%, vorzugsweise zwischen 10% bis 60% der gesamten Schneckenlänge betragen. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere am Beginn der Aufschmelzzone die Nuten den Aufschmelzvorgang beschleunigen können. Liegt jedoch bereits mehr Schmelze wie Feststoff vor, wird durch die Nuten keine Verbesserung mehr erreicht, sodass diese im zweiten Bereich der Aufschmelzzone endend ausgeführt sind.In a further embodiment variant, the grooved area is also longer and the grooves only run out in the region of the melting zone. The length of the grooved area may be between 3 times and 20 times, preferably between 4 times and 15 times the length or between 5% to 80%, preferably between 10% to 60% of the total length of the screw. It has been shown that, especially at the beginning of the melting zone, the grooves can accelerate the melting process. However, if there is already more melt such as solid, no improvement is achieved by the grooves, so that they are designed to be ending in the second region of the melting zone.
Das Ende der Stege, also das Ende der genuteten Zone, kann abgestuft, oder auch konisch auslaufend gestaltet sein. Ist das Ende abgestuft, ergibt sich auch in der Schnecke eine abgestufte Erhöhung des Schneckenaußendurchmessers, während bei einem konischen Auslaufen der Schneckenaußendurchmesser ebenfalls konisch erhöht wird.The end of the webs, so the end of the grooved zone, may be stepped, or tapered conically. If the end is graded, there will also be a gradual increase in the external diameter of the screw in the screw, while in the case of a conical outlet, the external diameter of the screw will also increase conically.
Der Schneckensteg kann durchlaufen und wird im Bereich des Auslaufens der Nuten entsprechend erhöht, sodass sich der Außendurchmesser bis auf ein notwendiges Spiel dem Zylinderdurchmesser angleicht. Es ist aber auch möglich den Schneckensteg zu unterbrechen und mit einem neuen Schneckensteg weiter zu fördern. Dabei können die Stege auch zueinander versetzt sein.The screw flight can pass through and is correspondingly increased in the area of the grooves, so that the outer diameter is equal to the cylinder diameter except for a necessary clearance. But it is also possible to interrupt the screw bridge and to promote further with a new screw bridge. The webs can also be offset from each other.
Dieser Bereich entspricht vorzugsweise auch dem genuteten Bereich des Zylinders. Mit dem konischen Einzugsbereich kann eine größere Menge an Kunststoffgranulat, Pulver, Gries oder Recyclat, eingezogen werden. Dies ist insbesondere bei sogenannten Schnellläufern, also Extrudern, die mit einer hohen Schneckendrehzahl betrieben werden, von Vorteil. Ebenso ist dies bei der Verarbeitung von Materialien mit geringer Schüttdichte vorteilhaft.This area preferably also corresponds to the grooved area of the cylinder. With the conical feed area, a larger amount of plastic granules, powder, semolina or recyclate, can be fed. This is particularly advantageous in so-called high-speed rotors, ie extruders which are operated at a high screw speed. Likewise, this is advantageous in the processing of materials with low bulk density.
Die Ausführungsform im genuteten Bereich kann als eingesetzte Nutbuchse, als im Zylinder ausgearbeitete Nuten, oder durch Stege, die in den Zylinder hineinragen, ausgeführt sein. Die Tiefe der Nuten kann über die Länge konstant bleiben, oder einen beliebigen Verlauf eines Tiefenprofils aufweisen. Es ist ebenso möglich, insbesondere wenn die Nuten durch Stege gebildet werden, dass diese verstellbar sind und somit die Förderwirkung des Extruders einstellbar ist.The embodiment in the grooved area can be embodied as a grooved bushing, as grooves machined in the cylinder, or by webs which protrude into the cylinder. The depth of the grooves can remain constant over the length, or have any profile of a depth profile. It is also possible, in particular if the grooves are formed by webs, that they are adjustable and thus the conveying action of the extruder is adjustable.
Die Querschnittgeometrie der Nuten kann, wie in der Zeichnung dargestellt, annähernd quaderförmig, aber auch dreieckig, halbrund oder jede andere beliebige Geometrie sein. Die Querschnittsfläche der Nuten zur Querschnittsfläche der Stege kann jedes beliebige Verhältnis einnehmen. Ebenso kann auch nur eine Nut verwendet werden. Die Nuten können rein axial verlaufen, oder auch als Wendelnuten ausgeführt sein. Es ist möglich die Nuten in einem Bereich des Zylinders axial und anschließend gewendelt auszuführen, oder umgekehrt.The cross-sectional geometry of the grooves can, as shown in the drawing, be approximately cuboid, but also triangular, half-round or any other arbitrary geometry. The cross-sectional area of the grooves to the cross-sectional area of the webs can take any ratio. Likewise, only one groove can be used. The grooves can be purely axial, or designed as helical grooves. It is possible to make the grooves in a region of the cylinder axially and then coiled, or vice versa.
Die verwendete Schnecke kann eine klassische Drei- oder Mehrzonenschnecke oder auch eine Barriereschnecke sein.The screw used can be a classic three- or multi-zone screw or a barrier screw.
Der Zylinder kann einstückig gefertigt werden, oder auch aus mehreren Teilen bestehen, welche zu einem Zylinder verbunden werden. Die Teilung des Zylinders kann hier sowohl axial, wie auch radial erfolgen und auch mehrfach vorliegen. Durch eine mehrstückige Fertigung ergibt sich die Möglichkeit der Demontage und damit eines einfacheren Schneckenziehens, falls dieses notwendig ist.The cylinder can be made in one piece, or even consist of several parts, which are connected to a cylinder. The division of the cylinder can be done both axially, as well as radially and also multiple times. By a multi-piece manufacturing results in the possibility of disassembly and thus a simpler screw pulling, if this is necessary.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung ergibt sich keine Druckspitze, somit geringerer Verschleiß an der Anlage. Durch die niedrigeren Drücke wird auch eine erhebliche Temperaturerhöhung des Kunststoffes vermieden. Mit dem Extruder ergibt sich durch die Ausführung der Nuten bis in den Aufschmelzbereich eine verbesserte Förderwirkung, insbesondere, da auch die Aufschmelzgeschwindigkeit erhöht wird. Durch das parallele Auslaufen der Nuten ohne Reduktion der Nutentiefe und den offenen Endquerschnitt ergibt sich weiters eine bessere Selbstreinigung der Nuten und eine hoher spezifischer Ausstoß über einen weiten Drehzahlbereich.The inventive design results in no pressure peak, thus less wear on the system. Due to the lower pressures and a significant increase in temperature of the plastic is avoided. With the extruder, the design of the grooves results in an improved conveying effect up to the melting region, in particular because the melting rate is also increased. Due to the parallel leakage of the grooves without reducing the groove depth and the open end cross-section also results in a better self-cleaning of the grooves and a high specific output over a wide speed range.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Nuten können sich, wie erwähnt, nicht nur längs der Einzugszone erstrecken, sondern auch in einen Teil der Aufschmelzzone. Solange noch einzelne Feststoffpartikel im System vorliegen, erweist es sich als vorteilhaft, wenn in dem Zylinder Nuten ausgebildet sind.The grooves provided according to the invention may, as mentioned, not only extend along the feed zone but also into a part of the melting zone. As long as there are still individual solid particles in the system, it proves to be advantageous if grooves are formed in the cylinder.
Die Erfindung ist insbesondere auch für schnelllaufende Schnecken vorteilhaft anwendbar, welche beispielsweise mit 1500 min–1 drehen.The invention is particularly advantageous for high-speed screws, which rotate for example at 1500 min -1 .
Um einen günstigen Übergang zwischen dem mit Nuten versehenen Bereich und dem nachfolgenden Bereich vorzusehen, ist es auch möglich, den Querschnitt der Nuten größer werdend auszubilden, beispielsweise, indem die Stege eine abnehmende Umfangsbreite oder eine abnehmende Umfangshöhe aufweisen.In order to provide a favorable transition between the grooved area and the subsequent area, it is also possible to make the cross-section of the grooves larger, for example, by the webs having a decreasing circumferential width or a decreasing circumferential height.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:In the following the invention will be described by means of embodiments in conjunction with the drawing. Showing:
Erfindungsgemäß weist der Extruder eine Schnecke
Es kann von Vorteil sein, den Kerndurchmesser im Einzugsbereich variabel zu gestalten. Eine zunehmende Gangtiefe der Schnecke wird eine weitere Druckreduktion bewirken. Eine abnehmende Gangtiefe dagegen kann zur Erhöhung der gegendruckunabhängigen Förderwirkung beitragen, aber auch den Druck im Einzugsbereich erhöhen.It may be advantageous to make the core diameter in the catchment area variable. An increasing flight depth of the screw will cause a further reduction in pressure. A decreasing flight depth, on the other hand, can increase the counterpressure-independent conveying effect, but also increase the pressure in the catchment area.
An der Außenseite des Kerns der Schnecke
Angrenzend an die Einzugszone
Die Schneckenstege
Bei dem in
Erfindungsgemäß ist der radiale Innendurchmesser der Nuten
Die
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 21, 2
- Schneckenstegflighting
- 33
- Schneckeslug
- 44
- Zylindercylinder
- 55
- Einzugszonefeed zone
- 66
- Zylinderstegcylinder dock
- 77
- Nutgroove
- 88th
- Aufschmelzzonemelting
- 99
- Drehachseaxis of rotation
- 1010
- Kerndurchmessercore diameter
- 11, 1211, 12
- Außendurchmesserouter diameter
- 1313
- Nutentiefegroove depth
- 1414
- Nutenendegroove end
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