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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Extruder zum Extrudieren von fließfähigem Material.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Extruder sind Fördervorrichtungen, die nach einem Funktionsprinzip eines Schneckenförderers fließfähige feste oder hochviskose Materialien unter hohem Druck und hoher Temperatur aus einer beispielsweise formgebenden Öffnung herauspressen können. Mit dem Extruder soll dabei häufig ein fließfähiges Material in Form eines als Granulat vorliegenden Kunststoffes, insbesondere eines thermoplastischen Kunststoffes, verarbeitet werden, wobei das Granulat verdichtet und durch Erhitzen verflüssigt werden soll.
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Unter einem fließfähigen Material soll in diesem Zusammenhang ein Material verstanden werden, dass entweder aufgrund seines flüssigen oder viskosen Zustands fließen kann oder bei dem festes Material in Form sehr kleiner Körner vorliegt, sodass sich ein daraus bestehendes Pulver oder Granulat ähnlich wie eine Flüssigkeit verhält, d. h. beispielsweise aufgrund der Schwerkraft oder bei Ausübung eines Druckes in einen Extruder eingefüllt werden kann.
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Bei einem Einschneckenextruder ist hierbei eine so genannte Schnecke drehbar in einem meist zylindrischen Gehäuse aufgenommen. Die Schnecke weist dabei ein Außengewinde mit wenigstens einem spindelförmig angeordneten Steg auf. Benachbarte Stegbereiche bilden zusammen mit einem Gewindegrund und einer Innenwand des zylindrischen Gehäuses einen spindelförmigen Schneckenkanal. Das zu verarbeitende fließfähige Material wird in einem Einzugszonen-Längsabschnitt in diesen Schneckenkanal eingebracht. Durch Reibung des aufgenommenen fließfähigen Materials an der statischen Innenwand des Gehäuses wird dann durch die sich drehende Schnecke sowohl die Förderung des fließfähigen Materials als auch der Druckaufbau in diesem bewirkt. Man spricht in diesem Zusammenhang von Friktionsförderung.
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Ein in den Einzugszonen-Längsabschnitt eingebrachtes fließfähiges Material kann dadurch in einen angrenzenden Aufschmelzzonen-Längsabschnitt gefördert werden. Die bei dem Fördervorgang auftretende Reibung und Kompaktierung des fließfähigen Materials führt zu einer Temperatur- und Druckzunahme, welche beispielsweise bei einem thermoplastischen Material zu einer Verflüssigung desselben führen kann.
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Ein auf diese Weise verflüssigtes und unter Druck gesetztes Material kann abschließend zu einer Austrittsöffnung, welche beispielsweise in Form einer formgebenden Düse vorgesehen sein kann, gefördert und aus dieser herausgepresst werden.
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Sofern die Schnecke während des Fördervorgangs ausschließlich rotiert wird, wird ein solches Herauspressen des fließfähigen Materials als Extrusion bezeichnet. Wenn die Schnecke während des Rotierens zusätzlich auch beispielsweise in axialer Richtung und vorzugsweise in zyklischer Weise bewegt wird, wird dies meist als Exjection bezeichnet, wobei es sich hierbei um eine besondere Ausprägung eines Spritzgussverfahrens handelt.
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In der Vergangenheit wurden mehrfach Versuche unternommen, den Durchsatz bzw. die Förderrate von Extrudern zu erhöhen. Ein einfacher Ansatz hierbei ist, die Drehzahl der Schnecke zu steigern, um den gewünschten Durchsatz zu erzielen. Beispielsweise wurden Antriebe für die Schnecke entwickelt, die unter Beibehaltung der restlichen Extrudereinheit höhere Drehzahlen der Schnecke ermöglichten. Diesem Ansatz sind aber, insbesondere wenn die Extrudereinheit aus Schnecke und Zylinder nicht auf die höheren Drehzahlen ausgelegt wird, Grenzen gesetzt. Es wurde beobachtet, dass der Durchsatz des Extruders weniger als linear mit der Drehzahl der Schnecke zunimmt. Beispielsweise wurde bei der Verarbeitung von Polystyrol durch Steigerung der Drehzahl von 300 min–1 auf 1700 min–1 lediglich eine Verdoppelung des Durchsatzes erreicht.
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Bei einem weiteren Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes von Extrudern wurden Versuche mit speziell an die Hochgeschwindigkeits-Extrusion angepassten Schneckenkonzepten gemacht. Beispielsweise wurde mit Hilfe so genannter Wellenschnecken der herkömmliche kompaktierende Aufschmelzprozess durch einen dispersiven Aufschmelzprozess ersetzt. Bei einer Wellenschnecke wird dabei typischerweise die Gangtiefe des Schneckenkanals wellenartig periodisch geändert. In Bereichen geringerer Gangtiefe wird dabei das in dem Kanal befindliche Material lokal unter Druck gesetzt, wodurch das Material versucht, in Bereiche niedrigeren Drucks beispielsweise entlang des Kanals oder quer zu diesem über abgesetzte Stege zu strömen. Hierdurch kommt es zu einer verstärkten Durchmischung des zu fördernden fließfähigen Materials.
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Ein weiterer Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes eines Extruders ist in der
EP 1 194 278 B1 beschrieben. Der dort vorgeschlagene Extruder basiert auf dem so genannten Barriereschneckenkonzept. Der Schneckengang ist bei einer Barrierenschnecke im Bereich des Aufschmelzzonen-Längsabschnitts mit Hilfe eines zusätzlichen Steges in einen Feststoffkanal und einen Schmelzekanal unterteilt. Fließfähiges Material wird dabei in den Einzugszonen-Längsabschnitt eingefüllt und in den Feststoffkanal des Aufschmelzzonen-Längsabschnitt befördert. Der Querschnitt des Feststoffkanals nimmt in Förderrichtung innerhalb des Aufschmelzzonen-Längsabschnitts kontinuierlich ab, wohingegen der Querschnitt des Schmelzekanals kontinuierlich größer wird. Aufgeschmolzenes Material kann dabei während des Fördervorgangs von dem Feststoffkanal über den geringfügig niedriger abragenden und somit zu der Gehäusewandung beabstandeten Barrieresteg in den Schmelzekanal strömen. Durch dieses Konzept kann unter anderem ein Wärmeübergang von dem Zylinder und der Schneckenoberfläche an noch nicht aufgeschmolzenes fließfähiges Material verbessert werden.
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In der
DE 10 2008 038 529 B3 wird ein Einschneckenextruder beschrieben, der in der Homogenisierzone eine in Längsrichtung verlaufende Nut in einer Zylinderinnenwand aufweist, die in einem Bereich zwischen einem ersten und einem nachfolgenden zweiten Verfahrensteil endet.
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In der
DE 101 30759 A1 wird ein Mischsystem für Flüssigkeiten, insbesondere Kunststoff-Schmelzen, beschrieben, das ein Barriere-Scherteil und ein Maddock-Scherteil aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es kann als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, ein alternatives Konzept eines Einschneckenextruders bereitzustellen, das einen hohen Massedurchsatz bei gleichzeitig hoher Qualität und insbesondere guter Homogenität des extrudierten Materials zulässt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Einschneckenextruder zum Extrudieren von fließfähigem Material gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Einschneckenextruder vorgeschlagen, bei dem ein zylindrisches Gehäuse und eine in diesem Gehäuse drehbar aufgenommene Schnecke sowohl einen Einzugszonen-Längsabschnitt als auch einen Aufschmelzzonen-Längsabschnitt bilden. Die Schnecke weist hierbei ein Außengewinde mit wenigstens einem spindelförmig angeordneten Steg auf. Der wenigstens eine Steg, ein zentraler Bereich der Schnecke sowie das Gehäuse sind dabei derart ausgebildet, dass ein spindelförmiger Schneckenkanal von zwei benachbarten Stegbereichen, einen Gewindegrund und dem Gehäuse seitlich begrenzt wird. In dem Einzugszonen-Längsabschnitt kann fließfähiges Material in den Schneckenkanal eingebracht werden. Von dort aus kann das fließfähige Material aufgrund einer Rotation der Schnecke in den Aufschmelzzonen-Längsabschnitt gefördert werden. In diesem Aufschmelzzonen-Längsabschnitt ist die Schnecke einschließlich ihrer Stegbereiche derart ausgebildet, dass eine Querschnittsfläche des Schneckenkanals in einer Richtung entlang des Schneckenkanals bereichsweise zunehmend und bereichsweise abnehmend variiert. Mit anderen Worten ist die Schnecke als Wellenschnecke ausgebildet. Das Variieren der Querschnittsfläche des Schneckenkanals kann dabei zum Beispiel durch ein Variieren der Gangtiefe des Schneckenkanals, das heißt, eines Abstandes zwischen dem Gewindegrund und der Innenoberfläche des Gehäuses, bewirkt werden. Alternativ kann die Querschnittsfläche des Schneckenkanals auch durch ein Variieren des Abstandes zwischen benachbarten Stegbereichen verändert werden. Erfindungsgemäß ist an der Innenoberfläche des Gehäuses, über die gesamte Länge des Gehäuses, insbesondere in dem Aufschmelzzonen-Längsabschnitt, wenigstens eine Nut ausgebildet, welche Bereiche des Schneckenkanals mit niedriger Querschnittsfläche mit Bereichen des Schneckenkanals mit größerer Querschnittsfläche verbindet.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Extrudieren von fließfähigem Material beschrieben, wie es insbesondere mit dem oben beschriebenen Extruder gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durchgeführt werden kann. Dadurch dass der Extruder mit seinem Gehäuse und seiner darin aufgenommenen Schnecke in dem Aufschmelzzonen-Längsabschnitt derart ausgebildet ist, dass die Querschnittsfläche des Schneckenkanals in Richtung entlang des Schneckenkanals bereichsweise zunehmend und bereichsweise abnehmend variiert, kommt es während des Förderns des darin aufgenommenen Materials in einem Bereich zunehmender Querschnittsfläche zu einer Druckverringerung innerhalb des Schneckenkanals, und in einem Bereich abnehmender Querschnittsfläche zu einer Druckerhöhung. Aufgrund der an einer Innenoberfläche des Gehäuses ausgebildeten Nut kann dabei ein Teil des fließfähigen Materials von einem Bereich höheren Drucks zu einem Bereich niedrigeren Drucks strömen.
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Vereinfachend zusammengefasst können die oben genannten Aspekte der Erfindung als auf der Idee basierend angesehen werden, zum Extrudieren von fließfähigem Material einen Extruder zu verwenden, bei dem eine Wellenschnecke in einem speziellen Zylinder aufgenommen ist, der zumindest in dem Aufschmelzzonen-Längsabschnitt, vorzugsweise jedoch über die gesamte Länge des Zylinders, genutet ist. Die Wellenschnecke wird hierbei dazu eingesetzt, innerhalb des Schneckenkanals Druckdifferenzen beziehungsweise Druckgradienten aufzubauen, um gezielt aufgeschmolzenes und/oder unaufgeschmolzenes Material über Nuten in dem zylindrischen Gehäuse in benachbarte Bereiche desselben oder eines anderen Schneckenkanals zu übergeben. Durch eine ständige Umordnung des in dem Schneckenkanal enthaltenen Materials kann eine gute Mischwirkung erzielt werden. Dadurch kann ein Aufschmelzvorgang sowohl beschleunigt als auch homogen durchgeführt werden. Im Ergebnis lässt sich mit dem vorgeschlagenen Einschneckenextruder bzw. mit dem vorgeschlagenen Extrudierverfahren ein hoher Schmelzdurchsatz bei gleichzeitig guter Homogenität des erzeugten geschmolzenen fließfähigen Materials erreichen.
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Im Gegensatz zu einem Einschneckenextruder mit einer Barriereschnecke, wie er beispielsweise in
EP 1 194 278 B1 beschrieben ist, kann der hier vorgeschlagene Einschneckenextruder in einer vorteilhaften Ausgestaltung mit einer Schnecke bereitgestellt werden, deren Stegbereiche ausschließlich einen Schneckenkanal oder eine Mehrzahl von Schneckenkanälen bildet, der bzw. die sich sowohl über den Einzugszonen-Längsabschnitt als auch über den Aufschmelzzonen-Längsabschnitt erstreckt bzw. erstrecken.
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Mit anderen Worten, soll die Schnecke derart ausgebildet sein, dass es nicht wie bei einer Barriereschnecke einzelne Schneckenkanäle, beispielsweise in Form von Schmelzekanälen, gibt, die sich lediglich durch den Aufschmelzzonen-Längsabschnitt, nicht aber durch den Einzugszonen-Längsabschnitt, erstrecken. Stattdessen sollen sich alle Schneckenkanäle der Schnecke entlang der gesamten Länge der Schnecke, das heißt, sowohl über den Einzugszonen-Längsabschnitt als auch über den Aufschmelzzonen-Längsabschnitt, erstrecken. Die Schnecke des hier vorgeschlagenen Einschneckenextruders soll somit vorzugsweise nicht über einen Barrieresteg verfügen.
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Beim Fördern von zu extrudierendem Material, das im Bereich des Einzugszonen-Längsabschnitts in einen Schneckenkanal eingefüllt wird, wird das Material während des sukzessiv eintretenden Aufschmelzens des Materials somit nicht wie bei einer Barriereschnecke in einen Feststoffkanal, der vorzugsweise unaufgeschmolzene Partikel fördert, und einen Schmelzekanal, der ausschließlich aufgeschmolzenes Material fördert, aufgeteilt. Stattdessen soll jeder der Schneckenkanäle bzw. Schneckenkanalbereiche sowohl unaufgeschmolzenes als auch aufgeschmolzenes Material fördern, wobei es durch die von der Wellenschnecke generierten Druckgradienten zu einem Austausch von Material zwischen den Schneckenkanälen bzw. Schneckenkanalbereichen und somit zu einem guten Durchmischen des aufgeschmolzenen mit dem unaufgeschmolzenen Material kommt. Aufgrund der stetigen Durchmischung von aufgeschmolzenem und unaufgeschmolzenem Material kommt es an keiner Stelle des Extruders zu einer lokalen Überhitzung des Extrudats. Dies ermöglicht die Verarbeitung von temperaturempfindlichen Kunststoffen. Fachleute sprechen hier vom sog. „Eiswürfeleffekt”.
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Nachfolgend werden mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Einschneckenextruders bzw. eines erfindungsgemäßen Extrudierverfahrens detailliert beschrieben.
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Die Geometrie der in dem Einschneckenextruder eingesetzten Schnecke und insbesondere des dadurch gebildeten mindestens einen Schneckenkanals kann sich in den verschiedenen Längsabschnitten unterscheiden.
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Beispielsweise kann eine Querschnittsfläche des Schneckenkanals innerhalb des Einzugszonen-Längsabschnitts konstant sein, sodass darin aufgenommenes fließfähiges Material bei Drehung der Schnecke zwar hin zu einem benachbarten Längsabschnitt transportiert wird, hierbei jedoch nicht wesentlich kompaktiert oder erhitzt wird.
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In einem angrenzenden Aufschmelzzonen-Längsabschnitt soll die Geometrie des Schneckenkanals jedoch gezielt derart angepasst werden, dass eine Querschnittsfläche des Schneckenkanals in einigen Bereichen in Förderrichtung zunimmt und in anderen Bereichen in Förderrichtung abnimmt. Ein solches Zunehmen und Abnehmen der Querschnittsfläche kann sich über den Aufschmelzzonen-Längsabschnitt mehrfach wiederholen. Insbesondere kann die Querschnittsfläche des Schneckenkanals in dem Aufschmelzzonen-Längsabschnitt in einer Richtung entlang des Schneckenkanals periodisch variieren. Bereiche zunehmender Querschnittfläche können sich dabei mit Bereichen abnehmender Querschnittsfläche abwechseln. Dies kann regelmäßig oder unregelmäßig geschehen, d. h. die Bereiche zunehmender Querschnittfläche und die Bereiche abnehmender Querschnittsfläche können über die Länge des Schneckenkanals immer gleiche Abmessungen aufweisen oder alternativ können die Abmessungen variieren. Bei einer periodisch zu- und abnehmenden Querschnittsfläche kann die gewählte Periodizität beispielsweise einen ganzzahligen Bruchteil der Gesamtlänge des Aufschmelzzonen-Längsabschnitts ausmachen. Die an der Innenoberfläche des Gehäuses ausgebildete wenigstens eine Nut kann sich durchgehend über den gesamten Aufschmelzzonen-Längsabschnitt erstrecken. Mit anderen Worten, kann sich eine Nut ausgehend von dem angrenzenden Einzugszonen-Längsabschnitt durch den Aufschmelzzonen-Längsabschnitt hindurch bis an ein gegenüberliegendes Ende, an dem der Aufschmelzzonen-Längsabschnitt beispielsweise an einem benachbarten Längsabschnitt oder eine Auslassdüse angrenzt, erstrecken.
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Vorzugsweise kann sich die wenigstens eine Nut sogar durchgehend sowohl über den Einzugszonen-Längsabschnitt als auch über den Aufschmelzzonen-Längsabschnitt erstrecken. Hierbei kann sich die Nut beispielsweise ausgehend von einem Ende des zylindrischen Gehäuses entlang der gesamten Länge des Gehäuses an dessen Innenoberfläche bis hin zu einem gegenüberliegenden Ende des Gehäuses erstrecken. Im Einzugszonen-Längsabschnitt unterstützt die Nut dabei eine Zwangsförderung des von der Schnecke zu fördernden Materials, wohingegen in den anderen Bereichen durch die Nut hauptsächlich eine Durchmischung des zu fördernden Materials unterstützt wird. Dadurch, dass die Nut durch beide Längsabschnitt durchgehend ausgebildet ist, können z. B. Druckspitzen an einem Ende der Einzugszone, wie sie typischerweise bei Nutbuchsenextrudern auftreten, bei denen Nuten am Ende der Einzugszone aufhören, vermieden oder zumindest reduziert werden.
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Die an der Innenoberfläche des Gehäuses ausgebildete wenigstens eine Nut kann sich parallel zur Längsrichtung des Gehäuses erstrecken. Eine solche geradlinige Nut kann verhältnismäßig einfach herzustellen sein.
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Alternativ kann die wenigstens eine Nut wendelförmig, das heißt in Form einer Spirale, entlang der Innenoberfläche des Gehäuses ausgebildet sein. Eine Steigung einer solchen wendelförmigen Nut sollte sich dabei von der Steigung des ebenfalls wendelförmigen Schneckenkanals signifikant unterscheiden oder die Wendelrichtung der Nut vorzugsweise entgegengesetzt der Wendelrichtung des Schneckenkanals gewählt sein, sodass die Nut den Schneckenkanal mehrfach kreuzt. Auf diese Weise kann die Nut an den Kreuzungspunkten der Nut mit dem Schneckenkanal Bereiche des Schneckenkanals miteinander verbinden, in denen beim Betrieb des Extruders unterschiedliche Drücke innerhalb des in dem Schneckenkanal aufgenommenen Materials herrschen. Aufgrund des Druckunterschieds kann dann fließfähiges Material von einem Teilbereich des Aufschmelzzonen-Längsabschnitts mit darin herrschendem hohem Druck hin zu einem anderen Teilbereich des Aufschmelzzonen-Längsabschnitts mit darin herrschendem niedrigerem Druck durch die Nut strömen, wobei das Material dabei zumindest in Teilbereichen des Aufschmelzzonen-Längsabschnitts auch entgegen einer Förderrichtung der Schnecke strömen kann.
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Die an der Innenoberfläche des Gehäuses ausgebildete Nut kann entlang ihrer Erstreckungsrichtung eine gleichbleibende Querschnittsfläche und/oder Form aufweisen. Eine solche Nut kann verhältnismäßig einfach in das Gehäuse eingebracht werden. Allerdings wurde beobachtet, dass die Nut besonders vorteilhaft wirken kann, wenn sie entlang des Aufschmelzzonen-Längsabschnitts eine Querschnittsfläche aufweist, die mit zunehmendem Abstand von dem Einzugszonen-Längsabschnitt abnimmt, das heißt, bei der sich die Querschnittsfläche entlang der Förderrichtung des Extruders verringert. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass der Extruder im Bereich des Austritts eine runde Öffnung aufweist und somit z. B. keine Totraumzonen vor einem Verbindungsflansch zu einer Ausformzone bzw. zu einem Werkzeug auftreten.
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Die Nut kann eine Querschnittsfläche aufweisen, die größer ist als eine durchschnittliche Korngröße von in dem Schneckenkanal zu förderndem Granulat des fließfähigen Materials. Dadurch kann erreicht werden, dass zusätzlich zu aufgeschmolzenem Material auch unaufgeschmolzenes fließfähiges Material durch eine Nut hindurch in andere Teilbereiche des Aufschmelzzonen-Längsabschnitts strömen kann und es so zu einer guten Durchmischung des zu fördernden Materials kommen kann.
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Die Schnecke und insbesondere der daran ausgebildete wenigstens eine Steg kann so ausgebildet sein, dass ein Außendurchmesser der Schnecke einschließlich des Steges im Wesentlichen einem Innendurchmesser des Gehäuses entspricht, wobei ein geringfügiger Abstand zwischen den Stegen und der Innenoberfläche des Gehäuses für eine leichtgängige Drehbarkeit der Schnecke sorgen kann. Der wenigstens eine Steg kann dabei über den gesamten Aufschmelzzonen-Längsabschnitt hin einen gleichbleibenden Abstand zu der Innenoberfläche des Gehäuses aufweisen. Der Abstand kann insbesondere so bemessen sein, dass insbesondere kein unaufgeschmolzenes Material und vorzugsweise auch keine wesentlichen Menge an aufgeschmolzenem Material von einem Bereich eines Schneckenkanals über den Steg hinweg in einen benachbarten Bereich eines Schneckenkanals gelangen kann. Bei einem derart eng an der Innenoberfläche des Gehäuses anliegenden Steg kann ein Materialaustausch zwischen benachbarten Schneckenkanalbereichen somit im Wesentlichen ausschließlich über eine diese Schneckenkanalbereiche verbindende Nut innerhalb der Innenoberfläche des Gehäuses bewirkt werden. Ein Schmelzefluss kann hierbei einfach kalkulierbar sein.
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Alternativ kann die Schnecke derart ausgestaltet sein, dass der wenigstens eine Steg in dem Aufschmelzzonen-Längsabschnitt einen variierenden Abstand, vorzugsweise einen periodisch variierenden Abstand, zu der Innenoberfläche des Gehäuses aufweist. Dabei kann es Bereiche des Steges geben, die eng an der Innenoberfläche des Gehäuses anliegen und kein Durchströmen weder von aufgeschmolzenem noch von unaufgeschmolzenem Material zulassen, wohingegen in anderen Bereichen ein geringfügiger Spalt zwischen dem Steg und der Innenoberfläche des Gehäuses besteht, durch den zumindest aufgeschmolzenes Material in benachbarte Schneckenkanalbereiche strömen kann. Durch Variation der Spaltbreite ist hierbei beispielsweise eine Anpassung der Druckgradienten ohne die Notwendigkeit einer Neugestaltung der Nuten im Zylinder möglich.
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Die Schnecke kann innerhalb des Gehäuses derart aufgenommen sein, dass sie um eine Längsachse rotierbar ist. Dabei kann eine Lagerung die Schnecke derart halten, dass die Drehbewegung zugelassen wird, eine Bewegung entlang der Längsachse jedoch verhindert wird. Der Extruder ermöglicht dadurch eine Extrudierfunktion. Alternativ kann die Schnecke innerhalb des Gehäuses axial beweglich angeordnet sein, um auf diese Weise auch eine Spritzgussfunktion zu ermöglichen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Beschreibung der Erfindung und ihrer Ausführungsformen mögliche Merkmale und Vorteile teilweise in Bezug auf einen erfindungsgemäßen Einschneckenextruder und teilweise in Bezug auf ein erfindungsgemäßes Extrudierverfahren beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die beschriebenen Merkmale in geeigneter Weise untereinander ausgetauscht oder kombiniert werden können bzw. in geeigneter Weise von dem Einschneckenextruder auf das Extrudierverfahren, oder umgekehrt, übertragen werden können, um auf diese Weise zu weiteren Ausführungsformen und möglicherweise zu Synergieeffekten zu gelangen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen.
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1 zeigt eine Längsschnittansicht eines beispielhaften Einschneckenextruders gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Aufschmelzzonen-Längsabschnitt eines Einschneckenextruders gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt eine Längsschnittansicht durch einen Aufschmelzzonen-Längsabschnitt eines Einschneckenextruders gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt eine Längsschnittansicht durch einen Aufschmelzzonen-Längsabschnitt eines Einschneckenextruders gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt eine Längsschnittansicht durch einen Aufschmelzzonen-Längsabschnitt eines Einschneckenextruders gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleich wirkende Merkmale.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 ist ein Einschneckenextruder 1 zum Extrudieren beispielsweise eines anfänglich als Granulat vorliegenden Kunststoffmaterials gezeigt. Der Extruder 1 weist ein zylindrisches Gehäuse 3 sowie eine in diesem Gehäuse 3 aufgenommene Schnecke 5 auf. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist das Gehäuse 3 aus zwei zylindrischen Bauteilen 7 und 9 zusammengesetzt. Es wird darauf hingewiesen, dass stattdessen auch ein einstückiges zylindrisches Gehäuse vorgesehen werden kann.
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Der Extruder 1 gliedert sich entlang seiner Länge in mehrere funktionale Längsabschnitte. Im Bereich einer Füllzone 11 kann mit Hilfe eines Trichters 13 Granulat in eine Öffnung 15 eingeführt werden. Das Granulat füllt dabei einen Schneckenkanal 17, der in Form eines freien Volumens zwischen zwei benachbarten Stegen 19 der Schnecke 5 ausgebildet ist.
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Während des Betriebs des Extruders 1 wird die koaxial mit dem Gehäuse 3 angeordnete Schnecke 5 durch einen Antrieb (in 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt) um ihre Längsachse gedreht. Durch Zwangsförderung wird dadurch das in der Füllzone 11 in den Schneckenkanal 17 eingefüllte fließfähige Material in eine benachbarte Einzugszone 21 gefördert. Die Längsabschnitte der Füllzone 11 sowie der Einzugszone 21 können hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Wirkungsweise in ähnlicher Art wie bei herkömmlichen Einschneckenextrudern ausgestaltet sein und sollen hier nicht näher erklärt werden.
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Von der Einzugszone 21 wird das fließfähige Material in eine stromabwärts benachbarte Aufschmelzzone 23 gefördert. In dieser Aufschmelzzone 23 wird das Material sukzessive, beispielsweise durch Reibung an der statischen Innenoberfläche 31 des Gehäuses 3, aufgeheizt und verflüssigt, sodass es am stromabwärtigen Ende der Aufschmelzzone 23 in eine Ausformzone 25 strömen kann. Um einen Aufschmelzvorgang innerhalb der Aufschmelzzone 23 zu unterstützen und gegebenenfalls ein ungewolltes Abkühlen/Überhitzen innerhalb der Ausformzone 25 beeinflussen zu können, sind entlang der beiden Zonen 23, 25 Heiz- bzw. Kühlelemente 27 vorgesehen, mit Hilfe derer das zylindrische Gehäuse 3 gezielt erwärmt und/oder abgekühlt werden kann.
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In 2 ist eine Querschnittansicht durch einen Aufschmelzzonen-Längsabschnitt 23 eines erfindungsgemäßen Einschneckenextruders 1 schematisch dargestellt. Eine zugehörige schematische Längsschnittansicht ist in 3 dargestellt.
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Die Schnecke 5 kann sich innerhalb des Gehäuses 3 drehen, sodass fließfähiges Material, welches zuvor in einen den Schneckenkanal 17 bildenden Hohlraum eingefüllt wurde, von gewindeartig angeordneten Stegen 19 von der Einfüllzone 21 kommend durch die Aufschmelzzone 23 hindurch hin zu der Ausformzone 25 gefördert wird.
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Der Schneckenkanal 17 ist dabei im in 2 dargestellten Beispiel von zwei benachbarten Stegbereichen 19, einem Gewindegrund 29, der von einem Grundkörper der Welle 5 gebildet wird, sowie von einer Innenoberfläche 31 des umgebenden Gehäuses 3 begrenzt.
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Wie in 3 zu erkennen, ist die Schnecke 5 als Wellenschnecke ausgebildet. Bei einer solchen Wellenschnecke ist der Gewindegrund 29 derart geformt, dass sich ein Querschnitt des Schneckenkanals 17 entlang seiner spiralförmigen Erstreckungsrichtung periodisch vergrößert und wieder verkleinert. Wie in den 2 und 3 zu erkennen, hat der Gewindegrund 29 hierbei in Teilbereichen 35 einen größeren Abstand d1 zur umgebenden Innenoberfläche 31 des Gehäuses 3 als in anderen Teilbereichen 37, in denen der Gewindegrund 29 lediglich einen kleineren Abstand d2 zu dieser Innenoberfläche 31 aufweist. Durch die unterschiedlichen Querschnittsflächen des Schneckenkanals in den Teilbereichen 35, 37 werden in diesen Teilbereichen 35, 37 unterschiedliche Drücke auf das darin geförderte Material ausgeübt.
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Wie insbesondere in 3 zu erkennen, sind in dem Aufschmelzzonen-Längsabschnitt 23 Nuten 33 vorgesehen, die Teilbereiche 37 des Schneckenkanals 17 mit niedriger Querschnittsfläche mit anderen Teilbereichen 35 des Schneckenkanals 17 mit größerer Querschnittsfläche verbinden. Die Nuten 33 erstrecken sich dabei schräg zur Längsachse der Schnecke 5, können aber auch parallel zu dieser verlaufen. Aufgrund des in den kleineren Teilbereichen 37 herrschenden erhöhten Drucks wird dabei ein Teil des darin aufgenommenen fließfähigen Materials durch die Nut 33 hindurch hin zu einem benachbarten größeren Teilbereich 35 des Schneckenkanals 17 geleitet. Wie in 3 dargestellt, kann das durch die Nut 33 strömende Material dabei zum Teil in Richtung der Pfeile 39 entgegen der Förderrichtung 41 des Extruders 1 strömen.
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Indem bereits erhitztes und teilweise verflüssigtes Material aus Teilbereichen des Schneckenkanals 17 in andere Teilbereiche desselben oder eines benachbarten Schneckenkanals 17 durch die in dem Aufschmelzzonen-Längsabschnitt 23 vorgesehenen Nuten 33 gepresst wird, kommt es zu einer kontinuierlichen Durchmischung des in dem Extruder 1 geförderten fließfähigen Materials. Bei einer ausreichend großen Dimensionierung der Nuten 33 können hierbei zusätzlich zu bereits aufgeschmolzenem Material auch unaufgeschmolzene Partikel durch die Nuten 33 hindurch in andere Teilbereiche des Schneckenkanals 17 gefördert werden. Außerdem können Ränder und Kanten der Nuten in einer Weise ausgestaltet sein, dass insbesondere größere Partikel daran verhaken können und beim Durchlaufen eines Steges 19 zertrennt und somit verkleinert werden. Auch dies kann eine Homogenisierung des aufzuschmelzenden Extrudats unterstützen.
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Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist die Schnecke 5 derart ausgebildet, dass alle Stege 19 im Wesentlichen gleich groß sind und somit einen gleichen Abstand zu der Innenoberfläche 31 des Gehäuses 3 aufweisen. Die Stege 19 liegen dabei derart eng an der Innenoberfläche 31 an, dass im Wesentlichen kein zu förderndes Material über die Stege hinweg von einem Bereich des Schneckenkanals 17 in einen benachbarten Bereich des Schneckenkanals 17 gelangen kann, ohne dabei durch eine der vorgesehenen Nuten 33 strömen zu müssen.
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Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform ist der Steg 19 im Gegensatz hierzu derart ausgebildet, dass er Teilbereiche 43 aufweist, die im Wesentlichen dicht an der Innenoberfläche 31 des Gehäuses 3 anliegen, es jedoch auch Teilbereiche 45 gibt, die einen signifikanten Abstand zu der Innenoberfläche 31 einnehmen. In den Teilbereichen 45 mit solchen abgesetzten Stegen 19 kann somit insbesondere bereits verflüssigtes Material über den Steg 19 hinweg durch den zwischen dem Steg 19 und der Innenoberfläche 31 existierenden Spalt hindurch in benachbarte Teilbereiche des Schneckenkanals 17 strömen, wie dies mit den Pfeilen 47 angedeutet ist. Dies kann eine weitere Durchmischung des zu fördernden Materials unterstützen.
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In den 3 und 4 sind Ausführungsformen dargestellt, bei denen Nuten 33 wendelförmig an der Innenoberfläche 31 des Gehäuses 3 vorgesehen sind. Eine Drehrichtung dieser wendelförmigen Nuten 33 ist hierbei entgegengesetzt zu der Drehrichtung der an der Schnecke 5 angeordneten Stege 19 gewählt.
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Bei der in 5 dargestellten alternativen Ausführungsform ist eine geradlinige Nut 33 vorgesehen. Ähnlich wie bei den in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen kann auch hier ein Teil des zu fördernden Materials durch Druckunterschiede, wie sie von der Wellenschnecke 5 lokal generiert werden, von Teilbereichen 37 kleinen Querschnitts und damit hohen Drucks in benachbarte Teilbereiche 35 größeren Querschnitts und damit niedrigen Drucks durch die Nut 33 strömen. Wie durch die Pfeile 49 angedeutet, kann hierbei zumindest ein Teil dieses Stroms entgegen der Förderrichtung 41 des Extruders fließen.
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Zusammenfassend kann mit dem hierin vorgestellten Konzept eines Einschneckenextruders und den zuvor beschriebenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Einschneckenextruders bzw. eines damit durchzuführenden Extrudierverfahrens eine Möglichkeit eröffnet werden, Druckdifferenzen einer als Wellenschnecke ausgebildeten Förderschnecke eines Extruders gezielt auszunutzen, um aufgeschmolzenes und/oder unaufgeschmolzenes Material über Nuten, die im Aufschmelzzonen-Längsabschnitt des Extruders an der Innenoberfläche des zylindrischen Gehäuses vorgesehen sind, in benachbarte Teilbereiche von Schneckenkanälen zu übergeben. Durch eine ständige Neuordnung des in dem Extruder zu fördernden fließfähigen Materials kann eine sehr gute Mischwirkung erzielt werden. Die benötigten Druckdifferenzen in dem Schneckenkanal bzw. Schneckengang können dabei durch den Einsatz einer Wellenschnecke erzeugt werden. Diese kann über die Schneckenkanallänge wechselnde Gangtiefen haben, wodurch Bereiche erhöhten Drucks und über die Schneckenstege hinweg Bereiche geringeren Drucks entstehen können. Nuten in dem zylindrischen Gehäuse, welche linear in Axialrichtung oder gewendelt ausgeführt sein können, können einen Materialübertritt aus Bereichen höheren Drucks in Bereiche geringeren Drucks ermöglichen.
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Mit dem hierin vorgeschlagenen Konzept kann ein von Fachleuten lange gehegtes Vorurteil überwunden werden, gemäß dem es beim Einsatz von Wellenschnecken zu einem schlechten Aufschmelzverhalten kommt. Fachleute hatten bisher angenommen, dass bei Extrudern mit Wellenschnecken, bei denen im Gegensatz zu Barriereschnecken keine Trennung zwischen einem Feststoffkanal und einem Schmelzkanal vorgenommen wird, das zu fördernde Material nur zögerlich und damit eventuell unvollständig aufgeschmolzen wird. Um dieses Defizit zu überwinden, wurde bei herkömmlichen Extrudern meist eine Barriereschnecke zumindest in Teilbereichen des Aufschmelzzonen-Längsabschnitts eingesetzt. Demgegenüber wird hierin vorgeschlagen, eine durchgängige, sich über den Aufschmelzzonen-Längsabschnitt erstreckende Nut an der Innenoberfläche des zylindrischen Gehäuses vorzusehen. Mit Hilfe dieser Nut können während des Förderns des fließfähigen Materials einerseits Feststoffanteile teilweise aufgerissen und teilweise in andere Teilbereiche eines Schneckenkanals verteilt werden, um auf diese Weise eine Verbesserung des Aufschmelzverhaltens sowie der Schmelzhomogenität erzielen zu können.
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Durch die hierin vorgeschlagene Kombination einer Wellenschnecke mit einem innenseitig genuteten Zylindergehäuse nach der Einzugszone des Extruders kann somit eine hohe Aufschmelzleistung ohne die bei einer Verwendung einer Barriereschnecke vermuteten Nachteile, wie beispielsweise eines hohen Druckverbrauchs und einer schlechten Schmelzehomogenität, erreicht werden. Während bei bisherigen Extrudern Wellenschnecken allenfalls mit einem vorgeschalteten Barriereschneckenbereichs eingesetzt wurden, wobei die Wellenschnecke die Funktion eines Mischteils und die Barriereschnecke die Aufschmelzfunktion übernommen haben, sollen diese Funktionen bei dem hierin vorgeschlagenen Extruderkonzept auch ohne einen Barrieresteg bei gleicher oder sogar besserer Leistung möglich sein. Dies trifft insbesondere für scherempfindliche Kunststoffe, wie beispielsweise die zunehmend an Bedeutung gewinnenden Biokunststoffe, zu. Aufgrund der deutlich reduzierten Scherung durch Wegfall eines Scherspalts im Aufschmelz- sowie Homogenisierbereich, der niedrigeren Gesamttemperatur sowie der Vermeidung von Temperaturspitzen können scher- sowie temperaturempfindliche Materialien verarbeitet werden, welche mit herkömmlichen Hochleistungsextrudern nicht verarbeitet werden können, Solche Materialien sind z. B. Biokunststoffe.
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Abschließend wird darauf hingewiesen, dass Begriffe wie ”umfassend”, ”aufweisend”, etc. das Vorhandensein weiterer Elemente nicht ausschießen. Der Begriff ”ein” oder „eine” schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Gegenständen nicht aus. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Extruder
- 3
- Gehäuse
- 5
- Schnecke
- 7
- Gehäuseabschnitt
- 9
- Gehäuseabschnitt
- 11
- Füllzone
- 13
- Trichter
- 15
- Öffnung
- 17
- Schneckenkanal
- 19
- Steg
- 21
- Einzugszone
- 23
- Aufschmelzzone
- 25
- Ausformzone
- 27
- Heizelement
- 29
- Gewindegrund
- 31
- Innenoberfläche des Gehäuses
- 33
- Nut
- 35
- weiter Schneckenkanalbereich
- 37
- enger Schneckenkanalbereich
- 39
- Strömungsrichtung durch Nut
- 41
- Förderrichtung
- 43
- abdichtender Steg
- 45
- abgesetzter Steg
- 47
- Überströmrichtung über abgesetzten Steg
- 49
- Strömungsrichtung durch Nut
