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Die Erfindung bezieht sich auf ein Mundstück eines Extruders zur Herstellung mindestens eines Formkörpers nach den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Zur Herstellung eines Stützkörpers für keramische Filtrationsmembranen mit mehreren Kanälen wird eine keramische Masse zur Ausformung durch das Mundstück gepresst. Das Mundstück umfasst als äußeren Mundstückabschnitt einen Mundstückrahmen zur Formung der äußeren Geometrie der Membran. Durch den Mundstückrahmen ragen Kerne zur Ausformung einer inneren Geometrie des Formkörpers, beispielsweise von Kanälen. Die Kerne sind an einem als Kernhalteplatte ausgebildeten Kernhalteabschnitt starr angeordnet. Hierzu befindet sich beispielsweise an einer Kegelspitze unterhalb des zylinder- und kegelförmig angespitzten Kernes eine Art Nadel, die in eine Bohrung der Kernhalteplatte eingeklebt wird.
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Eine keramische Masse zur Herstellung der Formkörper umfasst oftmals abrasive Komponenten, die homogen miteinander verknetet sein können. Trotz aller Sorgfalt kann es immer wieder zu Verklumpungen und Verunreinigungen in der Masse kommen. Zudem können Rückstände und Ablagerungen auf einer Schnecke des Extruders zu einer Klumpenbildung in der Masse führen. Diese Inhomogenitäten üben einen erhöhten Druck auf die Kerne im Mundstück aus. Diesem Druck können die Kerne nur ausweichen, indem sie sich verbiegen oder sogar abbrechen. Außerdem unterliegen die Kerne durch die abrasiven Komponenten der Masse einer starken Abnutzung, so dass in bestimmten Zeitabständen je nach Ausführungsform entweder das komplette Mundstück erneuert oder mit großem Aufwand das Mundstück demontiert und die abgenutzten und beschädigten Kerne ausgewechselt werden müssen.
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Der mit dem Mundstück hergestellte Formkörper sollte - wenn es sich um einen keramischen Filter handelt - nach Möglichkeit eine gleichbleibende Geometrie und eine gleichbleibende Filterwandstärke aufweisen. Dies ist nicht nur eine Frage der Optik, sondern auch eine Frage der Wirtschaftlichkeit. Sind z.B. die Filterwandstärken nicht gleichmäßig ausgebildet, so hat sich in der Praxis erwiesen, dass sich das zu reinigende Wasser immer den Weg des geringsten Widerstandes sucht und im Wesentlichen in den dünneren Wänden der Membran filtriert wird. Dies hat zur Folge, dass sich genau an diesen Stellen Ablagerungen in großen Mengen anhäufen und eine sog. Permeabilität (Filtrationsleistung in Litern pro m2, pro Stunde und pro bar) rasch sinkt. Die Membran muss in diesem Falle häufig gereinigt werden, was wiederum hohe Kosten verursacht.
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Die geforderte Fertigungsqualität ist also ein wichtiges Kriterium dafür, wie oft ein solches Mundstück bzw. die Kerne mit der Kernhalteplatte ausgewechselt werden müssen. Nutzbringend wäre es, aus Kostengründen z.B. bei einer Kernhalteplatte mit mehreren Kernen nur einzelne, verbogene oder abgebrochene Kerne zu entfernen und neue einzukleben. Das Einkleben ist jedoch mit großem Aufwand und Problemen behaftet. Um die bereits erwähnte gleichbleibende Geometrie zu erzielen, müssen die Kerne in die Kernhalteplatte genau zentriert eingeklebt werden. Hat man in der Bohrung nur eine geringfügige Abweichung in der Zentrierung, so wirkt sich dies, bedingt durch die Länge des Kerns, am Ende des Kerns durch eine viel größere Abweichung aus. Wird nun die keramische Masse durch ein Mundstück mit schief eingeklebten oder verbogenen Kernen gepresst, dann werden die hierdurch geformten Kanäle anstatt eines gewünschten runden Querschnitts den Querschnitt einer Ellipse annehmen. Die Ellipse wird je nach Schieflage der Kerne unterschiedlich groß und kann unterschiedlich ausgerichtet sein. Sind die Kanäle einer gesamten Filtereinrichtung ungleichmäßig, gilt dies selbstverständlich auch für die Filterwandstärke.
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Das Einkleben erschwert auch das Auswechseln eines einzelnen Kernes, da zunächst der alte Kleber durch Erhitzen gelöst werden muss. Da eine Kernhalteplatte aber mehrere Kerne enthält, lösen sich durch das lokale Erhitzen eventuell auch benachbarte Kerne, welche dann ebenfalls neu eingeklebt und zentriert werden müssen. Dies ist ein sehr zeitaufwändiger Prozess und ist kaum lohnend in Anbetracht der Tatsache, dass während des Extrusionsprozesses immer wieder Kerne abbrechen oder sich verbiegen. In diesem Fall wird dann meistens die Kernhalteplatte inklusive der Kerne ausgebaut und komplett ausgetauscht. Die Standzeit eines solchen, herkömmlichen Mundstücks ist somit nicht sonderlich hoch und die Wirtschaftlichkeit des gesamten Extrusionsprozesses sinkt erheblich.
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Die
DE 39 35 894 A1 offenbart eine Kernhalterung für die Herstellung von stranggepressten Lochziegeln ebenfalls mit fest verschraubten Kernen. Die
EP 0 374 821 A2 betrifft eine Strangpressdüse mit einer Lochplatte mit Kernen, die kraftschlüssig oder formschlüssig mit der Lochplatte verbunden sind. Die
DE 675 280 A betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Hohlsteinen. Die
EP 0 248 560 A1 offenbart eine Extrusionsform mit mit flexiblen kernartigen Elementen.
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Ausgehend insbesondere von der
EP 0 374 821 A2 ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mundstück mit hoher Standzeit zu schaffen, bei dem auch das Auswechseln einzelner Kerne schnell und ohne großen Aufwand vonstatten gehen kann, und mit dem ein Formkörper mit besonders gleichbleibender innerer Geometrie produziert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch ein Mundstück mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Kern mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß sind die Kerne nachgiebig, also schwenk- bzw. „pendelbar“, und nicht starr in dem Kernhalteabschnitt bzw. der Kernhalteplatte gehaltert. Auf diese Weise können die Keramikmassespitzen bzw. Keramikmasseklumpen ausweichen und sich danach wieder neu zentrieren und ausrichten, ohne dass die Gefahr besteht, dass sie verbiegen oder sogar abbrechen. Vielmehr richten sich die Kerne immer nach dem Bewegungsvektor des Massestromes aus.
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Durch die Ausweichmöglichkeit wirkt sich außerdem die Abrasion wesentlich geringer aus, wodurch der Verschleiß reduziert und die Standzeit verlängert wird. Zudem ist durch die ständige Neuausrichtung und Zentrierung gewährleistet, dass die Filterwandstärke und Kanalgeometrie des Formkörpers im Wesentlichen gleichmäßig ausgebildet ist.
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Gemäß einer ersten Weiterbildung ist der Kern an dem Kernhalteabschnitt lösbar gehaltert. Wird ein Kern beschädigt, so kann dieser ohne großen Aufwand und vorzugsweise sogar ohne Demontage des Kernhalteabschnitts einzeln aus diesem entnommen und ausgetauscht werden. Die Wirtschaftlichkeit des Extrusionsverfahrens ist durch ein derart ausgebildetes Mundstück weitaus höher, da sich die Standzeiten um mehr als das Doppelte erhöhen können. Außerdem ist die Qualität des keramischen Formkörpers um ein Vielfaches höher - es wird weniger Ausschussware produziert - und der Aufwand zur Auswechslung der Kerne ist deutlich geringer.
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Vorgeschlagen wird auch, dass der Kern einen Basisabschnitt, einen daran anschließenden Halsabschnitt und einen daran anschließenden Kopfabschnitt aufweist, und dass der Kopfabschnitt zum Halsabschnitt hin eine konisch, konvex oder konkav ballig oder konvex oder konkav kugelig ausgebildete Kontaktfläche aufweist, die mit einer kernhalteabschnittseitigen stationären Gegenfläche zusammenarbeitet. Auf diese Weise wird eine Art Kugellagerung geschaffen, die die Schwenkbarkeit des Kerns gegenüber dem Kernhalteabschnitt auf einfache und robuste Weise bereitstellt.
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Möglich ist ferner, dass das Mundstück ein Zwischenelement umfasst, welches zwischen Kernhalteabschnitt und Kern angeordnet ist. Damit können der Kernhalteabschnitt selbst und auch der Kern relativ einfach ausgestaltet sein, was deren Herstellkosten senkt. Die schwenkbare Halterung wird stattdessen zumindest auch durch das Zwischenelement bereitgestellt.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass das Zwischenelement an dem Kern mittels einer Clipsverbindung lose gehaltert ist, so dass das Zwischenelement auch als „Clips-Hütchen“ bezeichnet werden kann. Dies führt zu einer weiteren Senkung der Herstellkosten des Mundstücks, da eine gewisse Vormontage möglich ist und der Zusammenbau vereinfacht wird.
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In einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kernhalteabschnitt mehrstückig ist. Dies vereinfacht nochmals die Montage des Mundstücks.
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Möglich ist ferner, dass der Kernhalteabschnitt mindestens eine Kernhalterung aufweist. Diese gestattet eine spezifische Anbindung des Kerns an den Kernhalteabschnitt.
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Auch hier kann die Kernhalterung mehrteilig sein, was die Montage erleichtert.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn der Kern aus einem abrasionsbeständigen Material, insbesondere aus Hartmetall, hergestellt ist.
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Beispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Mundstücks in einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Kernhalteabschnitts des Mundstücks von 1;
- 3 eine perspektivische Ansicht eines Kerns des Mundstücks von 1;
- 4 eine perspektivische Ansicht eines Zwischenelements des Mundstücks von 1;
- 5 eine perspektivische Ansicht ähnlich 2 einer zweiten Ausführungsform eines Kernhalteabschnitts;
- 6 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines Kernhalteabschnitts; und
- 7 eine perspektivische Ansicht eines Mundstückes unter Verwendung des Kernhalteabschnitts von 6.
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In 1 trägt ein Mundstück insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen kastenartigen Kernhalteabschnitt in Form einer in der Draufsicht rechteckigen Kernhalteplatte 12 mit mehreren nebeneinander in einer Linie angeordneten rohrartigen Kernhalterungen 14, die mit Stegen 16 an einem äußeren Rahmen 18 der Kernhalteplatte 12 befestigt sind (siehe auch 2). Ein ebenfalls zu dem Mundstück 10 gehörender äußerer Mundstückabschnitt (auch als Mundstückrahmen bezeichnet) ist in den Figuren nicht gezeigt.
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Das Mundstück 10 umfasst vorliegend eine Mehrzahl von nebeneinander in einer Linie angeordneten Kernen 20 (siehe 3). Diese sind aus einem besonders verschleißfesten Hartmetall hergestellt. Ein solcher Kern 20 weist einen langgestreckten, dünnen und vorliegend kreiszylindrischen Basisabschnitt 22 auf. An diesen schließt sich ein konischer bzw. kegelstumpfartiger Übergangsabschnitt 24 an, an den sich wiederum ein zylindrischer Halsabschnitt 26 anschließt, dessen Durchmesser geringer ist als jener des Basisabschnitts 22. Am Ende des Halsabschnitts 26 schließt sich ein Kopfabschnitt 28 an, der die Form eines Kegels hat, wobei die Kegelspitze vom Halsabschnitt 26 weg weist. Zum Halsabschnitt 26 hin weist der Kopfabschnitt 28 einen Absatz 30 auf, der konvex ballig oder kugelig ausgebildet ist. Der Außendurchmesser des Kopfabschnitts 28 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser der Kernhalterungen 14. Gleiches gilt auch für den Außendurchmesser des Basisabschnitts 22.
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Auf den Halsabschnitt 26 ist ein insgesamt zylindrisches und hohles Zwischenelement 32 („Clips-Hütchen“) aufgeclipst (siehe 1). Das Zwischenelement 32 ist beispielsweise aus Kunststoff, Metall, Kompositwerkstoff oder Keramik hergestellt. Es weist einen seitlichen und in seiner Längsrichtung verlaufenden Schlitz 34 auf. Eine in Einbaulage zum Kopfabschnitt 28 des Kerns 20 weisende Stirnfläche 36 ist konkav und damit zum Absatz 30 des Kopfabschnitts 28 komplementär ausgebildet. Eine lichte Innenweite des Zwischenelements 32 ist größer als der Außendurchmesser des Halsabschnitts 26, so dass das Zwischenelement 32 im aufgeclipsten Zustand lose mit dem Kern 20 verbunden ist. Der Außendurchmesser des Zwischenelements 32 ist größer als der Innendurchmesser der Kernhalterung 14.
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Das Mundstück 10 wird folgendermaßen montiert: Zunächst wird ein Kern 20 mit dem Kopfabschnitt 28 voraus - noch ohne Zwischenelement 32 - durch die entsprechende Kernhalterung 14 hindurch gesteckt. Dann wird das Zwischenelement 32 auf den Halsabschnitt 26 des Kerns 20 unter kurzzeitiger elastischer Aufweitung des Schlitzes 34 aufgeclipst, und zwar so, dass die konkave Stirnfläche 36 zum balligen bzw. kugeligen konvexen Absatz 30 des Kopfabschnitts 28 zeigt. Dies ist exemplarisch für einen mittleren der Kerne 20 in 1 dargestellt. In diesem Zustand ist das Zwischenelement 32 aufgrund seiner relativ großen lichten Innenweite auf dem Kern 20 lose gehaltert.
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In Einbaulage kommt der ballige oder kugelige konvexe Absatz 30 am Kopfabschnitt 28 des Kerns 20 in Anlage an die komplementäre konvexe Stirnfläche 36 des Zwischenelements 32, und dieses kommt wiederum mit seiner in 4 unteren Stirnfläche in Anlage an die Kernhalterung 14 bzw. rastet in diese ein. Hierdurch und dadurch, dass zwischen dem Innendurchmesser des Zwischenelements 32 und dem Kern 20 ein Spiel vorhanden ist, ist der Kern 20 im Sinne einer Kugelkopflagerung in 1 in gewissen Grenzen sowohl nach oben und unten als auch nach links und rechts schwenkbar gelagert.
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Zur Demontage wird das Zwischenelement 32 aus der Kernhalterung 14 ausgerastet und vom Kern 20 entfernt und der Kern 20 aus der Kernhalterung 14 herausgezogen.
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Das Mundstück 10 wird folgendermaßen verwendet: Beispielsweise durch eine Extruderschnecke wird das zu extrudierende Material in Richtung des in 1 dargestellten Pfeils 38 zum Mundstück 10 gefördert. Das Material trifft auf die Kegelspitze des Kopfabschnitts 28 des Kerns 20, strömt am Kopfabschnitt 28 entlang, über das Zwischenelement 32 bzw. den Halsabschnitt 26 und den konischen Übergangsabschnitt 24 in Richtung des formgebenden Basisabschnitts 22. Der Kopfabschnitt 28 verhindert ein Verrutschen des Kerns 20 relativ zur Kernhalteplatte 12, und der konische Übergangsabschnitt 24 gewährleistet einen sauberen und gleichmäßigen Materialfluss.
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Die Querschnittsform des Basisabschnitts 22 bestimmt die Form und den Durchmesser der Innengeometrie (hier: des Kanals) des herzustellenden Formkörpers. Vorliegend ist der Querschnitt kreisförmig. Andere Ausführungsformen könnten aber auch rund, rechteckig, quadratisch, vieleckig oder beliebig anders ausgebildet sein. Der Kern 20 richtet sich aufgrund der kugelkopfartigen Schwenklagerung selbsttätig in Richtung des Materialflusses (Pfeil 38) aus, ohne dass er wesentlich auf Biegung beansprucht wird.
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Durch die oben beschriebene Kugelkopflagerung sind die Kerne 20 einerseits in ihrer Längsrichtung fixiert und können nicht verrutschen, andererseits besitzen sie eine ausreichende Schwenkbarkeit, um Keramikmassespitzen bzw. Keramikmasseklumpen auszuweichen und sich immer wieder neu zu zentrieren. Die Anzahl der Kerne 20 mit den entsprechenden Kernhalterungen 14 ist beliebig wählbar und kann je nach Bedarf angepasst werden.
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In 5 ist eine zweite Ausführungsform der Kernhalteplatte 12 dargestellt. Dabei tragen solche Elemente und Bereiche, die äquivalente Funktionen zu oben beschriebenen Elementen und Bereichen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen.
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Im Unterschied zur Ausführungsform der 2 ist die Kernhalteplatte 12 der 5 zweiteilig mit zwei symmetrischen Teilstücken 12a und 12b ausgebildet. Auch die Kernhalterungen 14 sind insoweit zweiteilig mit Teilabschnitten 14a und 14b. Dies ermöglicht, alle Kerne 20 (nicht dargestellt) auf einmal auszuwechseln, indem die Kernhalteplatte 12 getrennt wird. Die Kerne 20 können an der zweigeteilten Kernhalteplatte 12 durch zwei Möglichkeiten angeordnet werden. Entweder werden die Kerne 20 mit vormontierten Zwischenelementen 32 in einen Teil 12a oder 12b der zweigeteilten Kernhalteplatte 12 gelegt und die Kernhalteplatte 12 wieder zusammengeschoben, oder die Kernhalteplatte 12 liegt fertig montiert vor, und die Kerne 20 werden in die Kernhalterungen 14 eingeführt und die Zwischenelemente 32 anschließend angeordnet und fixiert. Gegebenenfalls kann aber auch ganz auf die Zwischenelemente verzichtet werden.
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6 zeigt eine dritte Ausführungsform der Kernhalteplatte 12. In diesem Fall handelt es sich um eine runde Ausbildung zur Herstellung eines zylindrischen keramischen Formkörpers. Auch hier sind die Kernhalterungen 14 mit Stegen 16 an der Kernhalteplatte 12 befestigt. Die Befestigung der Kerne 20 in den Kernhalterungen 14 geht analog zu den vorherigen Beispielen vonstatten. Die Kernhalteplatte 12 kann im erfindungsgemäßen Mundstück 10 im Prinzip jede beliebige runde oder eckige Form aufweisen.
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7 zeigt ein fertig montiertes Mundstück 10 unter Verwendung der Kernhalteplatte 12 von 6. Denkbar sind neben der runden Form des Mundstückes 10 auch jegliche andere Formen und Abmessungen. Auch die Anzahl und Form der Kerne 20 und die dazugehörigen Kernhalterungen 14 sind beliebig wählbar.
