DE102013002559B4

DE102013002559B4 - Einschnecken-Extruder und Verfahren zum Plastifizieren von Kunststoff-Polymeren

Info

Publication number: DE102013002559B4
Application number: DE102013002559.1A
Authority: DE
Inventors: Tim Carsten Pohl
Original assignee: Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Current assignee: Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-02-16
Also published as: EP2956284A1; WO2015113529A9; DE112014000840A5; DE102013002559A1; WO2015113529A1; CN105142876B; US20150367532A1; CN105142876A

Abstract

Einschnecken-Extruder zum Fördern, Aufschmelzen, Homogenisieren und Druckaufbauen – also Plastifizieren – von Kunststoff-Polymeren, jedoch nicht von Kautschuken, wobei der Einschnecken-Extruder eine Schnecke mit einem Schneckendurchmesser D und einer wirksamen Länge L aufweist, und wobei der Einschnecken-Extruder dazu eingerichtet ist, die Schnecke im Betrieb mittels einer Steuerung mit einer Umfangsgeschwindigkeit zu drehen, dadurch gekennzeichnet, dass • der Schneckendurchmesser D 250 mm bis 800 mm beträgt, und dass • die wirksame Länge L zum Schneckendurchmesser D ein Verhältnis L/D von 1 bis 8 aufweist. und dass • die Steuerung dazu eingerichtet ist, die Schnecke mit einer Umfangsgeschwindigkeit zwischen 0,05 m/s und 1,0 m/s zu betreiben und dass • der Schneckendurchmesser D zur Kanaltiefe h ein Verhältnis D/h von 20 bis 150 aufweist und dass • die Schnecke mehrgängig ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Einschnecken-Extruder zum Fördern, Aufschmelzen, Homogenisieren und Druckaufbauen – also Plastifizieren – von Kunststoff-Polymeren, sowie ein Verfahren zum Fördern, Aufschmelzen, Homogenisieren und Druckaufbauen – also Plastifizieren – von Kunststoff-Polymeren. Das Ausgangsmaterial der Plastifizierung umfasst Kunststoff-Polymere, jedoch nicht Kautschuke.
Einschnecken-Extruder sind im Stand der Technik umfangreich bekannt. Eine detaillierte Erläuterung ihres Aufbaus und der Strömungsberechnung findet sich in Schöppner, Volker „Verfahrenstechnische Auslegung von Extrusionsanlagen” in der Veröffentlichungsreihe „Fortschritt-Berichte VDI”, Reihe 3, Nr. 715. Düsseldorf, VDI Verlag 2001, ISBN 3-18-371503-1, im Kapitel 4.2.
Ein konkreter Vorschlag eines Einschnecken-Extruders ist der DE 102 17 686 A1 zu entnehmen.
Die JP 2000-071252 A offenbart zum Vermeiden von mechanischem Versagen eine Extruderschnecke mit einem L/D-Verhältnis von 1 bis 3, wobei der Parameter L für die Schneckenganglänge und der Parameter D für den Zylinderdurchmesser gewählt wurden.
Innerhalb der Extruder sollen hier diejenigen besonders betrachtet werden, welche Teil einer Anlage zur Herstellung von Profilen, Rohren, Folien, Blasformteilen, Platten, Filamenten, Vliesstoffen, Bändchen, Halbzeugen, Schläuchen, Kabeln, Granulat, Compound oder Schaumhalbzeugen sind oder sein können.
An einen Extruder werden zahlreiche Anforderungen gestellt so soll für eine gute Auslegbarkeit eine möglichst konstante Förderrate auch bei verschiedenen Gegendrücken aufrechterhalten werden können. Er soll außerdem eine gute Homogenität des zu verarbeitenden Ausgangsmaterials bei optimaler vorgegebener Extrusionstemperatur erzielen. Außerdem soll er ein möglichst breites Materialspektrum verarbeiten können, dabei aber einen niedrigen effizienten Energieverbrauch haben und somit insgesamt ressourcenschonend sein. Und neben den üblichen Anforderungen an ein möglichst gutes Preis-Leistungs-Verhältnis, einen geringen Platzbedarf, geringe Geräuschentwicklung, hohe Verfügbarkeit, Verschleißfestigkeit und Wartungsfreundlichkeit soll er scale-up-fähig sein. Letzteres ist vor allem für den Hersteller eines Extruders interessant, um zuverlässige Extruder für die verschiedensten Durchsätze und Kunststoffe anbieten zu können.
Seit der Zeit der Industrialisierung werden Extruder so gebaut, dass bei einem vorgegebenen Schneckendurchmesser je nach Prozessbedingungen eine entsprechende Durchsatzleistung oder ein Durchsatzbereich erreicht wird, also je nach Druck, Typ des verwendeten Polymers, Formmassentemperatur, Homogenität etc.
Wenn die Durchsatzleistung erhöht werden soll, während die übrigen Prozessbedingungen beibehalten werden, wird in der Regel der Schneckendurchmesser entsprechend den physikalischen Ähnlichkeitsgesetzen vergrößert. Das Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis, welches in der Technik üblicherweise als L/D bezeichnet wird, bleibt gleich, oder der Extruder wird aufgrund von Aufschmelz- und Verweilzeitproblemen länger. Dies führt dazu, dass der Ingenieur bestrebt ist, einen Extruder mit einem möglichst kleinen Schneckendurchmesser einzusetzen.
Zum Steigern der Ausstoßleistung ṁ müssen grundsätzlich das freie Kanalvolumen erhöht und die Verweilzeit entsprechend angepasst werden, um das Material vollständig aufzuschmelzen. Das Schneckenkanalvolumen kann aber nicht beliebig vergrößert werden, weil die Schnecke noch das erforderliche Antriebsdrehmoment übertragen muss. Letztendlich muss daher der Schneckendurchmesser größer werden.
Um den Nachteil platzintensiver Extruder zu vermeiden, sind in den letzten zehn Jahren schnell drehende Einschneckenextruder entwickelt worden. Praxisüblich sind Extruder mit einem Durchmesser D von 35 mm bis 100 mm und mit einer Zylinderlänge L von 30 D bis 40 D, sowie mit einer Umfangsgeschwindigkeit von über 1 m/s.
Nachteilig ist, dass durch die hohen Umfangsgeschwindigkeiten das Material stark geschert wird, die Schmelztemperatur prozessbedingt hoch ist und das Verarbeitungsfenster eng ist.
Letztendlich tun sich allerdings alle markenüblichen Konzepte schwer damit, einen tatsächlichen schneckendurchmesserunabhängigen Universal-Extruder bereit zu stellen, welcher mithilfe von Ähnlichkeitsgesetzen frei skalierbar ist. Hierfür gibt es mehrere Gründe: Zunächst ist die Förderleistung abhängig von den Reibwerten zwischen Polymer und Stahl sowie innerhalb des Polymers, womit sie abhängig von der Kanaltiefe, der Kanalbreite und den Polymereigenschaften ist, das heißt es gibt keine wirkliche physikalische Ähnlichkeit, denn das Gleit- und Haftverhalten ist ähnlichkeitstheoretisch nicht abbildbar. Sodann verhält sich die Aufschmelzleistung nicht exakt proportional zur Verweilzeit und zur Scherenergie. Schließlich sind verschiedene Polymere hinsichtlich Viskosität, Aufschmelzenthalpie, Reibwerten und Morphologie nicht physikalisch ähnlich.
Daher werden Extruder heutzutage mit Erfahrungswissen und verfahrenstechnischem Know-How individualisiert optimal an die jeweilige Aufgabenstellung angepasst. Konkret beginnt der Fachmann den Auslegungsprozess eines Extruders für zu erreichende Randbedingungen dadurch, dass er einen kleinen, bewährten Extruder als Ausgangsgeometrie verwendet, beginnend bei dieser Ausgangsgeometrie die physikalischen Ähnlichkeitsgesetze anwendet, und dann in anschließenden iterativen Verfeinerungsschritten die Arbeitsleistung des Extruders verbessert. Dabei kann nicht garantiert werden, dass der so konstruierte Extruder die Ergebnisqualität des bewährten Extruders mit der Ausgangsgeometrie erreicht.
In der Praxis sind Extruder in den Parameterbereichen

Umfangsgeschwindigkeit 0,05 bis 1,5 m/s, schnelllaufend > 1,0 m/s

L/D 16 bis 36 (teils bis 40)

h/D 1/5 bis 1/20

Gangzahl i 1 bis 2 und

Durchmesser D 18 bis 250 (teils bis 350)

bekannt geworden.
In Gerhard Schenkel: Kunststoff-Extrudertechnik, 2. Auflage des Buchs „Schneckenpressen für Kunststoffe”, Carl Hanser Verlag, München, 1963, werden auf den Seiten 167–169 verschiedene Berechnungen zum Verständnis der mechanischen Modellgesetze vorgeführt, wobei das L/D-Verhältnis der dabei als zu anderen Werten modellmäßig ähnlich errechneten Extruder in einem Beispiel als etwa 3,2 bei einem Durchmesser D von 150 mm angegeben wird. Auf Seite 169 wird erwähnt, dass man bei solchen Rechnungen „zu wesentlich kürzeren Schnecken” käme, dass aber dieser theoretische „Vorschlag nicht als eine realisierbare Lösung des Problems angesehen” werden kann.
Die Praxis hat dies ebenso gesehen: Seit den 1970er Jahren, vor allem angesichts der Einführung von Nutbuchsenextrudern und schnelldrehenden Einschneckenextrudern, sind entsprechende Geometrien als nicht wirtschaftlich eingestuft worden. Als nachteilig ist der geringe Durchsatz in Relation zum hohen Rückdruck aufgrund des großen Schneckendurchmessers aufgefasst worden. Seit mittlerweile gut 40 Jahren ist die Fachwelt deshalb bestrebt, aus möglichst kleinen und langen Extrudern eine hohe Ausstoßleistung zu erhalten, also mit einem großen L/D-Verhältnis. In der Praxis hat sich seit den 1970er Jahren die Schneckenlänge ausgehend von etwa 20 L/D sogar in Richtung von bis zu 40 L/D für schnell drehende Schnecken (als schnell drehende Schnecken werden solche bezeichnet, die mit einer Umfangsgeschwindigkeit von > 1 m/s laufen) entwickelt.
Im Bereich von Warmgummi-Extrudern oder generell von Kautschuk-Extrudern kann es sehr kurze Extruder mit großem Durchmesser geben, wie beispielsweise erwähnt in Lothar Köster: Praxis der Kautschukextrusion, Carl Hanser Verlag, München, ISBN 978-3-446-40772-5, Tabelle auf Seite 5; auch bestätigt von James White, Helmut Potente: Screw Extrusion, Hanser Verlag, ISBN 3-446-19624-2. Dort wird erörtert, dass Kautschukextruder konstruktiv deutlich kürzer ausgeführt werden und die Temperierung mit Wasser erfolgt statt elektrisch oder mit Öltemperierung bei Kunststoffextrudern. Wenn der Kautschuk vorgewärmt dem Extruder zugeführt wird (Zugabetemperatur = 60–90°C), dann wird der warmgefütterte Extruder von 14–20 L/D auf 6–12 L/D reduziert.
Allerdings haben die Extruder für Kautschuk oder Warmkautschuk mit der hier erfindungsgegenständlichen Gattung nichts zu tun, weil es in den Extrudern für Kautschuk oder Warmkautschuk nicht darum geht, ein Ausgangsmaterial aufzuschmelzen und zu plastifizieren. Denn ein Kautschuk bzw. Warmkautschuk verfügt bereits originär über die erforderlichen Eigenschaften. Infolgedessen wird ein Kautschuk beispielsweise bei Raumtemperatur in den Extruder gefüllt und verlässt den Extruder meist bei zwischen 90°C und 130°C. Wird eine zu hohe Temperatur erreicht, so nimmt der Kautschuk schnell Schaden. Die Verarbeitungstemperatur beträgt unter 130°C. Zudem erfährt Kautschuk keine Phasenumwandlung fest/flüssig während der Bearbeitung. Außerdem wird Kautschuk in der Regel in Streifenform einem Extruder zugeführt, so ist auch keine Verdichtung wie bei der Zugabe eines Granulats thermoplastischer Polymere erforderlich. Vielmehr hat der Kautschuk-Extruder die primäre Aufgabe, kontinuierlich zu fördern, den Kautschuk gleichmäßig zu erwärmen und einen Extrusionsdruck aufzubauen.
Die hier gattungsgegenständlichen Kunststoffe hingegen werden bei 170°C bis 350°C verarbeitet. Wie in der Gattungsangabe der hier vorliegenden Patentansprüche beschrieben werden sie im Extruder zusätzlich verdichtet und aufgeschmolzen – es findet also zwingend eine Phasenumwandlung fest/flüssig statt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Stand der Technik eine Verbesserung oder eine Alternative zur Verfügung zu stellen.
Nach einem ersten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung löst diese Aufgabe ein Einschnecken-Extruder zum Fördern, Aufschmelzen, Homogenisieren und Druckerhöhen von Kunststoff-Polymeren, jedoch nicht von Kautschuken, wobei der Einschnecken-Extruder eine Schnecke mit einem Schneckendurchmesser und einer wirksamen Länge aufweist, und wobei der Einschnecken-Extruder dazu eingerichtet ist, die Schnecke im Betrieb mittels einer Steuerung mit einer Umfangsgeschwindigkeit zu drehen, wobei alle drei der folgenden Parameterbereiche eingehalten werden, nämlich dass:

• der Schneckendurchmesser D 250 mm bis 800 mm beträgt,
• die wirksame Länge L zum Schneckendurchmesser D ein Verhältnis L/D von 1 bis 8 aufweist, und
• die Steuerung dazu eingerichtet ist, die Schnecke mit einer Umfangsgeschwindigkeit von zwischen 0,05 m/s und 1,0 m/s zu betreiben,

Innerhalb der angegebenen Parameterbereiche seien folgende Zwischenwerte als konkret mit offenbart verstanden, sodass die vorstehenden Intervallgrenzen optional durch die nachstehenden eingeschränkt werden können:

• Der Schneckendurchmesser D soll hilfsweise mindestens 300, 400, 500, 600 oder 700 mm betragen und/oder
• der Schneckendurchmesser D soll hilfsweise höchstens 500, 600, 700, 800 mm oder mehr betragen und/oder
• das Verhältnis L/D soll hilfsweise höchstens 8, 7, 6, 5, 4, 3 oder 2 betragen und/oder • das Verhältnis L/D soll hilfsweise mindestens 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 betragen und/oder
• die Umfangsgeschwindigkeit soll hilfsweise höchstens 1,0, 0,9, 0,8, 0,7, 0,6 oder 0,5 m/s betragen und/oder
• die Umfangsgeschwindigkeit soll hilfsweise mindestens 0,001, 0,05, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 oder 0,5 m/s betragen.

Begrifflich sei folgendes erläutert:
Als der „Schneckendurchmesser” D wird derjenige Durchmesser bezeichnet, welcher üblicherweise bei der Berechnung der Auslegung herangezogen wird. Dies ist der Innendurchmesser des Zylinders, welcher die Schnecke umgibt.
Als die „wirksame Länge” L wird diejenige Größe bezeichnet, welche üblicherweise bei der Berechnung und bei der Auslegung mit der Größe L bezeichnet wird. Die Größe L bezieht sich auf die wirksame Schneckenlänge von der Trichtervorderkante bis zur Schneckenspitze.
Der Zylinder ist entweder über die Länge L innen glatt, worunter im Rahmen der hier vorliegenden Offenbarung eine Oberflächenrauigkeit von maximal 0,1 mm zu verstehen sei; oder es gibt innerhalb der Länge L einen glatten Abschnitt und einen rauen Abschnitt, beispielsweise mit einer rauen Innenoberfläche im Einzugsbereich des Extruders zum Verbessern der Feststoffförderung. Eine raue Oberfläche kann beispielsweise Rillen, Nuten, Wendel oder eine andere makroskopische Profilierung aufweisen, vor allem wie aus dem Stand der Technik bekannt und/oder regelmäßig angeordnet.
Die „Steuerung” soll jegliche Steuerungen umfassen, worunter als Untermenge eine Regelung zu verstehen sei. Wann immer im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung von einer Steuerung gesprochen wird, sei daher eine „Steuerung, insbesondere Regelung” zu verstehen. Als regelungstechnische Parameter kommen insbesondere die Drehzahl, die Temperatur, das Druck-/Drehzahlverhalten und das Drehzahl-Durchsatz-Verhalten in Betracht.
Entscheidend für die Verwirklichung der Erfindung ist, dass der Einschnecken-Extruder einen Arbeitspunkt mittels seiner Steuerung ermöglicht, welcher innerhalb der hier beanspruchten Wertegrenzen liegt. Dies kann ohne weiteres auch dann erfüllt sein, wenn die Steuerung zusätzlich dazu ausgelegt ist, den Einschnecken-Extruder auch mit einem alternativen Arbeitspunkt zu betreiben, welcher außerhalb der hier beanspruchten Wertegrenzen liegt.
Die „Umfangsgeschwindigkeit” sei die tangentiale Geschwindigkeit eines beliebigen Punkts am äußersten Durchmesser der Schnecke in der Betriebs-Winkelgeschwindigkeit der Schnecke. Die Umfangsgeschwindigkeit entspricht somit dem Produkt aus der Winkelgeschwindigkeit der Schnecke im Betrieb und dem Schneckendurchmesser D, wobei zur Berechnung davon ausgegangen wird, dass die verbleibende Spaltbreite zwischen dein äußersten Umfang der Schnecke und dem Innendurchmesser des Zylinders Null ist.
Eine Schnecke der hier vorgeschlagenen Form hat eine überraschend kurze wirksame Länge L, dafür aber einen überraschend großen Schneckendurchmesser D. Es wird nicht nur eine erhebliche Reduktion des erforderlichen Bauraumes damit erreicht, sondern vor allem sehr viel Freiheit bei der Anpassung der Schneckengeometrie an die jeweiligen verfahrenstechnischen Aufgaben gewonnen.
Gemäß der Erfindung ist die Steuerung dazu eingerichtet, die Schnecke mit einer Umfangsgeschwindigkeit von unter 1,0 m/s, 0,9 m/s, 0,8 m/s, 0,7 m/s, 0,6 m/s oder 0,5 m/s zu betreiben. Eine solche Ausführungsform wendet sich ab von den schnelllaufenden Schnecken und erzielt eine geringe Extrusionstemperatur durch eine geringe Umfangsgeschwindigkeit.
Hinsichtlich der wirksamen Länge L wird vorgeschlagen, dass diese einen Betrag zwischen 300 mm und 2.400 mm annimmt. Die beiden Grenzen seien jeweils als im Intervall enthaltend zu verstehen. Außerdem seien die Grenzen in einer bevorzugten Ausführungsform nicht als scharfe Grenzen zu verstehen, sondern als etwa-Grenzen. Der Erfinder hat auch erfolgreiche Berechnungen und Prototypenversuche mit einer wirksamen Länge L unter 300 mm durchgeführt. Auch hinsichtlich der oberen Intervallgrenze zeichnet sich aus den bisherigen Versuchen nicht etwa ab, dass dort zwingend das erfindungsgemäße Intervall jäh enden sollte.
Dasselbe gilt hinsichtlich der Intervallgrenzen im Übrigen auch hinsichtlich des angegebenen Schneckendurchmessers D mit seinen Intervallgrenzen analog, und ebenfalls analog für die Intervallgrenzen des Verhältnisses L/D.
Es seien als Untergrenze und/oder als Obergrenze des Werteintervalls der wirksamen Länge L hilfsweise auch 400 mm, 500 mm, 600 mm, 700 mm, 800 mm, 900 mm, 1.000 mm, 1.100 mm, 1.200 mm, 1.300 mm, 1.400 mm, 1.500 mm, 1.600 mm, 1.700 mm, 1.800 mm, 1,900 mm, 2.000 mm, 2.100 mm, 2.200 mm und 2.300 mm als offenbart verstanden, ebenfalls bevorzugt jeweils als etwa-Grenzen.
Hinsichtlich des Verhältnisses zwischen dem Schneckendurchmesser D zur Kanaltiefe h des Schneckenkanals wird ein Verhältnis D/h von 20 bis 150 vorgeschlagen, wobei auch hier die beiden Intervallgrenzen nicht als scharfe Enden des erfindungsgemäß sinnvollen Intervalls verstanden werden müssen, sondern lediglich als mögliche Rückzugspositionen im Rahmen der Patentwürdigkeit.
Begrifflich sei die Kanaltiefe h als der radiale Abstand zwischen dem Schneckengrund und dem Innendurchmesser des die Schnecke umgebenden Zylinders verstanden, so dass sich der Innendurchmesser des Zylinders (also der „Schneckendurchmesser D”) aus dem Durchmesser der Schnecke von Schneckengrund zu Schneckengrund und dem Zweifachen der Kanaltiefe h als Summe zusammensetzt.
Auch das große Verhältnis D/h trägt nochmals zu einer im Schneckendurchmesser sehr groß dimensionierten und dafür entsprechend kurzen Schnecke bei, also zu einer Schnecke mit einer eher gedrungenen Form.
Die Schnecke ist mehrgängig. Sie kann beispielsweise zwei Schneckengänge oder mehr als zwei Schneckengänge aufweisen, insbesondere drei, vier, fünf, sechs, sieben oder acht Schneckengänge. Hinsichtlich der Anzahl der Gänge sei berücksichtigt, dass ein zweigeteilter Gang an einer Barrierezone als genau ein Gang aufzufassen sei.
An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung jede Angabe mit einem unbestimmten Zahlenartikel, also beispielsweise „ein”, „zwei” usw. als eine „mindestens”-Angabe zu verstehen sein soll, sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ergibt, dass etwa dort nur ein „genau”-Ausdruck zu verstehen sein soll, also beispielsweise „genau ein”, „genau zwei” usw.
Die Gangsteigung t findet sich als der Abstand zweier benachbarter Schneckenwände desselben Kanals in einem Längsschnitt entlang der Schnecke.
Bevorzugt weist die Schnecke eine Modularverbindungseinrichtung auf. Es können dann mit besonders leichten Maßnahmen verschiedene Schneckenlängen vorgehalten und angeboten werden.
Die Wartung der Schnecke wird stark erleichtert, wenn ein die Schnecke umgebender Zylinder einen segmentierten Aufbau aufweist. Als „segmentiert” sei jedweder Zylinder verstanden, der nicht aus einem einstückigen Hohlzylinder geformt ist. Vor allem sei daran gedacht, dass der Zylinder zwei oder mehr als zwei Segmente aufweist, so dass der Zylinder axial segmentiert ist, sich also in der Länge aus mehreren Teilzylindern zusammensetzt.
Die Schnecke kann ein Temperiermittel aufweisen. Die Schnecke kann dann von innen heraus temperiert werden, beispielsweise über eine Kühlfluidführung oder über eine Heizfluidführung. Im Falle einer temperierten Schnecke ist bevorzugt zusätzlich ein Temperatursensor vorhanden, um die thermische Rückkopplung des zu plastifizierenden Materials auf die Oberfläche der Schnecke mit zu erfassen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Schnecke weist eine Schneckenwelle mit einer Ausnehmung auf, welche ein Rückdrucklager aufweist oder zur Aufnahme eines Rückdrucklagers eingerichtet ist.
Die Wirkfläche des axialen Druckes auf die Schnecke kann beispielsweise auch durch eine Verkleinerung der Wirkfläche reduziert werden. Diese Flächenreduzierung kann durch eine Durchmesserveränderung der Schnecke und/oder eine Änderung des Anströmquerschnitts des dem Extruder nachfolgenden Bereiches erfolgen.
Alternativ oder kumulativ kann die Schnecke eine Schneckenwelle aufweisen, welche als Schneckendorn ausgeführt ist.
Es wurde bereits erläutert, dass die erfindungsgemäße Maschine ein Einschnecken-Extruder ist.
Extruder werden in zahlreichen Bereichen unter anderem der kunststoffverarbeitenden Industrie eingesetzt. Es ist an einen Extruder gedacht, welcher Kunststoffe fördert, aufschmilzt und homogenisiert, um die Kunststoffschmelze anschließend an eine formgebende Düse zum Ausformen eines kontinuierlichen Produkts zu leiten. Die Produkte sind zum Beispiel Profile, Rohre, Folien, Blasformteile, Platten, Filamente, Vliesstoffe, Bändchen, Halbzeuge, Schläuche, Kabel, Granulat, Compound oder Schaumhalbzeuge.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung löst die gestellte Aufgabe ein Einschnecken-Extruder zum Fördern, Aufschmelzen, Homogenisieren und Druckaufbauen von Kunststoff-Polymeren, jedoch nicht von Kautschuken, wobei der Einschnecken-Extruder eine Schnecke mit einem Schneckendurchmesser und einer wirksamen Länge aufweist, und wobei der Einschnecken-Extruder dazu eingerichtet ist, die Schnecke im Betrieb mittels einer Steuerung mit einer Umfangsgeschwindigkeit zu drehen, so dass sich im Betrieb unter Berücksichtigung einer Gangzahl der Schnecke ein durchgesetzter Massestrom ṁ des Kunststoffs ergibt, wobei die wirksame Länge L von 200 mm bis 2.000 mm beträgt und wobei im Betrieb das Verhältnis zwischen dem Massestrom ṁ und der wirksamen Länge L zwischen 0,25 kg/(h·mm) und 1,4 kg/(h·mm) beträgt, insbesondere mindestens 0,5 kg/(h·mm), und wobei die Schnecke mehrgängig ist und der Einschnecken-Extruder auch hinsichtlich des Schneckendurchmessers D die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 6 erfüllt.
Es sei ausdrücklich betont, dass sich ein so gestalteter Einschnecken-Extruder zusätzlich mit sämtlichen vorher beschriebenen Merkmalen auszeichnen kann.
Außerdem sei ausdrücklich betont, dass auch die angegebenen Intervallgrenzen keine scharfen Grenzen sein müssen. Vielmehr seien auch leicht darüber hinaus bzw. darunter gehende Werte als im Rahmen der Erfindung liegend zu betrachten.
Begrifflich sei hinsichtlich des „Massestroms” erläutert, dass dieser derjenigen Größe entsprechen soll, welche bei der Berechnung und Auslegung üblicherweise mit dem Parameter ṁ bezeichnet wird. In der eingangs beschriebenen Entwicklung der im Stand der Technik verwendeten Extruder sind Konstruktionen mit Parameterverhältnissen vorgeschlagen worden, welche bei Auftrag des Durchsatzes auf der Ordinate und der wirksamen Länge des Extruders auf der Abszisse in einem kartesische Koordinatensystem im Wesentlichen eine Gerade ergeben. Diese Gerade läuft jedoch nicht durch den Null-Punkt des Koordinatensystems. Auch fordert sie bei einem angestrebten Durchsatz von beispielsweise ab 200 kg/h eine Extruderlänge von etwa 1.500 mm und aufwärts. Demgegenüber lassen sich mit dem hier vorgeschlagenen Wertebereich deutlich kürzere Extruder herstellen, beim selben erforderlichen Durchsatz von 200 kg/h, beispielsweise Extruder mit einer Länge von nur etwa 200 mm bis 800 mm, bei Durchmessern D von etwa 400 mm bzw. ungefähr 100 mm.
Nach einem dritten Aspekt der hier vorgeschlagenen Erfindung löst die gestellte Aufgabe ein Verfahren zum Plastifizieren eines Kunststoff-Polymers sowie zum anschließenden Leiten der Kunststoffschmelze an eine formgebende Düse zum Ausformen eines kontinuierlichen Produkts, zum Beispiel Profile, Rohre, Folien oder Vliesstoffe, wobei sich das Verfahren dadurch kennzeichnet, dass ein Einschnecken-Extruder wie vorstehend beschrieben eingesetzt wird und eine Steuerung des Einschnecken-Extruders die Schnecke mit einer Umfangsgeschwindigkeit von unter 1,0 m/s betreibt. Es versteht sich, dass auch diese Intervallgrenze als nicht scharfe Grenze verstanden werden soll.
Je nach Polymer und Anwendungsfall arbeitet der Extruder in einem angestrebten Drehzahl- und Durchsatzbereich. Das Verhältnis von Maximaldurchsatz zu Minimaldurchsatz liegt üblicherweise zwischen 5:1 und 20:1. Oberhalb des Maximaldurchsatzes plant der weitsichtige Ingenieur eine Drehzahlreserve von üblicherweise etwa 10% bis 20% ein. Die in der Erfindung als Auslegungsbasis angegebene obere Umfangsgeschwindigkeitsgrenze bezieht sich insbesondere auf den angestrebten maximalen oberen Drehzahlbereich, wobei es auch grundsätzlich sinnvoll sein kann, scherempfindliche Polymere mit niedrigeren Umfangsgeschwindigkeiten zu verarbeiten.
Von Vorteil ist auch ein Set einer Baureihe, aufweisend zwei Einschnecken-Extruder wie vorstehend beschrieben, wobei beide mit einer Abweichung von maximal 10% dasselbe Verhältnis zwischen dem Massestrom ṁ und der wirksamen Länge L aufweisen.
Zum eindeutigen Verständnis sei in 1 ein Einschnecken-Extruder mit einem Einfülltrichter in einem schematischen Längsschnitt gezeigt. Die Schnecke weist innerhalb ihrer wirksamen Länge L drei Zonen auf, mit zunächst einer Kanaltiefe h1, dann einem Übergangsbereich und schließlich mit einer Kanaltiefe h2, sowie mit einem Schneckendurchmesser D und einer Drehzahl n. Die Umfangsgeschwindigkeit errechnet sich zu dem Produkt aus D, n und π.
Im Moment favorisierte Parameterbereiche für eine gedrungene Schnecke der hier vorgestellten Erfindung liegen vor allem bei

Umfangsgeschwindigkeit 0,05 bis 1,0 m/s

LID 1 bis 8

h/D 1/20 bis 1/150

Gangzahl i 2 bis 20 und/oder

Durchmesser D 250 bis 800.
Auf den ersten Blick gemäß dem bisherigen Entwicklungsstand beginnt der praktisch sinnvollste Schneckendurchmesserbereich bei etwa 250 mm oder weniger und geht bis ca. 500 mm oder mehr.
Letztendlich kann man durch geschickte Wahl des Schneckendurchmessers den heute bekannten Durchsatzbereich auf eine wirksame Schneckenlänge von unter 2.000 mm übertragen.

Claims

Einschnecken-Extruder zum Fördern, Aufschmelzen, Homogenisieren und Druckaufbauen – also Plastifizieren – von Kunststoff-Polymeren, jedoch nicht von Kautschuken, wobei der Einschnecken-Extruder eine Schnecke mit einem Schneckendurchmesser D und einer wirksamen Länge L aufweist, und wobei der Einschnecken-Extruder dazu eingerichtet ist, die Schnecke im Betrieb mittels einer Steuerung mit einer Umfangsgeschwindigkeit zu drehen, dadurch gekennzeichnet, dass • der Schneckendurchmesser D 250 mm bis 800 mm beträgt, und dass • die wirksame Länge L zum Schneckendurchmesser D ein Verhältnis L/D von 1 bis 8 aufweist. und dass • die Steuerung dazu eingerichtet ist, die Schnecke mit einer Umfangsgeschwindigkeit zwischen 0,05 m/s und 1,0 m/s zu betreiben und dass • der Schneckendurchmesser D zur Kanaltiefe h ein Verhältnis D/h von 20 bis 150 aufweist und dass • die Schnecke mehrgängig ist.
Einschnecken-Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Länge L zwischen 300 mm und 2.400 mm beträgt.
Einschnecken-Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Schnecke umgebender Zylinder einen axial segmentierten Aufbau aufweist.
Einschnecken-Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke eine Schneckenwelle mit einer Ausnehmung aufweist, welches ein Rückdrucklager aufweist oder aufzunehmen eingerichtet ist.
Einschnecken-Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke eine Schneckenwelle aufweist, welche als Schneckendorn ausgeführt ist.
Einschnecken-Extruder zum Fördern, Aufschmelzen, Homogenisieren und Druckaufbauen – also Plastifizieren – von Kunststoff-Polymeren, jedoch nicht von Kautschuken, wobei der Einschnecken-Extruder eine Schnecke mit einem Schneckendurchmesser D und einer wirksamen Länge L aufweist, und wobei der Einschnecken-Extruder dazu eingerichtet ist, die Schnecke im Betrieb mittels einer Steuerung mit einer Umfangsgeschwindigkeit zu drehen, sodass sich im Betrieb unter Berücksichtigung einer Gangzahl ein durchgesetzter Massestrom ṁ des Ausgangsmaterials ergibt, insbesondere Einschnecken-Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • die wirksame Länge L von 300 mm bis 2.000 mm beträgt und dass • im Betrieb das Verhältnis zwischen dem Massestrom ṁ und der wirksamen Länge L zwischen 0,25 kg/h/mm und 1,4 kg/h/mm beträgt, insbesondere mindestens 0,5 kg/h/mm, und dass • der Schneckendurchmesser D 250 mm bis 800 mm beträgt und dass • die Schnecke mehrgängig ist.
Verfahren zum Plastifizieren von Kunststoff-Polymeren, nicht aber von Kautschuken, sowie zum anschließenden Leiten der Kunststoffschmelze an eine formgebende Düse zum Ausformen eines kontinuierlichen Produkts, zum Beispiel Profile, Rohre, Folien oder Vliesstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einschnecken-Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche eingesetzt wird und eine Steuerung des Einschnecken-Extruders die Schnecke mit einer Umfangsgeschwindigkeit von unter 1,0 m/s betreibt.