DE102013202977A1

DE102013202977A1 - Extruder mit Entgasungsöffnung

Info

Publication number: DE102013202977A1
Application number: DE201310202977
Authority: DE
Inventors: Sonja Kahr; Gregor Schlittenhelm; Mathias Daniel; Heinz Stritzl
Original assignee: BATTENFELD-CINCINNATI AUSTRIA GmbH; Battenfeld Cincinnati Austria GmbH
Current assignee: BATTENFELD-CINCINNATI AUSTRIA GmbH; Battenfeld Cincinnati Austria GmbH
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2014-08-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Extruder (1), insbesondere Doppelschneckenextruder, zum Plastifizieren und Extrudieren thermoplastischer Kunststoffe, mindestens umfassend: einen Zylinder (13) mit wenigstens einer Zylinderbohrung (16) zur Aufnahme wenigstens einer Schnecke (17), einen Antrieb für die im Zylinder (13) rotierbare Schnecke (17), wobei die Zylinder / Schneckenkombination mindestens eine Einzugszone (7), eine Plastifizierzone (8), eine Entgasungszone (9) und eine Austragszone (10) aufweist und im Bereich der Entgasungszone (9) wenigstens eine Entgasungsöffnung (12) angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass mindestens ein Teil der Oberfläche (18) der Entgasungsöffnung (12) eine höhere Gleiteigenschaft aufweist als die Oberfläche (19) der Zylinderbohrung (16) im Bereich der Entgasungszone (9).

Description

Die Erfindung betrifft einen Extruder, insbesondere Doppelschneckenextruder, zum Plastifizieren und Extrudieren thermoplastischer Kunststoffe, mindestens umfassend: einen Zylinder mit wenigstens einer Zylinderbohrung zur Aufnahme wenigstens einer Schnecke, einen Antrieb für die im Zylinder rotierbare Schnecke, wobei die Zylinder / Schneckenkombination mindestens eine Einzugszone, eine Plastifizierzone, eine Entgasungszone und eine Austragszone aufweist und im Bereich der Entgasungszone wenigstens eine Entgasungsöffnung angeordnet ist.
Zur Erreichung eines blasenfreien Endproduktes werden während des Extrusionsprozesses die flüchtigen Bestandteile des Kunststoffes durch die Entgasungsbohrungen aus dem Extrusionszylinder abgesaugt. Diese in ihren Dimensionen gegebenen Bohrungen führen bis in das Innere des Zylinders an die für die Entgasung speziell ausgebildeten Schnecken heran.
Das freie dem Kunststoff zur Verfügung stehende Volumen der Schnecken ist in diesem Bereich (Entgasungszone) um ein vielfaches größer als im ersten Teil der Schnecke, wo das Rohmaterial (auch Halbzeug wie Granulat) in den Zylinder eingezogen wird. Deswegen ist in der Entgasungszone das agglomerierte bis plastische Extrudat in einem entspannten, drucklosen Zustand, welcher das Anlegen eines Vakuums erlaubt. Im idealen Fall bietet die Entgasungszone der Schnecken so viel Raum und die Produktionsparameter sind so eingestellt, dass das an den Entgasungsbohrungen vorbei transportierte, drucklose Extrudat die Entgasungsbohrungen passiert, ohne darin hochzusteigen und an den Wänden der Bohrungen anzukleben.
Es kommt jedoch auch bei richtiger Schneckenauslegung unter gewissen Produktionsbedingungen zum Aufsteigen des Extrudates in den Entgasungsbohrungen. Diese thermisch überbeanspruchten Partikel werden mit dem „gesunden“ Extrudat durch den Zylinder transportiert und man findet sie dann im Endprodukt als schwarze Punkte wieder. Das Endprodukt wird dadurch unbrauchbar. In besonders schwierigen Fällen steigt so viel Material in den Entgasungsbohrungen auf, dass dadurch das Vakuum-System blockiert wird, eine Entgasung nicht stattfinden kann und aus diesem Grund die extrudierten Produkte unbrauchbar sind.
Aus dem Stand der Technik ist die DE 10 2005 051 959 A1 bekannt, in der ein Extruder zur Erzeugung plastischer Massen beschrieben wird, der einen Entgasungsbereich aufweist, bei dem im Extruderzylinder mindestens eine radiale Öffnung mit einer Öffnungsmittellinie eingebracht ist, wobei die radiale Öffnung bis in den Bereich der Schnecke reicht. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass in der radialen Öffnung eine Hülse angeordnet wird. Durch diese Entgasungsbohrung soll der Extruder an die gegebenen Produktionsbedingungen anpassbar sein. Es wird also vorgeschlagen, die Entgasungsöffnungen radial am Umfang des Zylinders anzuordnen, wodurch erreicht wird, dass in die Öffnung eine individuell an die Produktionsbedingungen angepasste Innenkontur der Entgasungsöffnung bereitgestellt werden kann. Hierdurch soll verhindert werden, dass das Extrudat in der Entgasungsbohrung hochsteigt. Diese Ausgestaltung soll es ermöglichen, dass auch bestehende Extrusionsverfahrenseinheiten mit den beschriebenen Einsätzen nachgerüstet werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Extruder anzubieten, bei dem die vorhandenen Entgasungsbohrungen an die gegebenen Produktionsbedingungen anpassbar sind.
Die Lösung der Aufgabe ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Oberfläche der Entgasungsöffnung eine höhere Gleiteigenschaft aufweist als die Oberfläche der Zylinderbohrung im Bereich der Entgasungszone.
Durch diese spezielle Ausgestaltung der Oberflächen in der Entgasungsöffnung wird ein Anhaften des Extrusionsmaterials im Übergangsbereich zwischen Extrusionszylinderbohrung und Entgasungsöffnung weitgehend verhindert.
Vorteilhafterweise wird in die Entgasungsöffnung ein Einsatz eingebracht, über den die besonderen Gleiteigenschaften der Oberfläche innerhalb der Entgasungsöffnung erreicht werden. Die Gleiteigenschaften dieses Einsatzes können durch spezielle Wärmebehandlung und Polieren der Oberfläche erreicht werden oder durch den Einsatz spezieller Materialkombinationen, weshalb in einer Weiterbildung vorgeschlagen wird, den Einsatz aus einem verstärkten Kunststoffgemisch herzustellen. Vorteilhafterweise ist dieses Kunststoffgemisch ein Ethylen mit einem Füllstoff. Die prozentualen Anteile der Menge des Füllstoffes können zwischen einem und vierzig Prozent liegen. Bevorzugter weise sollte es bei 15% bis 25% liegen, wobei gute Ergebnisse mit einem Anteil von 20% +/– 2% erreicht werden.
Weiterbildungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Ethylen ein fluoriertes Ethylen ist und dass als Füllstoff Glasfasern verwendet werden.
Die Entgasungsöffnung kann als kreisrunde Bohrung, aber auch als Langloch oder in ähnlicher Schlitzform ausgeführt werden. Bei der Variante der Entgasungsöffnung in Form von einer Bohrung wäre der Einsatz ähnlich einer Hülse auszuführen. Bei der Ausführung der Entgasungsöffnung als Schlitz oder Langloch hat es sich bei Versuchen überraschend gezeigt, dass es nicht erforderlich ist, die gesamte Oberfläche der Entgasungsöffnung gleitfähiger zu machen, sondern dass es ausreicht, einen Teilbereich der Entgasungsöffnung mit einem keilförmigen Einsatz auszustatten und somit nur einen Teilbereich der Oberfläche der Entgasungsöffnung mit einer höheren Gleitfähigkeit auszurüsten. Beide Ausführungsvarianten haben eins gemein, nämlich dass die Oberfläche des Einsatzes höhere Gleiteigenschaften aufweist als die Oberfläche der Zylinderbohrung im Bereich der Entgasungszone.
Gemäß einer Fortbildung ist vorgesehen, die Einsätze in der Entgasungsöffnung zu fixieren. Dafür weisen die Einsätze Fixierungsbohrungen auf, über die beispielsweise die Hülse mittels eines Stiftes drehfest in der Entgasungsbohrung fixiert werden kann. Analog weisen die keilförmigen Einsätze Fixierungsöffnungen auf, über die diese keilförmigen Einsätze in der Extrusionsöffnung z.B. mittels Schrauben fixiert werden können.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die langloch- oder schlitzförmigen Entgasungsöffnungen in einem bestimmten Winkel zur Extruderachse eingebracht sind. Bildet man eine virtuelle Ebene durch die Mittelachse der Entgasungsöffnung und erstreckt sich diese Ebene entlang der Extrusionsachse und bildet man eine weitere Ebene entlang der Z-Achse durch den Zylinder, wobei die Ebene sich wiederum entlang der Extrusionsachse wie ein Längsschnitt erstreckt, kann festgelegt werden, dass diese beiden virtuellen Ebenen bezogen auf die Z-Achse in einem Winkel kleiner/gleich 90° zueinander stehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die virtuelle Ebene durch die Entgasungsöffnung weitgehend tangential zur Zylinderbohrung verläuft.
In den Zeichnungen wird schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt:
1 zeigt eine typische Extrusionslinie,
2 eine schematisch dargestellt Extruderschnecke mit Bereichsmarkierung,
3 einen Schnitt durch den Extruderzylinder gemäß Variante 1,
4 einen Schnitt durch den Extruderzylinder gemäß Variante 2,
5 eine geschnittene Draufsicht auf den Zylinder gemäß der Variante 2 und
6 den Abschnitt des Zylinders im Bereich der Entgasung als 3D-Ansicht.
1 zeigt eine typische Extrusionslinie, wie sie heute für die Profilextrusion, egal, ob für die Produktion von Fensterprofilen oder Rohren, zum Einsatz kommt. Sie zeigt einen Extruder 1, in dem Kunststoff aufgeschmolzen wird, und kontinuierlich zur Formgebung ins Extrusionswerkzeug 2 gefördert wird. Daran schließt sich eine Kalibrier- und Kühlstation 3 an, je nach Profil können weitere Kühlstationen eingesetzt werden. Nach den Kühlstationen schließt sich eine Abzugsvorrichtung 4 an. Um die Endlosprofile 6 auf die gewünschte Länge abzuschneiden ist anschließend eine Trennvorrichtung 5 angeordnet.
2 zeigt wiederum einen schematisch dargestellten Extruder mit einem Schneckenzylinder 13 und einer Extruderschnecke 17 mit den Schneckenstegen 11. Die Schnecke 11 rotiert um die Extruderachse 22. Der dargestellte Extruder ist in vier Bereiche aufgeteilt, die durch die fetten strichpunktierten Linien symbolisiert werden. Die über einen Trichter zugeführten Kunststoffe werden in der Einzugszone 7 dem Prozess zugeführt, in der Plastifizierzone 8 aufgeschmolzen und innerhalb der Austragszone 10 dem Extrusionswerkzeug übergeben. Um der Kunststoffmasse Fremdstoffe wie Gase, Additive etc. zu entziehen ist eine Entgasungszone 9 vorgesehen, in der über die Schneckengeometrie der Schmelzedruck stark minimiert wird, so dass eine Entgasung über eine im Schneckenzylinder 13 angeordnete Entgasungsöffnung 12 entweichen kann.
3 zeigt einen Schnitt durch den Schneckenzylinder im Bereich der Entgasungsöffnungen 12. Der Schneckenzylinder 13 weist zwei Zylinderbohrungen 16 auf, in die die Extruderschnecken eingesetzt werden. Die Entgasungsöffnungen 12 reichen von einer Vakuumkammer 24 bis in die Zylinderbohrungen 16. In den Entgasungsbohrungen 12 ist ein Einsatz 14 eingebracht, welcher über die Fixierbohrungen 23 in der Entgasungsöffnung 12 fixiert werden kann. Die Oberfläche 18 der Entgasungsbohrungen 12 – in diesem Fall ist es gleich der Oberfläche des Einsatzes 14 – weist eine höhere Gleiteigenschaft auf als die Oberfläche 19 der Zylinderbohrung 16. Zur Verdeutlichung der Lage des dargestellten Schnittes sind die Koordinaten Z, Y des Koordinatenkreuzes wiedergegeben.
4 zeigt eine andere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei gleiche Bezugszeichen auch gleiche Teile bzw. analoge Funktionsteile der Erfindung kennzeichnen. So ist wiederum der Schneckenzylinder 13 zu sehen, in dem zwei Zylinderbohrungen 16 eingebracht sind. Die Entgasungsbohrungen 12 sind weitgehend tangential zu den Zylinderbohrungen 16 ausgeführt. Zur Erhöhung der Gleiteigenschaften innerhalb der Entgasungsbohrung 12 sind Einsätze 14 angeordnet. Dies sind Kunststoffkeile, die über entsprechende Fixierbohrungen 23, hier mit Schrauben dargestellt, in einem Bauteil innerhalb des Schneckenzylinders 13 fixiert sind. Diese Keile 14 bilden mindestens einen Teil der Oberfläche 18 der Entgasungsöffnungen 12. Diese Oberfläche 18 hat eine höhere Gleiteigenschaft als die Oberfläche 19 der Zylinderbohrung 16. Die Mittelachse 15 der Entgasungsöffnung 12 bildet entlang der Extrusionsachse eine virtuelle Ebene. Diese Ebene ist in der 4 als Mittellinie 15 bzw. 20 zu sehen. Analog dazu bilden die Mittellinien entlang der Z-Achse durch die Zylinderbohrung 16 eine virtuelle Ebene 21, die ebenfalls in dieser Figur nur als Linie zu sehen ist. Diese beiden virtuellen Ebenen 20 und 21 stehen erfindungsgemäß in einem Winkel 25 zueinander, der bezogen auf die Z-Ebene kleiner/gleich 90° beträgt. Besonders günstig ist die Extrusionsöffnung 12 angeordnet, wenn diese virtuelle Ebene 20 weitgehend tangential zur Zylinderbohrung 16 verläuft.
Die Schnittebenen der 3 und 4 sind in der 2 durch den Schnittverlauf A gekennzeichnet. Zur Verdeutlichung der Längserstreckung der Entgasungsöffnungen 12 gemäß der Ausführung gemäß 4 ist eine Teildraufsicht in der 5 wiedergegeben, wobei der Schnittverlauf dem in der 4 mit D gekennzeichneten entspricht. Es ist wieder der Schneckenzylinder 13 zu sehen, in dem ein weiteres Bauteil angeordnet ist, in dem sich die schlitzförmigen Entgasungsöffnungen 12 erstrecken. In diesen schlitzförmigen Entgasungsöffnungen 12 ist ein Einsatz 14 angeordnet. Die beiden Achsen 22 der Schneckenzylinder entsprechen der Extrusionsachse. Auch hier ist wieder über das Koordinatensystem mit den Angaben X, Y die prinzipielle Lage des Teilbereiches gekennzeichnet.
6 verdeutlicht die 5 als isometrische Darstellung. Auch hier ist wieder der Schneckenzylinder 13 mit den Zylinder- bzw. Extrusionsachsen 22 dargestellt. Die Entgasungsöffnungen 12 erstrecken sich entlang der Extrusionsachse, aber schräg, insbesondere tangential zur Zylinderbohrung 16. Die keilförmigen Einsätze 14 sind über Schrauben in den Fixierbohrungen 23 an dem zusätzlichen Bauteil fixiert.
Die dargestellte Erfindung, wie auch in den Figuren wiedergegeben, eignet sich besonders für Doppelschneckenextruder, wobei es ohne Einfluss ist, ob es sich dabei um keilförmige oder parallele Doppelschneckenextruder handelt. Hierbei können diese gleichläufig oder gegenläufig sein.
Bezugszeichenliste

1: Extruder
2: Extrusionswerkzeug
3: Kalibrier- und Kühltank
4: Abzugsvorrichtung
5: Trennvorrichtung
6: Profil
7: Einzugszone
8: Plastifizierzone
9: Entgasungszone
10: Austragszone
11: Schneckenstege
12: Entgasungsöffnung in 13
13: Schneckenzylinder
14: Einsatz in 12
15: Mittelachse von 12
16: Zylinderbohrung für 17
17: Extruderschnecke
18: Oberfläche von 12
19: Oberfläche von 16 im Bereich von 9
20: virtuelle Ebenen durch 12
21: virtuelle Ebenen durch 16
22: Extruderachse
23: Fixierbohrung
24: Vakuumkammer
25: Winkel zwischen 20 und 21

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005051959 A1 [0005]

Claims

Extruder (1), insbesondere Doppelschneckenextruder, zum Plastifizieren und Extrudieren thermoplastischer Kunststoffe, mindestens umfassend: einen Zylinder (13) mit wenigstens einer Zylinderbohrung (16) zur Aufnahme wenigstens einer Schnecke (17), einen Antrieb für die im Zylinder (13) rotierbare Schnecke (17), wobei die Zylinder/Schneckenkombination mindestens eine Einzugszone (7), eine Plastifizierzone (8), eine Entgasungszone (9) und eine Austragszone (10) aufweist und im Bereich der Entgasungszone (9) wenigstens eine Entgasungsöffnung (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Oberfläche (18) der Entgasungsöffnung (12) eine höhere Gleiteigenschaft aufweist als die Oberfläche (19) der Zylinderbohrung (16) im Bereich der Entgasungszone (9).
Extruder (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entgasungsöffnung (12) ein Einsatz (14) eingebracht ist, wobei der Einsatz (14) wärmebehandelt und poliert ist oder aus einem verstärkten Kunststoffgemisch ist.
Extruder (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffgemisch ein Ethylen mit Füllstoff ist, wobei insbesondere die Menge an Füllstoff zwischen 1% und 40%, vorzugsweise bei 15% bis 25%, liegt.
Extruder (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ethylen ein fluoriertes Ethylen ist und der Füllstoff Glasfasern sind.
Extruder (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entgasungsöffnung (12) als Bohrung, als Langloch oder Schlitz ausgeführt ist.
Extruder (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entgasungsöffnung (12) ein keilförmiger Einsatz (14) angeordnet ist.
Extruder (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (18) des Einsatzes (14) höhere Gleiteigenschaften aufweist als die Oberfläche der Zylinderbohrung (16) im Bereich der Entgasungszone (9).
Extruder (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (14) über mindestens eine Fixierbohrung (23) ortsfest in der Entgasungsöffnung (12) fixiert ist.
Extruder (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (15) der Entgasungsöffnung (12) entlang der Extruderachse (22) eine virtuelle Ebene (20) bildet und der Winkel (25) zwischen dieser virtuellen Ebene (20) und einer virtuellen Ebene (21), gebildet durch einen Längsschnitt durch den Zylinder (13) entlang der Extruderachse (22), kleiner/gleich 90° ist.
Extruder (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Ebene (20) der Entgasungsöffnung (12) weitgehend tangential zur Zylinderbohrung (16) angeordnet ist.