DE102013217323B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen und Mehr-Komponenten-Werkstoff - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen und Mehr-Komponenten-Werkstoff Download PDF

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Abstract

Extrusions-Vorrichtung zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen mit einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung, aufweisend
a. mindestens eine erste Zuführöffnung (2) zur Zuführung einer ersten Materialkomponente (3) in einen Förderkanal (4),
b. ein sich entlang einer Förderrichtung (7) erstreckendes Fördermittel (8; 8a) zur Förderung mindestens der ersten Materialkomponente (3) innerhalb des sich entlang der Förderrichtung (7) erstreckenden Förderkanals (4),
c. mindestens eine zweite Zuführöffnung (5) zur Zuführung einer zweiten Materialkomponente (6) in den Förderkanal (4),
d. ein stromabwärts des Fördermittels (8; 8a) angeordnetes Leitmittel (23; 33; 35; 37) zur Erzeugung einer spiralförmig geschichteten Komponenten-Mischung (25), welches
i. um eine Drehachse (11) rotatorisch antreibbar ist und
ii. mindestens eine Leit-Durchbrechung (28; 34; 36; 38) zum Durchtritt mindestens der ersten Materialkomponente (3) entlang der Förderrichtung (7) aufweist, und
e. mindestens ein stromabwärts des Leitmittels (23; 33; 35; 37) angeordnetes Homogenisierungsmittel (43; 43b), welches
i. koaxial zu der Drehachse (11) angeordnet ist und
ii. mehrere Homogenisierungs-Durchbrechungen (44) zum axialen Durchtritt der Komponenten-Mischung (25) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Extrusions-Vorrichtung zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen mit einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung. Ferner richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen mit einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung. Die Erfindung richtet sich auch auf einen Mehr-Komponenten-Werkstoff.
  • Es sind Mehr-Komponenten-Werkstoffe bekannt, die keine homogene Materialzusammensetzung oder Füllstoffverteilung entlang einer Bauteildimension, sondern eine heterogene Verteilung aufweisen. Bei derartigen Mehr-Komponenten-Werkstoffen handelt es sich um Gradientenwerkstoffe, auch „Functional Graded Materials“ (FGM) genannt. Bei Gradientenwerkstoffen ändert sich die Materialzusammensetzung nicht sprunghaft in Form einer Stufenfunktion, sondern monoton und kontinuierlich. Durch einen derartigen Konzentrationsverlauf der Materialkomponenten sind vorteilhafte Eigenschaften von Bauteilelementen erreichbar. Insbesondere ist die Abstimmung von mechanischen Kennwerten sowie thermischer oder optischer Eigenschaften von Bedeutung. Eine Gradierung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen führt zu einer kontinuierlichen Variation aller wichtigen thermomechanischen Kennwerte, beispielsweise Elastizitätsmodul, Wärmeausdehnungskoeffizient, Bruchzähigkeit und Festigkeit. Gradienten erlauben hinsichtlich mechanischer Eigenschaften die optimale Anpassung eines Eigenschaftsverlaufs in Werkstoffen an äußere Anforderungen. Gradierte Bauteile können Funktionseigenschaften besitzen, welche durch einen direkten Materialübergang nicht erzielbar sind. Auch Designaspekte durch ausgewählte Farbverläufe spielen hier eine Rolle.
  • Vorrichtungen zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen mit einer bestimmten Konzentrationsverteilung der beteiligten Komponenten sind in verschiedener Ausführung bekannt. Mittels bekannter Vorrichtungen können nur Mehr-Komponenten-Werkstoffe mit einer Gradientenrichtung hergestellt werden. Bei bekannten Verfahren werden zum Beispiel spezielle Schmelzeprofile aus einem Basispolymer und einem gefüllten Compoundmaterial generiert, welche durch eine Mixeinheit derart durchmischt werden, dass sich nur eine Gradientenrichtung sowie eine zur Strömungsrichtung senkrechte homogene Füllstoffverteilung ergibt (vgl. Yong-Bin Zhu et al., A New Technique for Preparing a Filled Type of Polymeric Gradient Material, Macromol. Mater. Eng., 2006, 291, 1388-1396 oder Nan-Ying Ning et al., A New Technique for Preparing Polyethylene/Polystyrene Blends with Gradient Structure, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 105, 2737-2743 (2007)). Das Verfahren ist jedoch aufgrund des Verfahrensprinzips nur für Mehr-Komponenten-Werkstoffe mit einer Gradientenrichtung geeignet.
  • Es ist auch eine Vorrichtung zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen mit einer radialen Konzentrationsverteilung bekannt, bei der eine Schlitzdüse an einem Extruder einen Schmelzefilm produziert, welcher auf einer Welle aufwickelbar ist. Wird während dieses Vorgangs die Werkstoffzusammensetzung variiert, ist Rundmaterial mit einer radialen Konzentrationsverteilung herstellbar (vgl. Gang Wu et al., Preparation and structural study of polypropylene-talc gradient materials, Polym. Int., 2004 53,749-755). Nachteil an einer derartigen Vorrichtung ist, dass ein Wickelkern benötigt wird und somit entweder im Kern ein Werkstoff ohne Konzentrationsverteilung oder alternativ ein Hohlraum vorhanden ist. Endlosrundmaterial ist mit derartigen Vorrichtung und Verfahren nicht produzierbar.
  • Es ist nachteilig, dass es mit den bekannten Vorrichtungen und Verfahren nicht möglich ist, endlose Mehr-Komponenten-Werkstoffe mit einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung herzustellen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der Mehr-Komponenten-Werkstoffe mit einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung der beteiligten Materialkomponenten herstellbar sind, wobei die Mehr-Komponenten-Werkstoffe auch als Endlosware herstellbar sein sollen. Die Vorrichtung soll dabei schnell und konstruktiv einfach an Änderungen der angestrebten Konzentrationsverteilungen des jeweiligen Endprodukts anpassbar sein.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Extrusions-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine Extrusions-Vorrichtung zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen mit mindestens einer ersten Zuführöffnung zur Zuführung einer ersten Materialkomponente in einen Förderkanal, einem sich entlang einer Förderrichtung erstreckenden Fördermittel zur Förderung mindestens der ersten Materialkomponente innerhalb des sich entlang der Förderrichtung erstreckenden Förderkanals und mindestens einer zweiten Zuführöffnung zur Zuführung einer zweiten Materialkomponente in den Förderkanal dann zur Erzeugung einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung geeignet ist, wenn ein stromabwärts des Fördermittels angeordnetes Leitmittel zur Erzeugung einer spiralförmig geschichteten Komponenten-Mischung vorgesehen ist, welches um eine Drehachse rotatorisch antreibbar ist und mindestens eine Leit-Durchbrechung zum Durchtritt mindestens der ersten Materialkomponente entlang der Förderrichtung aufweist. Zusätzlich umfasst die Extrusions-Vorrichtung erfindungsgemäß mindestens ein stromabwärts des Leitmittels angeordnetes Homogenisierungsmittel, welches koaxial zu der Drehachse angeordnet ist und mehrere Homogenisierungs-Durchbrechungen zum axialen Durchtritt der Komponenten-Mischung aufweist. Durch die erfindungsgemäße Extrusions-Vorrichtung ist die Herstellung eines in axialer Richtung homogenen Werkstoffs ermöglicht, wobei dieser Mehr-Komponenten-Werkstoff ein definiertes Profil einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung aufweist. Vorzugsweise ist durch die Gestaltung des Leitmittels der Durchsatz mindestens der ersten Materialkomponente entlang der Förderrichtung einstellbar und somit das Konzentrationsverhältnis bzw. der Konzentrationsverlauf der ersten Materialkomponente und der zweiten Materialkomponente veränderbar. Die Gestaltung des Leitmittels kann sich beispielsweise hinsichtlich der Anzahl, Lage und geometrischen Kontur der Leit-Durchbrechungen unterscheiden. Ebenfalls kann die Gestaltung des Leitmittels hinsichtlich dessen Dicke variieren. Das Leitmittel weist vorzugsweise eine kreisförmige Außenkontur auf, wobei ein Durchmesser des Leitmittels auf einen Innendurchmesser des Förderkanals abgestimmt ist. Das Leitmittel kann beispielsweise als kreisrunde Lochscheibe oder Lochblende ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist das Leitmittel stromabwärts des Fördermittels und unmittelbar benachbart zu diesem entlang des Förderkanals angeordnet. Bei dem Fördermittel handelt es sich vorzugsweise um eine Förderschnecke, welche mindestens die erste Materialkomponente dem Leitmittel axial entlang der Förderrichtung zuführt. Alternativ könnte es sich bei dem Fördermittel auch um eine Schmelzepumpe handeln. Die erste Materialkomponente ist dem Fördermittel in einem plastifizierten Zustand zuführbar. Bei entsprechender Gestaltung des Fördermittels ist alternativ auch ein Aufschmelzen zumindest der ersten Materialkomponente möglich. Vorzugsweise ist die zweite Materialkomponente dem Förderkanal über die mindestens eine zweite Zuführöffnung bereits in einem aufgeschmolzenen Zustand zuführbar. Die erste Zuführöffnung zur Zuführung der ersten Materialkomponente in den Förderkanal ist vorzugsweise im Bereich der Förderschnecke vorgesehen. Stromabwärts des Leitmittels ist durch das Homogenisierungsmittel eine konzentrische Durchmischung der durch das Leitmittel spiralförmig geschichteten Komponenten-Mischung erreichbar. Durch den Einsatz des Homogenisierungsmittels ist also eine kreisförmige Mischwirkung auf Umfangslinien der Komponenten-Mischung erreichbar. Durch das Homogenisierungsmittel ist eine homogene Durchmischung der Wirbelstruktur der Komponenten-Mischung erzielbar, ohne dass die radiale rotationssymmetrische Konzentrationsverteilung geändert wird. Als Homogenisierungsmittel eignen sich beispielsweise (Filter-)Siebe, Lochplatten oder ähnliche rohrförmige Strukturen. Auch das Homogenisierungsmittel weist vorzugsweise eine kreisförmige Außenkontur auf, wobei ein Durchmesser des Homogenisierungsmittels auf einen Innendurchmesser des Förderkanals abgestimmt ist. Sowohl das Leitmittel als auch das Homogenisierungsmittel sind derart in der Extrusions-Vorrichtung angeordnet, dass ein Auswechseln bzw. Ersetzen des Leitmittels bzw. des Homogenisierungsmittels einfach möglich ist. Vorteilhafterweise ist die zweite Zuführöffnung zur Zuführung der zweiten Materialkomponente in den Förderkanal stromabwärts unmittelbar benachbart zum Leitmittel angeordnet. Es ist grundsätzlich auch möglich, sowohl die erste Zuführöffnung als auch die zweite Zuführöffnung stromaufwärts des Leitmittels im Bereich des Fördermittels anzuordnen. Stromabwärts des Homogenisierungsmittels weist die Extrusions-Vorrichtung eine Düse zum Ausbringen des Mehr-Komponenten-Werkstoffs mit radialer und rotationssymmetrischer Konzentrationsverteilung auf. Mit der erfindungsgemäßen Extrusions-Vorrichtung ist es auch möglich, mehr als zwei Materialkomponenten zu homogenisieren.
  • Eine Vorrichtung nach Anspruch 2 ermöglicht eine besonders gute Homogenisierung der Materialkomponenten durch den rotatorischen Antrieb des Homogenisierungsmittels. Die Drehachse des Homogenisierungsmittels ist vorzugsweise deckungsgleich mit der Drehachse des Leitmittels. Rotationsgeschwindigkeiten des Homogenisierungsmittels und des Leitmittels sind vorteilhafterweise auf die zu homogenisierenden Werkstoffe anpassbar.
  • Eine Vorrichtung nach Anspruch 3 ermöglicht eine präzise Ansteuerung der Extrusions-Vorrichtung und damit eine gezielte Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung herstellbaren Mehr-Komponenten-Werkstoffe. Durch den unabhängigen Antrieb des Leitmittels und des Homogenisierungsmittels sind die radiale und rotationssymmetrische Konzentrationsverteilung und das Konzentrationsverhältnis der Materialkomponenten einstellbar. Zum anderen ist auch ein Homogenisierungs-Grad einstellbar. Der Antrieb des Leitmittels und/oder des Homogenisierungsmittels ist beispielsweise durch eine Bewegungseinleitung am Umfang oder am Mittelpunkt des Leitmittels beziehungsweise des Homogenisierungsmittels erreichbar. Es ist beispielsweise möglich, die Rotationsbewegungen des Leitmittels beziehungsweise des Homogenisierungsmittels von einer Rotationsbewegung des Fördermittels abzuleiten. So ist es beispielsweise möglich, eine Antriebshohlwelle für das Leitmittel mit darin gelagerter Antriebswelle für das Homogenisierungsmittel vorzusehen. Auch umfangsseitig zu dem Homogenisierungsmittel beziehungsweise dem Leitmittel angeordnete Antriebe sind konstruktiv einfach umsetzbar.
  • Eine Vorrichtung nach Anspruch 4 ermöglicht eine besonders flexible Wahl des Homogenisierungs-Grades beziehungsweise des Konzentrationsverhältnisses der Materialkomponenten. Der variable Antrieb des Leitmittels beziehungsweise des Homogenisierungsmittels entlang zweier Drehrichtungen um die Drehachse ist durch unabhängig voneinander ansteuerbare Antriebselemente oder durch eine gemeinsame Antriebsvorrichtung möglich.
  • Eine Vorrichtung nach Anspruch 5 gewährleistet eine kontrollierbare Erzeugung einer spiralförmig geschichteten Komponenten-Mischung, welche konstruktiv besonders einfach verwirklicht ist. Die axiale Zuführung zumindest der ersten Materialkomponente zu dem Leitmittel erfolgt vorzugsweise durch das Fördermittel, welches als Förderschnecke ausgebildet ist und die erste Materialkomponente entlang der Förderrichtung dem Leitmittel axial zuführt.
  • Eine Vorrichtung nach Anspruch 6 ermöglicht eine gezielte Zuführung der zweiten Materialkomponente zu der ersten Materialkomponente und die Erzielung einer Wirbelstruktur der Komponenten-Mischung stromabwärts des Leitmittels. Vorteilhafterweise ist die zweite Zuführöffnung axial unmittelbar benachbart zu dem Leitmittel in der Extrusions-Vorrichtung vorgesehen und bringt die zweite Materialkomponente von außen radial in den Förderkanal ein. Vorzugsweise sind zumindest zwei Zuführöffnungen zur Zuführung der zweiten Materialkomponente vorgesehen. Die Zuführöffnungen sind vorzugsweise äquidistant beabstandet zueinander radial zum Förderkanal angeordnet.
  • Eine Vorrichtung nach Anspruch 7 ermöglicht ein gleichzeitiges Aufschmelzen der ersten Materialkomponente und der zweiten Materialkomponente mittels des Fördermittels entlang der Förderrichtung. Auf diese Weise kann auf einen Coextruder zum separaten Aufschmelzen der zweiten Materialkomponente außerhalb des Förderkanals verzichtet werden.
  • Eine Vorrichtung nach Anspruch 8 ermöglicht eine gleichzeitige Förderung der ersten Materialkomponente und der zweiten Materialkomponente durch das Fördermittel entlang der Förderrichtung. Dabei sind die mindestens eine erste Zuführöffnung und die mindestens eine zweite Zuführöffnung stromaufwärts des Leitmittels so in der Extrusions-Vorrichtung vorzusehen, dass jede der Zuführöffnungen einem bestimmten Gewindegang der Förderschnecke zugeordnet ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die jeweilige Materialkomponente nur dem ihr zugeordneten Gewindegang zudosierbar ist. Das Leitmittel ist so zu gestalten, dass zumindest eine Leit-Durchbrechung zum Durchtritt der ersten Materialkomponente und eine zweite Leit-Durchbrechung zum Durchtritt der zweiten Materialkomponente entlang der Förderrichtung vorhanden ist. Es ist ferner auch die Verwendung von mehr als zwei Materialkomponenten mit einer entsprechend mehrgängigen Förderschnecke möglich. Es ist ferner auch möglich, dass beispielsweise zwei Materialkomponenten mittels einer Förderschnecke mit zwei Gewindegängen dem Leitmittel axial zuführbar sind und eine dritte Zuführöffnung stromabwärts des Leitmittels zur Zuführung einer dritten Materialkomponente angeordnet ist.
  • Eine Vorrichtung nach Anspruch 9 verbessert weiter die Homogenisierung der Komponenten-Mischung und verbessert die Lagerung der einzelnen Homogenisierungsmittel in dem Förderkanal.
  • Eine Vorrichtung nach Anspruch 10 schafft die Möglichkeit, Lagerelemente im Förderkanal einzusparen, die nicht dem Homogenisierungsprozess dienen. In Bezug zur Drehachse starre zweite Homogenisierungsmittel sind dazu verwendbar, um rotatorisch antreibbare Homogenisierungsmittel oder das Leitmittel zu stabilisieren. Durch zusätzliche Homogenisierungsmittel ist ferner ein Druck eines Schmelzestroms der Komponenten-Mischung auf das Leitmittel oder das Homogenisierungsmittel aufnehmbar.
  • Eine Vorrichtung nach Anspruch 11 ist eine konstruktiv besonders einfache Lösung zur Stabilisierung und Lagerung des Leitmittels und zur Aufnahme eines Drucks des Schmelzestroms.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen mit einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung bereitzustellen, das insbesondere die Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen als Endlosware ermöglicht. Dabei soll die Konzentrationsverteilung des produzierten Mehr-Komponenten-Werkstoffs besonders schnell und einfach auf verschiedene Anwendungsgebiete des Mehr-Komponenten-Werkstoffs anpassbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Durch Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Extrusions-Vorrichtung, Zuführung der ersten Materialkomponente und der zweiten Materialkomponente in den Förderkanal, Förderung mindestens der ersten Materialkomponente entlang der Förderrichtung bis zu dem Leitmittel, Führung mindestens der ersten Materialkomponente durch die mindestens eine Leit-Durchbrechung des Leitmittels entlang der Förderrichtung, Erzeugen einer spiralförmig geschichteten Komponenten-Mischung aus den Materialkomponenten mittels des Leitmittels und Führung der Komponenten-Mischung entlang der Förderrichtung durch die mehreren Homogenisierungs-Durchbrechungen des Homogenisierungsmittels wird die Erzeugung einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung in der Komponenten-Mischung ermöglicht. Das Verfahren kann auch mit den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 11 weitergebildet werden. Das Verfahren lässt sich insbesondere für den Bereich der Gradientenwerkstoffe in der Kunststoffverarbeitung für alle thermoplastisch verarbeitbaren Materialien einsetzen. Jedoch sind auch andere Anwendungsgebiete denkbar, in denen plastische Massen verarbeitet werden. Beispiele sind eine Anwendung in der Lebensmittelextrusion, bei Keramikmassen oder auf dem Gebiet der Pharmazie.
  • Ein Verfahren nach Anspruch 13 ermöglicht eine konstruktiv einfache Lösung zur Erzeugung einer spiralförmig geschichteten Komponenten-Mischung. Falls ein Aufschmelzen der zweiten Materialkomponente vor der Zufuhr in den Förderkanal notwendig ist, erfolgt dieses Aufschmelzen vorzugsweise außerhalb der Extrusions-Vorrichtung durch einen Coextruder.
  • Ein Verfahren nach Anspruch 14 ermöglicht ein gemeinsames Aufschmelzen der Materialkomponenten mittels des Fördermittels. Auf einen Coextruder zum Aufschmelzen der zweiten Materialkomponente kann so verzichtet werden. Vorteilhaft ist es auch, beide Materialkomponenten dem Fördermittel bereits in einem plastifiziertem Zustand zuzuführen.
  • Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Mehr-Komponenten-Werkstoff zu schaffen, welcher sich mit einer für beliebige Anwendungen geeigneten Länge entlang einer Haupt-Erstreckungsrichtung erstreckt und eine variabel einstellbare radiale und rotationssymmetrische Konzentrationsverteilung aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Mehr-Komponenten-Werkstoff gemäß Anspruch 15 gelöst. Dadurch, dass der Mehr-Komponenten-Werkstoff eine erste Materialkomponente und eine zweite Materialkomponente umfasst, wobei eine Konzentrationsverteilung der Materialkomponenten radial und rotationssymmetrisch bezüglich der Haupt-Erstreckungsrichtung verläuft und der Mehr-Komponenten-Werkstoff entlang der Haupt-Erstreckungsrichtung eine Länge von mindestens 10 Metern, insbesondere mindestens 30 Metern, insbesondere mindestens 50 Metern, insbesondere mindestens 100 Metern hat, ist der Mehr-Komponenten-Werkstoff für eine Vielzahl unterschiedlichster Anwendungsgebiete geeignet. Vorzugsweise liegt der Mehr-Komponenten-Werkstoff als kontinuierliche Endlosware vor.
  • Mögliche Anwendungsgebiete des Mehr-Komponenten-Werkstoffs sind beispielsweise die Verwendung als Wellenleiter für Millimeter-/Submillimeter- und Terahertz-Wellenanwendungen. Terahertz-Wellenleiter bestehen beispielsweise aus einem Polymerkern und einem Mantel aus einem zweiten Polymer, wobei der Brechungsindex des Kerns größer ist als der des Mantels.
  • Erfindungsgemäße Mehr-Komponenten-Werkstoffe sind auch als Rohre und Profile verwendbar, insbesondere im Bereich der Halbzeuge zur Herstellung von Produkten nach funktionsanalytischer Trennung. So können beispielsweise Stabilisatorgehalt und Füllstoffe in Abhängigkeit der Wandstärke eingestellt werden und so gemäß den herrschenden Wirkprinzipien, zum Beispiel Eindringtiefen, optimal eingesetzt werden.
  • Mehr-Komponenten-Werkstoffe können ferner bei einem Einsatz von Farbmitteln oder Effektpigmenten zum Erzielen besonderer Farbeffekte oder Farbverläufe genutzt werden. So kann beispielsweise ein konzentrischer Farbverlauf in Bauteilen und Halbzeugen generiert werden. Graduelle Farbverläufe innerhalb eines Bauteils können den Verschleiß an einer Fläche durch eine Farbänderung in Folge eines Schichtabtrags anzeigen.
  • Die erfindungsgemäßen Mehr-Komponenten-Werkstoffe sind auch als umweltsensitive Bauteile einsetzbar. Analog zu Bimetallstreifen sind durch Materialkombination spezielle mechanische Eigenschaften erzielbar, die von Faktoren wie beispielsweise der Temperatur abhängig sind. So besteht die Möglichkeit, einen Mehr-Komponenten-Werkstoff aus einem ungefüllten und stark gefüllten / verstärkten Werkstoff herzustellen. Dieser reagiert dann aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf Temperaturschwankungen in Form von Deformation. Analoges kann bei Verwendung eines Superabsorbers als Füllstoff für eine Materialkomponente des Mehr-Komponenten-Werkstoffs für die Einwirkung von Wasser oder Flüssigkeit erzielt werden.
  • Ein weiteres Beispiel der Verwendung des erfindungsgemäßen Mehr-Komponenten-Werkstoffs besteht in Gradientenschäumen oder Gradientenwiderständen. Wird bei der Herstellung des Mehr-Komponenten-Werkstoffs beispielsweise eine Materialkomponente mit Treibmittel und eine andere Materialkomponente ohne Treibmittel verwendet, ist die Porendichte/-größe über den Querschnitt variierbar. So sind beispielsweise Bauteile mit einem Schaumkern und einem Mantel oder einem massiven Kern und einer porigen Oberfläche oder einem massiven Kern und Mantel mit einer zwischenliegenden Schaumschicht herstellbar. Damit einhergehend kann auch eine Härte in Richtung der Konzentrationsverteilung variiert werden. Durch eine Beimengung elektrisch leitfähiger Additive oder Füllstoffe in eine Materialkomponente ist der erfindungsgemäße Mehr-Komponenten-Werkstoff mit einstellbaren Widerstandswerten bereitstellbar. So ist beispielsweise ein leitfähiger Kern mit Isolatormaterial oder umgekehrt versehbar.
  • Ein Mehr-Komponenten-Werkstoff nach Anspruch 16 ermöglicht die Bereitstellung einer Endlosware, welche entlang der Haupt-Erstreckungsrichtung eine kontinuierliche bzw. gleichbleibende Konzentrationsverteilung aufweist, wodurch der Mehr-Komponenten-Werkstoff über dessen gesamte Längserstreckung konstante Werkstoffeigenschaften aufweist.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
    • 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsvariante der Extrusions-Vorrichtung zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen;
    • 2 eine Ansicht der Extrusions-Vorrichtung gemäß 1 in einer um 90° gedrehten Ansicht von oben;
    • 3 eine Schnittdarstellung der Extrusions-Vorrichtung gemäß Schnittlinie III-III in 2;
    • 4 eine 3 entsprechende Schnittdarstellung der Extrusions-Vorrichtung mit schematischer Darstellung zweier Materialkomponenten als Punkte unterschiedlicher Schattierung;
    • 5 eine Schnittdarstellung der Extrusions-Vorrichtung gemäß Schnittlinie V-V in 1;
    • 6 eine isolierte perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsvariante eines Leitmittels der Extrusions-Vorrichtung gemäß den 1 bis 5;
    • 7 eine Ansicht des Leitmittels gemäß 6 in einer Ansicht von vorne;
    • 8 eine isolierte perspektivische Ansicht einer Ausführungsvariante eines Homogenisierungsmittels der Extrusions-Vorrichtung gemäß den 1 bis 5;
    • 9 eine Ansicht des Homogenisierungsmittels gemäß 8 in einer Ansicht von vorne;
    • 10 eine isolierte Ansicht einer zweiten Ausführungsvariante eines Leitmittels der Extrusions-Vorrichtung gemäß den 1 bis 5 in einer Ansicht von vorne;
    • 11 eine isolierte Ansicht einer dritten Ausführungsvariante eines Leitmittels der Extrusions-Vorrichtung gemäß den 1 bis 5 in einer Ansicht von vorne;
    • 12 eine isolierte Ansicht einer vierten Ausführungsvariante eines Leitmittels der Extrusions-Vorrichtung gemäß den 1 bis 5 in einer Ansicht von vorne;
    • 13 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsvariante einer Extrusions-Vorrichtung zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen;
    • 14 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsvariante einer Extrusions-Vorrichtung zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen;
    • 15 eine Ansicht eines Mehr-Komponenten-Werkstoffs mit radialer und rotationssymmetrischer Konzentrationsverteilung von vorne und ein Diagramm, welches die Konzentrationsverteilung veranschaulicht; und
    • 16 eine Seitenansicht des Mehr-Komponenten-Werkstoffs nach 15.
  • Nachfolgend ist unter Bezugnahme auf die 1 bis 12 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Eine Extrusions-Vorrichtung 1 umfasst eine erste Zuführöffnung 2 zur Zuführung einer ersten Materialkomponente 3 in einen Förderkanal 4 und eine zweite Zuführöffnung 5 zur Zuführung einer zweiten Materialkomponente 6 in den Förderkanal 4. Alternativ ist es auch möglich, dass jeweils zwei oder mehr Zuführöffnungen 2, 5 zur Zuführung der Materialkomponenten 3, 6 vorgesehen sind. Die erste Materialkomponente 3 und die zweite Materialkomponente 6 sind in 4 schematisch durch Punkte unterschiedlicher Schattierung dargestellt. Die Extrusions-Vorrichtung 1 dient zur Herstellung eines Mehr-Komponenten-Werkstoffs 66 mit einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung der ersten Materialkomponente 3 und der zweiten Materialkomponente 6. Ein derartiger Mehr-Komponenten-Werkstoffs 66 ist in den 15 und 16 dargestellt.
  • Innerhalb des Förderkanals 4 sind die Materialkomponenten 3, 6 entlang einer Förderrichtung 7, welche in den beigefügten Zeichnungen durch den Richtungspfeil 7 veranschaulicht ist, förderbar.
  • In deren erster Ausführungsvariante umfasst die Extrusions-Vorrichtung 1 ein Fördermittel 8, welches die erste Materialkomponente 3 innerhalb des Förderkanals 4 fördert. Bei dem Fördermittel 8 handelt es sich um eine an sich bekannte Förderschnecke mit einem Gewindegang 9. Die Förderschnecke 8 ist in einem Schneckenzylinder 10 radial geführt und um eine Drehachse 11 rotatorisch durch eine erste Antriebsvorrichtung 12 antreibbar. Die Antriebsvorrichtung 12 ist in den 1 bis 5 nur schematisch angedeutet. Bei der Antriebsvorrichtung 12 handelt es sich beispielsweise um einen an sich bekannten Elektromotor oder dergleichen, welcher eine Antriebsscheibe in Rotation versetzt.
  • Bei der ersten Ausführungsvariante der Extrusions-Vorrichtung 1 erfolgt der Antrieb der Förderschnecke 8 über eine Abtriebsscheibe 13, welche mit einem ersten Endbereich 14 der Förderschnecke 8 drehfest verbunden ist. Die Abtriebsscheibe 13 ist durch die Antriebsscheibe der Antriebsvorrichtung 12 antreibbar, beispielsweise mittels eines Antriebsriemens oder direkt durch ein Ineinandergreifen verzahnter Außenkonturen von Antriebsscheibe bzw. Abtriebsscheibe.
  • Wie den Schnittdarstellungen nach 3, 4 und 5 zu entnehmen, ist die Förderschnecke 8 durch eine Lagereinrichtung 15 radial gelagert. Die Lagereinrichtung 15 weist zu diesem Zweck an sich bekannte Kugellager 16 auf, die eine Rotation der Förderschnecke 8 um die Drehachse 11 erlauben. Die Lagereinrichtung 15 ist an eine erste Stirnseite 17 des Schneckenzylinders 10 angeflanscht.
  • Der Schneckenzylinder 10 erstreckt sich entlang der Drehachse 11 beziehungsweise der Förderrichtung 7 und weist einen Nenndurchmesser auf, welcher einem Außendurchmesser der Förderschnecke 8 entspricht. Gemäß der ersten Ausführungsvariante ist die erste Zuführöffnung 2 an dem Schneckenzylinder 10 benachbart zur ersten Stirnseite 17 angeordnet. Eine durch den Richtungspfeil 18 in den 1, 3 und 4 veranschaulichte Zuführrichtung der ersten Materialkomponente 3 verläuft quer zur Drehachse 11 beziehungsweise zur Förderrichtung 7. Im Bereich der von der ersten Stirnseite 17 abgewandten zweiten Stirnseite 19 des Schneckenzylinders 10 sind gemäß der ersten Ausführungsvariante der Extrusions-Vorrichtung 1 keine Zuführöffnungen vorgesehen.
  • Die Förderschnecke 8 weist in an sich bekannter Weise verschiedene Bereiche auf. So dient ein erster Bereich 20 der Förderschnecke 8 benachbart zu ersten Zuführöffnung 2 vorzugsweise zum Aufschmelzen der ersten Materialkomponente 3 und ein zweiter Bereich 21, der sich in Förderrichtung 7 an den ersten Bereich 20 anschließt, vorzugsweise zum Verdichten der ersten Materialkomponente 3. Die letztendliche Detailgestaltung der Förderschnecke 8 richtet sich nach den zu verarbeitenden Materialkomponenten.
  • Die Förderschnecke 8 ist durch die erste Antriebsvorrichtung 12 entlang einer ersten Drehrichtung 22 antreibbar. Die Drehrichtung 22 gibt die Förderrichtung der Materialkomponenten 3, 6 von der Lagereinrichtung 15 stromabwärts in Richtung eines Leitmittels 23 vor. Die erste Antriebsvorrichtung 12 kann bei entsprechender konstruktiver Gestaltung auch derart ausgebildet sein, dass sie neben einem Antrieb entlang der ersten Drehrichtung 22 auch einen Antrieb entlang einer zweiten Drehrichtung 26 ermöglicht.
  • In der Ausführungsvariante der Extrusions-Vorrichtung 1 gemäß den 1 bis 5 ist das Leitmittel 23 drehfest über ein Kupplungsglied 24 mit der Förderschnecke 8 verbunden. Das Leitmittel 23 ist folglich auch durch die erste Antriebsvorrichtung 12 in Rotation um die Drehachse 11 versetzbar. Das Leitmittel 23 dient zur Erzeugung einer spiralförmig geschichteten Komponenten-Mischung 25. Die Verbindung von Kupplungsglied 24 und Leitmittel 23 ist lösbar.
  • Grundsätzlich ist es auch vorstellbar, dass das Leitmittel 23 alternativ einen separaten Antrieb aufweist. So könnte das Leitmittel 23 alternativ beispielsweise an dessen Umfang mit einer Antriebsscheibe in Drehverbindung stehen, welche durch einen Antriebsmotor antreibbar ist.
  • Das Leitmittel 23, welches im Detail gemäß einer ersten Ausführungsvariante in den 6 und 7 dargestellt ist, ist im Bereich der zweiten Stirnseite 19 des Schneckenzylinders 10 in dem Förderkanal 4 angeordnet. Als radiale Führung des Leitmittels 23 dient in dem ersten Ausführungsbeispiel der Schneckenzylinder 10. Eine kreisförmige Außenkontur des Leitmittels 23 ist daher an eine Innenkontur des Schneckenzylinders 10 im Bereich der zweiten Stirnseite 19 angepasst. Axial in Bezug zur Drehachse 11 ist das Leitmittel 23 in Richtung Förderschnecke 8 ebenfalls durch den Schneckenzylinder 10 und andererseits von der Förderschnecke 8 abgewandt durch einen Zuführzylinder 27, welcher den Förderkanal 4 stromabwärts des Leitmittels 23 vorgibt.
  • Wie den 6 und 7 zu entnehmen, weist das erste Ausführungsbeispiel des Leitmittels 23 vier Leit-Durchbrechungen 28 zum Durchtritt der ersten Materialkomponente 3 entlang der Förderrichtung 7 auf. Die erste Materialkomponente 3 ist dem Leitmittel 23 durch die Förderschnecke 8 axial zuführbar. Bei der Anzahl und Gestalt der Leit-Durchbrechungen 28 handelt es sich lediglich um eine erste Ausführungsvariante. Weitere Ausführungsvarianten werden später beschrieben. Grundsätzlich sind die Gestalt und Anzahl der Leit-Durchbrechungen in Abhängigkeit von der gewünschten radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung zu wählen.
  • In der gezeigten Ausführungsvariante gemäß den 6 und 7 sind die Leit-Durchbrechungen 28 äquidistant beabstandet zueinander im Bezug zur Drehachse 11 angeordnet. Die Leit-Durchbrechungen erstrecken sich entlang der Drehachse 11 von einer benachbart zur Förderschnecke 8 verlaufenden ersten Stirnfläche 29 des Leitmittels 23 bis zu einer dem Zuführzylinder 27 zugewandten zweiten Stirnfläche 30. In der Ausführungsvariante gemäß 6 und 7 weisen die Leit-Durchbrechungen 28 im Querschnitt betrachtet eine dreieckförmige Kontur auf, wobei sich eine durch die dreieckförmige Kontur aufgespannte Durchtrittsfläche von der ersten Stirnfläche 29 in Richtung zweiter Stirnfläche 30 kontinuierlich vergrößert. Die Durchtrittsflächen verlaufen quer zur Drehachse 11.
  • Im Bereich der Drehachse 11 weist das Leitmittel 23 eine Zentraldurchbrechung 31 auf, welche eine Nabe zur drehfesten Verbindung des Leitmittels 23 mit dem Kupplungsglied 24 bildet. Zu diesem Zweck weist die Zentraldurchbrechung 31 mehrer Nuten 32 auf, welche mit darauf abgestimmten Passfedern des Kupplungsgliedes 24 zusammenwirken. Anstelle von Passfedern kann auch eine Verzahnung an einer Außenkontur des Kupplungsgliedes 24 vorgesehen sein.
  • Durch die Gestaltung der Leit-Durchbrechungen 28 mit einer dreieckförmigen Durchtrittsfläche ist nach einem Durchtritt der ersten Materialkomponente 3 durch das Leitmittel 23 im Bereich der Drehachse 11 eine hohe Konzentration der ersten Materialkomponente 3 erreichbar, wohingegen radial beabstandet von der Drehachse 11 eine geringe Konzentration der ersten Materialkomponente 3 vorliegt. Wie oben beschrieben sind die Konzentrationsverhältnisse durch entsprechende Wahl des Leitmittels 23 und der Leit-Durchbrechungen 28 veränderbar.
  • Weitere exemplarische Ausführungsvarianten des Leitmittels 23 sind in den 10, 11 und 12 dargestellt. So zeigt 10 eine alternative Ausführungsvariante eines Leitmittels 33 mit nur einer Leit-Durchbrechung 34. Die dritte Ausführungsvariante eines Leitmittels 35 gemäß 11 weist hingegen eine Vielzahl von Leit-Durchbrechungen 36 auf. Auch die vierte Ausführungsvariante eines Leitmittels 37 gemäß 12 weist mehrere Leit-Durchbrechungen 38 auf, welche sich in der geometrischen Gestalt deren Innenkontur von den anderen Ausführungsvarianten unterscheiden.
  • Das Leitmittel 23 ist derart in der Extrusions-Vorrichtung 1 angeordnet, dass ein Auswechseln bzw. Ersetzen des Leitmittels 23 durch ein anderes Leitmittel, beispielsweise eines der alternativen Leitmittel 33, 35, 37 einfach möglich ist.
  • In Förderrichtung 7 stromabwärts des Leitmittels 23 ist der Förderkanal 4 durch den Zuführzylinder 27 umschlossen. Aus den Schnittdarstellungen gemäß 3, 4 und 5 geht hervor, dass der Zuführzylinder 27 zweiteilig ausgebildet ist und zwei Zylinderteilabschnitte 39, 40, die axial benachbart zueinander angeordnet sind, aufweist. Die zweite Zuführöffnung 5 zur Zuführung der zweiten Materialkomponente 6 in den Förderkanal 4 ist im Zuführzylinder 27 vorgesehen. Eine in den 1, 3 und 4 durch den Richtungspfeil 42 veranschaulichte Zuführrichtung der zweiten Materialkomponente 6 verläuft quer zur Förderrichtung 7 beziehungsweise zur Drehachse 11.
  • Zu einem Auswechseln des Leitmittels 23 sind der Schneckenzylinder 10 und der erste Zylinderteilabschnitt 39 entlang der Drehachse 11 relativ zueinander verlagerbar. Durch ein Trennen des Schneckenzylinders 10 und des ersten Zylinderteilabschnitts 39 im Bereich der zweiten Stirnseite 19 des Schneckenzylinders 10 ist das Leitmittel 23 in Förderrichtung 7 aus der Vorrichtung 1 entnehmbar.
  • In axialer Richtung schließt sich entlang Förderrichtung 7 an den Zuführzylinder 27 stromabwärts ein Homogenisierungsmittel 43 an, welches koaxial zu der Drehachse 11 angeordnet ist und mehrere Homogenisierungs-Durchbrechungen 44 zum axialen Durchtritt der Komponenten-Mischung 25 aufweist.
  • In Förderrichtung 7 zwischen dem Leitmittel 23 und dem Homogenisierungsmittel 43 bildet der Förderkanal 4 einen Verwirbelungsabschnitt 45, in dem eine wirbelförmige Schichtstruktur der ersten Materialkomponente 3 und der zweiten Materialkomponente 6 vorliegt.
  • Das Homogenisierungsmittel 43 ist in der ersten Ausführungsvariante der Extrusions-Vorrichtung 1 gemäß den 1 bis 5 um die Drehachse 11 rotatorisch antreibbar ausgebildet. Alternativ ist es grundsätzlich auch vorstellbar, dass das Homogenisierungsmittel 43 stationär koaxial zur Drehachse 11 angeordnet ist.
  • In der Ausführungsvariante gemäß den 1 bis 5 erfolgt ein Antrieb des Homogenisierungsmittels 43 durch eine in 1 schematisch angedeutete zweite Antriebsvorrichtung 46, welche unabhängig von der ersten Antriebsvorrichtung 12 ansteuerbar ist. Bei der Antriebsvorrichtung 46 handelt es sich beispielsweise um einen an sich bekannten Elektromotor oder dergleichen, welcher eine Antriebswelle in Rotation versetzt. Diese Antriebswelle ist von einem Antriebsriemen umlaufen. Der Antriebsriemen umläuft neben der Antriebswelle der Antriebsvorrichtung 46 eine an der Extrusions-Vorrichtung 1 frei drehbar angebrachte Abtriebswelle 47. Die Abtriebswelle 47 weist eine Abtriebswellenlängsachse 65 auf, die parallel beabstandet zur Drehachse 11 verläuft. Die Abtriebswelle 47 steht in kraftübertragenderweise mit einer Homogenisierungsmittel-Lagerung 48 in Verbindung, wodurch eine Rotation der Antriebswelle der Antriebsvorrichtung 46 in eine Rotation des Homogenisierungsmittels 43 um die Drehachse 11 umwandelbar ist. Die Homogenisierungsmittel-Lagerung 48 ist drehfest mit dem Homogenisierungsmittel 43 verbunden und entlang der Förderrichtung 7 zwischen zwei Lagermitteln 41, 53 angeordnet. Zur Stabilisierung der Lagermittel 41, 53 gegeneinander sind Stabilisierungselemente 70 vorgesehen, welche sich in Förderrichtung 7 zwischen den Lagermitteln 41, 53 erstrecken und diese gegeneinander abstützen.
  • Das Homogenisierungsmittel 43 ist im Detail den 8 und 9 zu entnehmen. Das Homogenisierungsmittel 43 weist eine dem Verwirbelungsabschnitt 45 zugeordnete erste Stirnfläche 49 und eine dem Verwirbelungsabschnitt 45 abgewandte zweite Stirnfläche 50 auf. Die Homogenisierungs-Durchbrechungen 44 erstrecken sich kanalförmig parallel zur Drehachse 11 von der ersten Stirnfläche 49 bis zur zweiten Stirnfläche 50. Den 8 und 9 sind ferner radial beabstandet zur Drehachse 11 Fixier-Durchbrechungen 51 zu entnehmen, die zu einer drehfesten Befestigung des Homogenisierungsmittels 43 in der Homogenisierungsmittel-Lagerung 48 dienen.
  • Mittels des Homogenisierungsmittels 43 ist eine optimale Homogenisierung der Komponenten-Mischung 25 erreichbar. Ein Grad der Homogenisierung ist durch die Wahl des Homogenisierungsmittels 43 und die Anordnung und Art der Homogenisierungs-Durchbrechungen 44 anpassbar. Grundsätzlich sind verschiedene Geometrien der Homogenisierungs-Durchbrechungen 44 denkbar, beispielsweise kreis-, waben-, schlitz- oder ellipsenförmige Konturen.
  • Das Homogenisierungsmittel 43 ist derart in der Extrusions-Vorrichtung 1 angeordnet, dass ein Auswechseln bzw. Ersetzen des Homogenisierungsmittels 43 durch ein anderes Homogenisierungsmittel, beispielsweise mit anders angeordneten Homogenisierungs-Durchbrechungen 44, möglich ist. Zu einem Auswechseln des Homogenisierungsmittels 43 ist eine Verbindung zwischen dem ersten Lagermittel 41 und dem zweiten Lagermittel 53 zu lösen. Anschließend ist das Homogenisierungsmittel 43 aus der Homogenisierungsmittel-Lagerung 48 zu lösen und aus dieser zu entnehmen.
  • In Förderrichtung 7 stromabwärts des Homogenisierungsmittels 43 ist der Förderkanal 4 umfangsseitig durch einen Ausgabezylinder 52 radial begrenzt. Der Ausgabezylinder 52 ist stationär in der Extrusions-Vorrichtung 1 mittels der Lagermittels 53 stationär gelagert. An einem axial von dem Homogenisierungsmittel 43 beabstandeten Endbereich 54 schließt sich an den Ausgabezylinder 52 eine Düse 55 zum Austritt der homogenisierten Komponenten-Mischung 56 an.
  • Die Funktionsweise der Extrusions-Vorrichtung 1 ist wie folgt:
  • Zur Beschreibung der Funktion der Extrusions-Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Mehr-Komponenten-Werkstoffs 66 mit einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung wird davon ausgegangen, dass die Extrusions-Vorrichtung 1 wie oben beschrieben gemäß den 1 bis 5 vorliegt. Zunächst wird dann die erste Materialkomponente 3 über die erste Zuführöffnung 2 in den Förderkanal 4 zugeführt.
  • Bei der ersten Materialkomponente 3 handelt es sich vorzugsweise um ein Kunststoffmaterial, welches in granularer oder pulverförmiger Form dem Förderkanal 4 zugeführt wird. Grundsätzlich können hierbei alle thermoplastisch verarbeitbaren Materialien verwendet werden. Anschließend wird die erste Materialkomponente 3 entlang der Förderrichtung 7 durch die Förderschnecke 8 gefördert und aufgeschmolzen. Die Förderung der ersten Materialkomponente 3 erfolgt entlang der Förderrichtung 7 bis zum dem Leitmittel 23. Die erste Materialkomponente 3 wird dann unter Druck entlang der Förderrichtung 7 durch die Leit-Durchbrechungen 28 des Leitmittels 23 gefördert. Der Druck zum Durchströmen der Materialkomponente 3 durch das Leitmittel 23 wird durch die Förderschnecke 8 erzeugt. Durch die zweite Zuführöffnung 5 wird die zweite Materialkomponente 6 dem Förderkanal 4 stromabwärts des Leitmittels 23 zugeführt.
  • Bei der zweiten Materialkomponente 6 kann es sich sowohl um eine Kunststoffschmelze, welche durch einen nicht dargestellten Coextruder bereits aufgeschmolzen wurde bevor die zweite Materialkomponente 6 durch die zweite Zuführöffnung 5 geleitet wird, oder um granulares oder pulverförmiges Material handeln. Vorteilhafterweise weist die zweite Materialkomponente 6 von der ersten Materialkomponente 3 abweichende Eigenschaften, beispielsweise abweichende physikalische Eigenschaften oder eine abweichende farbliche Gestaltung, auf.
  • Durch die von der ersten Antriebsvorrichtung 12 bewirkten Rotation des Leitmittels 23 und der radialen Zuführung der zweiten Materialkomponente 6 in den Förderkanal 4 unmittelbar stromabwärts des Leitmittels 23 wird eine spiralförmige geschichtete Komponenten-Mischung 25 in dem Verwirbelungsabschnitt 45 des Förderkanals 4 erreicht.
  • Die spiralförmig geschichtete Komponenten-Mischung 25 wird nun entlang der Förderrichtung 7 durch die Homogenisierungs-Durchbrechungen 44 des rotatorisch angetriebenen Homogenisierungsmittels 43 geführt. Dadurch wird eine homogene, radiale und rotationssymmetrische Konzentrationsverteilung in der Komponenten-Mischung 25 erreicht. In dem Förderkanal 4 im Bereich des Ausgabezylinders 52 liegt dann eine homogenisierte Komponenten-Mischung 56 mit einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung vor, welche durch die Düse 55 als endloser Mehr-Komponenten-Werkstoff 66 abgegeben wird.
  • Dieser endlose Mehr-Komponenten-Werkstoff 66 ist schematisch in den 15 und 16 dargestellt. 15 zeigt den Mehr-Komponenten-Werkstoff 66 in einer Ansicht zentral von vorne. 16 zeigt den endlosen Mehr-Komponenten-Werkstoffs 66 von der Seite. Der Mehr-Komponenten-Werkstoff 66 weist einen Radius R auf und eine Länge L auf.
  • Wie 15 zu entnehmen, weist die erste Materialkomponente 3 in einem Zentralbereich 67 eine hohe Konzentration auf. Radial beabstandet von dem Zentralbereich 67 bis hin zu einer Außenfläche 68 überwiegt die zweite Materialkomponente 6. 15 zeigt auch ein Diagramm, welchem ein Anteil A der ersten Materialkomponente 3 an dem Mehr-Komponenten-Werkstoff 66 entlang des Radius R zu entnehmen ist.
  • Die Konzentrationsverteilung der Materialkomponenten 3, 6 verläuft bezüglich einer Haupt-Erstreckungsrichtung 69 radial und rotationssymmetrisch. Entlang der Haupt-Erstreckungsrichtung 69 verläuft die Konzentrationsverteilung kontinuierlich bzw. gleichbleibend. Die Länge L des kontinuierlichen Mehr-Komponenten-Werkstoffs 66 ist beliebig zu wählen. Vorzugsweise beträgt die Länge L mindestens 10 Meter, insbesondere mindestens 30 Meter, insbesondere mindestens 50 Meter, insbesondere mindestens 100 Meter. Die tatsächliche Länge L orientiert sich an dem jeweiligen Anwendungsgebiet, auf welchem der Mehr-Komponenten-Werkstoff 66 eingesetzt werden soll.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 13 eine zweite Ausführungsvariante der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten a. Die Extrusions-Vorrichtung 1a dient zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen mit einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung.
  • Der wesentliche Unterschied zu der Extrusions-Vorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsvariante besteht darin, dass die erste Zuführöffnung 2 und die zweite Zuführöffnung 5 stromabwärts des Leitmittels 23 angeordnet sind. Aus diesem Grund wird gemäß der zweiten Ausführungsvariante ein Fördermittel 8a in Form einer Förderschnecke mit zwei Gewindegängen 9a, 57 verwendet, wobei jeder der Materialkomponenten 3, 6 ein Gewindegang 9a, 57 zugeordnet ist. Dabei ist der erste Gewindegang 9a der ersten Materialkomponente 3 und der zweite Gewindegange 57 der zweiten Materialkomponente 6 zugeordnet. Die Materialkomponenten 3, 6 sind dem Leitmittel 23 über den jeweils zugeordneten Gewindegang 9a, 57 separat voneinander axial zuführbar.
  • Die Vorteile einer Verwendung einer Förderschnecke 8a mit mehreren Gewindegängen 9a, 57 kommen besonders dann zum Tragen, wenn die zweite Materialkomponente 6 zur Herstellung des Mehr-Komponenten-Werkstoffs aufgeschmolzen werden muss. Ein derartiges Aufschmelzen der zweiten Materialkomponente 6 muss dann nicht vor der Zuführung in den Förderkanal 4 in einem Coextruder erfolgen, sondern kann zusammen mit der ersten Materialkomponente 3 in dem Förderkanal 4 durch die Förderschnecke 8a vorgenommen werden.
  • Ein weiterer Unterschied der Extrusions-Vorrichtung 1a besteht im Antrieb des Homogenisierungsmittels 43 durch die Antriebsvorrichtung 46a. Eine um die Drehachse 11 rotierbare Antriebswelle 58 der Förderschnecke 8a ist als Hohlwelle ausgebildet, welche mit dem Leitmittel 23 drehfest verbunden ist. In der Antriebswelle 58 ist eine entlang der Drehachse 11 verlaufende Homogenisierungs-Antriebswelle 59 angeordnet. Die Homogenisierungs-Antriebswelle 59 ist mit dem Homogenisierungsmittel 43 drehfest verbunden und kann dieses in Rotation um die Drehachse 11 versetzen. Das von dem Homogenisierungsmittel 43 beabstandete Ende 60 der Homogenisierungs-Antriebswelle 59 ist durch die Antriebsvorrichtung 46a rotatorisch antreibbar. Alternativ ist es auch möglich, die Antriebswelle 58 nicht als Hohlwelle sondern als Welle aus einem Vollmaterial auszubilden, wobei das Homogenisierungsmittel 43 dann entsprechend der Extrusions-Vorrichtung 1 von außen anzutreiben wäre.
  • Durch diese Gestaltung sind das Leitmittel 23 und das Homogenisierungsmittel 43 unabhängig voneinander um die Drehachse 11 rotatorisch antreibbar. Das Leitmittel 23 und das Homogenisierungsmittel 43 sind wahlweise entlang der ersten Drehrichtung 22 oder der zweiten Drehrichtung 26 um die Drehachse 11 rotatorisch antreibbar.
  • Es ist alternativ auch vorstellbar, dass sowohl das Leitmittel 23 als auch das Homogenisierungsmittel 43 von der Antriebswelle 58 der Förderschnecke 8a in Rotation um die Drehachse 11 versetzbar gestaltet sind.
  • 14 zeigt eine dritte Ausführungsvariante der Erfindung. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten b. 14 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Förderkanals 4 der Extrusions-Vorrichtung 1b.
  • Abweichend von den oben im Detail erläuterten Ausführungsvarianten ist es auch vorstellbar, dass mehrere Homogenisierungsmittel 43b vorgesehen sind, welche entlang der Drehachse 11 und koaxial zu dieser in einer Homogenisierungsmittel-Reihe 61 angeordnet sind. In Reihe geschaltete Homogenisierungsmittel 43b haben den Vorteil einer weiter verbesserten Homogenisierung der Komponenten-Mischung 25. Ferner stützen sich die Homogenisierungsmittel 43b in einer Homogenisierungsmittel-Reihe 61 gegenseitig axial ab und verbessern somit die Lagerung der jeweiligen Homogenisierungsmittel 43b.
  • Im Unterschied zu den vorher beschriebenen Ausführungsvarianten weist die Extrusions-Vorrichtung 1b neben der Homogenisierungsmittel-Reihe 61 noch ein Stabilisierungsmittel 62 auf, welches entlang der Drehachse 11 unmittelbar benachbart zum Leitmittel 23 und stromabwärts desselben angeordnet ist. Das Stabilisierungsmittel 62 weist den Leit-Durchbrechungen 28 entsprechende Durchbrechungen 63 zum Durchtritt der Materialkomponenten 3, 6 auf. Das Stabilisierungsmittel 62 ist in dem Förderkanal 4 stationär angeordnet und dient mittels eines Wälzlagers 64 zur radialen Lagerung der Antriebswelle 58 beziehungsweise der Homogenisierungsmittel-Antriebswelle 59. Die einzelnen Homogenisierungsmittel 43b der Homogenisierungsmittel-Reihe 61 sind entweder alle rotatorisch um die Drehachse 11 antreibbar oder alternativ in Bezug zur Drehachse 11 starr ausgebildet. So könnte beispielsweise ein erstes Homogenisierungsmittel 43b rotatorisch antreibbar und ein zweites Homogenisierungsmittel 43b in Bezug zur Drehachse starr ausgebildet sein.
  • Mittels der beschriebenen Extrusions-Vorrichtungen 1, 1a, 1b lassen sich jeweils Mehr-Komponenten-Werkstoffe herstellen, welche sich entlang einer Haupt-Erstreckungsrichtung erstrecken und eine Konzentrationsverteilung der Materialkomponenten 3, 6 aufweisen, die radial und rotationssymmetrisch bezüglich zur Haupt-Erstreckungsrichtung verläuft. Vorteilhafterweise weisen die erste Materialkomponente 3 und die zweite Materialkomponente 6 eine entlang der Haupt-Erstreckungsrichtung kontinuierliche bzw. gleichbleibende Konzentrationsverteilung auf.
  • Grundsätzlich können die beschriebenen Ausführungsvarianten der Extrusions-Vorrichtung 1, 1a, 1b auch zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen mit mehr als zwei Materialkomponenten verwendet werden. Entsprechend wären dann mehr als zwei Zuführöffnungen vorzusehen, durch welche Materialkomponenten in einen Förderkanal einbringbar sind. Entsprechend wären dann auch Förderschnecken mit mehr als zwei Gewindegängen denkbar.

Claims (16)

  1. Extrusions-Vorrichtung zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen mit einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung, aufweisend a. mindestens eine erste Zuführöffnung (2) zur Zuführung einer ersten Materialkomponente (3) in einen Förderkanal (4), b. ein sich entlang einer Förderrichtung (7) erstreckendes Fördermittel (8; 8a) zur Förderung mindestens der ersten Materialkomponente (3) innerhalb des sich entlang der Förderrichtung (7) erstreckenden Förderkanals (4), c. mindestens eine zweite Zuführöffnung (5) zur Zuführung einer zweiten Materialkomponente (6) in den Förderkanal (4), d. ein stromabwärts des Fördermittels (8; 8a) angeordnetes Leitmittel (23; 33; 35; 37) zur Erzeugung einer spiralförmig geschichteten Komponenten-Mischung (25), welches i. um eine Drehachse (11) rotatorisch antreibbar ist und ii. mindestens eine Leit-Durchbrechung (28; 34; 36; 38) zum Durchtritt mindestens der ersten Materialkomponente (3) entlang der Förderrichtung (7) aufweist, und e. mindestens ein stromabwärts des Leitmittels (23; 33; 35; 37) angeordnetes Homogenisierungsmittel (43; 43b), welches i. koaxial zu der Drehachse (11) angeordnet ist und ii. mehrere Homogenisierungs-Durchbrechungen (44) zum axialen Durchtritt der Komponenten-Mischung (25) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Homogenisierungsmittel (43; 43b) um die Drehachse (11) rotatorisch antreibbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmittel (23; 33; 35; 37) und das Homogenisierungsmittel (43; 43b) unabhängig voneinander um die Drehachse (11) rotatorisch antreibbar sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmittel (23; 33; 35; 37) und das Homogenisierungsmittel (43; 43b) jeweils wahlweise entlang einer ersten Drehrichtung (22) oder entlang einer zweiten Drehrichtung (26) mit variablen Drehzahlen um die Drehachse (11) rotatorisch antreibbar sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialkomponente (3) dem Leitmittel (23; 33; 35; 37) durch das Fördermittel (8) axial zuführbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Zuführöffnung (5) stromabwärts des Leitmittels (23; 33; 35; 37) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Zuführöffnung (2) und die mindestens eine zweite Zuführöffnung (5) stromaufwärts des Leitmittels (23; 33; 35; 37) angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördermittel (8a) als Förderschnecke mit mehreren Gewindegängen (9a, 57) ausgebildet ist, wobei jeder der Materialkomponenten (3, 6) ein Gewindegang (9a, 57) zugeordnet ist und die Materialkomponenten (3, 6) dem Leitmittel (23; 33; 35; 37) über den jeweils zugeordneten Gewindegang (9a, 57) separat voneinander axial zuführbar sind.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Homogenisierungsmittel (43b) vorgesehen sind, welche entlang der Drehachse (11) und koaxial zu dieser in einer Homogenisierungsmittel-Reihe (61) angeordnet sind.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Homogenisierungsmittel (43b) vorgesehen sind, wobei ein erstes Homogenisierungsmittel (43b) um die Drehachse (11) rotatorisch antreibbar und ein zweites Homogenisierungsmittel (43b) in Bezug zur Drehachse (11) starr ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stabilisierungsmittel (62) entlang der Drehachse (11) unmittelbar benachbart zum Leitmittel (23; 33; 35; 37) angeordnet ist.
  12. Verfahren zur Herstellung von Mehr-Komponenten-Werkstoffen mit einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung mit folgenden Schritten: a. Bereitstellen einer Extrusions-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, b. Zuführung der ersten Materialkomponente (3) in den Förderkanal (4), c. Förderung mindestens der ersten Materialkomponente (3) entlang der Förderrichtung (7) bis zu dem Leitmittel (23; 33; 35; 37), d. Führung mindestens der ersten Materialkomponente (3) durch die mindestens eine Leit-Durchbrechung (28; 34; 36; 38) des Leitmittels (23; 33; 35; 37) entlang der Förderrichtung (7), e. Zuführung der zweiten Materialkomponente (6) in den Förderkanal (4), f. Erzeugen einer spiralförmig geschichteten Komponenten-Mischung (25) aus den Materialkomponenten (3, 6) mittels des Leitmittels (23; 33; 35; 37), g. Führung der Komponenten-Mischung (25) entlang der Förderrichtung (7) durch die mehreren Homogenisierungs-Durchbrechungen (44) des Homogenisierungsmittels (43; 43b) zur Erzeugung einer radialen und rotationssymmetrischen Konzentrationsverteilung in der Komponenten-Mischung (25).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialkomponente (3) dem Förderkanal (4) über die erste Zuführöffnung (2) stromaufwärts des Leitmittels (23; 33; 35; 37) zugeführt wird und die zweite Materialkomponente (6) über die zweite Zuführöffnung (5) stromabwärts des Leitmittels (23; 33; 35; 37).
  14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialkomponente (3) und die zweite Materialkomponente (6) dem Förderkanal (4) jeweils stromaufwärts des Leitmittels (23; 33; 35; 37) zugeführt werden.
  15. Mehr-Komponenten-Werkstoff hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, welcher sich entlang einer Haupt-Erstreckungsrichtung (69) erstreckt, umfassend a. eine erste Materialkomponente (3) und b. eine zweite Materialkomponente (6), wobei c. eine Konzentrationsverteilung der Materialkomponenten (3, 6) radial und rotationssymmetrisch bezüglich zur Haupt-Erstreckungsrichtung (69) verläuft und d. der Mehr-Komponenten-Werkstoff entlang der Haupt-Erstreckungsrichtung (69) eine Länge von mindestens 10 Metern, insbesondere mindestens 30 Metern, insbesondere mindestens 50 Metern, insbesondere mindestens 100 Metern hat.
  16. Mehr-Komponenten-Werkstoff nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialkomponente (3) und die zweite Materialkomponente (6) eine entlang der Haupt-Erstreckungsrichtung (69) gleichbleibende Konzentrationsverteilung aufweisen.
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