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Die Erfindung bezieht sich auf gegenläufige, dichtkämmende Doppelschneckenextruder zur Verarbeitung von plastischen Stoffen. Das Herz der Doppelschneckenextruder sind die Doppelschnecken an sich. Bekannte derartige Doppelschnecken werden für die Gegenläuferanwendung trapezförmig ausgelegt. Das Förderprinzip dieser Verarbeitungsmaschine basiert auf einem Kammerförderprinzip, wobei der Inhalt der jeweils zwei C-förmigen Kammern mit jeder Umdrehung zwangsweise entsprechend der Schneckensteigung um eine Steigung nach vorne geschoben werden. Die Verbindung der C-förmigen Kammern untereinander bzw. mit den davor oder dahinter liegenden Kammern ist über drei Spaltentypen gegeben. Durch diese Spalten kann das plastifizierte Material von einem höheren in einen tieferen Druckbereich fließen. Die Spalten werden folgendermaßen beschrieben:
- 1. Spalt zwischen Schneckendurchmesser und Zylinderdurchmesser, der sog. Kopfspalt
- 2. Spalt zwischen Kerndurchmesser der einen Schnecke und Außendurchmesser der zweiten Schnecke, der sog. C-Spalt oder auch Walzenspalt
- 3. Spalt zwischen den einzelnen Flanken der einen und der zweiten Schnecke, der sogenannte A-B Spalt oder auch Flankenspalt.
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Jede Art der Strömung einer plastischen Masse, hier einer Kunststoffschmelze durch eine Verengung bzw. durch einen Spalt, führt zu einer Friktionserwärmung. Dabei spielt neben der Spaltweite auch die Geschwindigkeit und die Differenzgeschwindigkeit der angrenzenden Wände eine große Rolle.
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Übliche gegenläufige Doppelschnecken haben eine trapezförmige Ausführung. Die ABSpalten werden z.B. entsprechend der Schneckenausführung zum Druckaufbau zwischen 1mm und 5mm ausgeführt. Es wurde auch versucht, diese Flankenwinkel negativ auszuführen, um dadurch die Lauffläche der Stege zu verbreitern. Diese Laufflächen der Stege stützen sich auf der einen Seite gegen den Zylinder mit dem Kopfspalt ab und auf der anderen Seite bilden sie mit dem Schneckenkern der zweiten Schnecke den sogenannten Walzenspalt. Da der Kerndurchmesser der einen Schnecke und der Durchmesser der Lauffläche von der anderen Schnecke sich deutlich unterscheiden, ist die Relativgeschwindigkeit in diesem Scherspalt sehr unterschiedlich. Dementsprechend entsteht in diesem breiten Spalt eine hohe Dissipationsleistung und dementsprechend eine große Erwärmung der Masse. Eine breitere Ausführung der Schneckenstege führt zur Vergrößerung der Dissipationsleistung.
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Es ist Stand der Technik, im Druckaufbaubereich eine möglichst breite Stegkopfbreite auszuführen, um dadurch die Abstützfläche des Stegkopfes gegen die Zylinderwand möglichst groß auszuführen. Es wird nach dem Stand der Technik davon ausgegangen, dass je breiter der Steg ist, desto geringer der Verschleiß. Außerdem ist es Stand der Technik zu sagen, dass eine Vergrößerung des C-Spalts eine Reduzierung des Verschleißes mit sich bringt. Eine große Stegkopfbreite bedingt aber immer einen geringen Flankenwinkel. Bei üblichen Druckaufbauzonen in gegenläufigen Doppelschnecken liegt der Flankenwinkel zwischen 1° und 6°.
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Entsprechend dem Stand der Technik in 1 sind in einem Zylinder (1) zwei gegenläufig drehende Doppelschnecken (2) und (3) dargestellt. Durch die gegenläufige Rotation entstehen zwischen den beiden Schnecken Spreizkräfte, die zwischen 10-12h (4) und 12-14h (5) zum Verschleiß führen. Verursacht werden diese Spreizkräfte durch die Kräfte in den Walzenspalten (2a) und (3a).
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Zur speziellen Ausführung der Schnecken von gegenläufigen Doppelschneckenextrudern gibt es eine Vielzahl von Veröffentlichungen bzw. Patentanmeldungen
EP 0 983 836 A1 . Hier sei insbesondere die Ausführung der Schneckengeometrie mit äquidistanten Flankenspalten durch eine Evolventenform erwähnt. Diese erzeugte Flankenausführung ist ähnlich wie in der Getriebetechnik. Im Gegensatz zur Getriebetechnik, in denen die Metalle der einzelnen Schnecken bzw. Zahnräder aufeinander abrollen, werden sie bei dieser Schneckenausführung mit einem Spalt ausgeführt.
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Auf der Kunststoffmesse in Düsseldorf, K 2016, wurde eine Schneckengeometrie der Firma Hans Weber Kunststofftechnik gezeigt, bei der die Flanken in einer Wellenform in Umfangrichtung ausgeführt sind. Dadurch wird der dichtkämmende Flankenspalt verlängert und es soll eine verbesserte Plastifizierung entstehen.
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In 2 ist ein konventionelles gegenläufiges Doppelschneckenpaar (2) und (3) in einem Zylinder (1) dargestellt. Dieses Doppelschneckenpaar besteht in der Regel aus mehreren Zonen, die jeweils unterschiedliche Formen und Funktionen haben.
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In 3 sind dem Stand der Technik entsprechende Doppelschnecken (2) und (3) bzw. Spaltbereiche (6), (7) und (8) dargestellt. Der Walzenspalt (6) bleibt bei Rotation konstant, jedoch verändern sich die A-B- Spalten, die theoretisch parallel geplant sind (7) und (8), fertigungsbedingt in ihrer Form sich dermaßen, dass zwischen den gegenüberliegenden Flanken ein linsen- oder o-förmiger Querschnitt, wie in 4 dargestellt, mit (9) und (10) entsteht. Es wird schnell deutlich, dass bei entsprechender Drehung um die Achsen der einzelnen Schnecken eine Variation der Flankenspalte zwangsläufig zu einer ungleichmäßigen Scherung führt und außerdem kaum sehr enge Flankenspalten betrieben werden.
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Die Darstellung nach dem Stand der Technik der Schnittausführung mit äquidistanten Flankenspalten 5 kann dieses kompensieren. Jedoch hat die praktische Erfahrung gezeigt, dass die Ausführung der Schnecken (2) und (3) mit evolventenförmiger Flanke (11) und (12) häufig nur ungenügend in ihrer Präzision hergestellt werden kann und eine Ausführung mit engen Flankenspalten in der praktischen Anwendung nur schwierig umzusetzen ist.
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Dem Stand der Technik entsprechend und in den Ausführungen in 2 bis 5 ist gemeinsam, dass der Stegkopf sehr breit ist und für die großen Spreizkräfte dieser Schneckengeometrie verantwortlich ist und die Flankenwinkel sich daher recht klein ergeben.
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Durch das Kammerförderprinzip hat zudem jede gegenläufige Doppelschnecke eine starke Pulsation im Schneckenvorraum. Um diesen Pulsationseffekt zu reduzieren, werden die A-B-Spalten oder die C-Spalte am Ende der Meteringzone häufig geöffnet. Eine Alternative dazu ist der Einsatz von sogenannten Mischigeln am Ausgang der Meteringzone. Die Mischigel haben jedoch den grundsätzlichen Nachteil, dass sie sehr verschleißträchtig sind und nicht selten einer der Mischzähne abbricht.
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Sowohl Mischigel wie auch das Öffnen der Spalte muss auslegungstechnisch genau betrachtet werden, um den Pulsationseffekt genügend zu reduzieren.
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Die erfinderische Aufgabe besteht darin, eine Ausführung der Schneckengeometrien für gegenläufige, dichtkämmende Doppelschnecken zu entwickeln, die es erlaubt, mit möglichst geringer Friktionserwärmung Druck aufzubauen und die Spreizkräfte während des Druckaufbaus und die Druckpulsation durch die Basisgeometrie zu minimieren. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Verarbeitung von plastischen Stoffen, die mit mindestens zwei gegenläufig, jeweils angetriebenen, miteinander kämmenden Doppelschnecken ausgerüstet sind, gelöst, wobei diese Doppelschnecken zumindest in einer druckaufbauenden Zone mit Stegbreiten und Flankenwinkel der erfindungsgemäßen Art ausgeführt sind.
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In der Regel werden gegenläufige Doppelschnecken mit drei bis acht unterschiedlichen Zonen zur Plastifizierung ausgelegt, wobei u.a. von unterschiedlichen Kompressionsverhältnissen in diesen Zonen gesprochen wird. Jede dieser Zonen hat eine spezifische Plastifizieraufgabe, wie Scheren, Homogenisieren, Komprimieren, Druckaufbau, Entgasung etc. oder eine Kombination von den vorgenannten Aufgaben.
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Der erfinderischen Aufgabe obliegt es mindestens eine der Zonen der Doppelschnecken erfinderisch auszuführen. Durch Modifikationen der erfinderischen Lösung, wie sie später beschrieben sind, können zuvor genannte Aufgagen durch die erfindungsgemäße Schneckengeometrie erfüllt werden.
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Über einen längeren Zeitraum durchgeführte Versuche mit unterschiedlichen Stegformen, insbesondere mit sehr großen Flankenwinkeln und geringer Stegkopfbreite, wie in 6 dargestellt, haben erstaunlicherweise zu sehr gutem Druckaufbau bei geringer Temperaturerhöhung der Masse und zu geringem Verschleiß geführt. Dabei sind (2) und (3) die jeweiligen Schnecken sowie (14) und (15) die Flankenspalte und (13) der Walzenspalt. Durch theoretische Betrachtungen wurden Modelle gefunden, die eine Erklärung der Ergebnisse aus den Versuchen beschrieben haben und Konzepte weiterentwickelt, um die Geometrie weiter zu optimieren.
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In 7 ist ein Teil einer erfindungsgemäßen WW-Schnecke und sein Querschnitt zu erkennen. Die Schnecken werden mit (26) und (27) bezeichnet. Die Stegkopfbreite (17) ist sehr schmal ausgeführt und der Flankenwinkel (16) im Verhältnis zu konventionellen gegenläufigen Doppelschnecken sehr groß ausgeführt. Die Flanken an sich (18) und (19) sind gerade ausgeführt, wobei diese Gerade in Verlängerung durch den Mittelpunkt der WW-Schnecke führt.
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In 7 ist ein Teilausschnitt einer entsprechenden erfinderischen Schnecke dargestellt. Durch die sehr schmale Kopfbreite (17), ausgeführt in der Regel mit maximal 15% des Durchmessers, und bei einem Flankenwinkel (16) von größer 30° entstehen geringe Spreizkräfte, da nur ein sehr kleiner Bereich im C-Spalt große Spreizkräfte verursacht. Folglich werden die gegenläufigen Doppelschnecken nicht mehr so stark an die Zylinderwand gepresst, und der Verschleiß wird deutlichst reduziert. Die Spreizkräfte aus den Flankenspalten sind trotz der großen Winkel nicht stark verschleißfördernd.
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Zum anderen werden die Flanken (18) und (19) linear ausgeführt und die Schnecken können durch diese Art der Ausführung mit einem sehr engen Flankenspalt (14) und (15) hergestellt und betrieben werden.
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Der Walzenspalt ist zum überwiegenden Anteil verantwortlich für die Massetemperaturerhöhung durch Friktion, wobei dieser Walzenspalt in der erfindungsgemäßen Ausführung der Schnecke nur eine geringe Rolle spielt. Durch die spezifische Flankenform werden die erfinderischen Schneckengeometrien als WW-Schnecken bezeichnet.
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Durch die erfindungsgemäße Ausführung mit einer kleinen Stegkopfbreite und einem großen Flankenwinkel verringert sich die Länge des Spaltbereiches als Summe des Flanken- und Walzenspaltes (13), (14) und (15), durch den ein Austausch mit den verbundenen Nachbarkammern stattfinden kann.
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Kurze Längen der Gesamtspalte (13), (14) und (15) führen zu geringeren Leckströmungen mit geringeren Friktionserwärmungen. Dadurch kann mit einer kürzeren Druckaufbauzone ein geforderter Gegendruck aufgebaut werden. Daraus resultiert, dass diese erfindungsgemäßen WW-Schneckenausführung nicht nur druckstabiler ist, sondern auch in der praktischen Ausführung in ihrer Gesamtlänge zum Druckaufbau reduziert werden kann. Dieses ist ein zusätzliches wirtschaftliches Argument.
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Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Lösung ohne Korrektur der Spaltmaße am Schneckenende zu sehr geringen Druckpulsationseffekten im Schneckenvorraum führt.
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In 8 sind die erfindungsgemäße Doppelschnecken (26) und (27) als Ausschnitt A-A bzw. im Längsschnitt dargestellt. Hierbei wird die typische WW-Form der Schnecken (26) und (27) im Schnitt A-A sichtbar.
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Die 9 zeigt die Schnecken (26) und (27) in einer typischen Ausführung. Die Schnitte D-D und E-E zeigen den Verlauf der mit Schmelze gefüllten Volumina (20), (21), (22), (23), (24) und (25), wie sie in einer im Schnittbereich herausgeschnitten Scheibe jeweils vorliegt. Dadurch, dass die Stegkopfbreite (17) sehr schmal ist und der Flankenwinkel (16) sehr groß ist, verändern sich die C-förmigen Volumina mit ihren Schwerpunkten bei jeder Drehbewegung sehr stark.
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Im Vergleich der 9 mit der 2 wird deutlich, dass die Spreizkräfte der Schnecken (26) und (27) in 9 im Gegensatz zu einer konventionellen Schneckengeometrie wie in 2 dargestellt nicht konstant auf einen engen Bereich des Zylinders wirken, sondern entsprechend der Drehposition diese Spreizkräfte in einen größeren Umfangsbereich am Zylinder variieren. Der eigentliche Druckaufbau im Walzenspalt ist durch die geringe Kopfbreite zudem sehr stark reduziert und die Spreizkräfte aus den Spalten der Flanken heraus sind auch gering. Deutlich ist das Wandern der C-förmigen Kammern in 9 mit (20) zu (23) und (24) bzw. (21) und (22) zu (25) in den Schnitten D-D und F-F zu erkennen. Dabei werden die kompletten C-förmigen Volumina im Bereich der Rotation in zwei Segmente aufgeteilt. Die daraus resultierenden Spreizkräfte in Radialrichtung wirkend sind gering und nur ein Bruchteil der bei konventionellen Schneckengeometrien im Flankenspalt verursachten Spreizkräfte.
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Zusätzlich soll erwähnt werden, dass durch die Form dieser C-Kammern in 9 mit den schmalen Schneckenstegen (17) immer Material zwischen der Zylinderwand und den Schneckenstegen als Trenn- bzw. Gleitfilm vorliegt. Somit entsteht keine Trockenreibung zwischen Schneckenlauffläche und Zylinder und auf der anderen Seite ist die Scherbelastung in diesem Bereich nur sehr kurz. Dadurch können diese Schnecken mit deutlich höherer Umfangsgeschwindigkeit als konventionelle gegenläufige Doppelschnecken betrieben werden. Erfahrungen zeigen auch, dass die selbstreinigende Wirkung der WW-Schnecken besonders gut ist. Es gibt keine Totwassergebiete, in denen sich Material ablagern kann oder plate-out entsteht.
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Wird 8 und 9 im Bereich der Schneckenspitze betrachtet, so erkennt der Fachmann sofort, dass durch die Geometrie mit großen Flankenwinkeln bedingt keine oder eine nur unbedeutende Druckpulsation entsteht.
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Während ursprünglich die WW-Doppelschnecken nur zum Druckaufbau eingesetzt wurden, hat sich gezeigt, dass insbesondere durch Einbringung von Ausfräsungen im Flanken- und/ oder Kernbereich eine sehr gute Knetwirkung entsteht. Besonders vorteilhaft haben sich hierbei geradlinige Ausfräsungen gezeigt.
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Die Ausfräsungen im Schneckenkernbereich in geradliniger Form fördern eine Mischwirkung in Längsrichtung.
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Mischsequenzen durch geradlinige Ausfräsungen an der erfinderischen Schneckengeometrie haben den entscheidenden Vorteil, dass sie eine sich langsam verändernde Fließform mit „seichtem Einlauf“ der Veränderung darstellen. Somit entstehen, im Gegensatz zu üblichen Knetnuten in Doppelschnecken, keine Drucksprünge oder sich schnell ändernde Drehmomentänderungen, die negative Auswirkungen auf den Verschleiß bzw. der Dauerfestigkeit der Schnecken haben können.
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Es ist selbstverständlich, dass die Schneckengeometrien in eingängiger, zweigängiger oder mehr gängiger Form ausgeführt werden können. Dieses gilt natürlich auch für stufenlose Änderungen der Gangsteigung, Flankenwinkel bzw. Anzahl der Schneckengänge.
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Eine besondere Ausführung der erfindungsgemäßen Idee ist es, bei gegebenem Achsabstand den Schneckendurchmesser zu vergrößern und dementsprechend das Fördervolumen pro Schneckenumdrehung zu vergrößern. Durch die großen Flankenwinkel können die sogenannten WW-Schnecken auch mit Schneckendurchmessern betrieben werden, die größer zweimal dem Achsabstand entsprechen.
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Dem Stand der Technik entsprechende konventionelle Schneckengeometrien für Gegenläufer, wie sie in 1 bis 5 dargestellt sind, werden bis auf wenige Ausnahmen mit einer offenen Ölkühlung oder mit einem geschlossenen Wassertemperiersystem betrieben. Dieses ist notwendig, um die Friktionsenergie insbesondere aus der Meteringzone abzuführen und ein Überhitzen zu verhindern. Da die WW-Schnecken jedoch deutlich weniger Friktionsenergie aufbauen, ist eine Kühlung der Schnecken in diesem Bereich in der Regel nicht notwendig. Dies führt auch dazu, dass die Kühlbohrungen im Bereich einer Meteringzone nicht notwendig sind. Zudem ist eine Kühlung des Zylinders im Bereich der WW-Schneckengeometrie in der Regel ebenfalls nicht notwendig bzw. wird kaum eingesetzt. Insgesamt trägt die WW-Schnecke erheblich zur Energieeinsparung in der Extrusion bei.
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Es ist auch ein erheblicher Vorteil, wenn die WW-Schneckengeometrie als Druckaufbauaggregat in einer separaten Maschinentechnik eingesetzt wird. In diesem Fall wird die Schneckengeometrie mit einer Schmelze oder einer knetbaren Plastifiziermasse gefüttert und das Aggregat wird ausschließlich zum Druckaufbau eingesetzt. Hierbei ist eine Temperaturerhöhung in der Regel nicht erwünscht bzw. soll möglichst gering gehalten werden, wofür die sogenannte WW-Schneckengeometrie ideale Bedingungen liefert.
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Gegenläufige Plastifizierschnecken für Kunststoffe werden in der Regel mit Umfangsgeschwindigkeiten von ca. 7m pro Minute für die Profilanwendung und max. 12m pro Minute für die Rohranwendung betrieben. Daraus resultieren entsprechend dem Durchmesser Maximaldrehzahlen. Diese Drehzahlen ergeben sich durch eine maximale Friktionserwärmung innerhalb der verschiedenen Schneckenspalten.
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Die sogenannte WW-Schneckengeometrie reduziert den Einfluss der Scherung bzw. Friktionserwärmung auf ein Minimum und reduziert ebenfalls die Spreizkräfte erheblich. Folglich können diese Schneckengeometrien mit deutlich höheren Umfangsgeschwindigkeiten und den daraus resultierenden Drehzahlen betrieben werden. Somit kann das entsprechende Verarbeitungsfenster bzw. die Verarbeitungsbandbreite von gegenläufigen Doppelschneckenextrudern mit der erfindungsgemäßen Schneckengeometrie erheblich vergrößert werden.
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Auf der einen Seite ist dieses für thermisch empfindliche Materialen, wie z.B. PVC, sehr interessant. Auf der anderen Seite hat sich gezeigt, dass bei entsprechender Auslegung der erfindungsgemäßen Schneckengeometrie auch sonst schwierige, insbesondere niedrigviskose Materialen mit Füllstoffen wie Ruß, plastifiziert und ausgetragen werden können. Somit ergeben sich neben erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen des Systems auch komplett neue Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäße Geometrieausführung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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