DE102021115288A1

DE102021115288A1 - Extrusionswerkzeug und verfahren zum erzeugen eines kunststoffprofils

Info

Publication number: DE102021115288A1
Application number: DE102021115288.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Gesper; Brigitte Diekhaus; Heinrich Dohmann
Original assignee: Battenfeld Cincinnati Germany GmbH
Current assignee: Battenfeld Cincinnati Germany GmbH
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2021-06-14
Publication date: 2022-12-15
Also published as: EP4355548A1; WO2022263257A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Profils, insbesondere eines Kunststoffrohres, mittels einer Extrusionsline, umfassend mindestens einen Extruder, ein Extrusionswerkzeug, einen Kalibrier- und Kühltank, sowie eine Abzugsvorrichtung, wobei das Profil mehrschichtig aufgebaut ist, wobei Kunststoff im Extruder aufgeschmolzen und die so erzeugte Kunststoffschmelze zunächst in einem ersten Teilbereich des Extrusionswerkzeugs zur Erzeugung des Profils vorbereitet und einem zweiten Teilbereich zugeführt wird über den die Formgebung des Profils festgelegt wird.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass mindestens eine Schicht des zu erzeugenden Profils durch Rotation eines Rotors einen Drall in Umfangsrichtung erfährt und so die in der Kunststoffschmelze eingebundenen Fasern in Umfangsrichtung ausgerichtet werden und somit eine Lage quer zur Extrusionsrichtung einnehmen, wobei diese mindestens eine erste mit Fasern versehen Schicht von einer zweiten inneren und einer dritten äußeren Schicht eingebettet ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Profils, insbesondere eines Kunststoffrohres, mittels einer Extrusionsline, umfassend mindestens einen Extruder, ein Extrusionswerkzeug, einen Kalibrier- und Kühltank sowie eine Abzugsvorrichtung, wobei das Profil mehrschichtig aufgebaut ist, wobei Kunststoff im Extruder aufgeschmolzen und die so erzeugte Kunststoffschmelze zunächst in einem ersten Teilbereich des Extrusionswerkzeug zur Erzeugung des Profils vorbereitet und einem zweiten Teilbereich zugeführt wird über den die Formgebung des Profils festgelegt wird, sowie eine diesbezügliche Vorrichtung.
Vorrichtung und Verfahren bei denen Kunststoffschmelze durch rotierende Teile einer bestimmten Ausrichtung unterzogen wird, sind beispielsweise aus der DE 692 15 861 T1 bekannt. Es wird darin eine Extrusionsform für die Extrusion kontinuierlicher Profile, beispielsweise von hohlen Rohren oder Wellen, die aus Kunststoffen oder faser- bzw. molekularverstärkten Kunststoffen hergestellt sind, und ein Hohlprofil, welches von der Extrusionsform gebildet wird. Nachteilig hierbei ist, dass die eingebundenen Fasern sich aufgrund des Strömungsverhaltens wieder in Extrusionsrichtung ausrichten und somit der gewünschte Effekt einer Erhöhung der Stabilität deutlich minimiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzubieten mittels der diese Nachteile vermieden werden und vor allem die Scherkräfte, die durch die Berührung der Außenwände auf die Kunststoffschmelze wirken, minimiert werden.
Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahren ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht des zu erzeugenden Profils durch Rotation eines Rotors einen Drall in Umfangsrichtung erfährt und so die in der Kunststoffschmelze eingebundenen Fasern in Umfangsrichtung ausgerichtet werden und somit eine Lage quer zu Extrusionsrichtung einnehmen, wobei diese mindestens eine erste mit Fasern versehene Schicht, von einer zweiten inneren und einer dritten äußeren Schicht eingebettet wird. Damit wird erreicht, dass die ersten Schicht, mit den quer zur Extrusionrichtung ausgerichteten Fasern, unmittelbar nach ihrer Ausrichtung beidseitig von einer weiteren Schicht eingebettet wird und somit diese mit Fasern versehene Schicht keinen Kontakt mehr zur Außenwandung des Schmelzekanals hat. Der Einfluss der Scherkraft, die durch den Kontakt an die Wandung des Schmelzekanals entsteht, wirkt somit nicht mehr auf die mit Fasern versehene Schicht und die Fasern behalten ihre Orientierung bei.
Weiterbildungsgemäß ist vorgesehen, dass das so erzeugte Profil dreischichtig ist und somit die mittlere Schicht die erste Schicht mit den orientierten Fasern ist. Es kann aber auch mittels des Verfahrens ein Profil mit mehr als drei Schichten erzeugt werden, wobei die erste Schicht mit den orientierten Fasern immer von mindestens einer Schicht, sowohl innen als auch außen umgeben ist, es muss aber nicht zwingend die mittlere Schicht von allen Schichten des Profils sein. Es ist auch nicht zwingend notwendig, dass alle Schichten in einem Komplettprozess erzeugt werden. Deshalb wird weiterbildungsgemäß vorgeschlagen, dass ein bestehendes Profil, insbesondere ein Kunststoffrohr, mit einer ersten Schicht, in der die Fasern eingebunden sind, und einer weiteren Schicht ohne Fasern ummantelt wird. Demnach wäre dann die zweite und innere Schicht des Endproduktes das bereits vorgefertigte Profil, die erste Schicht mit den Fasern, in diesem Beispiel die mittlere Schicht und die dritte und äußere Schicht wieder eine Schicht ohne Fasern. Auch bei dieser Ausführungsform wäre wieder sichergestellt, dass die mit Fasern versehene Schicht keinen Kontakt zu den Schmelzekanalflächen hat und somit die Scherkräfte keinen Einfluss auf die Orientierung der Fasern haben.
In einer weiteren Fortbildung ist vorgesehen, dass der Rotor mittels eines beispielsweise am Extrusionswerkzeug angeordneten Antrieb aktiv angetrieben wird und über eine Steuerung dessen Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Abzugsgeschwindigkeit des extrudierten Profils gesteuert oder geregelt wird. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Orientierung der Fasern, zum Beispiel auch bei im Durchmesser kleineren Profilen sichergestellt wird, da derartige Profile eine wesentlich höhere Extrusionsgeschwindigkeit haben, als im Durchmesser grö-ßere oder dickere Profile. Der Rotor muss bei höheren Abzugsgeschwindigkeiten wesentlich schneller drehen, da die Verweilzeit der Kunststoffschmelze, im Bereich in dem der Rotor einen Einfluss auf die Orientierung hat, kleiner ist. Damit die Orientierung der Fasern in der ersten Schicht bestmöglich beibehalten wird, ist vorgesehen, dass, in Extrusionsrichtung betrachtet, eine Kompression in der Kunststoffschmelze aufgebracht wird und bis zum Übergangsbereich, nach dem alle Schichten in einem zusammengeführten einheitlichen Schmelzekanal zusammengeführt wurden, ansteigt oder mindestens konstant gehalten wird. Bedingt durch die Strömung der Schmelze neigen die Fasern sich wieder in Extrusionsrichtung auszurichten.
Damit die Orientierung der Fasern mithilfe des Rotors zusätzlich unterstützt wird, ist vorgesehen, dass der Rotor Öffnung aufweist durch die die Kunststoffschmelze geführt wird. Die Schmelze kann aber auch teilweise über einen Bypass am Rotor vorbeigeführt werden, womit erreicht wird, dass nur Teile der Kunststoffschmelze, die die erste Schicht definiert, mit Fasern durchsetzen werden. Es findet eine definierte Überlagerung der Fasern stattfindet, d.h. an der Oberfläche Ausrichtung in Längsrichtung im restlichen Bereich Ausrichtung in Umfangsrichtung.
Vorteilhafterweise wird die zweite und dritte Schicht direkt/unmittelbar am Ende des Bereiches mit dem Rotor auf die mit Fasern versehene erste Schicht aufgetragen. Dies hat den Vorteil, dass die mit Fasern versetzte erste Schicht direkt von zwei anderen Schichten eingebettete wird und über den zusammengeführten einheitlichen Schmelzekanal direkt dem Kalibrier- und Kühltank zugeführt wird. Es wird somit erreicht, dass die mit Fasern versetzte erste Schicht möglichst schnell als Gesamtschmelze (mit den weiteren Schichten) einfriert (außerhalb des Werkzeuges und in der Kalibrierung) und einen festen Zustand erreicht, wodurch sich die Orientierung der Fasern nicht mehr verändern kann.
Zur Vermeidung von Relaxion der Fasern (Fasern nehme wieder ihre Ursprungsaurichtung ein), ist vorgesehen, dass sich der Fließquerschnitt der Schemelzekanäle in Extrusionsrichtung innerhalb des Extrusionswerkzeuges verkleinert oder mindestens konstant bleibt. Dabei ist es wichtig, dass die Kompression in der Schmelze möglichst stetig steigt und auf keinem Fall einen einmal erreichten Wert unterschreitet. Denn dann wird den Fasern die Möglichkeit geben ihre Ausrichtung wieder zu verändern. Der Weg nach der Vereinigung der Schmelzeschichten bis in die Kühl- und Kalibrierstation ist so kurz wie möglich auszuführen, damit die Schmelze schnellstmöglich einfriert und die Fasern in ihrer Ausrichtung gebunden werden.
Es wird auf vorgeschlagen, die Strecke außerhalb der Vorrichtungen, also im Bereich der freien Luft, ebenfalls kurz zu halten und möglichst ohne Richtungsänderung auszuführen. Damit wird ebenfalls erreicht, dass die Schmelze auf kurzem Weg nach dem Austritt aus dem Extrusionswerkzeug in die Kühl- und Kühlstation gelangt und die Fasern schnell in der Schmelze fixiert werden. Das Ganze kann durch eine zusätzliche Innenkühlung die vorzugsweise als Gegenstromluftkühlung ausgelegt ist, unterstützt werden.
Als Fasern kommen alle in Kunststoff einbettbaren Fasern in Frage, vorzugsweise Glasfasern, wobei dies sowohl Kurz- als auch Langfasern sein können.
Die Lös u n g der Aufgabe bezüglich der Vorrichtung ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 9 dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schmelzekanal ein Rotor angeordnet ist, wobei der Rotor mit einem äußeren Antrieb in Wirkverbindung steht, wobei der Rotor mindestens einen Flügel aufweist, wobei in diesem Flügel Öffnungen zum Durchfließen von Kunststoffschmelze vorhanden sind. Die Anzahl der Flügel am Rotor sind nicht beschränkt und orientieren sich am Durchmesser sowie der Schichtdicke der ersten Schicht des zu produzierenden Profils/Rohres. Für eine gute Orientierung der eingebetteten Fasern in Umfangsrichtung hat sich der Einsatz von zwei oder drei Flügel am Rotor bewährt. Es sind aber auch andere Formen des Rotors denkbar.
Da die Fasern die Oberflächen der im Einsatz befindlichen Materialien sehr stark beanspruchen, ist vorgesehen diese Oberflächen die mit Fasern in Berührung kommen mit einem Verschleißschutz zu versehen, was mindestens für die Flügel des Rotors wichtig ist. Aber auch alle weiteren Oberflächen, wie die Außenwandung der Schmelzekanäle, sowie die Verteiler, sollten einen Verschleißschutz haben. Auch an die Lager der beweglichen Teile, wie die des Rotors, werden erhöhte Anforderungen gestellt, da diese ebenfalls mit den Fasern in Berührung kommen. Auch diese Lager verfügen über einen Verschleißschutz oder einen höheren Härtegrad.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren der vorgeschlagenen Vorrichtung wird erreicht ein Profil fertigen zu können, das eine mit Fasern versetzte Kunststoffschicht aufweist bei der die Fasern eine Orientierung in Umfangsrichtung quer zur Extrusionsrichtung aufzeigen, wodurch die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Da die mit Fasern versetzte Schicht auf beiden Seiten mit einer Schicht ohne Fasern eingebettet ist, wird einerseits erreicht, dass auftretende Scherkräfte, durch Berührung der Kunststoffschmelze an den Außenwandungen des Schmelzekanales, die vorhandene Orientierung der Fasern aufheben und andererseits aufgestellte Fasern überdeckt werden, wodurch Verletzungen bei der Handhabung des Profils vermieden werden. Weiterhin ist der Abstand, vom Einbringen der einzelnen Schichten in die Vorrichtung, bis zum Zusammenführung aller Schichten und die Übergabe an den Kühl- und Kalibrierttank, sehr kurz gehalten, wodurch das Einbetten der mit Faser versehenen Schicht und das Einfrieren des gesamten Kunststoffstranges, möglich schnell erfolgen kann und somit das Beibehalten, der in die vorgegebene Richtung orientierten Fasern, gewährleistet wird.
Das Verfahren eignet sich sowohl für den Einsatz von Lang- als auch für den Einsatz von Kurzfasern. Beim Einsatz von Langfasern liegt die Faserlänge in der Regel zwischen 5-10mm Länge. Beim Einsatz von Kurzfasern ist die Faserlänge kleiner als 1 mm, vorzugsweise zwischen 300 und 500 µm. Bevorzugt kommen Kunststoffe aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) zum Einsatz. Es ist aber nicht ausgeschlossen auch andere thermoplastische Kunststoffe einzusetzen. Wird das Verfahren zum Ummanteln eines bestehenden Kunststoffprofiles genutzt, ist selbstverständlich darauf zu achten, dass das vorhandene Kunststoffprofil von der Kunststoffart zu dem eingesetzten Kunststoff für die Ummantelung passt, der bei der Beschichtung mit der Faser versetzten Schicht zusammenpasst. Sollte die Beschichtung eines Profils, das aus einem anderen Material besteht, erforderlich sein, weil bestimmte Materialeigenschaften, zum Beispiel für ein bestimmtes Medium, welsches durch ein erzeugtes Rohr gefördert werden soll, schließt es den Einsatz dieses erfindungsgemäßen Verfahren nicht zwingend aus. Dann ist es nur erforderlich, dass dieses vorgefertigte Profil mit einem Primer/Haftvermittler versehen wird, damit die erfindungsgemäße erste mit Fasern versetzte Schicht auf diesem vorgefertigten Profil haftet. Es ist sogar denkbar, dass ein Werkzeug zum Einsatz kommt, mittels dem zunächst das vorgefertigte Profil mit einem Primer ummantelt wird, im nächsten Schicht die mit Fasern versetzte erste Schicht aufgetragen wird und im Anschluss dann mit der dritten und äußeren Schicht ummantelt wird.
In den Zeichnungen wird schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt:

1 zeigt eine typische Extrusionslinie
2 einen Schnitt durch ein Werkzeug
3 einen Schnitt durch das Kunststoffprofil

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 auf die gewünschte Länge abzuschneiden ist anschließend eine Trennvorrichtung 5 angeordnet. Die Extrusionsachse ist mit der Positionsziffer 7 gekennzeichnet.
2 zeigt einen Schnitt durch das Werkzeug 2. Die Extrusionsionsachse ist mit der Positionsziffer 7 und die Extrusionsionsrichtung mit der Positionsziffer 8 gekennzeichnet. Über ein Verteilelement wird aufgeschmolzener Kunststoff einem ersten Schmelzekanal 10 zugeführt in dem ein Rotor 9 angeordnet ist. Der Bereich in dem die Schmelze mittels des Rotors 9 rotiert wird (dort werden Fasern 14 einer Orientierung unterzogen) und weitere Schmelzeteile über einen zweiten Schmelzekanal 11, sowie einem dritten Schmelzekanal 12 zugeführt wird, ist mit einem Teilbereich I gekennzeichnet. Der sich daran anschließende Teilbereich II formt das Kunststoffprodukt in einem zusammengeführten einheitlichen Schmelzekanal 13 und übergibt die so geformte Schmelze an den Bereich mit dem Kalibrier- und Kühltank 3. Der Übergansbereich 18 zwischen Werkzeugaustritt und Kühl- und Kalibriertank ist möglichst kurz gehalten, um schnell für ein Eifrieren der Schmelze im Tank zu gewährleisten. Über den Baypass 19 kann die Schmelze auch neben dem Rotor 9 in den einheitlichen Schmelzekanal 13 gelangen.
Eine schematische Darstellung des Fließquerschnittes Q über die Länge L, bis zum Übergangsbereich 18, wo alle Schichten im zusammengeführten einheitlichen Schmelzekanal 13 vorliegen, zeigt der Graf unterhalb der Teilbereiche I und II. Der Querschnitt wird von der Tendenz kleiner und hält somit die Kompression in der Schmelze mindestens aufrecht oder erhöht sie.
3 zeigt einen Schnitt durch ein Profil, hier ein Rohr, wie es durch das Verfahren erzeugt werden kann. Eine erste Schicht 15 ist mit Fasern 14 durchsetzt und von je einer weiteren Schicht umgeben, damit die eventuell aus der ersten Schicht 15 herausragenden Faser 14 überdeckt sind. Die zweite und die dritte Schicht 16 und 17 bilden jeweils eine innere und eine äußere Schicht, wobei die als äußere und dritte Schicht 17 dargestellte Schicht mittels des dritten Schmelzekanals 12 erzeugt wurde. Die als innere und zweite Schicht 16 dargestellte Schicht kann mittels des zweiten Schmelzekanals 11 erzeugt werden oder bereits als vorgefertigtes Rohr dem Werkzeug 2 zugeführt werden und mit den beiden Schichten 15 und 17 ummantelt werden. In diesen Fall fungiert das Verfahren nicht zur Erzeugung eines mehrschichtigen Rohres in einen direkten Extrusionsprozess, sondern als Verfahren zum Ummanteln eines bereits bestehenden Profils.
Bezugszeichenliste

1: Extruder
2: Extrusionswerkzeug
3: Kalibrier- und Kühltank
4: Abzugsvorrichtung
5: Trennvorrichtung
6: Kunststoffrohr
7: Extrusionsachse
8: Extrusionsrichtung
9: Rotor
10: erster Schmelzekanal
11: zweiter Schmelzekanal
12: dritter Schmelzekanal
13: zusammengeführter einheitlicher Schmelzekanal
14: Faser
15: erste Schicht
16: zweite Schicht
17: dritte Schicht
18: Übergangsbereich zu 3
19: Baypass
I: Erster Teilbereich von 2
II: Zweiter Teilbereich von 2
Q: Kompression
L: Strecke in 2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69215861 T1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Profils (6), insbesondere eines Kunststoffrohres, mittels einer Extrusionsline, umfassend mindestens einen Extruder (1), ein Extrusionswerkzeug (2), einen Kalibrier- und Kühltank (3), sowie eine Abzugsvorrichtung, wobei das Profil (6) mehrschichtig aufgebaut ist, wobei Kunststoff im Extruder (1) aufgeschmolzen und die so erzeugte Kunststoffschmelze zunächst in einem ersten Teilbereich (I) des Extrusionswerkzeug (2) zur Erzeugung des Profils (6) vorbereitet und einem zweiten Teilbereich (II) zugeführt wird über den die Formgebung des Profils (6) festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht des zu erzeugenden Profils (6) durch Rotation eines Rotors (9) einen Drall in Umfangsrichtung erfährt und so die in der Kunststoffschmelze eingebundenen Fasern (14) in Umfangsrichtung ausgerichtet werden und somit eine Lage quer zur Extrusionsrichtung (8) einnehmen, wobei diese mindestens eine erste mit Fasern (14) versehene Schicht (15) von einer zweiten inneren und einer dritten äußeren Schicht (17) eingebettet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (6) dreischichtig ist und die mittlere Schicht die erste Schicht (15) mit den orientieren Fasern (14) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein bestehendes Profil mit einer ersten mit eingebunden Fasern (14) versehenen Schicht (15) und einer dritten Schicht (17) ummantelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (9) mittels eines angeordnetem Antrieb aktiv angetrieben wird und über eine Steuerung dessen Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Abzugsgeschwindigkeit des extrudierten Profils (6) gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, in Extrusionsrichtung (8) betrachtet, eine Kompression (K) in der Kunststoffschmelze aufgebracht wird und bis zum Übergangsbereich (18), nach dem alle Schichten in einem zusammengeführten einheitlichen Schmelzkanal (13) zusammengeführt wurden, ansteigt oder mindestens konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschmelze durch Öffnungen im Rotor (6) oder ein Teil des Schmelzestromes über einen Bypass am Rotor (9) vorbei geführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und dritte Schicht (16, 17) unmittelbar am Ende des Bereiches mit dem Rotor (6) auf die mit Fasern (14) versehene erste Schicht (15) aufgetragen werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Relaxion der Falsern (14) sich der Fließquerschnitt in Extrusionsrichtung (8) mindestens konstant bleibt, vorzugsweise sich verkleinert.
Vorrichtung zur Herstellung eines extrudierten Profils (6) mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein Extrusionswerkzeug (2) umfasst, wobei das Extrusionswerkzeug (2) mehrere Schmelzekanäle (10, 11, 12) aufweist in die in einem Extruder (1) aufgeschmolzener Kunststoff über Verteilelemente zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schmelzekanal (10) ein Rotor (9) angeordnet ist, wobei der Rotor (9) mit einem äu-ßeren Antrieb in Wirkverbindung steht, wobei der Rotor (9) mindestens einen Flügel aufweist, wobei in diesem Flügel Öffnungen zum Durchfließen von Kunststoffschmelze vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Flügel des Rotors (9) mit einem Verschleißschutz versehen sind.