DE102022127575A1 - Additively manufactured components of an extruder - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Extruder bestehend aus mehreren Bauteilen, wobei zwischen den Bauteilen ein Medium geknetet, gemischt und/oder in Extrusionsrichtung gefördert wird, wobei mindestens zwei der Bauteile zumindest teilweise miteinander im Eingriff stehen. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass mindestens eines der Bauteile rechnerunterstützt konstruiert ist, für dieses Bauteil rechnerunterstützte Fertigungsdaten vorherrschen und auf Basis dieser Fertigungsdaten das Bauteil additiv gefertigt ist, wobei die so gefertigten Bauteile mindestens eine der folgenden Funktionalitäten erfüllen: • ideale Dispergierung des Mediums, • thermisches Homogenisieren mit einer gezielten Temperatursteuerung des Mediums, • mechanisches Homogenisieren des Mediums, • Aufschmelzen des Mediums. Weiterhin betriff die Erfindung ein diesbezügliches Verfahren sowie ein Bauteil.The invention relates to an extruder consisting of several components, wherein a medium is kneaded, mixed and/or conveyed in the extrusion direction between the components, wherein at least two of the components are at least partially in engagement with one another. According to the invention, it is provided that at least one of the components is designed with computer support, computer-supported manufacturing data predominates for this component and the component is additively manufactured on the basis of this manufacturing data, wherein the components manufactured in this way fulfill at least one of the following functionalities: • ideal dispersion of the medium, • thermal homogenization with targeted temperature control of the medium, • mechanical homogenization of the medium, • melting of the medium. The invention also relates to a related method and a component.
Description
Die Erfindung betrifft einen Extruder, bestehend aus mehreren Bauteilen, wobei zwischen den Bauteilen ein Medium geknetet, gemischt und/oder in Extrusionsrichtung gefördert wird, wobei mindestens zwei der Bauteile zumindest teilweise miteinander im Eingriff stehen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Bauteiles sowie das Bauteil selbst.The invention relates to an extruder consisting of several components, wherein a medium is kneaded, mixed and/or conveyed in the extrusion direction between the components, wherein at least two of the components are at least partially in engagement with one another. The invention further relates to a method for producing the component and the component itself.
Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So wird beispielsweise in der Internet-Veröffentlichung auf Chemitechnik.de im Bericht vom 08. Sep. 2011 von Thomas Malzahn eine Vorrichtung zum Dispergieren, und gezielter Temperierung von plastischer Kunststoffmasse in einem Planetwalzenextruder beschrieben.Such devices are known from the state of the art. For example, in the Internet publication on Chemitechnik.de, in the report from September 8, 2011 by Thomas Malzahn, a device for dispersing and specifically controlling the temperature of plastic mass in a planetary roller extruder is described.
Die Vorrichtung des Planetwalzenextruders ähnelt einem Planetengetriebe mit extremer Verzahnungsbreite und einer Drallverzahnung. Bei Drehung der Zentralspindel wälzen sich die Planetspindeln auf der Zentralspindel und dem innenverzahnten Walzenzylinder ab und laufen planetenartig um. Bei diesem Vorgang wird das Material erfasst, durch das Eintauchen der Spindelzähne in die korrespondierenden Zahnlücken zu dünnen Schichten ausgewalzt und mit Hilfe der Drallverzahnung nach vorne transportiert. Durch diese wiederholte Dünnschichtauswalzung wird eine exakte Temperaturführung sowie Dispergierung über den gesamten Aufbereitungsprozess ermöglicht.The device of the planetary roller extruder resembles a planetary gear with an extremely wide toothing and a spiral toothing. When the central spindle rotates, the planetary spindles roll on the central spindle and the internally toothed roller cylinder and rotate like a planet. During this process, the material is captured, rolled out into thin layers by the spindle teeth dipping into the corresponding tooth gaps and transported forward with the help of the spiral toothing. This repeated thin-layer rolling enables precise temperature control and dispersion throughout the entire processing process.
Mit Hilfe der Fertigung von der Zylinderbuchsen mittels Tiefenerodierung können Zylinderbuchsen mit spezieller Wanddickenminimierung hergestellt werden. Die dünne Außenwand ermöglicht eine verbesserte Temperierung des Mediums über die Zylinderbuchse.By manufacturing cylinder liners using deep erosion, cylinder liners can be manufactured with a special wall thickness minimization. The thin outer wall enables improved temperature control of the medium via the cylinder liner.
Aber gerade bei der Zylinderbuchse mit der gedrallten Innenverzahnung sind bezüglich der Verzahnungsausführung (Modul; Steigungsveränderungen; gezielte Staustufe; Verzahnung mit gegenläufiger Steigung; usw.) fertigungstechnisch eindeutige Grenzen gesetzt.But especially in the case of the cylinder liner with the twisted internal toothing, there are clear manufacturing limitations with regard to the toothing design (module; pitch changes; targeted barrage; toothing with opposite pitch; etc.).
Der zur Verfügung stehende Platz zur Bearbeitung der Zylinderinnenfläche schränkt geometrische Ausführungsmöglichkeiten erheblich ein.The space available for machining the inner cylinder surface considerably limits geometric design options.
D.h. bei einem Plantwalzenextruder kann die Ausführung der Verfahrenseinheit nicht so individuell den verfahrenstechnischen Anforderungen entsprechend ausgeführt werden, wie es bei den Ein- und Doppelschneckenextrudern heute umgesetzt wird.This means that with a plant roller extruder, the design of the processing unit cannot be designed to meet the process engineering requirements as individually as is the case with single and twin screw extruders today.
Die Vorteile von ineinandergreifenden Bauteilen mit einer unterschiedlichen Geometrie über ihre Länge, wurde bereits in Kunststoffe 05/2005 vom Carl Hanser Verlag, offengelegt. Dort wird eine Mehrzonenschnecke beschrieben, bei der ein Schneckenpaar durch eine Zentralschnecke ersetzt wird, in die gegenüberliegend je eine kleine Schnecke eingreift.The advantages of interlocking components with a different geometry along their length were already disclosed in Kunststoffe 05/2005 by Carl Hanser Verlag. There, a multi-zone screw is described in which a pair of screws is replaced by a central screw, into which a small screw engages on each opposite side.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung komplexer Bauteile in der Extrusionstechnik derart zu ermöglichen und zu vereinfachen, damit verfahrenstechnische Anforderungen ermöglicht umgesetzt sowie Herstellkosten und Produktionszeit der Bauteile minimiert werden können. Weiterhin umfasst die Aufgabe mittels der hergestellten Bauteile einen Extruder anzubieten und ein entsprechendes Verfahren, um derartige Bauteile herzustellen.The object of the invention is to enable and simplify the production of complex components using extrusion technology in such a way that process engineering requirements can be implemented and manufacturing costs and production time of the components can be minimized. The object also includes offering an extruder using the components produced and a corresponding process for producing such components.
Die Lös u n g der Aufgabe bezüglich der Vorrichtung ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Bauteile rechnerunterstützt konstruiert ist, für dieses Bauteil rechnerunterstützte Fertigungsdaten vorherrschen und auf Basis dieser Fertigungsdaten das Bauteil additiv gefertigt ist, wobei die so gefertigten Bauteile mindestens eine der folgenden Funktionalitäten erfüllen:
- • ideale Dispergierung des Mediums,
- • thermisches Homogenisieren mit einer gezielten Temperatursteuerung des Mediums,
- • mechanisches Homogenisieren des Mediums,
- • Aufschmelzen des Mediums.
- • ideal dispersion of the medium,
- • thermal homogenization with targeted temperature control of the medium,
- • mechanical homogenization of the medium,
- • Melting of the medium.
Es kommt eine Vielzahl an Bauteilen infrage die miteinander im Eingriff stehen und gemäß der Erfindung hergestellt werden können. Es können somit zum Beispiel die Komponenten eines Planetwalzenextruders wesentlich mehr den verfahrenstechnischen Anforderungen angepasst werden. Analog zu den Schneckenausführungen von Ein- und Doppelschneckenextruder. Wesentlich ist, dass mit der Erfindung Bauteile produziert werden können, die wenigstens die im Anspruch wiedergegebenen Funktionalitäten oder eine Kombination aus diesen abdecken können. Aus dem mittels CAD rechnerunterstützt konstruierten Bauteilen werden wiederum rechnerunterstützt Fertigungsdaten erzeugt, die ähnlich wie bei der Herstellung von Teilen mittels CNC Maschinen, nun für die additive Fertigung der Bauteile herangezogen werden. Bei der additiven Fertigung wird Materialschicht für Materialschicht aufgetragen und so ein dreidimensionaler Gegenstand erzeugt.A large number of components are possible which are in contact with one another and can be manufactured according to the invention. For example, the components of a planetary roller extruder can be adapted to the process engineering requirements much more closely. Analogous to the screw designs of single and twin screw extruders. It is important that the invention can be used to produce components which can cover at least the functionalities specified in the claim or a combination of these. From the components designed using CAD, computer-aided manufacturing data is generated, which is used for the additive manufacturing of the components in a similar way to the manufacture of parts using CNC machines. In additive manufacturing, material is applied layer by layer, thus creating a three-dimensional object.
Mittels der additiven Fertigung, auch als 3D-Druck bekannt, können sehr komplexe Bauteile hergestellt werden, da eine Zugänglichkeit zu Verbindungsstellen bei der Montage einzelner Bauteile nicht berücksichtigt werden müssten. Auch spielt die herkömmliche Berücksichtigung der Herstellbarkeit des Bauteils eine untergeordnete Rolle, da durch die additive Fertigung neu Möglichkeiten geschaffen werden auch sehr komplexe Ausführung mittels dieses Verfahrens zu erzeugen.Using additive manufacturing, also known as 3D printing, very complex components can be manufactured, since accessibility to connection points does not have to be taken into account when assembling individual components. The traditional consideration of the manufacturability of the component plays a subordinate role, since additive manufacturing creates new possibilities for producing even very complex designs using this process.
Weiterbildungsgemäß ist vorgesehen, dass sich über die Länge des additiv gefertigten Bauteils die Kontur und/oder die Geometrie verändert. Dies hat den Vorteil, Einfluss auf das Transportverhalten zu nehmen derart, dass es innerhalb eines Bausegmentes unterschiedliche Verweilzeiten realisiert, werden können. Insbesondere beim PWE wird in der Regel mit Spalten in der Verzahnung gearbeitet. Die Planetspindel kann sich dabei frei innerhalb dieses Spaltes bewegen. Mittels hier beschriebener Möglichkeiten kann die Bewegungsfreiheit der Planetspindel eingeschränkt werden. Weiterhin liegt ein Vorteil darin, dass analog zur Mehrzonenschnecke bei dem, ein oder Doppelschenckenextruder über die Schneckenlänge unterschiedliche Verfahrensschritte z.B. Druckaufbau; Aufschmelzen; thermisch und mechanisch dispergieren; realisiert werden können.According to the development, the contour and/or geometry is designed to change over the length of the additively manufactured component. This has the advantage of influencing the transport behavior in such a way that different dwell times can be realized within a construction segment. In the case of PWE in particular, gaps in the gearing are usually used. The planetary spindle can move freely within this gap. The freedom of movement of the planetary spindle can be restricted using the options described here. Another advantage is that, analogous to the multi-zone screw, different process steps, e.g. pressure build-up, melting, thermal and mechanical dispersion, can be realized over the screw length in the single or double-screw extruder.
Gemäß einer weiteren Fortbildung ist vorgesehen, dass die sich über die Länge des additiv gefertigten Bauteils verändernde Kontur eine veränderte Verzahnung umfasst, wobei die Steigung dieser Verzahnung sich stetig, linear, progressiv, degressiv oder abrupt ändern kann. Das hat den Vorteil Kompakt zu bauen und flexibel in der Umsetzung der verfahrenstechnischen Vorgaben zu sein.According to a further development, the contour, which changes over the length of the additively manufactured component, includes a changed gearing, whereby the pitch of this gearing can change continuously, linearly, progressively, degressively or abruptly. This has the advantage of being compact and flexible in the implementation of the process engineering specifications.
Vorteilhaft ist es, wenn die Erfindung bei einem Planetwalzenextruder umgesetzt, der aus einem Planetwalzenzylinder, einer Zentralspindel und mehreren Planetspindeln besteht, wobei die Planetspindeln sowohl mit der Zentralspindel als auch mit dem Planetwalzenzylinder mindestens teilweise im Eingriff steht.It is advantageous if the invention is implemented in a planetary roller extruder which consists of a planetary roller cylinder, a central spindle and several planetary spindles, wherein the planetary spindles are at least partially in engagement with both the central spindle and the planetary roller cylinder.
Es können unterschiedliche Steigung innerhalb eines Planetwalzensystems eingesetzt werden oder auch gegensätzliche Steigungen zum Einsatz kommen. Die Übergänge können dabei fließend erfolgen oder aber abrupt, was nur über das erfindungsgemäße additive Fertigungsverfahren ermöglicht wird. Dabei kann die Grundgeometrie konstant bleiben aber auch geändert werden, wodurch ein Wechsel des Verzahnungsmoduls erreicht wird. Es ist aber auch eine völlig andere Ausgestaltung mit der additiven Fertigung denkbar.Different pitches can be used within a planetary roller system, or opposing pitches can be used. The transitions can be smooth or abrupt, which is only possible using the additive manufacturing process according to the invention. The basic geometry can remain constant but can also be changed, thereby changing the gear module. However, a completely different design is also conceivable using additive manufacturing.
Gemäß einer weiteren Fortbildung wird vorgeschlagen die Planetspindel teilweise mit keiner Verzahnung auszuführen, sodass sie dort nur eine allgemeine, zum Beispiel eine zylindrische, Geometrie umfasst. Die Planetspindel wird dann weiterhin sicher im System geführt, es entstehen aber wesentlich engere Zwischenräume, die für die erfindungsgemäße Erfüllung von geforderten Funktionalitäten förderlich sein können.According to a further development, it is proposed to partially design the planetary spindle without any gearing, so that it only has a general geometry, for example a cylindrical one. The planetary spindle is then still guided safely in the system, but much narrower gaps are created, which can be beneficial for the fulfillment of required functionalities according to the invention.
Die heute bekannten Staustufen, können auch durch einen durchmessergroßen Zylinderabschnitt auf der Planetenspindel realisiert werden. Vorteilhaft gegen über dem Stand der Technik ist, dass bei den Staustufen, die durch einen durchmessergroßen Zylinderabschnitt auf der Planetenspindel realisiert werden, so durch die Erfindung eine dynamische Staustufe realisiert werden kann, die sich wesentlich leichter reinigen lässt.The weirs known today can also be implemented using a large-diameter cylinder section on the planetary spindle. The advantage over the state of the art is that, in the case of weirs implemented using a large-diameter cylinder section on the planetary spindle, the invention enables a dynamic weir to be implemented that is much easier to clean.
Die Planetspindel kann aber auch komplex bauen und komplett oder teilweise hohl sein. Damit wird unter anderem ein größeres Volumen geschaffen und eine bessere Durchmischung erreicht, die Verzahnung bleibt aber dabei erhalten.The planetary spindle can also be complex and completely or partially hollow. This creates a larger volume and achieves better mixing, but the gearing is retained.
Das gilt selbstverständlich für ein oder auch für mehrere Planetspindeln.This of course applies to one or more planetary spindles.
Durch die erfindungsgemäße additive Fertigung der Bauteile kann gemäß einer Weiterbildung erreicht werden, dass bestimmte Bauteile bereits mit Öffnungen versehen werden, die als Temperierkanäle, zur Einspritzung, zur Entgasung oder für weiter Funktionen verwendet werden können. Der Ausführung solcher Öffnungen sind auch hier kaum Grenzen auferlegt. Herkömmliche Bohrungen sind immer zylindrisch und gerade, durch die additive Fertigung können diese sich im Durchmesser verändern oder gebogen sein, also der Anforderung der gewünschten Funktion angepasst werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine zusätzlichen Dichtungen erforderlich sind. Durch diese Öffnungen kann z. B. Luft oder Wasser geführt werden oder sie können für die Messtechnik zum Einsatz kommen.According to a further development, the additive manufacturing of the components according to the invention means that certain components can already be provided with openings that can be used as temperature control channels, for injection, for degassing or for other functions. There are hardly any limits to the design of such openings. Conventional holes are always cylindrical and straight, but additive manufacturing allows them to change their diameter or be bent, i.e. to be adapted to the requirements of the desired function. Another advantage is that no additional seals are required. Air or water can be fed through these openings, for example, or they can be used for measurement technology.
Die Lös u n g der Aufgabe bezüglich des Verfahrens ist im Anspruch 9 wiedergegeben. Für die zu erfüllenden Funktionalitäten ist zu beachten, dass diese in einem bestimmten Zeitfenster erfüllt werden, denn je nach eingesetztem Material wird dies unter Umständen geschädigt, wenn die Erfüllung der Funktionalitäten zu langer Zeit in Anspruch nimmt. So können z.B. manche Kunststoffe bei einer zu langen Verweilzeit thermisch geschädigt werden oder sofern im Extruder Lebensmittel mit Fetten gemischt werden, diese dann unbrauchbar werden.The solution to the problem with regard to the method is given in
Die Lös u n g der Aufgabe bezüglich des Produktes werden im Anspruch 10 wiedergegeben.The solution to the problem regarding the product is given in
Idealerweise wird die rechnergestützte Geometrie mit Hilfe einer gezielten Strömungssimulation erstellt. Diese kann mehrfach wiederholt werden, um die Geometire in agilen Prozessen zu verbessern. Denn nur so kann im Vorfeld sichergestellt werden die gewünschten Ziele: homogenes Aufschmelzen; Abkühlen und Aufheizen sowie das Dispergieren so optimal wie möglich zu erreichen.Ideally, the computer-aided geometry is created using a targeted flow simulation. This can be repeated several times to improve the geometry in agile processes. This is the only way to ensure in advance the desired objectives: homogeneous melting; cooling and heating as well as dispersion as optimally as possible.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments arise from the subclaims.
In den Zeichnungen wird schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt:
-
1 zeigt symbolisch einen Extruder, -
2 zeigt schematisch einen Planetwalzenextruder, -
3 zeigt einen Schnitt gemäß2 , -
4 zeigt schematisch zwei im Eingriff stehende komplexe Bauteile und -
5 zeigt beispielhaft einen Teilschnitt durch ein komplex bauendes Planetwalzenteil -
6 beispielhaft komplex bauendes Planetwalzenteil mit einer Planetpindel ohne komplette Verzahnung -
7a -d zeigen beispielhaft Ausführungsformen einer komplexen Planetspindel
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1 symbolically shows an extruder, -
2 shows schematically a planetary roller extruder, -
3 shows a section according to2 , -
4 shows schematically two complex components in engagement and -
5 shows an example of a partial section through a complex planetary roller part -
6 exemplary complex planetary roller part with a planetary spindle without complete gearing -
7a -d show exemplary embodiments of a complex planetary spindle
In der Darstellung gemäß
In allen Figuren in denen ein Planetwalzenextruder 7 dargestellt ist, wurde zu Verdeutlichung nur jeweils eine Planetspindel 10 dargestellt. Selbstverständlich umfasst die Erfindung auch Ausführungsformen bei denen mehrere Planetspindeln 10 um die Zentralspindel 9 angeordnet sind und mit der Zentralspindel 9 und gegeben falls auch mit dem Plantwalzenzylinder 8 im Eingriff stehen. Mehre derartig dargestellte Module können als Reihenschaltung in Extrusionsrichtung hintereinander angeordnet werden und so einen sehr komplex bauenden Extruder 1 zur Verfügung stellen.In all figures in which a planetary roller extruder 7 is shown, only one
Planetwalzenextruder werden i.d.R. mit sich kämmenden Verzahnungs-Geometrien eingesetzt, wobei die Verzahnungsgeometrie eine Steigung hat, üblicherweise Schrägverzahnung genannt. Profil und Steigung dieser Geometrien sind üblicherweise über die Länge des Bauteils im Wesentlichen konstant. Bekannt ist, dass einzelne Zähne oder auch mehrere Zähne ganz oder teilweise entfernt werden. Bekannt ist auch, dass eine zusätzliche Geometrie eingebracht wird (Noppenspindel).Planetary roller extruders are generally used with meshing gear geometries, whereby the gear geometry has a pitch, usually called helical gearing. The profile and pitch of these geometries are usually essentially constant over the length of the component. It is known that individual teeth or even several teeth are completely or partially removed. It is also known that an additional geometry is introduced (knob spindle).
In
In
Die Innenkontur kann dabei frei gestaltet werden, insbesondere im adaptiven Verfahren:
- Diese Gestaltung ist prädestiniert für das adaptive Fertigungsverfahren, aber nicht auf Planetwalzenextruderbauteile beschränkt. Denkbar ist auch eine Kombination solch einer hohlen Form mit z.B. üblichen Geometrien an Extruderschnecken, wie beispielhaft bei Scher- und Mischteilen einzusetzen.
- This design is ideal for the adaptive manufacturing process, but is not limited to planetary roller extruder components. It is also conceivable to combine such a hollow shape with, for example, the usual geometries of extruder screws, for example in shearing and mixing parts.
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
- 11
- ExtruderExtruders
- 22
- Erstes Bauteil des ExtrudersFirst component of the extruder
- 33
- Zweites Bauteil des ExtrudersSecond component of the extruder
- 44
- EinfülltrichterFilling funnel
- 55
- Antriebdrive
- 66
- ExtrusionsrichtungExtrusion direction
- 77
- PlanetwalzenextruderPlanetary roller extruder
- 88th
- PlanetwalzenzylinderPlanetary roller cylinder
- 99
- ZentralspindelCentral spindle
- 1010
- PlanetspindelPlanetary spindle
- 1111
- VerzahnungGearing
- 1212
- Verzahnung AGearing A
- 1313
- Verzahnung BGearing B
- 1414
- Verzahnung CGearing C
- 1515
- Geometrie von 10, die nicht mehr im Eingriff istGeometry of 10 that is no longer in engagement
- 1616
- Hohlraum in 10Cavity in 10
- 1717
- ZusatzspindelAdditional spindle
Claims (11)
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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Legal Events
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