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Umlenk-Spritzkopf für Schneckenpressen Beim Verarbeiten von Kunststoff
und Kautschuk mit Schneckenpressen werden hinsichtlich der Konstruktion und Funktion
des Spritzkopfes vielfach folgende Forderungen gestellt : Der aus dem Schneckenkanal
in den Spritzkopf eintretende Fluß des plastifizierten bzw. aufgeschmolzenen Werkstoffes
soll in eine zur Schneckenachse schräg oder rechtwinklig liegende neue Achse umgelenkt
werden und dabei am Ende der Umlenkung vollkommen kreissymmetrisch zur neuen Achse
sein.
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Der Massedruck, die Fließgeschwindigkeit, die Temperatur und auch
die Viskosität sollen also nach der Umlenkung-d. h. vor dem Austrittsspalt des Spritzkopfes-,
in Umfangsrichtung gesehen, keinerlei Unterschiede aufweisen.
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Beispiele für die Verwendung von Umlenk-Spritzköpfen, bei denen die
vorstehend genannten Forderungen erfüllt sein sollten, sind die Herstellung von
zylindrischen oder profilierten Schläuchen und Rohren (soweit man dafür aus bestimmten
Gründen nicht Geradeausköpfe mit Dornhalterstegen verwendet), Schlauchfolien, Ummantelungen
von Drähten, Kabeln usw.
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Das Problem ergibt sich daraus, daß jede Anderung der Bewegungsrichtung
eines in einer quer zu seiner Fließrichtung stehenden Ebene ausgedehnten Massestromes
zwangläufig zu unterschiedlichen Bahnlängen für die einzelnen Querschnittselemente
führt.
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Durch diese Bahnunterschiede werden die physikalischen Kennwerte,
insbesondere Druck, Geschwindigkeit, Temperatur und Viskosität des Werkstoffes,
in verschiedener Weise beeinflußt. Erfahrungsgemäß ist vor allem der Druck am Auslaufende
des Innenbogens immer rober als am Auslaufende des Außenbogens der Umlenkung. Infolgedessen
verläßt die Masse den Austrittsspalt mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, nämlich
auf der Seite des Spritzkopfanschlusses (Innenbogen) mit einer höheren und auf der
Gegenseite (Außenbogen) mit einer niedrigeren Geschwindigkeit. Bei freiem Austritt
zeigt der gespritzte Strang (Schlauch, Rohr usw.) daher eine Krümmung oder, wenn
die Krümmung durch geradliniges Abziehen ausgeglichen wird, eine nach der Zulaufseite
des Spritzkopfes hin zunehmende Wanddicke sowie in jedem Falle innere Spannungen,
die für den Gebrauch des Fertigerzeugnisses mehr oder weniger nachteilig sind.
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Seit mehreren Jahrzehnten ist, zunächst bei den Schräg-und Querspritzköpfen
für die Draht-und Kabelummantelung mit Kautschuk und thermoplastischen Massen, später
auch bei Folienblasköpfen und anderen Umlenkköpfen versucht worden, zu einer
konstruktiv
und funktionell einwandfreien Lösung des Umlenkproblems zu gelangen.
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1. Wegausgleich und Druckausgleich zwischen Innen-und Außenbogen
durch Einbauten wie Herzstücke, Staunocken.
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2. Konstruktionen mit zum Dornschaft tangentialem Zulauf und gewendelter
Dornleitfläche.
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3. Druck-und Flußausgleich mit einem Ringspalt unterschiedlicher
Spaltweite. a) Spalt zwischen einem festen Ring und einem deformierbaren Stellring
hinter dem Austrittsspalt des Kopfes. b) Exzentrische Einstellung des Austrittsspaltes
selbst.
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4. Druck-und Flußausgleich mit Sammelkanal und nachgeschaltetem kreissymmetrischem
Widerstand.
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5. Konstruktionen mit Rohrkrümmer und kreissymmetrischem Dornhalter.
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6. Symmetrierung des Masseflusses durch mehrfache Verzweigungen,
ähnlich wie bei Breitschlitzdüsen für die Herstellung von Flachfolienbahnen.
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7. Es sind auch Umlenkköpfe bekanntgeworden, deren besonderes Merkmal
die Hintereinanderschaltung eines in seiner Spaltweite veränderbaren Ringspaltes
und eines festen zylindrischen Ringspaltes ist. Beide Spalte sind rotationssymmetrisch
und haben im ganzen Umfang gleiche Länge ; sie sind außerdem koaxialkonzentrisch
zueinander angeordnet. Mit einem System dieser Art kann der Massedruck in der Extruderschnecke
und damit die Plastifizierung der in den Schneckengängen befindlichen Masse
beeinflußt
werden. Ein Flußausgleich im Umlenkkopf ist damit jedoch nicht erreichbar, da der
Druckunterschied zwischen Außen-und Innenbogen nicht durch peripher unterschiedliche
Widerstände aufgehoben wird.
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Allgemein weisen die bisherigen Ausführungen der Umlenkköpfe einen
oder mehrere der folgenden Mängel auf : 1. Komplizierte Konstruktion der Bauteile
; zum Teil können diese nur in Handarbeit hergestellt werden.
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2. Zerschneiden des Masseflusses durch die inneren Einbauten des
Spritzkopfes, wie z. B. Herzstücke, Staunocken, Verteilersysteme, Domhalterstege
usw. Nach dem Passieren dieser in, neren Einbauten zeigt der Massefluß gewöhnlich
Nahtstellen, die sich als Längsmarkierungen im Fertigerzeugnis bemerkbar machen
und dessen Gebrauchseigenschaften verschlechtern, zum mindesten aber als äußerliche
Mängel zu werten sind.
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3. Die Flußverhältnisse sind, wenn überhaupt, jeweils nur für einen
bestimmten Werkstoff und unter bestimmten Betriebsbedingungen (Temperatur, Betriebsdruck,
Schneckendrehzahl) ausgeglichen. Bei Verwendung des gleichen Spritzkopfes für einen
anderen Werkstoff oder bei Anwendung anderer Betriebsbedingungen (z. B.
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Anderung der Schneckendrehzahl) ist man gezwungen, den ungleichmäßigen
Fluß durch eine exzentrische Verstellung des Austrittsspaltes auszugleichen. Diese
Verstellung bewirkt zwar, dal3 die pro Zeiteinheit durch die einzelnen Spaltelemente
fliel3enden Werkstoffmengen gleich groß sind ; bei freiem Auslauf tritt das Material
jedoch wegen der unterschiedlichen Spaltweiten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
aus, welche wiederum unterschiedliche Wanddicken in den einzelnen Umfangs-bzw. Querschnittselementen
des gespritzten Schlauches zur Folge haben oder, wenn durch das Abziehen ein Ausgleich
der Wanddicken erfolgt, eine unterschiedliche Verstreckung der einzelnen Querschnittselemente
des Schlauches und damit Strukturunterschiede sowie innere Spannungen verursachen,
die die Gebrauchseigenschaften des Fertigerzeugnisses in ungünstige, r Weise verändern.
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4. Unterschiedliche Scherbeanspruchungen imFlußquerschnitt und als
deren Folge eine uneinheitliche Viskosität, woraus sich wiederum Strukturunterschiede
und innere Spannungen ergeben können.
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5. Die Justierung des Austrittsspaltes erfordert das Nachstellen
von mindestens 3, meist 4, 6 oder 8 Schrauben. Die unterschiedliche Scherbeanspruchung
des Materials bedingt außerdem eine Nachjustierung des Austrittsspaltes, wenn die
Schneckendrehzahl und damit die Durchsatzleistlmg geändert wird.
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Es ist weiterhin bekannt, bei Spritzköpfen von Schlauchpressen zur
Lenkung des Masseflusses einen festen Ringspalt zu verwenden, der zur Beeinflussung
der Fließgeschwindigkeit eine längs seinem Umfang unterschiedliche Spaltlänge aufweist.
Der peripher
unterschiedliche Widerstand bewirkt bei einlaufseitig gleichem Massedruck
unterschiedliche Fließgeschwindigkeiten. Mittels eines solchen Spaltes wird der
Werkstoff beim Durchfließen des Spaltes so beeinflußt, daß es zur Richtungsänderung
kommt, er also aus einer geraden in eine gekrümmte Richtung gelenkt wird. Auf diese
Weise bzw. mit entsprechenden Einrichtungen können schlauchförmige Gebilde mit gekrümmter
Achse (Ringschläuche) hergestellt werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Umlenk-Spritzkopf, der die Mängel
der bisherigen Konstruktionen entsprechender Spritzwerkzeuge vermeidet und darüber
hinaus mit geringstem Aufwand an Stellmitteln ein Höchstmaß an Anpassungsfähigkeit
erreichen läßt.
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Das Neuartige des Umlenk-Spritzkopfes für Schneckenpressen zur Verarbeitung
von thermoplastischem Werkstoff und Kautschuk, bei dem am Spritzkopfmundstück ein
in der Spaltweite veränderbarer und ein fester in an sich konzentrischer Ringspalt
hintereinandergeschaltet sind, besteht erfindungsgemäß darin, daß mindestens einer
der beiden Spalte in den der durch die Schnecken-und Spritzkopfachse bestimmten
Hauptebene benachbarten Bereichen seines Umfangs verschieden große Spaltlängen aufweist.
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Als Ausführungsbeispiele sind in Fig. 1 ein Folienblaskopf und in
Fig. 2 ein Querspritzkopf für die Kabelummantelung dargestellt ; Fig. 3 a bis 3
c zeigen in schematischer Weise verschiedene Möglichkeiten, den Gegenstand der Erfindung
zu verwirklichen.
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Bei jedem der beiden Köpfe nach Fig. 1 und 2 wird der thermoplastische
Werkstoff oder der Kautschuk von einer (nicht dargestellten) Schneckenpresse unter
Druck durch die Eimaßbohrung l an den Dornschaft 2 herangeführt. Der Werkstoff verteilt
sich zunächst um den Dornschaft in einem schräg zur Domachse verlaufenden ringförmigen
Sammelkanal 3 mit relativ großem Querschnitt. Zwischen Einlaßseite und Gegenseite
des Sammelkanals 3 fällt der Massedruck im stationären Betriebszustand symmetrisch
beiderseits des Dornschaftes 2 nach einem bestimmten Gesetz ab. Die praktische Erfahrung
hat gezeigt, daß dieser Druckabfall bei der aus Fig. 1 und 2 zu ersehenden Form
des Sammelkanals eine nahezu lineare Funktion des Umfangswinkels ist. Durch eine
Verminderung des Querschnittes des Sammelkanals zwischen Einlaufseite und Gegenseite
kann der Druckabfall gemindert, also die Kennlinie mehr oder weniger abgeflacht
werden. Aus dem Sammelkanal 3 flieJ3t der Werkstoff im ganzen Umfang durch einen
einstellbaren konischen Ringspalt 4 gleichmäßiger Spaltweite, jedoch für die einzelnen
Umfangselemente unterschiedlicher Länge. Diesem Abschnitt des Flußkanals folgt ein
im allgemeinen erweiterter Abschnitt 5 und der Austrittsspalt 6 zwischen Dornvorderteil
7 und Mundstück 8 (Fig. 1) bzw. zwischen dem durchlaufenden Kabel 9 und Mundstück
8 (Fig. 2).
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Der für den Druckausgleich maßgebende Ringspalt 4 einstellbarer Spaltweite
hat auf der Zulaufseite des Kopfes die größte und auf der Gegenseite die kleinste
Spaltlänge ; dazwischen erfolgt ein stetiger -im allgemeinen linearer-Llbergang.
Bei nicht exakt linearem Druckabfall im Sammelkanal 3 ist die obere Kante 10 des
Ringspaltes 4 entsprechend dem
Druckprofil zu verändern. Die notwendigen
Korrekturen sind meist nur geringfügig und können ohne weiteires nach einem Einfahrversuch
mit dem unkorrigierten Spritzkopf durchgeführt werden.
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In den Beispielsausführungen nach Fig. 1 und 2 wird der Ringspalt
4 zwischen der abgeschrägten Konusfläche 11 des Dornvorderteils 7 und einer entsprechenden
konischen Ausdrehung 12 des Gehäuses 13 gebildet. Das Domvorderteil 7 kann einteilig
(Fig. 1) oder mehrteilig (Fig. 2) konstruiert, axial auf dem Dornschaft 2 verschieblich
(Fig. 1) oder fest mit diesem verbunden sein (Fig. 2). Die mehrteilige Bauweise
ergibt sich bei der Ausführung nach Fig. 2 aus der Forderung nach Austauschbarkeit
des Dornvorderteils (Dornnippel 7 b) entsprechend dem Durchmesser des durchlaufenden
Kabels 9.
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Eine dritte Ausführungsart des Umlenkkopfes -und zwar ein Schlauch-oder
Rohrspritzkopfentsteht aus Fig. 2, wenn das Vorderteil 7b des Schrägkonus mit einer
zylindrischen Verlängerung versehen, also das Kabel 9 durch den bei Schlauch-und
Rohrspritzköpfen bekannter Bauart üblichen Spritzdorn ersetzt wird.
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Für die stufenlose Verstellung des Ringspaltes 4 ist bei jeder der
Ausführungen ein Gewinde 14 auf dem freien Ende des Dornschaftes 2 und eine Stellmutter
15 vorgesehen. Das Dornvorderteil 7 folgt den Bewegungen des Dornschaftes zwangläufig.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 ergibt sich dies für die Aufwärtsbewegung durch die
Aufhängung auf einem Bund am düsenseitigen Ende des Domschaftes 2 und für die Abwärtsbewegung
durch den im Sammelkanal 3 sowie Ringspalt 4 wirkenden Druck des Werkstoffes. Bei
der Ausführung nach Fig. 2 erfolgt die gemeinsame Bewegung von Dornschaft und Dornvorderteil
durch deren feste Verbindung miteinander.
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Statt der gemeinsamen Verstellung von Darnschaft 2 und Dornvorderteil
7 kann, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt, auch eine axiale Verstellung des
Dornvorderteils auf dem feststehenden Dornschaft vorgesehen werden.
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Wesentlich für den Flußausgleich durch den einstellbaren Schrägkonusspalt
4 ist dessen Zusammenwirken mit dem zylindrischen Austrittsspalt 6 zwischen Dornvorderteil
7 und Mundstück 8 (Fig. 1) bzw. zwischen dem durchlaufenden Kabel 9 und Mundstück
8 (Fig. 2) mit über seinen Umfang gleicher Spaltweite und Spaltlänge. Zur Erläuterung
dieses Zusammenhanges diene das folgende überschlägige Zahlenbeispiel.
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Das Druckgefälle p im Sammelkanal 3 betrage p 2 : 1. Bei einer willkürlichen
Ausgangseinstellung des konischen Ringspaltes 4 sei der Teilwiderstand dieses Spaltes
auf der Zulaufseite gleich 20, auf der Gegenseite gleich 8 (relative Einheiten).
Der Teilwiderstand der beiden entsprechenden Umfangselemente des Austrittsspaltes
6 sei gleich 2 (da Länge und Spaltweite des Austrittsspaltes im ganzen Umfang gleich
sind, gilt für beide Seiten der gleiche Wert). Da die Widerstände des konischen
Ringspaltes 4 und des zylindrischen Austrittsspaltes 6 hintereinandergeschaltet
sind, ergibt sich zwischen der rechten und linken Seite des Fließweges bei der willkürlichen
Ausgangsstellung das Widerstandsverhältnis w 20+2 22 = 2, 2 : 1. w'8 +2 10
Wenn nun
durch Betätigen der Axialverstellung der Spalt 4 von dem ursprünglichen Mal3 auf
das 1, 26fache des Ausgangswertes vergrößert wird, verändern sich die entsprechenden
Widerstände im Verhältnis 1, 263 : 1 = 2 : 1, also auf die Werte 10 und 4. Die Widerstandswerte
des zylindrischen Austrittsspaltes 6 bleiben dabei unverändert gleich 2.
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Somit ergibt sich als Widerstandsverhältnis nach der Axialverstellung
w 10-I-2 12 = = = 2:1. w' 4+2 6 Das Widerstandsgefälle w'w zwischen der rechten
und linken Seite des Fließweges entspricht nach der Axialverstellung also exakt
dem Druckgefälle p, im Sammelkanal 3. Der Werkstofffluß ist dann im ganzen Umfang
des Austrittsspaltes 6 gleich stark. Dabei spielen Rückwirkungen der Axialverstellung
auf das Druckgefälle im Sammelkanal keine Rolle. In jedem Falle entspricht einem
bestimmten Druckgefälle pI eine bestimmte Einstellung des Ausgleichsspaltes 4.
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Auch ist diese Spalteinstellung, solange sich das Druckgefälle im
Sammelkanal nicht ändert, unabhängig von der Schneckendrehzahl.
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Eine zweidimensionale Verstellung des Mundstückspaltes 6 wird durch
die eindimensionale Verstellung des Ausgleichsspaltes 4 unnötig gemacht.
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Voraussetzung dafür ist lediglich, daß die Halterung des fliegend
eingespannten Dornschaftes so steif ausgeführt wird. daß unter betriebsmäßigen Bedingungen
eine Verlagerung des Dornvorderteiles nicht erfolgt.
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Statt der in Fig. 1 und 2 dargestellten Konstruktion, bei der ein
veränderbarer Schrägkonusspalt mit einem nicht veränderbaren zylindrischen Austrittsspalt
hintereinandergeschaltet ist (Fig. 3 a), kann auch die Hintereinanderschaltung eines
nicht veränderbaren abgeschrägten zylindrischen oder konischen Spaltes mit einem
veränderbaren symmetrischen konischen Austrittsspalt für den Flußausgleich verwendet
werden (Fig. 3b, 3c). Nimmt man für den (jetzt festen) Teilwiderstand des unsymmetrischen
Spaltes den Wert 20 auf der rechten und den Wert : 8 auf der linken Seite, dagegen
für den (jetzt veränderbaren) Teilwiderstand der entsprechenden Umfangselemente
des symmetrischen konischen Austrittsspaltes in der willkürlichen Ausgangsstellung
den Wert 2 an, so ergibt sich als Widerstandsverhältnis zwischen der rechten und
linken Seite des Fließkanals wieder der Wert 2, 2 : 1. Wird nun der Austrittsspalt
im Verhältnis 1, 26 : 1 verkleinert, so wachsen seine Teilwiderstände im Verhältnis
1 : 1, 263 = 1 : 2, also auf den Wert 4. Damit ändert sich das Widerstandsverhältnis
auf den Wert 20+424 8+4 12 so daß wiederum die Proportionalität zwischen Druck-und
Widerstandswerten erreicht wird.
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Ferner ist es ohne weiteres möglich, statt der stufenlosen Axialverstellung
die Austauschbarkeit eines der die Spalte bildenden Teile vorzusehen. Eine solche
Vereinfachung der Konstruktion kommt jedoch praktisch nur dann in Frage, wenn der
Umlenkkopf als Einzweckkopf eingesetzt oder zum mindesten nicht
für
eine größere Zahl von Werkstoffen verwendet wird.
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Die Vorteile des beschriebenen Umlenk-Spritzkopfes sind folgende
: 1. Einfache Konstruktion derBauteile, insbesondere der Ausgleichselemente ; diese
können sämtlich maschinell hergestellt werden.
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2. Der symmetrisch in beiden Hälften des Sammelkanals 3 verteilte
Werkstofffluß wird auf seinem weiteren Wege durch keinerlei innere Einbauten gestört
und bleibt daher frei von Längsmarkierungen.
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3. Der Umlenkkopf kann für jeden Betriebsfall (Werkstoff, Druck,
Schneckendrehzahl usw.) so eingestellt werden, daß der thermoplastische Werkstoff
oder der Kautschuk den in jedem Falle zentrischen Austrittsspalt in allseitig gleichmäßigem
Fluß verläßt.
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4. Die Einstellung des Kopfes erfolgt durch eine axiale Stellbewegung
und ist praktisch unabhängig von der jeweiligen Schneckendrehzahl.