DE1271377B - Schneckenstrangpresse - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

B29f

Deutsche Kl.: 39 a4-3/00

1271 377
P 12 71 377.8-16
17. Januar 1956
27. Juni 1968

Die Erfindung betrifft eine Schneckenstrangpresse mit einer Verdichtungszone und mit einer daran anschließenden Umwandlungszone zum Verarbeiten thermoplastischer Kunststoffe.

Es ist eine bekannte Tatsache, daß die Temperaturbedingungen im Innern einer Kunststoffspritzmaschine kritische Faktoren darstellen, die das Spritzen thermoplastischer Kunststoffe beeinflussen. !Bisher sind die kontinuierlich arbeitenden Kunststoffspritzmaschinen, die mit einer Kunststoff-Schneckenförderung versehen sind, mit äußeren Heiz- und Kühleinrichtungen ausgestattet, um selektiv während eines Spritzvorgangs Wärme dem Spritzzyliner zu- oder von diesem abzuführen, um die Temperatur des thermoplastischen Materials zu regeln.

üblicherweise wird ein Wärmeübertragungsmittel, wie öl oder Wasser, durch Kanäle für einen Wärmeaustausch geleitet, die sowohl in der Förderschnecke als auch in der Wandung des Spritzzylinders vorgesehen sind. Die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Wärmeübertragers wird gewöhnlich von üblichen wärmeempfindlichen Regeleinrichtungen gesteuert, um bestimmte Durchschnittstemperaturen im Spritzzylinder aufrechtzuerhalten.

Wird eine äußere Heizung oder Kühlung angewandt, um die Temperatur einer plastischen Masse innerhalb des Spritzzylinders zu regeln, so ist es unvermeidlich, daß diejenigen Schichten der Masse, die in direktem Kontakt mit der geheizten oder gekühlten Fläche der Förderschnecke und des Spritzzylinders stehen, von Temperaturänderungen der letzteren sehr stark und schnell beeinflußt werden. Andere Bereiche der plastischen Masse, die von den Flächen der Förderschnecke und des Spritzzylinders weiter entfernt sind, werden in geringerem Maße bzw. langsamer beeinflußt. Da der Fluß der thermoplastischen Masse durch den schraubenförmigen Kanal, den die Stege der Förderschnecke bilden, völlig vom Reibungswiderstand zwischen der Masse und der Oberfläche der Förderschnecke und des Spritzzylinders abhängt, wird die volumetrische Konstanz der Ausspritzgeschwindigkeit durch die resultierenden Änderungen der Beweglichkeit der Grenzschichten beträchtlich gestört.

Wird während des Betriebs einer Schneckenstrangpresse zu einem bestimmten Zeitpunkt von der Temperaturregeleinrichtung ein Temperaturanstieg der plastischen Masse über einen bestimmten, festgelegten Regelpunkt hinaus ermittelt, so wird die Kühleinrichtung automatisch betätigt, um mit Hilfe eines Wärmeübertragungsmittels mit einer relativ niedrigen Temperatur durch Wärmeaustausch eine Schneckenstrangpresse

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

6200 Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Richard Davis Gambrill, Edlewylde, Md.;

Alvin Nelson Gray, Edgewood, Md. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 24.^JJanuar 1955 (483 664),

vom 2. November 1955

(544413)

Kühlung zu erzielen. Durch die gekühlten Wandungen der Förderschnecke und des Spritzzylinders werden die angrenzenden Schichten der thermoplastischen Masse, wie beschrieben, stärker gekühlt und die Beweglichkeit dieser Schichten stark verringert.

Ergibt sich auf der anderen Seite die Notwendigkeit einer Erwärmung, so werden die in direktem Kontakt mit den erwärmten Flächen der Förderschnecke und des Spritzzylinders stehenden Schichten der thermoplastischen Masse erhitzt und dementsprechend die Beweglichkeit erhöht und der Reibungswiderstand stark herabgesetzt. Auch dadurch entsteht eine plötzliche und deutliche Änderung der Ausspritzgeschwindigkeit gegenüber . der während des Kühlvorganges. Durch überhitzen der thermoplastischen Masse kann außerdem eine thermische Qualitätsminderung eintreten.

Diese starken Schwankungen der Ausspritzgeschwindigkeit und die thermische Qualitätsminderung des plastischen Material haben nachteilige Wirkungen auf das gespritzte Erzeugnis; insbesondere, wenn es sich bei dem gespritzten Erzeugnis um eine Isolierschicht auf einem drahtförmigen Leiter handelt, verursachen wechselnde Zu- und Abnahmen der Ausspritzgeschwindigkeiten entsprechende Schwankungen in der Dicke der Isolierschicht. Da die meisten Erzeugnisse dieser Art eine gewisse minimale dielektrische Stärke bzw. Isolationswiderstand haben müs-

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sen. ist eine entsprechend größere Materialmenge des Intensitätsgrades so rasch und soviel wie möglich für den Erhalt des Mindestdurchmessers aufzuwenden, erfolgt.

als man benötigen würde, wenn eine exakte Kontrolle Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß die des Isolationsdurchmessers zu erreichen wäre. Daher Umwandlungszone etwa die Hälfte der gesamten lsi alles Material, das über den notwendigen Mindest- 5 Schnecke ausmacht, wobei in vorteilhafter Weise durchmesser hinausgeht, als vergeudet anzusehen. der Schneckenzylinder einen konstanten Durchmesser I'.s erscheint daher als wünschenswert, eine äußere aufweist. Insbesondere zur Erreichung eines einwandllei/.ung bzw. Kühlung bei einer Spritzvorrichtung freien Homogenitätsgrades ist es von Vorteil, wenn giinzlich zu beseitigen und die erforderliche Erwär- das Austragsende der Schneckenstrangpresse mit mung durch mechanische Energie zuzuführen, indem 10 einem konstanten Förderquerschnitt versehen ist. ilk· thermoplastische Masse beim Durchkneten die- Für eine Anpassung an verschiedene Betriebsbedinselbe Wärme erzeugt und von außen keine Wärme gungen ist die Schnecke mit einer veränderbaren /11- oder abgeführt werden muß. Drehkraft antreibbar.

Es ist bereits bekanntgeworden, daß es bei Schmelz- Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme

wie auch Plastifizierungsextrudern möglich ist, unter 15 auf die Zeichnungen erläutert werden: gewissen Umständen mit adiabatischer Erwärmung F i g. 1 ist eine Vorderansicht einer Ausführungs-

des Kunststoffs zu arbeiten, d. h. mit einer Erwärmung form der erfindungsgemäßen Schneckenstrangpresse; des Kunststoffs, die nur bei Formänderungsarbeit F i g. 2 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung am festen und bei Schwervorgängen unter Druck nach Fi g. 1, von der linken Seite her gesehen; innerhalb des viskosen Werkstoffs während des zur 20 Fig. 3A und 3B bilden zusammen einen ver-Endviskosität führenden Fördervorganges erzeugt größerten, teilweisen Horizontalschnitt in der wird. Ebene 3-3 der F i g. 2, wobei einzelne Teile weggelassen

Weiter ist eine Vorrichtung zum Herstellen von sind;

Kunstharzpreßmischungen bekannt, bei der eine F i g. 4 stellt grafisch die Änderung des Schaft-

Schnecke in einem Gehäuse umläuft, wobei der Förder- 25 radius längs der Achse einer Förderschnecke und querschnitt zum Austragsende hin verringert wird, einer Konditionierspitze dar;

indem die Schneckenwände eine zunehmende Ver- F i g. 5 ist ein vergrößerter teilweiser Horizontal-

ringerung des Abstands der Schneckenstege auf- schnitt in der Längsachse eines Spritzzylinders einer weisen und Schnecke und Gehäuse sich konisch anderen Ausführungsform der Erfindung; verjüngen. Das Kunstharzgut wird dabei durch Hei- 30 F i g. 6 ist eine grafische Darstellung der Ändezung auf Schmelztemperatur gebracht und auch rung des Schaftradius längs der Achse einer Fördervon außen gekühlt. Neben der erforderlichen Er- schnecke und Konditionierspitze, die Teile einer wärmung und Kühlung von außen ist es auch nach- abgewandelten Ausführungsform der Erfindung darteilig, daß diese bekannten Vorrichtungen in ihrer stellen;

Austragsleistung begrenzt sind. 35 F i g. 7 und 8 sind schematische Darstellungen

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe von Förderschnecken gemäß der Erfindung, bei zugrunde, bei einer Schneckenstrangpresse der ein- denen die Konditionierspitzen als Verlängerungen gangs genannten Art, bei der die Plastifizierung des des Knetteils ausgeführt sind;

der Presse in granulierter oder pulverisierter Form F i g. 9 ist ein graphischer Vergleich vorbekannter

zugeführten Werkstoffes nur durch autogene (auto- 40 Förderschnecken mit denen der vorliegenden Erfintherme) Erwärmung erfolgt, verbesserte Mittel zu dung.

finden, wie die sich in Wärme umsetzende Arbeit Wie die Betrachtung der Zeichnungen ergibt,

in der der Verdichtungszone folgenden Umwand- wird eine thermoplastische Masse 10, wie PoIylungszone intensiviert werden kann, um dadurch äthylen od. dgl. (Fig. 3A und 3B) einer Spritzvorzu erreichen, daß der Bauaufwand auf ein Geringst- 45 richtung, wie sie in allgemeiner Form bei 11 (F i g. 1) maß bei gesteigertem Austrag herabgesetzt wird. gezeigt ist, von einem Fülltrichter 12 zugeführt. Die Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge- thermoplastische Masse 10 kann zunächst in Form löst, daß in der Umwandlungszone der in einer axialen von Granalien, Kugeln od. dgl. vorliegen, von denen Ebene zwischen zwei einander benachbarten Schnek- ein Vorrat im Fülltrichter 12 gehalten wird. Die kenstegen befindliche Förderquerschnitt in an sich 50 Spritzvorrichtung ist dazu bestimmt, eine Isolierbekannter Weise in Förderrichtung durch Verringe- schicht 14 (F i g. 3B) aus der thermoplastischen Masse rung der Gangtiefe abnimmt, die nach der kenn- rund um einen drahtförmigen metallischen Leiter zeichnungsgemäßen Beziehung hyperbolisch verläuft. zu legen, der anfänglich blank sein kann oder mit

Mit einer derart ausgebildeten Schneckenstrang- einem Gewebe umsponnen sein kann, presse wird der Werkstoff, nachdem er vorher in 55 Die Spritzvorrichtung 11 umfaßt einen Spritzder Verdichtungszone zu einer kompakten Masse zylinder 16(Fi g.3A und 3 B), der an seinem Eintrittsunter Mitwirkung der über die Zylinderwände aus ende eine Füllöffnung 17 hat, die den Fülltrichter 12 der Umwandlungszone rückfließenden Wärme zu- mit der zylindrischen Längsbohrung 18 im Zylinder sammengepreßt worden ist, in der Umwandlungszone verbindet. Die Bohrung 18 ist glattwandig und hat einer sich steigernden Knetung und mit abnehmender 60 gleichbleibenden Durchmesser über ihre gesamte Viskosität zunehmenden Verwirbelung unterworfen, Länge. In der Bohrung 18 ist eine Förderschnecke 19 derart, daß bis zum Erreichen der Endviskosität drehbar angeordnet. Die Förderschnecke 19 (F i g. 3 A so viel Arbeit in Wärme umgesetzt wird, als zum und 3 B) wird von einem justierbaren Elektromotor 20 Erreichen der Endviskosität erforderlich ist. Da von konstanter Geschwindigkeit bewegt, der kraftinfolge der Abnahme der Viskosität keine direkten 65 schlüssig mit einer (nicht gezeigten) Antriebswelle Proportionen zwischen Knetungs- bzw. Verwirbe- verbunden ist. Die Antriebswelle ist ihrerseits mit lungsgrad und geleisteter, in Wärme umsetzbarer dem verjüngten Teil 21 verbunden, der aus dem Arbeit bestehen, ist es wesentlich, daß eine Steigerung linken Ende der Förderschnecke, wie in Fig. 3A

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gezeigt, herausgearbeitet ist. Die Förderschnecke zwischen der Förderschnecke und der angehefteten

ist dazu bestimmt, die thermoplastische Masse durch Konditionierspitze 37. Für die Zwecke dieser Be-

die Bohrung 18, dann durch ein quer im Austrage- Schreibung reicht die Konditionierspitze 37 vom

ende der Bohrung liegendes Sieb 22 und schließlich Punkt C bis zu einem Punkt D.

in den bei 23 angedeuteten Spritzkopf zu treiben. 5 Der Förderteil A-B der Förderschnecke 19 ist zur

Der Spritzkopf 23 ist abnehmbar am Austragsende Aufnahme der Granalien aus plastischer Masse be-

des Spritzzylinders 16 befestigt und enthält einen stimmt, die vom Fülltrichter 12 durch die Füll-

Werkzeughalter 24 mit einem verjüngten Einlauf 25, Öffnung 17 geliefert werden und die Granalien als

der eine Fortsetzung der Bohrung 18 darstellt. Der SIaHdIg₁ sich verdichtende Masse zum Knetabschnitt

verjüngte Einlauf 25 steht in Verbindung mit einem io B-C fördern. Der Durchmesser des Schaftes 34 ist

Spritzdurchlaß 26, der im Werkzeughalter 24 quer längs des Förderabschnitts A-B so klein wie möglich

zum verjüngten Einlauf gebildet ist. Ein Spritzmund- gemacht, entsprechend den Festigkeitsanforderungen

stück 27 ist am Ausgangsende des Durchlasses 26 an die Förderschnecke. Im Endergebnis ist die Tiefe

angebracht. des schraubenförmigen Kanals 36 längs des Förder-

Der Leiter 15 wird, wie in F i g. 1 gezeigt, konti- 15 abschnitte A-B verhältnismäßig groß,
nuierlich von links nach rechts vorbewegt, nämlich In dieser besonderen Ausführungsform der Erfinvon einem Vorrat auf dem Haspel 28 mittels eines dung ist die Tiefe des Kanals 36 im Knetabschnitt B-C üblichen Gangspills abgespult. Der Leiter 15 läuft eine hyperbolische Funktion der Länge der Förderdurch einen Kernrohrhalter 30 und ein Kernrohr 31. schnecke, gemessen in der Längsachse, und nimmt Das Kernrohr 31 führt den Leiter 15 durch die 20 hyperbolisch von Punkt B nach Punkt C ab. Die Achsmitte im Mundstück 27, wo der Leiter von der hyperbolische Änderung der Tiefe des Kanals 36 Schicht 14 der thermoplastischen Masse eingehüllt längs des Knetabschnitts B-C ist so bemessen, daß· wird und den isolierten Leiter 32 bildet. Der fertige der thermoplastischen Masse eine konstante Beisolierte Leiter 32 wird von dem Aufnahmehaspel 33 schleunigung beim Vortrieb auf diesem Teil des aufgespult. 25 Kanals erteilt wird. Die verlangte Beziehung zwischen

Die Förderschnecke 19 besteht aus einem Schaft 34, der Tiefe des Kanals 36 und einer Distanz x, gemessen

um welchen ein einzelner Schneckensteg 35 läuft. auf der Längsachse mit Punkt B als Anfang, kann

Der Schneckensteg 35 hat über die gesamte Länge wie folgt ausgedrückt werden:

der Förderschnecke einen gleichbleibenden äußeren ' <

Durchmesser, welcher dem Durchmesser der Boh- 30 h_x = -j=—j _r-=_j , (1)

rung 18 genau entspricht, abgesehen vom normalen Laufspiel, das zwischen den Teilen vorgesehen werden muß. Der Steigungswinkel des Schneckenstegs 35,

1

-BC

X +

gemessen als Winkel zwischen dem Steg und einer
auf der Längsachse der Förderschnecke 19 senkrecht 35 _wobei h_x die Tiefe des Kanals 36 an einem Punkt, stehenden Ebene, bleibt über die gesamte Länge der h_ß die Tiefe des Kanals 36 im Punkt B, h_c die Tiefe Förderschnecke gleich. des Kanals 36 im Punkt C und L_BC die Länge des

Der Schneckensteg 35 hat gewöhnlich rechteckigen Abschnitts konstanter Beschleunigung ist.
Querschnitt und ist im Vergleich zu seinem Schnecken- Die obige Gleichung wird wie folgt abgeleitet und

grund verhältnismäßig schmal. Praktisch bildet der 4° erklärt: Da der Steigungswinkel des Schneckenstegs Schneckensteg 35 die beiden Seitenwände eines 35 über die gesamte Länge der Schnecke 19 gleichschraubenförmigen Kanals 36, der auf dem Boden- bleibt, kann die Geschwindigkeit der plastischen vom Schaft 34 und oben von der Wandung der Masse in jedem Punkt X, gemessen auf der Längs-Bohrung 18 begrenzt wird. Die Tiefe des Kanals 36 _acnSe der Schnecke mit Punkt B als Anfang, wie ist dank der vorbestimmten Änderungen im Durch- 45 folgt ausgedrückt werden:
messer des Schaftes 34 nicht über die ganze Länge ^

der Förderschnecke konstant. Eine zylindrische Kon- V_x — -r— , (2)

ditionierspitze 37 ist am Austragsende der Förder- ^x

schnecke 19 eingeschraubt und nimmt an deren wobei v_x die Geschwindigkeit der plastischen Masse Drehung teil. Vorzugsweise trägt die Konditionier- 5° im Punkt X, K die Konstante der Durchsatzgeschwinspitze keinen äußeren Gewindegrat zur Förderung digkeit in Raumeinheiten (Kubikzoll) je Minute, der Masse. geteilt durch die Kanalbreite, und h_x die Kanaltiefe

Um eine detaillierte Beschreibung der vorerwähnten im Punkt X ist.

Änderung im äußeren Durchmesser des Schaftes 34 Damit die Geschwindigkeit der plastischen Masse der Förderschnecke 19 zu erleichtern, ist die letztere 55 10 sich gleichmäßig von Punkt B nach Punkt C mit Ausnahme des verjüngten Teils 21 der Länge vergrößert, muß die folgende Beziehung eingehalten nach in zwei Abschnitte geteilt, wie in F i g. 3A, 3B werden:

und 4 gezeigt. Die Betrachtung von Fi g. 3 A und 3 B _ +CX ß)

zeigt, daß die Förderschnecke 19 einen Transport- ^{x B} '

abschnitt A-B besitzt, der links liegt und sich nach 60 wo v_B die Geschwindigkeit der plastischen Masse rechts von einem Punkt A auf der Längsachse der in Punkt B und C eine Proportionalitätskonstante ist. Förderschraube bis zu einem Punkt B, gleichfalls Aus den obigen Beziehungen folgt, daß
auf der Längsachse, erstreckt. Rechts vereinigt sich

Transportabschnitt A-B mit dem Knetabschnitt B-C, _ = _v + c X (4)

der sich in der Längsrichtung von Punkt B bis zu ⁶5 h_x

einem Punkt C auf der Längsachse der Förder- i^st·

schnecke 19 erstreckt. Der Punkt C liegt am rechten Somit ist . _ K

Ende der Förderschnecke 19 auf der Teilungslinie ^x v_B + C X '

Die Proportionalitätskonstante C in der obigen Gleichung kann wie folgt ausgedrückt werden:

C =

_c hj

-BC

wo IC die Konstante der Durchsatzgeschwindigkeit in Raumeinheiten je Minute, geteilt durch die Breite des Kanals 36, h_c die-Tiefe des Kanals 36 im Punkt C, h_B die Tiefe des Kanals 36 im Punkt B und L_BC die Länge des Zwischenstücks B-C, d. h. die Distanz zwischen den Punkten B und C, gemessen auf der Längsachse der Schnecke 19, ist.

Die Gleichung, die die gewünschte Beziehung zwischen der Tiefe des Kanals 36 und der Länge der Förderschnecke, gemessen auf der Längsachse, darstellt, hat somit die oben festgestellte Form.

Die Konditionierspitze 37 hat einen gleichbleibenden äußeren Durchmesser, der dem maximalen Durchmesser des Schafts 34 der Förderschnecke 19 im Punkt C gleich ist und ist verhältnismäßig kurz. Die Konditionierspitze 37 hat ferner eine Länge L_C,_D-, die im Vergleich zur Länge L_BC des Knetteils B-C der Förderschnecke sehr klein ist. Die Tiefe des ringförmigen Durchlasses 38 zwischen der Peripherie der Konditionierspitze 37 und der Wandung des Spritzzylinders, die der Tiefe h_c entspricht, ist absichtlich sehr klein und so bemessen, daß die Konditionierspitze eine sehr starke Durcharbeitung des plastischen Materials auf ihrer Länge L_CD bewirkt.

Für eine besondere thermoplastische Masse 10 sind Länge L_CD und die Tiefe h_c so ausgelegt, daß sich die Masse bei Erreichen von Punkt D in dem zum glatten und gleichmäßigen Spritzen optimalen Zustand befindet. Sobald der optimale Spritzzustand erreicht ist, wird der Masse keine weitere Arbeit zugeführt und die Masse sofort in den Einlauf 25 im Spritzkopf 23 ausgetragen. Es versteht sich, daß bei Bestimmung der Länge L_CD der Konditionierspitze und der Tiefe h_c die Konditionierung der thermoplastischen Masse allein der beherrschende Gesichtspunkt ist. Wenn eine Zunahme des volumetrischen Ausstoßes gewünscht wird, so hat man einen größeren Spritzzylinder zu wählen.

Da die thermoplastische Masse 10 von der Konditionierspitze 37 sehr stark durchgearbeitet wird und ihr Temperaturanstieg äußerst schnell ist, muß die den Knetabschnitt B-C der Förderschnecke 19 im Punkt C verlassende thermoplastische Masse auf einer beträchtlich niedrigeren Temperatur sein als die gewünschte optimale Temperatur der plastischen Masse im Punkt D. Dementsprechend wird die Länge L_BC des Knetabschnitts B-C der Förderschnecke 19 so berechnet, daß die den ringförmigen Kanal zwischen der Konditionierspitze 37 und der Wandung der Spritzzylinderbohrung 18 erreichende Masse auf diese beträchtlich niedrigere Temperatur gebracht wird.

Für einen gegebenen Spritzzylinder mit einer Spritzzylinderbohrung von vorbestimmter Länge wird die Länge L_AB des Transportteils A-B durch die Längen L_BC und L_CD des Knetabschnitts B-C bzw. der Konditionierspitze bestimmt. Die Länge L_AB des Förderteils A-B ist lediglich die Länge des Spritzzylinderteils zwischen der Füllöffnung 17 und dem Ende der Konditionierspitze 37 abzüglich der Summe der Längen des Knetabschnitts B-C und der Konditionierspitze, welche Differenz sich auch immer ergeben mag. Die exakte Länge des Förderteils A-B ist verhältnismäßig unwichtig, da seine Hauptfunktion die Förderung der plastischen Masse von der Füllöffnung 17 nach Punkt B am Anfang des Knetteils B-C ist.

Ein spezielles Arbeitsmodell einer Spritzvorrichtung, die die Merkmale der Erfindung verkörpert und für das Spritzen von Polyäthylen bestimmt ist, ίο hat die folgenden Abmessungen:

Durchmesser der Spritzzylinderbohrung 18 5,08 cm

Länge L_AB des Förderabschnitts A-B der Förderschnecke 19 .. 33,02 cm Länge L_BC des Knetteils B-C 40,64 cm

Länge L_CD der Konditionierspitze 37 5,23 cm Tiefe h_A des schraubenförmigen

Kanals 36 im Punkt A .. 1,60 cm

Tiefe h_B des schraubenförmigen Kanals 36 im Punkt B .. 1,60 cm Tiefe h_c des schraubenförmigen

Kanals 36 im Punkt C .. 0,25 cm

Tiefe des ringförmigen Durchlasses 38 0,25 cm Konstanter Steigungswinkel des einzelnen Schneckenstegs 35 17° 42'

Breite des Schneckenstegs 0,63 cm

Länge des Schneckengrundes, gemessen an der Längsachse

der Förderschnecke 19 .. 5,08 cm 30

Arbeitsweise

Um die Arbeitsweise der oben beschriebenen Apparatur zu erläutern, sei als Beispiel angenommen, daß Polyäthylen die thermoplastische Masse 10 sei, die als gleichmäßige Hülle 14 kontinuierlich auf einen gleichfalls kontinuierlich vorrückenden Leiter 15 gespritzt werden soll. Das Polyäthylen wird in den Spritzraum, nämlich die zylindrische Bohrung 18, des Spritzzylinders 16 durch die Füllöffnung 17 in Form fester Granalien eingeführt, die sich als Vorrat im Fülltrichter 12 bei Raumtemperatur befinden. Die Förderschnecke 19 wird kontinuierlich vom Motor 20 gedreht, so daß der schraubenförmige Schneckensteg 35 die Granalien von Polyäthylen aus der Füllöffnung 17 aufnimmt und sie zum Austragsende der Bohrung 18 fördert. Während die Polyäthylengranalien längs des Förderabschnitts A-B vorbewegt werden, tritt praktisch kein Durcharbeiten des Polyäthylens ein, abgesehen davon, daß die' Granalien während der Vorwärtsbewegung stetig und zunehmend zu einer festen Masse verdichtet werden. Tatsächlich arbeitet der Förderabschnitt A-B zum Teil als Transportschraube, die das Polyäthylen kontinuierlich zum Knetabschnitt B-C in solcher Menge schafft, daß dieser nie Materialmangel hat.

Eine andere Funktion des Förderabschnitts A-B

ist die Vorwärmung der Polyäthylengranalien, wenn die letzteren diesen Abschnitt entlang geführt werden bis zum Beginn des Knetteils B-C. Ein ständiger Wärmestrom läuft rückwärts durch Spritzzylinder und Förderschnecke aus den wärmeren Teilen des Spritzraums, wo das intensive Durcharbeiten des Polyäthylens stattfindet. Ein Teil dieser Wärme wird von den Polyäthylengranalien absorbiert und dient zu ihrer Vorwärmung für das intensive Durcharbeiten, dem sie in der Arbeitszone, in diesem Fall dem Knetabschnitt B-C, unterworfen werden. Auf

diese Weise wird ein Teil der durch das Kneten in liegt ein vollkommen autogenes Spritzverfahren vor,

der Knetzone entwickelten Wärme, die sonst verloren bei welchem dem Spritzzylinder Wärme durch äußere

gehen würde, vorteilhaft nutzbar gemacht. Heiz- oder Kühleinrichtungen weder zu- noch ab-

Das kräftige Durcharbeiten des Polyäthylens be- geführt wird. Die Wirkung einer Erhöhung der

ginnt, wenn es Punkt B erreicht, wo es einer Knet- 5 Rotationsgeschwindigkeit der Förderschnecke und

aktion unterworfen wird, wenn es sich an der Wan- Konditionierspitze über die Minimalgeschwindigkeit

dung der Bohrung 18, den Flanken des Schnecken- der autogenen Arbeitsweise hat innerhalb eines weiten

Stegs 35 und dem Schaft 34 der Förderschnecke 19 Geschwindigkeitsbereichs wenig Einfluß auf den

reibt. Dies kräftige Durcharbeiten des Polyäthylens Spritzzustand des Polyäthylens, außer einer leichten

erzeugte Wärme innerhalb des Polyäthylens, die io Erhöhung seiner Temperatur. Dies läßt sich durch

seine Temperatur ansteigen läßt. Wenn das Poly- die Tatsache erklären, daß bei einer Vergrößerung

äthylen im Knetabschnitt B-C bearbeitet wird, nimmt der Rotationsgeschwindigkeit der Schnecke und der

seine Fließgeschwindigkeit mit konstanter Beschleu- erzeugten Wärme ein entsprechender Zuwachs des

nigung zu, dank der Tatsache, daß die Tiefe Zi_x des volumetrischen Ausstoßes erfolgt, der zur Abführung

Kanals 36 längs dieses Abschnitts der Förderschnecke 15 der zusätzlichen Wärme dient. Augenscheinlich gibt

19 in hyperbolischer Form wie oben beschrieben es eine obere Grenze, deren Überschreitung eine abnimmt. überhitzung des Polyäthylens bewirkt. Es wurde

Mit abnehmender Tiefe des Kanals 36 nimmt indessen gefunden, daß die obere Grenze hoch genug die Bearbeitung des Polyäthylens stark zu, und es liegt, um einen weiten Spielraum der Arbeitsgeschwinwird zunehmend plastischer, da sich seine Temperatur 20 digkeiten oberhalb der Minimalgeschwindigkeit zum als Ergebnis der Bearbeitung selbsttätig erhöht. autogenen Spritzen zu gestatten.
Wenn das Polyäthylen endlich das Austragsende Wenn der Spritzvorgang beginnt, wird die Ge-

des Abschnitts konstanter Beschleunigung B-C im schwindigkeit des Motors 20 erhöht, bis Förder-Punkte C erreicht, ist es in einem viskosen flüssigen schnecke und Konditionierspitze mit größerer als Zustand bei einer Temperatur von etwa 163° C oder 25 Minimalgeschwindigkeit zum autogenen Spritzen roetwas darunter, welche noch beträchtlich niedriger tieren, bei der der gewünschte Durchsatz erreicht ist, als die zum glatten und gleichmäßigen Spritzen wird. Offenbar soll die Spritzvorrichtung so dimenerforderliche Temperatur. Ferner besitzt das Poly- sioniert sein, daß die gewünschte Durchsatzgeschwinäthylen in diesem Punkt seiner Wanderung durch digkeit erreicht werden kann, ohne die obere Grenze den Spritzraum in der Bohrung 18 noch nicht den 30 des Geschwindigkeitsbereichs zu überschreiten, inner-Homogenitätsgrad, der zum glatten und gleichmäßigen halb dessen der Spritzvorgang autogen verläuft. Spritzen erforderlich ist. Nachdem die gewünschte Durchsatzgeschwindigkeit

Der erforderliche Zuwachs in der Temperatur erreicht ist, wird die Umdrehungsgeschwindigkeit und im Homogenitätsgrad werden dem Polyäthylen der Schnecke so konstant wie möglich gehalten, vermittelt, wenn es durch den verengten ringförmigen 35 Da der Spritzvorgang autogen verläuft und keine Durchlaß 38 gepreßt wird, der die relativ kurze zusätzliche Heizung oder Kühlung mit dem Verfahren Konditionierspitze 37 umgibt. Die Bearbeitung, die verknüpft ist, ist ihre abträgliche Wirkung völlig das Polyäthylen über die Länge L_(D der Konditio- vermieden. Daher ist die Durchsatzgeschwindigkeit nierspitze 37 erfährt, ist äußerst energisch dank des der Spritzmaschine keinen Schwankungen unterverhältnismäßig geringen Spiels zwischen seiner Peri- 40 worfen, welche auftreten würden, wenn zusätzliche pherie und der Wandung des Spritzraums bzw. der Heizung oder Kühlung verwendet wird. Das PolyBohrung 18. Als Ergebnis steigt die Temperatur des äthylen, das auf den kontinuierlich vorrückenden Polyäthylens sehr rasch, und das Polyäthylen erreicht Leiter 15 aufgebracht wird, bildet eine glatte Schicht den gewünschten optimalen Spritzzustand mit einer gleichmäßigen Durchmessers um den Leiter.
Temperatur von 177° C oder höher und einen hohen 45 Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung Homogenitätsgrad in der relativ kurzen Zeit, die es ist ihre leichte Anwendbarkeit auf vorhandene Spritzzur Durchwanderung der Länge L_CD der Konditio- zylinder verschiedener Länge, da die Länge des nierspitze benötigt. Da das Polyäthylen seinen opti- Abschnitts A-B der Förderschnecke keine kritische malen Spritzzustand erst am Austragsende der Kondi- Größe darstellt. Dementsprechend kann der Transtionierspitze erreicht, liegt keine überflüssige über- 50 portabschnitt A-B der Förderschnecke von beliebiger bearbeitung vor und keine Uberhitzungsgefahr. Länge sein. Es sei beispielsweise angenommen, daß

Es wurde festgestellt, daß eine Förderschnecke zwei Spritzzylinder in ihren Abmessungen mit Aus- und Konditionierspitze, die nach der Lehre der nähme der Länge ihrer diesbezüglichen Spritzräume Erfindung konstruiert sind, eine minimale Umdre- identisch sind. Dann wird befriedigendes Arbeiten hungsgeschwindigkeit benötigen. Oberhalb dieser 55 lediglich dadurch erreicht, daß man dem Transport-Minimalgeschwindigkeit, reicht die innerhalb der abschnitt A-B jeder Förderschnecke die richtige Länge plastischen Masse durch die Knetwirkung von Förder- gibt, um einen Transportabschnitt zu bilden, der schnecke und Konditionierspitze erzeugte Wärme- sich von der Füllöffnung bis zum Anfang des Knetmenge aus, um die Masse zu konditionieren, d. h. abschnitts erstreckt.

den gewünschten optimalen Zustand zum glatten 60 Offensichtlich werden die Transportabschnitte der und gleichmäßigen Spritzen ohne Zuhilfenahme zu- zwei Förderschnecken von verschiedener Länge sein, sätzlicher Erwärmung oder Kühlung durch äußere dagegen wird der Knetabschnitt B-C und die Kondi-Mittel. Es sei beispielsweise angenommen, daß die tionierspitze in beiden Zylindern die gleiche Länge Förderschnecke 19 und die Kondilionierspitze 37 der haben. Trotzdem würden in jedem Fall Förder-Spritzapparatur mit den speziellen obenerwähnten f>5 schnecke und Konditionierspitze für autogenes Dimensionen konstruiert sind. Wenn die Förder- Spritzen voll wirksam sein. Dementsprechend wird schnecke 19 mit Geschwindigkeiten oberhalb etwa beim Entwerfen einer Förderschnecke für autogenes

20 Umdrehungen pro Minute angel rieben wird, so Spritzen zunächst der gewünschte Knetabselinilt und

11 12

Konditionierspitze konstruiert und dann ein Trans- auf den optimalen Spritzzustand zu bringen, wenn portabschnitt erforderlicher Länge entworfen, der sie den relativ kurzen Schlußteil L_CD oder L_C,_D, des sich zwischen der Füllöffnung und dem Knetabschnitt Spritzraums passiert.

erstreckt, ohne Rücksicht darauf, wie groß diese Im praktischen Betrieb wurde das Arbeitsmodell Länge ist. Dieser Umstand gestattet große Beweglich- 5 der vorstehend in Verbindung mit der ersten Auskeit in Entwurf und Verwendung von Förderschnecken führungsform der Erfindung beschriebenen Spritzfür autogene Spritzvorgänge, weil die Länge des einrichtung abgeändert, indem die Konditionier-Spritzzylinders keine so einschränkende Bedeutung spitze 37 gegen eine Konditionierspitze 42 mit einer hat wie dies beim Entwurf einer Schnecke für das Länge L₀, _D, von 5,23 cm und einem maximalen äußeübliche Spritzen ist. 10 ren Durchmesser von etwa 5,00 cm an den Punkten E'

. und D' ausgetauscht wurde. Die so modifizierte

Alternativausfunrung Apparatur wurde zum Spritzen von Polyvinylchlorid

Die F i g. 5 zeigt das Austragsende eines Spritz- verwendet und arbeitet autogen, wenn die Förderzylinders 39, der ein Teil einer Alternativausführung schnecke mit Geschwindigkeiten von mehr als etwa der Erfindung darstellt. Der Spritzzylinder 39 ist 15 20 und weniger als 55 Umdrehungen pro Minute mit der Ausführung des Spritzzylinders 16 in der betrieben wurde. Die Temperatur des Polyvinylerst beschriebenen Ausführung identisch und ist in chlorids wurde im Punkt C zu 174° C und 188° C gleicher Weise mit einem Spritzraum 40 versehen. im Punkt D' gefunden. Der Zustand der aus dem Eine Förderschnecke 41, deren Bauart der der Förder- Spritzraum ausgetragenen Masse gestattet glattes schnecke 19 in der erst beschriebenen Ausführungs- 20 und gleichmäßiges Spritzen.

form entspricht, ist drehbar im Spritzraum 40 an- Während die Konditionierspitzen 37 und 42 nach

geordnet. An dem Austragsende der Förderschnecke vorstehender Beschreibung vorzugsweise keinen Ge-41 ist eine Konditionierspitze 42 mit Gewinde be- windegang tragen, können sie doch, ohne ihre Wirfestigt und hat eine Länge L₀, _D,, die der Länge L_CD kungsweise praktisch zu ändern, mit (Transport-) der Konditionierspitze 37 gleich ist. 25 Gewinde versehen werden. Es ist ferner klar, daß die

Die Konditionierspitze 42 ist gewöhnlich konisch, Konditionierspitze aus der Förderschnecke selbst mit Ausnahme eines sehr kurzen zylindrischen Teils, als Teil derselben gebildet sein kann, anstatt abnehmder von Punkt E' bis Punkt D' am äußeren Ende bar zu sein. Beispielsweise kann das Austragsende reicht. Im Punkt C Igt der äußere Durchmesser der des Knetabschnitts B-C sich zum Platz der Kondi-Konditionierspitze 42 gleich dem Schaftdurchmesser 30 tionierspitze verlängern, da die hyperbolische Kurve der Förderschnecke 41 an dieser Stelle. Der äußere praktisch asymptotisch wird.

Durchmesser der Konditionierspitze 42 nimmt gleich- In F i g. 7 und 8 werden Förderschnecken gezeigt,

mäßig von Punkt C nach Punkt E' zu (F i g. 6), in denen das Austragsende des Knetabschnitts B-C wobei das radiale Spiel im letzteren Punkt äußerst auch die Konditionierspitze einschließt. In F i g. 7 gering ist (beispielsweise etwa 25% des radialen 35 hat der Knetabschnitt B-C eine Kanaltiefe, die sich Spiels im Punkt C). Dieses extrem kleine radiale gleichmäßig nach einer hyperbolischen Funktion Spiel wird über den sehr kurzen Restabschnitt der mit dem Spitzenabschnitt C-D als Verlängerung der-Konditionierspitze 42 von Punkt E' bis Punkt D' selben ändert, während die Kanaltiefe des Knetam äußersten Ende konstant gehalten. abschnitts der Schnecke nach F i g. 8 eine aufeinander-

40 folgende Reihe von drei gleichförmigen Änderungen

Arbeitsweise der Alternativausführung darstellt, die sich einer einfachen hyperbolischen

Funktion angleichen, wie die Abschnitte B-B\ B'-B", Die Arbeitsweise der Alternativausführung der B"-C andeuten.

Erfindung ist der der zuerst beschriebenen Ausführung Vergleichsweise sind in F i g. 9 die Förderschneckenähnlich, mit Ausnahme der stärkeren Durcharbei- 45 Charakteristiken (Fließgeschwindigkeit gegen Druck) tung, der die plastische Masse 10 bei ihrem Vor- für zwei völlig gleiche Spritzvorrichtungen dargestellt, rücken durch den stärker verengten Durchlaß 43 mit dem Unterschied, daß die eine mit einer verzwischen der Wandung des Spritzraums 40 und dem besserten, nach der Erfindung konstruierten Förder-Umfang der Konditionierspitze 42 unterworfen wird. schnecke ausgerüstet ist, während die andere eine Offenbar wäre mit Polyäthylen als plastischer Masse 50 Förderschnecke üblicher Ausführung mit gleichmäßig die Endtemperatur des Polyäthylens beim Austrag verjüngtem Schaft in ihrem entsprechenden mittleren aus dem Spritzraum 40 etwas höher als im Fall Abschnitt B-C enthält. Die Dimensionen der beiden der zuerst beschriebenen Ausführung, weil die Inten- Schnecken sind sonst völlig gleich. Es ist zu beachten, sität der aufgewandten Knetarbeit erhöht ist. daß die Charakteristik der verbesserten Schnecke

Man erkennt, daß die Alternativausführung der 55 einen bemerkenswert größeren Durchsatz zeigt als Erfindung ohne Mühe durch bloßes Auswechseln die übliche Schnecke bei höheren Drücken. Da es der Konditionierspitze 37 der erst beschriebenen Aus- bei der Herstellung von mit Isolierstoff umspritztem führung gegen die Konditionierspitze 42 entsteht. Draht notwendig ist, die plastische Masse mit stetiger In dieser Beziehung ist die Schnecke einigermaßen Geschwindigkeit durch ein Mundstück zu spritzen, universell, und es können verschiedene thermo- 60 das dem Fließen einen sehr hohen Widerstand entplastische Massen lediglich durch Verwendung ge- gegengesetzt, ist die verbesserte Schnecke der üblichen eignet gestalteter Konditionierspitzen in ihren dies- Ausführung deutlich überlegen. Da weiter das im bezüglichen Optimalzustand für das gewünschte glatte Strom der plastischen Masse liegende Sieb sich ver- und gleichmäßige Spritzen gebracht werden. Die stopft, was bei längerem Arbeiten einer Spritzvor-Wahl der Konditionierspitze für eine gegebene thermo- 65 richtung gewöhnlich eintritt und der Rückdruck plastische Masse 10 hängt von der Wärmeempfind- wegen des erhöhten Strömungswiderstands wächst, lichkeit der Masse und dem erforderlichen Maß an bleibt der Durchsatz der verbesserten Schnecke Arbeit ab, das notwendig ist, um die Masse schnell besser konstant als der der üblichen Schnecke.

Obgleich Polyäthylen und Polyvinylchlorid als erläuternde Beispiele zwecks Erleichterung der Beschreibung der Erfindung benutzt wurden, versteht es sich doch, daß die Erfindung nicht auf das Spritzen dieser plastischen Massen beschränkt ist. Die letzteren sind lediglich Vertreter plastischer Massen im allgemeinen, auf die die Erfindungsgedanken angewandt werden können.

Mit dem in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendeten Ausdruck »autogen« soll ausgedrückt werden, daß die gesamte zur Konditionierung der plastischen Masse erforderliche Wärme aus der mechanischen Energie stammt, die die Förderschnecke und die Konditionierspitze beim Durcharbeiten der Masse abgeben und wobei keine zusätzliche Heizung und Kühlung eingeschlossen ist. Dementsprechend wird in einem autogenen Spritzverfahren keine Heizoder Kühleinrichtung verwendet. Während die oben beschriebenen Apparaturen besonders gut zur Durch-

führung autogener Spritzverfahren geeignet sind, versteht es sich, daß sie lediglich beispielsmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schneckenstrangpresse mit einer Verdichtungszone und mit einer daran anschließenden Umwandlungszone zum Verarbeiten thermoplastischer Kunststoffe, bei der die Plastifizierung des der Presse in granulierter oder pulverisierter Form zugeführten Werkstoffes nur durch autogene (autotherme) Erwärmung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umwandlungszone der in einer axialen Ebene zwischen zwei einander benachbarten Schneckenstegen befindliche Förderquerschnitt in an sich bekannter Weise in Förderrichtung durch Verringerung der Schneckensteg- bzw. Kanaltiefe abnimmt, die hyperbolisch nach der Beziehung

1 1 " LßC • X Λ 1 he K K

verläuft, wobei bedeuten:

h_x = die Tiefe des Schneckensteges bzw. Kanals an einem Punkt,

h_B = die Tiefe des Schneckensteges bzw. Kanals am Anfang der Umwandlungszone,

h_c = die Tiefe des Schneckensteges bzw. Kanals am Ende der Umwandlungszone,

L_BC = die Länge der Umwandlungszone,

X = die axiale Entfernung des Berechnungspunktes vom Anfang der Umwandlungszone.

2. Schneckenstrangpresse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungszone etwa die Hälfte der gesamten Schneckenlänge ausmacht.

3. Schneckenstrangpresse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneckenzylinder einen konstanten Durchmesser aufweist.

4. Schneckenstrangpresse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Austragsende einen konstanten Förderquerschnitt aufweist.

5. Schneckenstrangpresse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke mit veränderbarer Drehkraft antreibbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 920 270;

»Society of Plastic Engineers-Journal«, Bd. 10, 1954, Heft 3, S. 25, 26 und 27;

»Industrial and Engineering Chemistry«, Bd. 46, 1954, Heft 4, S. 660 bis 664;
»Kunststoffe«, Bd. 45, 1955, Heft 3, S. 99 bis 103.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

809 567/532 6.68 Q Bundesdruckerei Berlin