DE19602859A1 - Planetwalzenextruder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Planetwalzenextruder mit Zentralspindel, Planetspindeln und innen verzahntem Gehäuse oder Buchse, wobei die Planetspindeln gegen einen Anlaufring laufen und das schmelzflüssige Gut durch ein Extruderwerkzeug aus dem Extruder austritt.

Planetwalzenextruder dienen vorzugsweise zur Aufbereitung und Verarbeitung von Kunststoffe. Die Kunststoffe können thermoplastisch sein. Es sind aber auch Duroplaste auf Extrudern verarbeitbar.

Die Planetwalzenextruder sind Sonderformen von Extrudern. In größerer Anwendungszahl sind Einschnecken- und Doppelschneckenextruder bekannt. Allen Extrudern ist gemeinsam, daß sie einen Materialeinzug besitzen. An den Materialeinzug schließt sich eine Plastifizierungs- und Homogenisierungszone. Dem folgt eine Kühlzone, um das erhitzte Materialgemisch auf Extrusionstemperatur/Austrittstemperatur abzukühlen. Dies ist von besonderer Bedeutung für die Herstellung von Kunststoffschaum. Dort muß der Temperaturverlauf genau kontrolliert werden, damit die Schmelze beim Freiwerden des Gases eine ausreichende Viskosität besitzt.

Ferner werden mit dem Kunststoffmaterial Zuschläge aufgegeben. Das können Füllstoffe, Farbstoffe und andere Stoffe sein. Im Falle der Herstellung von Kunststoffschaum sind das Nukleierungsmittel und ggf. Treibmittel in fester Form.

Nach der Plastifizierung können noch Treibmittel in flüssiger und gasförmiger Form aufgegeben werden.

Die Temperaturführung ist nicht nur in der Kühlzone, sondern auch in der Plastifizierungs- und Homogenisierungszonen von großer Bedeutung. Die Temperatur wird gesteuert/geregelt mit Heiz-/Kühlmitteln, die durch den Mantel des Extrudergehäuses geführt werden.

Einschnecken und Doppelschneckenextruder haben eine relativ lange Bauform. Eine Länge, die gleich dem 30fachen Durchmesser des Extruders ist, ist keine Seltenheit.

Demgegenüber bauen Planetwalzenextruder extrem kurz. Das resultiert aus dem ungleich höheren Wirkungsgrad des Planetwalzenextruders gegenüber Einschnecken- und Doppelschneckenextrudern. Der höhere Wirkungsgrad entsteht dadurch, daß das Material zwischen den umlaufenden Planetspindeln und der Zentralspindel einerseits bzw. dem innen verzahnten Gehäuse/Buchse andererseits sehr stark ausgewalzt wird. Das bewirkt eine intensive Mischung des Materials.

Die entstandene Schmelze wird nach Abkühlung auf Extrusionstemperatur durch ein Extruderwerkzeug gedrückt. Das Extruderwerkzeug ist üblicherweise als Düse ausgebildet. Dementsprechend wird von einer Extruderdüse gesprochen. Die Form der Düse ist ein kegeliger, sich in Extrusionsrichtung verjüngender Hohlraum.

Die kurze Bauform des Planetwalzenextruders erlaubt auch eine senkrechte Anordnung.

Bei Planetwalzenextrudern ergibt sich ein bedeutender Vorteil, wenn die Extruder aus Abschnitten gefertigt werden, die in Optimierung des jeweiligen Anwendungsfalles in jeweils gewählter Ausfertigung und Reihenfolge aneinandergeflanscht werden. Das bedingt an den Gehäuseenden Flansche.

Auch ohne abschnittsweise Ausbildung ist an Planetwalzenextrudern eine Flanschverbindung vorgesehen. Das gilt für die Verbindung mit dem Extruderantrieb wie auch für die Verbindung mit dem Extruderwerkzeug.

Jeder Extruderabschnitt des Planetwalzenextruders besitzt einen Anlaufring. Bei einem einteiligen Planetwalzenextruder ist nur am Extruderende ein Anlaufring für die Planetspindeln vorgesehen. Die Anlaufringe sind in der Regel in den Flansch des Extrudergehäuses eingesetzt. Bei zwei aneinanderliegenden Planetwalzenextruderabschnitten führt das dazu, daß der Anlaufring zwischen den beiden zugehörigen Flanschen der Extruderabschnitte sitzt.

Das Zusammenwirken aller Extruderteile ist vor allem vor dem Hintergrund, daß sich die Schmelze aus diversen Bestandteilen zusammensetzt, sehr komplex. Die Fachleute bemühen sich in verschiedensten Richtungen um eine Verbesserung der Planetwalzenextruder. Auch der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Planetwalzenextruder zu verbessern.

Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die Temperaturführung im Extruderwerkzeug für den Extrusionserfolg maßgeblich sein kann. Z. B. kann eine zu starke Abkühlung im Extruderwerkzeug zum Schmieren des Kunststoffes an den Werkzeugflächen führen. Das zeigt sich an schlechten Materialoberflächen des extrudierten Kunststoffes.

Zur Temperierung des Extrusionswerkzeuges bietet sich an sich die Kühl-/Heiztechnick an, die in anderen Bereichen des Extruders Anwendung findet. Die Erfindung geht aber nicht diesen Weg, sondern hat sich zu einer Verkürzung des Weges der Schmelze von den Spindeln bis zur Werkzeugaußenseite entschlossen. Eine Verkürzung wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß

• - der Anlaufring mit einer auf das Gehäuseende gesetzten Kappe gehalten wird und/oder
• - der Anlaufring zugleich als Extrusionswerkzeug ausgebildet ist (oder umgekehrt das Extrusionswerkzeug zugleich als Anlaufring ausgebildet ist).

Vorteilhafterweise führt diese bauliche Maßnahme auch zu einer Reduzierung der baulichen Massen. Das hat zur Folge, daß sich der Extruder austrittsseitig schneller auf Betriebstemperatur erwärmt und der Anfahrvorgang sich verkürzt. Das spart Material.

Die Kappe wird vorzugsweise mit dem Extrudergehäuse verschraubt. Wahlweise ist ein großes Schraubgewinde auf der Mantelfläche des Extrudergehäuses vorgesehen, das mit einem Innengewinde der Kappe zusammenwirkt.

Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn ein Zwischenring zwischen der Kappe und dem Anlaufring vorgesehen ist. Der Zwischenring kann dabei den Anlaufring außen umgreifen und seinerseits mit einer Verschraubung in der Kappe gehalten sein. Vorzugsweise wird diese Verschraubung wieder durch ein Außengewinde auf dem Zwischenring und ein Innengewinde in der Kappe gebildet.

Um baulich den Zwischenring ohne nennenswerte Änderung der Außenmaße aufzunehmen ist wahlweise das die innenverzahnte Buchse umgebende Extrudergehäuse gegenüber der Buchse ein Stück zurückgesetzt. Das Maß der Zurücksetzung ist geringfügig größer als die Dicke des einzuschraubenden Teiles vom Zwischenring.

Damit die Verschraubung kurzzeitig herbeigeführt und wieder gelöst werden kann, ist ein mehrgängiges Gewinde von Vorteil. Das verkürzt die zum Wechsel des Extruderwerkzeuges erforderliche Zeit. Ein Werkzeugwechsel wird in Abhängigkeit von der Standzeit des Werkzeuges und in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Einsatzmateriales, der Zuschlagstoffe und weiterer zugeführter Stoffe vorgenommen. Zum Beispiel kann ein 5-gängiges Gewinde verwendet werden, bei dem der Drehwinkel zum Herbeiführen der Verschraubung bzw. Lösen der Verschraubung weniger als 360 Grad beträgt.

Anstelle der Verschraubung können auch bekannte Schnellverschlüsse zur Verbindung des Zwischenringes mit der Kappe verwendet werden. Dazu gehört ein Bajonettverschluß.

Im übrigen ergeben sich vor allem bei senkrechter Extruderanordnung Handhabungsvorteile, wenn der Anlaufring schwenkbar angeordnet ist. Bei notwendiger Axialbewegung für Montage und Demontage bedingt das eine doppelte Beweglichkeit. Die Schwenkbeweglichkeit kann mit einem Schwenkarm dargestellt werden, die gleichzeitige Bewegungsfreiheit in axialer Richtung mit Hilfe einer axial verschiebbaren Anordnung des Schwenkarm-Lagerzapfens. Wahlweise ist der Lagerzapfen in verschiedenen Axialstellungen arretierbar. Dazu eignet sich z. B. eine Arretierungsschraube, die in Nuten des Lagerzapfens greift. Außerdem ist der Lagerzapfen an seinen Enden vorzugsweise gegen Herausfallen gesichert.

Der Lagerzapfen kann in einem an der Kappe angeformten oder befestigten Auge angeordnet werden.

Die oben angesprochene Ausbildung des Anlaufringes als Extruderwerkzeug/Düse kann in herkömmlicher Weise unter Ausbildung eines kegelförmigen, sich in Extrusionsrichtung verjüngenden Hohlraumes erfolgen. Vorteile können sich aber auch durch Erzeugung eines Ringspaltes ergeben.

Der Ringspalt wird durch den Abstand des Anlaufringes von dem Ende der Zentralspindel und/oder durch den Abstand eines Zentralspindelfortsatzes bestimmt. Vorzugsweise wird dabei die Extruderausstrittsöffnung von einer zentrischen Austrittsbohrung in dem das Extruderwerkzeug bildenden Anlaufring gebildet. Der Abstand kann durch die bauliche Auslegung vorbestimmt werden. D.h. der Abstand ergibt sich durch die Länge des Hohlraumes im Extrudergehäuse und die Länge der getriebeseitig festgelegten Zentralspindel. Der Abstand wird wahlweise mit einer Ausgangsgröße von z. B. 0,1 mm gewählt und je nach Betriebsfall vergrößert. Das kann mit Hilfe von Distanzscheiben erfolgen, die zwischen den Anlaufring und die ihn umfassende Kappe und/oder zwischen den Anlaufring und den ihn umfassenden Zwischenring positioniert werden. Durch Entfernen eines oder mehrerer Distanzscheiben wird der Abstand vergrößert.

Alternativ kann der Abstand auch durch Zwischenlegen von Distanzscheiben vergrößert werden. Die Distanzscheiben können dazu zwischen die Berührungsflächen des Anlaufringes und des Extrudergehäuses bzw. der innenliegenden Buchse gebracht werden.

Durch den Ringspalt ergeben sich in der Praxis sehr vorteilhafte Verarbeitungsbedingungen.

In der Zeichnung sind verschieden Extruderwerkzeuge dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Extruderwerkzeug, Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Extruderwerkzeug, Fig. 3 die Anwendung auf einen stehenden Planetwalzenextruder.

Mit 1 ist ein strich-punktiert dargestelltes Extrudergehäuse eines Planetwalzenextruders bezeichnet, das austrittsseitig einen Anschlußflansch besitzt. Der Anschlußflansch besitzt eine Aufnahmebohrung für einen Anlaufring 17. Der Anlaufring 17 ist mit dem Flansch eines herkömmlichen Extruderwerkzeuges verschraubt. Das Extruderwerkzeug besteht aus einer Scheibe 2 und einem Teil 5.

Zur Verschraubung der Scheibe 2 dienen Ankerschrauben 18 mit Schraubenmuttern 21 und Ankerbolzen 19, die die Scheibe 2 beim Verspannen mit dem Flansch 10 hintergreifen.

Der Anlaufring besitzt nach Fig. 1 eine Bohrung 3 von 50 mm bei einem Außendurchmesser von 100 mm. Der Bohrungsdurchmesser ist deutlich größer als der Außendurchmesser der nicht dargestellten Zentralspindel, jedoch geringer als der Durchmesser der Mittenumlaufbahn der Planetwalzenspindeln. Die Mittenumlaufbahn ist die Bahn, welche die Längsachsen der Planetwalzenspindeln beim Umlauf um die Zentralspindel beschreiben.

Aufgrund der Maßverhältnisse ist der Zwischenraum zwischen den Planetwalzenspindeln mit der Bohrung 3 in dem Anlaufring 17 verbunden, so daß die zwischen den Planetwalzenspindeln, der Zentralspindel und dem innenverzahnten Gehäuse angeförderte Schmelze in die Bohrung 3 austreten kann. Die Bohrung 3 setzt sich in einen kegelförmigen Hohlraum in der Scheibe 2 und dem Teil 5 fort. Von dort führt eine Austrittsbohrung 6 in die Umgebung.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Extruder mit einem Extrudergehäuse 32, in dem eine Buchse mit Innenverzahnung für nicht dargestellte Planetwalzenspindeln sitzt. Zu dem Planetwalzenextruder gehört auch eine Zentralspindel, die in zwei Stellungen 52a und 52b dargestellt ist.

Die Buchse 31 ist austrittsseitig durch eine Anlaufscheibe 35 für die Planetwalzenspindeln verschlossen, die zugleich ein Extruderwerkzeug bildet. Der Anlaufring besitzt eine Bohrung 36, deren Öffnungsweite kleiner als der Zentralspindeldurchmesser ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser 22 mm und deutlich kleiner als der Durchmesser, auf dem der Zahngrund der Zentralspindelverzahnung liegt. Dadurch ist keine unmittelbare Verbindung mehr zu dem Zwischenraum zwischen den Planetspindeln gegeben. Die Verbindung wird durch einen mit Pfeil 37 gekennzeichneten Spalt gebildet, der durch den Abstand des Anlaufringes 35 von dem Ende der Zentralspindel gebildet wird. Der zur Stellung 52a gehörige Abstand beträgt 0,3 mm, der zur Stellung 52b gehörige Abstand beträgt 2 mm und bildet einen Spalt 38. In anderen Ausführungsbeispielen und bei anderem Betrieb ist der Abstand anders. Der größere Abstand entsteht durch zwischenliegende Distanzscheiben 46.

Der Anlaufring 35 wird über einen Zwischenring 34 und eine Kappe 33 gehalten. Die Kappe 33 ist auf dem Extrudergehäuse 32 verschraubt und besitzt ein 5-gängiges Innengewinde 47, das mit einem Außengewinde des Zwischenringes 35 zusammenwirkt. Die Mehrgängigkeit des Gewindes 47 führt dazu, daß mit kurzer Drehung bereits eine Verspannung des Anlaufringes 35 erreicht werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist je nach Spaltbildung ein Drehwinkel von 90 bis 100 Grad zur Verspannung ausreichend. Ebenso schnell erfolgt das Lösen des Anlaufringes 35.

Damit der Anlaufring in der vertikalen Extruderanordnung nach dem Lösen nicht einfach herunterfällt, ist der Anlaufring 35 mit einem Schwenkarm 44 gehalten, der mit dem Anlaufring 35 an einem Ende 45 verschraubt ist und am anderen Ende 43 mit einem Bolzen 40 in einem Auge 39 an der Kappe 33 gehalten ist. Der Bolzen 40 bildet eine Schwenklagerung für den Schwenkarm 44 und zugleich eine axial verschiebbare Lagerung. Das wird erreicht durch entsprechende Länge des Bolzens 40 erreicht. Durch den Schwenkarm 44 einerseits und eine entsprechende Sicherung des Bolzens 40 am anderen Ende wird verhindert, daß der Bolzen 40 unvorhergesehen aus dem Auge 39 herausfällt. Im übrigen wird die Bolzenstellung durch eine Stellschraube 42 bestimmt, die in Nuten 41 des Bolzens 40 eingreift.

Das Lösen und Wiederbefestigen des Schwenkarmes 44 dient sowohl dem Wechsel des Extruderwerkzeuges als auch der Einstellung des Spaltes 37, 38.

In der rechten Hälfte der Fig. 2 ist die Stellung des Zwischenringes 34 aus Gründen der zeichnerischen Vereinfachung unmaßstäblich wiedergegeben. Der Zwischenring 34 müßte entsprechend der Dicke der Distanzscheibe 46 einen größeren Abstand von dem Ende des Extrudergehäuses 32 aufweisen.

Durch zurückversetzte Anordnung des Extrudergehäuses 32 gegenüber der Buchse 31 ergibt sich eine sehr raumsparende Anordnung der Kappe 33 und Ausbildung des Extruderendes.

Insgesamt besitzt das Extruderende eine sehr viel geringere Masse als der herkömmliche Extruder nach Fig. 1, so daß sich der Extruder dort sehr viel schneller auf die notwendige Betriebstemperatur erwärmt.

Durch die extrem kurzen Wege der Schmelze vom Verlassen des Raumes zwischen den Planetwalzenspindeln bis zum Austritt aus dem Extruderwerkzeug ist gewährleistet, daß auf dem Wege nur ein minimaler Temperaturverlust eintreten kann.

Die Anordnung mit dem Schwenkarm erleichtert das Wechseln des das Extruderwerkzeug bildenden Anlaufringes 35 bzw. das Verändern des Spaltes durch Hinzufügen oder Herausnehmen von Distanzscheiben. Dabei wird im Ausführungsbeispiel mit dem Schwenkarm 44 nicht nur eine Schwenkbewegung sondern auch eine Bewegung in axialer Richtung des Anlaufringes 35 ausgeführt.

In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Spalteinstellung durch eine verschiebbar angeordnete Zentralspindel.

Dabei kann die Zentralspindel auch mit einem Zapfen in die Bohrung 36 greifen, um die Bohrung zu verschließen.

Fig. 3 zeigt die Anwendung der Bauweise nach Fig. 2 auf einen stehend/vertikal angeordneten Planetwalzenextruder für thermoplastische Kunststoffe. Der Planetwalzenextruder trägt die Bezeichnung 62 und ist an einem Aufgabetrichter 64 gehalten. Der Aufgabetrichter 64 ist seinerseits an einem Ausleger 67 und einer Säule 61 gehalten. Auf dem Ausleger 67 ist der Antriebsmotor 65 befestigt, der in nicht dargestellter Weise die Zentralspindel antreibt. Dies geschieht über eine durch die Materialaufgabe 64 geführte Welle, die mit der Zentralspindel im Planetwalzenextruder 62 verbunden ist, im Ausführungsbeispiel einstückig ist.

Der Aufgabetrichter 64 hat eine seitliche Aufgabeöffnung 66 für das Aufgabegut.

In Fig. 3 sind noch Anschlüsse für Kühl-/Heizmedien dargestellt und mit 63 bezeichnet. Außerdem sind am austrittsseitigen Ende des Extruders Schwenkhebel zur Betätigung des Schwenkarmes 44 vorgesehen.

Claims (13)

1. Planetwalzenextruder mit Zentralspindel, Planetenspindel und innen verzahntem Gehäuse oder Buchse, wobei die Planetenspindeln gegen einen Anlaufring laufen und sich am Extruderaustritt ein Extruderwerkzeug befinden, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlaufring (35) mit einer Kappe (33) am Gehäuseende des Extruders gehalten ist und/oder der Anlaufring (35) zugleich das Extruderwerkzeug bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (32) gegenüber der Buchse (31) zurückgesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Zwischenring (34) zwischen Anlaufring (35) und Kappe (33).

4. Vorrichtung nach einem oder mehrere der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Verschraubung der Kappe (33) und/oder des Zwischenringes (35).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine mehrgängige Verschraubung des Zwischenringes (35).

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine schwenkbare Anordnung des Anlaufringes (35).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkarm (44) zugleich in axialer Richtung verschiebbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Arretierung und/oder Wegbegrenzung des Schwenkarmes (44) in axialer Richtung des Anlaufringes (35).

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Austrittsbohrung (36) in dem Anlaufring deren Durchmesser zumindest kleiner als der Außendurchmesser der Zentralspindel ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser kleiner als der Durchmesser ist, auf dem der Zahngrund der Zentralspindelverzahnung liegt und ein Abstand zwischen dem Zentralspindelende und den Anlaufring (35) besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (37,38) verstellbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Verstellung des Anlaufringes (35) und/oder der Zentralspindel.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Spaltverstellung mit Distanzscheiben.