DE19812889A1 - Flüssigkeitsgekühlter Planetwalzenextruder - Google Patents

Abstract

Nach der Erfindung wird das Kühlmittel an Planetwalzenextrudern vorzugsweise tangential zugeführt, um die Kühlung zu verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft Planetwalzenextruder mit Flüssigkeitskühlung, insbesondere zur Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe. Zeitgemäße Planetwalzenextruder bestehen aus einer rotierenden Zentralspindel, umlaufenden Planetenspindeln und einer innen verzahnten Buchse. Die Buchse sitzt ortsfest in einem umgebenden Gehäuse.

Die Zentralspindel und die Planetenspindeln sind außen mit einer Verzahnung versehen und kämmen miteinander. Zur Extrudermitte hin greifen die Planetenspindeln in die Zentralspindel und umgekehrt. Außen greifen die Planetenspindeln in eine innen verzahnte Buchse und umgekehrt.

Die Zentralspindel wird angetrieben und bewegt die Planetenspindeln. Während der Umlaufbewegung werden die Planetenspindeln durch einen sogenannten Anlaufring in axialer Richtung gehalten. Die Planetenspindeln gleiten mit ihren Stirnflächen an dem Anlaufring. Die Planetwalzenextruder bilden eine wichtige Variante möglicher Extruder. Die anderen bekannten Bauarten sind der Einschneckenextruder und der Doppelschneckenextruder. Alle Bauweisen werden mit der Bezeichnung schon weitgehend beschrieben:

Der Einschneckenextruder besitzt eine einzige Schnecke, die in einem eng umschließenden Gehäuse rotiert. Die Folge ist, daß der Einsatzwerkstoff einerseits an dem Gehäuse und andererseits an der Schnecke reibt. Dabei wird der Einsatzwerkstoff nicht nur gewalkt sondern in großem Umfang geschert. Viele der Werkstoffe vertragen das Scheren nicht. Das ist darauf zurückzuführen, daß langkettige Moleküle zerrissen oder zerschnitten werden und der Werkstoff dadurch insgesamt andere Eigenschaft erhält. Zum Teil sind die neuen Eigenschaften unerwünscht.

Die Doppelschneckenextruder besitzen zwei rotierende Schnecken. Die Schnecken kämmen miteinander. In dem Bereich, in dem die Schnecken miteinander kämmen, wird die Scherwirkung vernachlässigt und nur von einer Walk- und Knetarbeit ausgegangen.

Die Planetwalzenextruder bilden im Verhältnis zu den Einschneckenextrudern das andere Extrem der Extruder. Das in den Planetwalzenextruder eintretende Material wird zwischen den Zähnen ausgewalzt. In Planetwalzenextrudern ist die Scherwirkung minimal und eine maximale Knet- und Walkwirkung zu verzeichnen. Solche Extruder eignen sich besonderes für empfindliche Werkstoffe.

Jede Scherwirkung, Knetwirkung und Walkwirkung verursacht als Verformungsarbeit im Werkstoff Wärme. Die Wärmeentwicklung ist in der Regel nur bis zum Erreichen einer bestimmten Grenze unschädlich.

Diese Grenze läßt sich aber nicht durch Reduzierung der Verformungsarbeit einhalten. Insbesondere Kunststoffe erfordern ein hohes Maß an Verformungsarbeit, um aus der zumeist granulatförmigen Einsatzmischung eine homogene Schmelze zu erzeugen, die durch ein Extrusionswerkzeug gepreßt wird. Zu der Einsatzmischung gehören diverse Additive, zum Teil Treibmittel und anderes.

Die Kunststoffe müssen zunächst aufgeschmolzen und anschließend mit den anderen Mischungsanteilen homogenisiert werden.

Die Aufschmelzung macht die Einbringung von Wärme erforderlich. In der Regel wird die Wärme durch Verformungsarbeit aufgebracht.

Nach der Aufschmelzung ist eine weitere Erwärmung unerwünscht. Deshalb muß die durch weitere Verformungsarbeit entstehende Wärme wieder abgeführt werden. Das geschieht durch Kühlung.

Zur Kühlung ist es seit langem bekannt, die innen verzahnte Buchse außen mit umlaufenden Kühlkanälen zu versehen. Die Kühlkanäle entstehen durch eingearbeitete Nuten. Die Nuten (Vertiefungen) verlaufen wie Gewindegänge in der Buchsenoberfläche. Ergänzt bzw. geschlossen werden die Nuten durch das die Buchse umgebende Gehäuse zu Kühlkanälen. Der Einfachheit halber wird dabei nur von Kühlkanälen gesprochen, obwohl die gleichen Kanäle während der Beheizungsphase zu Heizkanälen werden.

Bislang werden die Buchsen mit einer Mindestdicke von mehr als 10 mm hergestellt. Einige Hersteller verwenden Dicken von 20 mm und mehr.

Die Buchsen haben sich in allen Bauarten bewährt.

Entwicklungsbedarf besteht an Planetwalzenextrudern an anderer Stelle als an den Buchsen. Gleichwohl hat sich ein älterer Vorschlag die Aufgabe gestellt, Planetwalzenextruder an den Buchsen zu verbessern. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Buchsen auch Wirkung auf das Verfahren haben. Das geschieht über den Wärmefluß durch die Buchse hindurch. Die Erfindung hat erkannt, daß der Wärmefluß durch die Buchse hindurch das Maß der Kühlung bzw. das Maß der Beheizung bestimmt. Nach dem älteren Vorschlag wird der Wärmefluß durch Verringerung der vollen Wandstärke verbessert. Die volle Wandstärke ist das Projektionsmaß zwischen dem Zahngrund und dem Grund der Vertiefung für die Kühlkanäle. Das Projektionsmaß ist das Maß, welches sich bei der Projektion der Zeichnungskanten aus einer bestimmten Richtung ergibt. Beim Vergleich von Maßen ist eine Projektion aus gleicher Richtung zweckmäßig. Maße aus unterschiedlichen Projektionen lassen sich durch Umrechnung vergleichbar machen.

Nach dem älteren Vorschlag ist vorzugsweise eine Projektion in Richtung der Extruderlängsachse vorgesehen. In dieser Projektion soll die volle Wandstärke bei Extrudern mit einem Teilkreisdurchmesser kleiner oder gleich 250 mm kleiner 10 mm sein. Bei größeren Extrudern soll die volle Wandstärke 11 mm sein.

Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich bei Wandstärkendicken von 3 bis 8 mm. Diese Dicken sind in Bezug auf eine Projektion in Richtung der Extruderlängsachse vorgesehen. Die Wandstärke kann zusätzlich in Abhängigkeit vom Teilkreisdurchmesser der Buchsenverzahnung variieren. Vorzugsweise sind folgende Bereiche vorgesehen:

Teilkreisdurchmesser
volle Wandstärke
70 mm	3,0 bis 6,5 mm
100 mm	3,5 bis 7,0 mm
150 mm	4,4 bis 7,9 mm
180 mm	4,9 bis 8,4 mm
200 mm	5,3 bis 8,8 mm
250 mm	6,2 bis 9,7 mm
300 mm	7,1 bis 10,6 mm

Zur Standfestigkeit trägt eine genaue Fertigung der Buchsen bei. Deshalb ist vorzugsweise eine maßgenaue Fertigung der Buchsen durch Funkenerodieren vorgesehen. Bei ungenauer Fertigung sind die aus den Fertigungstoleranzen resultierenden Untermaße in das Maß der zulässigen vollen Wandstärke einzurechnen.

Die Ungenauigkeiten sind teilweise durch die Fertigung bedingt. Eine beliebte Fertigung der Buchsen sieht vor, daß die Verzahnung der Buchsen durch Ziehen hergestellt und die Buchsen anschließend gehärtet werden. Allein schon das Ziehen erlaubt nur sehr beschränkte Fertigungstoleranzen. Besonders nachteilig ist die anschließende Härtung. Selbst bei sorgfältiger Vorgehensweise ist ein Verzug von 1 bis 2 mm unvermeidbar.

Die Herstellung der Verzahnung durch Funkenerodieren erlaubt eine Bearbeitung der Verzahnung nach dem Härten, so daß der sogenannte Verzug wieder herausgearbeitet wird. Bei dem Funkenerodieren wird eine Elektrode mit einer genauen Außenverzahnung gebildet und durch die Buchse gefahren, so daß die austretenden Funken die Oberfläche der Elektrode in der Buchse genau nachbilden.

Die Erfindung knüpft an die ältere Entwicklung und die Bemühungen zur intensiven Kühlung der Schmelze. Dabei hat die Erfindung erkannt, daß die Kühlung noch zu einer überraschenden Leistungssteigerung geführt werden kann, wenn die Kühlströmung vergleichmäßigt wird und Totstellen verhindert werden. Besondere Probleme ergeben sich im Zuführungsbereich der Kühlflüssigkeit. Üblicherweise tritt die Kühlflüssigkeit in genau radialer Richtung durch den Gehäusemantel in die Kühlkanäle ein. Dort wird die Kühlflüssigkeit in die gewünschte Durchströmungsrichtung gezwungen. Die bekannte Kühlmittelzuführung führt zu einer mehr oder weniger unkontrollierten Verwirbelung und teilweise zu Totstellen. Dort fällt bei näherer Betrachtung die Kühlleistung stark ab. Das gilt besonders für Wasser als Kühlflüssigkeit. Das Kühlwasser verdampft und bildet an den Wänden der Kühlkanäle Blasen, die durch die Wasserströmung abgerissen werden sollten. In den unkontrollierten Bereichen bekannter Wasserzuführung ist das nicht oder sehr viel weniger der Fall. Die Dampfblasen entfalten eine starke Wärmedämmung. Auf dem Wege verringert sich der Wärmedurchgang und die damit verbundene Kühlung.

Nach der Erfindung werden die Probleme am Flüssigkeitseintritt durch eine Zuführungsrichtung verringert und ggfs. sogar beseitigt, die zu dem durch die Zuführungsstelle verlaufenden Radius geneigt oder sogar senkrecht verläuft. Der senkrechte Verlauf bildet zugleich eine Tangente an den Kreis der Kühlkanäle, die zwar üblicherweise wie Gewindegänge mit einer Steigung verlaufen, in der Projektion aus der Extruderlängsrichtung aber einen Kreis zeigen.

Die Tangentenbildung kennzeichnet optimale Eintrittsverhältnisse.

Der geneigte bzw. tangentiale Eintritt der Kühlflüssigkeit stellt an den Betrieb erheblich höhere Forderungen als der herkömmliche radiale Eintritt. Die sehr viel höheren Anforderungen resultieren aus den Schwierigkeiten, eine Bohrung geneigt durch das zylindrische Gehäuse einzubringen. Jeder Fachmann vermeidet diese Situation, weil ihm ins Auge springt, daß der Bohrer dabei verläuft. Die Folge sind normalerweise erhebliche Fertigungstoleranzen und häufiger Bohrerbruch. Vorzugsweise wird deshalb zumindest der außenseitige Anfang der Bohrung gefräst. Ein Fräser ist zumindest an dem Anfang der Bohrung besser als ein üblicher Spiralbohrer geeignet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt:

Fig. 1 und 2 zeigen Schnittdarstellungen eines Planetwalzenextruders mit einer rotierenden Zentralspindel 5, umlaufenden Planetenspindeln 2 und einer ortsfest in einem Gehäuse 6 angeordneten Buchse 4. Die Buchse 2 besitzt außen Nuten 3, die wie Gewindegänge verlaufen. In der Einbausituation nach Fig. 1 sind die Nuten außen durch das Gehäuse 6 verschlossen, so daß sie Kanäle bilden und von Kühl- bzw. Heizmedium durchströmt werden können. In Fig. 1 ist zugleich ein Zulauf 7 vorgesehen. Der Ablauf ist nicht dargestellt.

Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen 70iger Extruder, d. h. einen Extruder mit einem Teilkreisdurchmesser der Buchsenverzahnung von 70 mm. Die Buchse 4 hat in der Schnittdarstellung nach Fig. 2 eine volle Wandstärke 1 von 3,5 mm. Die Schnittdarstellung nach Fig. 1 enthält eine Projektion der Kanten der Buchse aus Längsrichtung der Buchse. In dieser Darstellung ist die volle Wandstärke 1 der Abstand zwischen dem Zahntiefsten und dem Nuttiefsten.

Fig. 3 zeigt einen Kühlkanal 13 zwischen einem Gehäuse 15 und einer Buchse 14 in einer Projektion aus der Extruderlängsrichtung. Der Kühlkanal bildet in der Projektion einen Ring. Die Kühlmittelzuführung ist mit 16 bezeichnet und tritt genau tangential in den Kühlkanal 13 ein.

Claims (11)

1. Planetwalzenextruder mit rotierender Zentralspindel, umlaufenden Planeten, innen verzahnter Buchse, die ortsfest in einem Gehäuse angeordnet ist und mit eingearbeiteten Kanälen für einen Heiz- bzw. Kühlkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Heiz- bzw. Kühlmittelzutritt vorgesehene Bohrung zu dem Radius durch den Eintritt geneigt oder senkrecht verläuft.

2. Planetwalzenextruder nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Fräsers für den Bohrungsanfang.

3. Planetwalzenextruder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die volle Wandstärke (1) der Buchse bis zu einem Teilkreisdurchmesser der Buchsenverzahnung bis 250 mm kleiner als 10 mm und bei größeren Teilkreisdurchmessern kleiner als 11 mm ist.

4. Planetwalzenextruder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die volle Wandstärke (1) zwischen 3 und 8 mm beträgt.

5. Planetwalzenextruder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die volle Wandstärke (1) in Abhängigkeit von dem Teilkreisdurchmesser der Buchsenverzahnung wie folgt ist:
Teilkreisdurchmesser volle Wandstärke (1) 70 mm 3,0 bis 6,5 mm 100 mm 3,5 bis 7,0 mm 150 mm 4,4 bis 7,9 mm 180 mm 4,9 bis 8,4 mm 200 mm 5,4 bis 8,8 mm 250 mm 6,2 bis 9,7 mm 300 mm 7,1 bis 10,6 mm

6. Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die volle Wandstärke (1) der Abstand zwischen dem Zahntiefsten und dem Nuttiefsten ist und der Abstand in der Projektion der Buchsenkanten aus der Längsrichtung gemessen wird.

7. Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch funkenerodierte Buchsen.

8. Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch einen geschlossenen Heiz-/Kühlkreis des Extruders (10), mit gesteuerten Druckventilen (11) und einer Druckpumpe (22) und/oder einem Druckspeicher, wobei die Pumpe (22) und/oder der Druckspeicher bei Erreichen eines Mindestdifferenzdruckes zugeschaltet wird, wobei der Differenzdruck zwischen dem Schmelzedruck und dem Druck im Heiz-/Kühlkreis ist.

9. Planetwalzenextruder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdruck 10 bar ist.

10. Planetwalzenextruder nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Heiz-/Kühlkreis über ein Druckbegrenzungsventil (21) reduziert wird, wenn der Differenzdruck droht negativ zu werden.

11. Planetwalzenextruder nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Druck von 1 bar.