DE19834132A1 - Combined plasticizer and granulator based on ring matrix press, manufactures composite thermoplastic and natural-fiber granules using shear-impeller rotated relatively with respect to perforated ring matrix - Google Patents
Combined plasticizer and granulator based on ring matrix press, manufactures composite thermoplastic and natural-fiber granules using shear-impeller rotated relatively with respect to perforated ring matrixInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstel lung und Aufbereitung von Verbundwerkstoffen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a device for manufacturing development and preparation of composite materials, according to Art defined in the preamble of claim 1.
In der Großserie werden faserverstärkte Polymere, ins besondere aserverstärkte, thermoplastisch verarbeit bare Polymere, überwiegend in Preß- oder Spritzgieß verfahren verarbeitet. Beide Verfahren benötigen in der Regel Halbzeuge, die bereits die fertige Mischung von Fasern und Polymer aufweisen, wobei diese Halbzeu ge für Preßverfahren vorwiegend flächig sind und für Spritzgießverfahren in der Regel als Granulat, Agglo merat oder Pellets vorliegen.In the large series, fiber-reinforced polymers, ins special air-reinforced, thermoplastic processing bare polymers, mainly in molding or injection molding process processed. Both procedures require in usually semi-finished products that are already the finished mix of fibers and polymer, these semis ge for pressing processes are mainly flat and for Injection molding process usually as granules, agglomerates merat or pellets.
Zur Herstellung und Aufbereitung solcher faserver stärkter Halbzeuge aus Polymer können Extruder einge setzt werden. Dabei werden rieselfähige Kurzfasern in eine Schmelze eines thermoplastisch verarbeitbaren Polymers eindosiert, was z. B. bei Glasfasern ein sehr homogenes Polymer-Faser-Gemisch ergibt. Kommen jedoch Naturfasern zum Einsatz, so ist eine solche Vorgehens weise nur sehr eingeschränkt möglich, da die Naturfa sern durch ihre unregelmäßige Gestalt und ihre rauhe Oberfläche nur bedingt rieselfähig sind. Um auch bei Naturfasern eine gute Rieselfähigkeit zu erreichen, müssen diese sehr stark eingekürzt werden. Dadurch können sie zwar gleichmäßig zudosiert werden, ihre Länge reicht jedoch nicht mehr aus, um eine befriedi gende Verstärkungswirkung des Verbundwerkstoffes zu erzielen.For the production and processing of such fiber Stronger semi-finished products made of polymer can be used in extruders be set. Free-flowing short fibers are thereby a melt of a thermoplastically processable Polymers dosed what z. B. with glass fibers a very homogeneous polymer-fiber mixture results. Coming though This is how natural fibers are used only possible to a very limited extent, since the natural fa due to their irregular shape and their rough The surface can only be poured to a limited extent. To also at Natural fibers to achieve good flow properties, they have to be shortened very much. Thereby they can be added evenly to their However, length is no longer sufficient to satisfy reinforcing effect of the composite material achieve.
Ein weiteren durch das Prinzip der Extrusion bedingter Nachteil ist die hohe thermische Beanspruchung der Fasern, die vor allem bei Naturfasern neben Einbußen der mechanischen Eigenschaften auch zu einer starken Geruchsbelästigung während des Produktionsprozesses führen kann.Another one due to the principle of extrusion The disadvantage is the high thermal stress on the Fibers, especially with natural fibers in addition to losses the mechanical properties also become a strong one Odor nuisance during the production process can lead.
Eine Alternative bietet die Herstellung von Halbzeugen aus Fasern und Polymer mit Hilfe von Matrizenpressen, wie sie z. B. zur Agglomeration von pulverförmigen Feststoffen oder auch zur Aufbereitung von pastösen oder folienartigen Stoffen eingesetzt werden.The production of semi-finished products offers an alternative made of fibers and polymer using die presses, as they e.g. B. for agglomeration of powder Solids or for the preparation of pasty or sheet-like substances are used.
Eine der möglichen Bauformen bei Matrizenpressen ist die sogenannte Flachmatrizenpresse, wie sie in der US 4,511,321 beschrieben wird. In dieser Vorrichtung lau fen mehrere sternförmig angeordnete Walzen, sogenannte Koller, auf einer scheibenförmigen Lochmatrize, an deren Unterseite bewegliche Messer den von den Kollern durch die Matrize gedrückten Verbundwerkstoff abtren nen. Durch die relativ aufwendige Bauweise entsteht bei solchen Flachmatrizenpressen bauartbedingt ein sehr großer Arbeitsraum, was in nachteiliger Art und Weise dessen gezielte Temperierung erschwert.One of the possible designs for die presses is the so-called flat die press, as used in the US 4,511,321 is described. In this device lukewarm fen several star-shaped rollers, so-called Koller, on a disk-shaped perforated matrix the underside of movable knives that of the pan Remove the composite material pressed through the die nen. Due to the relatively complex design due to the design of such flat die presses very large work space, which is disadvantageous and Way difficult its targeted tempering.
Eine Ringmatrizenpresse mit drehender Matrize und Wal ze wie sie in der US 4,179,257 beschrieben wird, hat einen relativ geschlossenen Arbeitsraum, der eine Tem perierung des Prozesses leichter möglich macht. Sehr nachteilig bei dieser Ausführungsform einer Ringmatri zenpresse ist aber, daß die Dosierung in den Walzen spalten erfolgen muß, was eine unzureichende Durch mischung der Komponenten zur Folge hat und dadurch ein Halbzeug mit mangelnder Homogenität verursachen kann.A ring die press with rotating die and whale ze as described in US 4,179,257 has a relatively closed work space that has a tem making the process easier. Very disadvantageous in this embodiment of a ring matrix Zen press is that the dosage in the rollers split must be done, which is an insufficient through mixing of the components and thereby Semi-finished products with a lack of homogeneity can cause.
Einen Lösungsansatz zeigt die DE 197 05 280 C1 auf, in der unter anderem ein Verfahren zur Herstellung eines naturfaserverstärkten Kunststoff-Formteiles beschrie ben ist. Dabei wird eine gattungsgemäße Ringmatrizen presse mit Reibflügeln genutzt, wie sie in der DE 38 42 072 C1 naher beschrieben ist.DE 197 05 280 C1 shows a solution, in which among other things a method for producing a natural fiber reinforced plastic molded part ben is. This is a generic ring matrix press used with friction blades, as in the DE 38 42 072 C1 is described in more detail.
Eine solche Ringmatrizenpresse mit starrer Matrize und beweglichem Reibflügel bietet den Vorteil, daß eine axial mit dem Reibflügel starr verbundene Transport schnecke den Transport von Fasern und polymer relativ einfach macht, wobei diese Art des Transports keinen zusätzlichen Antrieb erfordert und dabei außerdem noch für eine Vermischung des Aufgabeguts (Naturfasern und Polymer) sorgt. Weiterhin führt auch der Reibflügel zu einer intensiven Durchmischung der Komponenten im Ar beitsraum. Aufgrund seiner kompakten Bauweise läßt sich der Arbeitsraum darüber hinaus leicht temperie ren. In dem Keilspalt zwischen Reibflügel und Matrize, der eine umlaufende Plastifizierkammer bildet, kommt es in dem Komponentengemisch zu Scherbeanspruchungen, die ein Vereinzeln der biegeweichen Naturfasern und eine sehr homogene Durchmischung des Kunststoff- Naturfaser-Gemischs bewirken. Ein gravierender Nach teil dieser Verfahrensvariante ist allerdings, daß die Parameter Durchsatz, Durchmischung und Scherbeanspru chung nicht optimal an die erforderlichen Prozeßbedin gungen angepaßt werden können.Such a ring die press with a rigid die and movable friction wing offers the advantage that a Transport rigidly connected axially to the friction wing snail transport of fibers and polymer relative makes easy, but this type of transport does not requires additional drive and also still for mixing the feed material (natural fibers and Polymer). The friction wing also leads to an intensive mixing of the components in the area working room. Due to its compact design lets the work area also warms up slightly ren. In the wedge gap between the friction wing and die, which forms a circumferential plasticizing chamber it in the component mixture to shear stresses, which separates the flexible natural fibers and a very homogeneous mixing of the plastic Effect natural fiber mixture. A serious after part of this process variant is, however, that the Throughput, mixing and shear stress parameters not optimal to the required process conditions conditions can be adjusted.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung und Aufbe reitung von Verbundwerkstoffen zu schaffen, welche es ermöglicht, daß der Durchsatz, die Durchmischung und die Scherbeanspruchung, die der Verbundwerkstoff er fährt, optimal einstellbar sind.The present invention is therefore based on the object on the basis of a device for the production and processing creation of composite materials, which it enables throughput, mixing and the shear stress that the composite material drives, are optimally adjustable.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention, this task is characterized by the drawing part of claim 1 mentioned features solved.
Neben den bestehenden Vorteilen der Ringmatrizenpresse ermöglicht es die erfindungsgemäße Lösung durch die Rotationsbewegung der ringförmigen Lochmatrize die Scherung in einem weiten Bereich variieren zu können. Insbesondere beim Verarbeiten der sehr schwer zu ver einzelnden, aber biegeweichen Naturfasern entstehen dadurch enorme Vorteile bezüglich der Homogenität der faserverstärkten Halbzeuge aus thermoplastisch verar beitbarem Polymer.In addition to the existing advantages of the ring die press enables the solution according to the invention by Rotational movement of the annular punch die To be able to vary shear in a wide range. Especially when processing the very difficult to ver single but flexible natural fibers are created thereby enormous advantages with regard to the homogeneity of the fiber-reinforced semi-finished products made of thermoplastic editable polymer.
In der durch den Spalt zwischen Reibflügel und ring förmiger Lochmatrize gebildeten Plastifizerkammer wer den die Ausgangskomponenten intensiv geschert, wodurch eine gute Durchmischung der Fasern mit dem Polymer, und insbesondere bei Naturfasern die Vereinzelung der Fasern, überhaupt erst ermöglicht wird. Gleichzeitig mit der Plastifizierung des Polymers werden die gleichmäßig verteilten Naturfasern; eingebettet, wo durch das gewünschte außerordentlich homogene, faser verstärkte Polymer-Halbzeug entsteht.In the through the gap between the friction wing and ring shaped perforation die formed plasticizing chamber who which the initial components sheared intensely, whereby good mixing of the fibers with the polymer, and especially with natural fibers, the separation of the Fibers, is made possible in the first place. At the same time with the plasticization of the polymer evenly distributed natural fibers; embedded where through the desired extremely homogeneous, fiber reinforced polymer semi-finished product.
Das entstandene plastifizierte Gemisch wird wie be reits aus dem Stand der Technik bekannt, durch die Bohrungen der ringförmigen Lochmatrize ausgetragen und durch Messer auf der Außenseite der Lochmatrize granu liert, wobei die Bohrungen der ringförmigen Lochmatri ze gleichzeitig die Form des entstehenden Halbzeuges bestimmen.The resulting plasticized mixture is as already known from the prior art, by the Bores of the ring-shaped die matrix are carried out and by knife on the outside of the perforated die granu liert, wherein the holes of the annular perforated matrix ze at the same time the shape of the semi-finished product determine.
Der Durchsatz, die Vermischung und die Scherung des Gemischs lassen sich jedoch bei der erfindungsgemäßen Lösung durch die Wahl der Drehzahldifferenz zwischen Reibflügel und rotierender, ringförmiger Lochmatrize unabhängig voneinander einstellen.The throughput, mixing and shear of the However, the mixture according to the invention can Solution by choosing the speed difference between Friction wing and rotating, ring-shaped die set independently.
Neben dem Vorteil einer geringen thermischen Belastung der Fasern, die sich insbesondere bei Naturfasern po sitiv auswirkt, erfahren die Fasern jedoch eine rela tiv hohe mechanische Belastung durch die Scherung in der umlaufenden Plastifizierkammer, was bei sehr bie gesteifen Fasern problematisch sein kann. Speziell bei Naturfasern kann dies aber ohne Nachteil in Kauf ge nommen werden, da sie biegeweich sind und so kaum eine Beeinträchtigung ihrer mechanischen Eigenschaften zu befürchten ist.In addition to the advantage of a low thermal load of the fibers, which are particularly po effects, the fibers experience a rela tiv high mechanical stress due to the shear in the surrounding plasticizing chamber, which is very bie stiff fibers can be problematic. Especially at Natural fibers can buy this without disadvantage be taken because they are flexible and so hardly any Impairment of their mechanical properties fear.
Die vorteilhafte Vereinzelung der Naturfasern und die homogene Durchmischung von Naturfasern und thermopla stisch verarbeitbarem Polymer verbessert die mechani schen Eigenschaften der entstandenen Halbzeuge aus Verbundwerkstoff in sehr günstiger Art und Weise.The advantageous separation of natural fibers and homogeneous mixing of natural fibers and thermopla The processable polymer improves the mechani properties of the semi-finished products Composite material in a very cheap way.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dar gestellten Ausführungsbeispiel.Advantageous refinements and developments of Invention result from the dependent claims and from which in principle is based on the drawing below provided embodiment.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Aufbereitung und Herstellung von Verbundwerk stoffen mit einer erfindungsgemäßen Ringmatri zenpresse; und Fig. 1 is a schematic representation of a plant for the preparation and manufacture of composite materials with a ring die according to the invention zenpresse; and
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung der Ring matrizenpresse entlang der Linie II-II der Fig. 1. Fig. 2 is a schematic sectional view of the ring die press along the line II-II in FIG. 1.
Die Darstellung in Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Auf bau einer Anlage zur Herstellung und Aufbereitung ei nes Verbundwerkstoffes auf Basis von Naturfasern und thermoplastisch verarbeitbarem Polymer. Außer einer ringförmigen, rotierenden Lochmatrize 1, die von einem Elektromotor (nicht dargestellt) mit unabhängig ein stellbarer Drehzahl angetrieben wird, besteht die An lage durchgehend aus, aus dem Stand der Technik be kannten Elmenten, wie z. B. einem Vorratsbehälter 2 für die Naturfasern. Der Vorratsbehälter 2 weist ein Rührwerk 3 auf, das von einem elektromotorischen An trieb 4 über ein Riemengetriebe 5 angetrieben wird. Weiterhin treibt der Elektromotor 4 eine Austrags schnecke 6 an, die die durch das Rührwerk 3 schon teilweise vereinzelten Naturfasern zu einer Kammer 7 fördert, in der ein thermoplastisch verarbeitbares Polymer zu den Naturfasern gelangt (nicht darge stellt). Eine Zuführeinrichtung 8, hier z. B. eine Zu führschnecke 8 fördert das Gemisch aus Naturfasern und Polymer in die ringförmige Lochmatrize 1, wobei es in diesem Teil der Anlage zu einer ersten Durchmischung von Naturfasern und Polymer kommt. Die Zuführschnecke 8 und ein Reibflügel 9 (in Fig. 1 nicht dargestellt) werden von einem weiteren Elektromotor 10 über ein Getriebe 11 angetrieben.The illustration in Fig. 1 shows the basic construction of a plant for the production and processing of a composite material based on natural fibers and thermoplastically processable polymer. In addition to an annular, rotating die 1 , which is driven by an electric motor (not shown) with an independently adjustable speed, the system consistently consists of elements known from the prior art, such as, for. B. a reservoir 2 for the natural fibers. The reservoir 2 has an agitator 3 which is driven by an electromotive drive 4 via a belt transmission 5 . Furthermore, the electric motor 4 drives a discharge screw 6 , which promotes the natural fibers that have already been partially separated by the agitator 3 to a chamber 7 , in which a thermoplastically processable polymer arrives at the natural fibers (not shown). A feed device 8 , here z. B. To lead screw 8 promotes the mixture of natural fibers and polymer in the ring-shaped die 1 , in which part of the system there is a first mixing of natural fibers and polymer. The feed screw 8 and a friction blade 9 (not shown in FIG. 1) are driven by a further electric motor 10 via a gear 11 .
Während des laufenden Prozesses treten an Bohrungen 12 der ringförmigen Lochmatrize 1 Halbzeugstränge aus faserverstärktem, thermoplastisch verarbeitbarem poly mer aus und werden von einem Messer 13 an der äußeren Oberfläche der ringförmigen Lochmatrize 1 abgeschert (granuliert). Die so hergestellten Halbzeuge können dann mit einem anderen Verfahren (z. B. Spritzgießen) weiterverarbeitet werden.During the ongoing process emerge from holes 12 of the annular die 1 semi-finished strands of fiber-reinforced, thermoplastically processable poly mer and are sheared (granulated) by a knife 13 on the outer surface of the annular die 1 . The semi-finished products produced in this way can then be processed further using another method (e.g. injection molding).
Fig. 2 zeigt den Hauptbestandteil der Anlage nochmals in einer anderen Ansicht. In der Schnittdarstellung ist gut zu erkennen, daß der sich gegen den Uhrzeiger sinn drehende Reibflügel 9 mit der ringförmigen, ro tierenden Lochmatrize einen Spalt 14 bildet, der sich entgegen der Umlaufrichtung des Reibflügels 9 stetig verengt und die Plastifizierkammer darstellt. Den Ab schluß des Spaltes 14 bildet eine Dichtungseinrichtung 15, die höher als dicht an der Innenwand der ringförmi gen Lochmatrize 1 anliegendes Dichtsegment/Reibsegment 15 ausgeführt ist, und das das plastifizierte Polymer- Faser-Gemisch durch die Bohrungen 12 der ringförmigen Lochmatrize 1 preßt. Auf der Außenseite der ringförmi gen Lochmatrize 1 wird das austretende Material von dem Messer 13, das in einer weiteren, nicht darge stellten Ausführungsform umlaufend um die Lochmatrize 1 ausgeführt sein kann, granuliert. Fig. 2 shows the main component of the system again in a different view. In the sectional view it can be clearly seen that the counter-clockwise rotating friction wing 9 with the ring-shaped, ro-forming punch matrix forms a gap 14 which continuously narrows against the direction of rotation of the friction wing 9 and represents the plasticizing chamber. From the end of the gap 14 forms a sealing device 15 , which runs higher than close to the inner wall of the ring-shaped hole matrix 1 sealing segment / friction segment 15 , and which presses the plasticized polymer-fiber mixture through the holes 12 of the annular hole matrix 1 . On the outside of the ring-shaped perforating die 1 , the emerging material is granulated by the knife 13 , which in a further embodiment, not shown, can be made all around the perforated die 1 .
Es ist jedoch auch möglich, auf das Dichtsegment 15 zu verzichten und die Plastifizierkammer lediglich durch den engen Spalt zwischen Reibflügel 9 und Lochmatrize 1 abzuschließen.However, it is also possible to dispense with the sealing segment 15 and to close the plasticizing chamber only through the narrow gap between the friction wing 9 and the die 1 .
Damit der Prozeß in möglichst günstiger Weise abläuft, muß die ringförmige Lochmatrize 1 sich gegenläufig zum Reibflügel 9 drehen oder sie muß mit dem gleichen Drehsinn wie der Reibflügel 9, jedoch mit kleinerer Drehzahl, laufen.In order for the process to run as cheaply as possible, the annular die 1 must rotate in the opposite direction to the friction wing 9 or it must run in the same direction as the friction wing 9 , but at a lower speed.
Durch die von dem Elektromotor 10 und dem Getriebe 11 auf die gemeinsame Welle 16 von Zuführschnecke 8 und Reibflügel 9 aufgebrachte Drehzahl, läßt sich der Ma terialdurchsatz durch die ringförmige Lochmatrize 1 einstellen. Davon unabhängig ist durch die Drehge schwindigkeit der Lochmatrize 1 die Scherspannung und die Vermischung der beiden Materialien einstellbar.By the speed applied by the electric motor 10 and the gear 11 to the common shaft 16 of the feed screw 8 and the friction wing 9, the material throughput can be adjusted by the annular punch die 1 . Irrespective of this, the shear stress and the mixing of the two materials can be adjusted by the speed of the die 1 .
Zusammen ist der problemlos möglichen, exakten Tempe rierung des relativ kleinen Arbeitsraumes können so die idealen Prozeßbedingungen für das gewünschte Halb zeug aus Naturfasern und thermoplastisch verarbeitba rem Polymer erzeugt werden.Together is the easily possible, exact tempe ration of the relatively small work space can the ideal process conditions for the desired half stuff made of natural fibers and thermoplastically processable Rem polymer are generated.
Die mit einer solchen Anlage herstellbaren Halbzeuge aus Verbundwerkstoffen sind durch den Einsatz von Na turfasern und entsprechenden biologisch abbaubaren thermoplastischen Polymeren ökologisch vollkommen un bedenklich, recycelbar und/oder kompostierbar und wer den in weiterführenden Fertigungsprozessen, z. B. durch Spritzgießen, zu vielfältigen Teilen wie z. B. Verklei dungsteilen in Kraftfahrzeugen, geformt. Es ist dar über hinaus auch denkbar, die Vorrichtung zur Herstel lung von Verbundwerkstoffen mit nicht fasrigen Füll stoffen, wie z. B. Stärke, Kreide, einzusetzen.The semi-finished products that can be produced with such a system made of composite materials through the use of Na door fibers and corresponding biodegradable thermoplastic polymers ecologically completely un questionable, recyclable and / or compostable and who in further manufacturing processes, e.g. B. by Injection molding, to diverse parts such. B. Verklei manure parts in motor vehicles, molded. It is also conceivable, the device for manufacture development of composite materials with non-fibrous fill fabrics, such as B. starch, chalk.
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| PL424041A1 (en) * | 2017-12-22 | 2019-07-01 | Protechnika Łuków Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością | Ring-shaped briquetting mould matrix for waste materials |
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1998
- 1998-07-29 DE DE19834132A patent/DE19834132C2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
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| DE19834132C2 (en) | 2000-06-15 |
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