DE19929824C2 - Extruder für thermoplastische Medien - Google Patents
Extruder für thermoplastische MedienInfo
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Abstract
Extruder zum Plastifizieren von thermoplastischen Medien, der einenends in einem Einlaufbereich mit einem Granulateinlauf (E) versehen ist und im entgegengesetzten Ende mit einer Austrittsbohrung (A) versehen ist, mit einer motorisch angetriebenen Gewindespindel (S), die in einem Mantel (M) mit gegenläufigem Mantelgewinde (MG) angeordnet ist, wobei über einen Aufschmelzbereich der Spindellänge der längenspezifische freie Gesamtquerschnitt (GS + QM) des Spindelgewindes (SG) und des Mantelgewindes (MG) etwa konstant ist und der freie Spindelgewindequerschnitt (QS) sowie der freie Mantelgewindequerschnitt (QM) sich dort komplementär linear ändern.
Description
Die Erfindung betrifft einen Extruder zum Plastifizieren von
thermoplastischen Medien, der einenends in einem
Einlaufbereich mit einem Granulateinlauf versehen ist und im
entgegengesetzten Ende mit einer Austrittsbohrung versehen
ist, mit einer motorisch angetriebenen Gewindespindel, die
in einem Mantel mit gegenläufigem Mantelgewinde angeordnet
ist.
Ein derartiger Extruder ist aus der DE 44 00 330 A1 bekannt.
Er ist für das Plastifizieren und Aufschäumen von
stärkehaltigen Kleie- oder Griesausgangsstoffen ausgebildet.
Die gegenläufigen Gewinde im Mantel und in der Spindel
sorgen für eine starke Scherbeanspruchung der aufgegebenen
körnigen Stoffe, die unter erheblichem Druck der
Spindeldrehung zusammengepreßt werden und sich durch die
Belastung stark erwärmen.
Der energetische Wirkungsgrad ist dabei nahezu 90%. Die
Spindel und der Mantel erweitern sich zum Ausgang hin und
gewähren dem plastifizierten und verflüssigten Material
zunehmend Raum zum Aufschäumen mittels der im Material
enthaltenen Feuchtigkeit, die zur Verdampfung kommt.
Es sind weiterhin zylindrische Spindelextruder bekannt, die
einen konstanten freien Gewindequerschnitt aufweisen und
durch die Reibung der geförderten Masse am Mantel und im
Gewinde Schmelzenergie in thermoplastischen Kunststoff
einbringen. Die Spindeln weisen ein relativ großes Längen-
zu Durchmesserverhältnis auf und haben einen ungünstigen
Wirkungsgrad bezüglich der Aufnahme von Schmelzenergie; der
Mantel heizt sich auf. Die Durchmischung des verflüssigten
und noch geschmolzenen Materials verläuft sehr langsam, und
deshalb wird nahe an der kritischen Grenze der Überhitzung
des Materials gearbeitet, was den Betrieb erschwert.
Weiterhin ist aus der WO 92/12840 A1 ein Extruder für
plastifizierbare, insbes. faserdurchsetzte, Materialien bekannt,
der aus einer Spindel mit einem Gewinde und einem koaxialen
Mantel mit einem gegenläufigen Gewinde besteht, deren
Gewindegangquerschnitte quadatisch, rechteckig oder halbrund
sind. Die Gewindetiefe kann vom Materialeintritt zum Austritt
gleichlaufend in der Spindel und im Mantel zunehmend ausgebildet
sein. Die äußere Spindelform ist zylindrisch oder vom
Materialeintritt zum Austritt konisch erweitert, und die innere
Mantelform ist zylindrisch oder zum Ausgang hin verengt, so daß
der Spalt zwischen dem Materialeintritt und dem Austritt
entweder konstant ist oder fast auf Null abnimmt. Die
Anfangsspaltweite ist dabei größer als die Gewindetiefe. Die
Konizität der Spindel bzw. des Mantels, d. h. die Differenz der
Durchmesser am Ein- bzw. Ausgang zur Länge, beträgt etwa 1. 20.
Eine definierte schichtweise Scherbeanspruchung des
durchlaufenden Materials ist nicht gewährleistet.
Weiterhin ist aus der US 3 164 375 eine Mischvorrichtung
bekannt, die eine Gewindespindel in einem Mantel mit
gegenläufigem Gewinde hat, wobei die Gewinde sich im Querschnitt
komplementär in der Förderrichtung verjüngen bzw. erweitern und
das ggf. in mehreren Abschnitten in der Fördervorrichtung
jeweils umkehrend, was der intensiven Durchmischung des
Fördergutes dienen soll. Der freie Spindelgewindequerschnitt ist
einlaufseitig stets groß gegenüber dem freien Mantelgewinde
querschnitt, der dort praktisch Null ist. Die für ein
Aufschmelzen des geförderten Gutes erforderliche
Energieumsetzung wird nur bei relativ großer Baulänge und bei
wechselnd in der Richtung angetriebenen Mantelabschnitten
erbracht.
Weiterhin ist aus der EP 0 574 172 A1 eine Transfermisch
einrichtung bekannt, die aus einer relativ langen Spindel mit in
der Tiefe mehrfach in Förderrichtung ab- und zunehmender
Gewindetiefe, die in einem Mantel mit Abschnitten jeweils
umgekehrter Gewindetiefe angeordnet ist, besteht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Brauchbarkeit des
bisher für die Aufschäumung von Stärkeprodukten verwendeten
Extruders aufzuzeigen und Verbesserungen für die Extrusion,
insbesondere von Kunststoffthermoplasten, aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Die Brauchbarkeit des eingangs bezeichneten bisher für
Stärkeprodukte eingesetzten Extruders für das Aufschmelzen
von thermoplastischen Kunststoffen hat sich überraschend
ergeben. Der bekannte Extruder ist wesentlich kürzer als die
üblichen Ein- oder Zweiwellen-Extruder, die für Kunststoffe
eingesetzt werden. Außerdem ist sein Wirkungsgrad wesentlich
höher und dank der besseren Durchmischung beim Fördern gegen
das gegenläufige Gewinde tritt keine lokale Überhitzung des
Materials auf; die Temperaturerhöhung über die
Schmelztemperatur beträgt nur etwa 10°C.
Die gegenläufigen Gewinde der Spindel und des Mantels
erbringen einen Materialfluß zwischen diesen hin und her.
Der Materialfluß wird erleichtert, wenn die
Gewindestegflanke entgegen der Förderrichtung abgeflacht
ist, um ein Vorlauten der Masse zu erleichtern und
insbesondere eine Keilwirkung beim Übertritt in das andere
Gewinde zu fördern.
Eine Variante der abgeschrägten Flanken erbringt ein
konkaves Halbrundgewinde, das in die Spindel oder den Mantel
eingebracht wird, wobei das andere Gewinde etwa ein
Trapezgewinde ist. Das Halbrundgewinde wird mit relativ
schmal auslaufendem Steg ausgebildet.
Vorzugsweise sind die beiden Gewinde mit unterschiedlicher
Gangzahl, z. B. zwei zu drei oder zwei zu vier, ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausführung ist der freie Gewinde-
Gesamtquerschnitt pro Spindellängenabschnitt konstant jedoch
die Verteilung der Querschnittsanteile zwischen den
gegenüberliegenden Gewinden über die Länge der Spindel durch
Tiefenvariation unterschiedlich. Er nimmt von 10% auf 90% zu
bzw. von 90% auf 10% andererseits ab. Hierdurch wird nach
und nach ein Teil der im flach werdenden Gewindegang
enthaltenen und soeben scherbeanspruchten Masse in das
tiefer werdende Gewinde übernommen.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen unterschiedliche Ausführungen der
Gewindepaarungen im Schnitt.
Fig. 1 zeigt einen Axialquerschnitt einer ersten
Ausführung eines Extruders;
Fig. 2 zeigt einen Gewindeausschnitt zweiter Art;
Fig. 3 zeigt einen Gewindeausschnitt dritter Art.
Fig. 1 zeigt einen Extruder mit einer motorisch getriebenen
Spindel S, die mit loser Fassung in einem Mantel M zentriert
gehalten ist.
Einlaufseitig ist eine Materialzufuhr E im Mantel M
eingebracht, und endseitig ist in einer Abschlußplatte eine
Auslaufbohrung A vorgesehen, an die eine Spritz- oder
Gießvorrichtung anzuschließen ist.
Die Spindel S und der Mantel M sind in ihrem Gewindegrund
zylindrisch und in den oberen Gewindestegen konisch
verlaufend. Dadurch sind die freien Gewindequerschnitte QS,
QM des Spindelgewindes SG und des Mantelgewindes SM über die
Länge der Spindel S im wesentlichen konstant, jedoch nimmt
der freie Querschnitt QA des einen Gewindes SG laufend in
der Förderrichtung F zu und der freie Gewindequerschnitt QM
des anderen Gewindes MG laufend ab.
In dem Beispiel Fig. 1 sind beide Gewinde MG, SG als
Trapezgewinde dargestellt. Es hat sich aber erwiesen, daß es
vorteilhaft ist, mindestens eines der Gewinde mit einer
flachen Flanke FF zu versehen. Eine Ausführung dazu zeigt
Fig. 2, wo das eine Gewinde GS ein Trapezgewinde und das
andere ein konkaves Halbrundgewinde ist. Dies erleichtert
eine Umwälzung des Materials beim Vortrieb.
Fig. 3 zeigt eine weitere Variante der Gewinde SG, MG, wobei
jeweils die Flanken FS der Gewindegänge, die rückwärtig der
Förderrichtung F liegen, also dem Vortrieb bzw. der
rückwärtigen Abstützung des Materials dienen, relativ steil
und die vorderen Flanken FF der Gänge relativ flach gehalten
sind und das Weiterströmen zu begünstigen und eine starke
Quetschung zwischen der steilen Flanke FS des einen Gewindes
und der flachen Flanke FF des jeweils gegenüberliegenden
Gewindes beim fortlaufenden Drehen der Spindel S zu
bewirken.
Die Abmessungen, die sich als geeignet erwiesen haben, sind
80 mm (60-100 mm) Spindeldurchmesser D, 250 mm (150-320 mm)
Spindellänge und ein freier Gesamtquerschnitt QS + QM
gegenüberliegender Gewindegänge von ca. 100 mm2 (50-150 mm2).
Insbesondere übertemperaturempfindliches Polyethylen läßt
sich mit einem derartig kurzen Extruder verflüssigen. Eine
Mantelheizung ist nicht erforderlich. Es hat sich jedoch als
günstig erwiesen, wenn die ausgangsseitige Stirnfläche
thermostatisch geheizt wird.
Claims (11)
1. Extruder zum Plastifizieren von thermoplastischen Medien,
der einenends in einem Einlaufbereich mit einem
Granulateinlauf (E) versehen ist und im entgegengesetzten Ende
mit einer Austrittsbohrung (A) versehen ist, mit einer
motorisch angetriebenen Gewindespindel (S), die in einem
Mantel (M) mit gegenläufigem Mantelgewinde (MG) angeordnet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Aufschmelzbereich
der Spindellänge der längenspezifische freie Gesamtquerschnitt
(GS + QM) des Spindelgewindes (SG) und des Mantelgewindes (MG)
etwa konstant ist und der freie Spindelgewindequerschnitt (QS)
sowie der freie Mantelgewindequerschnitt (QM) sich dort
komplementär linear ändern.
2. Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
frei Spindelgewindequerschnitt (QS) zwischen 10-90% oder
20-80% des freien Gesamtquerschnitts (QS + QM) variiert.
3. Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eines der beiden Gewinde (MG, SG) ein
Trapezgewinde ist und die andere Gewindeausnehmung zumindest
in Förderrichtung (F) eine flach profilierte Gewindeflanke
(FF) aufweist.
4. Extruder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gewinde (GM) mit der flachen Gewindeflanke (FF) als konkaves
Halbrundgewinde ausgebildet ist.
5. Extruder nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gewindeausnehmungen beider Gewinde
(MG, SG) jeweils einlaufseitig eine steile Flanke (SF) und
auslaufseitig eine flache Flanke (FF) aufweisen.
6. Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß beide Gewinde (MG, SG) mehrgängig mit
unterschiedlicher Gangzahl sind.
7. Extruder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
eines der Gewinde (SG) zweigängig und das andere drei- oder
viergängig ist.
8. Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Durchmesser (D) zum Längenverhältnis
der Gewindespindel (S) etwa 1 zu 2 bis 1 zu 5 ist.
9. Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Spindeldurchmesser (D) ca. 80 mm
beträgt.
10. Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der freie Gesamtquerschnitt (QS + QM) der
Gewinde (S, M) 50 bis 150 mm2 beträgt.
11. Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß er ausgangsseitig an eine
Kunststoffspritz- oder -gießanlage angeschlossen ist.
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