DE19929824C5

DE19929824C5 - Extruder für thermoplastische Medien

Info

Publication number: DE19929824C5
Application number: DE19929824A
Authority: DE
Inventors: Johannes GÖTTE
Original assignee: Krauss Maffei Kunststofftechnik GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2019-07-01
Also published as: DE19929824A1; EP1194277A1; WO2001002156A1; DE19929824C2; AU5980300A

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 (QS + 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindeausnehmungen beider Gewinde (MG, SG) jeweils einlaufseitig eine steile Flanke (FS) und auslaufseitig eine flache Flanke (FF) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Extruder zum Plastifizieren von thermoplastischen Medien gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der US 3 164 375 ist 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 Mantelgewindequerschnitt, 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 angetrieben Mantelabschnitten erbracht.

Ein weiterer 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 quadratisch, 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 EP 0 574 172 A1 eine Transfermischeinrichtung 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.

Weiterhin ist aus der DE 27 31 301 A1 ein Extruder bekannt, dessen Mantelgewinde asymmetrische Flanken aufweist. Diese sind einlaufseitig flach und auslaufseitig steil ausgebildet. Dadurch mangelt es der Vorrichtung an Vortrieb und einer Synergie zwischen den Ausgestaltungen der Gewindeprofilierungen.

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 Vorlaufen 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 1 bis 2 zeigen unterschiedliche Ausführungen der Gewindepaarungen im Schnitt.
1 zeigt einen Axialquerschnitt einer bekannten Ausführung eines Extruders;
2 zeigt einen Gewindeausschnitt erfindungsgemäßer Art.
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 Gwindegrund zylindrisch und in den oberen Gewindestegen konisch verlaufend. Dadurch sind die freien Gewindequerschnitte QS + QM des Spindelgewindes SG und des Mantelgewindes MG über die Länge der Spindel S im wesentlichen konstant, jedoch nimmt der freie Querschnitt QS des einen Gewindes SG laufend in der Förderrichtung F zu und der freie Gewindequerschnitt QM des anderen Gewindes MG laufend ab.
In dem Beispiel 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 2, 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 ausgangsseitge Stirnfläche thermostatisch geheizt wird.

Claims

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 (QS + 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindeausnehmungen beider Gewinde (MG, SG) jeweils einlaufseitig eine steile Flanke (FS) und auslaufseitig eine flache Flanke (FF) aufweisen.
Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Spindelgewindequerschnitt (QS) zwischen 10-90 % oder 20-80 % des freien Gesamtquerschnitts (QS + QM) variiert.
Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gewinde (MG, SG) mehrgängig mit unterschiedlicher Gangzahl sind.
Extruder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Gewinde (SG) zweigängig und das andere drei- oder viergängig ist.
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.
Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spindeldurchmesser (D) ca. 80 mm beträgt.
Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Gesamtquerschnitt (QS + QM) der Gewinde (S, M) 50 bis 150 mm² beträgt.
Extruder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ausgangsseitig an eine Kunststoffspritz- oder gießanlage angeschlossen ist.