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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung
von Hohlsträngen
aus thermoplastischem Material gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus der DE 20 2004 006 793 U1 bekannt.
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Bei
der Extrusion von Hohlsträngen
sind stets Wanddicken-Unterschiede in Umfangsrichtung des Extrudats
zu verzeichnen, auch dann, wenn der Dorn exakt zentrisch im Mantel
des Werkzeugs sitzt. Diese Unterschiede in der Wandstärke resultieren daraus,
dass die Schmelze, z.B. durch unsymmetrische Beheizung, nicht vollständig homogen
ist, woraus unterschiedliche Fließgeschwindigkeiten über den
Umfang gesehen vorliegen. Darüber
hinaus fließt
die Schmelze schwerkraftbedingt bevorzugt zum untersten Punkt des
Durchtrittsspalts, was zu einer lokalen Erhöhung der Wanddicke auf der
Unterseite des produzierten Hohlstranges führt. Diese Mängel werden
durch die aus der DE 20 2004 006 793 U1 bekannten Vorrichtung beseitigt
bzw. zumindest stark abgemindert. Durch Verkippen des Dornkopfes
auf der Stützhülse kann
bei dieser Lösung
der Durchtrittsspalt abschnittsweise verstellt werden, so dass eine
gezielte Änderung
einer lokal vom Sollwert abweichenden Wandstärke des Hohlstranges möglich ist.
Die Verkippung des Dornkopfes auf der Stützhülse erfolgt dabei über Stellmittel,
die durch die Stützhülse geführt sind
und von hinten an den Dornkopf angreifen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung
unter Beibehaltung ihrer Wirksamkeit im Aufbau wesentlich einfacher
und damit kostengünstiger
zu gestalten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer
Vorrichtung gelöst,
die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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Ideale
Strömungsverhältnisse
vorausgesetzt, d.h. die Strömungsgeschwindigkeit
der Schmelze ist an jedem Ort des Umfangs im Durchtrittsspalt gleich
groß,
sitzt der Dornkopf zentriert auf der Stützhülse, da sich die aus der Schmelze
auf seine in die Strömung
hineinragende Flankenfläche
wirkenden Fließkräfte auf
den Umfang gesehen gegenseitig aufheben. Solche idealen Strömungsverhältnisse
liegen in der Praxis jedoch nie vor, was, wie oben schon ausgeführt, zu
Wanddicken-Unterschieden des produzierten Hohlstranges in Umfangsrichtung
führt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
schafft hier einen gewissermaßen
natürlichen
Ausgleich. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit
in der Schmelze an einem Ort bzw. in einem Bereich des Durchtrittsspalts
größer als
auf dem übrigen
Umfang ist, was zu einer größeren Wandstärke in diesem
Bereich führt,
ist die auf die Flankenfläche
des Dornkopfes in diesem Bereich aus der Schmelze wirkende Kräfteresultierende
größer als
auf dem übrigen
Umfang. Dadurch kippt der Dornkopf auf der Stützhülse, so dass sich der Durchtrittsspalt
in dem Bereich geringerer Strömungsgeschwindigkeit
vergrößert, mit anderen
Worten, der Massendurchsatz erhöht
sich in diesem Bereich. Auf diese Weise werden Wandstärkenschwankungen
des Hohlstrangs in Umfangsrichtung ausgeglichen. Apparative Verstellmechanismen für den Dornkopf
sind nicht erforderlich, was gegenüber dem Stand der Technik zu
einer Vereinfachung der Vorrichtung führt. Es versteht sich von selbst, dass
die Halterung des Dornkopfes auf der Stützhülse so ausgebildet ist, dass
die auf den Dornkopf wirkenden Haltekräfte kleiner sind als die auf
ihn wirkenden Verstellkräfte
der Schmelze.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In
der dazugehörigen
Zeichnung zeigt in rein schematischer Weise:
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1 das
vordere Ende eines Extrusionswerkzeugs im Längsschnitt bei in zentrierter
Stellung befindlichem Dornkopf,
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2 eine
Darstellung gemäß 1 bei
in einer maximalen Verkippstellung befindlichem Dornkopf,
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3 eine
Darstellung gemäß 1 bei
in einer anderen maximalen Verkippstellung befindlichem Dornkopf,
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4 das
vordere Ende eines Extrusionswerkzeugs nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung im Längsschnitt
bei konzentrisch im Mantel angeordnetem hinteren Abschnitt des Dorns
und bei in zentrierter Stellung befindlichem Dornkopf,
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5 eine
Darstellung gemäß 4 bei
in maximaler Verkippstellung gemäß 2 befindlichem
Dornkopf,
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6 eine
Darstellung gemäß 4 bei
in maximaler Verkippstellung gemäß 3 befindlichem
Dornkopf,
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7 eine
Darstellung gemäß 4 bei
exzentrisch im Mantel angeordnetem hinteren Abschnitt des Dorns
und bei in zentrierter Stellung befindlichem Dornkopf,
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8 eine
Darstellung gemäß 7 bei
in maximaler Verkippstellung gemäß 2 befindlichem
Dornkopf, und
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9 eine
Darstellung gemäß 7 bei
in maximaler Verkippstellung gemäß 3 befindlichem
Dornkopf.
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Das
Extrusionswerkzeug 1 besteht aus einem Dorn 2 und
einem diesen umgebenden Mantel 3, wobei zwischen Dorn 2 und
Mantel 3 ein ringförmiger
Durchtrittsspalt 4 gebildet ist. Die Strömungsrichtung
der Schmelze durch den Durchtrittsspalt 4 ist durch die
Pfeile 5 angegeben. Der Dorn 2 besteht aus zwei
Teilen, einer Stützhülse 6 und
einem Dornkopf 7. Der Dornkopf 7 ist als Halbkugelschale
ausgeführt
und lagert mit seiner rückseitigen
Kalottenfläche 8 auf
einem kreisförmigen,
vorderseitigen Rand 9 der Stützhülse 6.
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Der
Dornkopf 7 besitzt in seinem Zentrum eine Aussparung 10,
die von einem der Halterung des Dornkopfes 7 auf der Stützhülse 6 dienenden Zugstab 11 durchsetzt
ist. Das eine Ende des Zugstabes 11 ist in die Stützhülse 6 eingeschraubt
und durch eine Mutter 12 gekontert. Auf das andere Ende des
Zugstabs 11 ist eine Kalotte 13 aufgesteckt, die dazu
mit einer entsprechenden Durchgangsbohrung versehen ist. Die Kalotte 13 überbrückt die
Ausnehmung 10 des Dornkopfes 7 und liegt mit ihrer
Kugelfläche 14 auf
der inneren Kugelfläche 15 des
Dornkopfes 7 an. Sie bildet ein Gegenlager für den an
der rückseitigen
Kalottenfläche 8 des
Dornkopfes 7 anliegenden Rand 9 der Stützhülse 6.
Der Anpressdruck der Kalotte 13 an den Dornkopf 7 wird
mit einer Mutter 16 eingestellt, die auf den Zugstab 11 aufgeschraubt
ist, und mit ihrer rückseitigen
Stirnfläche
auf der Kalotte 13 aufliegt. Der größ te Durchmesser D des Dornkopfes 7 ist
größer als
der Außendurchmesser
d der Stützhülse 6.
Daher ragt eine Flankenfläche 17 des
Dornkopfes 7 in den Strömungsweg
der Schmelze.
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1 zeigt
einen zentrierten Einbauzustand des Dornkopfes 7. In diesem
Zustand ragt die Flankenfläche 17 des
Dornkopfes 7 in Umfangsrichtung völlig gleichförmig in
den Strömungsweg
der Schmelze. Dieser zentrierte Einbauzustand würde bei gleichen Strömungsverhältnissen
in Umfangsrichtung beibehalten werden, da die auf die Flankenfläche 17 aus
der Schmelze wirkenden Fließkräfte gleichmäßig auf
dem Umfang verteilt sind. In der Praxis liegen aber immer unterschiedliche
Strömungsverhältnisse im
Durchtrittsspalt 4 vor, so dass es zu einer ungleichmäßigen Beaufschlagung
der Flankenfläche 17 kommt.
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2 zeigt
eine Situation, in der die Fließgeschwindigkeit
der Schmelze im unteren Bereich des Durchtrittsspalts 4 größer ist
als am übrigen
Umfang. Der Dornkopf 7 verschwenkt daher auf dem ringförmigen Rand 9 der
Stützhülse 6 im
Uhrzeigersinn. Dadurch wird der Durchtrittsspalt 4 im oberen
Bereich vergrößert, so
dass dort ein größerer Massendurchsatz
als vorher erreicht wird, der einen Ausgleich der Wanddicken-Schwankung
in Umfangsrichtung bewirkt. 2 zeigt
eine Maximalverkipplung des Dornkopfes 7, bei der die Flankenfläche 17 im
oberen Bereich des Durchtrittsspalts 4 vollständig in
die Stützhülse 6 eingetaucht
ist. Im unteren Bereich bleibt der Durchtrittsspalt 4 unverändert, da
der Dornkopf 7 als Halbkugel gestaltet ist. An dieser Stelle
sei erwähnt, dass
die Flankenfläche 17 natürlich auch
von einer Kugelflächenform
abweichen kann, sofern sie beim Verkippen nicht mit dem Rand 9 der
Stützhülse 6 in Berührung kommt.
So kann die Flankenfläche 17 zum
Beispiel auch kegelförmig
ausgeführt
werden.
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3 zeigt
den Dornkopf 7 in einer anderen maximalen Verkippstellung,
die der Stellung gemäß 2 diametral
gegenüber
liegt. In diesem Fall ist also die Fließgeschwindigkeit der Schmelze
im oberen Bereich des Durchtrittsspalts 4 größer als
im übrigen
Bereich.
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Neben
den in den 2 und 3 gezeigten
maximalen Verkippstellungen sind natürlich auch Zwischenstellungen
des Dornkopfes 7 möglich,
je nach dem, wie die Strömungsverhältnisse
im Durchtrittsspalt 4 ausgebildet sind.
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Um
ein Verkippen des Dornkopfes 7 auf der Stützhülse 6 durch
die Fließkräfte der
Schmelze zu gewährleisten,
ist die Mutter 16 auf dem Zugstab 11 nur so stark
angezogen, dass die auf den Dornkopf 7 wirkenden Haltekräfte kleiner
sind als die auf ihn aus der Schmelze wirkenden Kräfte.
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Mit
dem oben beschriebenen Dornkopf 7 erfolgt eine Feinkorrektur
von Wandstärke-Schwankungen
des produzierten Hohlstrangs in Umfangsrichtung. Sie setzt voraus,
dass der Dorn 2 konzentrisch im Mantel 3 sitzt.
Tatsächlich
ist dies in der Praxis auf Grund von Einbautoleranzen nie oder nur
selten der Fall. Daher ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel zusätzlich zum
Dornkopf 7 ein Verstellmechanismus vorgesehen, der für eine selbsttätige Zentrierung
des Durchtrittsspalts 4 sorgt. Dazu besteht der Dorn 2 aus
einem hinteren Abschnitt 18 und einem vorderen Abschnitt 19.
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Am
vorderen Ende des hinteren Abschnitts 18 ist eine zylindrische
Aussparung 20 vorgesehen, die mit radialem Spiel einen
zylindrischen Lagerblock 21 aufnimmt. An seinem hinteren
Ende geht der Lagerblock 21 in eine Halbkugelschale 22 über, die
in eine entsprechende halbkugelförmige
Ausnehmung 23 des hinteren Abschnitts 18 eingreift.
Der Lagerblock 21 ist über
eine Schraube 24 am hinteren Abschnitt 18 des
Dorns 2 befestigt. Die Schraube 24 durchgreift
eine mit einer Durchgangsbohrung versehene Kalotte 25 und
eine Öffnung 26 in
der Halbkugelschale 22 und ist in den hinteren Abschnitt 18 eingeschraubt.
Die Kalotte 25 überbrückt die Öffnung 26 der
Halbkugelschale 22 und liegt mit ihrer Kugelfläche 27 an
der inneren Kugel fläche 28 der
Halbkugelschale 22 an. Sie bildet ein Gegenlager für die Kugelfläche 23 des
hinteren Abschnitts 18. Der Anpressdruck der Kalotte 25 an
die Halbkugelschale 22 wird mit einer Mutter 29 eingestellt,
die auf die Schraube 24 aufgeschraubt ist und mit ihrer
rückseitigen
Stirnfläche
auf der Kalotte 25 aufliegt.
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Der
vordere Abschnitt 19 des Dorns 2 ist über seinen
Boden 30 durchsetzende Schrauben 31 am Lagerblock 21 befestigt.
Am Übergang
zum Lagerblock 21 hat der vordere Abschnitt 19 zunächst den
Außendurchmesser
des Lagerblocks 21, um dann mit geringem axialen Spiel
zum vorderen Rand 32 des hinteren Abschnitts 18 auf
einen größeren Außendurchmesser
vorzuspringen, der bis zum vorderen Ende des vorderen Abschnitts 19 konstant
beibehalten wird. Der vordere Abschnitt 19 des Dorns 2 ist insgesamt
becherförmig
ausgeführt,
indem er eine sich nach vorn öffnende
Ausnehmung 33 aufweist. Diese Ausnehmung 33 dient
der Gewichtsreduzierung des vorderen Abschnitts 19 sowie
dem Zugang zu den Befestigungsschrauben 31.
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Das
radiale Spiel zwischen dem Lagerblock 21 und der zylindrischen
Ausnehmung 20 im hinteren Abschnitt 18 des Dorns 2 und
das axiale Spiel zwischen dem vorderen Rand 32 des hinteren
Abschnitts 18 und dem vorderen Abschnitt 19 sind
so gewählt,
dass der vordere Abschnitt 19 begrenzt in allen radialen
Richtungen am hinteren Abschnitt 18 verschwenkbar ist.
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Die 4 bis 6 zeigen
eine ideale Einbausituation des Dorns 2 im Mantel 3.
Aus diesen Abbildungen ist ersichtlich, dass der hintere Abschnitt 18 des
Dorns 2 konzentrisch im Mantel 3 angeordnet ist,
d.h. der ihn umgebende Durchtrittsspalt 4 hat in Umfangsrichtung überall die
gleiche lichte Weite. Die Strömungsverhältnisse
der Schmelze sind daher in Umfangsrichtung im wesentlichen gleichmäßig, so dass
der vordere Abschnitt 19 über seine gesamte Länge ebenfalls
eine konzentrische Anordnung zum Mantel 3 ein nimmt. Eine
derartige Einbausituation des Dorns 2 kommt aber in der
Praxis gar nicht oder nur selten vor.
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Typisch
sind exzentrische Einbaulagen des Dorns 2 im Mantel 3.
Eine derartige exzentrische Einbaulage des Dorns 2 ist
in den 7 bis 9 beispielhaft gezeigt. Hier
ist der Durchtrittsspalt 4 im oberen Bereich kleiner als
im unteren Bereich. Daraus resultieren höhere Strömungsgeschwindigkeiten der
Schmelze im oberen Bereich als im unteren Bereich des Durchtrittsspalts 4.
Der vordere Abschnitt 19 des Dorns 2 gleicht die
unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten
und damit die unterschiedlichen Massendurchsätze aus, indem er in Richtung der
geringeren Strömungsgeschwindigkeiten
verschwenkt. An seinem vorderen Ende liegt dann ein Durchtrittsspalt 4 mit
in Umfangsrichtung im wesentlichen gleicher lichter Weite vor.
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Um
ein radiales Verschwenken des vorderen Abschnitts 19 am
hinteren Abschnitt 18 des Dorns 2 durch die Fließkräfte der
Schmelze zu gewährleisten, ist
die Mutter 29 auf der Schraube 24 nur so stark
angezogen, dass die über
den Lagerblock 21 auf den vorderen Abschnitt 19 wirkenden
Haltekräfte
kleiner sind als die auf ihn aus der Schmelze wirkenden Kräfte.
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In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 4 bis 9 ist
der Zugstab 11 in den Boden 30 des vorderen Abschnitts 19 eingeschraubt.
Ansonsten entspricht die Halterung des Dornkopfes 7 der des
ersten Ausführungsbeispiels
gemäß den 1 bis 3.
Zu den in den 4 bis 9 gezeigten Stellungen
des Dornkopfes 7 wird zur Vermeidung von Wiederholungen
auf die Ausführungen
zum ersten Ausführungsbeispiel
verwiesen.