DE202011104061U1

DE202011104061U1 - Verstellbarer Stau- und Dispergierring

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Publication number: DE202011104061U1
Application number: DE202011104061U
Authority: DE
Original assignee: KOEHLER GEORG BERNHARD
Current assignee: KOEHLER GEORG BERNHARD
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2011-10-24
Anticipated expiration: 2021-08-05

Abstract

Verstellbarer Stau- und Dispergierring (SDR) eines Planetwalzenextruders (PWE) zur Verbesserung der Dispergierung von Kunststoffschmelze und den darin befindlichen Füll- und Funktionsstoffen, der zwischen zwei Plastifiziermodulen angeordnet wird dadurch gekennzeichnet, dass der Stau- und Dispergierring als Zentrierung der Walzenteile und als Anlaufring für die Planetspindeln dient, der Anlaufring als Gehäuse (1) ausgeführt ist und das bewegliche Halbschalenpaar (2), das feste Halbschalenpaar (3) sowie den Bewegungsmechanismus (4) integriert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stau- und Dispergierring (SDR) eines Planetwalzenextruders (PWE) zur Verbesserung der Dispergierung von Kunststoffschmelze und den darin befindlichen Füll- und Funktionsstoffen. Der Stau- und Dispergierring wird zwischen zwei Walzen- und Plastifiziermodulen angeordnet. Die Wahl der Positionierung bei einer größeren Anzahl von Walzenmodulen ist frei wählbar.
Bekannt für mehrstufige Planetwalzenextruder sind Verbindungsringe, die die einzelnen Planetwalzenmodule voneinander trennen. Die Aufgabe aller Ausführungen von Verbindungsringen besteht in der axialen Fixierung der Planetspindeln in Extrusionsrichtung. Zusätzlich können Druck- und Temperatursensoren integriert werden. Grundsätzlich wird zwischen vier verschiedenen Ausführungen unterschieden:

• Zentrierring
• Stau- und Dispergierring
• Entgasungsring
• Bedüsungsring

Stau- und Dispergierringe werden für die Verringerung der Spaltbreite zwischen Dispergierring und Zentralspindel eingesetzt. Dispergierringe werden auch als Stauringe bezeichnet, da ihre Hauptaufgabe neben der Spaltverkleinerung auch das Aufstauen der Polymerschmelze in den vorgeschalteten Planetwalzenmodulen ist. Die Variation der Spaltbreite kann durch zwei Varianten realisiert werden:

• Einteiliger Stauring
• Zweiteiliger Dispergierring

Der einteilige Stauring wird über die Zentralspindel an seine Position geschoben. Der Innendurchmesser des Staurings wird von dem Außendurchmesser der Verzahnung auf der Zentralspindel maßgeblich beeinflusst. Die Spaltbreite ist bei dieser Lösung von der Verzahnung abhängig.
Der zweiteilige Dispergierring kann eine Variation der Spaltbreite bis zu einem definierten Wellengrund realisieren. Für die Variation der Spaltbreite zum Wellengrund wird die Zentralspindel auf einen definierten Kerndurchmesser reduziert. In dieser Ausführung besteht der Dispergierring aus einem Paar teilbarer Halbschalen, welche mit Hilfe eines Anlaufrings zentriert werden. Dabei übernimmt der Anlaufring die Positionierung der Planetspindeln. Die Innengeometrie der Halbschalen verändert die Spaltbreite zum Wellengrund.
Die Verweilzeit in dem vorgeschalteten Planetwalzenmodul ist maßgeblich von der Spaltbreite des Dispergierrings abhängig. Eine hohe Verweilzeit führt zu einer guten Dispergierung der Kunststoffschmelze und den darin befindlichen Füll- und Funktionsstoffen. Darüber hinaus hat die Geometrie des Dispergierrings einen zusätzlichen Einfluss auf die Dispergierung.
Problemstellung:
Der Einsatz verschiedener Polymere und Additive in der Aufbereitung mit einem zwei- oder mehrstufigen PWE hat zur Folge, dass verschiedene Stau- und Dispergierringe eingesetzt werden. Die Dispergierringe müssen an das jeweilige Produkt angepasst werden. Durch die Variation der Spaltbreite wird die Staulänge der Kunststoffschmelze in dem vorgeschalteten Planetwalzenmodul variiert. Durch den SDR werden so Scher-Druck und Dehnströmungen maßgeblich beeinflusst.
Die Auswahl erfolgt stets vor Inbetriebnahme und kann während des Betriebes nicht verändert werden. Für einen Wechsel des Stau- und Dispergierrings sind Umbauarbeiten nötig. Der Wechsel des SDR ist sehr zeitaufwendig und hat hohe Stillstandszeiten zur Folge. Dies wirkt sich erheblich auf die Herstellkosten und auf die Bearbeitungszeit aus. Zusätzlich geht eine hohe Unfallgefahr von dem Wechsel der Dispergierringe aus, da diese an dem heißen, öltemperierten PWE erfolgt.
Neben dem Einfluss der Stauwirkung und dem damit verbundenen Effekt der Verweilzeiterhöhung hat die Werkzeuggeometrie ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die Dispergierung der Füll- und Funktionsstoffe in der Kunststoffschmelze. Diese kann nur durch einen Werkzeugwechsel verändert werden.
Der Einsatz eines verstellbaren Dispergierringsystems reduziert die anfallenden Umbauarbeiten und Wechsel des SDR stark. Mit einer zusätzlich verbesserten Dispergiereigenschaft aufgrund der Werkzeuggeometrie wäre dies von großem wirtschaftlichem Vorteil.
Aufgrund der fehlenden Flexibilität der Dispergierringe eines Planetwalzenextruders bei der Aufbereitung von technischen Kunststoffen konnte sich der PWE als Aufbereitungsverfahren bisher am Markt nicht nachhaltig durchsetzen.
In der Patentschrift DE 4017558 C2 wird ein verstellbares Stauelement beschrieben. Das Verstellsystem basiert auf der Verwendung von in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilten und radial ausgerichteten Drehkörpern. Diese Drehkörper werden zur Beeinflussung des Fließquerschnitts verwendet. Am Ende jedes Drehkörpers sind lamellenförmige Stauelemente angeordnet. Sind die Staulamellen parallel in Extrusionsrichtung ausgerichtet, dann ist diese Stellung als offen zu bezeichnen. Auch in offener Position existiert in Extrusionsrichtung bauartbedingt ein Widerstand aufgrund der lamellenförmigen Schwerter. Durch eine Verdrehung von 90° zur Extrusionsrichtung stellen sich die Stauelemente quer und erzielen die erhöhte Stauwirkung. Eine Höhenverstellung der Staulamellen im ringförmigen Stauelement ist nicht möglich.
Weiter ist in der Patentschrift DE 10355748 B4 ein Multifunktionsring beschrieben. Dieses Verstellsystem basiert auf der Verwendung von in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilten und radial ausgerichteten Drehkörpern. Im Gegensatz zu DE 4017558 C2 sind die Drehkörper Einschraubstifte. Durch den Einsatz der Einschraubstifte kann eine sogenannte Nullstellung erzielt werden, bei der keine Stifte in Extrusionsrichtung im Eingriff sind. In diesem Fall ist die Stauwirkung quasi null. Die Anzahl der im Eingriff befindlichen Staustifte kann variiert werden. Staustifte können ebenfalls durch Entgasungstifte oder Bedüsungsstifte ersetzt werden. Der als Multifunktionsring bezeichnete Verstellring kann daher grundsätzlich die Aufgaben Stauen, Entgasen, Einspritzen und Zentrieren übernehmen.
Nachteilig bei dem bisher bekannten Stand der Technik ist, dass der in der DE 4017558 C2 beschriebene Stauring bereits in der offenen Position einen Widerstand in Extrusionsrichtung bildet. Die Ausbildung von Schwertern ist in der Praxis, aufgrund der hohen Belastungen in Strömungsrichtung, als sehr kritisch anzusehen. Der großflächige Einsatz dieses Systems blieb daher aus.
Das System DE 10355748 B4 kombiniert die Aufgaben Stauen, Entgasen, Einspritzen und Zentrieren. Durch die Variation der Einschraubstifte können jeweils mindesten zwei Funktionen gleichzeitig ausgeführt werden. Ziel dieser Lösung ist ein Kompromiss aller anfallenden Aufgaben eines Verbindungsringes. Die Dispergierung wird bei dieser Lösung ausschließlich über das Stauen und die damit verbundene Verweilzeiterhöhung realisiert. Eine zusätzliche Verbesserung der Dispergiergüte wird durch diese Lösung nicht realisiert. Die effektiv wirkende Breite des Multifunktionsrings ist auf die Breite der Einschraubstifte reduziert und wirkt nicht über die vollständige Breite des Multifunktionsrings.
Problemlösung:
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verstellbares Dispergierringsystem mit zusätzlich verbesserten Dispergiereigenschaften aufgrund des Einflusses der Werkzeuggeometrie des SDR zu erzielen.
Der verstellbare Stau- und Dispergierring besteht aus einem Anlaufring der als Gehäuse fungieren kann und zwei Halbscheibenpaaren, die gegeneinander verdreht werden können. Durch die Verdrehung können verschiedene Durchflussquerschnitte realisiert werden. In den verschiedenen Positionen können unterschiedliche Durchflussquerschnitte fluchtend zueinander gestellt werden.
Im Gegensatz zu DE 10355748 B4 , wird hier die komplette Breite des Dispergierrings verwendet um den Durchfluss der Kunststoffschmelze zu regulieren. Die Breite des Dispergierrings sollte mit mindestens 25 mm gewählt werden, da es dadurch in das bestehende Baukastensystem der bisher eingesetzten nicht verstellbaren Dispergierringe passt. Eine Ausführung größer als 25 mm ist denkbar und technisch sinnvoll.
Durch die Variation des Durchflussquerschnittes übernimmt der verstellbare Dispergierring die Aufgabe des Austausches der Dispergierringe bei den nicht verstellbaren Systemen und erspart dem Anwender den Wechsel des SDR. Die Verstellung kann während des Betriebes und im Stillstand jeweils mit oder ohne Kunststoffschmelze erfolgen.
Je nach Ausführung kann die Durchflussanpassung durch eine Verdrehung kreisähnlicher, elliptischer, polygoner, frei gewählter Konturformflächen oder durch Zuschaltung von weiteren einzelnen Durchflussquerschnitten variiert werden. Durch die Zuschaltung weiterer in sich geschlossener Durchflussquerschnitte, zu dem bestehenden Durchflussquerschnitt, führt dies zu einer Erhöhung der Gesamtdurchflussfläche und der benetzten Gesamtoberfläche. Diese Maßnahme der Werkzeuggeometrie führt zu einer über den Staueffekt hinaus wirkenden zusätzlichen Verbesserung der Dispergierung. Die bisher bekannten Systeme des Standes der Technik weisen dies nicht auf.
Der Bewegungsmechanismus wird von außen mechanisch, elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder magnetisch betätigt. Es werden mindestens zwei Positionen angefahren, jedoch ist eine stufenlose 360°-Drehung zu bevorzugen. Die stufenlose Bewegung der beweglichen Halbschalenscheibe ist eine rotatorische Bewegung. Eine Kombination aus rotatorischer und axialer Bewegung ist denkbar.
Neben dem Einsatz in einem Planetwalzenextruder kann der SDR auch bei den Einschneckenextrudern, Knetern und allen weiteren Verfahren der Aufbereitung, bei dem der Einsatzort sequentiell auf eine drehende Spindel beschränkt ist, eingesetzt werden. Neben der Aufbereitung von Kunststoffen eignet sich dieser verstellbare Stau- und Dispergierring auch für die Aufbereitung von Kautschuk, Lebensmitteln, Pharmaprodukten, Lacken, Farben und sonstigen Produkten bei denen eine homogene feindispersive Mischung verlangt wird.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden. Dies soll die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern nur erläutern.
Es zeigt in schematischer Darstellung:
1 Draufsicht in Extrusionsrichtung
In 1 ist in der Extrusionsrichtung die Anlauffläche des Gehäuses (1) dargestellt In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist gut die durchgängige Anlauffläche des Gehäuses zu erkennen. Des bewegliche Halbschalenpaar (2) zeigt in diesem Ausführungsbeispiel radial angeordnete, in sich geschlossene zylindrische Durchflussquerschnitte, die als Bohrung ausgeführt sind.
2 Schnittdarstellung der Seitenansicht
In 2 ist die Seitenansicht des SDR als Schnittdarstellung dargestellt. In dem in 2 gezeichneten Ausführungsbeispiel ist zu sehen, dass das Gehäuse (2) einen Eingriff für den Bewegungsmechanismus (4) aufweist. Der Bewegungsmechanismus (4) ist in dieser Ausführung ein Zahnrad welches mechanisch, elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder magnetisch betätig wird und somit eine 360°-Drehung realisiert.
In 2 ist gut nachvollziehbar, dass das bewegliche Halbschalenpaar (2) und der Bewegungsmechanismus (4) zwei Bauteile sind, jedoch auch leicht aus einem Bauteil bestehen könnte. Abgeschlossen wird der SDR durch das nicht-bewegliche, also feststehende Halbschalenpaar (3).
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind der zentrale Durchflussquerschnitt (5) und die zusätzlichen, in sich geschlossenen Durchflussquerschnitte (6) deutlich zu erkennen.
Bezugszeichenliste

1: Anlaufring als Gehäuse
2: Bewegliches Halbschalenpaar
3: Nicht-bewegliches Halbschalenpaar
4: Bewegungsmechanismus
5: Durchflussquerschnitt
6: Zusätzliche Durchflussquerschnitte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4017558 C2 [0012, 0013, 0014]
DE 10355748 B4 [0013, 0015, 0018]

Claims

Verstellbarer Stau- und Dispergierring (SDR) eines Planetwalzenextruders (PWE) zur Verbesserung der Dispergierung von Kunststoffschmelze und den darin befindlichen Füll- und Funktionsstoffen, der zwischen zwei Plastifiziermodulen angeordnet wird dadurch gekennzeichnet, dass der Stau- und Dispergierring als Zentrierung der Walzenteile und als Anlaufring für die Planetspindeln dient, der Anlaufring als Gehäuse (1) ausgeführt ist und das bewegliche Halbschalenpaar (2), das feste Halbschalenpaar (3) sowie den Bewegungsmechanismus (4) integriert.
Verstellbarer Stau- und Dispergierring dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gehäuse (1) aktiv als direkte Werkzeuggeometrie genutzt werden kann, indirekt die Werkzeuggeometrie in Form von beweglichen Halbschalenpaaren (2) und festen Halbschalenpaaren (3) integriert und aus einem durchgängigen oder einem mehrteiligen Aufbau besteht.
Verstellbarer Stau- und Dispergierring dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anzahl der beweglichen Halbschalenpaare und festen Halbschalenpaare mindestens aus einem beweglichen und einem festen Halbschalenpaar besteht, jedoch das Gehäuse auch die Aufgabe eines festen Halbschalenpaares übernehmen kann.
Verstellbarer Stau- und Dispergierring dadurch gekennzeichnet ist, dass das bewegliche Halbschalenpaar (2) fest mit dem Bewegungssystem (4) verbunden wird. Dies kann durch eine lösbare Verbindung oder durch eine unlösbare Verbindung erfolgen. Der Bewegungsmechanismus (4) kann auch Teil des beweglichen Halbschalenpaares (2) sein, so dass das bewegliche Halbschalenpaar zusätzlich die Funktion des Bewegungsmechanismus übernimmt.
Verstellbarer Stau- und Dispergierring dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bewegungssystem (4) von außen mechanisch, elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder magnetisch betätigt wird, mindestens zwei Positionen anfahren kann, stufenlos eine 360°-Drehung realisiert werden kann sowie im Betrieb oder Stillstand betätigt werden kann.
Verstellbarer Stau- und Dispergierring dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein bewegliches Halbschalenpaar durch das Bewegungssystem (4) betätigt wird, eine rotatorische oder Kombination aus rotatorischer und axialer Bewegung ausübt und verschiedene Durchflussquerschnitte (5) realisiert.
Verstellbarer Stau- und Dispergierring dadurch gekennzeichnet ist, dass die Durchflussquerschnitte durch Verdrehung kreisähnlicher, elliptischer, polygoner, frei gewählter Konturformflächen oder der Zuschaltung von weiteren einzelnen Durchflussquerschnitten (6) variiert werden kann.
Verstellbarer Stau- und Dispergierring dadurch gekennzeichnet ist, dass durch eine Konturformfläche nach Anspruch 6 oder durch Zuschaltung weiterer in sich geschlossener Durchflussquerschnitte (6) zu dem bestehenden Durchflussquerschnitt (5) eine Erhöhung der Gesamtdurchflussfläche und der benetzten Gesamtoberfläche entsteht.
Verstellbarer Stau- und Dispergierring dadurch gekennzeichnet ist, dass in den Anlaufring (1) Entgasungsdüsen, Einspritzdüsen oder weitere Messsensorik platziert werden kann und dieser mindestens als Anlauf- und Zentriering zwischen zwei Planetwalzenmodulen dient.