DE202017000276U1 - Pressure build-up screw - Google Patents
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Abstract
Extrusionsvorrichtung zur Verarbeitung von plastischen Stoffen aufgebaut aus einem Zylinder mit zwei überlappenden Bohrungen und mindestens zwei miteinander kämmenden, gegenläufig Schnecken, die beide synchron angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 15% der Schneckenlänge so ausgeführt ist, dass mindestens ein Flankenwinkel am Schneckensteg mindestens 35° beträgt und die Stegkopfbreite kleiner 15% des Schneckendurchmessers entspricht.Extrusion device for processing plastic materials composed of a cylinder with two overlapping holes and at least two intermeshing, counter-rotating screws, which are both driven synchronously, characterized in that at least 15% of the screw length is designed so that at least one flank angle at the screw land at least 35th ° and the web head width is less than 15% of the screw diameter.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf gegenläufige, dichtkämmende Doppelschneckenextruder zur Verarbeitung von plastischen Stoffen. Das Herz der Doppelschneckenextruder sind die Doppelschnecken an sich. Bekannte derartige Doppelschnecken werden für die Gegenläuferanwendung trapezförmig ausgelegt. Das Förderprinzip dieser Verarbeitungsmaschine basiert auf einem Kammerförderprinzip, wobei der Inhalt der jeweils zwei C-förmigen Kammern mit jeder Umdrehung zwangsweise entsprechend der Schneckensteigung um eine Steigung nach vorne geschoben werden. Die Verbindung der C-förmigen Kammern untereinander bzw. mit den davor oder dahinter liegenden Kammern ist über drei Spaltentypen gegeben. Durch diese Spalten kann das plastifizierte Material von einem höheren in einen tieferen Druckbereich fließen. Die Spalten werden folgendermaßen beschrieben:
- 1. Spalt zwischen Schneckendurchmesser und Zylinderdurchmesser, der sog. Kopfspalt
- 2. Spalt zwischen Kerndurchmesser der einen Schnecke und Außendurchmesser der zweiten Schnecke, der sog. C-Spalt oder auch Walzenspalt
- 3. Spalt zwischen den einzelnen Flanken der einen und der zweiten Schnecke, der sogenannte A-B Spalt oder auch Flankenspalt.
- 1. gap between screw diameter and cylinder diameter, the so-called. Head gap
- 2. Gap between core diameter of a screw and outer diameter of the second screw, the so-called. C-gap or nip
- 3. gap between the individual flanks of one and the second screw, the so-called AB gap or flank gap.
Jede Art der Strömung einer plastischen Masse, hier einer Kunststoffschmelze durch eine Verengung bzw. durch einen Spalt, führt zu einer Friktionserwärmung. Dabei spielt neben der Spaltweite auch die Geschwindigkeit und die Differenzgeschwindigkeit der angrenzenden Wände eine große Rolle.Each type of flow of a plastic mass, here a plastic melt through a constriction or through a gap, leads to a Friktionserwärmung. In addition to the gap width, the speed and the differential speed of the adjacent walls also play a major role.
Übliche gegenläufige Doppelschnecken haben eine trapezförmige Ausführung. Die AB-Spalten werden z. B. entsprechend der Schneckenausführung zum Druckaufbau zwischen 1 mm und 5 mm ausgeführt. Es wurde auch versucht, diese Flankenwinkel negativ auszuführen, um dadurch die Lauffläche der Stege zu verbreitern. Diese Laufflächen der Stege stützen sich auf der einen Seite gegen den Zylinder mit dem Kopfspalt ab und auf der anderen Seite bilden sie mit dem Schneckenkern der zweiten Schnecke den sogenannten Walzenspalt. Da der Kerndurchmesser der einen Schnecke und der Durchmesser der Lauffläche von der anderen Schnecke sich deutlich unterscheiden, ist die Relativgeschwindigkeit in diesem Scherspalt sehr unterschiedlich.Usual counter-rotating twin screws have a trapezoidal design. The AB columns are z. B. executed according to the screw design for pressure build-up between 1 mm and 5 mm. It has also been attempted to make these flank angles negative, thereby widening the tread of the webs. These running surfaces of the webs are supported on one side against the cylinder with the head gap and on the other side they form with the screw core of the second screw the so-called nip. Since the core diameter of one screw and the diameter of the tread differ significantly from the other screw, the relative velocity in this shear gap is very different.
Dementsprechend entsteht in diesem breiten Spalt eine hohe Dissipationsleistung und dementsprechend eine große Erwärmung der Masse. Eine breitere Ausführung der Schneckenstege führt zur Vergrößerung der Dissipationsleistung.Accordingly, in this wide gap, a high Dissipationsleistung and, accordingly, a large warming of the mass. A wider version of the screw flights leads to an increase in dissipation performance.
Es ist Stand der Technik, im Druckaufbaubereich eine möglichst breite Stegkopfbreite auszuführen, um dadurch die Abstützfläche des Stegkopfes gegen die Zylinderwand möglichst groß auszuführen. Es wird nach dem Stand der Technik davon ausgegangen, dass je breiter der Steg ist, desto geringer der Verschleiß. Außerdem ist es Stand der Technik zu sagen, dass eine Vergrößerung des C-Spalts eine Reduzierung des Verschleißes mit sich bringt. Eine große Stegkopfbreite bedingt aber immer einen geringen Flankenwinkel. Bei üblichen Druckaufbauzonen in gegenläufigen Doppelschnecken liegt der Flankenwinkel zwischen 1° und 6°.It is state of the art to carry out the widest possible bridge head width in the pressure buildup area in order to thereby make the supporting surface of the bridge head as large as possible against the cylinder wall. It is assumed in the prior art that the wider the web, the lower the wear. In addition, it is state of the art to say that increasing the C-gap results in a reduction in wear. However, a large web head width always requires a low flank angle. In conventional pressure build-up zones in counter-rotating twin screws, the flank angle is between 1 ° and 6 °.
Entsprechend dem Stand der Technik in
Zur speziellen Ausführung der Schnecken von gegenläufigen Doppelschneckenextrudern gibt es eine Vielzahl von Veröffentlichungen bzw. Patentanmeldungen
Auf der Kunststoffmesse in Düsseldorf, K 2016, wurde eine Schneckengeometrie der Firma Hans Weber Kunststofftechnik gezeigt, bei der die Flanken in einer Wellenform in Umfangrichtung ausgeführt sind. Dadurch wird der dichtkämmende Flankenspalt verlängert und es soll eine verbesserte Plastifizierung entstehen.At the plastics fair in Düsseldorf, K 2016, a screw geometry from Hans Weber Kunststofftechnik was shown, in which the flanks are executed in a wave shape in the circumferential direction. As a result, the close-meshing edge gap is lengthened and improved plasticization is to be achieved.
In
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Die Darstellung nach dem Stand der Technik der Schnittausführung mit äquidistanten Flankenspalten
Dem Stand der Technik entsprechend und in den Ausführungen in
Durch das Kammerförderprinzip hat zudem jede gegenläufige Doppelschnecke eine starke Pulsation im Schneckenvorraum. Um diesen Pulsationseffekt zu reduzieren, werden die A-B-Spalten oder die C-Spalte am Ende der Meteringzone häufig geöffnet. Eine Alternative dazu ist der Einsatz von sogenannten Mischigeln am Ausgang der Meteringzone. Die Mischigel haben jedoch den grundsätzlichen Nachteil, dass sie sehr verschleißträchtig sind und nicht selten einer der Mischzähne abbricht.Due to the chamber conveying principle, each counter-rotating twin screw also has a strong pulsation in the antechamber. To reduce this pulsating effect, the A-B columns or the C-column are often opened at the end of the metering zone. An alternative to this is the use of so-called Mischigeln at the output of Meteringzone. However, the Mischigel have the fundamental disadvantage that they are very susceptible to wear and not infrequently breaks off one of the mixing teeth.
Sowohl Mischigel wie auch das Öffnen der Spalte muss auslegungstechnisch genau betrachtet werden, um den Pulsationseffekt genügend zu reduzieren.Both mixing gel and the opening of the column must be considered in terms of design in order to reduce the pulsation effect sufficiently.
Die erfinderische Aufgabe besteht darin, eine Ausführung der Schneckengeometrien für gegenläufige, dichtkämmende Doppelschnecken zu entwickeln, die es erlaubt, mit möglichst geringer Friktionserwärmung Druck aufzubauen und die Spreizkräfte während des Druckaufbaus und die Druckpulsation durch die Basisgeometrie zu minimieren. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Verarbeitung von plastischen Stoffen, die mit mindestens zwei gegenläufig, jeweils angetriebenen, miteinander kämmenden Doppelschnecken ausgerüstet sind, gelöst, wobei diese Doppelschnecken zumindest in einer druckaufbauenden Zone mit Stegbreiten und Flankenwinkel der erfindungsgemäßen Art ausgeführt sind.The inventive task is to develop an execution of the screw geometries for counter-rotating, closely intermeshing twin screws, which allows to build up pressure with the lowest possible friction heating and to minimize the spreading forces during pressure build-up and the pressure pulsation through the base geometry. This object is achieved according to the invention by a device for processing plastic materials, which are equipped with at least two counter-rotating, each driven, intermeshing twin screws solved, these twin screws are designed at least in a pressure-building zone with ridge widths and flank angle of the inventive type.
In der Regel werden gegenläufige Doppelschnecken mit drei bis acht unterschiedlichen Zonen zur Plastifizierung ausgelegt, wobei u. a. von unterschiedlichen Kompressionsverhältnissen in diesen Zonen gesprochen wird. Jede dieser Zonen hat eine spezifische Plastifizieraufgabe, wie Scheren, Homogenisieren, Komprimieren, Druckaufbau, Entgasung etc. oder eine Kombination von den vorgenannten Aufgaben.In general, counter-rotating twin screws are designed with three to eight different zones for plasticization, u. a. is spoken of different compression ratios in these zones. Each of these zones has a specific plasticizing task, such as shearing, homogenizing, compressing, pressurizing, degassing, etc., or a combination of the above objects.
Der erfinderischen Aufgabe obliegt es mindestens eine der Zonen der Doppelschnecken erfinderisch auszuführen. Durch Modifikationen der erfinderischen Lösung, wie sie später beschrieben sind, können zuvor genannte Aufgagen durch die erfindungsgemäße Schneckengeometrie erfüllt werden.The inventive task is to perform at least one of the zones of twin screws inventive. By modifications of the inventive solution, as described later, above-mentioned Aufgagen can be fulfilled by the screw geometry according to the invention.
Über einen längeren Zeitraum durchgeführte Versuche mit unterschiedlichen Stegformen, insbesondere mit sehr großen Flankenwinkeln und geringer Stegkopfbreite, wie in
In
In
Zum anderen werden die Flanken (
Der Walzenspalt ist zum überwiegenden Anteil verantwortlich für die Massetemperaturerhöhung durch Friktion, wobei dieser Walzenspalt in der erfindungsgemäßen Ausführung der Schnecke nur eine geringe Rolle spielt. Durch die spezifische Flankenform werden die erfinderischen Schneckengeometrien als WW-Schnecken bezeichnet.The nip is responsible for the overwhelming proportion of the mass temperature increase due to friction, said nip only playing a minor role in the inventive design of the screw. By the specific Flank shape, the inventive screw geometries are referred to as WW screws.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung mit einer kleinen Stegkopfbreite und einem großen Flankenwinkel verringert sich die Länge des Spaltbereiches als Summe des Flanken- und Walzenspaltes (
Kurze Längen der Gesamtspalte (
Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Lösung ohne Korrektur der Spaltmaße am Schneckenende zu sehr geringen Druckpulsationseffekten im Schneckenvorraum führt.It has been shown that the solution according to the invention without correction of the gap dimensions at the end of the screw leads to very small pressure pulsation effects in the screw antechamber.
In
Die
Im Vergleich der
Zusätzlich soll erwähnt werden, dass durch die Form dieser C-Kammern in
Wird
Während ursprünglich die WW-Doppelschnecken nur zum Druckaufbau eingesetzt wurden, hat sich gezeigt, dass insbesondere durch Einbringung von Ausfräsungen im Flanken- und/oder Kernbereich eine sehr gute Knetwirkung entsteht. Besonders vorteilhaft haben sich hierbei geradlinige Ausfräsungen gezeigt.While originally the WW twin screws were only used for pressure build-up, it has been shown that a very good kneading effect is created, in particular by the introduction of cutouts in the flank and / or core region. In this case, straight-cut cutouts have proven particularly advantageous.
Die Ausfräsungen im Schneckenkernbereich in geradliniger Form fördern eine Mischwirkung in Längsrichtung.The cutouts in the screw core region in a straight shape promote a mixing action in the longitudinal direction.
Mischsequenzen durch geradlinige Ausfräsungen an der erfinderischen Schneckengeometrie haben den entscheidenden Vorteil, dass sie eine sich langsam verändernde Fließform mit „seichtem Einlauf” der Veränderung darstellen. Somit entstehen, im Gegensatz zu üblichen Knetnuten in Doppelschnecken, keine Drucksprünge oder sich schnell ändernde Drehmomentänderungen, die negative Auswirkungen auf den Verschleiß bzw. der Dauerfestigkeit der Schnecken haben können.Mixing sequences by straight cutouts on the inventive screw geometry have the decisive advantage that they represent a slowly changing flow form with "shallow inlet" of the change. Thus, in contrast to conventional Knetnuten in twin screws, no pressure jumps or rapidly changing torque changes, which can have a negative impact on the wear and fatigue strength of the screw.
Es ist selbstverständlich, dass die Schneckengeometrien in eingängiger, zweigängiger oder mehr gängiger Form ausgeführt werden können. Dieses gilt natürlich auch für stufenlose Änderungen der Gangsteigung, Flankenwinkel bzw. Anzahl der Schneckengänge.It goes without saying that the screw geometries can be carried out in a catchy, double-flighted or more common form. Of course, this also applies to stepless changes in the pitch, flank angle or number of flights.
Eine besondere Ausführung der erfindungsgemäßen Idee ist es, bei gegebenem Achsabstand den Schneckendurchmesser zu vergrößern und dementsprechend das Fördervolumen pro Schneckenumdrehung zu vergrößern. Durch die großen Flankenwinkel können die sogenannten WW-Schnecken auch mit Schneckendurchmessern betrieben werden, die größer zweimal dem Achsabstand entsprechen.A particular embodiment of the idea according to the invention is to increase the screw diameter for a given center distance and, accordingly, the delivery volume per Increase screw rotation. Due to the large flank angles, the so-called WW screws can also be operated with screw diameters which are greater than twice the center distance.
Dem Stand der Technik entsprechende konventionelle Schneckengeometrien für Gegenläufer, wie sie in
Es ist auch ein erheblicher Vorteil, wenn die WW-Schneckengeometrie als Druckaufbauaggregat in einer separaten Maschinentechnik eingesetzt wird. In diesem Fall wird die Schneckengeometrie mit einer Schmelze oder einer knetbaren Plastifiziermasse gefüttert und das Aggregat wird ausschließlich zum Druckaufbau eingesetzt. Hierbei ist eine Temperaturerhöhung in der Regel nicht erwünscht bzw. soll möglichst gering gehalten werden, wofür die sogenannte WW-Schneckengeometrie ideale Bedingungen liefert.It is also a considerable advantage if the WW screw geometry is used as a pressure build-up unit in a separate machine technology. In this case, the screw geometry is fed with a melt or a kneadable plasticizing compound and the unit is used exclusively for pressure build-up. In this case, a temperature increase is usually undesirable or should be kept as low as possible, for which the so-called WW screw geometry provides ideal conditions.
Gegenläufige Plastifizierschnecken für Kunststoffe werden in der Regel mit Umfangsgeschwindigkeiten von ca. 7 m pro Minute für die Profilanwendung und max. 12 m pro Minute für die Rohranwendung betrieben. Daraus resultieren entsprechend dem Durchmesser Maximaldrehzahlen. Diese Drehzahlen ergeben sich durch eine maximale Friktionserwärmung innerhalb der verschiedenen Schneckenspalten.Opposing plasticizing screws for plastics are usually used with peripheral speeds of approx. 7 m per minute for profile application and max. Operated 12 m per minute for the pipe application. This results in maximum speeds corresponding to the diameter. These speeds result from a maximum friction heating within the various screw gaps.
Die sogenannte WW-Schneckengeometrie reduziert den Einfluss der Scherung bzw. Friktionserwärmung auf ein Minimum und reduziert ebenfalls die Spreizkräfte erheblich. Folglich können diese Schneckengeometrien mit deutlich höheren Umfangsgeschwindigkeiten und den daraus resultierenden Drehzahlen betrieben werden. Somit kann das entsprechende Verarbeitungsfenster bzw. die Verarbeitungsbandbreite von gegenläufigen Doppelschneckenextrudern mit der erfindungsgemäßen Schneckengeometrie erheblich vergrößert werden.The so-called WW screw geometry reduces the influence of shear or friction heating to a minimum and also significantly reduces the spreading forces. Consequently, these screw geometries can be operated at significantly higher peripheral speeds and the resulting rotational speeds. Thus, the corresponding processing window or the processing bandwidth of counter-rotating twin-screw extruders with the screw geometry according to the invention can be considerably increased.
Auf der einen Seite ist dieses für thermisch empfindliche Materialen, wie z. B. PVC, sehr interessant. Auf der anderen Seite hat sich gezeigt, dass bei entsprechender Auslegung der erfindungsgemäßen Schneckengeometrie auch sonst schwierige, insbesondere niedrigviskose Materialen mit Füllstoffen wie Ruß, plastifiziert und ausgetragen werden können. Somit ergeben sich neben erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen des Systems auch komplett neue Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäße Geometrieausführung.On the one hand this is for thermally sensitive materials, such. As PVC, very interesting. On the other hand, it has been found that with appropriate design of the screw geometry according to the invention also otherwise difficult, especially low-viscosity materials with fillers such as carbon black, can be plasticized and discharged. Thus, in addition to considerable economic advantages of the system, there are also completely new fields of application for the geometry design according to the invention.
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