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.
The invention relates to counter-rotating, close-meshing twin-screw extruder for processing plastic materials. The heart of twin-screw extruders are the twin screws themselves. Known such twin screws are designed trapezoidal for the counter-rotor application. The conveying principle of this processing machine is based on a chamber conveying principle, wherein the contents of each two C-shaped chambers are forced with each revolution forcibly according to the screw pitch to a slope to the front. The connection of the C-shaped chambers with each other or with the preceding or underlying chambers is given by three types of columns. Through these gaps, the plasticized material can flow from a higher to a lower pressure range. The columns are described as follows:
  • 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 1 sind in einem Zylinder (1) zwei gegenläufig drehende Doppelschnecken (2) und (3) dargestellt. Durch die gegenläufige Rotation entstehen zwischen den beiden Schnecken Spreizkräfte, die zwischen 10–12 h (4) und 12–14 h (5) zum Verschleiß führen. Verursacht werden diese Spreizkräfte durch die Kräfte in den Walzenspalten (2a) und (3a).According to the state of the art in 1 are in a cylinder ( 1 ) two counter-rotating twin screws ( 2 ) and ( 3 ). Due to the opposite rotation between the two snails spreading forces arise between 10-12 h ( 4 ) and 12-14 h ( 5 ) lead to wear. These spreading forces are caused by the forces in the nips ( 2a ) and ( 3a ).

Zur speziellen Ausführung der Schnecken von gegenläufigen Doppelschneckenextrudern gibt es eine Vielzahl von Veröffentlichungen bzw. Patentanmeldungen EP 0 983 836 A1 . Hier sei insbesondere die Ausführung der Schneckengeometrie mit äquidistanten Flankenspalten durch eine Evolventenform erwähnt. Diese erzeugte Flankenausführung ist ähnlich wie in der Getriebetechnik. Im Gegensatz zur Getriebetechnik, in denen die Metalle der einzelnen Schnecken bzw. Zahnräder aufeinander abrollen, werden sie bei dieser Schneckenausführung mit einem Spalt ausgeführt.For the special design of the screws of counter-rotating twin-screw extruders, there are a variety of publications or patent applications EP 0 983 836 A1 , Here, in particular, the execution of the screw geometry with equidistant flank columns by an involute form may be mentioned. This generated flank design is similar to the transmission technology. In contrast to the gear technology, in which the metals of the individual screws or gears roll on each other, they are executed in this screw design with a gap.

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 2 ist ein konventionelles gegenläufiges Doppelschneckenpaar (2) und (3) in einem Zylinder (1) dargestellt. Dieses Doppelschneckenpaar besteht in der Regel aus mehreren Zonen, die jeweils unterschiedliche Formen und Funktionen haben.In 2 is a conventional counter-rotating twin-screw pair ( 2 ) and ( 3 ) in a cylinder ( 1 ). This pair of twin screws usually consists of several zones, each with different shapes and functions.

In 3 sind dem Stand der Technik entsprechende Doppelschnecken (2) und (3) bzw. Spaltbereiche (6), (7) und (8) dargestellt. Der Walzenspalt (6) bleibt bei Rotation konstant, jedoch verändern sich die A-B-Spalten, die theoretisch parallel geplant sind (7) und (8), fertigungsbedingt in ihrer Form sich dermaßen, dass zwischen den gegenüberliegenden Flanken ein linsen- oder o-förmiger Querschnitt, wie in 4 dargestellt, mit (9) und (10) entsteht. Es wird schnell deutlich, dass bei entsprechender Drehung um die Achsen der einzelnen Schnecken eine Variation der Flankenspalte zwangsläufig zu einer ungleichmäßigen Scherung führt und außerdem kaum sehr enge Flankenspalten betrieben werden.In 3 are the prior art twin screws ( 2 ) and ( 3 ) or gap areas ( 6 ) 7 ) and ( 8th ). The nip ( 6 ) remains constant during rotation, but the AB columns, theoretically planned in parallel, change ( 7 ) and ( 8th ), due to production in their shape to such an extent that between the opposite flanks a lens or o-shaped cross section, as in 4 represented with ( 9 ) and ( 10 ) arises. It quickly becomes clear that with appropriate rotation A variation of the flank gaps inevitably leads to uneven shearing about the axes of the individual screws and, moreover, hardly any very narrow flank gaps are operated.

Die Darstellung nach dem Stand der Technik der Schnittausführung mit äquidistanten Flankenspalten 5 kann dieses kompensieren. Jedoch hat die praktische Erfahrung gezeigt, dass die Ausführung der Schnecken (2) und (3) mit evolventenförmiger Flanke (11) und (12) häufig nur ungenügend in ihrer Präzision hergestellt werden kann und eine Ausführung mit engen Flankenspalten in der praktischen Anwendung nur schwierig umzusetzen ist.The representation according to the prior art, the cut version with equidistant edge columns 5 can compensate this. However, practical experience has shown that the execution of the snails ( 2 ) and ( 3 ) with an involute flank ( 11 ) and ( 12 ) can often be produced insufficiently in their precision and execution with narrow edge gaps in practical application is difficult to implement.

Dem Stand der Technik entsprechend und in den Ausführungen in 2 bis 5 ist gemeinsam, dass der Stegkopf sehr breit ist und für die großen Spreizkräfte dieser Schneckengeometrie verantwortlich ist und die Flankenwinkel sich daher recht klein ergeben.According to the prior art and in the embodiments in 2 to 5 is common that the bridge head is very wide and is responsible for the large spreading of this screw geometry and the flank angle is therefore quite small.

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 6 dargestellt, haben erstaunlicherweise zu sehr gutem Druckaufbau bei geringer Temperaturerhöhung der Masse und zu geringem Verschleiß geführt. Dabei sind (2) und (3) die jeweiligen Schnecken sowie (14) und (15) die Flankenspalte und (13) der Walzenspalt. Durch theoretische Betrachtungen wurden Modelle gefunden, die eine Erklärung der Ergebnisse aus den Versuchen beschrieben haben und Konzepte weiterentwickelt, um die Geometrie weiter zu optimieren.Over a longer period of experiments carried out with different web shapes, in particular with very large flank angles and small web head width, as in 6 surprisingly, have led to very good pressure build-up with low increase in mass and low wear. Are 2 ) and ( 3 ) the respective screws as well as ( 14 ) and ( 15 ) the flank column and ( 13 ) the nip. By theoretical considerations models were found, which have an explanation of the results from the attempts described and further developed concepts, in order to further optimize the geometry.

In 7 ist ein Teil einer erfindungsgemäßen WW-Schnecke und sein Querschnitt zu erkennen. Die Schnecken werden mit (26) und (27) bezeichnet. Die Stegkopfbreite (17) ist sehr schmal ausgeführt und der Flankenwinkel (16) im Verhältnis zu konventionellen gegenläufigen Doppelschnecken sehr groß ausgeführt. Die Flanken an sich (18) und (19) sind gerade ausgeführt, wobei diese Gerade in Verlängerung durch den Mittelpunkt der WW-Schnecke führt.In 7 is a part of a WW screw according to the invention and to recognize its cross section. The snails are with ( 26 ) and ( 27 ) designated. The web head width ( 17 ) is very narrow and the flank angle ( 16 ) in comparison to conventional counter-rotating twin screws made very large. The flanks in themselves ( 18 ) and ( 19 ) are being executed, this straight line extending through the center of the WW screw.

In 7 ist ein Teilausschnitt einer entsprechenden erfinderischen Schnecke dargestellt. Durch die sehr schmale Kopfbreite (17), ausgeführt in der Regel mit maximal 15% des Durchmessers, und bei einem Flankenwinkel (16) von größer 30° entstehen geringe Spreizkräfte, da nur ein sehr kleiner Bereich im C-Spalt große Spreizkräfte verursacht. Folglich werden die gegenläufigen Doppelschnecken nicht mehr so stark an die Zylinderwand gepresst, und der Verschleiß wird deutlichst reduziert. Die Spreizkräfte aus den Flankenspalten sind trotz der großen Winkel nicht stark verschleißfördernd.In 7 is a partial section of a corresponding inventive screw shown. Due to the very narrow head width ( 17 ), usually with a maximum of 15% of the diameter, and at a flank angle ( 16 ) greater than 30 ° arise low spreading forces, since only a very small area in the C-gap causes large spreading forces. Consequently, the counter-rotating twin screws are not pressed so much against the cylinder wall, and the wear is significantly reduced. The spreading forces from the flank gaps are not very wear-promoting despite the large angle.

Zum anderen werden die Flanken (18) und (19) linear ausgeführt und die Schnecken können durch diese Art der Ausführung mit einem sehr engen Flankenspalt (14) und (15) hergestellt und betrieben werden.Second, the flanks ( 18 ) and ( 19 ) linear and the screws can by this type of execution with a very narrow edge gap ( 14 ) and ( 15 ) are manufactured and operated.

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 (13), (14) und (15), durch den ein Austausch mit den verbundenen Nachbarkammern stattfinden kann.Due to the embodiment according to the invention with a small web head width and a large flank angle, the length of the gap region is reduced as the sum of the flank and nip (FIG. 13 ) 14 ) and ( 15 ) through which an exchange can take place with the neighboring connected chambers.

Kurze Längen der Gesamtspalte (13), (14) und (15) führen zu geringeren Leckströmungen mit geringeren Friktionserwärmungen. Dadurch kann mit einer kürzeren Druckaufbauzone ein geforderter Gegendruck aufgebaut werden. Daraus resultiert, dass diese erfindungsgemäßen WW-Schneckenausführung nicht nur druckstabiler ist, sondern auch in der praktischen Ausführung in ihrer Gesamtlänge zum Druckaufbau reduziert werden kann. Dieses ist ein zusätzliches wirtschaftliches Argument.Short lengths of the total column ( 13 ) 14 ) and ( 15 ) lead to lower leakage flows with less friction heating. As a result, a required back pressure can be built up with a shorter pressure build-up zone. As a result, this invention WW screw design is not only more stable in pressure, but can also be reduced in the practical design in its overall length to build up pressure. This is an additional economic argument.

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 8 sind die erfindungsgemäße Doppelschnecken (26) und (27) als Ausschnitt A-A bzw. im Längsschnitt dargestellt. Hierbei wird die typische WW-Form der Schnecken (26) und (27) im Schnitt A-A sichtbar.In 8th are the twin screws according to the invention ( 26 ) and ( 27 ) shown as a section AA or in longitudinal section. Here, the typical WW shape of the snails ( 26 ) and ( 27 ) visible in section AA.

Die 9 zeigt die Schnecken (26) und (27) in einer typischen Ausführung. Die Schnitte D-D und E-E zeigen den Verlauf der mit Schmelze gefüllten Volumina (20), (21), (22), (23), (24) und (25), wie sie in einer im Schnittbereich herausgeschnitten Scheibe jeweils vorliegt. Dadurch, dass die Stegkopfbreite (17) sehr schmal ist und der Flankenwinkel (16) sehr groß ist, verändern sich die C-förmigen Volumina mit ihren Schwerpunkten bei jeder Drehbewegung sehr stark.The 9 shows the snails ( 26 ) and ( 27 ) in a typical embodiment. The sections DD and EE show the course of the melt-filled volumes ( 20 ) 21 ) 22 ) 23 ) 24 ) and ( 25 ), as it exists in a slice cut out in the cutting area in each case. Due to the fact that the web head width ( 17 ) is very narrow and the flank angle ( 16 ) is very large, the C-shaped volumes change very strongly with their centers of gravity with each rotation.

Im Vergleich der 9 mit der 2 wird deutlich, dass die Spreizkräfte der Schnecken (26) und (27) in 9 im Gegensatz zu einer konventionellen Schneckengeometrie wie in 2 dargestellt nicht konstant auf einen engen Bereich des Zylinders wirken, sondern entsprechend der Drehposition diese Spreizkräfte in einen größeren Umfangsbereich am Zylinder variieren. Der eigentliche Druckaufbau im Walzenspalt ist durch die geringe Kopfbreite zudem sehr stark reduziert und die Spreizkräfte aus den Spalten der Flanken heraus sind auch gering. Deutlich ist das Wandern der C-förmigen Kammern in 9 mit (20) zu (23) und (24) bzw. (21) und (22) zu (25) in den Schnitten D-D und F-F zu erkennen. Dabei werden die kompletten C-förmigen Volumina im Bereich der Rotation in zwei Segmente aufgeteilt. Die daraus resultierenden Spreizkräfte in Radialrichtung wirkend sind gering und nur ein Bruchteil der bei konventionellen Schneckengeometrien im Flankenspalt verursachten Spreizkräfte.In comparison of the 9 with the 2 It becomes clear that the spreading forces of the screws ( 26 ) and ( 27 ) in 9 unlike a conventional screw geometry like in 2 shown not act constantly on a narrow range of the cylinder, but according to the rotational position, these spreading forces vary in a larger circumferential range on the cylinder. The actual pressure build-up in the nip is also greatly reduced by the small head width and the spreading forces out of the gaps of the flanks are also low. Clearly, the hiking of the C-shaped chambers in 9 With ( 20 ) to ( 23 ) and ( 24 ) respectively. ( 21 ) and ( 22 ) to ( 25 ) in the sections DD and FF. The complete C-shaped volumes in the area of rotation are divided into two segments. The resulting spreading forces acting in the radial direction are small and only a fraction of the spreading forces caused by conventional screw geometries in the flank gap.

Zusätzlich soll erwähnt werden, dass durch die Form dieser C-Kammern in 9 mit den schmalen Schneckenstegen (17) immer Material zwischen der Zylinderwand und den Schneckenstegen als Trenn- bzw. Gleitfilm vorliegt. Somit entsteht keine Trockenreibung zwischen Schneckenlauffläche und Zylinder und auf der anderen Seite ist die Scherbelastung in diesem Bereich nur sehr kurz. Dadurch können diese Schnecken mit deutlich höherer Umfangsgeschwindigkeit als konventionelle gegenläufige Doppelschnecken betrieben werden. Erfahrungen zeigen auch, dass die selbstreinigende Wirkung der WW-Schnecken besonders gut ist. Es gibt keine Totwassergebiete, in denen sich Material ablagern kann oder plate-out entsteht.In addition, it should be noted that due to the shape of these C-chambers in 9 with the narrow screw flights ( 17 ) material is always present between the cylinder wall and the screw flights as a separating or sliding film. Thus, no dry friction between the screw running surface and cylinder and on the other hand, the shear stress in this area is only very short. As a result, these screws can be operated at a significantly higher peripheral speed than conventional counter-rotating twin screws. Experience also shows that the self-cleaning effect of the WW snails is particularly good. There are no dead water areas in which material can deposit or plate-out arises.

Wird 8 und 9 im Bereich der Schneckenspitze betrachtet, so erkennt der Fachmann sofort, dass durch die Geometrie mit großen Flankenwinkeln bedingt keine oder eine nur unbedeutende Druckpulsation entsteht.Becomes 8th and 9 When viewed in the area of the screw tip, the person skilled in the art immediately recognizes that due to the geometry with large flank angles, there is no or only insignificant pressure pulsation due to the geometry.

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 1 bis 5 dargestellt sind, werden bis auf wenige Ausnahmen mit einer offenen Ölkühlung oder mit einem geschlossenen Wassertemperiersystem betrieben. Dieses ist notwendig, um die Friktionsenergie insbesondere aus der Meteringzone abzuführen und ein Überhitzen zu verhindern. Da die WW-Schnecken jedoch deutlich weniger Friktionsenergie aufbauen, ist eine Kühlung der Schnecken in diesem Bereich in der Regel nicht notwendig. Dies führt auch dazu, dass die Kühlbohrungen im Bereich einer Meteringzone nicht notwendig sind. Zudem ist eine Kühlung des Zylinders im Bereich der WW-Schneckengeometrie in der Regel ebenfalls nicht notwendig bzw. wird kaum eingesetzt. Insgesamt trägt die WW-Schnecke erheblich zur Energieeinsparung in der Extrusion bei.Prior art conventional screw geometries for backlashes, such as those described in U.S. Pat 1 to 5 are shown, are operated with a few exceptions with an open oil cooling or with a closed Wasseremperiersystem. This is necessary to dissipate the friction energy in particular from the metering zone and to prevent overheating. However, since the WW screws build up much less friction energy, it is usually not necessary to cool the screws in this area. This also means that the cooling holes in the metering zone are not necessary. In addition, a cooling of the cylinder in the area of the WW screw geometry is usually also not necessary or is hardly used. Overall, the WW screw contributes significantly to the energy savings in the extrusion.

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.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 0983836 A1 [0007] EP 0983836 A1 [0007]

Claims (8)

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. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Flankenwinkel identisch sind und mindestens 35° betragen und die Stegkopfbreite kleiner 10% des Schneckendurchmessers entspricht.Apparatus according to claim 1, characterized in that both flank angles are identical and at least 35 ° and the web head width is less than 10% of the screw diameter. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenflanke geradlinig ausgeführt ist.Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the screw flank is designed in a straight line. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Schneckendurchmesser zum Achsabstand 1,15 bis 2,1 beträgt.Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the ratio of screw diameter to the center distance is 1.15 to 2.1. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Flankenbereich geradlinige Ausfräsungen eingebracht werden.Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that in the flank region straight cutouts are introduced. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Schneckenkern senkrecht zur Achsrichtung geradlinige Ausfräsungen vorgenommen werden.Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the worm core are made perpendicular to the axial direction milled cutouts. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Schneckenkern im Winkel zur Achsrichtung geradlinige Ausfräsungen vorgenommen werden.Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the worm core at an angle to the axial direction rectilinear cutouts are made. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltweite des Flankenspaltes im mittleren Bereich enger ist als in dem Bereich am Schneckenkopf bzw. am Stegfuß.Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the gap width of the flank gap is narrower in the central region than in the region at the screw head or at the web foot.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0983836A1 (en) 1998-08-30 2000-03-08 KAB Krüger Anlagenbau GmbH Intermeshing screws with equidistant gap

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EP0983836A1 (en) 1998-08-30 2000-03-08 KAB Krüger Anlagenbau GmbH Intermeshing screws with equidistant gap

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