DE2121914A1

DE2121914A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Strangpressen von thermoplastischen Kunststoffen

Info

Publication number: DE2121914A1
Application number: DE19712121914
Authority: DE
Inventors: Robert Franklin Newcastle Pa.; Lawrence Donald Lee Toledo Ohio; Dray (V.St.A.)
Original assignee: FEED SCREWS Inc
Current assignee: FEED SCREWS Inc
Priority date: 1970-05-05
Filing date: 1971-05-04
Publication date: 1971-11-25
Also published as: AU2823171A; US3650652A; ZA712692B; CH521845A; FR2091254A5

Description

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PATENTANWÄLTE

DH.iNG.H.NEGENDANK · dipl-ing. H. HAUCK · «ιρι..-phys. W. SCHMITZ

HAMBURG"MÜNCHEN ZUSTELLUNGSANSCHRIFT: HAMBURG 36 · NEUER WALL

TEL. 36 74 28 UND 36 41 18

TELEGR. SEGEDAPATENT HAMBURG

IToed ccrov/c, Inc. München 13 ■ mozartstr.

TEL.« 38 03 86 .ClJ 'l'A'iSi/ TELEGR. NEGEIiAPATENT MÜNCHEN

!, P Giinsylvaiii u/USA

HAMBURG,

Vorrichtung und Verfahren zum Strangpressen von thermoplastischen Kunststoffen

Die Erfindung "betrifft eine Strangpresse für thermoplastische Kunststoffe mit einer in der Bohrung eines G-ehäuses gelagerten Schnecke, die ein rechteckiges, sica über die Länge der Schnecke erstreckendes Gewinde aufweist, das den Kunststoff vom Einlaß des G-ehäuses zum Auslaß hin fördert, sowie das Verfahren zum Plastifizieren und Strangpressen von thermoplastischem. Kunststoff, "bei dem das in festem Zustand durch einen Einlaß eingeführte Material entlang einer sich drehenden, scnraubenlinienförmigen Bahn "bewegt und dabei plastifiziert wird, um als Strang aus einem Ausla.ß gedrückt zu werden.

Bei dem bekannten Strangpressen von Kunststoffen mit einer einstufigen, ein ELachgewinde rechteckigen Quer—

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Schnitts aufweisenden Schnecke wird das Strangpressen dadurch erreicht, daß die Tiefen und Längen der Zufunrund Meßabschnitte entsprechend den strangzupressenden Materialien verändert werden. Beispielsweise werden für größere Leistungen die Tiefen der Meßabschnitt gewöhnlich vergrößert. Wenn jedoch, die Kapazität des Strangpressens erhöht wird, ist dies oft mit einer Qualitätseinbüße des stranggepreßten Materials verbunden. TTm diesen Nachteil zu überwinden, hat man versucht, mit längeren Abschnitten zu arbeiten, wodurch jedoch, die Temperaturen anstiegen.

Die verschiedensten Torrichtungen sind in der einschlägigen Technik bereits vorgeschlagen worden, bei denen jedoch der Kraftbedarf erheblich anstieg und oft bei gewissen Materialien "[Instabilität auftrat. Beispielsweise ist bei einer vorgeschlagenen Vorrichtung die Schnecke mit einem ersten und einem zweiten, einen ersten und einen zweiten Kanal bildenden Gewinde versehen. Das den ersten Kanal begrenzende Gewinde endet stromabwärts Tiom. Einlaß, so daß der Druck im ersten Kanal progressiv zunimmt, um alles Kunststoff material aus dem ersten in den zweiten Kanal zu drücken und danach dem Meßabschnitt

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zuzuführen. Eine derartige Strangpreßschnecke ist in der USA-Patentscnrift 5 575 549 "beschrieben. Bei dieser Strangpreßschnecke wird der Kunststoff durchgearbeitet und vergütet, wenn er die enge Öffnung zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal passiert.

Die Aufgabe der Erfindung "besteht in der Schaffung eine* Strangpresse und eines Verfahrens, bei dem eine einzige Schnecke verwendet wird, mit der thermoplastische Kunststoffe wirksam und wirtschaftlich strangge— preßt werden können, ohne den erforderlichen Kraftbe— darf wesentlich zu erhöhen und zwar ohne Qualitätsein-"buße, wobei auch solche Kunststoffe wirtschaftlich stranggepreßt werden können, die man "bisher nicht verarbeiten konnte.

Gemäße der Erfindung wird der thermoplastische Kunststoff entlang einer schraubenlinienförmigen Hauptbahn bewegt, bis ein Teil des Materials plastisch geworden ist. An dieser Stelle wird die Steigung der schrauben— linienförmigen Bahn erhöht und eine schraubenlinienförmige HiIfsbahn vorgesehen, damit der plastische Kunststoff frei in die Hilfsbahn eintreten kann. Eine fortgesetzte Bewegung des Kunststoffes in der schrauben—

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linienförmigen Hauptbahn bewirkt ein weiteres Plastifizieren, wobei schließlich der plastifizierte Kunststoff aus der schraubenlinienförmigen Hilfsbahn in die Hauptbahn zurückgeführt wird, wo er mit dem Kunststoff in der Hauptbahn vermischt und dem Auslaß zugeführt wird. Die Strangpresse gemäß der Erfindung weist eine zylindrische Bohrung mit einem Einlaß an einem Ende und einem Auslaß am anderen Ende auf, in der eine einzige Schnecke gelagert ist. Der UmfangAer Schnecke ist mit einem ersten Gewinde versehen, das eine schraubenlinienförmige Hauptbahn begrenzt, die sich über die ganze Länge der Schnecke erstreckt. An einer Stelle stromabwärts vom Einlaß ist die Steigung des ersten Gewindes erhöht und der Anfang eines zweiten Gewindes vorgesehen, das zusammen mit dem ersten Gewinde einen schraubenlinienförmigen Hilfskanal bildet. Der Umfang des zweiten Gewindes weist einen Abstand von der Bohrungswandung auf, der größer is^ls der beim ersten Gewinde, wobei das zweite Gewinde an einer Stelle endet, die hinter dem Ende des ersten Gewindes liegt.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung soll nunmehr anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:

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Fig. 1 eine Seitenansicht einer Strangpreßschnecke gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt in vergrößertem Maßstab;

Pig. 3 einen Teilschnitt nach Linie 3-3 der Fig. 1;

Pig. 4 eine Abwicklung der in den Pig. 1 und 2 gezeigten Schnecke an einer Stelle ihrer Länge;

Pig. 5 einen Teilschnitt nach Linie 5—5 der Pig. 4; und Pig. 6 einen Teilschnitt nach Linie 6-6 der Pig. 4.

Die in den Zeichnungen dargestellte Strangpresse 10 gemäß der Erfindung weist ein Gehäuse 11 mit einer beheizbaren Zylinderbohrung 12 auf, in die ein Einlaß 13 am einen Ende einmündet, durch den strangzupressendes Material eingeführt wird, sowie einen Auslaß 14 am anderen Ende, durch den das plastifizierte Material ausgetragen wird.

Eine Schnecke 15 ist drehbar in der Zylinderbohrung gelagert und wird durch einen geeigneten Antrieb (nicht darge—

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stellt) in Drehung versetzt. Die Schnecke 15 weist einen ersten Gewindegang 16 auf, der sich über die ganze Länge der Schnecke erstreckt. Der Gewindegang

16 "begrenzt einen Hauptkanal 17» der sich über die ganze Länge der Schnecke erstreckt. Der Hauptkanal

17 kann in drei Zonen eingeteilt werden, nämlich eine Zufuhrzone A, in der der feste Kunststoff wirksam vom Einlaß 13 zum übrigen Teil der Schnecke mit einer optimalen Geschwindigkeit gefördert wird, eine mittlere Plastifeierzone B, in der der Kunststoff plastifiziert wird ffnii eine Meßzone C, in der der plastifizierte Kunststoff gleichmäßig gemischt und mit dem vorschriftsmäßigen Druck sowie der Geschwindigkeit dem Auslaß 14 zugeführt wird.

Die Länge, Tiefe und Steigung des Gewindeabschnitts 16a des Gewindeganges 16 ist in der Zufuhrzone A derart, daß hier eine optimale Förderung des festen Kunststoffes stattfindet.

An einer Stelle 19a in der Plastifizierzone B (Pig. 4), wo ein Teil des Kunststoffes plastifiziert worden ist, nimmt die Steigung im Abschnitt 16"b des Gewindeganges 16 zu, um die Vorschubgewchwindigkeit des Kunststoffes

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zu erhöhen (Fig. 4)· -An einer Stelle 19"b etwas stromaufwärts von diesem Punkt zweigt ein zweiter Gewindegang 18 (Fig. 4) vom ersten Gewindegang ab und divergiert dazu, um einen Hilfskanal 20 mit dem ersten Gewindegangabschnitt 16b zu "begrenzen.

Die Tiefe des Kanals 17 unmitterbar vor der Stelle 19"b ist im wesentlichen gleich der Tiefe des Kanals 17 stromabwärts hinter der Stelle 19b, während die Breite ha des Kanals 17 (Fig.1) stromaufwärts von der Stelle 19t gleich oder geringer als die Breite hb des Kanals 17 stromabwärts von der Stelle 19b ist, so daß keine die Strömung des plastifizierten Materials "beeinträchtigende Verengung zwischen dem Teil des Kanals 17 stromaufwärts von der Stelle 19b und dem Abschnitt des Kanals 17 stromabwärts von der Stelle 19b vorhanden ist. Der Umfang des zweiten Gewindeganges 18 hat einen Abstand von der Wandung der Bohrung 17» der größer ist als derjenige des Gewindeganges 16, der über seine ganze Länge einen konstanten Durchmesser hat. Infolgedessen wird die Vorschubgeschwindigkeit des plastifizierten Materials in der Plastifizierzone B beschleunigt, wobei alles plastifizierte Material im Kanal 17 stromabwärts von der Stelle 19 beginnt, frei über den Umfang des Gewinde-

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ganges 18 in den Kanals 20 zu strömen.

Die Tiefe des Kanals 17 in der Plastifizierzone B nimmt progressiv zum Ende der Plastifizierzone B ab. Die Breite he des Kanals 20 und seine Tiefe werden vorzugsweise konstant gehalten, so daß die Querschnittsflache des Kanals 20 an seinem Ende wenigstens so groß ist, wie am Anfang. Der zweite Gewindegang 18 endet mit Abstand zum Grewindegangabschnitt 16b bei 21, so daß das plastifizierte Material im Hilfskanal 20 am Ende der Plastifizierzone B frei in den Abschnitt 17b des Hauptkanals 17 fließen kann.

In der Meßzone G bleibt die Steigung des Hauptgewindegan— ges 16c vorzugsweise konstant. Die Tiefe des Hauptkanals 17b, des Hilfskanals 20 und des Meßkanals 22 sind im wesentlichen an der Stelle, wo die Meßzone anfängt und der Hilfskanal 20 endet, gleich.

Wenn sich wärend des Betriebes die Schnecke dreht, wird Kunststoff vom Einlaß durch den Zufuhrabschnitt A mit optimaler G-eschwindigkeit gefördert. Beim Eintritt des Materials in die Plastifizierzone B wird es einer Scher-

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beanspruchung durch die Bohrung 12 unterworfen, die zusammen mit der Wärme des Gehäuses 11 beginnt, den Kunststoff zu plastifizieren. Das plastifizierte Material erscheint an der Zwischenfläche zwischen dem festen Kunststoff und der Bohrung 12 und am hinteren Ende des Kanals 17 nahe dem Gewindegang 16. Wenn der Kunststoff die Zone des Hilfskanals 20 erreicht, ist ein Teil des Kunststoffes plastifiziert. Da an dieser Stelle die Steigung des Gewindeganges 16 zunimmt, ohne in der Quersdinittsfläche des Hauptkanals 17 an dieser Stelle zuzunehmen, wird der Kunststoff schneller bewegt, wobei jeglicher Druck,der im Kunststoff im Hauptkanal 17 in Erscheinung tritt, im wesentlichen entlastet ist. So kann der plastifizierte Kunststoff im Hauptkanal 17 verhältnismäßig frei in das leere führende Ende des Hilfskanals 20 eintreten. Dies erfolgt ohne jegliche Einschnürung des Kunststoffes im. Hauptkanal 17· Da sich der plastifizierte Kunststoff frei in den Hilfskanal 20 bewegt, wird im Hauptkanal 17 zusätzlich Raum für den zu plastifizierenden Kunststoff geschaffen, der durch die Zufuhrzone zugeführt wird.

Die fortgesetzte Drehung der Schnecke erzeugt im Haupt— kanal 17 eine fortgesetzte Plastifizierung, wobei das

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plastifizierte Material in zunehmender Weise frei in
den Hilfskanal 20 eintritt, "bis dieser'an einer stromabwärts vom Anfang 19b des Gewindeganges 18 liegenden
Stelle gefüllt ist. Nachdem der Hilfskanal· 20 an dieser stromabwärts liegenden Stelle gefüllt ist, strömt kein
plastifiziertes Material über den Gewindegang 18 in den Hilfskanal 20, wobei die fortgesetzte Drehung der Sehnekke den plastifizierten Kunststoff in den Hauptkanalabschnitt 17b drückt, wo er einer Scherbeanspruchung an
der Wandung 12 der Bohrung ausgesetzt und plastifiziert wird. Da die Breite des Hauptkanala 17 in der Plastifi— zierzone 3 nicht kleiner ist als am Anfang der Plastifizierzone B wird die· Fläche des festen Kunststoffes, der die Scherberührung mit der Bohrung 12 ausgesetzt ist,
an keiner Stelle der Plastifizierzone B vermindert.

Zu dem Zeitpunkt, wenn der Kunststoff das Ende des Abschnitts 17b des Hauptkanals 17 erreicht hat, endet der Hilfskanal 20, so daß der Kunststoff aus dem Hilfskanal 20 frei in«, den plastifizierten Kunststoff im Hauptkanal 17 übertreten kann, mit dem er in die Meßzone gefördert wird.

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Die Meßzone ist ziemlich schnal und lang und hat eine größere Steigung als die Plastifizierzone, so daß eine größere Kunststofflaehe der Bohrungswandung ausgesetzt ist.

Es wurde festgestellt, daß auf diese Weise eine wirksame und wirtschaftliche Strangverarbeitung von Kunststoff erzielt wird, ohne den Kraftbedarf zu erhöhen und ohne eine Qualitätsminderung des Erzeugnisses in Kauf nehmen zu müssen.

Ein typisches Beispiel der Dimensionierung der Strangpresse zum Strangpressen von Polyäthylen hoher Dichte ist folgende:

Länge der Schnecke Bohrungsdurchmesser Breite des Hauptkanals Breite des Hilfskanals Tiefe des Hilfskanals

Tiefe des Hauptkanals am Anfang der

Plastifizierzone B 12,2 mm

Tiefe des Hauptkanals am Ende der

Plastifizierzone B 3,05 mm

Tiefe der Meßzone 3,05 mm

Spiel zwischen dem Gewindegang 16 und

der Bohrung 0,15 mm

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1524	2	ττηη
76,	7	τητη
67,	6	mm
28,	05	TTlTW
3,	τητη

Spiel zwischen dem Gewindegang 18 und der Bohrung

Länge der Zufuhrzone Länge der Plastifizierzone

Länge der Plastifizierzone "bis zur Stelle

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0,9	mm
305	τπττι
876,3	mm
152,5	mm
343	mm
114,3	TOTTI
724	mm
9,5	τητη
4,75	mm

Länge der Meßzone Steigung der Meßzone Länge des Hilfskanals Breite des Gewindeganges 16 Breite des Gewindeganges 18

Wewx die zuvor beschriebene Strangpresse mit einer !üblichen Strangpresse mit einer Schnecke von 75 mm Durchmesser und 150 mm Länge die vier Zufuhrwindungen und eine Plastifizierzone mit einer Tiefe von 12,2 bis 3,6 mm und eine Meß zone mit einer Tiefe von 3,6 mm und 5 Windungen aufwies, verglichen wurde, wurde festgestellt, daß die Strangpresse gemäß der Erfindung eine 27 f° höhere Leistung aufwies als die bekannte Strangpresse mit einer einzigen Schnecke bei gleichem Kraftbedarf.

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Claims

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Patentansprüche

Strangpresse für thermoplastische Kunststoffe, mit einer in der Bohrung eines Gehäuses gelagerten Schnecke, die ein rechteckiges, sich Über die Länge der Schnecke erstreckendes Gewinde aufweist, das den Kunststoff vom Einlaß des Gehäuses zum Auslaß hin fördert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des Gewindes (16) an einer stromabwärts vom Einlaß (13) liegenden Stelle (I9"b) zunimmt, ohne den zwischen Gewindegängen gebildeten Kanal (17) im Querschnitt zu verändern, und daß im wesentlichen an dieser Stelle der Anfang eines zweiten Gewindes (18) liegt, dessen Gewindegänge zusammen mit denen des ersten Gewindes (16) einen Hilfskanal (20) "bilden und einen größeren Umfangsa"bstand von der Bohrung (12) aufweisen als die des ersten Gewindes (16)., um einen freien Durchfluß des plastifizierten Materials vom Hauptkanal (17) in den Hilfskanal (20) zu gestatten, und daß das zweite Gewinde (18) mit Abstand vom ersten Gewinde nahe dem Auslaß (14) endet, so daß das plastifizierte Material aus dem Hilfekanal frei in den Hauptkanal zurückströmen kann, um mit dem darin "befindlichen Material gemischt und zum Auslaß hin hewegt zu. werden.

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2. Strangpresse nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des Hauptkanals (17) vom Anfang desselben "bis zu der Stelle an der der Hilfskanal (20) endet, abnimmt.
3· Strangpresse nach. Anspruch 1 oder 2, dadurch, gekennzeichnet, daß der Haupt- und der Hilfskanal (17 bzw. 20) an der Stelle, an der der Hilfskanal endet, im wesentlichen gleich, tief sind.
4. Strangpresse nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch.. gekennzeichnet, daß der Hauptkanal (17) his wenigstens zu der Stelle, an der der Hilfskanal (20) endet, eine im wesentlichen gleichbleibende Breite aufweist.
5. Strangpresse nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkanal (17) eine gleichbleibende Breite bis über das Ende des Hilfskanals (2o) hinaus aufweist.
6· Strangpresse nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Hauptkanals (17) stromabwärts von der Stelle (19b) der zunehmenden Steigung bis zum Ende des Hilfskanals (2o) wenigstens so groß wie die Breite des Hauptkanals (17) am Anfang

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der zunehmenden Steigung ist.
7. Strangpresse nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Hauptkanals (17) des über das Ende des Hilfskanals (2o) hinaus vorstehenden Abschnitts wenigstens so groß wie die Summe der Breiten des Hauptkanals (17) stromaufwärts davon und des Hilfskanals (2o) stromabwärts davon ist.
8. Strangpresse nach einem der Ansprüche 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Hauptkanals (17) wenigstens TdIs zum Ende des Hilfskanals (2o) im wesentlichen konstant ist.
9. Strangpresse nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des Hauptkanals (17) gleichmäßig von der Anfangsstelle (19h) cLes Hilfskanals (2o) *bis zum Ende desselben abnimmt.
10. Strangpresse nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Hilfskanals (2o) konstant ist.

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11. Strangpresse nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des Hilfskanals (20) konstant ist.
12. Strangpresse nach einem der Ansprüche 1—11, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des Hauptkanals (17) hinter der Stelle des Hilfskanals (20) im wesentlichen konstant ist.
13· Verfahren zum Plastifizieren und Strangpressen von thermoplastischem Kunststoff, bei dem der in festem Zustand durch einen Einlaß eingeführte Kunststoff entlang einer sich,drehenden schraubenlinienförmigen Bahn "bewegt und dabei plastifiziert wird, um als Strang aus einem Auslaß gedrückt zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß die ITördergeschwindigkeit des Kunststoffes an einer stromabwärts vom Einlaß liegenden Stelle durch Vergrößerung der Steigung der schraubenlinienförmigen Bahn, ohne dessen Querschnittsfläche zu vergrößern* gesteigert wird, wobei der plastifizierte Kunststoff am Beginn der Fordergeschwindig— keitssteigerung frei in eine schraubenli nienförmige Nebenbahn strömen kann, die sich mit der Hauptbahn dreht, und daß die Bewegung des Kunststoffes durch Drehen des Haupt- und des Nebenkanals fortgesetzt

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wird, "bis der Kunststoff in der Hauptbahn plastifiziert ist, worauf dann der in der Nebenbahn befindliche Kunststoff mit dem der Hauptbahn gemischt und zum Auslaß gefördert wird·
14. Verfahren nach Anspruch 13_f dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Hauptbahn von einer vor der Hilfsbahn liegenden Stelle bis zum Ende der Hilfsbahn progressiv vermindert wird.
15· Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite und die Tiefe der Nebenbahn im wesentlichen konstant gehalten wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13-15» dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Haupt- und der Nebenbahn nahe dem Ende der Nebenbahn im. wesentlichen gleich gehalten werden.
17· Verfahren nach einem der Ansprüche 13-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Hauptbahn hinter dem Ende der Nebenbahn wenigstens so groß gehalten wird, wie die Summe der Breiten der Haupt- und der Nebenbahn in der Zone des Nebenbahnende8»

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18. Verfahren nach einem der Anspräche 13-17» dadurch

gekennzeichnet, daß die Breite und Tiefe der Haupt—

tahn hinter dem Ende der Nebenbahn im wesentlichen konstant gehalten wird.

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