DE2123018A1 - Extruder - Google Patents
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Description
Extruder
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Extruder, besteheiid
aus eineiii beheizten Zylinder, einer Schnecke, die drehbar in
dem Zylinder angeordnet ist und sich über seine ganze Länge erstreckt, Antriebsmittel für die Drehung der Schnecke, einer
Vorrichtung zum Zuführen des Rohmaterials in den Zylinder im Bereich desselben, der den äußersten Beginn der Schnecke
umfaßt, wobei das Rohmaterial dazu bestimmt ist, bearbeitet zu werden und von der Schnecke unter Druck gesetzt zu werden
im Einblick auf seine Pressung, eine Austrittsdiise in Verbindung
mit dem Teil des Zylinders, der das äußerste Ende der Schnecke umschließt, eine Entgasungsöffnung in der Wand
des Zylinders, eine erste Vorrichtung zur Steuerung des Durchsatzes des Materials, das in dem Zylinder von einem
ersten Teil der Schnecke zusammengepreßt wird, der sich zur Entgasungsöffnung hin erstreckt, und einer zweiten Vorrichtung
zur Steuerung des Durchsatzes des Materials, das in dem Zylinder von einem zweiten Teil der Schnecke zusammengepreßt
wird, der sich zwischen der Entgasungsöffnung und dem
besagten äußersten Ende der Schnecke erstreckt.
Ein Extruder der vorliegenden Art muß notwendigerweise die erste der beiden oben genannten Steuervorrichtungen besitzen,
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wenn man von dem Extruder sagen kann, üaL· er bei sehr verschiedenem
Durchsatz, infolge der cnarakteristischen uiiron—
schäften des Stoffes, arheitet, wobei die DurcnsatzmerH:en
von Fall zu Fall durch eine zweite Steuorvorriciitung festgelegt
werden können.
Damit ein solcher Lxtruder einwandfrei arueitet, ist es unerläßlich,
daß der Durchsatz des Materials, das im Zylinder durch den vor der Entgasungsüffnung gelegenen Teil der Schnecke
zusammengedrückt wird, zu jeder Zeit gleich dem Durchsatz dc;s
ausgestoßenen Materials ist, d.h. gleich dem Durchsatz des Materials, das von dem hinter der Entgasungsüffnung gelegenen
Teil der Schnecke zusammengepreßt wurde und den Extruder in Richtung der Austrittsdüse verläßt, r'alls diese jjediniiimg nicht
vorliegt, entweicht entweder das überschüssige Material durch die Entgasungsöffnung, sobald es die iiöhe dieser uifnung
erreicht hat und ist damit verloren oder die Austrit tsdiise erhält viel zu wenig Material zum Ausstoßen und die Qualität
des Extrudats wird mangelhaft.
Die Gleichheit der beiden zuvor erwähnten Durchsatzmengen wird
durch das Einwirken der genannten ersten Steuervorrichtung erreicht von dem Moment an, wo die zweite auf einen vorgegebenen
üffnungsgrad gebracht ist, der dem gewünschten Extrusionsdurchsatz
entspricht.
Diese Wirkungsweise ist offensichtlich sehr empirisch, da sie das
Ergebnis verschiedener verglichener Meßwerte, einerseits der Höhe des Materials in der Entgasungsöffnung und andererseits
der fortlaufenden Abschätzung der Qualität des erhaltenen
Extrudats ist.
Diese Wirkung der Steuerung muß periodisch neu einsetzen,
insbesondere, wenn der Extruder mit wohniaterial verschiedener
109847/1705
BAD ORIGINAL
Herkunft versorgt wird, das oft große Unterschiede in d^r
Viskosität von Material zu Material aufweist, und dennoch ein
Extrndat mit unveränderten Eigenschaften hergestellt werden soll.
Das gleiche eilt, wenn nicht die sich ändernde Qualität des
Materials zu betrachten ist, sondern allein der Durchsatz des Extruders, insbesondere infolge eines Auswechselns der
um tritt sclüse .
Aufgabe der i-IrfincJung ist es, einen Extruder der beschriebenen
Art anzuheben, bei dem diese Probleme der Steuerung automatisch
sii» 1·''st werden. M
Diese. Aufsähe wird erfindungsgemaß gelöst durch zwei Regeleinheiien,
von denen die eine dazu bestimmt ist, die erste DurehsatzKteuervorrichtunt?; und die andere dazu bestimmt ist, die
zweite Durehaatzsteuervorrichtung zu beeinflussen und jede
•ii'ie Lelniiei I umfaßt eine Druckmeßsonde zur Messung des Druckes
im Zylinder vor der Durchsatzsteuereinrichtung, die von der entsprechenden Hegeleiiihei t beeinflußt wird, einen Mechanismus
zinn lieweaen der Durchsatzsteuervorrichtung, einen Kegler, der
auf den Mechanismus einwirkt und einen ersten Eingang zum Zuführen eines aezuessignals sowie einen zweiten Eingang zum
zuführen des von der Druekmelisonde gelieferten Signals hat, und
durch einen i-'unktionsgenerator, der den 'vert des Druckes angibt, f|
der vor di»r einen Durchsatzsteuervorrichtung in Abhängigkeit
vom tatsächlich vor der anderen Durchsatzsteuereinrichtung
herrschenden Druck herrschen soll, damit der Durchsatz des Materials, das durch den ersten Teil der Schnecke zusammengepreßt,
wird, zu jeder Zeit identisch ist dem Durchsatz des ,Materials, das durch den zweiten Teil dieser Schnecke zusammengepreßt
wird, wobei der Eingang bzw. der Ausgang dieses Funktionsgenerator«
entsprechend mit der Druckmeßsonde, die zu der einen Hegeleinheit gehört und mit dem ersten Eingang des
Hosiers der zu der anderen Ilegeleinheit gehört, verbunden ist.
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In den Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise«,
dargestellt und wird im folgenden näher erläutert:
Es zeigen:
Fig. 1 und 2 zwei erklärende Diagramme;
Fig. 3 eine scheraatische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
des Gegenstandes der Erfindung.
Der dargestellte Extruder umfaßt, ebenso wie bei zahlreichen bekannten Extrudern, einen Zylinder C, in Jessen Inneren eine
Extruäons-Schnecke W drehbar angeordnet ist, die von einem nicht dargestellten Motor auf die Geschwindigkeit η gebracht
wird, wobei der Motor am linken Ende der Schnecke W angreift.
Der Zylinder C wird durch die Verbindung von fünf röhrenförmigen
Elementen C, bis C1- gebildet, von denen zwei von ihnen, C1
und C„, von einem elektrischen Heizkörper R , der an eine Spannungsquelle T angeschlossen ist, umgeben sind. Dieser
Heizkörper R liefert eine Wärmeleistung, die ausreichend ist, den Zylinder auf einer Temperatur von z.B. etwa 300 bis küQ C
zu halten.
Das Element C. des Zylinders ist mit einer Vorrichtung zur
Versorgung des Extruders mit Rohmaterial verbunden. Diese Vorrichtung ist in der Zeichnung in Form eines Trichters D wiedergegeben.
Das Rohmaterial kann pulverförmig sein oder - vorzugsweise - in granulierter Form vorliegen.
Das Element C- hat eine Öffnung 0,, die mit einem Kamin O
in Verbindung steht, wobei die Öffnung zusammen mit dem Kamin
zur Entgasung des von der Schnecke W gepreßten Plastikmaterials dient.
Die Elemente C„ und C^ sind axial verschiebbar und können
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zwischen zwei Endstellungen geführt werden, von denen die eine, in der sie in der Zeichnung dargestellt sind, durch Anlehnung
an die Elemente C_ und C,- gebildet wird und die andere durch
Anlehnung an die Elemente C., beziehungsweise C_, gebildet wird. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, ist das Element C2
bzw. C^ mit dem einen Ende eines Hebels L. bzw. L2 verbunden,
dessen jeweiliges anderes Ende der Einwirkung eines hydraulischen Zylinders V. bzw. V2 unterworfen ist. Die Art der
Wirkungsweise der hydraulischen Zylinder V. und V2 wird im
folgenden näher erläutert. M
Die Schnecke W wird gebildet durch ein zentrales Mittelteil, das zwei Schneckenabschnitte W2 und W_ und zwei ringförmige
Vorsprünge W. und W- trägt, wobei der erste W., sich an den Schneckenabschnitt W2 anschließt und der zweite W-, sich an
den Schneckenabschnitt W- anschließt.
Die Vorsprünge W. beziehungsweise W,- begrenzen zusammen mit dem
rechten Ende der Elemente C , beziehungsweise C_ und dem Element C2, beziehungsweise C., einen ringförmigen Kanal K,,
beziehungsweise K2, der es ermöglicht, daß das durch den
Teil der Schnecke, der vor dem Vorsprung W., beziehungsweise W-
liegt, zusammengepreßte Material an diesen Vorsprung M
vorbeigelangen kann.
Der Abschnitt der Ausgangsöffnung des Kanals K1, beziehungsweise
K2, kann durch axiales Verschieben des Elements C2,
beziehungsweise C^, verändert werden, wobei diese axiale
Verschiebung in der schon beschriebenen Weise erfolgt. In der dargestellten Lage der Elemente C2 und C^ ist dieser Abschnitt
maximal, er wird minimal, oder sogar Null, wenn die Elemente durch Einwirkung der zugehörigen hydraulischen Zylinder nach
links verschoben werden. Im ersten Fall ist der Materialdurchsatz der den Kanal K1 oder den Kanal Kg passieren kann, maximal.
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Er wird minimal oder sogar Null im zweiten Fall.
Selbstverständlich nimmt der den Kanal K oder K2 passierende
Materialdurchsatz einen mittleren Wert zwischen diesen beiden Extremen ein, wenn das Element C2 oder C. in eine mittlere
Lage gebracht wird.
Diese Art der Steuerung des Materialdurchsatzes im Innern eines Extruder-Zylinders ist im besonderen dazu bestimmt,
eine ausreichende Versorgung der Austrittsdüse F mit zum Ausstoßen bestimmten Material sicherzustellen.
Es ist bekannt, daß ein Extruder der beschriebenen Art nur dann ausreichend arbeitet, wenn der Durchsatz Q. des durch den
vor dem Kamin 0. gelegenen Teils der Schnecke zusammengepreßten
Materials gleich ist dem Durchsatz Q2 des aus dem Zylinder C
durch die Öfinung OF zum Pressen austretenden Materials.
In der Tat, wenn Q. > Q2 ist, entweicht Material durch die
Entgasungsöffnung 0, sowie den Kamin 0. und kann nicht zurückgewonnen
werden.
Wenn dagegen Q. < Q2 ist, erhält die Austrittsdüse F augenblicklich
viel zu wenig Material und die Qualität des gepreßten Materials verschlechtert sich.
Es ist nützlich, an dieser Stelle daran zu erinnern, daß im Innern eines Zylinders eines Extruders der Durchsatz Q des
durch die Schnecke zusammengepreßten Materials und die Differenz des Druckes, der zwischen dem Eintritt und dem
Verlassen ds betreffenden Schneckenteils herrscht, in einem
direkten Verhältnis stehen, wie es das Diagramm der Fig. 1 zeigt. In diesem Diagramm sind drei Geraden eingezeichnet, die
die Änderung des Durchsatzes Q als Funktion der Druckdifferenz P für drei verschiedene
-7-
109847/17Ob
Drehgeschwindigkeiten der Schnecke η. , nt,, n_ darstellen, wobei
1 Δ j
fd.lt: H7.>
no >n .
_} W J.
So ist insbesondere bekannt, daß obgleich ähnlich in ihrer allgemeinen Darstellung, das Diagramm, das den dem Vorsprung
W. vorangehenden Teil der Schnecke betrifft, sich von dem Diagramm, das dem zum Vorsprung WP hinlaufenden Teil der Schnecke
zugehörig ist, durch die Neigung der Geraden und durch den Wert der Ordinate im Ursprung dieser Geraden unterscheidet,da
die gegenüberliegenden Teile der Schnecke untereinander unterschiedlich sein können in- bezug auf die Gangweite und die Höhe
ihres Sehnockengewindes usw., und dies ist in jedem Abschnitt besonders zu berücksichtigen. Daraus folgt, daß bei einer Drehgeschwindigkeit
η der Schnecke, die beiden oben erwähnten Teile der Schnecke nicht in der Lage sind, einen gleichen Durchsatz der
Plastikmaterie durchzupressen, da die zwischen den Enden der betrachteten Teile herrschende Druckdifferenz unterschiedliche
Werte hat. Es sei bemekrt, daß in der beschriebenen Maschine
die Differenz des Druckes, der zwischen dem Punkt 1, beziehungsweise 2, des Zylinders und der Zone desselben, die die Versorgungseinrichtung
D, beziehungsweise den Kamin Q. , umfaßt.,, dem in diesem Punkt 1, beziehungsweise 2, meßbaren Wert des
Druckes entspricht, vermindert um eine Druckeinheit (atmosphärischer
Druck).
Bei Kenntnis des Verhaltens der beiden zuvor erwähnten Abschnitte der Schnecke, ist es leicht, in Form eines Diagramms die Druckwerte
anzugeben, die als Druck P.* am Punkt 1 des Zylinders vorhanden sein müssen, wenn der Druck am Punkt 2 Pp* beträgt,
damit der Materialdurchsatz, der durch den einen Teil der Schnecke gepreßt wird, dem Durchsatz identisch ist, der durch den
anderen Teil gepreßt wird. Die Fig. 2 zeigt exakt ein solches Diagramm für verschiedene Werte der Drehgeschwindigkeit der
Schnecke (n_>n„>n.).
Es kann gezeigt werden, daß die Kurven der allgemeinen Beziehung gehorchen:
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P=A. η. u+Lt. P }Χ2_
Dabei sind:
A, B Konstanten, die von der Geometrie der Schnecke abhängen, η = Drehgeschwindigkeit der Schnecke
U. = Viskosität der durch den Teil der Schnecke gepreßten Materie,
der sich vor dem Vorsprung W. befindet. W0 = Viskosität der durch den Teil der Schnecke gepreßten Materie,
der sich vor dem Vorsprung W1- befindet.
Wenn für einen Extruder der Verlauf der Kurven des Diagramms
P. - P2 (Fig. 2) und der der Kurven des Diagramms Q0 - pr (Fig. l)
bekannt ist, ist es möglich, diesen Extruder durch ein Regelsystem zu vervollständigen, das einen absolut konstanten Durchsatz Q„
gewährleistet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt ein solches System
zu diesem Zweck als erstes zwei Regeleinheiten, von denen jede aus einem Regler R., beziehungsweise R„, einen schon erwähnten
Verstellzylinder V., beziehungsweise V2, und eine Druckmeßsonde
S., beziehungsweise S2, und als zweites einen Funktionsgenerator
G , in dem die zum Diagramm der Fig. 2 gehörenden Daten gespeichert sind (P. = f ( P1.)) und drittens einen Funktionsgenerator
G2, in dem die zum Diagramm der Fig. 1 gehörenden Daten gespeichert sind, die den Teil der Sehnecke betreffen, der
vor dem Vorsprung W1. liegt (P0 = f (yo)).
Wie es in der Zeichnung zu sehen ist, sind die Sonden S. und
S2 in der Höhe der Punkte 1 und 2. am Zylinder C angeordnet, etwas
vor den Vorsprüngen W. und Wr der Schnecke W. Sie sind dazu
bestimmt, ein dem Druck an dem Meßpunkt 1 und 2 entsprechendes Signal zu liefern.
109847/1705
Die Sonde S, ist mit dem einen Eingang des Reglers R. verbunden,
dessen anderer
verbunden ist.
verbunden ist.
dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Funktionsgenerators G.
Die Sonde S„ ist einerseits mit dem Eingang des Generators G.
und andererseits mit dem einen Eingang des Reglers R0 verbunden,
dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Punktionsgenerators G2
verbunden ist.
Der Regler R^ erhält so ein Bezugssignal P. vom Generator G.
und das Signal P1*» das dem durch die Sonde S. gemessenen M
effektiven Wert entspricht und der Regler muß den Wert auf den Wert P. zurückbringen durch Betätigung des Elements C2 des
Zylinders C mittels des Verstellzylinders V..
Der Regler R2 erhält das Bezugssignal P2 vom Generator G2 und
das Signal P0*, das den durch die Sonde S0 gemessenen Wert entspricht
und der Regler muß den i;ert auf den Wert P2 zurückbringen
durch Betätigung des Elementes G1 des Zylinders mittels des
Verstellzylinders V^.
Es sei bemerkt, daß für den Regler R2 der Wert des Signals P^
immer gleich bleibt, da er von dem Generator G0 geliefert wird,
dessen Eingang ein Signal erhält, das Q2 entspricht, d.h. dem M
Extrusions-Durchsatz, der konstant ist. Der Wert des Signals
P. des Reglers il. ist veränderlich, da er von den Änderungen des
Druckes P,,*, gemessen von der Sonde S0, abhängt.
Dank dieses beschriebenen Regelsystems hat der erfindungsgemäße
Extruder die Fähigkeit, ohne große Überwachung zu arbeiten und kann deshalb bei Bedarf im 24~Stundenbetrieb arbeiten und das
sogar, wenn sich im Laufe dieser Zeit die Qualität des zugeführten
Materials in relativ weiten Grenzen zu ändern beginnt,
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1098^7/1705
dies hauptsächlich in bezug auf die Viskosität.
Dieser Extruder ist geeignet zur Versorgung der Austrittsdüsen
mit plastischem Material bei charakteristischem Durchsatz und bei sehr verschiedenen Versorgungsdruck, da das Regelsystem,
mit dem er ausgestattet ist, eine automatische Anpassung
an die Arbeitsbedingungen der Maschine erlaubt in Höhe des
von dem Generator G0 gegebenen Sollwertes des Durchsatzes.
Es sei bemerkt, daß die Erfindung nicht auf das beschränkt ist, was dargestellt und beschrieben wurde und daß sie gleichzeitig
alle Extruder umfaßt, deren Durchsatzsteuervorrichtungen konstruktive Unterschiede von den hier genannten haben sollten.
Das gleiche gilt für den Antriebsmechanismus dieser Duretisatz—
Steuervorrichtungen, die hier in Form von Verstellzylindern angegeben wurden, die aber auch aus Motoren oder ähnlichem
bestehen können.
1 09847/170b - li -
Claims (1)
- -Ii-Patentansprüche1.) Extruder, bestehend aus einem beheizten Zylinder, einer Schnecki, die drehbar in dem Zylinder angeordnet ist und sich über seine ganze Länge erstreckt, Antriebsmittel für die Drehung der Schnecke, einer Vorrichtung zum Zuführen des Rohmaterials in den Zylinder im Bereich desselben, der den äußersten Beginn der Schnecke umfaßt, wobei das Rohmaterial dazu bestimmt ist, bearbeitet zu werden und von der Schnecke unter Druck gesetzt zu werden im Hinblick auf seine Pressung, eine Austrittsdüse in Verbindung mit dem Teil des Zylinders, der das äußerste Ende der Schnecke umschließt, eine Entgasungsüffnung in der Wand des Zylinders, eirn: erste Vorrichtung zur Steuerung des Durchsatzes des Materials, das in dem Zylinder von einem ersten Teil der Schnecke zusammengepreßt wird, der sich zur Entgasungsöffnung hin erstreckt, und einer zweiten Vorrichtung zur Steuerung des Durchsatzes des Materials, das in dem Zylinder von einem zweiten Teil der Schnecke zusammengepreßt wird, der sich zwischen der Entgasungsöffnung und dem besagten äußersten Ende der Schnecke erstreckt, gekennzeichnet durch zwei Regeleinheiten, von denen die eine dazu bestimmt ist, die erste Durchsatzsteuervorrichtung und die andere dazu bestimmt ist, die zweite Durchsatzsteuervorrichtung zu beeinflussen und Jede Regeleinheit umfaßt eine Druckmeßsonde (S. bzw. S0) zur Messung des Druckes im Zylinder (c) vor der üurchsatzsteuereinrichtung, die von der entsprechenden Regeleinheit beeinflußt wird, einen Mechanismus (L1, V. bzw. Ly, V2) zum Bewegen der Durchsatzsteuervorrichtung,ein-en Regler (R. bzw. R0), der auf den Mechanismus (L1, V. bzw._ Λ υ1098A7/1705L0, V ) einwirkt und einen ersten Eingang zum Zuführen einesBezugssignals (P. bzw. P2) sowie einen zweiten Eingang zum Zuführen des von der Druckmeßsonde (S. bzw. S„) gelieferten Signals (P.* bzw. P,-.*) hat, und durch einenX i»Funktionsgenerator (G.), der den Wert des Druckes angibt, der vor der einen Durchsatzsteuervorrichtung in Abhängigkeit vom tatsächlich vor der anderen Durchsatzsteuereinrichtung herrschenden Druck herrschen soll, damit der Durchsatz des Materials, das durch den ersten Teil (W2) der Schnecke (w) zusammengepreßt wird, zu jeder Zeit identisch ist dem Durchsatz des Materials, das durch den zweiten Teil (W_) dieser Schnecke (w) zusammengepreßtwird, wobei der Eingang bzw. der Ausgang dieses Funktionsgenerators (G.) entsprechend mit der Druckmeßsonde (S. bzw. S2), die zu der einen Hegeleinheit gehört und mit dem ersten Eingang des Reglers (R. bzw. U1.) der zu der anderen Regeleinheit gehört, verbunden ist.Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Funktionsgenerators (G.) mit der Druekmeßsonde (So) verbunden ist, die zu der Regeleinheit gehört, die dazu bestimmt ist, die zweite Durehsatzsteuei^vorrichtung zu beeinflussen und daß der Ausgang dieses Funktionsgenerators (G,) mit dem Regler (R1) der Regeleinheit verbunden ist, die die erste Durchsatzsteuervorrichtung beeinflußt.Extruder nach Anspruch 1,"dadurch gekennzeichnet, daß er einen zweiten Funktionsgenerator (G0) umfaßt, der ausgangsseitig ein Signal (P. bzw. P ) liefert, das kennzeichnend ist für den Wert des Druckes vor einer der Durchsatzsteuei*- vorrichtungen als Funktion des Durchsatzes dbs Materials, das durch den Teil (Mn bzw. W„) der Sehnecke (w) zusammengedrückt wird, dem diese Durchsatzsteuervorrichtung zugeordnet ist, und daß dieser zweite Funktionsgenerator (G,,) mit dem ersten Eingang des Reglers (R. bzw. Ry) der Regeleinheit verbunden ist, die die genannte Durchsatzsteuervorrichtung beeinflußt.109847/17054. Extruder nach den Ansprüchen 2 und J>, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Funktionsgenerator (Go) ausgangsseitig mit dein ersten Eingang des Reglers (tto) verbunden ist, der zu der Hegeleinheit gehört, die die Aufgabe hat, die zweite Durchsatzsteuervorrichtung zu beeinflussen./Sch - 22 605109847/1705Leerseite
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