DE2123018A1

DE2123018A1 - Extruder

Info

Publication number: DE2123018A1
Application number: DE19712123018
Authority: DE
Inventors: Klaus Nurensdorf; Poncet Daniel Petit-Lancy; Prost Jean-Louis Genf; Trüb Jean Carouge Genf; Kneller (Schweiz)
Original assignee: Schweizerische Industrie Gesellschaft
Current assignee: Schweizerische Industrie Gesellschaft
Priority date: 1970-05-08
Filing date: 1971-05-05
Publication date: 1971-11-18
Also published as: CH523138A; US3704972A

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

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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 K_g 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

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Drehgeschwindigkeiten der Schnecke η. , n_t,, n_ darstellen, wobei

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fd.lt: H₇.> n_o >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 W_P 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 - p_r (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 (y_o)).

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 W_r der Schnecke W. Sie sind dazu bestimmt, ein dem Druck an dem Meßpunkt 1 und 2 entsprechendes Signal zu liefern.

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Die Sonde S, ist mit dem einen Eingang des Reglers R. verbunden, dessen anderer
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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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.

Patentansprüche;

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Claims

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Patentansprüche

1.) 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.

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L₀, V ) einwirkt und einen ersten Eingang zum Zuführen eines

Bezugssignals (P. bzw. P₂) sowie einen zweiten Eingang zum Zuführen des von der Druckmeßsonde (S. bzw. S„) gelieferten Signals (P.* bzw. P,-.*) hat, und durch einen

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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 (S_o) 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 (M_n 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. R_y) der Regeleinheit verbunden ist, die die genannte Durchsatzsteuervorrichtung beeinflußt.

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4. Extruder nach den Ansprüchen 2 und J>, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Funktionsgenerator (Go) ausgangsseitig mit dein ersten Eingang des Reglers (tt_o) verbunden ist, der zu der Hegeleinheit gehört, die die Aufgabe hat, die zweite Durchsatzsteuervorrichtung zu beeinflussen.

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