DE2143923A1 - Verfahren und vorrichtung zur verformung von thermoplast-rohstoffen und aehnlichen massen ueber rotierende mastifizierwerkzeuge, z.b. schnecken, walzen u. dgl - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verformung von thermoplast-rohstoffen und aehnlichen massen ueber rotierende mastifizierwerkzeuge, z.b. schnecken, walzen u. dgl

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Description

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Verfahren und Vorrichtung zur Verformung von Thermoplast-Rohstoffen und ähnlichen Massen über rotierende Mastifizierwerkzeuge, z.B. Schnecken, Walzen udgl.
Die Gründung belaßt sich mit der Aufgabe, Thermoplast-Rohstoffe und ähnliche Massen, insbesondere Rohstoffe, die über Polymerisationsprozesse entstanden sind, z.B. Polyvinylchlorid und Polyäthylen, und dem V/eiterverarbeiter in pulveriger, griessiger oaer granulatartiger Form zur Verfugung stehen, nicht nur bei gewohnten, sondern auch bei höheren spezifischen Verarbeitungsmengen pro Zeit und Maschine zu hochwertigen l'ertigartikeln bzw. Halbzeugen zu verarbeiten.
Die Erfindung benutzt und verbessert das bekannte Verfahren, den Rohstoff unter Druck und Wärme über rotierende Werkzeuge im Knetprozess zu plastifizieren und die plastische fließfähige Masse so zu komprimieren, daß sie Formwerkzeuge durchfließen bzw. füllen kann, aber auch auf weiteren Verarbeitungsmaschinen, z.B. Folienkalandern, verarbeitbar ist.
Die Srwärmung der Masse soll dabei vorranglich durch Reibungsarbeit über die Walz- und Knetwerkezuge erfolgen. Die Durchführung der bekannten Verfahren erfolgt auf mannigfaltig gestalteten bekannten Vorrichtungen, z.B. Walzwerken, Extrudern u.dgl., die für diskontinuierlichen ©der kontinuierlichen Betrieb benutzt werden. Bestrebungen, die bekannten Verfahren und die bekannten Vorrichtungen für ihre Durchführung so zu gestalten, ■ daß man in
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der Lage wäre, durigh größere spezifische Verarbeitungs— mengen pro Zeit und Maschine den Kunststoffartikel zu verbilligen, und den Kunststoff auch für größere Artikel wirtschaftlich interessant zu machen, werden dadurch gehemmt, daß die bekannten Verarbeitungsmaßnahmen nicht ausreichen, die physikalischen Verarbeitungsbedingungen für qualitativ einwandfreie Eraeugnisse zu erfüllen, so bald ein "bestimmtes spez. Durchsatzvolumen in der benutzten Maschine erreicht ist. Das a.Zt, praktisch erreichbare spez. Durchsatzvolumen weicht stark vom theoretisch Ifachweisbaren ab. An einem Beispiel soll der Stand der Technik erläutert werden:
Mach wäremtechnischen Gesetzen wird ein PVC—Pulverkorn von 0,1 mm 0 in ca, 0,3 sek. voll durchplastifiziert, wenn es allseitig einerTemperatur von 165° ausgesetzt wird. Daraus folgt;,daß in 1 Std. 3 600/0,3 = 12 000 Ltr. PVC-Pulver pro Liter wirksamen Maschinenvolumens plastifiziert werden könnte, wenn jedes Pulverteilchen der zugemessenen Wärmeaufnahme ausgesetzt würde.
Wenn eine moderne Verarbeitungsmaschine, z.B. ein Planetwalzenextruder, bei einem inneren Plastifiziergehäusedurch— messer von 200 mm bei einer Länge von 500 mm einen verfügbaren Gesamtinnenraum von 16 Litern und abzüglich der Knetelemente (Sonnenwelle und Planetenwalzen) noch einen wirksamen freien Raum von 4 Litern besitzt und eine Durchsatzmenge von 1 000 Ltr»/h verarbeitet, beträgt sein spez· Durchsatzvolumen, bezogen auf den Gresamtinnenraum, 1 000/16 = 63 Ltr./Ltr.-Maschine, bezogen auf den wirksamen Innenraum, 1 000/4 = 250 Ltr·/Ltr. Maschine.
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Der Plastifizierwirkungsgrad des Maschinenvolumens ist dann, "bezogen auf den (xesamtinnenraum, 0,4 # und bezogen auf den wirksamen Innenraum, 1,5 ^. (Der Wirkungsgrad der Maschine in Bezug auf Antriebs- und Plastifizierleistung liegt logischerweise entschieden höher und soll hier nicht betrachtet werden).
Der niedrige Volumenwirkungsgrad von der im Beispiel herangezogenen und anderen Maschinen ist erklärlich, 1.) durch die Schwierigkeit, größere Kunststoffmassen gleichmäßig zu durchwärmen
2.) durch Begrenzung der Flußgeschwindigkeiten der Masse in den Durchlaufkanälen der Vorrichtungen zur Vermeidung von unzulänglichen Erwärmungen der Masse durch Wandreibungsarbeit.
Die Maßnahme, die Kunststoffmassenvoluminas bei dünn gehaltenen Masseschichten wärmeaufnahmefähiger zu machen, erfordert enge Bließkanäle und hohe Plastifiziert und Förderdrücke.
Zur Herabsetzung des Fließdruckes im Plastifizierteil zur Reduzierung der Wandreibungsarbeit sind Maßnahmen bekannt, die darin bestehen, daß die plastifizierte Masse einem getrennt angetriebenen Kompressionsteil zugeführt wird und in diesem bei vergrößertem Flußquerschnitt, also bei verminderter Flußgeschwindigkeit, erst auf den erforderlichen Ver— düsungsdruck gebracht wird. Der spez. Volumen-Plastifizierwirkungsgrad wird dabei jedoch nur maßig verbessert. Auch angewandte starre oder veränderliche Drosselstellen (Spaltbzw. Düsenverstellung) zur Einleitung eines günstigeren Massedruckes im Plastifizierteil haben keine wesentlichen Vorteile gebracht.
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Die Erfindung zeigt Wege, die eine überraschend hohe Verbesserung des spz. Volumen-Plastifiziergrades erkennen lassen. Ausgehend von dem~an-sich bekannten Verfahren, die zu verarbeitende Masse einem rotierenden Plastifizieraggregat zuzuführen, in diesem, vorranglich unter Anwendung von Reibungswärme, durch Mastifizieren zu plastifizieren und anschließend durch Kompressionselemente, z.B. Schnecken u. dgl., auf Verdüsungsdruck zu bringen, wird die Masse erfindungsgemäß unter Einhaltung von festliegenden physik^. Bedingungen und in Versuchsreihen ermittelten Grenzwerten im gesteuerten Dreizonenprinzip vom Rohstoff zum Strang bzw. Formteil verarbeitet, wobei die drei angelegten Zonen
1. Zuspeiseteil
2. Plastifizierteil
2. Kompressionsteil
jeweils für sich mit eigenen Regelantrieben ausgestattet sind und so eingeregelt werden können, daß der im Plastifi~ zierteil herrschende Druck, unabhängig vom jeweiligen Durchsatz, ohne Querschnittsveranderungen auf einen günstigsten Yiert eingestellt werden kann.
Der Zuspeiseteil und der Kompressionsteil sind so gestaltet und bemessen, daß bei max. Mengendurchsatz nur unerhebliche Reibungsverluste auftreten und keine wesentliche Veränderung der Massekonsistenz durch Wärmeeinfluß stattfindet. (Für den Transport und Druckaufbau von Kunststoffmassen sind theor. 0,01 KW/kg Masse für 100 atü erforderlich, während der theor0 Durchschnittswert zum DurehpiaStifizieren von Kunststoffmassen 0,1 KW/kg beträgt).
Der Plastifizierteil ist so gestaltet, daß er über Knetwerk-
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zeuge auf kurzer Strecke den Hauptanteil αer zugeiührten Energie (0,09 KW/kg) zur Verfügung hat.
Da im Zuspeiseteil und im Kompressionsteil lediglich Transportvorgänge und ein Druckaufbau stattfinden, können die angewandten Förderquerschnitte "beliebig groß, also für beliebig hohe Durchsatzmengen, ausgelegt werden. Der Durchlaufquerschnitt des Plastifizierteils und seine wirksame Länge können so gewählt werden, daß die für die Antriebsmaschine gewählte Energiegröße annähernd restlos für die Plastifizierleistung ausgenützt wird. Wie Versuche ergaben, kann ein Volumen-Plastifizierwirkungsgrad von fast gleicher Höhe des Plabtifizierwirkungsgraaes, z.B. 90 f°, erreicht werden.
Der erfindungsgemaß erreichbare hohe Plastifizierwirkungsgrad soll erst an untergeordneter Stelle in Bezug aui Betriebskosten betrachtet werden. Wesentlich bedeutungsvoller ist es, daß die Stoffmediumbegrenzung der Durchsatzmenge bei qualitativ anspruchsvoller Produktion fortfällt. Im einzelnen benutzt die Erfindung zur Durchführung des Verfahrens an sich bekannte Maschinenelemente, die jedoch durch besondere Gestaltung die Durchführung des Verfahrens ermöglichen·
und als Kompressionseinrichtung
Als Speiseeinrichtung kann eine !Förderschnecken-, vorzugsweise Mehrfachschneckenpumpe, die erfindungsgemaß im Durchmesser, in der Gangsteigung und im Gangquerschnitt so groß bemessen ist, daß auch bei kleinen Drehzahlen die max, gewünschte Durchsatzmenge an Masse transportiert wird, ohne daß schädliche Reibungswärme im Fördermedium auftritt, angewandt werden. Der Antrieb der Speisepumpe ist drehzahlgeregelt
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Der Plastifizierteil besteht aus einem Gehäuse, in dessen Innerem bekannte Kneielemente, z.B. Planetenwalzen mit glatten oder verzahnten Oberflächen, Reibzylinder, Reibkonen, Reibscheiben, Nocken, Schnecken oder andere Khet— organe als Rotor über einen drehzahlgeregelten Antrieb bewegt werden. Erfindungsgemäß ist der freie Durchflußquerschnitt zwischen G-ehäusewand und Knetwerkzeugen so bemssen, daß die stattfindende über Drehzahl gesteuerte Plastifizieracrbeit über die Knetelemente wesentlich größer ist, als die unkontrollierbare Reibungsarbeit beim Fließen der Masse durch das Plastifizieraggregat.
Die rotierenden Knetorgane sind so angeordnet, daß die ihnen zugeführte Masse vom Eingang bis zum Ausgang des Plastifizieraggregat es gleichmässig in Achsrichtung erfaßt, transportiert und mastifiziert wird, damit möglichst jedes Masse— teilchen mit gleicher Verweilzeit den Plastifizierteil durchfließen kann. Vorzugsweise erfolgt die Zu- und Abfuhr der Masse in Achsrichtung des Rotors, wobei Umlenkelemente bei Queranordnung von Speise- oaer Komperssionseinrichtung zur Achse des Rotors, z.B. Leitkörper, Wendeln udgi. vorgesehen sind.
Zur Kontrolle der eingeleiteten Plastifizierenergie, also zur Steuerungsmöglichkeit des Plastiiiziervorganges, In am Gehäuse des Aggregates oder in seinem Inneren eine oder mehrere Temperaturmeßstellen angebracht. Die im Plastifizierteil auftretende Temperatur ist die Steuerbasis für die Durchführung bzw, Binregelierung des Verfahrensablaufes.
Durch Abstimmung der Drehzahl der Zuspeiseeinrichtung zur Drehzahl der Kompressionseinrichtung kann - unabhängig von 309811/0929 - 7 -
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der jeweiligen Durchsatzmenge - in der Plastifizierzone ein bestimmter Massedruck eingeguliert werden, der über das vorliegende Differenzregexprinzip genau zu bemessen ist. Da die Gesamtdurchsatzmenge vom Eingang bis zum Ausgang der Vorrichtung logischerweise in den drei Zonen für einen jeweilig einregulierten Z ustand gleich groß ist, ergibt sich in der Mittelzone, also im Plastifizierteil, ein höherer Druck bei höherer Fordereinstellung der Zuspeisepumpe bzw. bei niedrigerer Einstellung der austragenden Kompressionspumpe. Durch entgegengesetzte Einstellung weist die Plastifizierzone umgekehrt eine Druckminderung auf. Mit Hilfe von an den verwendeten Schneckenpumpen vorgesehen geringfügigen Rückstromeffekten kann eine Feinsteinsteilung ausgeführt werden.
Je nach Verarbeitungsmedium kann die Druckeinstellung entweder von der Zuspeiseeinrichtung aus oder von der Kompressionseinrichtung aus erfolgen.
Ein zu hoher Druck im Plastifizieraggregat wird durch eine zu hohe Temperatur (zu viel Reibungswärme) und ein zu niedriger Druck durch eine zu niedrige Temperatur angezeigt, (Zu wenig Reibungswärme).
Der Vorteil dieser Regelmethode läßt es auch zu, daß auf bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen allgemein erforderliche Kühlmethoden zur Ableitung überschüssiger schädlicher Wärme, verzichtet werden kann. Eine Temperiereinrichtung ist zwar auch an der gefundenen Vorrichtung erforderlich und vorgesehen. Die Temperierung von außen erfolgt jedoch lediglich nur dann, wenn die Vorrichtung vor dem Anfahren auf Betriebstemperatur gebracht werden soll, bzw. dann, wenn
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eine kurziristige Umstellung des Temperaturprogrammes erforderlich ist.
Die Binregulierung von Plastifizierdruck bzw. Plastifiziertemrseratur über die Drehzahlregulierung der verschiedenen Zonen kann von Hand, aber auch über Regelgeräte automatisch erfolgen.
Zur einwandfreien Funktion des Verfahrens erfordern insbesondere die Speiseeinrichtung und die Kompressionseinrichtung erfindungsgemäße Maßnahmen, die über den Stand der Technik der angewandten Schneckenpumpen, die erfindungsgemäß lediglich den Transport und Druckaufbau von zugeführtem Rohstoff und abzuführender plastischer Masse bewerkstelligen sollen, hinausgehen. Vorzugs /eise werden Schraubenpumpen . mit jeweils zwei gegenläufig rotierenden Schnecken, deren Antriebswellen zum Antriebsende hin zur Schaffung von Platz für ausreichend zu bemessende Antriebselemente divergierend angeordnet sind. Die Schnecken besitzen im Hinblick darauf, daß sie lediglich als Transportpumpe wirken nur so viele Gewindegänge, wie zum gegenseitigen absperrenden Überschneiden der Gänge an der Füllstelle erforderlich sind. Die Schnecken sind daher sehr kurz, und eine geringe Konizität ihrer Außenstege ergibt bereits bei relativ kleiner, verdrehungsfester Wellenlänge reichlichen Platz iür die hoch beanspruchten Antriebselemente im Getriebe. Die kurze Bauart und geringe Konizität der Schnecken läßt es auch zu, daß die Schneckengänge im Gegensatz zu bekannte», konischen Schnecken mit divergierenden Achsen ohne Gangkompression ausgebildet werden können, d.h. die Schneckengänge können in Förderrichtung einen sich nicht verengenden
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Volumenquerschnitt erhalten. Die Schnecken können ohne Schwierigkeit mit einem gleichbleibenden, vorzugsweise aiich mit einem sich in Flußrichtung erweiternden Querschnitt hergestellt werüen. Bin sich verengender Querschnitt würde den erfindungsgemäßen Verfahrensabschnitt, nämlich das erforderliche rebungsarme Transportieren der Masse stören.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung beschrieben:
Pig.1 zeigt einen Längsschnitt A der Vorrichtung, bzw. teilweisen Querschnitt aus Fig.2.
Pig.2 zeigt einen Teilquerschnitt B aus Pig.1. In Pig,1 ist die Zuspeiseeinricntung 1 als Schraubenpumpe mit zwei divergierend angeordneten gegenläufig wirkenden Schnecken 2 uo5 - zur besseren Übersicht um 90° auf der Mittelachse 4 versetzt — gezeichnet.
Im Plastifizierteil 5 der Vorrichtung ist als Symbol für Knetwerkzeuge der Rotationskörper 6 mit aufgesetzten Knet— nocken 7 gezeichnet.·
Am Ausgang 8 des Plastifizierteiles 5 ist der Kompressionsteil 9 im Querschnitt A aus Pig·2 als Schraubenpumpe mit zwei gegenläufig wirkenden Schnecken 10 u.11 angeordnet. In Fig»2, als Teilschnitt B aus Fig.1, ist die Anordnung nochmals im Längsschnitt dargestellt.
In Fig.1 ist der durch Divergenz der Schneckenachsen 2 u.3 vergrößerte Achsenabstand 12 eingetragen. Diese gezeichnete Darstellung gilt auch für die ebenfalls divergierenden nicht in der Z eichnungsebene liegenden Achsen der Schnecken 10 u.
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Die Schnecken 2, 3, 10 u.11 sind mit jeweils drei Gewindegängen 13 gezeichnet. Die G-ewindekerne 14 sind zur Schneckenspitze 15 hin im Durchmesser stärker konisch verjüngt, als die äußeren Gewindestege 16. Der Gewindegangquerschnitt 17 "besitzt dadurch einen sich in Flußrichtung nicht verkleinernde Abmessung, vorzugsweise kann er sich vergrößernd ausgeführt v/erden.
Die Pumpe 1 wird über das Regelgetriebe 18, die Pumpe S 9 über das Regelgetriebe 19 und der Rotor 6 über das Regel— getriebe 20 angetrieben.
Der vergrößerte Achsenabstand 12 zwischen den Schnecken 2 u. 3, sowie 10 u.11 läßt den vergrößerten Raum für die Unterbringung der benötigten starken Getriebeelemente erkennen.
In Fig. 2 ist eine Verformungsdüse 21 für die Extrudierung eines Hohlkörperstranges angedeutet· Die zu vergerb ei t ende Rohstoffmasse wird dem Aufgsbetrichter zugeführt und von der Schraubenpumpe 1 durch den Raum 23, nach Umlenkung des Massestromes über die Schrägwand 24 und über die konische Stirnseite 25 des Rotors 6 in den Plastifizierteil 5 gepreßt und dort plastifiziert. Die plastifizierte Masse wird dann vom Ausgang 8 des Plastifizierteils der Schraubenpumpe 9 zugeleitet, und von dieser durch die Verformungsdüse 21 gedrückt.
Im Aufgabetrichter 22 können je nach Produktbeschaffenheit Vorverdichtungs- oder Auflockerungswerkzeuge, z.B. Rührarme, nocken oder Schneckengänge 26 angebracht sein, die in manchen Fällen eine günstigere Aufnahme der Masse von der Zubringereinrichtung 1 bewirken können. Diese Werkzeuge können
direkt auf den Achsen der Schnecken 2 u.3. angebracht sein; 309811/0929
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sie können aber auch einen eigenen Antri ebsmachani smus besitzen.
Am Plastifizierteil 5 ist eine Temperaturmeßstelle 27 markiert.
Die Anordnung der beschriebenen Zonen, Zuspeise- Plnstifizier- und Kompressionsteil, zu einander kann auch anders getroffen werden: Z.B. können die einzelnen Zonen zusammen oder aufgeteilt auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sein.
Zur Durchführung des Veriahrens kann es in manchen Fallen auch ausreichen, wenn nur eine oder zwei Zonen einen getrennt regelbaren Antrieb besitzen, um den Plastifizierdruck auf einen erforderlichen Viert zu bringen. "Wesentlich ist, daß über verschiedene Drehzahlen zwischen dem Pia. tifizierteil und einer oder mehreren vor— und nachgeschalteten Fördereinrichtungen eine Druckregelung im Plastifizierteil ausgeführt v/erden kann.
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Claims (1)

  1. 2H3923
    — ja-·
    Patentansprüche
    / 1.!Verfahren zur Verformung von Thermoplast—Rohstoffen und ähnlichen Massen über rotierende Maptifizierwerkzeuge wie Schnecken, Walzen u.dgl., bei dem die zu verarbeitende Masse über eine regelbar angetriebene Fördereinrichtung, z.B. Schnecke u.dglo, einer Plastifiziereinrichtung, die vorranglich unter Ausnutzung der Enetreibungswärme wirkt, zugeführt, und die plastifizierte Masse anschließend von einer weiteren Fördereinrichtung, z.B. Schnecken u.dgl., so komprimiert wird, daß sie zu Strängen oder Formteilen verpiäSt werden kann, dadurch gekennzeich net, daß der Rohstoff über eine lediglich für Transportzwecke und Druckaufbau bemessene möglichst reibungsarm wirkende Fördereinrichtung in einen getrennt angetriebenen Plastifizierteil gedruckt wird, in diesem über Khetarbeit erwärmt und plastifiziert wird, und die entstandene plastische Masse über eine wiederum lediglich für Transportzweck und Druckaufbau bemessene möglichst reibungsarm wirkende-Fördereinrichtung + auf einen gewünschten Verdüsungsaruck komprimiert wird, wobei der erforderliche, die günstigste Verarbeitungstemperatur bestimmende günstigste Plastifizierdruck, kontrolliert von der im Plastifizierteil gemessenen Temperatur, über Fördermengenregulierung vor 4ja* hinter dem Plastifizierzone über -ädbe- Differenzdrehzahlregulierung zwischen Züspeiseeinrichtung ■«■»&- Kompressionseinrichtung"einreguliert wird.
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    Voriächtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, "bestehend aus einer getrennt regelbar angeordneten Zuspeiseeinrichtung,~~ einem über vorwiegend über Reibungsarbeit wirkenden getrennt regelbar angeordneten Plastifizierteil, mit nach-
    /Jt-υ. i erfolgend vorgesehener "getrennt regelbaren Kompressionseinrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß die Zuspeiseeinrichtung ■ und die Kompressionseinrichtung größen- und antriebsmäßig im FörderMSnitt und der Drehzahl so bemessen sind, daß lediglich reibungsarme Transporteffekte und ein Druckaufbau vorhanden sind.
    3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plastifiziereinrichtung einen so großen Durchgangsquerschnitt aufweist, daß der maßgebende Energieanteil für Plastifizierarbeit unabhängig von Durchflußwiderständen praktisch lediglich durch die Bewegung von Knetwerkzeugen zur Wirkung gelangt.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Plastifizierteil (5) eine Plastifizierdruck-Konfcrolleinrichtung, beispielsweise in Form einer Temperaturmeßstelle (27) angeordnet ist.
    5· Vorrichtung nach Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseeinrichtung £1) und die Kompressions— einrichtung (9) aus Mehrfachschneckenpumpen bestehen.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenschnecken mit ihren Achsen (2), (3),
    (10) u· (11) ganz oder teilweise zum Antriebsende hin 30981 1/0929
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    2H3923
    in an sich bekannter Weise, divergierend angeordnet sind, jedoch trotz der dabei vorhandenen Schneckenkonizität einen in Flußrichtung sich nicht verengenden, vorzugsweise einen sich erweiternden G-angförderquerschnitt (17) aufweisen·
    7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die G-angförderquerschnitte (t7) so groß "bemessen sind, daß der Anteil von Wandreibungswärme, der auf das transportierte Medium wirkt, für praktischen Gebrauch unwesentlich ist.
    8· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Plastifizierteil (5) ein an sich bekanntes Planetwalzenaggregat als Knetwerkzeug (6) angeordnet ist.
    309811/0929
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