DE2317617A1 - Mehrschneckenextruder - Google Patents

Description

Krauss-Maffei TK 183

Aktiengesellschaft
8 München 50

Mehrschneckenextruder

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrschneckenextruder für thermoplastische Kunststoffe, mit einer großen Zentralschnecke sowie in kämmendem Eingriff mit und achsparallel zu dieser auf deren Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten Nebenschnecken, die in festem übersetzungsverhältnis zu der Zentralschnecke angetrieben sind.

Bekannt sind bereits Extruder die nach dem gegenläufigen Doppelschneckensystem arbeiten. Solche Extruder haben als Plastifiziereinheit einen Zylinder mit zwei parallelen, miteinander verschnittenen Bohrungen kreisförmigen Querschnittes, in denen Förder- bzw. Plastifizierschnecken im gegenläufigen Sinn angetrieben bei gleicher Drehzahl laufen. In bezug auf die Gänge jeder Schnecke bilden die Stege der anderen Schnecke sperrende Kämme, so daß das Fördergut in mehreren getrennten C-förmigen Kammern eingeschlossen ist. Die Kammern jeder Schnecke stehen miteinander bzw. mit den Kammern der zweiten Schnecke über den Walzen- und Flankenspalt in Verbindung. Der Walzenspalt, d.h. der Spalt zwischen der Stegaußenfläche der einen und dem Kern der

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anderen Schnecke, wird durch den Schneckenaußendurchmesser, Kerndurchmesser und Achsabstand der Schnecken bestimmt. Der Flankenspalt, d.h. der Spalt zwischen den sich aneinander vorbeidrehenden Stegflanken, ist durch die Schneckengeometrie festgelegt.

Es ist weiterhin bekannt, daß mehrere Schnecken mit einer gemeinsamen zentralen Schnecke kämmen. Dabei gilt es als besonders vorteilhaft, wenn die zwangsläufig angetriebenen Nebenschneeken achsparallel gleichmäßig über den Umfang der Zentralschnecke verteilt angeordnet sind. Die gegenläufigen Schnecken bilden im Zusammenlauf einen Zwickel, in dem der thermoplastische Kunststoff geschert, gewalkt und geknetet wird.

Der Vorteil des MehrSchneckenextruders liegt darin, daß große Maschinen nicht wie beim Doppelschneckenextruder auch Schnecken mit größerem Durchmesser aufweisen, sondern daß mit der Größe des Extruders nur die Zentralschnecke im Durchmesser vergrößert wird und-die Anzahl der Nebenschnecken steigt, so daß mit der Anzahl der Nebenschnecken auch die Anzahl der Arbeitszwickel zunimmt und das Volumen der Kammern annähernd gleich bleibt, so daß der wärmeempfindliche Kunststoff, der durchwegs als schlechter Wärmeleiter bekannt ist, gleichmäßig mit geringen Wärmestufen aufgeschmolzen wird.

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.bin solcher Mehrschneckenextruder bedingt, daß der mittlere Gangdurchmesser der Nebenschnecken gleich dem durch die Anzahl der Nebenschnecken geteilten mittleren Gangdurchmesser der Zentralschnecke ist. Dabei muß sich die Anzahl der Gänge und deren Steigung umgekehrt zu den Drehzahlen verhalten und zwar bei gleichen Gangformen. Dadurch wird ein mehr oder weniger starres Größenverhältnis der Schnecken zueinander erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gleichmäßige Plastifizierung und Abgabe des thermoplastischen Kunststoffes in der Zentralschnecke und in den Nebenschnecken zu , ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Erzielen einer Kunststoffschmelze gleicher Temperatur an den Austrittsstellen aller Schnecken diese Schnecken mit einander gleicher Umfangsgeschwindigkeit angetrieben werden und die Zentralschnecke ein vergrößertes Volumen der Materialgänge und die Nebenschnecken im wesentlichen entsprechend verkleinerte Volumen der Materialgänge aufweisen. Ein weiteres Erfindungsmerkmal ist gekennzeichnet durch mindestens eines der Merkmale

a) die Breiten der Materialgänge der Zentralschnecke und · der Nebenschnecke sind unterschiedlich groß gestaltet,

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b) die Breitenformen (Flankenspaltbegrenzungen) der Materialgänge der Zentralschnecke und der Nebenschnecken, sind unterschiedlich gestaltet,

vorzugsweise kombiniert mit dem Merkmal

c) die Walzenspalte der Zentralschnecke und der Nebenschnecke sind unterschiedlich groß gestaltet.

Ein wesentliches Erfindungsmerkmal besteht außerdem darin„ daß das Verhältnis der Materialgangbreiten der Nebenschnekken und der Zentralschnecke im wesentlichen umgekehrt proportional ist dem Verhältnis ihrer Ringflächen. Dabei kann die Breite der Materialgänge der Zentralschnecks etwa bis 20 % kleiner als die der Nebenschnecken sein« Ein besonderes Merkmal der Erfindung besteht noch darin/ daß bei gleichen oder ungleichen Breiten der Materialgänge der Nebenschnecken und der Zentralschnecke ein Walzenspalt, z.B. zwischen dem .Kerndurchmesser der Zentralschnecke und dem Äußendurchmesser der Nebenschnecke? bis zu 50 % größer ist als der andere Walzenspalt. Ferner ist ein erfindungsgemäßes Merkmal noch dadurch gegeben,, daß der Flankenspalt außerhalb des Teilkreisdurchmessers der Nebenschnecken bzw. der Zentralschnecke breiter ausgebildet ist als innerhalb des Teilkreisdurchmessers. Schließlich besteht ein Erfindungsmerkmal noch darin, daß der Außendurchmesser einer jeden Nebenschnecke gleich dem durch deren Anzahl geteilten Äußendurchmesser der Zentralschnecke ist.

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Mit dem erfindungsgemäßen Mehrschneckenextruder wird bei der Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen mit unterschiedlicher Viskosität und unterschiedlichem Fließverhalten ein möglichst genaues Verhältnis des Leistungsumsatzes (Wärmeenergie) zu dem Mengendurchsatz (Ausstoß) erreicht, das im Idealzustand in der Zentralschnecke und in den Nebenschnecken gleich sein muß. Eine weitgehende Annäherung an diesen Verhältniswert wird dadurch gefördert, daß aie in der Zeiteinheit in axialer Richtung bewegten Materialvolumen in den Materialgängen jeweils einer Nebenschnecke in- und außerhalb ihres kämmenden Bereichsteiles (Zwickel) mit der Zentralschnecke und in den Materialgängen der Zentralschnecke im vorerwähnten kämmenden Bereichsteil derselben sowie zwischen der einen und der vorangehenden Nebenschnecke im wesentlichen gleich groß sind.

Die Erwärmung durch die Stahl auf Stahl-Reibung zwischen den Nebenschnecken und deren Zylindern kann aufgrund des möglichen Ausgleichs des Seitendruckes in der Zentralschnecke vermieden werden. Die Nichterwärmung bzw. Erwärmung muß dann zum Erhalten des ausgeglichenen Wärmehaushaltes durch Verminderung des axialen Materialvorschubes in der Zentralschnecke und durch Erhöhung des axialen Materialvorschubes in den Nebenschnecken ausgeglichen werden. Das Volumen der Zentralschnecke und der Nebenschnecke wird am leichtesten mit einer Gangsteg- und Materialgangbreiten-

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veränderung zueinander abgestimmt. Die Steigung ist von Drehzahl bzw. Gangzahl pro Steigung und der Durchmesser von der gleichen Schergeschwindigkeit bestimmt.

Die vorstehenden Hinweise zu einer harmonischen Durchfuhr des Fördergutes durch einen Mehrschneckenextruder gegenüber den dabei auftretenden Kräften beruhen auf der Annahme, daß Steigung und Gangzahl der Nebenschnecken multipliziert mit deren Anzahl gleich Steigung und Gangzahl der Zentralschnecke ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung im Grundsuge dargestellt und zwar zeigen

Fig.l den Querschnitt eines Mehrschneckenextruders zur Herstellung von Rohren,

Fig.2 den Mehrschneckenextruder nach Fig_ol im Längsmittelschnitt, mit einem in der hohl ausgebildeten Zentralschnecke durchgehend gelagerten und verankerten Kalibrierdorn, der zusammen mit dem Düsenkanal ein Ausformwerkzeug bildet,

Fig.3 den wesentlichen Teil eines.zwei Nebenschnecken umfassenden Sektors des Mehrschneckenextruders nach den Fig.l und 2 in größerem Maßstab,

Fig.4 und 5 die Flanken- und Walzenspalte zwischen nicht

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dichtkämmenden Schnecken gleich breiter und ungleich breiter Materialgänge im Bereich des Eingriffswinkels einer Nebenschnecke in die Zentralschnecke nach den Fig.l und 2 in ebenfalls größerem Maßstab, wobei die Mittel- oder Teilkreisdurchmesser als strichpunktierte' gerade Linien dargestellt sind und

Fig. 6 eine in die Zeichnungsebene übertragene vergrößerte Darstellung eines Materialganges einer Nebenschnecke in- und außerhalb des kämmenden Bereiches mit der Zentralschnecke und den auf diese Nebenschnecke hinarbeitenden Teil eines Materialganges der Zentralschnecke in- und außerhalb desselben kämmenden Bereiches,

Der Mehrschneckenextruder (Fig.l bis 5) besteht im wesentlichen aus der Zentralschnecke 1 und vier Nebenschnecken 2. Eine jede Nebenschnecke ist zur nächsten um 90° versetzt angeordnet. Dabei liegt ein jeder Materialgang 14 (schraffiert in Fig.6) jeder Nebenschnecke 2 jeweils in- und außerhalb eines Eingriffszwickels 4 mit der Zentralschnecke.

In einen jeden solchen Eingriffszwickel greift auch die Materialdurchgangskammer Iß (schraffiert in Fig.6) der Zentralschnecke 1 ein.

Das Fördergut, das sich in den abgegrenzten Materialgängen 14,15 befindet, wird durch den jeweils von der Zentralschnecke

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und einer Nebenschnecke 2 gebildeten Spalt zum Teil durchgezogen und zum Teil in axialer Richtung vorgeschoben bzw. ausgestoßen. Der Teil des Fördergutes,, der bei einer Umdrehung einer Nebenschnecke 2 je Schneckengang vorgeschoben bzw« ausgestoßen wird, ergibt, dividiert durch das gesamte im Schnekkengang stehende Fördergut,- den Förderwirkungsgrad. Die Erwärmung des thermoplastischen Kunststoffes nimmt bei gleichen Volumen und Förderwirkungsgraden der Materialgänge in der Zentralschnecke und in den Nebenschnecken gleichmäßig zu, wenn der durch Scherung, Friktion und Durchfließen bedingte Energieumsatz ebenfalls gleich ist.

Das Fördergut der Materialgänge 14 und 15 (Fig.4 _p 5„6) trifft sich an der Stoßlinie der Gesamtspaltflächen 8 und 9» Dabei wird ein guter Material- und Druckausgleich dann erreicht, wenn diese Stoßlinie mit der Mittel- oder Teilkreisdurchmesserlinie 7 (Fig.3)' übereinstimmt. Diese Übereinstimmung wird durch eine zweckentsprechende Wahl der Größe der GEsamtspaltflachen 8 und 9 erreicht ' (Fig.4).

In Fig.4 kennzeichnet die innerhalb der Mittel- oder Teilkreisdurchmesserlinie 7 liegende Gesamtspaltfläche 8 den Durchgang (Teil des Materialganges 14) für das Fördergut einer Webenschnecke 2 innerhalb eines kämmenden Eingriffsbereiches (Zwickels 4) zwischen der Zentralschnecke und einer Nebenschnecke. Demgegenüber bezeichnet die außerhalb

der Mittel- oder Teilkreisdurchmesserlinie 7 gegebene Gesamtspaltfläche 9 den Durchgang (Teil des Materialganges 15) für aas Fördergut der Zentralschnecke 1 innerhalb desselben kämmenden Eingriffsbereiches (Zwickels 4).

Das harmonische Volumen- und Strömungswiderstandsverhältnis kann erreicht werden durch das Variieren der Volumen der Materialgänge und/oder der Gesamtspaltflächen 8 und 9 von Zentralschnecke 1 und Nebenschnecken 2. Ein jedes Volumen ist bei jeder fertigen Schnecke (Zentral- und Nebenschnecke 1,2) durch den Durchmesser, die Gangtiefe, die Steigung und die Verteilung von Schneckensteg- und Materialgangbreite festgelegt und kann deshalb zumindest bei der Neufertigung eines Mehrschneckenextruders erhöht oder vermindert werden.

Der Strömungswiderstand kann z.B. im Eingriffszwickel von Neben- unct Zentralschnecke 1 durch Erweiterungen (Fig.4 und 5) des Flanken(10,100)-und/oder Walzenspaltes 13,130, d.h. der Gesamtspaltflächen 8,9 im Bereich der Zwickel 4, verändert werden. Diese Veränderungen können bei Zentral- und Nebenschnekken 1,2 nach Fig.4 mit gleicher Materialgangbreite und aber auch bei Zentral- und Nebenschnecken 1,2 nach Fig.5 mit un-

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gleicher Materialgangbreite/bewirkt werden. Eine Erweiterung 100 des Flankenspaltes 10 hat allein oder zusammen mit einer Erweiterung 130 des fcalzenspaltes 13 einen größeren radialen Materialumlauf zur Folge. Die Erweiterung 100 des planken-

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spaltes 10 an der Nebenschnecke allein, unter Belassung der üblichen Gangtiefe, also bei NichtVeränderung des Walzenspaltes 13, hat eine doppelte Wirkung, weil sie eine Verringerung des Förderv/irkungsgrades der Zentralschnecke 1 und eine Vergrößerung des bewegten Materialdurchgangsvolumens der jeweiligen Nebenschnecke bewirkt. Eine entsprechende Veränderung des Förderwirkuhgsgrades von Nebenschnecke 2 und Zentralschnecke 1 tritt ein, wenn der Walzenspalt 13 der Zentralschnecke 1 oder der Nebenschnecken 2 eine Erweiterung 130 erfährt. Abändernd zur in den Fig.4 und 5 gezeigten Form der Erweiterung 100 des Flankenspaltes kann diese Erweiterung z.B. auch die Form einer vom Teilkreisbereich ausgehenden, die äußere Breite des Gangsteges schmaler machenden, Abschrägung erhalten.

Einzeln oder kombiniert mit Erweiterungen 100,130 der Flanken- und kalzenspalte 10,13 im vorliegend erläuterten Sinne können sehr wirksame und günstige Veränderungen der Förderwirkungsgrade der Zentralschnecke und der Nebenschnecken und der Haterialdurchgangsvolumen von Zentralschnecke und Nebenschnecken zur Zentralschnecke 1 und zu den Nebenschnecken 2 auch durch das Ausbilden breiterer Gangstege 12 (Fig.5) der Zentralschnecke 1 und zugleich schmalerer Gangstege 11 der Nebenschnecken 2 erreicht werden.

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. ?. in solcher Weise mit unterschiedlich breiten Gangstegen ur Materialgängen ausgebildeten Zentral- und Nebenschnecken

i. , das im Sinne der Aufgabenstellung harmonische Verhältnis

■v^riaLganc,-

"?i::en aer Nebenschnecken und der Zentralschnecke im

i; liehen dem Verhältnis ihrer Ringflächen umgekehrt pro- _L -tional. «.abei kann die breite der Materialgänge der Zentralst «cke bis etwa 20 % kleiner sein als diejenige der Neben-,,.eckeii. Der erweiterte Walzenspalt kann bis etwa zu

50 '-6 größer sein als der nichterweiterte z.B. normal ge-

51 'z.cete \ii*"izenspalt.

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Claims (7)

Patentansprüche

1.J Mehrschneckenextruder für thermoplastische Kunststoffe, mit einer großen Zentralschnecke sowie in kämmendem Eingriff mit unä achsparallel zu dieser auf deren Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten Nebenschnecken, die in festem übersetzungsverhältnis zu der Zentralschnecke angetrieben sind, dadurch gekennzeichnet„ daß zum Erzielen einer Kunststoffschmelze gleicher Temperatur an den Äustrittsstellen aller Schnecken "(1,2) diese Schnecken mit einander gleicher Umfangsgeschwindigkeit angetrieben werden und die Zentralschnecke (1) ein vergrößertes Volumen der Materialgänge (15) und die Nebenschnecken (2) im wesentlichen entsprechend verkleinerte Volumen der Materialgänge (14) aufweisen»

2. Mehrschneckenextruder nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eines der Merkmale

a) die Breiten (110,120) der Materialgänge der Zentralschnecke (1) und der Nebenschnecke (2) sind unterschiedlich groß gestaltet,

b) die Breitenformen (Flankenspalte 10,100) der Materialgänge der Zentralschnecke (1) und der Nebenschnecken (2) sind unterschiedlich gestaltet,

vorzugsweise kombiniert mit dem Merkmal

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c) die Walzenspalte (13,130) der Zentralschnecke (1) und der ftebenschnecke (2) sind unterschiedlich groß gestaltet.

3. Mehrschneckenextruder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ daß das Verhältnis der Materialgangbreiten der iiebenschnecken (2) und der Zentral schnecke (1) im wesentlichen umgekehrt proportional ist dem Verhältnis ihrer Ringflächen.

4. Mehrschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite aer Materialgänge der Zentralschnecke etwa bis 20 % kleiner ist als die der Nebenschnecken.

5. Mehrschneckenextruder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichen oder ungleichen Breiten der Materialgänge der Nebenschnecken (2) und der Sentralschnecke (1) ein Walzenspalt (130), z.B. zwischen dem Kerndurchmesser der Zentralschnecke und dem Außendurchraessor der Nebenschnecke bis zu 50 % größer ist als der andere Walzenspalt (13).

6. Mehrschneckenextruder nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flankenspalt (10,100) außerhalb des Teilkreisdurchmessers der Nebenschnecken (2)

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bzw. der Zentralschnecke (1) breiter (100) ausgebildet ist als innerhalb des Teilkreisdurchmessers.

7. Mehrschneckenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser einer jeden Nebenschnecke (2) gleich dem durch deren Anzahl
geteilten Außendurchmesser der Z en tr al schnecke (1) ist.

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