DE2324133A1 - Aussenkalibrieren von extrudierten hohlprofilen aus thermoplastischem kunststoff - Google Patents

Aussenkalibrieren von extrudierten hohlprofilen aus thermoplastischem kunststoff

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Description

Aktenzeichen - HOE 73/F 125
Datum: ίο. Mai 1973 - DPh,HS/sch
Außenkalibrieren von extrudierten Hohlprofilen aus thermoplastischem Kunststoff
Die Erfindung betrifft das Außenkalibrieren von extrudierten Hohlprofilen aus thermoplastischem Kunststoff nach der Überdruckmethode, insbesondere von großdimensionierten Hohlprofilen mit großer Wanddicke.
Das Herstellen von kalibrierten Hohlproiilen aus thei'moplastischem Kunststoff kann man als einen dreistufigen Prozess auffassen. Die erste Stufe umfaßt das Plastifizieren des granulat- oder pulverförraigen Aufgabegutes und das Extrudieren der homogenen Schmelze durch ein Werkzeug mit Profildüse, die zweite das Kalibrieren des Profilquerschnitts unter Abziehen und Kühlen, die dritte schließlich das Nachkühlen und. Y/ickeln oder Ablängen des Erzeugnisses, Unter Kalibrieren versteht man dabei das Dimensionieren des extrudierten Hohlprofils auf den gewünschten Querschnitt mit vorgegebenen Abmessungen und Toleranzen. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen dem Außenkalibrieren und dem Innenkalibrieren von Hohlprofilen. Beim Außenkalibrieren wird darüberhinaus zwischen der Überdruckmethode und der Vakuum- oder Unterdruckmethode unterschieden. Bei der Überdruckmethode, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, wird in das Hohlprofil, das in einem gewissen Abstand vom Werkzeug verschlossen ist, durch den Werkzeugdorn Luft oder ein anderes Gas mit Überdruck eingeleitet. Für den Verschluß des Profilhohlraumes kann man dazu einen Schleppstopfen, der mittels einer Kette oder Stange am Werkzeugdorn
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befestigt ist, verwenden. Der Überdruck im Profilhohlraum preßt die Profilwandung an die äußere, gekühlte Kalibriervorrichtung« Das hindurchgezogene Hohlprofil muß darin durch Wärmeaustausch soweit gekühlt werden, daß das anschließende Nachkühlen und Wickeln oder Ablängen ohne'Deformationen erfolgt.
Eine ausschließliche Außenkühlung beim Außenkalibrieren wird vorwiegend bei dünnwandigen Hohlprofilen angewandt. Mit zunehmender Profilwanddicke, das heißt, mit größer werdendem Wärmeinhalt des Extrudats je Oberflächeneinheit, wird es immer schwieriger, die Wärme hinreichend schnell auszutauschen, um zu wirtschaftlichen Abzugsgeschwindigkeiten zu gelangen. Wegen der mit der Länge der Kalibriervorrichtung und dem inneren überdruck zunehmenden Wandreibung sind dem Wärmeaustausch über diese Vorrichtung gev/isse Grenzen gesetzt. Darüberhinaus ist bekannt, daß das ausschließliche Außenkühlen zu unerwünschten Eigenspannungen führt, die mit der Wanddicke des Hohlprofils größer werden. Diese Eigenspannungen können nachträgliche Verwerfungen verursachen oder eine Beeinträchtigung gewisser Festigkeitseigenschaften bedingen. Bei säuerst off halt igen Gasen kann der Wärmestau im Profilhohlraum ferner eine thermisch-oxydative Schädigung der inneren Profilgrenzschicht verursachen, die nach den Gesetzen der Reaktionskinetik mit steigendem Druck und steigender Temperatur schneller erfolgt.Diese oxydative Schädigung beeinträchtigt ebenfalls die Qualität;bei Wasserleitungsrohren kann sie die geschmack liehe Beeinträchtigung des Trinkwassers verursachen. Beim Herstellen von dickwandigen Hohlprofilen wird daher auch von innen gekühlt. Das flüssige oder gasförmige Kühlmedium wird ebenfalls durch den Werkzeugdorn in den Profilhohlraum eingeleitet und in diesem gegebenenfalls versprüht oder zerstäubt.
Bei der Verwendung eines gasförmigen Kühlmediums zum Innenkühlen wird das Hohlprofil mit einem Schleppstopfen mit regelbarem Überdruckventil verschlossen. Mit Hilfe dieser Drosselstelle kann man das Hohlprofil innen mit strömendem Gas kühlen und eine thermischoxydative Schädigung vermeiden. Da die spezifische Wärmekapazität von Gasen, verglichen mit der von Kunststof!schmelzen, sehr klein
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ist, werden dazu große Mengen Kühlgas benötigt. Bei der ausschließlichen Verwendung von gasförmigen Kühlmedien war es daher bislang nicht möglich, großdimensionierte Hohlprofile mit großer Wanddicke wirtschaftlich herzustellen.
Mit Hilfe von flüssigen Kühlmedien kann die Innenkühlung von extrudierten Hohlprofilen intensiviert werden. Auch die Kühlflüssigkeiten werden durch den Werkzeugdorn in den Profilhohlraura eingeleitet und in diesem, in hinreichendem Abstand vom heißen Werkzeugende, versprüht oder zerstäubt. Im Interesse einer gleichmäßigen Abkühlung muß dabei die Profilwandung innen über eine hinreichend lange Strecke von der Kühlflüssigkeit gleichmäßig benetzt werden. Dazu ist beim Außenkalibrieren ein geeignetes Sprühsystem oder die Füllung des Profilhohlraumcs mit Kühlflüssigkeit erforderlich. Beide Maßnahmen verursachen bei der Überdruckmethode gewisse Schwierigkeiten, zu denen bei großdiraensionierten HohlproXilen auch das Eigengewicht des Kühlmittelballastes zählt, durch den sich am Hohlprofil unei'wtinschte Querschnittsdeformationen ergeben können. Aus diesen Gründen ist auch beim Innenkühlen mit flüssigen Kühlmedien die wirtschaftliche Herstellung von großdimensionierten Hohlprofilen mit großer Wanddicke beeinträchtigt.
Es bestand daher die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von extrudierten, nach der Überdruckmethode außenkalibrierten Hohlprofilen aus thermoplastischem Kunststoff zu entwickeln.
Es wurde gefunden, daß beim Außenkalibrieren von extrudierten Hohlprofilen aus thermoplastischem Kunststoff nach der Überdruckmethode die beschriebenen Schwierigkeiten dadurch vermieden werden, daß man zur Innendruckerzeugung und zum Kühlen ein chemisch inertes Flüssiggas mit einer kritischen Temperatur zwischen -150 und 35°C im Hohlraum des Hohlprofils verdampft. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, auch die äußere Kalibriervorrichtung mit Flüssiggas zu kühlen.
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Als geeignetes Flüssiggas kommen Stickstoff, Kohlendioxid sowie Trichlorfluorinethan, Dif luordicliloriaethan und andere aliphatisch^ Halogenkohlenwasserstoffe in Betracht. Vergleichsversuche haben gezeigt, daß insbesondere flüssiger Stickstoff (kritische Temperatur -147,1°C, kritischer Druck 33,5 atm) vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren ist.
Die Verwendung von Flüssiggas für Kühlzwecke ist an sich nicht neu; sie ist auch bereits für die Verarbeitung von thermoplastischem Kunststoff zu Hohlkörpern und Schlauchfolien vorgeschlagen worden. Es war jedoch nicht vorauszusehen, daß man durch die Verwendung von Flüssiggas auch großdimensionierte Hohlprofile mit großer V/anddicke wirtschaftlich herstellen kann, Geblasene Hohlkörpex* werden in einem geschlossenen Werkzeug gekühlt. Dabei ist es üblich, mit. γ-esentlich höherem Überdruck zu blasen und zu kühlen. Es komi?t hi.nx.ut daß beim Blasformen von Kohlkörpern der Überdruck vor dem Öffnen des Blaswerkzeugs vollständig abgelassen wird. Die dabei gewonnenen Erfahrungen können nicht auf ein Verfahren übertragen v;erdea, bei dsm der Überdruck durch die Wfuidreibung begrenzt wird, mit der das Extrudat durch die an beiden Stirnflächen offene Kalibriervorrichtung gezogen werden kann. Auch die besonderen Kühlprobleme beim Extrudieren von dünnwandigen Schlauchfolien, die einen vergleichsweise sehr kleinen Wärmeiühalt je Oberflächeneinheit haben, lassen sich nicht auf das Außenkalibrieren dickwandiger Hohlprofile übertragen. Sofern bei der SchiauchiOlienherstellung überhaupt eine äußere Kalibriervorrichtung vorgesehen wird, ist sie so kurz, daß keine störende Wandreibung auftritt.
Es hat sich gezeigt, daß man durch das erfindungsgemäße Verfahren gleichseitig mehrere, verfahrenstechnisch wichtige Vorteile erreicht. Durch das Verdampfen des Flüssiggases wird im Px'ofilhohlraum, der durch den bereits beschriebenen Schleppstopfen mit Überdruckventil verschlossen ist, der erforderliehe Überdruck erzielt. Zum Verdampfen und Erwärmen des inerten Gases wird der Profilwandung innen schnell Viarme entzogen. Das Inertgas verhindert forner eine oxydative Schädigung« Schließlich werden auch
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die Schwierigkeiten vermieden, die sich bei Kühlflüssigkeiten durch deren Eigengewicht ergeben.
Das Flüssiggas wird aus einem Kühltank mittels einer isolierten Rohrleitung durch den Werkzeugdorn geführt und im Profilhohlraum durch eine Lanze oder mehrere Düsen versprüht. Dadurch ist sichergestellt, daß die innere Profiloberfläche nicht von der sehr kalten Flüssigkeit benetzt wird. Das Flüssiggas kann durch den im Tank herrschenden Überdruck oder durch eine Dosierpumpe in den Profilhohli'auin. gefördert werden, wobei die in der Zeiteinheit benötigte Menge durch ein Meßgerät gesteuert wird. Auch die äußere Kalibriervorrichtung kann man so mit Flüssiggas beschicken und kühlen. Das Überdruckventil im Schleppstopfen ist so einzustellen, daß im Profi!hohlraum ein Überdruck von etwa 0,4 bis 0,8 atü aufrechterhalten wird. Bei dei' Verwendung von flüssigem Stickstoff zur Innenkühlung von extrudierten Gx^oßrohren aus Polyäthylen hoher Dichte wird et v/a 1 kg Flüssiggas je kg Extrudat benötigt. Der Bedarf an anderen Flüssiggasen kann damit über das Verhältnis de?." spezifischen Verdarnpfxingswäriuen und der Flüssiggasbedarf für andere Kunststoffschmelzen mit Hilfe der bekannten Enthalpiediagramme abgeschätzt werden.
Um ein besonders großes Gasvolumen zu erzeugen, oder um mit niedrigen Kosten zu produzieren, kann man zum Flüssiggas zusätzlich komprimiertes Gas, beispielsweise Luft oder ein Inertgas, verwenden, das man gegebenenfalls durch eine Ringleitung aus dem verwendeten Flüssiggas gewinnt. Man kann das Flüssiggas in einem am Werkzeugende befestigten Radiator, der eine durch Lamellen vergrößerte Oberfläche aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweisen sollte, verdampfen. Der so gekühlte Radiator kann außen durch das komprimierte Gas angeblasen werden, das sich dabei abkühlt und sich anschließend mit dem aus dem Radiator in den Profilhohlraum entweichenden, verdampften Flüssiggas mischt. Der Wärmetausch zwischen dem kalten Gasgemisch und der heißen Schmelze erfolgt dabei ausschließlich durch Konvektion.
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Eine andere Möglichkeit zur Intensivierung der Innenkühlung besteht darin, am Werkzeugdorn befestigt Kühlsegmente vorzusehen, die mit verdampfendem Flüssiggas gekühlt v/erden. Die Kühlfläche dieser Segmente, die aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen sollte, wird dabei federnd an die innere Profilobex-flache gedrückt. Hiex-bei erfolgt der Wärmeaustausch, wie bei der äußeren Kalibriervorrichtung, durch Wärmeleitung. Die Kühlsegmente können so gestaltet werden, daß die Kühlfläche durch den Gasdruck des verdampfenden Flüssiggases an die innere Profiloberfläche gedrückt wird, bevor das Gas in den Profilhohlraum entweicht und dort eine zusätzliche Kühlung und den erforderlichen Innendruck bewirkt. Im Interesse einer geringen Wandreibung sollte die Kühlfläche dieser Segmente poliert sein. Um Markierungen zu vermeiden ist es zweckmäßig, die Ecken und Kanten diesel' Kühlflächen abzurunden, beziehungsweise die Kühlflächen leicht zu wölben. Es ist ferner darauf zu achten, daß die gesamte Innenoberfläche des abgezogenen Hohlprofils Kontakt mit den Kühlsegmenten erhält.
In den Figuren 1 bis 3 ist das ex-findungs gemäße Verfahren in den drei beschriebenen Varianten scheiaatisch dargestellt. Fig, I veranschaulicht die Innenkühlung durch Verdüsen des Flüssiggases mit Hilfe einer am Werkzeugdorn befestigten Lanze. Fig. 2 zeigt die Innenkühlung mit Hilfe von Kühlsegmenten, deren Kühlfläche durch den Gasdruck an die innere Profiloberflache gedx'ückt wird. Fig. 3 iseigt die Innenkühlung mit Hilfe eines Radiators, der außen siit komprimiertes. Gas angeblasen v/ix'd.
In den Figuren bedeuten die Besugsziffex^n
1 Werkzeugmundstück
2 YJerkzeugdorn
3 extrudiertes Hohlprofil, das durch eine nicht dargestellte
Vorrichtung abgezogen und in einer anschließenden, nicht darstellten Kühlvorrichtung nachgekühlt wird
4 äußere Kalibriervorrichtung mit Schikanen für das Kühlmedium
5 Schleppstopfen, der mittels Kette an der Lanze befestigt isfc
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6 Dichtung des Schleppstopfens
7 Überdruckventil zur Druckregulierung im Profilhohlx*aur,i vor dem Schleppstopfen
8 Isolierte Rohrleitung für das Flüssiggas
9 Druckminderventil für das Flüssiggas
10 Durchflußmesser für das Flüssiggas
11 regelbare Drosselstelle zur Dosierung des Flüssiggases
12 am Yterkzeugdorn befestigte Lanze mit Sprühdüsen oder Verteilerkanälen
13 Rohrleitung für koraprimiex-tes Gas
14 Druckminderventil für das komprimierte Gas
15 Durchflußmesser für das komprimierte Gas
16 regelbare Drosselst eile zur Dosierung des konprimiertc-n Gases
17 Kühli3:ji:;uente isit Kühlflächen, die durch den Gasdruck des in den Proii!hohlraum entweichenden Gases.? an die innere Profiloberfläche gedrückt worden
18 Ringclüse für komprimiertes Gas
19 Radiator mit Verteiler kanälen, durch die d :-.·.& vt-rdairpftc Flüssiggas in den Profilhohlraum entweichen kann.
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Claims (5)

  1. Patentansprü ehe:
    In Außenkalibrieren von extrudierten Hohlprofilen aus thermopla- >v-' stichera Kunststoff nach der Überdruckmethode, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Innendruckerzeugung und Kühlung ein chemisch inertes Flüssiggas mit einer kritischen Temperatur zwischen -150 und +35°C im Hohlraum des Kohlprofils verdampft.
  2. 2) Außenkalibrieren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Hohlprofii innen und außen mit Flüssiggas kühlt.
  3. 3) Äußenkalibrieren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme zwischen innerer Wand des Kohlprofils und verdampf end ein Flüssiggas über Kühlsegmente, die durch den Gasdruck des darin verdampfenden Flüssiggases gegen die Hohlprofile gedrückt werden, austauscht.
  4. 4) Außenkalibrieren, von extrudierten Hohlprofilen aus thermoplastischem Kunststoff nach der Überdruckmethode, dadurch gekennzeichnet, daß man mit verdampfendem Flüssiggas und komprimiertem Gas den Innendruck erzeugt und die Wärme abführt.
  5. 5) Außenkalibrieren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ' man mit verdampfendem Flüssiggas und komprimiertem Gas die Wärme von der Innenwand des Hohlprofils abführt, wobei das komprimierte Gas an einem im Hohlraum des Hohlprofils befindlichen Radiator, durch den das Flüssiggas ausströmt, kühlt.
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