-
Verfahren und Anlage zum.biaxialen Verstrecken eines Rohres aus verstreckbarem
Kunststoff Die Erfindung bezieht sich auf ein.Verfahren zum biaxialen Verstrecken
eines Rohres aus verstreckbarem Kunststoff, insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff,
wobei das Rohr als Quasiflüssigkeit im hochviskosen Zustand aus einem Spritzkopf
mit Spritzkopfdorn herausgedrickt, temperiert und über einen Verstreckungsdorn aus
zylindrischem-Auflaufteil, konischem Aufweitungsteil und zylindrischem Abzugsteil
abgezogen sqwie von außen abgekühlt und dabei bis zum, standfesten, Rohr verfestigt
wird., Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf eine Awlag,e- zur Durchführung dieses
Verfahre'ns. - Der Ausdruck#Kunststqf.f umfaßt auch Gummi. Der Ausdruck Rohr. umfaßt
im Rahmen der Erfindung
auch Schläuche, die Rohre können runden
oder auch nur quasirunden Querschnitt aufweisen. Quasiflüssigkeit bezeichnet den
flüssigkeitsähnlichen Zustand des aus dem Spritzkopf austretenden Kunststoffes,
der bereits rohrförmig vorgeformt ist, wobei jedoch dieser Formling innere und äußere
Druckkräfte aufzunehmen noch nicht in der Lage ist.
-
Bei bekannten Maßnahmen der beschriebenen Gattung, die im Versuchsstadium
geblieben sind, wird das Rohr nach einer Abkühlung, bei der es den Zustand der Quasiflüssigkeit
verläßt, zunächst kalibriert, und zwar durch Außenkalibrierung, dann durch ein Temperierbad
geführt, welches dem Rohr die (unterhalb Kristallitschmelztemperatur liegende) Verstreckungstemperatur
verleiht, sowie über einen Verstreckungsdorn des beschriebenen Aufbaus abgezogen,
der mit Hilfe eines Seiles an dem Spritzkopfdorn aufgehängt und in beachtlichem
Abstand vom Spritzkopf vor einer Rohrabzugsmaschine angeordnet ist. Die konische
Aufweitung des Aufweitungsteils soll dabei den Grad der Verstreckung in Umfangsrichtung,
die Differenz zwischen Extrusionsgeschwindigkeit und demgegenüber größere Abzugsgeschwindigkeit
soll den Grad der axialen Verstreckung bestimmen. Das bringt zumindest dann Schwierigkeiten,
wenn beachtliche Verstreckungsgrade verlangt werden. Man beobachtet häufig starke
Schwankungen im Verstreckungsgrad, und zwar sowohl in Umfangsrichtung als auch in
axialer Richtung, außerdem ist die Verstreckung nicht hinreichend definiert und
auch nicht hinreichend (in Schichten) homogen. Die innere Oberfläche des Rohres
nimmt häufig bei der Verstreckung durch Gleitreibung Schaden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine einfache
Anlage anzugeben, mit denen auch bei beachtlichen Verstreckungsgraden sehr definierte
Verstreckung sowohl in Umfangsrichtung
als auch in axialer Richtung
erreicht werden kann.
-
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur biaxialen Verstreckung
eines Rohres aus verstreckbarem Kunststoff, wobei das Rohr als Quasiflüssigkeit
im hochviskosen Zustand aus einem Spritzkopf mit Spritzkopfdorn herausgedrückt,
temperiert und über einen Verstreckungsdorn aus zylindrischem Auflaufteil, konischem
Aufweitungsteil und zylindrischem Abzugsteil abgezogen sowie von außen abgekühlt
und dabei bis zum standfesten Rohr verfestigt wird. Die Erfindung besteht darin,
daß das Rohr im Bereich des bis zum Spritzkopf gleichsam nach rückwärts verlängerten
Auflaufteils auf Verstreckungstemperatur temperiert wird, daß zwischen Rohr und
konischem Aufweitungsteil ein hydraulisches Gleitmittel zur Bildung einer Gleitmittelschleppströmung
mitgeführt wird und daß das Rohr auf der Gleitmittelschleppströmung über den konischen
Aufweitungsteil sowie den Abzugsteil geführt wird, - wobei im Bereich des Aufweitungsteils
und des Abzugsteils durch radiale Kräfte ein Gleitmittelschleppkeil ausgebildet
wird. Die radialen Kräfte werden durch die Aufweitung und zusätzlich durch Schrumpfspannung
infolge Abkühlung erzeugt. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird das
hydraulische Gleismittel schon im Quasiflüssigkeitsbereich zwischen Rohr und Auflaufteil
eingeführt. - Die Erfindung geht zunächst von der Erkenntnis aus, daß definierte
Verstreckung auch bestimmte Temperaturverteilung in der zu verstreckenden Rohrwandung
verlangt. Nach bevorzugter Ausführungsform wird für homogene Temperatur in der zu
verstreckenden Rohrwandung gesorgt, was auf einfache Weise, beispielsweise dadurch
erreichbar ist, daß die Temperierung auf Verstreckungstemperatur von innen und außen,
und zwar im Bereich des verlängerten Auflaufteils, erfolgt. Die innere Temperierung
geschieht, indem ein Wärmeaustauschmedium geeigneter Temperatur durch den
Auflaufteil
des Verstreckungsdorns geführt wird. Die äußere Temperierung geschieht, indem das
Rohr im ganzen durch ein geeignetes Bad geführt wird, wobei der Behälter für das
Bad in mehrere Kammern eingeteilt sein kann, die für unterschiedliche Temperaturen
eingerichtet sind. Wird das hydraulische Gleitmittel schon im Quasiflüssigkeitsbereich
eingeführt, so fördert die erfindungsgernäß vorgesehene zusätzliche Gleitmittelschleppströmung
des Gleitmittels zwischen Auflaufzylinder und Rohrinnenwand zusätzlich den Wärmeübergang.
Gleichzeitig wird erreicht, daß sich alle Volumenelemente des zu verstreckenden
Rohres mit gleicher Geschwindigkeit (ohne inneren Stoffaustausch) bewegen, was die
definierte Temperaturverteilung und deren Aufrechterhaltung in dem zu verstreckenden
Rohr unterstützt. Das so vorbereitete Rohr mit definierter und nach bevorzugter
Ausführungsform der Erfindung homogener Temperaturverteilung erfährt nunmehr eine
Verstreckung praktisch ohne gleitende Reibung zwischen Rohrinnenwand und Aufweitungsdorn,
weil hier die Bewegung erfindungsgemäß stets auf einer Gleitmittelschleppströmung
erfolgt, die sich unter dem Einfluß der radialen Kräfte als Gleitmittelschleppkeil
ausbildet. Überraschenderweise nimmt das Rohr diesen Gleitmittelschleppkeil mit,
wenn man dafür sorgt, daß die Aufweitung und dabei die Abkühlung nicht zu plötzlich
erfolgen. Der Schleppkeil bildet im Längsschnitt gleichsam eine schiefe Ebene und
ein hydraulisches Polster. Es muß verhindert werden, daß der Schleppkeil im Übergangsbereich
zwischen dem zylindrischen Auflaufteil und dem konischen Aufweitungsteil gleichsam
abreißt, indem sich dort die Rohrwandung von dem Verstreckungsdorn ablöst. Ein Knick
zwischen zylindrischem Auflaufteil und konischem Aufweitungsteil sollte vermieden
und durch einen bogenförmigen Ubergang ersetæt werden.
-
Die Schleppströmung selbst setzt sich sogar bis in den zylindrischen
Abzugsteil des Verstreckungsdorns fort. Das Merkmal
... zur Bildung
einer Gleitmittelschleppströmung ..." macht eine Aussage über die eingeführte Gleitmittelmenge.
An der Einführungsstelle soll das hydraulische Gleitmittel gleichsam drucklos vorliegen.
Das gilt insbesondere bei Einführung im Quasiflüssigkeitsbereich. Das hydraulische
Gleitmittel wird also mitgeschleppt,nicht aber zwischen Rohr und Verstreckungsdorneingedrückt.
Das schließt nicht aus, daß das Gleitmittel in die entsprechenden Zuführungskanäle
mit Druck eingeführt wird, um die Reibungsverluste in den Zuführungskanälen zu überwinden.
Die Wirkung des hydraulischen Gleitmittels ist im Rahmen der Erfindung in der beschriebenen
Weise eine hydrodynamische aber keine hydrostatische.
-
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Temperierung nach bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung - aber nicht beschränkend - von innen und außen, und zwar im Bereich
des verlängerten Auflaufteils. Der Auflaufteil ist so lang, daß diese Temperierung
bis zu hinreichend definierter oder homogener Temperaturverteilung erreicht wird.
Im Bereich des konischen Aufweitungsteils wird das Rohr dann praktisch nur ruhender
Luft ausgesetzt. Im übrigen kann das Rohr im Bereich des Abzugsteils energisch abgekühlt
werden, wodurch der Gleitmittelschleppkeil eine erhebliche Reduzierung seiner Dicke
erfährt. Diese Abkühlung bewirkt eine starke Schrumpfung des Rohres. Die Schrumpfung
funktioniert hier gleichsam als Stopfbuchse und verhindert, daß das verstreckte
Rohr noch Gleitmittel in erheblichem Maße' mitnimmt.
-
Die erreichten Vorteile sind zunächst darin zu sehen, daß nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren Rohre aus thermoplastischem Kunststoff sehr definiert
und mit genau vorgegebenen, auch sehr großen, Verstreckungsgraden biaxial verstreckt
werden können.
-
Gleichzeitig erreicht man eine sehr genaue Kalibrierung des
Innendurchmessers
des durch Verstreckung aufgeweiteten Rohres, wie anhand der Figuren, die gleichzeitig
eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens offenbaren, erläutert
wird.
-
Es zeigen in schematischer Darstellung Fig. 1 einen Längsschnitt durch
eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Fig. 2 den vergrößerten
Ausschnitt A aus dem Gegenstand nach Fig. 1, Fig. 3 den vergrößerten Ausschnitt
B aus dem Gegenstand nach Fig. 1, Fig. 4 die Druckverteilung des hydraulischen Gleitmittels
im Gleitmittelschleppkeil, d.h. im Bereich von konischem Aufweitungsteil und Abzugsteil
des Verstreckungsdorns, Fig. 5 die Zugspannungen eines Stabes aus thermoplastischem
Kunststoff in Abhängigkeit von der Dehnung, Fig. 6 in weiterer Schematisierung das
Oberflächenverhalten der Innenoberfläche des zu verstreckenden Rohres bei der Verstreckung
und Fig. 7 die Geschwindigkeitsverhältnisse in einem Ausschnitt des Gleitmittelschleppkeils
und gleichzeitig die durch den Gleitmittelschleppkeil aufnehmbaren Drücke.
-
Die in Fig. 1 dargestellte Anlage dient zum biaxialen Verstrecken
eines Rohres 1 aus verstreckbarem Kunststoff, wobei das Rohr 1 als Quasiflüssigkeit
im hochviskosen Zustand aus einem Spritzkopf 2 mit Spritzdorn 3 herausgedrückt,
temperiert und über einen Verstreckungsdorn 4, 5, 6 aus zylindrischem Auflaufteil
4, konischem Aufweitungsteil 5 und zylindrischem Abzugsteil 6 abgezogen sowie von
außen abgekühlt und dabei bis zum standfesten Rohr verfestigt wird. Vorgeschaltet
ist dem Spritzkopf 2 eine nicht gezeichnete Kunststoffschneckenpresse.
-
Erfindungsgemäß ist der Auflaufteil 4 an den Spritzdorn 3 angeschlossen
(und damit gegenüber bekannten Ausführungsformen nach rückwärts zum Spritzkopf 2
hin beachtlich verlängert) sowie mit einer Einrichtung 7 zur Einführung eines hydraulischen
Gleitmittels zwischen Rohr 1 und Verstreckungsdorn 4, 5, 6 versehen. Erfindungsgemäß
ist ferner im Bereich des verlängerten Auflaufteils 4 ein den Auflaufteil 4 des
Verstreckungsdornes 4, 5, 6 und damit das zu verstreckende Rohr 1 umgebende Temperierband
8 für die Temperierung des Rohres 1 auf Verstreckungstemperatur vorgesehen, während
im Bereich des Ablaufteils 6 des Verstreckungsdornes 4, 5, 6 ein Kühlbad 9 angeordnet
ist. Die Einrichtung 7 zur Einführung des hydraulischen Gleitmittels besteht im
Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung aus einer
Rille 7 mit Gleitmittelzuführungsbohrungen 10 im Spritzkopf 2, wobei diese Rille
7 in Abzugsrichtung konisch in die Oberfläche des Auflaufteiles 4 übergeht. Das
Temperierbad ist in einem Temperierbehälter 8 mit mehreren Temperierkammern 11 untergebracht,
wobei die Temperierkammern 11 auf unterschiedliche Temperiertemperatur einstellbar
sind, indem entsprechend erwärmte Temperierflüssigkeit in diese Kammern 11 eingeführt
wird. Entsprechend ist das Kühlbad im Bereich des zylindrischen Abzugsteils 6 in
einem Kühlbehälter 9 untergebracht, der ebenfalls mehrere Kammern 12 aufweisen kann.
Der
konische Aufweitungsteil 5 ist möglichst schwach konisch ausgeführt,
um zu verhindern, daß im Übergangsbereich zwischen dem zylindrischen Auflaufteil
4 und dem konischen Aufweitungsteil 5 bei 13 die Gleitmittelschleppströmung 14 abreißt.
Sein maximaler Durchmesser bestimmt den Verstreckungsgrad in Umfangsrichtung. Hier
kann der Knick zwischen den beiden Teilen 4, 5 im übrigen durch einen Bogen ersetzt
sein. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung besitzt der Verstreckungsdorn
4, 5, 6 insgesamt eine möglichst glatte Oberfläche. Eine Abzugsvorrichtung 15 arbeitet
in diesem Übergangsbereich. Ihre Geschwindigkeit entspricht praktisch der Extrusionsgeschwindigkeit.
Die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dieser Abzugsvorrichtung 15 und der nachgeschalteten
Abzugsvorrichtung 17 bestimmt den Verstreckungsgrad in axialer Richtung. Im Ergebnis
erreicht man, daß das Rohr 1 im Bereich des bis zum Spritzkopf 2 nach rückwärts
verlängerten Auflaufteils 4 auf Verstreckungstemperatur temperiert wird, daß im
Quasiflüssigkeitsbereich bei 7 zwischen Rohr 1 und Auflaufteil 4 ein hydraulisches
Gleitmittel zur Bildung einer Gleitmittelschleppströmung 14 eingeführt wird, so
daß das Rohr auf der Gleitmittelschleppströmung 14 über dem Auflaufteil 4, dem konischen
Aufweitungsteil 5 sowie dem Abzugsteil 6 geführt wird, - wobei im Bereich des Aufweitungsteiles
5 und des Abzugsteiles 6 unter dem Einfluß der sich ausbildenden bzw.
-
aufgebrachten radialen Kräfte aus Aufweitung und Abkühlung die Gleitmittelschleppströmung
zu einem Gleitmittelschleppkeil 16 wird. Das zeigen die Fig. 1 bis 3. Die hydrodynamischen
Verhältnisse in der Gleitmittelschleppströmung 14 bzw. im Gleitmittelschleppkeil
16 sind anhand-der Fig. 4 bis 7 weiter erläutert worden.
-
Die Kurve 18 in Fig. 4 gibt über dem Aufweitungsteil 5 und dem Abzugsteil
6 die Drücke an, welche gegen die innere Oberfläche
des in der
Verstreckung befindlichen bzw. verstreckten Rohres 1 wirken müssen, um die Spannungen
zu kompensieren, die durch die Aufweitung des Rohres 1 entstehen. Dabei tritt im
Bereich des Aufweitungsteils 5 eine wesentliche Abkühlung nicht ein.
-
Im Anschluß daran erfolgt Abkühlung in dem Kühlbad 9, so daß Schrumpfspannungen
hinzukommen, die aufzunehmen sind. Das läßt die Kurve 18 in diesem Bereich weiter
ansteigen. Der Gleitmittelschleppkeil 16 nimmt folglich in seiner Dicke ab und entwickelt
mit kleiner werdender Dicke größere hydrostatische Drücke, die die beschriebenen
Kräfte kompensieren. So wird deutlich, daß die Verstreckung auf einem Gleitmittelschleppkeil
16 stattfindet und nicht mehr in unmittelbarem oder direktem Kontakt mit einem Verstreckungsdorn
4, 5, 6. In der Fig. 4 ist der kleiner werdende Spalt zwischen einerseits dem Aufweitungsteil
5 des Verstreckungsdorns 4, 5, 6 und andererseits der Rohrwandung 1 angedeutet.
Die Fig. 5 deutet an; wie sich bei, einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise
Hart-PVC, die in der Kurve 19 dargestellte Spannung mit der Dehnung ändert, wobei
eine günstige Strecktemperatur von bei#spielsweise 930 C angenommen worden ist.
Dieses Verhalten ist bei der Ermittlung der Kurve der Fig. 4 berücksichtigt worden.
In der Fig. 6 ist angedeutet worden, daß die Innenseite des zu verstreckenden Rohres
1 mehr oder weniger große Unebenheiten 20 aufweist. Während der Verstreckung bauen
sich diese Unebenheiten ab, so daß im Ergebnis ein Rohr 1 mit praktisch extrem glatter
Innenoberfläche entsteht. Das ist ein Effekt, der zusätzlich bei der erfindungsgemäßen
Verstreckung erreicht wird. - Darüber hinaus sind irgendwelche Schäden an der inneren
Oberfläche ganz ausgeschlossen. Trotz des Abbaus dieser-Unebenheiten 20 wird der
Gleitmittelschleppkeil 16 in der schon beschriebenen Weise mitgeführt, und zwar
bis zum Ende des Abzugsteils 6 des Verstrekkungsdorns 4, 5, 6.Dort bewirkt extreme
Abkühlung eine Schrumpfung,
die gleichsam als Stopfbuchse funktioniert.
In der Schleppströmung 14,16 stellt sich der erforderliche hydraulische Druck ein.
Das ist in Fig. 7 noch einmal dargestellt worden. Man erkennt die Geschwindigkeitsprofile
21 in dieser Schleppströmung 16 und den Winkel 22, der die Keilform bestimmt.
-
Dieser Winkel 22 kann sich auch über die Länge des Gleitmittelschleppkeils
16 verändern. Stets läßt sich, auch unter Berücksichtigung der herrschenden Temperaturen,
erreichen, daß im Gleitmittelschleppkeil 16, aber auch in der Gleitmittelschleppströmung
14, der erforderliche Gegendruck über hydrodynamische Effekte entwickelt wird. Das
Gleitmittel selbst soll eine Viskosität aufweisen, die kleiner ist als die Viskosität
der Quasiflüssigkeit am Austritt aus dem Spritzkopf 2. Es ist dafür zu sorgen, daß
das Gleitmittel die Oberfläche des Kunststoffes, aus dem das Rohr hergestellt werden
soll, nicht angreift. übliche mineralische Schmiermittel sind im allgemeinen ausreichend.
Wenn die Viskosität des Gleitmittels sehr klein ist, muß der konische Aufweitungsteil
5 sehr lang gestreckt sein, darf er also nur verhältnismäßig geringe Konizität aufweisen.
-
Wenn andererseits mit einem Gleitmittel gearbeitet wird, welches verhältnismäßig
große Viskosität besitzt, so kann auch mit stärkerer Konizität im konischen Aufweitungsteil
5 gearbeitet werden. Stets erreicht man jedoch gleichzeitig die schon beschriebene
Verbesserung der inneren Oberfläche im Sinne einer Glättung mit Abbau von Oberflächenrauhigkeit.
- Bei Beginn der Arbeiten muß das Rohr mit einer Hilfsvorrichtung, z.B.
-
eine spreizbare Hülse, die über den Verstreckungsdorn 4, 5, 6 gezogen
werden kann, erst bis zur Abzugsvorrichtung 17 geführt werden.
-
Im Rahmen der Erfindung liegt es, den konischen Aufweitungsteil 5
bezüglich seiner Konizität zu variieren, um dadurch unterschiedliche
Verstreckungsgrade
einzustellen. Im Rahmen der Erfindung liegt aber auch die Konizität null. Dann wird
praktisch nur noch axiale Verstreckung erreicht, aber zusätzlich eine sehr genaue
Innenkalibrierung. Für diese Variante der Erfindung ist kennzeichnend, daß im Quasiflüssigkeitsbereich
bei 7 zwischen Rohr 1 und Auflaufteil 4 das hydraulische Gleitmittel eingeführt
wird, daß dadurch und danach das Rohr 1 auf dem hydraulischen Gleitmittelschleppkeil
bis zum kalibrierhaltigen Rohr 1 verfestigt wird.