DE2360735B2

DE2360735B2 - Extruder für Kunststoff

Info

Publication number: DE2360735B2
Application number: DE2360735A
Authority: DE
Inventors: Jitsumi Tokio Shinmoto
Original assignee: Tomi Kikai Kogyo Kk Tokio
Current assignee: Tomi Kikai Kogyo Kk Tokio
Priority date: 1972-12-07
Filing date: 1973-12-06
Publication date: 1979-01-18
Also published as: DE2360735A1; FR2209661A1; AU6324973A; FR2209661B1; US3924841A; DE2360735C3; CA1009008A; GB1438707A; HK12878A; JPS4985151A; IT1012104B

Description

3. Extruder nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderschnecke eine sich von der Seite zumindest einer ihrer Lagerungen (26, 27, 29) her bis in einen förderstrommäßig vor der Austragöffnung (41) gelegenen Meßbereich (40) erstreckende Zentralbohrung (47) aufweist.

4. Extruder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zentralbohrung (47) ein Temperaturfühler (48) angeordnet ist.

5. Extruder nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zer.tralbohrung (47) als Aufnahme für eine Einrichtung zur Regelung der Temperatur des Plastifikats im Meßbereich (40) ausgebildet ist.

Die Erfindung betrifft einen Extruder für Kunststoff mit einer in einem hohlzylindrischen Gehäuse mit mindestens einer Einfüllöffnung und einer Austragöffnung an ihren beiden Enden drehbar gelagerten, im Betrieb vorwiegend auf Zug beanspruchten, eingängigen Förderschnecke, die mit einem von der Einfüllöffnung zur Austragöffnung hin zunehmenden Kerndurchmesser versehen und von der Austragseite her antreibbar ist und bei der in einem nach der Austragöffnung zwischen dieser und dem Antrieb liegenden Bereich ein Rückfördergewinde mit dem Förderschneckensteg entgegengesetzter Steigung vorgesehen ist.

Die FR-PS 12 82 578, die mehrere Extruderausführungen zeigt, läßt auch einen Extruder vorstehend umrissener Art erkennen. Diese bekannte Anordnung ist jedoch mit einer relativ dicken Förderschnecke ausgestattet, die offenbar mit niedriger Drehzahl zu betreiben ist, wie sich bereits daraus ergibt, daß der Antriebsstummel gegenüber dem Kerndurchmesser der eigentlichen Förderschnecke relativ stark abgesetzt ist. Eine derartige Ausbildung ergäbe bei Verwendung schlanker Förderschnecken und hoher Antriebsdrehzahlen eine nicht unbeträchtliche Torsionsbruchgefahr. Andererseits weist hierbei die Förderschnecke im Bereich ihres einfüllöffnungsseitigen Endes zur axialen Abstützung einen durchmessermäßig ebenfalls sehr stark abgesetzten Lagerstutzen auf. Gerade in diesem geschwächten Bereich ist hierbei jedoch die höchste Zugbeanspruchung zu erwarten. Das bei der bekannten Anordnung nach der Austragöffnung vorgesehene Rückfördergewinde befindet sich hierbei nicht unmittelbar zwischen der Austragöffnung und dem Antrieb, sondern vielmehr jenseits eines der Austragöffnung benachbarten, tragenden Lagerbunds. Es ist daher zu befürchten, daß die Temperaturführung des auszubringenden Plastifikats infolge langer Rückförderwege im jenseits der Ausbringöffnung liegenden Bereich völlig unkontrollierbar wird. Außerdem ist hierbei nicht zu vermeiden, daß plastifiziertes Material, dessen Viskosität je nach Betriebszustand hohen Schwankungen unterworfen sein kann, in dieses Lager eindringt Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung ist darin zu sehen, daß hier in dem der Austragöffnung vorgelagerten Schneckenbereich eine durch eine starke Durchmessererweiterung der Schnecke gebildete Trommel zur Vervollständigung des Plastifizierungsvorgangs notwendig ist. Hierdurch ergibt sich jedoch eine nicht unbeträchtliche Schwungmasse, was sich insbesondere bei hohen Antriebsgeschwindigkeiten als nachteilig erweisen kann. Ganz abgesehen davon dürfte die plötzliche Querschnittserweiterung am Ende des Förderschneckenstegs zu einer nicht unwesentlichen Entspannung des hier ankommenden Plastifikats führen, was ebenfalls vielfach höchst unerwünscht ist.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung mit einfachen und kostengünstigen Mitteln einen Extruder eingangs erwähnter Art zu schaffen, bei dem die geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten ausgeschaltet sind und der nicht nur mit einer schlanken und dennoch schnell antreibbaren Spindel auskommt, sondern auch einen hohen Massedurchsatz und eine ausgezeichnete Knet- und Mischqualität aufweist und bei dem Plastifizierungsschwankungen nicht zu erwarten sind.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Förderschnecke eine im axialen Bereich der Austragöffnung angeordnete, durch den Förderschneckensteg und das Rückfördergewinde begrenzte, durch Kreuznuten gebildete Mischzone aufweist und mit einem an das Rückfördergewinde sich in Richtung des Antriebs anschließenden, ungeschwächten Schaftbereich in axialer Richtung abgestützt ist.

Die hier vorgesehene Mischzone erfordert in vorteilhafter Weise keinen Durchmessersprung, was eine durchgehend schlanke Spindelausbildung ermöglicht. Dennoch bewirken die hier vorgesehenen Kreuznuten eine ausgezeichnete temperatur- und/oder konsistenzmäßige Vereinheitlichung des Plastifikats. Da das Rückfördergewinde direkt in die Mischzone einmündet, ergibt sich ein relativ kurzer Rückförderweg und infolgedessen eine relativ geringe temperatur- und/oder konsistenzmäßige Abweichung des zurückgeförderten Materials gegenüber dem in der Mischzone vorhandenen Material, was die temperatur- und/oder konsistenzmäßige Vereinheitlichung noch erleichtert. Gleichzeitig bewirkt das unmittelbar an die Mischzone, in welcher die höchste Schneckenbelastung zu erwarten ist, sich anschließende Rückfördergewinde eine nicht unbeträchtliche Entlastung der Förderschnecke. Die

erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleisten demnach eine Ausführungsform, bei welcher die Förderschnecke mit einem hohen Schlankheitsgrad ausgeführt werden kann und dennoch hohe Drehzahlen zuläßt, was nicht nur auf die mögliche Durchsatzmenge, sondern auch die Knet- und Mischqualität positiv durchschlägt Wie Versuche gezeigt haben, konnte eine Förderschnecke mit einem Durchmesser von lediglich 35 mm in überraschender Weise mit 1500 U/min betrieben werden, ohne daß es zu den üblicherweise zu befürchteten negativen Erscheinungen, wie Beißen, Pumpen, Plastifizierungsschwankungen oder gar Spindelbruch gekommen wäre. Eine Anordnung dieser Art verkraftete einen Durchsatz von !35 kg/h, was bisher bei derart schlanken Förderschnecken nicht möglich war. Der hohe Schlankheitsgrad der Förderschnecke wirkt sich jedoch nicht nur positiv auf die Betriebseigenschaften aus, sondern erlaubt in vorteilhafter Weise auch eine platzsparende, gedrängte und daher auch vom Materialeinsatz her höchst günstige Bauweise. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind demnach insbesondere in ihrer ausgezeichneten Wirtschaftlichkeit zu sehen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen kann darin bestehen, daß die Förderschnecke auf ihrer antriebsfreien Seite einen zusätzlichen Gewindebereich zum Schutz ihres diesseitigen Lagers aufweist.

Weiterhin bietet die Erfindung erstmalig die Möglichkeit für weitere zweckmäßige Verbesserungen, welche sowohl auf die Leistungsfähigkeit des Extruders selbst als auch auf die Güte seines Extrusionsprociükts durchschlagen. So bietet die Erfindung die Möglichkeit, daß die Förderschnecke eine sich von der Seite zumindest einer ihrer Lagerungen her bis in einen förderstrommäßig vor der Austragöffnung gelegenen Meßbereich erstreckende Zentralbohrung aufweist. In dieser kann zweckmäßigerweise ein Temperaturfühler angeordnet sein, mittels dessen die Temperatur unmittelbar an der für das Endprodukt wichtigsten Stelle, nämlich kurz vor seinem Eintreten in die Austragöffnung, genau erfaßt und über einen abgeleiteten Steuerimpuls entsprechend Einfluß auf entweder die Beheizung über dem vorhergehenden Längenbereich der Schraubenspindel oder deren Drehzahl genommen werden kann. Es kann aber auch die Zentralbohrung als Aufnahme für eine Einrichtung zur Regelung der Temperatur des Plastifikats im Meßbereich ausgebildet sein und dabei in weiterer Fortbildung zweckmäßig entsprechendes Kühl- oder Heizmedium in geeigneter Weise führen, mittels welchen das Plastifikat dann, wenn eine andere Einflußnahme beispielsweise über die Drehzahl der Förderschnecke oder das Druckverhältnis im Gehäuse oder die Beheizung auf dem vorhergehenden Längenbereich der Förderschnecke nicht erwünscht ist, einer letzten Wärmebehandlung vor seinem Eintritt in die Austragöffnung bzw. die Extruderdüse unterzogen werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele rein beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 teilweise im Schnitt eine schematische

Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Extruders, Fig. 2 in vergrößerter Darstellung mit teilweise

weggebrochenen Bereichen eines im Extruder gemäß F i g. 1 zum Einsatz gebrachte Förderschnecke, FiE. 3 und 4 in weiterer vergrößerter Darstellung

jeweils Teilansichten der Förderschnecke gemäß F i g. 2 und

Fig.5 in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Extruders nach der Erfindung.

Wie aus Fig. 1 erkennbar, weist ein Extruder nach dem Ausführungsbeispiel eine durch eine Schraubenspindel gebildete Förderschnecke mit einem Förderschneckensteg 21 auf, welche sich drehbar gelagert durch ein Extrudergehäuse 22 hindurch erstreckt Auf der rechten Seite ist in Fig. 1 die Schraubenspindel in ihrem Schaft- bzw. Gewindefußdurchmesser auf ein Minimum reduziert und wird durch ein Lager 23 abgestützt während auf der linken Seite der Schaftbereich 24 in einer Lagermanschette 25 gehalten ist, welche ihrerseits von Lagerungen 26 und 27 drehbar abgestützt ist Eine Riemenscheibe 28, die mit einem (nicht gezeigten) Motor in Antriebsverbindung steht ist als Antriebsmittel für die Schraubenspindel am äußeren Ende der Lagermanschette 25 drehfest festgelegt Das Bezugszeichen 29 kennzeichnet ein Drucklager.

Von einem Zuführungstrichter oder Bunker 30 wird geeignetes Rohmaterial in Form von Kunststoff oder Kunstharz oder geeigneten Kunstharzverbindungen in vorbestimmter Menge mittels eines Schraubenförderers 31 der Schraubenspindel im Extrudergehäuse 22 in dem Bereich derselben zugeführt, in dem der Schaftdurchmesser der Schraubenspindel auf ein Minimum reduziert ist, das heißt, welcher als Zuführzone bezeichnet wird. Die Bezugszeichen 32 und 33 kennzeichnen einen Motor bzw. ein Schaltgetriebe zur Steuerung des Antriebes für den Schraubenförderer 31. Das Extrudergehäuse 22 ist mit Heizeinrichtungen 34, ferner Wassereinlässen 35 und Wasserauslässen 36 sowie Thermofühlem 37 zur Regelung der Temperatur des Extrudergehäuses versehen.

Die die Förderschnecke bildende Schraubenspindel ist formgebungsmäßig so ausgebildet, daß eine Zuführzone 38, eine Kompressionszone 39 und ein Meßbereich 40 gebildet sind. Der minimale Schaftdurchmesser der Schraubenspindel ist in der Zuführzone 38 angeordnet, während der maximale Schaftdurchmesser sich im Meßbereich 40, welcher auch als Dosierzone zu bezeichnet ist, befindet Das Spritzgut wird durch die Schraubenspindel gefördert, aufgeheizt und geschmolzen oder plastifiziert, und eine vorbestimmte Menge geschmolzenen Spritzgutes wird zwangsweise kontinuierlich durch eine Austragöffnung 41 abgegeben.

Die Schraubenspindel hat in einem der Austragöffnung 41 gegenüberliegenden Bereich eine Vielzahl von Kreuzschlitzen auf ihrer Oberfläche, um auf diese Weise eine Mischzone 42 für das geschmolzene Spritzgut zu schaffen, bevor dieses der Extruderdüse zugeführt wird. Dieser Mischzone 42 benachbart weist die Schraubenspindel weiterhin ein zum Fördersteg 21 der Schraubenspindel entgegengesetzt verlaufendes Rückfördergewinde 43 auf. Dieses Rückfördergewinde 43 dient dazu, das geschmolzene Spritzgut zwangsweise in Richtung auf die Mischzone 42 zu zu fördern, da es sonst in den den Schaftbereich 24 der Schraubenspindel umgebenden Raum hineinlecken könnte, und zwar dies unter der Wirkung insbesondere der erheblichen Drücke im benachbarten Mischbereich 42. Die Bezugsziffern urd 45 bezeichnen einen Einlaß bzw. Auslaß für ein geeignetes Medium zum Regeln der Temperatur des Extrudergehäuses 22 in einem Teil desselben, in dem es den Schraubenspindelschaft trägt, so daß das geschmolzene Spritzgut, das auf dem Rückfördergewinde

verbleibt, auf ordnungsgemäßer Temperatur verbleibt und der Betrag der Leckage an geschmolzenem Spritzgut in rechter Weise gesteuert werden kann. Es ist weiterhin auf der Schraubenspindel ein Gewindebereich 46 vorgesehen, und zwar zwischen der Zuführzone 38 und dem Lager 23 auf der antriebsfreien Seite der Schraubenspindel wobei dieser Gewindebereich 46 mit gleichsinniger Stegrichtung, jedoch geringerer Steigung im Vergleich zum Fördergewinde der Schraubenspindel ausgebildet ist, so daß das Lager 23 davor wirksam geschützt ist, daß es durch vom Schraubenförderer 31 her zugefördertes Material verunreinigt werden könnte. Der Extruder gemäß F i g. 1 wurde als Versuchsmaschine ausgebildet und mit Hochdruckpolyäthylen als Rohmaterial betrieben. Die Versuchsmaschine bewies, daß eine Schraubenspindel mit einem Durchmesser von 35 mm überraschend so angetrieben werden kann, daß sie mit einer Drehzahl von 1500 Umdrehungen pro Minute rotiert, und daß sie dabei in der Lage ist, einen Durchsatz von 135 kg/h zu schaffen. Falls es erwünscht ist, solche hohen Extrusionsmengen bei herkömmlichen Extrudern zu erhalten, welche, wie eingangs bereits dargelegt, unter der Drehzahlbegrenzung auf 100 Umdrehungen pro Minute stehen, wird es erforderlich, eine Schraubenspindel eines größeren Durchmessers von etwa 90 bis 100 mm zu verwenden. Entsprechend der erfindungsgemäßen Erkenntnis ist es jedoch unnötig, Schraubenspindeln solch großer Abmessungen zum Einsatz bringen zu müssen. Die Verwendung einer herkömmlichen, verhältnismäßig schlanken Gewindespindel, wie beispielsweise einer solchen mit etwa 35 mm Durchmesser, kann die Gestehungskosten einer solchen Maschine auf ein Drittel der bisherigen Kosten reduzieren. Auf der anderen Seite wird überraschend durch die hohe Laufgeschwindigkeit der Maschine — wie das Versuche an der dargestellten und beschriebenen Versuchsmaschine erwiesen haben — der Wirkungsgrad der Maschine auf das Fünffache im Vergleich zu einer herkömmlichen Maschine verbessert.

Da die Schraubenspindel des Extruder gemäß F i g. 1 an ihren beiden Enden gelagert bzw. abgestützt ist und das Antriebsdrehmoment in die Schraubenspindel von deren im Durchmesser größerer Seite her eingeführt wird, besteht keine Gefahr bzw. Befürchtung, dafür, daß durch Verdrillung bzw. Verwindung oder als »Beißen« bekanntes mechanisches Auflaufen des Fördergewindes der Schraubenspindel auf dem Lauf und eine damit einhergehende spanabhebende Wirkung Zerstörungen der Schraubenspindel auftreten könnten, und zwar dies überraschenderweise selbst dann nicht, wenn diese mit hoher Geschwindigkeit rotierend angetrieben wird. Bei dem Extruder nach dem Ausführungsbeispiel ist die Wirkung der Schraubenspindel auf das Spritzgut bzw. Fördergut Ziehen statt Stoßen oder Drücken. Unter diesen Umständen ist die auf die Schraubenspindel wirkende Kraft eine Zugkraft, welche eine maximale Ausnutzung der Materialfestigkeit ermöglicht Weiterhin sind bei der Schraubenspindel nach dem Ausführungsbeispiel die bereits beschriebenen Schwierigkeiten herkömmlicher Extruder in bezug auf den Schlankheitsgrad (Längen-Durchmesser-Verhältnis) und das Druckverhältnis in einfacher und wirtschaftlicher Weise überwunden. Bei diesem Extruder ist es nämlich

^ri möglich, den Schlankheitsgrad praktisch beliebig zu vergrößern, wobei im übrigen sogar eine Schraubenspindel solchen hohen Längen-Durchmesser-Verhältnisses gleichfalls mit solch hohen Drehgeschwindigkeiten angetrieben werden kann, so daß dadurch der

ίο Kneteffekt für das Förder- bzw. Spritzgut wesentlich verbessert wird. Es ist weiterhin auch hervorzuheben, daß nur eine geringfügige Unregelmäßigkeit der Zuführung des Rohmaterials stattfindet, und zwar überraschenderweise dies auf Grund der Zugwirkung der Schraubenspindel in Kombination mit deren hoher Drehzahl.

Bei dem Extruder gemäß F i g. 1 erfolgen auch bei der Rotation der Schraubenspindel mit ihrer hohen Drehzahl keine örtlichen Abweichungen bzw. Auslenkungen, da die Schraubenspindel an beiden Enden gelagert ist. Das bedeutet, daß es möglich ist, in den Körper der Schraubenspindel ein Loch verhältnismäßig großen Durchmessers zu bohren und sic'.i dieses bis zu dem Meßbereich 40 so erstrecken zu lassen, daß dadurch eine Temperatur-Kontrollkammer in der Zentralbohrung 47 gebildet wird. Dann kann nämlich die Temperatur des schmelzflüssigen Spritzgutes unmittelbar vor Eintritt in die Austragöffnung 41 durch Verwendung eines Temperaturfühlers 48 akkurat

3d gemessen und je nach Bedarfsfall ein geeignetes Wärmeträgermedium in die Zentralbohrung 47 eingebracht werden, um die Temperatur des schmelzflüssigen Spritzgutes zu erhöhen oder zu senken. Eine solche Temperaturregelung war bei herkömmlichen Extrudern

J5 mit fliegend gelagerten Schraubenspindeln infolge deren Abweichung und Auslenkung ihres freien Schraubenendes und infolge der durch die Materialfestigkeit gesetzten Grenzen völlig unmöglich.
F i g. 5 veranschaulicht eine Modifikation eines

JO Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei welcher sich eine Schraubenspindel 49 durch ein Extrudergehäuse 50 hindurcherstreckt und an ihren beiden Enden durch Lager 51 bzw. 52 abgestützt ist. Die Schraubenspindel 49 wird von beiden Seiten her in Rotationsbewegung

·» j versetzt, und zwar mittels auf Synchronlauf geschalteter Motoren 53 und 54 über Riemenscheiben 55 bzw. 56. Das Misch- bzw. Spritzgut wird aus einem Zuführtrichter 57 dem Schraubenspindel-Förderraum zugeführt und über ein Paar Extruderdüsen 58 und 59 abgegeben.

ίο Die Schraubenspindel 49 ist in diesem Zusammenhang formmäßig so ausgelegt, daß sie in ihrem Mittelbereich eine Zuführzone mit einem minimalen Schaftdurchmesser aufweist. Der Schaftdurchmesser der Schraubenspindel 49 nimmt dann nach beiden Seiten zu den Schraubenspindelenden hin allmählich zu. Der Antrieb der Schraubenspindel 49 wird von den Seiten mit größerem Schaftdurchmesser her vorgenommen, wie in F ig. 5 gezeigt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Extruder für Kunststoff mit einer in einem hohlzylindrischen Gehäuse mit mindestens einer Einfüllöffnung und einer Austragöffnung an ihren beiden Enden drehbar gelagerten, im Betrieb vorwiegend auf Zug beanspruchten, eingängigen Förderschnecke, die mit einem von der Einfüllöffnung zur Austragöffnung hin zunehmenden Kerndurchmesser versehen und von der Austragseite her antreibbar ist und bei der in einem nach der Austragöffnung zwischen dieser und dem Antrieb liegenden Bereich ein Rückfördergewinde mit dem Förderschneckensteg entgegengesetzter Steigung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderschnecke eine im axialen Bereich der Austragöffnung (41) angeordnete, durch den Förderschneckensieg (21) und das Rüclcfördergewinde (43) begrenzte, durch Kreuznuten gebildete Mischzone (42) aufweist und mit einem an das Rückfördergewinde (43) sich in Richtung des Antriebs anschließenden, ungeschwächten Schaftbereich (24) in axialer Richtung abgestützt ist

2. Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderschnecke auf ihrer antriebsfreien Seite einen zusätzlichen Gewindehereich (46) zum Schutz ihres diesseitigen Lagers (23) aufweist.