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Schneckenextruder mit Stauvorrichtung Die Erfindung betrifft einen
Schneckenextruder mit Stauvorrichtung. Dabei#kann es sich um einen Sin- oder Mehrschneckenextruder
insbesondere für thermoplastische Harze handeln, dessen Schnecke bzw. Schnecken
eine Stauvorrichtung oder Gegendruckvorrichtung zugeordnet ist, die mindestens eine
Schaufel aufweist, die sich radial vom Zylinder des Extruders zu einem nicht mit
Gewinde versehenen Abschnitt der Schnecke erstreckt und deren Winkelstellung um
ihre eigene Achse senkt recht zur Achse der Schnecke zur ßrzielung der geaMnschten
Stauung bzw. des gewünschten Gegendrucks verstellbar ist.
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Mine Stauvorrichtung bzw. Gegendruckvorrichtung dieser Art ist aus
der deutschen Patentschrift 879 913 bekannt.
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Im Vergleich zu einer Vielzahl anderer bisher bekannter Stauvorrichtungen
ist die in der genannten deutschen Patentschrift gezeigte Vorrichtung konstruktiv
äußerst einfach
und gleichzeitig sehr wirksam. Trotzdem ist der
Staubereich bzw. Gegendruckbereich, der mit dieser bekannten Vorrichtung erzielbar
ist, deutlich begrenzt. Außerdem ist diese Vorrichtung nur dann wirksam, wenn sie
in einem Harzstrom arbeitet, der den ganzen Querschnitt des Zylinders ausfüllt.
In den modernen Extrudern für thermoplastische Harze ist es nötig, eine einfache
aber wirksame Stauvorrichtung unmittelbar am Ende des Aufgabebereichs zu haben,
wo das Harzgranulat noch nicht geschmolzen und es wunschenswert ist, ihm eine kräftige
Reibung zu vermitteln, die als nützliche endogee N\#i#equelle für ein anschließendes
rasches Schmelzen dient. Aber in einem modernen Extruder wird das Harzgranulat dem
Aufgabebereich vom entsprechenden Trichter in einer dosierten Menge zugeführt, die
deutlich unter derjenigen Menge liegt, die zum Ausfüllen des ganzen freien Querschnittsbereichs
des Zylinders nötig wäre.
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Und unter diesen Bedingungen erbringt die Vorrichtung gemäß der genannten
deutschen Patentschrift keine zufriedenstellendm Mrgebisse mehr.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schnekkenextruder
der eingangs genannten Art mit einer vielseitiger einsetzbaren und in einem großen
Staubereich verstellbaren Stauvorrichtung zu schaffen.
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Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Schneckenextruder
mit Stauvorrichtung geschaffen, die mindestens eine sich radial vom Zylinder zu
einem nicht mit
Schneckengewinde versehenen Bereich der Schnecke
erstreckende Schaufel aufweist, deren Winkelstellung um ihre eigene Achse senkrecht
zu der der Schnecke zum Brzielen der gewünschten Stauung verstellbar ist. Dieser
Schneckenextruder mit Stauvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der nicht
mit Gewinde versehene Bereich der Schnecke von einer kugelförmigen Erweiterung im
Kern der Schnecke gebildet ist, deren Mittelpunkt im Schnittpunkt der Achse der
Schaufel mit der Achse der Schnecke liegt und daß zumindest das Längsprofil des
freien Endes der Schaufel von einem Kreisbogen gebildet ist, dessen Krümmungsmittelpunkt
in dem genannten Schnittpunkt liegt.
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Bei dieser Anordnung schafft die kugelförmige Brweiterung des Kerns
der Schnecke (nach an sich bekannten Grundsätzen) eine erste Verengung von festgelegtem
Wert im freien Bereich des Zylinders. An diese feste Verengung schließt sich eine
verstellbare Verengung an, die durch die Schaufel hervorgerufen wird. Es sei dabei
e-rwähnt, daß durch den weiten Umfang ("größter Kreis") der kugelförmigen Brweiterung
und durch das besondere Profil des freien Endes der Schaufel die Ausdehnung der
Schaufel (gemessen vom Bintrittsrand zum Austrittsrand) viel größer sein kann als
bei dem genannten deutschen Patent, so daß durch Drehen der Schaufel aus der sich
parallel zur Achse der Schnecke erstreckenden Stellung in die quer zur Achse verlaufende
Stellung ein viel breiterer Bereich an Binengungswerten erreicht wird mit einem
entsprechend großen Bereich für die Gegendruckwerte.
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Vorzugsweise ist auch das Querprofil des freien Endes der Schaufel
von einem Kreisbogen gebildet, dessen Krümmungsmittelpunkt im Schnittpunkt der Achse
der Schaufel mit der Achse der Schnecke liegt. Auf diese Weise ergibt sich als Oberfläche
des freien Endes der Schaufel ein Kugelsegment das sich konzentrisch zur kugelförmigen
Erweiterung verhält. Vorzugsweise streift das freie Ende der Schaufel die Kugeloberfläche
der genannten kugelförmigen Erweiterung unabhängig von der Einstellung der Schaufel
um ihre Achse. Mit anderen Worten, der Abstand zwischen dem freien Ende der Schaufel
und der kugelförmigen Erweiterung ist so klein wie möglich, und die Schaufel ist
vom Zylinder so abgestützt, daß dieser Abstand während der Verstellung der Schaufel
unverändert bleibt.
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Bei dem bevorzugten husführungsbeispiel der Erfindung weist der Extruder
zwei Schnecken auf, die sich parallel zueinander erstrecken und teilweise ineinander
ragen und denen jeweils eine Stauvorrichtung der oben beschriebenen Art zageordnet
ist, wobei die kugelförmigen Erweiterungen der beiden Schnecken im wesentlichen
tangential zueinander in einer senkrecht zu den Achsen der beiden Schnecken verlaufenden
Ebene liegen.
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Wie bei dem genannten deutschen Patent wirken mit jeder kagelformigen
Erweiterung vorzugsweise mehrere Schaufeln zusammen, deren Achsen in der gleichen
Ebene liegen und um die Achse der jeweiligen Schnecke herum verteilt sind. Wie sich
im
Verlauf der Beschreibung klarer ergibt, sind in einem Zweischneckenextruder
der oben genannten Art drei Schaufeln für jede Schnecke ausreichend, um einen ausreichend
breiten Bereich an Einengungswerten zu erzielen.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit vorteilhaften Einzelheiten anhand
schematischer Zeichnungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt längs der Linte-I-I in Fig. 2 durch einen Zweischneckenextruder;
Fig. 2 einen Längsschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 Fig. 3 einen Teilschnitt
längs der Linie III-III in Fig. 1; Fig 4 eine Vorderansicht einer der Schaufeln
des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels; Fig. 5 eine perspektivische Ansicht
einer der Schaufeln mit den entsprechenden Verstellelementen.
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Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel weist
der Extruder zwei parallele, teilweise ineinander ragende Schnecken 10, 12 (Fig.
1) auf, die im gleichen Sinn in einem gemeinsamen Zylinder 14 drehbar sind. In der
Zeichnung ist nur ein begrenzter Bereich des Extruders dargestellt, der die Ubergängszone
zwischen dem Aufgabebereich und dem Plastifizierbereich bildet. In Fig. 2 gehört
der schneckengewindeabschnitt 16 der Schnecke 12 zum Aufgabebereich (der mit dem
hier nicht gezeigten
Fülltrichter in Verbindung steht), während
der Schnecken gewindeabschnitt 18 zum Plastifizierbereich gehört. Der Abschnitt
18 ist auch in Fig. 1 zu sehen, in der gleichfalls der entsprechende Abschnitt 18'
der Schnecke 10 dargestellt ist. Die Schneckengang- bzw.
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Kerne 20, 22 der/Gewindeabschnitte 16, 18 sind rohrförmig gestaltet
und innen mit Nuten versehen und auf eine gemeinsame Betätigungswelle 24 aufgeschoben
(Fig. 1). In entsprechender Weise sitzen die Gewindeabschnitte der Schnecke 10 auf
einer gemeinsamen Betätigungswelle 24'. Zwischen den beiden Gewindeabschnitten 16,
18 ist eine kugelförmige Erweiterung 26 durch Nuteneingriff auf der Betätigungswelle
24 angebracht, trend eine entsprechende kugelförmige Erweiterung 26 auf der Welle
24' angebracht ist. Die Mittelpunkte der beiden kugelförmigen Erweiterungen liegen
in der gleichen Ebene, die sich senkrecht zu den Achsen der beiden Schnecken erstreckt.
Die beiden Erweiterungen sind identisch, und vorzugsweise ist ihr Durchmesser so
groß wie möglich, so daß sie sich praktisch berühren (natürlich ohne während des
Betriebes aneinanderzugleiten).
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Bei einem Einschneckenextruder muß der Durchmesser einer kugelförmigen
Ercitcrung ie der Erweiterung 26 vorzugsweise von 0,8 bis 1,0mal so groß sein wie
der mittlere Durchmesser der Schnecke (wobei unter mittlerem Durchmesser der Schnecke
das arithmetische Mittel des äußeren Durchmessers des Gewindeabschnitts und des
Durchmessers des Kerns zu verstehen ist).
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Wie aus den Zeichnungen ferner hervorgeht, sind der
kugelförmigen
Erweiterung 26 drei Schaufeln 28A, 28B, 280 zugeordnet, deren Achsen mit Xa, Xb
und Xc bezeichnet sind. Der kugelförmigen Erweiterung 26' sind drei Schaufeln 30A,
30B, 30C zugeordnet, deren Achsen mit Ya, Yb bzw. Yc bezeichnet sind.
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Alle Achsen dieser Schaufeln liegen in einer gemeinsamen Ebene, die
sich senkrecht zu den Achsen der Schnecken erstreckt und die Mittelpunkte der Erweiterungen
26, 26' enthält, wobei die I4ittelpunkte mit C bzw. O' gekennzeichnet sind. Darüber
hinaus sind die Achsen Xb und Yb miteinander in der Längsebene ausgerichtet, in
der die Achsen der beiden Schnecken liegen; die Achsen Xa und Xc verlaufen senkrecht
zu der genannten Längsebene an den entgegengesetzten Seiten dieser Ebene und schneiden
die Achse der Schnecke 12, während die Achsen Ya und Yc gleichfalls senkrecht zu
der genannten Längsebene an den beiden entgegengesetzten Seiten verlaufen# dabei
jedoch die Achse der Schnecke 10 schneiden So fällt der Mittelpunkt jeder kugelförmigen
Erweiterung mit dem Schnittpunkt zwischen den Achsen der entsprechenden Schaufeln
und der Achse der zugehörigen; Schnecke zusammen.
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Jede Schaufel hat in Draufsicht (Fig. 4) die Form eines stark abgeflachten
Rhombus, d.h. ein Profil das man insgesamt als symmetrisch linsenförmig bezeichnen
kann, und das zum Erleichtern der Bearbeitung auf die abgeflachte Rhombusform reduziert
ist. Die Schaufel erstreckt sich diametral über eine ebene Stirnfläche 31 eines
Blocks 32 von kreisförmigem Querschnitt, der außen in einer kreisförmigen Nutmutter
34 endet,
die mit einer Reihe von Kerben 36 in gleichmäßigen Abständen
um die Achse der Schaufel herum versehen ist (Fig. 4 und 5).
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Der Block 32 hat einen ersten zylindrischen Teil 32a, eine ringförmige
Schulter 32b und einen zweiten zylindrischen Teil 32c von größerem Durchmesser als
der zylindrische Teil 32a.
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Der Block 32 ist drehbar in eine entsprechende Öffnung im Zylinder
14 eingesetzt, die mit einem Anschlag 40 für die Ringschulter 32b (Fig. 3) und mit
einem inneren Zylinderabschnitt 42 ausgebildet ist, in den genau passend der erste
zylindrische Abschnitt 32a des Blocks 32 eingesetzt ist. Wenn der Block 32, wie
Fig. 1 zeigt, in die entsprechende Öffnung im Zylinder eingesetzt ist, erstreckt
sich die ebene Stirnfläche 31 des Blocks als Sehne zum kreisförmigen Querschnitt
des Zylinders. Auf diese Weise lassen sich beim Betrieb unerwünschte Materialstauungen
im Ausgangsbereich des Blocks im Zylinder vermeiden.
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Zwischen den beiden in Fig. 1 unten gezeigten Blöcken ist in den
Zylinder 14 eine Stiftschraube 44 eingeschraubt, auf die eine Beilagscheibe 46 aufgesetzt
ist, von deren einer Fläche an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen
zwei Zähne 48 hervorragen. Jeder diese Zähne greift in eine Kerbe 36 der zugehörigen
Nutmutter 34 ein. Durch Anziehen einer Mutter 50 auf der Stiftschraube 44 wird die
Beilagscheibe 46 unter Druck gegen den Rand beider ihr benachbarten Nutmuttern 34
angelegt, wodurch die entsprechenden Blöcke 32 festgelegt werden. Identische Mittel
sind zum Festlegen der beiden in Fig. 1 oben gezeigten
Blöcke
verwendet. Wie Fig. 3 und 5 zeigen ist eine ähnliche Konstraktion mit einer Stiftschraube
44', einer Beilagscheibe 46' mit Zähnen 48' und einer Mutter 50' auch zum Blockieren
der beiden in Fig. 1 seitlich liegenden Blöcke verwendet, wobei der Unterschied
in diesem Fall darin besteht, daß die Beilagscheibe 46' nur auf eine einzige Nutmutter
drückt, so daß es zweckmäßig ist, sie mit einem Nabenteil 47 zu versehen (Fig. 3
und 5) um ihren Sitz auf der Stiftschraube 44' zu verbessern.
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Wenn die Einstellung der Schaufeln um ihre Achsen verändert werden
soll, werden die Muttern 50, 50' gelockert, die Beilagscheiben 46, 46' zurückgezogen,
damit die bis dahin in die Kerhen 36 eingreifenden Zähne 48, 48' freigegeben werden,
die einzelnen Blöcke um einen Winkel gedreht, der einer oder mehreren Kerben entspricht,
die Zähne 48, 168 in die neuen Kerben eingesetzt und die Muttern wieder angezogen.
Lediglich aus Gründen der Zweckmäßigkeit in der Darstellung sind in Fig. 1 die der
Schnecke 12 zugeordneten Schaufeln 28A, 28B und 28C in der Stellung gezeigt, in
der sie die kleinste Stauung verursachen und bei der sie längs des Zylinders ausgerichtet
sind, während die der Schnecke 10 zugeordneten Schaufeln 30A, 303 und 30C in der
Stellung maximaler Stauung dargestellt sind, in der sie quer zum Zylinder ausgerichtet
sind. In der Praris sind außer in besonderen Yällenvdie Schaufeln immer alle in
der gleichen Weise ausgerichtet.
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Das freie Ende jeder Schaufel ist von einer konkaven Fläche 54 gebildet,
die sich zt.#schen dem Eingangs rand 56 und dem Ausgangsrand 58 der Schaufel erstreckt
(Fig. 4). Der Abstand zwischen den beiden Rändern 56 und 58 bestimmt die Breite
der Schaufel. Diese Breite ist vorzugsweise so groß wie möglich, d.h. sie entspricht
dem Durchmesser des zylindrischen Teils 32a des Blocks 32 oder ist nur etwas kleiner
als dieser. Das Längsprofil der Oberfläche 54 (d.h. die Kurve, die durch das Schneiden
dieser Oberfläche mit der die Achsen der Schaufel und der zugehörigen Schnecke enthaltenden
Ebene entsteht) ist ein Kreisbogen, dessc-n Krümmungsmittelpunkt mit dem Mittelpunkt
der zugehörigen kugelförmigen Erweiterung 26 bzw. 26' zusammenfällt.
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Im einfachsten Fall kann die Oberfläche 54 zylindrisch sein.
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Von Vorteil ist es jedoch, wenn auch das Querprofil 56 (Fig. 1) der
Oberfläche 54 einen Kreisbogen beschreibt, der den gleichen Krümmungsmittelpunkt
hat wie oben erwähnt, oder, noch besser, wenn die Oberfläche 54 ein Teilbereich
einer Kugeloberfläche ist, die mit der zugehörigen kugelförmigen Erweiterung konzerltrisch
ist, so daß alle Punkte der Oberfläche 54 den gleichen Abstand von der zugehörigen
kugelförwigen Erweiterung haben. Per Abstand von der Erweiterung ist vorteilhafterweise
so klein wie möglich.
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Es wird sogar bevorzugt, d die Oberfläche 54 die irweiterung streift
und folglich auf diese eine selbstreinigende Wirkung ausübt, was besonders er##nsclit
ist, wenn der Extruder bei Arbeitsende gereinigt werden muß.
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Im linken Teil in Fig. 1 ist zu sehen, daß der Winkel,
den
die Verbindungslinien von den beiden Enden jeder Schaufel mit dem Mittelpunkt C'
einschließen, sehr groß ist und im Größenordnungsbereich von 800 liegt, so daß nur
drei Schaufeln pro Schnecke (vier Schaufeln im Fall eines Binschneckenextruders)
ausreichen, um einen weiten Bereich an Stauwerten zu erzielen. Aus einem Vergleich
des rechten Teils in Fig. 1 mit dem linken Teil ist leicht zu erkennen, daß bei
quer ausgerichteten Schaufeln das freie Spiel für den Durchlaß der Masse weniger
als 50 % des freien Spiels ausmacht, das bei in Längsrichtung ausgerichteten Schaufeln
gegeben ist.
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Der oben beschriebene eingeschlossene Winkel ist in Fig. 2 mit A
bezeichnet. Es ist klar, daß dieser Winkel nicht größer sein kann als der Winkel
B, der die Winkelweite der "Kugelzone" der Erweiterung 26 darstellt, ohne wegen
der Störung Endzwischen den/punktin der Schaufel und dem Kern der Schnecke die Verstellfreiheit
der Schaufel einzuschränken. Es ist aber ebenfalls offensichtlich, daß in der Praxis
der Winkel A so groß wie möglich sein sollte, was u.a. vom Verhältnis R zwischen
dem Durchmesser der Erweiterung 26 und dem Durchmesser des Kerns der Schnecke abhängt.
Nach bisher vorliegenden Versuchsergebnissen scheint es, als ob das zweckmäßigste
Verhältnis R zwischen 13:10 und 15:10 läge, d.h. daß der Winkel A auf ca. 80-850
ansteigen kann. Der Mindestwert für den Winkel A ist kein Faktor von kritischer
Bedeutung, da es hier von Interesse und auch möglich ist, diesen Winkel so groß
wie möglich zu gestalten.
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Jedoch sei erwähnt, daß bei unverändertem Durchmesser der Brweiterung
26 vorteilhafte Stauwerte bereits bei einem Winkel A
im Bereich
von 500 erzielt werden; aber natürlich ist dabei der Verstellbereich (und infolgedessen
der Grad an Vielseitigkeit) des Extruders nicht mehr optimal.