DE2408936A1

DE2408936A1 - Vorrichtung zur verformung von thermoplastrohstoffen und aehnlichen massen mittels rotierender mastifizierwerkzeuge z.b. schnecken oder walzen

Info

Publication number: DE2408936A1
Application number: DE19742408936
Authority: DE
Inventors: Heinz Brand; Helmut Dr Koenig; Ludwig Wittrock
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-02-25
Filing date: 1974-02-25
Publication date: 1975-09-11
Also published as: ATA137475A; SE7501953L; GB1503981A; NL7502178A; BE825954R; IT1046195B; FR2261862B2; FR2261862A2; US3977658A; DD125392A2; SE417409B; AT369320B

Description

nachgereicht]

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMEHICH ■ GERD MÜLLER · n.GHOSSE 22 3^8 h . f»

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LUDWIG WITTROCK₁ ^37O Mari

Vorrichtung zur Verformung von Thermoplastrohstoffen und ähnlichen Massen mittels rotierender Mastifizierwerkzeuge z.B. Schnecken oder Walzen

Zusatz zu Patent (Patentanmeldung P 21 ¹O 923.6

Das liauftpa-tent beschreibt ein Verfahren und Vorrichtungen zur Verformung von Thermoplastrohstoffen und ähnlichen Massen mittels rotierender Mastifizierwerkzeuge, z.B. Schnekken oder Walzen. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Kunststoffrohstoffe und ähnliche Massen, insbesondere Therrr.oplastmaterial bei physikalisch richtig bemessener Verv.'oilzeit verformbar aufzuschmelzen bzw. schweißfähig zu plastifizieren. Die Erfindung stützt sich auf die w/irme technische Begebenheit, daß ein einzelnes aufschmelzbares Kornteilchen von z.B. 0,1 mm Größe im Rohstoffpulvergehäufe innerhalb von etwa 0,3 Sekunden verforrc- und verschweißbar durchplastifiziert wird, wenn es allseitig seiner festliegenden Schmelztemperatur (bei PVC zum Beispiel l65 C) ausgesetzt wird. Die angelegte Temperatur kann wesentlich nöher bemessen werden, z.B. 300°C, wenn das Kornteil nur kurzfristig dieser Temperatur ausgesetzt wird, ohne daß eine erhbliche Schädigung durch thermische überbeanspruchun£, auch von zersetzungsempfindlichen Thermoplastmaterial wie zum Beispiel PVC eintritt. Zersetzungsenpfindliches Thermoplastmaterial kann aberauch, wenn es nur seiner benötigten Schmelztemeratur ausgesetzt wird, einen weit längeren Zeitraum als zum Schmelzen benötigt, beispielsweise 20 Minuten, unter Wärmeeinfluß stehen, ohne daß eine erhebliche Schädigung durch thermische überbeanspruchung eintritt.

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Beim Plastifizieren von Korngehäufen (pulverförmiger Rohstoff) ist es in der Bearbeitungspraxis notwendig wegen der Schwierigkeit jedes einzelne Kornteilchen gleichmäßig aufzuwärmen,die annähernd ideale Temperatur- und Verweilzeitwerte wesentlich zu überschreiten. Bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen treten insbesondere Verweilzwirspannen von 1 : 1000 auf, diaeine zur Zeit noch befriedigende Produktion von Kunststoffartikeln gestatten.

Das im Hauptpatent beschriebene Verfahren ermöglicht wesentliche Qualitätsverbesserungen des Produktes. Durch Anwendung gesteuerter Reibwirkung zwischen den einzelnen ,Kornteilchen im Rohstoffgehäuse kann eine gleichmäßige, allseitige Erwärmung der Durchsatzmasse und damit eine großmögliche Annäherung an ideale Verweilzeiten stattfinden. Bei Einhaltung idealer Verweilzeiten kann deren Relativwert weiter gekürzt werden durch Anlage höherer, kurzfristig einwirkender Temperaturen zur Erzeugung eines wirksameren Wärmegefälles zwecks Erreichung der Schmelztemperatur.

Zur Durchführung des Verfahrens sind im Hauptpatent Vorrichtungen vorgeschlagen, die erfindungsgemäß gestaltet und kombiniert sind. Die Vorrichtungen bestehen im wesentlichen aus einem drehzahlgesteuerten Plastifizierteil, d.h. einem Plastifizieraggregat mit Gehäuse und Rotor, das im nachfolgenden als Einwirkungsreaktor bezeichnet werden soll, einer vorgeschalteten drehzahlgesteuerten Einspeisepumpe und einer nachgeschalteten drehzahlgesteuerten Austrage- bzw. Kompressionspumpe.

Während die Zuspeise- und Austragepumpe so gestaltet sind, daß lediglich eine Transport- bzw. Kompressionsfunktion bei möglichst geringer Reibungswärmeentwicklung ausge-

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führt werden soll, ist der Einwirkungsreaktor so gestaltet, daß über rotierende, nicht transportbedingende Knetorgane durch Drehzahlbemessung des Rotors so viel innere Reibungsarbeit in der durchgeschobenen Masse geleistet wird, daß die unter gesteuertem Einpreßdruck zugeführte Rohstoffmasse vorrangig ausschließlich durch Reibungswärme voll aufgeschmolzen bzw. plastifiziert wird.

Zur Aufgabe der Erfindung gehört insbesondere die Gestaltung der Vorrichtungsteile zum verfahrensbedingten, genügend schnell kontinuierlichen Trasnport der zu verarbeitenden Masse unter gesteuertem Druck in den Einwirkungsreaktor hinein, durch diesen hindurch und aus ihm heraus, ohne daß Wandreibungsfließwiderstände die Masse durch örtliche, unzulängliche Erwärmung schädigen.

Im Hauptpatent sind Ein- und Ausgangspumpen, beispielsweise in Schneckenpressenausbildung, vorzugsweise als Doppelschneckenpumpen vorgeschlagen. Doppelschneckenpumpen im Verdrängerprinzip fördernd benötigen keine Wandreibung zur Förderfunktion. Die bei Doppelschnecken auftretende Wandreibung kann durch Ausbildung der Pumpe für bereits hohe Durchsatzleistungen tragbar klein gehalten werden.

Als Einwirkungsreaktor ist beispielsweise ein Gehäuse vorgeschlagen, in dem ein Knetrotor mit Schernocken so angeordnet ist, daß ein freier Durchflußquerschnitt verbleibt, der so groß ist,daß ein schneller Durchfluß der Masse in Achsrichtung ohne schädigende Wandreibungsgrößen stattfinden kann, wobei die Wandreibung in Umfangsrichtung der Knetelemente zur Bildung von Scherkräften als Widerstand ausgenützt wird. Ein unvermeidliches, zusätzliches örtliches Erwärmen der Masse kann im Verhältnis zur übergroßen

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Wärmebildung durch innere Reibung auch bei größeren Leistun gen, allerdings begrenzt, noch schadlos auftreten.

Erfindungsgemäß können dieDurchsatzleistungen erheblich erweitert werden, wenn diefoei allen zur Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptpatent zur Funktion von Einfachschneckenpumpen und des Einwirkungsreaktors benötigte Wandreibung annähernd auf das Maß gebracht wird, daß bei Verwendung dieser Einfachschnecken als Element der durchzuführenden Transport- bzw. Kompressionsarbeit und bei Verwendung eines Rotors mit Knetnocken im Einwirkungsreaktor der benötigten Widerstandsarbeit an der inneren Gehäusewand des Rotors entspricht und zwar dadurch, daß die wirksame Reibfläche des rotierenden Werkzeuges, insbesondere bei großen Förderquerschnitten wesentlich kleiner bemessen ist als die berührte Oberfläche der feststehenden Gehuusewandung. Den verschiedenen Oberflächengrößen entsprechend ist die Reibkraft an der Gehäusewandung dann stets größer als an der Werkzeugoberfläche, wenn Kraftkomponenten in Umfangsrichtung von selten der Schneckenstege oder Schernocken im wirksamen Oberflächenanteil berücksichtigt werden.

Bekannte Einschneckenpressen, die transportieren und gleich zeitig komprimieren müssen, z.B. Extruderschnecken, sind an eine leistungshemmende Höchstgangtiefe gebunden. Die Förderleistung unter Druck wird mit zunehmender Gangtiefe zunächst höher, aber bei weiterer Vergrößerung über ein vom Schneckendurchmesser abhängiges Maß hinaus wieder kleiner bis zum Leistungswert 0. Die Ursache liegt darin, daß die Forderfunktionsbedingung für Druckschnecken, nämlich kleinere Reibwirkung im Schneckengang gegenüber größerer Reibwirkung im Gehäusemantel von einer festliegenden Gangtiefe an nicht mehr erfüllt wird. Die im

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Quadrat mit zunehmender Gangtiefe wachsende Oberfläche der Stirnseiten der Schneckengangstege erzeugt höhere Reibungskräfte als die linear stattfindende Verkleinerung der Schneckenkernoberflache bei zun ehmender Gangtiefe. Besonders reibungshemmend im Schneckengang ist die Kraftkomponente in Umfangsrichtung, die größenmäßig vom gewählten Gangsteigungswinkel abhängig von der druckbelasteten Stirnseite des Schneckenganges ausgeht. Die bekannten Konstruktionen für Druckschnecken werden daher so ausgeführt, daß der Schneckengang einen möglichst kleinen Steigungswinkel besitzt, der keine höhere Gangsteigung als das Maß des Schneckendurchmessers ergibt, um die Reibkomponente in umfangsrichtung klein zu halten. Die Gangtiefenbegrenzung wird dabei nicht aufgehoben.

Um durch Reibwirkungsvergrößerung der Zylinderwand leistungs fähigere Gangtiefen anlegen zu können, wird die Zylinderwand aufgerauht genutet oder mit gegenläufigen Gewinden versehen. Solche Maßnahmen sind aufwendig und fließstörend; die Gangtiefenbegrenzung wird nur geringfügig erweitert. Erfahrungsgemäß können die Gangtiefen bei bekannten Schneckenkonstruktionen nicht über das 0,12-fache Maß des Schneckendurchmessers hinaus angelegt werden, um ein untragbares Rutschen des Fördermediums in Umfangsrichtung an der Zylinderwand mit ungünstigem Fördereffekt zu vermeiden.

Nach der Erfindung können die Einfachschnecken weiter bei Verwendung einer glatten Zylinderwand für die Durchführung des Verfahrens bei beliebiger Gangtiefe lediglich durch Oberflächenbemessung des Schneckenganges mit Sicherheit eine förderfunktionsbedingte kleinere Reibfläche des Schneckenganges gegenüber der jeweils zum Gewindegang vorhandenen Zylinderwandoberfläche besitzen, wenn eine entsprechend große Gangsteigung angelegt wird.

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Versuche haben ergeben, daß eine starke Vergrößerung des gewohnten Gangsteigungswinkels trotz der dabei vorhandenen Vergrößerung der Kraftkomponente in Umfangsrichtung den Gesamtwiderstand im Schneckengang durch erhebliche Vergrößerung der einwirkenden Manteloberfläche gegenüber der Vergrößerung' der Schneckenoberfläche die erforderliche Reibwirkungsdifferenz zur Transportfunktion gestattet.

Die Versuche haben gezeigt, daß Schneckengänge, die anstatt einer üblichen Steigung von etwa Schneckendurchmessergrcße, eine Steigung,die etwa 1,5 mal größer als der Schneckendurchmesser ist, sitzen, unabhängig von Durchmessergröiie und Gegendruck eine mit zunehmender Gangtiefe ansteigende Förder- bzw. Kompressionsleistung erbringen. Die Gangtiefen können dabei, soweit dies das angelegte Drehmoment dem verkleinerten Schneckenkern aus Festigkeits-Cründen gestattet, beliebig groß ausgebildet sein.

Förderpumpen mit erfindungsgemäß gestalteten Druckschnecken sind im Transporteffekt unabhängig von Viskosität und Reibwerten plastischer Massen. Beim Transport von hochviskosen Medien, insbesondere pulverförmigen Rohstoffen, besitzen sie wie Doppelschnecken oder Kolbenpumpen/auch bei größter Gangtiefe durch vorhandene Selbsthemmung eine Druckwirkung bis zur Blockierung des angelegten Antriebes. Übermäßige Reibungswärme durch ungewolltes Gleiten des Mediums in Umfangsrichtung der Zylinderwand ohne Fördereffekt kann nicht auftreten.

Die gefundenen Erkenntnisse gestatten auch eine wesentliche Erweiterung der Durchsatzmengenbegrenzung von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptpatent im angewandten Einwirkungsreaktor.

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Durch Anlage einer entsprechend kleinenOberflache des rotierenden Knetwerkzeuges im Verhältnis zu einer entspre chend größeren Oberfläche der berührten, feststehenden Gehäusewand, kann mit Sicherheit erreicht werden, daß ein übermäßiges örtliches überhitzen von Masseteilchen durch zu starkes Gleiten der Masse in Umfangsrichtung der Gehäusewandung auftritt und die zugeführte Plastifizierungsenergie überwiegend durch gegenseitiges Kneten der Mö.3seteile, also durch innere Reibung, einwirkt. Unvermeidliche örtliche höhere Erwärmung von Masseteilen an den Oberflächen des Knetwerkzeuges werden beim vorhandenen intensiven i'lischprozeß ohne Produktschädigung ausgeglichen.

Bei der Bemessung des Oberflächenverhältnisses wird die Kraftkomponente der angeordneten Schernocken in Umfangsrichtung des Reaktorrotors berücksichtigt. Die Anzahl und Gestaltung der üchernocken ist bei der Bemessung der CcheroberflUche des Rotors in Verbindung mit den auftretenden Kraftkomponenten in Umfangsrichtung mitbestimmend.

Versuche haben ergeben, daß die angelegte Oberfläche von hotor einschlich lieh Schernocke zuzüglich Projektionsflächen der üchernocken als Funktionsbedingung höchstens der berührten Gehäusewandoberfläche betragen darf.

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Die i-.rfiriuung: v;ird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung Zeigt in

ii.:. I uU· Jeöamtvorrichtung in: Axialschnitt, in

Vi,£. Z t_-i:ic Transport- Druckschnecke im Axialschnitt, in

Fig. 3 (.;.'·.·_ί. Hadialschnitt durch Fig. 2, in

rifj. " Jen Iinwirkungsreaktor ir. Axialschnitt und in

Fi₁ . · Jo:. hvjialsehnitt von Fig. 4 .

\ac:. i : f\. 1 i .3 *. im Zuf Uhrunp32ylinder 1 die regelbar an-,,!.vri'if:.'; .. ir.faohschnecke k! angeordnet. Die Rohstoi'i'auf-.iraLo wiru dui-ch der: Trichter 3 symbolisiert. Die ochneki-'t-j 2 ].i'fiit den bei 3 au^oführten Rohstoff durch das £inv.^rKUii.^^.rt-.iX't cr^t.hüuse ^. Der Rohstoff wird in diesem i.c-ato _>r ;Le.· ;-.·π regelbar angetriebenen 'Rotor ^c> _t der .'•■.::if-r!iw-.;»-:e:i ', besitzt, geknetet und durch Knetreibungs- vrii-i-'iC ] I ^i ,: :"i:-;iert bzw. aufgescnnolzen. Lie plasti fixiert: -as^f/ wird kontinuierlich über die Druckwirkung der Jcm.eCKe 2 in den Austrittszylinder 7 geschoben und von der ^irifaciüchnecke c mit erforderlicher; Kompressions- -Ji¹UCK in die Austrittsaüse ) gepreßt. Durch getrennte ivreh^.iwlst-.iuerung von rlinfachscnriecke 2 und hini'achschnecke ;. ι·:.·ιηΓί i,"_; i.inwirkungsreaktor Ί ein beliebiger ^urchfluJi- ;iruc-, aer l\x verarbeitenden Kasse zur zusätzlichen Steuerunr der Knetarbeit des Rotors 5 eingeregelt v/erden.

Die einzelnen Zonen d-r Vorrichtung können mit üblichen, gerepolten Te:^perieranlagen für Fremdbeheizung oder Kühlen, für Ar.fahr- oder Temperaturprogramrnaufgaben, sowie mit L/rjcKü.t'jJ- und hegelstelieri auch gegenseitig einwirkenäfeur autontatisciien Temperatur- und Drehzahlsteuerung ausgtstattet bein.

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In Fig. I und 3 weist die Einfachschnecke 10 eine Gewinde steigung 11 auf, die so bemessen ist, daß sie mindestens 1,5 mal größer ist als der Schneckendurchrr.esser 12, wobei eine Gangtiefengrttße 13 vorhanden sein kann, wie sie vom Schneekendurchmesser 14 konstruktiv, aus Festigkeitsgründen rnaxinal anlegbar ist.

Die Oberfläche des Rotors 15 nach Fig. h und ^rj einschließlich Jer Gehernocken 16 ist durch die Umfangslinie 17 symbolisiert unci durch die Wahl des Durchmessers I¹J des Rotors Vj ur.u aer Anzahl der Nocken Io so bemessen, daß sie uaon Addition der in Urafangsrichtung widerstandsbilde-nden riOje.itior.sflachen I¹J der Schernocken 16 kleiner ist als die den Jui'chr.esser 20 des Reaktorgeirluses 21 entsprechende Inneuv/aiiüouerflache 2?.

Die erfinduncs^ernäße Ausbildung von Trasivportschnecken zur 2'.u- und Abfuhr aer irr. Einwirkungsreaktor zu verarbeitenden Masse und dio entsprechende Ausbildung des Knetrotors ist relativ einfach. In besonderen Fällen, wenn ζ. B. keine großen Durchsatzleistungen erforderlich sind, können die Vorrichtungüeleirente für besondere Rohstoffarten konstruktiv so bernessen werden, daß der verfahrensbedingte günstigste Knetdruck durch Förderleistungen bei der Zuspeise - und Austragspumpe über Transporteffekte erzielt wird. In solchen Fällen kann dannAuf getrennte Drehzahlregulierung der einzelnen Zonen verzichtet werden. Die Schnecken bzw. auch derKnetrotor können dann auf einer gemeinsamen Achse angeordnet einen gemeinsamen regelbaren Antrieb besitzen bzw. auch zwei getrennten Achsen angeordnet zwei regelbare Antriebe aufweisen.

Der günstigste Knetdruck im Einwirkungsreaktor mittels der Förderfunktion von konstruktiv entsprechend bemessenen Transportschnecken kann zusätzlich noch dadurch gesteuert

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werden, daß eine verstellbare Drossel im Austrittskanal des Einwirkungsreaktors angeordnet wird, die/beispielsweise darin bestehen kann, daß die Welle des Knetrotors in Austrittskanal kegelig ausgebildet ist und über ein Axiäiverochieben der Rotorwelle der Durchflußquerschnitt der /.ustrittoöffnung grcilenmäßig verändert wird.

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Claims

22 3^β h.gs 10. Febr. 197« -Al- LUDWIG WITTROCK, fr 370 Marl Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens zur Verformung von Thermoplast- Rohstoffen und ähnlichen Massen über rotierende Mastifizierwerkzeuge, bei dem die zu verarbeitende Masse über eine regelbar angetriebene Fördereinrichtung einer Plastifiziereinrichtung, die vorzugsweise unter Ausnützung der Knetreibungswärme wirkt, zugeführt und die plastifizierte Masse anschließend von einer weiteren Fördereinrichtung so komprimiert wird, daß sie zu Strängen oder Formteilen verpreßt werden kann, bestehend aus einer getrennt regelbar angeordneten Zuspeiseeinrichtung zu einem vorwiegend über Reibungsarbeit wirkendem, getrennt regelbar angeordneten Plastifiziertil'mit nachfolgend vorgesehener, getrennt dazu regelbarer Kompressionseinrichtung nach Patent....(Patentanmeldung P 21 H3 923.6) dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionseinrichtungen als Einfachschnecken ausgebildet sind.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daJi die Trasnport- bzw. Druckschnecken bei einer Gangsteigung, die größer ist als der Schneckendurchmesser, verzugsweise 1,5-fach größer, eine Gangtiefe von mindestens 15/100, vorzugsweise 20/100 des Durchmessers aufweisen.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und/oder 2 mit einem Reaktorrotor mit Schernocken

dadurch gekennzeichnet, dai? die angelegte Oberfläche des Rotors (15) einschließ lich der Oberflächen der Schernocken (16) und der Projektionsflächen (19) nicht mehr als 80# der Oberfläche der berührten Innenwand (22) des Reaktorgehäuses (21) beträgt.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3

dadurch gekennzeichnet, daß die Transportschnecken leistungsmäßig so bemessen sind, dan auch bei Anordnung auf einer oder zwei gemeinsam angetriebenen Wellen im Einwirkungsroaktor über die Transport funktion ein für besondere Verarbeitunjrsmeuien ausreichender Knetdruck erzielt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittskanal des Einwirkungsreaktors eine verstellbare Drossel aufweist.

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