DE2610972A1

DE2610972A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von rohren aus thermoplastischen kunststoffen

Info

Publication number: DE2610972A1
Application number: DE19762610972
Authority: DE
Inventors: Erich Oprach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-03-16
Filing date: 1976-03-16
Publication date: 1977-09-29
Also published as: DE2610972C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Rohren
aus thermoplastischen Kunststoffen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Herstellung von Hohlsträngen, insbesondere Rohren, aus thermoplastischem Kunststoff, bei gleichzeitigem Kühlen und Kalibrieren der dabei extrudierten Hohlkörper mittels dem Spritzkopf nachgeordneten Kalibrier-und Kühleinrichtungen, sowohl auf der Außen- wie Innenseite der Rohrwandung, sowie auf vorangehende Maßnahmen innerhalb des Spritzkopfes zur Einwirkung auf die plastische Kunststoffmasse im Sinne einer dem Aufquellbestreben derselben an der Austrittsstelle entgegengerichteten Kraft unter lattung der von den Dornhaltestegen erzeugten Wandungslängsnähte.
Rohre und andere Hohlstränge aus Thermoplasten innen wie außen zu kühlen und zu kalibrieren ist an sich aus der DT-OS 1 932 186 bekannt. Wie dort beschrieben, wird dabei das aus der Düse des Extruders austretende thermoplastische Kunststoffmaterial über einen sogenannten Kalibrierdorn gezogen, der mit einem Kühlmittel gefüllt ist. Das für die Außenkühlung vorgesehene Kühlmedium, vorzugsweise Wasser, wird hingegen üblicherweise in einem Kreislauf durch die Stege eines sich im Extrusionskopf des Extruders befindlichen Innenteiles geleitet, das den Materialfluß zu einem Hohlstrang verteilt, und von dem das Kühlmedium an die Kühlfläche gelangt. Der Rückfluß des Kühlmediums erfolgt dann durch den Kalibrierdorn und danach wieder durch die Stege aus dem Extruder heraus.
Derartige Kühleinrichtungen sind aber nicht nur aufwendig sondern weisen außer den notwendigen großen Mengen Kühlmediums noch den wesentlichen Nachteil auf, daß die Stege des Innenteils wegen des starken Durchsatzes von Kühlmedium zu stark abkühlen, was negative Rückwirkungen auf die durch die an den Stegen entlanggleitende Kunststoffmasse hat. Außerdem wärmt sich das Kühlmedium auf dem Wege durch den Extruder bereits auf, was die Wirksamkeit der Gesamtanlage erheblich beeinträchtigt.
Weitere Verfahren und Vorrichtungen ähnlicher Art sind noch in den DT-OS 23 57 078 sowie 23 45 957 dargestellt und beschrieben und weisen gleiche oder ähnliche Nachteile auf, so daß im Einzelnen darauf nicht eingegangen wird. Äucn in aer UT-AS 19 4o 195 anzegebene JMittel und Wege zur Fertigung von Kunststoffrohren mit glatten, hinter den Dornhaltestegen gut verschweißten Nähten, sind nur ungenügend zur Lösung der dabei vorhandenen Probleme geeignet.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die im wesentlichen und unter Vermeidung der bislang bekannten Nachteile an folgenden funktionserheblichen Punkten des Produktionsprozesses wesentliche Verbesserungen bezüglich der Endqualität der Produkte erbringen: a. Schaffung eines relativ kurzen Rohrkopfes und somit Erhöhung des Ausstoßes.
b. Verbesserung der Maßgenauigkeit der Rohre und damit Materialeinsparung durch Mittel im Rohrkopf.
c. Schaffung völlig spannungsfreier Rohre durch gleichzeitige Innen- und Außenkühlung.
d. Verbesserung der beidseitigen End-Kalibrierung Die hierfür erforderlichen baulichen und funktionellen Maßnahmen und Einzelheiten der Erfindung sind aus den Patentansprüchen zu ersehen und in der Beschreibung sowie den Zeichnungen näher ausgeführt.
Es zeigen: Fig. 1 einen Rohrkopf im Längsschnitt, Fig. 2 diedaran anschließende Kalibriereinrichtung, in etwas vergrößertem Maßstab, Fig. 3 eine uerschnittsansicht gemäß der Linie A- B und Fig. 4 in aufgeklappter und stark vergrößerter Darstellung die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich der Dornhalter.
Der in Fig. 1 dargestellte, in üblicher Weise mehrteilige und über die Spannelemente 1, 2, 3 zusammengehaltene Rohrkopf 3a bis 3e mit dem ebenfalls mehrteiligen Dorn 4a bis 4c sowie den Heizstabes 5 o.dgl. mit der Isolierschicht 5a, weist in ebenfalls bekannter Weise einen axial liegenden Materialzuführkanal 6 mit Verteilerraum 6a auf, der nach dem Dornhalter 4d mit den Stegen 4e in radiale, gegeneinander begrenzte Verteilernuten 7 ausläuft bzw. in diese einmündet. Der hieran anschließende, parallele Kreis- Ringspalt ist unmittelbar im Anschluß an die Nuten 7 als sogenannte Kompressionszone in Form einer c2uerschnittsverengung 8 ausgebildet, der in Austrittsrichtung mindestens eine als Mischkammer dienende Erweiterung 10 und mindestens eine zum Aufbau eines Gegendruckes erforderliche nochmalige Kompressionsstrecke 11 folgen, ehe dieser Ringspalt zwischen den Dornteilen 4a bis 4c und den äußeren Rohrkopfteilen 3c bis 3e seinen der späteren Rohrwandstärke 9 in etwa entsprechenden, parallelen Verlauf wieder einnimmt.
In diesem Bereich geht nun folgendes vor sich: Durch die Komprimierung des thermoplastischen Materials in der Zone 8 verschweißen bereits dort die durch die Dornhalterstege 4e zwangsläufig entstandenen in Längsrichtung verlaufenden Nahtstellen zwischen den einzelnen Mantelabschnitten des späteren Rohres 12.
Das aus diesem Abschnitt 8 nun in die Erweiterung 10 quellende Plast vermischt sich untereinander, wobei die sonst auf den Endprodukten bislang immer sichtbaren Längsnähte völlig egalisiert werden und verschwinden; der für diesen Vermischungs-bzw. Egalisierungsprozeß notwendige, verfahrensmäßige Gegendruck, wird durch die zweite Kompressionszone 11 bewirkt, die zugleich das durchgedrückte Material wieder auf die Ringspaltstärke 9 ( etwa Wandstärke des späteren Rohres 12 ) abstreckt.
Nachdem bei den bislang bekannten Rohrköpfen für den zuvor beschriebenen Zweck immer sehr lange Parallelstrecken 9 und somit extrem lange Werkzeuge 3a bis 3e mit 4a bis 4d erforderlich waren, können diese nun relativ kurz gehalten werden.
Dies hat zunächst einmal den Vorteil, daß infolge des somit geringen Arbeitslängenwiderstandes bei relativ niedrigen Druckverhältnissen hohe Ausbringergebnisse mit optimalen Frodukten glatter Oberflächengüte erzielt werden können.
Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die Obergange 7a und 10a scharfkantig ausgebildet sind also wie eine Messer-oder Streichkante glättend auf das plastische Material einwirken; der Kurvenverlauf gemäß 1o d bzw. bei 7 bewirkt das Fließen des Plast an den Kanten 1o a bzw. 7 vorbei.
Die weiterhin noch vor dem parallelen Endbereich 9a des Ringspaltes 9 am Rohrkopfende 13 vorgesehene Abstreckzone 14, deren Länge materialabhängig zu wählen ist, wirkt dem jeweils materialspezifischen bekannten Aufquelleffekt an der Austrittsstelle 13 zwischen Rohrkopfteil 3e und Dornteil 4a dergestalt entgegen, da dieser soweit abgebaut bzw. der Materialfluß im Teil 9a derart vergleichmäßigt wird, so daß Rohre mit genau vorbestimmbarer Wandstärke auf diese Weise in einfacher Form zu fertigen sind.
Die untere Hälfte der Darstellung nach Fig. 1 zeigt im Dorn-und Rohrkopfbereich 4e mit 3c die Variante von zwei nacheinanderliegenden Erweiterungen 10b und 10c mit den zugeordneten Kompressionszonen 8, 11a und 11b.
Zur weiteren Veranschaulichung bzw. zum weiteren und besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dient noch die Darstellung in Fig. 4, bei der stark vergrößert und von der Horizontalebene her aufgeklappt der Bereich 4d des Dornhalters gezeigt ist, insbesondere aber der Weg des Plastikmaterials 18 aus den Kanälen 6, 6a an den Dornhaltern 15, die sich von den Kanten 4e bis 7 in Fig. 1 erstrecken, vorbei, in die Ringraumzonen 8 bis 14. Der Dornhalter selbst nimmt die gesamte Fläche 15 ein, von der man in Fig. 1 nur die zuvor bereits erwähnten Kanten 4e und 7 bzw. 7a sieht. Diese Kanten dienen dabei der ständigen Materialleitung in und aus den Kanälen 16, damit an keiner Stelle des Systems das kontinuierlich flie3ende Plast zur Ruhe kommt und dabei verbrennt. Zusätzliche Ausgleichnuten 17, am Umfang gleichmäßig verteilt, dienen dazu, das mit den Pfeilen 18 angedeutete, aus den Verteilernuten 7 bzw. den Kanälen 16 fließende Material geschwindigkeitsmäßig zusätzlich noch so vereinheitlichen, daß es über die gesamte Kreisringfläche gleichmäßig in Menge und Geschwindigkeit fließt, wodurch gewährleistet ist, daß das am Ende herauskommende Rohr 12 eine einheitliche Wandstärke über die gesamte iuersonnittsflåche aufweist.
Die in Fig. 1 am Ende 13 des Rohrkopfes, der über die Stellschrauben 26 zudem als gesamte vordere Rohrkopfeinheit 4a, 3e ganz genau zentrierbar ist angedeutete, und über die Halterungen 19 auf diesen aufgesetzte, kombinierte Kühl- und Ealibriereinrichtung 20 ist in Fig. 2 ausführlich dargestellt, wobei die nach unten, in Richtung D, weisende Hälfte der Darstellung Fig. 1 entspricht, also Innenkalibrierung vor Außenkalibrierung und der in Richtung C weisende obere Teil eine Alternative zeigt, dergestalt, daß hier das Rohr zunächst außen und danach innen kalibriert wird, was jedoch frei wählbar ist und so gut wie keinen Einfluß auf die Rohrgüte hat. Die zunächst als Ganzes mit Pfeil 20 in Fig. 1 angedeutete Kalibrier- und Kühleinrichtung ist über die Zwischenisolierung 21 am Rohrkopfende 13 angeschlossen, wobei letzteres stirnseitige Ausdrehungen 22 zur Vermeidung von Wärmebrücken aufweist, somit also nur ganz geringe Kontaktflächen vorhanden sind. Die luft- und wassergekühlte Kalibrierung entzieht somit dem Werkzeug keine Wärme.
Aufbau und Wirkungsweise dieser Kalibriereinrichtung, und zwar zunächst im unteren Bereich "D", also entsprechend der Darstellung in Fig. 1, sind dabei folgende: Die Außenkalibrierung wird aus den Ringteilen 23, 24 und 25 gebildet, die zugeordnete, im inneren des Rohres 12 liegende Innenkalibrierung aus den Teilen 27, 28 und 29. Rohrkopf und Kalibriereinrichtung sind dabei von dem Mehrkammerrohr 30 axial durchsetzt, dessen Medienleitungen 31 bis 38 über die Zwischenisolierungen 39 durch das Rohrkopfteil 3b, den Dornhalter 4d und die Dornhalterstege 15 hindurch in die noch näher zu beschreibenden einzelnen Kammern des Rohres 30 geführt sind - wie in Fig. 3 teilweise dargestellt und in Fig.
2 nochmals als Querschnitt angedeutet ist.
Damit das den Rohrkopf verlassende Rohr 12 sich im Anfahrzustand nicht an den Innenkalibrierungsteilen 28, 29 festsetzt, wird durch den Ringspalt 40 in Teil 28 Stützluft auf die Rohrinnenwandung aufgegeben, die über die Leitung 38 der Rohrkammer 30a, und von dort über nicht dargestellte Leitungssysteme dem Ringkanal 41 zugeführt wird; diese Stützluft wird nach erfolgtem Anfahren während des kontinuierlichen Produktionsprozesses weggeschaltet. Die hierfür und für den weiteren Produktionsverlauf erforderlichen Schalt- und Regelelemente sowie die zugeordneten. Steuerungen bleiben unerwähnt, da sie mit den handelsüblichen Bauteilen gelöst werden können.
Sobald nun das Rohr 12 die Außenkalibrierungsteile 24, 25 passiert, wird über den Ringspalt 42 und eine gesonderte, in den Ringkanal 43 mündende Saugleitung ein Vakuum erzeugt. Dieses Vakuum dient dabei nicht, wie seit langem üblich, zur Kalibrierung des Rohres 12, sondern lediglich als Dichtung, damit das von der Außenkühlung über eine ebenfalls nicht gezeigte Zuleitung durch den Ringkanal 44 und Ringspalt 45 aufgegebene Kühlwasser, nicht in Richtung auf das beheizte Rohrkopfende 13 in das System eindringen kann. Die Aussparung 46 in Teil 25 hat hier die Aufgabe, bei Schwankungen der Rohrwandstärke ein Festklemmen des Rohres zu verhindern, da der Materialüberschuß in diese Aussparung ausweichen kann.
Zeitgleich mit der Außenkühlung erfolgt nun die Aufgabe des Kühlwassers für die Rohrinnenwandung über die Zuleitung 33, die Rohrkammer 30d und den Ringkanal 47 durch den Ringspalt 48. Die weitere Außenkühlung des Rohres 12 geschieht über ein bekanntes und daher nicht näher dargestelltes Berieselungssystem 49, die weitere Innenkühlung über die Sprühöffnungen 50 im Rohr 30, wobei die Wasserzufuhr über die Leitungen 31 und 32 in die Rohrkammer 30e erfolgt. Absaugstutzen 51 ( nur eine dargestellt ) ziehen dabei das Kühlwasser 52 von Innenkalibrierung und Sprühsystem aus dem unteren Rohrbereich ( Sumpf ) über die Kammer 30f und die Rohranschlüsse 35 und 36 ab. Es ist dabei selbstverständlich, daß die Querschnittsabmessungen der Abführkammer 30f genau mit dem der Zulaufkammern 30d und 30e abgestimmt sein müssen. Eventuell durch die etwa halbkreisförmige Schleppdichtung 53, deren Form ein sicheres "Einfädeln" des Rohres 12 im Anfahrzustand zuläßt mit Halterung 54 noch austretendes, Wasser wird über das Rohr 51b, durch die Kammer 30b und die Leitung 37 abgesaugt. Ebenso kann ein normalerweise über dem Sumpf 52 endendes weiteres Saugrohr 51a mit Kammer 30e und Leitung 34 zugeschaltet werden, wenn das Kühlwasser höher steigt und von dem System 51 nicht mehr bewältigt wird.
Das gefertigte Rohr selbst wird nach Verlassen von Rohrkopf und Kalibrierung in dem kreisringförmigen Halteteil 55 und einigen nachgeordneten, etwas mehr als halbkreisförmigen Stützteilen 56 geführt, bis es in die übliche Schneideinrichtung gelangt.
Soll, wie die obere Halbdarstellung in Richtung "C" zeigt das Rohr zuerst außen und dann innen kalibriert werden, wird das bauliche und funktionelle Prinzip der Innenkalibrierung 27, 28, 29 gemäß Teildarstellung "D" außen mit den Elementen 27a, 28a, 29a und entsprechender Zuordnung der Rohrkammern verwendet; ebenso das bauliche und funktionelle Prinzip der Außenkalibrierung 23, 24, 25 als 23a, 24a, 25a für die Innenkalibrierung gemäß Teildarstellung C.
generell ist dabei wichtig, da die Breite der Wasser-Ringspalte 45 und 48 im unteren Bereich "D" immer schmaler gehalten ist als im oberen Bereich C die Spalte 48a und 45a - und zwar ganz gleich ob zunächst innen oder außen kalibriert uni gekühlt wird - damit das zugefm-rrte Kühlwasser aufgrund des unten somit größeren und damit der Schwerkraft entgegenwirkenden Strömungswiderstandes a- Ringspaltumfang mcglichst gleichmäßig in Menge und Geschwindigkeit austritt. Die gleichzeitige Innen- und Außenkühlung ijt spannungsfreie Rohre, der erfindungsgemäße Gesamtaufbau eite produktionsgerechte leistungsstarke Anlage, die insbesondere zur Fertigung von Druck- und Hochdruckrohren sinnvoll ist, da diese enormen Bearspruchungen im Betrieb ausgesetzt sind.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von Rohren o.ä. Hohlsträrgen aus thermoplastischen Kunststoffen, unter Nachbehandlung des extrudierten Hohlstranges auf der inneren und äu3eren Mantelseite mittels dem Spritzkopf nachgeordneten Kuhl-und Kalibriereinrichtungen, sowie durch vorangehende Maßnahmen innerhalb des Rohrkopfes zur Einwirkung au nie plastische Kunststoffmasse im Sinne einer dem Auf@uellbestreben derselben an der Austrittsstelle entgegengerichteten Einwirkung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das aus den Zuführkanälen ( o und ca ) Kentinuierlich in den Ringspalt ( 9 ) zwischen Rohrkotf ( 3a bis 3e ) und Dorn ( 4a bis 4c ) gelangende thermoplastische .aterial ( 18 ) unmittelbar hinter den radial verlaufenden Verteilerzonen ( 7 ) der Dornhalter ( 15 ) auf se-ne- uge durch den Rohrkopf ( 32 bis 3e ) zuerst komprimiert, danach mindestens einmal vermIscht, erneut komprimiert und erst dann dem Parallelbereicn ( 9 ) des ringspaltes zugeführt wird, sowie kurz vor dem Austritt ( 13 ) aus dem Rohrkopfteil ( 3e ) eine weitere Kompressionszone ( 14 ) mit nachgeordneter kurzer parallele ( 9a ) gleichen Durchmessers ( 9 ) durchläuft, ohne raumlichen Abstand unmittelbar in eine Kühl- und Kalibriereinrichtung ; ( 20 ) gelangt und in annähernd geweinsamer αuerschnittsebene zeitgleich auf der inneren wie äueren @antelfläche gekühlt und in an sich bekannter Weise abgezogen wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die von den sternförmig im Inneren des Rohrkopfteiles ( 3b ) angeordneten Zuführkanälen ( 16 ) ab zweigenden, radialen Verteilerzonen ( 7 ), eine kreisringförmige -Querschnittsverengung ( 8 ), mindestens eine als Mis kammer dienende Erweiterung ( 10 ) und eine erneute Verengung ( 11 ) gegenüber dem Parallelspalt ( 9 ) anschließen und letzterer ( 9 ) im Endbereich ( 13 ) des Rohrkopfteiles ( 3e ) eine weitere Querschnittsverengung ( 14 ) mit nachgeordneter kürzerer Parallelstrecke ( 9a ) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen ( 10d ) des als Mischkammer dienenden, gegenüber der Farallelstrecke ( 9 ) erweiterten Ringspaltes ( 10 bzw. 10b bzw. 10c ) von der davorliegenden Kompressionsstrecke ( 8 bzw. 11a ) aus annähernd symmetrisch divergierend und in einer stetigen Kurvenbahn ( 10d ) etwa im rechten Winkel ( ) zu den Wandungen der nachfolgenden Kompressionsstrecke ( 11 bzw. 11a bzw.

11b ) auslaufen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge der Erweiterungen ( 10 ) zu den Verengungen ( 10 auf 11, bzw. 10b auf 11a und 10c auf 11b ) als Messerkanten ( 10a ) gestaltet sind.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den DDrnhaltern ( 15 ) in den Bereich der Er@eiterungen ( 10 bzw. 10b ) führende Ausgleichsnuten ( 17 ) nachgeordnet sind.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, das unmittelbar an der Stirnseite ( 13 ) der RohrsD-fteile ( 3e, 4a ) über eine warmeisolierende Zwischenlage ( 21 ) eine funktionsmäßig untereinander verbundene Kühl- und Kalibriereinrichtung ( 20 ) angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des stirnseitigen Dornteiles ( 4a ) etwas kleiner als der Durchmesser der nachgeordneten Innenkalibrierungsteile ( 28, 29 bzw. 24a, 25a ) gealten ist und das abgezogene Rohr ( 12 ) somit saugens auf diesen Teilen aufliegt bzw. über diese hinweggleitet.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rt h g e k e n n z e 1 c h n e t--,-daß den ringförmigen Kalibrierelementen ( 24, 25 sowie 28, 29 bzw. 24a, 25a sowie 28a, 29a ) innen wie augen Elemente ( 44, 45 sowie 47, 48 bzw. 44a, 43 sowie 47a, 48a ) zur erzeugung eines ringförmigen Äasserkissens (52a) zwischen Rohr@andungen (12a, 12b) und Kühlteilen (23, 27 bzw. 23a, 27a) nachgeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der verhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e daß der jeweils ersten Kalibriereinrichtung ( 28, 29 bzw.

28a, 29a) ein eventuellen Materialüberschuß aufrehmender, ringförmiger Ausgleichskanal (46 bz@. 46a) gegenüberliegt.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren de@ vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Zu- und Ableitung särtlicher für die Kühlung und Kalibrierung der Rohrinnenflache ( 12b ) erforderlichen edien über ein den Rohrkoipf und die Innenkalibrierteile axial durchsetzendes Mehrkammerrohr (30) erfolgen.
11, Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Rohr ( 30 ) mit seinen leitungen ( 31 bis 38 ) im Bereich des Rohrkopfes gegenäber diese@ von #ärmeisolierschichten ( 5a, 39 ) geben Ist.
12. Vorrichtung nach den Ansporüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser ( 50a, 52a ) im Rchrinneren durch eine etwa halbkreisförmige Schleppdichtung ( 53, 54 ) zu einem Sumpf ( 52 ) gestaut und aus diesem über Rohrstutzen ( 51, 51a), die in entsprechende Kammern des Rohres (30) einmünden, kontinuierlich abgesaugt wird.