DE2624589B2 - Extrudiermaschine für thermoplastische Kunststoffe - Google Patents
Extrudiermaschine für thermoplastische KunststoffeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Extrudiermaschine für
thermoplastische Kunststoffe, mit einer in einem ίο Zylinder arbeitenden Schnecke, die in Längsrichtung in
mindestens drei, vom zu verarbeitenden Material nacheinander durchlaufene Zonen unterteilt ist, nämlich
einer Speisezone, einer Plastifizierzone und einer Homogenisierzone, wobei die Plastifizierzone durch
eine oder mehrere schraubenlinienförmige Schneckenrippen bestimmt ist, welche zusammen mit dem Kern
der Schnecke und den Zylinder einen oder mehrere kontinuierliche, dsn Werkstoff zum Ausgang der
Extrudiermaschine leitende Kanäle begrenzen und wobei mindestens eine dieser Schneckenrippen von
einer Mehrzahl von Schlitzen durchsetzt ist, die ihre stromabwärtige Flanke mit ihrer stromaufwärtigen
Flanke verbinden.
Bei einer nach der US-PS 36 80 844 bekannten Extrudiermaschine dieser Art verlaufen die Schlitze
schräg zur Längsachse der Schnecke.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Durchsatz einer solchen Extrudiermaschine zu erhöhen.
Zui Lösung dieser Aufgabe ist die Extrudiermaschine
dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze in die Längsachse der Schnecke enthaltenden Axialebenen
liegen.
Durch diese Anordnung der Schlitze wird ein erhöhter Durchsatz durch die Extrudiermaschine
bewirkt, ohne daß die Extrudiermaschine in ihren Abmessungen vergrößert werden muß und ohne daß die
Qualität und Homogenität des plastifizierten Kunststoffs gemindert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in ■to den Un;eransprüchen angegeben.
Extrudiermaschinen, bei welchen die Schnecke zwei Schneckenrippen von konstanter, aber unterschiedlich
großer Steigung aufweist, wobei jene mit der größeren Steigung eine Durchlaßrippe ist, die zusammen mit der
*5 anderen Schneckenrippe einen Eintrittskanal, dessen
Querschnittsgröße zum Ausgang hin abnimmt, sowie einen Austrittskanal begrenzt, dessen Querschnittsgröße zum Ausgang hin zunimmt, sind an sich nach der
US-PS 36 52 064 und in ähnlicher Ausführung nach der US-PS 35 93 843 bekannt.
Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt
F i g. 1 einen schematischen Axialschnitt eines Ausführungsbeispieles,
Fig.2 einen Querschnitt nach der Linie H-II in der
F i g. 1, und
F i g. 3 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform.
In der Zeichnung ist, soweit es für das Verständnis der
Erfindung erforderlich erscheint, eine Extrudiermaschine gezeigt, deren Zylinder 1 eine glatte Innenoberfläche
hat und an seinem stromaufwärtigen Ende einen Einfülltrichter 2 trägt; am stromabwärtigen (nicht
b5 gezeigten) Ende dieses Zylinders ist ein Extrudierkopf
angeschlossen. Der Zylinder könnte an seiner Innenoberfläche mit Nuten versehen sein.
stromaufwärtiges Ende mit Kupplungsnuten 4 versehen ist, die zum Anschluß an einen motorischen Antrieb
dienen. Ausgehend von diesem stromaufwärtigen Ende ist die Schnecke über ihrer Länge in mehrere Zonen
unterteilt: eine Speisezone 5, deren ströniungsaufwärtiges
Ende von dem die Kupplungsnuten 4 aufweisenden Abschnitt durch eine Dichtungsvorrichtung 6 getrennt
ist, eine Plastifizierzone 7 und eine Homogenisierzone 8,
die sich bis zum strömungsabwärtigen Ende der Schnecke erstreckt
Zwischen der Speisezone 5 und der Plastifizierzone 7 ist noch eine Zwischenzone Sa eingesetzt, die Übergangszone
genannt wird. In der Speisezone 5 hat die Schnecke zwei Schnectenrippen 9 und 10 von gleich
großer Steigung. Diese Zone befindet sich unter dem Einfülltrichter 2 und dient dem Zweck, die Körner des
granulatförmigen Werkstoffes in den Zylinder 1 einzuführen und sie dabei zusammenzudrücken, wobei
zugleich dem in der Maschine enthaltenden Material ein Schub erteilt wird, der es veranlaßt zum strömungsabwärtigen
Ende zu fließen. Die Übergangszone 5a dient dazu, die Werkstoffkörner zu verteilen, weshalb in
dieser Zone nur noch eine der beiden Schneckenrippen 9 und 10 vorhanden ist Auch ist in dieser Zone der
Durchmesser des Schneckenkernes etwas größer als in der Speisezone. Der Kern weist also in dieser
Übergangszone eine Übergangsfläche 5b auf. Die
Plastifizierzone 7 folgt unmittelbar auf die Üoergangszone 5a; in ihr hat die Schnecke zwei Schneckenrippen
11 und 12 von konstanter aber unterschiedlicher Steigung. Die Schneckenrippe 11 erstreckt sich b der
Verlängerung der Schneckenrippe 10 und hat die gleiche Steigung wie dieselbe, wogegen die Schneckenrippe
12 eine kleinere Steigung hat. Diese Schneckenrippe 12 hat ihren Anfang auf der stromaufwärtigen
Flanke der Schneckenrippe 11 am Anfang der Plastifizierzone 7, entfernt sich dann allmählich von ihr
stromabwärts um dann am Ende der Plastifizierzone auf die stromaufwärtige Flanke dieser gleichen Schneckenrippe
zu stoßen, nachdem sie einen Umgang mehr durchlaufen hat. Am stromabwärtigen Ende der
Schneckenrippe 11 ist eine Nut Ua vorgesehen, die geringfügig weniger tief ist als der zwischen den
Schneckengängen vorhandene Schneckenkanal. Die Schneckenrippe 11 erstreckt sich über mindestens zwei
voüständige Umgänge. Ihre stromaufwärtige und stromabwärtige Flanken sind zur zylindrischen Fläche,
die den Boden der Schneckenkanäle 15 bildet, geringfügig geneigt.
Die Mantelfläche der Schneckenrippe 11 ist in einer zylindrischen Fläche enthalten, deren geometrische
Achse mit der Drehachse der Schnecke zusammenfällt und deren Durchmesser etwas kleiner ist als der
Innendurchmesser des Zylinders 1. Die Schneckenrippe
12 hat das gleiche Profil wie die Schneckenrippe i 1, hat
also auch geneigte Flanken; die radiale Höhe dieser Schneckenrippe 12 könnte aber kleiner oder größer sein
als jene der Schneckenrippe 11.
Die Schneckenrippe 11, im vorliegenden Zusammenhang
auch Durchlaßrippe genannt, hai eine Vielzahl von
Schlitzen 13, die sich über ihre ganze radia-c Höhe erstrecken, u.zw. in Axialebenen der Schnecke, also
radial zum Schneckenkern. In einem typischen Ausführungsbeispiel, das eingehenden Versuchen unterworfen
wurde, und in dem die Schnecke einen Durchmesser von 80 mm hatte, betrug die Anzahl von Schlitzen sechzig
pro Umgang und ihre Weite betrug 0,8 mm. Es ergab sich hieraus, daß die Totalquerschnittsfläche sämtlicher
Schlitze etwa 20% dei Totaloberfiäche der Schnecke
betrug.
Die Durchlaßrippe 11 begrenzt auf der strömungsaufwärtigen
Seite einen Eintrittskanal 16 und auf der strömungsabwärtigen Seite einen Austrittskanal 17. Der
Eintrittskanal 16 hat einen Querschnitt, der bis auf Null abnimmt, welcher Wert am Ende der Plastifizierzone
erreicht wird; dafür hat aber der Austrittskanal 16 einen Querschnitt, der allmählich zunimmt und der am Ende
ίο der Plastifizierzone eine Fortsetzung findet im Homogenisierkanal
17 von konstantem Querschnitt, der durch die Schneckenrippe 14 begrenzt ist. Diese einzige
Schneckenrippe 14, die in der Homogenisierzone 8 vorhanden ist, hat die gleiche Steigung wie die
is Schneckenrippe 12. Diese Zone ist im übrigen nach
bekannten Vorbildern ausgebildet. Es würde fcMgcsieüi,
daß die vorhin erwähnten Schlitze 13 einen vollständig unerwarteten Effekt zeitigen. Man hätte erwarten
können, daß bei einem Vergleich zwischen zwei Schnecken, die sich nur durch das Vorhandensein von
Schlitzen 13 in der Durchlaßrippe 11 bei der einen dieser
Schnecken voneinander unterscheiden, der Wirkungsgrad der mit den Schlitzen 13 versehenen infolge
Verminderung der Wirksamkeit der Schneckenrippe 11 vermindert wäre, und daß demzufolge der Durchsatz
der Extrudiermaschine bei einer gegebenen Drehzahl der Schnecke kleiner ausfallen würde. Doch haben die
Versuche gezeigt, daß die Wirkung dieser Erwartung direkt entgegengesetzt ist, daß nämlich der Durchsatz
der Extrudiermaschine in der Größenordnung von 30% größer ist. Außer dieser Vergrößerung des Durchsatzes
konnte auch eine Verminderung der Erwärmung festgestellt werden, so daß die Austrittstemperatur der
plastifizierten Masse in der Extrudiermaschine mit Durchlaßschlitzen 13 niedriger lag als in jener ohne
diese Schlitze. Die Versuche haben gezeigt, daß es möglich ist die Drehzahl der Schnecke beispielsweise
von 100 auf 120/min. zu erhöhen, ohne daß Temperaturen erreicht werden, die für den Werkstoff gefährlich
♦o sind. Im Schlußergebnis war die erzielbare totale
Vergrößerung des Durchsatzes etwa in der Größenordnung von 50%.
Es wurde des weiteren festgestellt, daß durch Einbringen von engen Durchlässen, die die stromaufwärtige
Flanke mit der stromabwärtigen Flanke der Schneckenrippe in der Plastifizierzone verbinden, der
Durchsatz der Extrudiermaschine nicht nur dann erhöht wird, wenn diese Durchlässe in der einen von zwei
Schneckenrippen vorgesehen sind, die konstante aber w unterschiedliche Steigungen haben, sondern auch dann
wenn solche Durchlässe in der Schneckenrippe Ί2 des
dargestellten Ausführungsbeispieles oder in beiden Schneckenrippen 11 und 12 vorhanden sind. Es wurde
auch festgestellt, daß die Durchsatzerhöhung auch dann erreicht wird, wenn die eine oder andere der
Schneckenrippen 11 oder 12 an ihrem stromaufwärtigen
oder an ihrem stromabwärtigen Ende unterbrochen ist, bevor sie sich an die andere Schneckenrippe anschließt.
Des weiteren ist es auch nicht erforderlich, daß die beiden Schnecken unterschiedlich große Steigungen
haben, und daß die Anzahl der Schneckenrippen größer als 1 ist In jeder Schneckenrippe, die das Material in
einer Plastifizierzone einer Extrudiermaschine stromabwurts transportiert, verursacht das Vorhandensein von
bs vielen engen Durchlässen, welche die stromaufwärtige
Flanke der Schneckenrippe direkt mit der stromabwärtigen Flanke dieser Rippe verbinden, eine Durchsatzerhöhung
unter gleichzeitiger Verbesserung der Plastifi-
zierung.
Die engen Durchlässe können aus einfachen Löchern 19 bestehen, die sich gemäß Fig.3 durch die
Schneckenrippe hindurch erstrecken. Vorzugsweise sollte die Weite der Schlitze größer sein als das
Radialspiel zwischen Schnecke und Zylinder; das Höchstmaß dieser Weite wird aber in der Praxis
begrenzt sein durch die Dimensionen der Körner, aus denen der Werkstoff anfänglich besteht. Falls die
Schlitze radial stehen, können sie sich bis zum Kern der |0
Schnecke hin erstrecken oder eine Höhe haben, die geringer ist als jene der Schneckenrippe. Wichtig ist,
daß in der Plastifizierzone jedes Materialkorn durch die vorhandenen engen Durchlässe, also durch die Schlitze
oder Locher in der Schneckenrippe und durch den engen Spalt zwischen Schneckenrippe und Zylinder
hindurchtreten muß, was das Schmelzen des Materials mindestens an der Oberfläche und damit die Verminderung
der Größe der Körner gewährleistet.
Falls der Zylinder an seiner Innenoberfläche Rinnen hat, können sich diese achsparallel oder nach Schraubenlinien
über die Übergangs- oder Zwischenzone 5a, die Plastifizierzone 7 und die Homogenisierzone 8
hinweg oder nur über einen Teil d!oser Länge
erstrecken.
Um den Effekt der beschriebenen engen Durchlässe zu verstehen, kann angenommen werden, daß in einer
Extrudiermaschine, wie beispielsweise in jener nach Fig. 1, die Schneckenrippen 9 und 10 den körnigen
Werkstoff stromabwärts verdrängen, daß aber der noch unvollständig plastifizierte Werkstoffanteil, der in der
Plastifizierzone 7 enthalten ist, sich der stromabwärtigen Verdrängung entgegengesetzt und die Unterdrucksetzung
längs des Zylinders der Extrudiermaschine beeinträchtigt. Um den Durchsatz zu erhöhen, ist es also
von Vorteil, daß die Erhitzung und die Plastifizierung des Werkstoffes so rasch wie möglich erfolgen, damit
die Bremsung durch Reibung so rasch wie möglich vermindert wird. Die Vergrößerung der Kontaktfläch«
bei Vorhandensein der Schlitze oder sonstigen enger Durchlässe begünstigt den Wärmeübergang. Im übriger
erfolgt beim Arbeiten einer Schnecke wie dei dargestellten eine verhältnismäßig große Wärmeabga
be schon beim Eintritt in den Zylinder, also dort wo die Körner noch fest sind und deshalb ihrer Verschiebung
einen großen Widerstand entgegenstellen. Diese War meabgabe führt zu einer Erhitzung der metallischer
Teile und namentlich des Kernes der Schnecke bis zi einer Temperatur, die über dem Erweichungspunkt de;
thermoplastischen Werkstoffes liegt; demzufolge er fährt die Schnecke eine Erwärmung bis in die
Plastifizierzone. wo das Metall sich auf einer Tempera tür befindet, die höher liegt als die mittlere Temperatui
der in Plastifizierung begriffenen Masse. Die vieler engen Durchlässe, die in der Durchlaßrippe 11
vorgesehen sind, ermöglichen also auch kleiner Teilchen des Werkstoffes, mit dem Metall der Schnecke
in Berührung zu bleiben oder zumindest nahe bei diesen Metall zu verweilen und sich unter dessen Einflul
während einer Zeitdauer zu erwärmen, die größer ist ah wenn als einziger Durchlaß nur der Spalt zwischer
Schneckenrippe und Zylinder vorliegt Deshalb wird di< Plastifizierung der Gesamtmasse durch das Vorhanden
sein der engen Durchlässe beschleunigt und somit wire auch der Widerstand, den die Masse ihrem Transpor
stromabwärts entgegenstellt, vermindert Der durch die
Schneckenrippen 9 und 10 eingeleitete Verdrängungsef fekt führt dann zu einem rascheren Abfluß, woraus siel·
die Vergrößerung des Durchsatzes ergibt, die festgestellt werden konnte ebenso wie die Temperaturerniedrigung,
die ihrerseits durch ermöglichte Erhöhung dei zulässigen Drehzahl noch einmal eine Durchsatzerhöhung
ermöglicht
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Extrudiermaschine für thermoplastische Kunststoffe, mit einer in einem Zylinder arbeitenden
Schnecke, die in Längsrichtung in mindestens drei, vom zu verarbeitenden Material nacheinander
durchlaufene Zonen unterteilt ist, nämlich einer Speisezone, einer Plastifizierzone und einer Homogenisierzone, wobei die Plastifizierzone durch eine
oder mehrere schraubenlinienförmige Schneckenrippen bestimmt ist, welche zusammen mit dem
Kern der Schnecke und dem Zylinder einen oder mehrere kontinuierliche, den Werkstoff zum Ausgang der Extrudiermaschine leitende Kanäle begrenzen und wobei mindestens eine dieser Schnekkenrippen von einer Mehrzahl von Schlitzen
durchsetzt ist, die ihre stroinabwärtige Flanke mit
ihrer stromaufwärtigen Flanke verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (13,
19) in die Längsachse der Schnecke (3) enthaltenden Axialebenen liegen.
2. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schlitze (13) über die
ganze radiale Höhe der Schneckenrippe erstrecken.
3. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schlitze (19) nur über
einen Teil der radialen Höhe der Schneckenrippe erstrecken.
4. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, bei welcher in der Plastifizierzone die Schnecke zwei
Schneckenrippen von konstanter, aber unterschiedlich großer Steigung hat, wobei jene mit der
größeren Steigung eine Durchlaßrippe ist, die zusammen mit der anderen Schneckenrippe einen
Eintrittskanal, dessen Querschnittsgröße zum Ausgang hin abnimmt, sowie einen Austrittskanal
begrenzt, dessen Querschnittsgröße zum Ausgang hin zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schlitze (13, 19) nur in der Durchlaßrippe (11) vorhanden sind.
5. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, bei welcher in der Plastifizierzone die Schnecke zwei
Schneckenrippen von konstanter, aber unterschiedlich großer Steigung hat, wobei jene mit der
größeren Steigung eine Durchlaßrippe ist, die zusammen mit der anderen Schneckenrippe einen
Eintrittskanal, dessen Querschnittsgröße zum Ausgang hin abnimmt, sowie einen Austrittskanal
begrenzt, dessen Querschnittsgröße zum Ausgang hin zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schlitze (13,19) in beiden Schneckenrippen (11,12)
vorhanden sind.
6. Extrudiermaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Radialspiel zwischen der
Durchlaßrippe (U) und dem Zylinder (1) größer ist als jenes zwischen der anderen Schneckenrippe (12)
und dem Zylinder (1) und daß die Weite der Schlitze (13,19) größer ist als das Radialspiel zwischen der
Durchlaßrippe (U) und dem Zylinder (1).
7. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (19) aus durchgehenden Löchern bestehen.
8. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Durchlaßquerschnitte sämtlicher Schlitze (13,19) etwa 20% einer
Stegfläche der jeweiligen Schneckenrippe (11, 12) beträgt.
9. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schlitze (13, 19) über
mindestens zwei vollständige Gänge der jeweiligen Schneckenrippe (11,12) verteilt sind.
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