DE2624589C3

DE2624589C3 - Extrudiermaschine für thermoplastische Kunststoffe

Info

Publication number: DE2624589C3
Application number: DE2624589A
Authority: DE
Inventors: Charles Dr. Renens Waadt Maillefer (Schweiz)
Original assignee: Maillefer SA
Current assignee: Maillefer SA
Priority date: 1975-06-30
Filing date: 1976-06-01
Publication date: 1981-01-15
Also published as: FI761884A; NL7607042A; IT1063696B; SE428277B; DE2624589A1; AU503707B2; DE2624589B2; AU1497476A; SU688112A3; FI67322B; AT373201B; FI67322C; BE843621A; CH603341A5; US4085461A; FR2316063B1; DE2660469C2; GB1550650A; SE7607406L; ATA479576A

Description

Die Erfindung betrifft eine 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 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.

Zur 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 c"-;r Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Extrudiermaschinen, bei weichen die Schnecke zwei Schneckenrippen von konstanter, aber unterschiedlich großer Steigung aufweist, wobei jene mit der größeren Steigung eine Durchlaßrippe ist, die zusammen mit der anderen Schnei kenrippe 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 so 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 Fig. !,und

Fig. 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 Innenöberfläche hat und an seinem stromaufwärtigen Ende einen Einfülltrichter 2 trägt; am stromabwärtigen (nicht gezeigten) Ende dieses Zylinders ist ein Extrudierkopf angeschlossen. Der Zylinder könnte an seiner innen-; oberfläche mit Nuten Versehen seim
Der Zylinder 1 enthält eine Schnecke 3, deren

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 strömungsaufwärtiges Ende von dem die Kupplungsnuten 4 aufweisenden Abschnitt durch eine Dichtungsvorrichtung 6 getrennt ist, eine Plastifizierzone 7 und eine Homogenisierzone 8, die sich bis 3um strömungsabwärtigen Ende der Schnecke erstreckt

Zwischen der Speisezone 5 und der Plastifizierzone 7 ist nGch eine Zwischenzone 5a eingesetzt, die Übergangszone genannt wird. In der Speisezone 5 hat die Schnecke zwei Schneckenrippen 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 Ubergangszone 5a dient dazu, die Werkstoffkörner zu verteilen, ^sshalb in dieser Zone nur noch eine der beiden Schneckenrippen 9 und 10 vorhanden ist Auch ist in dieser Zone der Durchmesser des Schneckenkernes etwas großer als in der Speisezone. Der Kern weist also in dieser Übergangszone eine Übergangsfläche 5b auf. Die Plastifizierzone 7 folgt unmittelbar auf die Übergangszone 5a; in ihr hat die Schnecke zwei Schneckenrippen

11 und 12 von konstanter aber unterschiedlicher Steigung. Die Schneckenrippe 11 erstreckt sich in 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 r'oBen, nachdem sie einen Umgang mehr durchlaufen hat Am stromabwärtigen Ende der Schneckenrippe 11 ist eine Nut 11a vorgesehen, die geringfügig weniger tief ist als der zwischen den Schneckengängen vorhandene Schneckenkanal. Die Schneckenrippe 11 erstreckt sich über mindestens zwei vollständige Umgänge. Ihre sü umaufwärtige und stromabwärtige Flanken sind zur zylindrischen Fläche, die den Boden der Schneckenkanäle 15 bildet, geringfügig geneigt

Die Mantelfläche de. Schneckenrippe 11 ist in einer zylindrischen Fläche enthalten, deren geometrische Achse mi" 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 11, 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 vorliegender Zusammen hang auch Durchlaßrippe genannt, hat eine Vielzahl von Schützen. 13, die sich über ihre ganze radiale Höhe erstrecken, U;zw. in Axialebenen der Schnecke, also radial zum Schneckenkern, In einem typischen Ausfüh· rungsbeispiel, 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% der Totaloberfläche 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 to 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 Schneckenrippe IZ Diese Zone ist im übrigen nach bekannten Vorbildern ausgebildet Es wurde festgestellt, 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 Schützen 13 in der Durchlaßrinne 11 vifii 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 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 stromauf-•»5 wärtige Flanke mit der stromabwärt^:gen Flanke der Schneckenrippe in der Plastifizierzone verbinden, der Durchsatz der Extrudiermaschine nicht nur dann erhöht wird, wenn diese Durchlässe in der einen von zwei Senneckenrippen vorgesehen sind, die konstante aber unterschiedliche Steigungen haben, sondern auch dann wenn solche Durchlässe in der Schneckenrippe 12 des dargestellten Ausführungsbeispieles oder in beiden Schneckenrippen 11 und 12 vorhanden sind. Es wurde aucn 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 is* 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 stromabwärts transportiert, verursacht das Vorhandensein von 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 lö 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 Löcher in der Schneckenrippe und durch den engen Spalt zwischen Schneckenrippe und Zylinder hindurchtreten muß, was das Schmelzen des Materials mindestens επ der Oberfläche und dsniit di? Verminderung der Größe der Körner gewährleistet.

Falls der Zylinder an seiner Innenoberfläche Rinnen hat, können sich diese achsparallel oder nach Schraubenlinien über die Obergangs- oder Zwischenzone 5a, die Plastifizierzone 7 und die Homogenisierzone 8 hinweg oder nur über einen Teil dieser 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 Kontaktfläche bei Vorhandensein der Schlitze oder sonstigen engen Durchlässe begünstigt den Wärmeübergang; Im übrigen erfolgt beim Arbeiten einer Schnecke Wie der dargestellten eine verhältnismäßig große Wärmeabgabe schon beim Eintritt in deli Zylinder, also dör£ wo die Körner noch fest sind und deshalb ihrer Verschiebung einen großeil Widerstand entgegenstellen. Diese Wärmeabgabe führt zu einer Erhitzung der metallischen Teile und namentlich des Kernes der Schnecke bis zu einer Temperatur, die über dem Erweichungspunkt des thermoplastischen Werkstoffes liegt: demzufolge erfährt die Schnecke eine Erwärmung bis in die Plastifizierzone, wo das Metall sich auf einer Temperatur befindet, die höher liegt als die mittlere Temperatur der in Plastifizierung begriffenen Masse. Die vielen engen Durchlässe, die in der Durchlaßrippe Ii vorgesehen sind, ermöglichen also auch kleinen Teilchen des Werkstoffes, mit dem Metall der Schnecke in Berührung zu bleiben oder zumindest nahe bei diesem Metall zu verweilen und sich unter dessen Einfluß während einer Zeitdauer zu erwärmen, die größer ist als wenn als einziger Durchlaß nur der Spalt zwischen Schneckenrippe und Zylinder vorliegt Deshalb wird die Plastifizierung der Gesamtmasse durch das Vorhandensein der 'fngen Durchlässe beschleunigt und somit wird auch der Widerstand, den die Masse ihrem Transport stromabwärts entgegenstellt, verminderL Der durch die Schneckenrippen 9 und 10 eingeleitete Verdrängungseffekt führt dann zu einem rascheren Abfluß, woraus sich die Vergrößerung des Durchsatzes ergibt, die festgestellt werden konnte ebenso wie die Temperaturerniedrigung, die ihrerseits durch ermöglichte Erhöhung der zulässigen Drehzahl noch einmal eine Durchsatzerhöhung ermöglicht

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

ο a iron Patentansprüche:

1. Extrud'iermaschine 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 stromabwärtige Flanke mit ihrer stromaufwärtigen Flanke verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze(13, 19) in die Längsachse der Schnecke (3) enthaltenden Axiaiebenen Hegen.

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 Schneckenr'ppen von konstanter, aber unterschiedlich großer Steigung hat, wobei jene mit der größeren Steigung eine Durchlaßrippe ist, die zusammen mit der anderen Fchneckenrippe 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 z'vei 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 (11) und dem Zylinder (1) größer ist als jenes zwischen der anderen Schneckenrippe (12) und dem Zylinder (1) und daß die Weite der Schlitze (1.3, 19) größer ist als das Radialspiel zwischen der Durclilaßrippe (11) und dem Zylinder (1).

7. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (19) aus durchge-' henden Löchern bestehen.

8. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Durchlaßquer' schnitte sämtlicher Schlitze (13,19) etwa 20% einer Stegfläche der jeweiligen Schneckenrippe (11, 12) beträgt.

9. Extrudiermaschine nach Anspruch i, dadurch

gekennzeichnet, daß die Schlitze (13, 19) über mindestens zwei vollständige Gänge der jeweiligen Schneckenrippe (11,12) verteilt sind.