DE2649045A1

DE2649045A1 - Einwellen-mehrstoff-extruder mit schneckengaengen

Info

Publication number: DE2649045A1
Application number: DE19762649045
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr Ing Schenkel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-10-28
Filing date: 1976-10-28
Publication date: 1978-05-03

Description

Einwellen-Hehrstoff-Extruder mit Schneckengängen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Extruder für das Einziehen und Fördern sowie das Austragen und gegebenenfalls Ausformen von mindestens zwei Stoffen bzw. Stoffansätzen, von denen mindestens einer durch ein Innengewinde des Gehäuses gefördert wird, welches ein rotierendes Element umschließt und eine der Anzahl der Stoffe bzw. Stoffansätze entsprechende Anzahl von Beschickungsöffnungen aufweist. Die verschiedenen Stoffe können bereits beim Beschicken des Extruders eine viskose oder pastose oder ähnliche Konsistenz haben, aber auch beispielsweise als Kunststoffrobstoffe im pulverigen oder grobkörnigen Zustand eingebracht und erst im Verlauf ihrer Transportwege in einen entsprechenden rheologischen Zustand überführt werden. Es kommen dafür sowohl unterschiedliche Stoffarten als auch unterschiedliche Ansätze der gleichen Stoffart, zum Beispiel Anmischungen mit Farbstoffen, Füllstoffen, Treibmitteln und/ode#r sonstigen Zusätzen in Betracht.
Typische Einsatzgebiete des Einwellen-Mehrstoff-Extruders nach der Erfindung sind die Kunststoff-, Seifen-, Kosmetik-, Süßwaren-und Teigwaren-Industrie. Die extrudierten Erzeugnisse können mehrschichtige, regelmäßig oder unregelmäßig gemusterte (z.B.
marmorierte) Bahnen, Rundstränge, Schläuche, Rohre, Profilstränge o.ä. Strangprodukte sein, aber auch homogene Stoffanmischungen und chemische Reaktionsprodukte. Die Maschinen nach der Erfindung lassen sich auch als Voraggregate für andere Systeme verwenden, z . B. für Spritzgießmaschinen, Hohlkörper-Blasaggregate, Folienkalander u.a.
Bekannt sind Einwellen-Mehrstoff-Extruder in den folgenden Ausführungen: a) Gegenstrom-Schneckenpressen mit zwei an den Enden eines zylindrischen Gehäuses angeordneten Beschickungsöffnungen für gleiche oder verschiedene Stoffe, einer Schaftwelle mit nach der Gehäusemitte fördernden Außengewinden, sowie einer für beide Stoffe gemeinsamen Auslaßöffnung, deren Achse senkrecht zur Gehäuseachse angeordnet ist (DRP 409 577, DGM 1 631 099).
b) Gleichstrom-Schneckenpressen mit einer am Ende eines zylindrischen Gehäuses angeordneten und einer in Förderrichtung versetzten Beschickungsöffnung für gleiche oder verschiedene Stoffe, einer Schaftwelle mit zwei gleichsinnig geschnittenen Gewindeabschnitten, die durch ein Sperrgewinde voneinander getrennt sind, sowie einem axial durch den Kern des zweiten Gewindeabschnitts führenden Auslaß für den ersten Stoff, der in den Auslaufbereich des zweiten Gewindeabschnitts einmündet (KUNSTSTOFFE Bd.51/1961, S.800).
c) Schneckenpressen mit einem zylindrischen Gehäuse und einer rotierenden mehrgängigen Schnecke, in deren einzelne Gänge unterschiedlich gefärbtes Material intermittierend aus entsprechenden Vorratsbehältern mit periodisch verstellbaren Auslaßschiebern eingespeist wird (DAS 1 146 648).
d) Koaxial-Schneckenpressen mit zwei unmittelbar nebeneinanderliegenden Beschickungsöffnungen am Ende eines zylindrischen Gehäuses, in dem koaxial-konzentrisch zwei Schnecken mit gegensinnigen Gewindegängen angeordnet sind, wobei die innere Schnecke feststehend in der als Hohlzylinder ausgebildeten rotierenden äußeren Schnecke angeordnet ist und durch Öffnungen ("Benster") in der Wandung der äußeren Schnecke intermittierend mit Material beschickt wird. Eine solche Konstruktion wurde speziell für das Extrudieren von marmorierten Seifensträngen vorgeschlagen, aus denen unmittelbar anschließend Einzelstücke geformt werden (DAS 2 419 952).
Diese bekannten Sinwellen-Mehrstoff-Extruder weisen folgende Nachteile auf: Die Gegenstrom- und Gleichstrom-Aus führung en erfordern eine Baulänge, die etwa doppelt so groß wie die einer normalen Einschneckenpresse mit demselben Durchmesser ist. Die Konstruktionen mit mehrgängiger Schnecke und koaxialer Anordnung von zwei Schnecken vermeiden zwar diesen Nachteil, jedoch unter Verzicht auf eine reguläre ununterbrochene Beschickung der einzelnen Schneckengänge bzw. einer der beiden Schnecken.
Dabei muß, selbst wenn der nicht geringe konstruktive und betriebstechnische Aufwand für das periodische Öffnen und Schließen der Beschickungsöffnungen bei dem Extruder mit mehrgängiger Schnecke akzeptiert wird, mit einem im allgemeinen unerwünschten pulsierenden Ausstoß der Maschine gerechnet werden.
Im übrigen beschränkt sich die Anzahl der mit den Extrudern nach a)b) und d) gleichzeitig verarbeitbaren Stoffe bzw. Stoffansätze auf zwei.
Aus diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe stellung für die vorliegende Erfindung: Es soll ein Einwellen-Extruder mit Schneckengängen für zwei oder mehrere Stoffe bzw. Stoffansätze entwickelt werden, dessen Baulänge nicht größer als die einer normalen einwelligen Schnekkenpresse ist und der mit jedem der Stoffe ohne besondere Vorrichtungen kontinuierlich beschickt werden kann.
Nach der Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Extruder mit einem in einem Gehäuse angeordneten Rotor sowie mit einer der Anzahl der zu extrudierenden Stoffe bzw. Stoffansätze entsprechenden Anzahl von Beschickungsöffnungen und Schneckengängen vorgeschlagen, von denen mindestens ein Schneckengang als Innengewinde der Gehäusewandung mit einer im Anschnittbereich angeordneten Beschickungsöffnung ausgeführt ist.
Bei einer Ausführung als Zweistoff-Extruder mit Einfach-Innengewinde wird der Rotor als Förderschnecke für den zweiten Stoff ausgelegt. Konstruktionen dieser Art mit einem als Förderschnecke ausgebildeten Rotor kommen hauptsächlich für den Einsatz als Mischer-Extruder oder Reaktor-Extruder in Betracht; dabei kann es zweckmäßig sein, die Gangtiefe und/oder die Gangsteigung des Rotorgewindes und des Gehäusegewindes in Achsrichtung gegensinnig zu verändern, also das bekannte Konvergenz-Divergenz-Prinzip anzuwenden. Maschinen dieser Art entsprechen, bis auf die getrennte Beschickung des Gehäuse-Innengewindes mit einem zweiten Stoff bzw. Stoffansatz, dem bekannten "Dransfermix"-System.
Bevorzugt werden jedoch Ausführungen des Einwellen-Mehrstoff-Extruders nach der Erfindung für den separaten Transport der verschiedenen Stoffe bzw. Stoffansätze, das heißt Konstruktionen mit einem im Arbeitsbereich glatten (gewindelosen) Rotor, der mit möglichst kleinem Radialspiel in einem Gehäuse mit Mehrfach-Innengewinde und einer entsprechenden Anzahl von Beschickungsöffnungen angeordnet ist. Die Beschickungsöffnungen können in Achsrichtung unmittelbar nebeneinander, aber auch in Umfangsrichtung um einen Winkel ?# (Eogenmaß) und in Achsrichtung um einen der Gangsteigung s des Nehrfach-Innengewindes proportionalen Abstand a versetzt sein. Beispielsweise berechnet sich bei einem zweigängigen Innengewinde der axiale Abstand der Beschickungsöffnungen nach der Gleichung a = Die Volumen- bzw. Nengendurchsätze der einzelnen Stoffe bzw.
Stoffansätze können gleich oder voneinander verschieden sein.
Zur Einstellung unterschiedlicher Einzeldurchsätze kommen hauptsächlich folgende Maßnahmen in Betracht: a) Unterschiedliche Bemessung der Querschnitte (Gangbreite, Gangtiefe) der einzelnen Gewindegänge, insbesondere asymmetrische Aufteilung der Gesamtbreite des mehrgängigen Innengewindes, und b) Installation von Einrichtungen zur dosierten Beschickung mindestens eines der Schnecken- bzw. Gewindegänge. Zur Erzielung besonderer Effekte in den extrudierten Erzeugnissen kann auch eine zeitlich wechselnde Beschickung einer oder mehrerer der Stoffkomponenten vorgesehen werden.
Ausführungsbeispiele von Einwellen-Hehrstoff-Extrudern nach der Erfindung sind in den Abbildungen Fig.1 bis 7 dargestellt. Es handelt sich dabei um Zweistoff-Ausführüngen mit unterschiedlichen Konstruktions- bzw. Funktionsmerkmalen auf der Abgangsseite, wobei jeweils das Gehäuse ein zweigängiges Innengewinde aufweist und der Rotor im Arbeitsbereich glatt (gewindelos) ausgeführt ist.
Fig.1 zeigt einen Einwellen-Zweistoff-Extruder mit dem Gehäuse und dem Formwerkzeug im Längsschnitt, Fig.2 die Seitenansicht des Rotors mit einem Sperrgewinde am Schaftende, Fig.3 einen entsprechenden Rotor mit Nischzapfen am Ausstoßende, Fig.4a-d Querschnitte des Gehäuses mit verschiedenen Anordnungen der beiden Beschickungsöffnungen, Fig.5 die Abwicklung der Innenwandung des Gehäuses nach Fig.4d, Fig.6 die Ankopplung eines Einwellen-Zweistoff-Extruders nach der Erfindung an eine Einkolben-SpritzgieRmaschine, Fig.7 eine entsprechende Ankoppelung an eine Zweikolben-Spritzgießmaschine zur Herstellung von zweifarbig gemusterten (z.B. marmorierten) Erzeugnissen.

Die in den Abbildungen verwendeten Kennzahlen haben folgende Bedeutung:

1 Gehäuse

2 Rotor

3 Formwerkzeug )

4,4' Eintrittsöffnungen ) des Gehäuses 1

5,5' Innengewinde )

6 Schaft

7 Sperrgewinde ) des Rotors 2

8 Nischzapfen

9 Vorraum des Formwerkzeugs 3

10 Einkolben-Spritzgießmaschine 11,11' Zweikolben-Spritzgießmaschine 12 Übergangskanal 13 Stauraum 14 Spritzkolben 15 Hülse 16 Ringkanal 17 Spritzkopf Die Arbeitsweise des Einwellen-Mehrstoff-Extruders nach der Erfindung kann wie folgt beschrieben werden: Die durch die Öffnungen 4,4' des Gehäuses 1 drucklos oder mit einem niedrigen Vorlagedruck in den Einzugsbereich der Innengewinde 5,5' eingebrachten Stoffe bzw. Stoffansätze werden durch die Schleppbewegung der umlaufenden Oberfläche des Rotors 2 in eine zirkulare und gleichzeitig axiale Bewegung gezwungen. Am Ausstoßende des Rotors 2 treten die gegebenenfalls im Verlauf ihrer Transportwege plastifizierten bzw. aufgeschmolzenen Stoffe in den Vorraum 9 des Formwerkzeugs 3 ein, wo sie sich miteinander zu einem kontinuierlich austretenden Strang vereinigen. Im Vereinigungsbereich der verschiedenen Stoffe bzw. Stoffansätze können diese, beispielsweise durch den Nischzapfen 8 des Rotors 2, aber auch durch statische Mischelemente oder andere Funktionselemente miteinander vermengt oder aber in regelmäßiger Weise miteinander zu einem Rundstrang oder Profilstrang kombiniert werden. Mit geringfügigen konstruktiven Abänderungen können die beiden Stoffe bzw. Stoffansätze aber auch als separate Hassestränge extrudiert und erst außerhalb des Formwerkzeuges 3 miteinander kombiniert, zum Beispiel zu dekorativen Erzeugnissen verflochten oder zu Verbunderzeugnissen mit textilen und anderen Materialien vereinigt werden.

Der kombinierj;e Massestrang kann als Fertigprodukt oder Halbzeug verwendet, aber auch zur Herstellung von Hehrstoff-StückerueufSnissen in den Stauraum einer Einkolben-Spritzgießmasciiine 10 oder in die Stauräume einer Zweikolben-Spritzgießmaschine 11,11, in den Stauraum eines Hohlkörper-Blasaggregates, in den Einzugsspalt eines Folienkalanders oder andere Ausform- bzw. Verarbeitungsmaschinen eingespeist werden.
Im Falle der Kombination mit einer Spritzgießmaschine wird der Stauraum 13 vorzugsweise nach der bekannten Verfahrenstechnik unter Zurückdrängung des Kolbens 14 über einen mit dem Übergangskanal 12 kommunizierenden Ringkanal 16 gefüllt, dessen Radialmaß der Wanddicke der Hülse 15 entspricht. Während der anschließenden Einspritzphase, d.h. beim Vorschieben des Kolbens 14, kann der Übergangskanal 12 durch die verschieblich angeordnete Hülse 15 oder durch ein Rückschlagventil gesperrt werden. -Prinzipiell möglich ist auch das direkte Füllen des Stauraumes 13, d-.h. das Einbringen der zu verarbeitenden Medien ohne den Ringkanal 16, nämlich durch Versatz des Übergangskanals 12 an das Ausstoßende des Stauraums 13. Das System mit Ringkanal nach Fig.6 ist jedoch insofern vorzuziehen, als dabei das zuerst in den Stauraum eingetretene Material auch zuerst ausgespritzt und dadurch eine Vergleichmäßigung der Verweilzeiten erreicht wird. -Die oben erwähnten mischtechnischen und sonstigen Hilfseinrichtungen können selbstverständlich auch bei den Konstruktionen nach Fig.6 und 7 vorgesehen werden.
Einwellen-Mehrstoff-Extruder nach der Erfindung lassen sich als Plastifizier-Aggregate für Spritzgießmaschinen auch in der Weise verwenden, daß der Rotor 2 in dem Gehäuse 1 axial verschieblich angeordnet wird, um gleichzeitig die Funktion des Staukolbens und des Spritzkolbens zu übernehmen. Dabei sind im Falle niedrigviskoser rheologischer Medien jedoch besondere Rückstromsperren für den Einspritzvorgang erforderlich.
In der Mehrzahl der Betriebsfälle empfiehlt es sich, zur getrennten Förderung der verschiedenen Stoffe bzw. Stoffansätze, das Radialspiel zwischen dem Rotor 2 und der Innenwand des Gehäuses 1 bzw. den Stegen der Gewindegänge 5,5' möglichst klein zu halten. Dazu, aber auch aus anderen Gründen, kann eine kontrollierte Temperierung sowohl des Gehäuses 1 als auch des Rotors 2 zweckmäßig sein, wie sie bei konventionellen Kunststoff-Schneckenpressen üblich ist.
Zur Vermeidung von Maßänderungen der dem Verschleiß mehr als der Rotor 2 ausgesetzten Stege der Innengewinde des Gehäuses 1 können diese nach dem Vorbild der Kunststoff-Extruderschnecken mit entsprechenden Plattierungen versehen werden. Bei kleineren Baueinheiten ist es u.U. wirtschaftlicher, das Gehäuse als Ganzes aus einem, gegebenenfalls nach entsprechender Behandlung, hochverschleißfesten Material zu fertigen. Für größere Baueinheiten kommt eine Aufteilung des Gehäuses in einen Mantelzylinder und eine verschleißfeste Gewindebuchse in Betracht.
Für diesen Zweck geeignete Werkstoffe sind aluminiumhaltige Nitrierstähle, spezielle Gußlegierungen u.a.
Zur Vereinfachung der Reinigung des Gehäuses bei Betriebsunterbrechungen kann dessen Aufteilung in zwei zylindrische Halbschalen sinnvoll sein, etwa nach dem Vorbild der unter den Bezeichnungen ~Ko-Kneter" und "ransfermix" handelsüblichen Maschinen.
Statt einer zylindrischen Konstruktion des Gehäuses 1 und des Rotors 2 kommen auch konische oder andere Ausführungen in Betracht, deren Vorteile in bestimmten Betriebsfällen von konventionellen Schneckenpressen bekannt sind.
Extruder nach der Erfindung sind nicht nur für die Zwecke der industriellen Produktion, sondern auch für neuartige wissenschaftliche Untersuchungen zu verwenden. Beispielsweise können Einwellen-Extruder mit zweigängigem Innengewinde bei abgestufter Bemessung des Radialspieles zwischen dem Gehäuse 1 und dem Rotor 2 im Betrieb mit unterschiedlich eingefärbten Stoffansätzen Aufschlüsse über die Leckströmung im Bereich der Gewindestege geben.
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Claims

Patentansprüche Extruder für das Einziehen und Fördern sowie das Austragen und gegebenenfalls Ausformen von mindestens zwei Stoffen bzw. Stoffansätzen mit einem in einem Gehäuse angeordneten Rotor sowie mit einer der Anzahl der zu extrudierenden Stoffe bzw. Stoffansätze entsprechenden Anzahl von Beschickungsöffnungen und Schneckengängen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Schneckengänge (5) als Innengewinde der Gehäusewandung (1) mit einer im Anschnittbereich des Innengewindes angeordneten Beschickungsöffnung (4) ausgeführt ist.
2) Zweistoff-Extruder nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung eines im Arbeitsbereich gewindelosen Rotors (2) in dem Gehäuse (1), das ein zweigängiges Innengewinde (5,5') und zwei im Anschnittbereich der Gewindegänge angeordnete Öffnungen (4,4') zum Einspeisen der verschiedenen Stoffe bzw. Stoffansätze aufweist.
3) Einwellen-Zweistoff-Extruder nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Eintrittsöffnungen (4,4') in Umfangsrichtung des Gehäuses (1) um einen Winkel t (Bogenmaß) und in Achsrichtung um einen der Gewindesteigung s proportionalen Abstand a = S-( t+ /' )/2 versetzt sind.
4) Einwellen-Zweistoff-Extruder nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtbreite der Gänge des zweigängigen Innengewindes (5,5') des Gehäuses (1) asymmetrisch aufgeteilt ist.
5) Einwellen-Zweistoff-Extruder nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gangtiefen der Gänge des Innengewindes (5,5') unterschiedlich bemessen sind.
6) Einwellen-#ehrstoff-Extruder nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur dosierten Beschickung mindestens eines der Schnecken- bzw. Gewindegänge.
7) Einwellen-Mehrstoff-Extruder nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch dessen Verwendung als Vor aggregat für Einkolben- oder Hehrkolben-Spritzgießmaschinen, Hohlkörper-Blasaggregate, Polienkalander und andere Ausform- oder Verarbeitungsmaschinen.
8) Einwellen-Hehrstoff-Extruder nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch an sich bekannte iiilfselemente, insbesondere Misch- und Verteilelemente, die im Verlauf des Materialweges zwischen dem Ausstoßende des Rotors 2 und dem Formwerkzeug 3 bzw. dem Spritzkopf 17 angeordnet sind.