DE2660469C2 - Extruderschnecke - Google Patents

Description

weise auf die Reibung des Werkstoffes, insbesondere jener Körner, die den Schmelzpunkt noch nicht erreicht haben, an den metallischen Teilen des Zylinders und der Schnecke und auch auf innere Reibungen zurückzuführen, die bei der Durchknetung des Werkstoffs auftreten. Eine zu hohe Drehzahl der Schnecke führt zu lokalen Oberhitzungen, die zu Zersetzungserscheinungen in den von ihnen erfaßten Anteilen des thermoplastischen Kunststoffes führen können. Hier liegt also die thermische Grenze des nutzbaren Durchsatzes. In der Praxis ist daher die Drehzahl einer Schnecke, die einen Kunststoff verarbeitet, dessen Eintrittsbedingungen gegeben sind, begrenzt, falls man am Austritt der Schnecke eine homogene Masse von guter Qualität erhalten wilL Hier liegt die Qualitätsgrenze des nutzbaren Durchsatzes.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit einer Extruderschnecke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch Erhöhung des möglichen Durchsatzes zu erhöhen ohne gleichzeitige Erhöhung ihrer Dimensionen und unter Gewährleistung der Qualität und Homogenität des in den Extruderkopf gelangenden plastifizierten Werkstoffs. Es sollet* also die thermische Grenze und auch die Qualitätsgrenze des zulässigen Durchsatzes erhöht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in der Kombination aller Merkmale des Anspruchs 1. Daß die Kombination aller Merkmale des Anspruchs 1 die Aufgabe löst und wie sie diese Aufgabe löst, ist in der nachfolgenden Figurenbeschreibung begründet

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Axialschnitt eines Ausführungsbeispiels,

F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie H-H in F i g. 1 und

F i g. 3 und 4 ähnliche Querschnitte von zwei anderen Ausführungsformen.

F i g. 1 zeigt eine Extrudiermaschine, deren Zylinder 1 eine glatte Innenoberfläche hat und an seinem stromaufwärtigen Ende einen Einfülltrichter 2 trägt; am stromabwärtigen (nicht gezeigten) Ende dieses Zylinders 1 ist ein Extruderkopf angeschlossen. Der Zylinder 1 kann an seiner Innenoberfläche mit Nuten versehen sein.

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 ihre Länge in mehrere Zonen unterteilt: eine Speisezone 5, deren strömungsaufwärtiges Ende von dem die Kupplungsnufen 4 aufweisenden Abschnitt durch eine Dichtungsvorrichtung 6 getrennt ist, eine Plastifizierzone 7 und eine Homogenisierzone 8, die sich bis zum strömungsibwärtigen Ende der Schnecke 3 erstreckt.

Zwischen der Speisezone 5 und der Plastifizierzone 7 ist noch eine Übergangszone 5a vorgesehen. In der Speisezone 5 hat die Schnecke 3 zwei Schneckenrippen 9 und 10 gleich großer Steigung. Die Speisezone 5 befindet sich unter dem Einfülltrichter 2 und dient dazu, die Körner des granulatförmigen Werkstoffes in den Zylinder 1 einzuführen und sie dabei zusammenzudrücken, wobei zugleich dem in der Maschine enthaltenen Material ein Schub erteilt wird, der es veranjaßt, zum strömungsabwärtigen Eiide zu fließen. Die Übergangszone 5a dient dazu, die Werhstoffkörner zu verteilen, weshalb in dieser Zone nur noch eine der beiden Schneckenripnen 9 und 10 vorhanden ist. Auch ist in der Übergangszone 5a der Durchmesser des Schneckenkernes etwas größer als in der Speisezone 5. Der Schneckenkern weist in der Übergangszone 5a eine Übergangsfläche Sb auf. Die Plastifizierzone 7 folgt unmittelbar auf die Übergangszone 5a; in ihr hat die Schnecke 3 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 diese, wogegen die Schneckenrippe 12 eine kleinere Steigung hat Die Schneckenrippe 12 hat Hiren 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 7 auf die stromaufwärtige Flanke der Schneckenrippe 11 zu stoßen, 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 Schneckenrippen 11, 12 vorhandene Schneckenkanal 15. Die Schneckenr^pe 11 erstreckt sich über mindestens zwei voüständigc Umgänge, !hre stromaufwärtigen und stromabwärtigen Flanken sind zur zylindrischen Fläche, die den Boden der Schnekkenkanäle 15,16 bildet, geringfügig geneigt
Die Mantelfläche der Schneckenrippe 11 ist in einer zylindrischen Fläche enthalten, deren geometrische Achse mit der Drehachse der Schnecke 3 zusammenfällt und deren Durchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Zylinders 1. Die Schneckenrippe 12 hat das gleiche Profil wie die Schneckenrippe 11, somit also auch geneigte Flanken; die radiale Höhe der Schnekkenrippe 12 kann aber kleiner oder größer sein als jene der Schneckenrippe 11.

Die Schneckenrippe 11, im vorliegenden Zusammenhang auch Durchlaßrippe genannt, hat eine Vielzahl von Schlitzen 13, die sich über ihre ganze radiale Höhe erstrecken, gelegen in Axialebenen der Schnecke 3. In einem typischen Ausführungsbeispiel, das eingehenden Versuchen unterworfen wurde, hatte die Schnecke einen Durchmesser von 80 mm, betrug die Anzahl der Sch.itze 13 sechzig pro Umgang und ihre Weite 0,8 mm. Die Totalquerschnittsfläche sämtlicher Schlitze 13 betrug etwa 20% der Gesamtoberfläche der Schnecke 3.

Die Durchlaßrippe 11 begrenzt die Schneckenkanäle 15, 16, und zwar auf der strömungsabwärtigen Seite einen Eintrittskanal 15 und auf der strömungsaufwärtigen Seite einen Austrittskanal 16. Der Eintrittskanal 15 hat einen Querschnitt, der bis auf Null abnimmt, welcher Wert am Ende der Plastifizierzone 7 erreicht wird; dafür so hat der Austrittskanal 16 einen Querschnitt, der allmählich zunimmt und der am Ende der Plastifizierzone 7 eine Fortsetzung findet im Homogenisierkanal 17 von kons'?.ntem Querschnitt, der durch die Schneckenrippe 14 begrenzt ist.

Diese einzige Sdneckenrippe 14, die in der Homugenisierzone 8 vorhanden ist, hat die gleiche Steigung wie die Schneckenrippe 12. Die Homogenisierzone 7 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 3, die sich nur durch das Vorhandensein der Schlitze 13 in der Durchlaßrippe 11 der einen dieser Schnecken 3 voneinander unterscheiden, der Wirkungsgrad dieser letzteren Schnecke 3 vermindert wäre infolge Verminderung der Wirksamkeit der Schneckenrippe 11 und daß demzufolge der Durchsatz der Extrudiermaschine kleiner ausfallen würde für eine

gegebene Drehzahl der Schnecke 3. Jedoch haben 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 niedriger lag in der Extrudiermaschine mit Schlitzen 13 als in jener ohne diese Schlitze 13. Die Versuche haben gezeigt, daß es möglich ist, die Drehzahl der Schnecke 3 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%. ι s

Es wurde desweiteren festgestellt, daß durch enge Schlitze 13, die die stromaufwärtige Flanke mit der stromabwärtigen Flanke der Schneckenrippe 11 in der Plastifizieren 7 verbinden, der Durchsatz der Extrudiermaschine nicht nur dann erhöht wird, wenn diese Schlitze 13 in der einen der beiden Schneckenrippen 11, Ii' vorgesehen sind, die konstante aber unterschiedliche Steigungen haben, sondern auch dann, wenn solche Durchlässe in der Schneckenrippe 12 des dargestellten Ausführungsbeispiels oder in beiden Schneckenrippen U 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 12 bzw. 11 anschließt Desweiteren ist es auch nicht erforderlich, daß die beiden Schneckenrippen 11,12 unterschiedlich große Steigungen haben und auch nicht erforderlich, daß die Anzahl der Schneckenrippen 11,12 von 1 abweicht In jedweleher Schneckenrippe 11, 12, die das Material in einer Plastifizierzone 7 einer Extrudiermaschine stromabwärts transportiert verursacht das Vorhandensein von vielen engen Schlitzen, weiche die stromaufwärtige Flanke der Schneckenrippe 11 und/oder 12 direkt mit der stromabwärtigen Flanke dieser Schneckenrippe 11 und'oder 12 verbinden, eine Durchsatzerhöhung unter gleichzeitiger Verbesserung der Plastifizierung.

Die engen Schütze 13 können, statt sich längs Mantellinien des Schneckenkerns zu erstrecken, zu solchen Mantellinien geneigt sein, wie die Schlitze 18 der Ausführungsform nach F i g. 3. Die engen Schlitze können auch aus einfachen Löchern 19 bestehen, die sich gemäß Fig.4 durch die Schneckenrippe 11 und/oder 12 hindurch erstrecken. Vorzugsweise soll die Weite der Schlitze 13, 18, Vb größer sein als das Radialspiel zwischen Schnecke 3 und Zylinder 1; das Höchstmaß dieser Weite ist aber in der Praxis begrenzt durch die Dimensionen der Körner, aus denen der Werkstoff anfänglich besteht Falls die Schlitze 13, 18, 19 radial verlaufen, können sie sich bis zum Kern der Schnecke 3 hin erstrecken oder eine Höhe haben, die geringer ist als jene der Schneckenrippe 11 und/oder IZ Wichtig ist daß in der Plastifizierzone 7 jedes Materialkorn durch die engen Schlitze 13, 18, 19 in der Schneckenrippe 11 und/ oder 12 und durch den engen Spalt zwischen der Schneckenrippe 11 und/oder 12 und dem Zylinder 1 hindurchtreten muß, was das Schmelzen des Materials mindestens an der Oberfläche und damit die Verminderung der Größe der Körner gewährleistet

Falls der Zylinder 1 an seiner Innenoberfläche Rinnen hat können sich diese achsparallel oder auf Schraubenlinien über die Zonen 5a, 7 und 8 hinweg oder nur über einen Teil dieser Länge erstrecken.

Um den Effekt der beschriebenen engen Schlitze 13, 18, 19 zu verstehen, kann angenommen werden, daß in einer Extrudiermaschine, wie beispielsweise in jener nach F i g. 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 1 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 erfolgt, damit die Bremsung durch Reibung so rasch wie möglich vermindert wird. Die Vergrößerung der Kontaktfläche bei Vorhandensein der Schlitze 13, 18, 19 begünstigt den Wärmeübergang. Im übrigen erfolgt beim Arbeiten einer Schnecke 3 wie der dargestellten eine verhältnismäßig Eroße Wärmeabgabe schon beim Eintritt in den Zylinder 1, also dort wo die Körner noch fest sind und deshalb ihrer Verschiebung einen großen Widerstand entgegenstellen. Diese Wärmeabgabe führt zu einer Erhitzung der metallischen Teile und namentlich des Kernes der Schnecke 3 bis zu einer Temperatur, die über dem Erweichungspunkt des thermoplastischen Werkstoffs liegt; demzufolge erfährt die Schnecke 3 eine Erwärmung bis in die Plastifizierzone 7, wo das Metall sich auf eine·· Temperatur befindet, die höher liegt als die mittlere Temperatur der in Plastifizierung begriffenen Masse. Die vielen engen Schlitze 13, 18, 19, die in der Schneckenrippe 11 und/oder 12 vorgesehen sind, ermöglichen also auch kleinen leuchen des Werkstoffes, mit dem Metall der Schnecke 3 in Berührung zu bleiben oder zumindest nahe bei diesem Metall zu verweilen und sich unter dessen Einfluß zu erwärmen während einer Zeitdauer, die größer ist, als wenn als einziger Durchlaß nur der Spalt zwischen Schneckenrippe 11 und/oder 12 und Zylinder 1 vorliegt Deshalb wird die Plastifizierung der Gesamtmasse beschleunigt durch das Vorhandensein der engen Schlitze 13, 18, 19, und somit wird auch der Widerstand, den die Masse ihrem Transport stromabwärts entgegenstellt, vermindert. 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 noch einmal eine Durchsatzerhöhung ermöglicht durch Erhöhung der zulässigen Drehzahl.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2

Steigung aufweisen und zwischen sich einen Eintrittska-

Patentansprüche· ^{nal von} abnehmendem Querschnitt begrenzen. Der

Kamm der Schneckenrippe mit der größeren Steigung

1 Exiruderschnecke für thermoplastische Kunst- erstreckt sich längs einer Schraubenlinie, deren Durchstoffe, die in Längsrichtung in mindestens drei, vom 5 messer um einige V₁₀ nut.kleinerist afc der Innendurchzu verarbeitenden Werkstoff nacheinander durch- messer des Zylinders so daß das durch die stromabwarlaufene Zonen unterteUt ist nämlich einer Speisezo- tige Ranke dieser Schneckennppe verdrängte Materuri ne (5). einer Plastifizierzone (7) und einer Homogeni- während der Drehung der Schnecke zwischen diesem

" one (81 wobei die Plastifizierzone (7) durch eine Kamm und dem Zylinder hindurchtreten, also vcm Ein-

oder mehrere schraubenlinienförmige Schnecken- to tn«skanal in den Austrittskanal gelangen kann Diese

rippen (11, 12) bestimmt ist welche zusammen mit Ausbildung gewahrleistet eine voUstandige Plast.fiz e-

dZ Kern der Schnecke (3) und dem Zylinder (1) rung des als Granulat zugefuhrten Werkstoffs; somt ist

einen oder mehrere kontinuierliche, den Werkstoff auch sichergestellt daß in dem dem Extruderkopf zuge-

zuTa W <SExtruders leitende Kanäle (15,16) führten plastifizierten Werkstoff keine ungeschmolze-

hetn-enzen. wobei mindestens eine dieser Schnek- 15 nen Werkstoffkömer enthalten sind.

keSeÄl7l2)vTei?er Mehrzahl von Schützen Es sind auch Extruderschnecken bekannt bei denen

(Ϊ3 18 19) durchsetzt ist die ihre stromabwärtige die Anzahl der Schneckenrippen, ihre Hohe, ihre Stei-

Flake mit ihrer stromaufwärtigen Flanke verbin- gung oder ihr Profil über die Länge der Schnecke van.e-

den und wobei die Schnecke (3) in der Speisezone ren. Es ist auch bekannt einen schraubenlinienformigen,

(5) unTnX Homogenisierzone (8) gleichen Win- 20 durch eine Schnecke begrenzten Kanal im Plastifizie-

dungssinn hai, dadurch gekennzeichnet. rungsbereich durch mit Durchlässen versehene Sperr-

daß die Extruderschnecke auch in der Plastifizierzo- elemente teilweise abzusperren. Das bei der Drehung

ne (7) den gleichen Windungssinn wie in der Speise- der Schnecke verdrängte Material staut sich dann vor

zone (5) und der Homogenisierzone (8) hat diesen Sperrelementen und kann durch sie nur im flussi-

2 Extruderschnecke nach Anspruch 1. dadurch 25 gen Zustand hindurchtreten.

gekenlSSchni daß die Schlitze (18) zu Mantelli- Bei einer nach der-US-PS!36 52 064 bekanntenExtru-

nien des Schneckenkerns geneigt verlaufen. derschnecke nach (hm Oberbegriff des Anspruchs 1

3 ExtradeSSrnach Anspruch 1 oder 2, da- sind die Schlitze in einer von zwei Schneckenrippen in durch gekennzeichnet daß sich die Schlitze (13,18) der Plastifizierzone vorgesehen die einen zu Schneküber die ganze radiale Höhe der Schneckenrippe 30 kenrippen in der Speisezone und der Homogenisierzo-(11) erstrecl 'Π. ^ne entgegengesetzten Windungssinn haben und von de-

4 Extruderschnecke nach Anspruch 1 oder 2, da- nen die eine steiler ist als die andere. Die Gesamtquerdurch gekennzeichnet daß sien die Schlitze (19) nur schnittsfläche der Schlitze kann etwa 20% der Gesamtüber einen Teil der radialen Höhe der Schneckenrip- querschnittsfläche der mit den Schlitzen versehenen ne ill) erstrecken ³⁵ Schneckenrippe betragen.

5 Extruderschnecke nach Anspruch 1, dadurch Eine nach der US-PS 32 71 819 bekannte Extrudereek'-nnzeichnet daß die Schnecke (3) in der Plastifi- schnecke weist in einer Ubergangszone zwischen einer zierzone (7) zwei zwischeneinander verlaufende Speisezone und einer Zumeßzone zwei zwischeneinan-Schneckenrippen (11, 12) aufweist deren Steigung der verlaufende Schneckenrippen vom gleichen Winunterschiedlich ist, und daß die Schlitze (13,18,19) in 40 dungssinn wie Schneckenrippen in uer Speisezone und einer der Schneckenrippen (11, 12) oder in beiden der Zumeßzone auf, deren Steigung, unterschiedlich ist. Schneckenrippen (11,12) vorgesehen sind. Im Umfang der Schneckenrippe größerer Steigung befinden sich pro Schneckengang je 8 Vertiefungen von

1,6 mm Breite und Tiefe. Der Außendurchmesser der

45 Schnecke beträgt 63,5 mm; die stromabwärtige Höhe der mit Schlitzen versehenen Schneckenrippe nimmt in

Die Erfindung betrfft eine Extruderschnecke nach Stromabwärtsrichtung von 12,7 mm auf 3.2 mm ab. Die dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gesamtquerschnittsfläche der Vertiefungen ist im Ver-

In eine Extrudiermaschine wird der zu verarbeitende hältnis zur Gesamiquerschnittsfläche der mit Schlitzen Werkstoff bei Umgebungstemperatur als Granulat oder jo versehenen Schneckenrippe so klein - viel kleiner als Pulver in einen Einfülltrichter eingegeben und durch 20% -, daß die Vertiefungen nur als Sieb zum Zuruck- m eine in einem Zylinder arbeitende Schnecke in eine bei halten fester, noch nicht verflüssigter Körner und fester

erhöhter Temperatur plastifizierte und vollständig ho- Verunreinigungen in dem zu verarbeitenden Werkstoff

H mogene Masse umgearbeitet, die dann unter einem er- wirken (und wirken sollen), also nur flüssigen Werkstoff

■■: höhten Druck einem am Ausgang der Maschine gelege- 55 hindurchlassen.

^;-: nen Extruderkopf zugeführt wird. Die Schnecke muß Die Ausbildung von Extruderschnecken muß aber

also den Werkstoff vom Einlaß zum Auslaß transportie- nicht nur den oben angeführten Qualitätsansprüchen ren und ihn zugleich verdichten, währenddem er erhitzt hinsichtlich Homogenität des zum Extruderkopf ge anwird um in den plastifizierten Zustand zu gelangen; genden Werkstoffs, sondern auch den üblichen W.rtdabei muß der Werkstoff zugleich auch durchgeknetet 60 schaftlichkeitserfordernissen genügen, so soll eine txwerden damit er in vollständig homogenen Zustand in trudersehneeke den plastifizierten Werkstoff mit großl- ^: den Extruderkopf gelangt. Aus diesem Grunde sind be- möglichem Durchsatz abgeben. Be. gegebenen Parame-

kannte Schnecken von Extrudermaschinen über ihre tern hängt dieser Durchsatz namentlich von der Dreh-Länge in mehrere Zonen verschiedener Ausbildung un- zahl der Schnecke ab; jedoch sind die verschiedenen terteilt die der Verwirklichung dieser Funktionen ange- 65 Parameter nicht vollständig voneinander unabhängig, paßt sind So ist z. B. in der CH-PS 3 63 149 eine Schnek- weil insbesondere die Erwärmung des Werkstoffes inke beschrieben, die in der Plastifizierzone zwei Schnek- nerhalb des Zylinders auch von der Drehzahl der kenriDoen hat. die eine konstante, aber unterschiedliche Schnecke abhängt. Diese Erwärmung .st naml.cn teil-