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Patentanmeldung Masseeinlauf- und -verteilelement
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Die Erfindung bezieht sich auf Extrusionswerkzeuge zur Ausformung
warmplastischer Rohre, Schläuche, Hohlprofile, Platten und Bahnen. Gattungsgemäß
beinhalten derartige Extrusions-Werkzeuge j jeweils ein Masseeinlauf- und -verteilelement,
das aus einem Verteilerkanal und einem Überströmspalt besteht, und das, nach der
Lehre der Erfindung, erstmals die summarische Erfüllung der folgenden prozeßnotwendigen
Forderungen ermöglicht: - Erzielung einer in Azimutalrichtung (bei Rohrextrusionswerkzeugen)
bzw. über der Austrittsspaltheite (bei Plattenextrusionswerkzeugen) konstanten Plastifikat-Austrittsgeschwindigkeit
aus den Düsenspalt und, damit verounden, einer konstanten Extrudatwanddicke. Diese
Forderung bedeutet, daß der am stromabwärts gelegenen Ende des Masseeinlauf- und
-verteilelements herrschenae Massedruck in Umfangsrichtung (bei Rohrextrusionswerkzeugen)
bzw. über der Austrittsspaltbreite (bei Plattenextrusionswerkzeugen) konntant sein
maß.
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- Das das Extrasionswerkzeug durchströmende Plastifikat muß, unabhängig
von seiner lokalen Düsenaustrittsposition, gleiche mittlere Verweilzeiten aufweisen.
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- Die in Umfangsrichtung (bei Rohrextrusionswerkzeugen) bzw.
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über der Austrittsspaltbreite (bei Plattenextrusionswerkzeuges) konstante
Extrudatwanddicke muß unabhängig vom Massodurchsatz und von Stoffparametern gewährleistet
sein, die die Verteilfunktion des Masseeinlsuf- und u-erteilelements muß betriebspunkts-
und stoffunabhängig sein.
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- An keiner Stelle des Masseeinlauf- und -verteillelements darf die
bei vielen Polymeren auftretende kritische Schergeschwindigkeit γ krit' ab
der Wandgleiten einsetzt, überschritten werden.
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Vorteilhafterweise kann aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung
des Masseeinlauf- und -verteilelements sowohl für Plattenals auch Rohrextrusionswerkzeuge
eine identische Auslegungskonzeption gewählt werden, mit dem einzigen Unterschied,
daß das gesamte aus Verteilerkanal und Überströnispalt bestehende System bei Rohrköpfen
in der Version sog. Pinolenköpfe auf einen Zylinder über 3600 aufgewickelt zu denken
ist.
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Derartige Pinolenköpfe und Plattendüsen werden mehr oder weniger mängelbehaftet
seit Jahren gebaut, wobei die geometrisehe Auslegung des Plastifikatverteilsystems
bislang weitgeheilt empirisch erfolgte. Der Stand der Technik läßt sich wie folgt
umreißen bzw. differenzieren: - Finolenköpfe mit einer nur in Azimutalrichtung verlaufenden
Ringnut, die einen großen Düsenleitwert aufweist. Das istifikat strömt nach dem
"Prinzip des überlaufenden Wehrs" aus dem Verteilerkanal /1/. Das Flächenprodukte
erzeugende Äquivalent hierzu stellt die sog. T-Düsenversion, wie sie bei der Flachfolienextrusion
gelegentlich zum Einz kommt, dar. Als nachteilig erweisen sich, abgesehen von der
in praxi nicht befriedigenden Extrudatwanddickenkonstanz, die sehr unterschiedlichen
mittleren Plastifikatverweilzeiten und die unvertretbar hohen Selbstreinigungszeiten.
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- Pinolenköpfe mit einer dem Verteilersystem nachgeschalteten Ausgleichsstrecke,
deren im Umfang unterschiedliche Spalthöhe verstellbar ist. Beide Maßnahmen sollen
zum Ausgleich von Druck- und Strömungsgeschwindigkeitsunterschieden dienen, können
aber, wie theoretische Untersuchungen und praktische Versuche zeigten, die eingangs
gestellten Forderungen in der Summe nicht erfüllen /2/. Das Äquivalent hierzu ist
bei Plattendüsen der justierbare Staubalken.
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- Finolenköpfe mit Herzkurven als Plastifikatleitelemente, bei denen
die Steigung der Herzkurvenkontur auch im Bereich der
Zusammenflußstelle
der Plastifikatteilströme kleiner unendlich ist /3/. Eine Kombination von Flachschlitz-Verteilerkanal
und Überströmspalt ist hier nicht gegeben.
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- Pinolenköpfe und Plattendüsen mit einem Verteilerkanal kreisförmigen
bzw. kreisähnlichen Querschnitts, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus Verteilerkanalbreite
bs zu Verteilerkanaltiefe hs kleiner/gleich 2 ist (b5/h5 < 2), vgl. /4,5,6/.
Auch in diesen Fällen weist die Verteilerkanalkontur an der Zusammenflußstelle beim
Pinolenkopf bzw. an den zulauffernen Enden bei der Plattendüse keine unendlich große
Steigung auf. Zudem ist der lokale Radius R des Verteilerkanals und damit seine
lokale Querschnittsfläche an diesen Stellen auf Null abgesunken.
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Eine derartige Auslegung kann jedoch die Forderung nach einer konstanten
Extrudatwanddicke nicht erfüllen. In Einzelfällen (z.B. /4/) bleibt ferner bei der
Festlegung der Verteilerkanalkontur unberücksichtigt, daß die Verbeilerkanallänge
ist (vgl.ig.1).
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Ein allein auf die Länge Ax bezogener Druckabfall führt zu einer
Naterialfehlverteilung insbes. im Bereicn der materialzusammenflußstelle (Pinolenkopf)
bzw. zur der Plattendüsen-Randzonen.
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Die erfindungsgemäße Sestaltung, ausführung und Anordnung des vorgeschlagenen
Masseeinlauf- und -verteilsystems sowie seine Einsatzmöglichkeiten in Pinolenköpfen
und Plattendüsen seien anhand der Abbildungen 1 bis 4 beschrieben. Dabei zeigen
Fig. 1: ein Verteilerkanalsystem mit Überströmspalt und Plastifikatzulauf in Draufsicht
(Fig. 1a) und im Schnit (Fig. b). Ein derartiges Verteilersystem kann zu einem Pinolenkopf
(als Abwicklung) oder.
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bei Verwendung eines axialen Massezulaufs, zu einer Plattendüse gehören.
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Fig. 2: das in einen Pinolenkopf integrierte Plastifikat-Verteilersystem
in Seitenansicht;
ds : z: das erfindungsgemäße Plastifikat-Verteilersystem
als Bestandteil einer Platten- bzw. ?lachfolien-Breitschlitzdüse und Fig. 4: den
Bereich des Zusammenflusses der Masseteilströme beim Pinolenkopf, der um 180° versetzt
ist.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Fig. 1 löst die Aufgabe bzw.
erfüllt die eingangs genannten Forderungen dadurch, daß das von einem Plastifizieraggregat
(z.B. Extruder) in das Extrusionswerkzeug über einen Massezulauf (1) eingespeiste
Plastifikat über den eigentlichen Verteilerkanal (2) unter partiellem, axialem Abströmen
durch den Uberströmspalt (3) in Azimutalrichtung (bei Pinolenköpfen) bzw. über die
Düsensustrittsspaltbreite (bei Platten- und Flachfilmdüsen) dadurch gleichmäßig
verteilt wird, daß die geometrische Auslegung bzw. Abstimmung der das Nasseeinlauf-
und -verteilelement bildenden Sektionen Verteilerkanal (2) und Überströmspalt (3)
nach folgenden Richtlinien vorgenommen wird: Erfindungsgemäß sind die geometrischen
Abmessungen des Verteilerkanals so zu wählen, daß sowohl in ihm als auch im anschließenden
Überströmspalt älrnliche Strömungsformen, nämlich jeweils eine sog.
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"I)ruckströmung in einem Flachschlitz", verifiziert sind. Dementsprechend
muß der Quotient aus dem Quadrat der mittleren Verteilerkanalbreite bs und der lokalen
VerteilerkanalquerschnittsflächeA(x)zumindest im Bereich des Verteilerkanaleinlaufs
(0,05 bv x 0,10 b ) zwischen 4 und 10 liegen;
Für bS/A$)<4 machen sich Seitenwandeinflüsse zu stark bemerkbar, so daß die "ebene
Schlitzströmung" nicht mehr verifiziert ist, während bei Werten >10 die damit
verbundene große Axialausdehnung des Verteilerkanals nicht mehr vorteilhaft mit
den konstruktiven und betriebstechnischen Möglichkeiten in Einklang zu bringen ist.
Bevorzugt sind für das Verteilerkanalsystem Rechteckquerschnitte mit ausgerundeten
Ecken gemäß Fig. Ib einsetzbar, jedoch kann auch auf andere Querschnittsformen
(z.
B. stark gestreckte Ellipse), die das Kriterium 4 < b²/A(x) < 10 erfüllen,
zurückgegriffen werden.
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Unter dieser Voraussetzung läßt sich eine vom Durchsatz und Stoffverhalten
unabhängige konstante Extrudatwanddicke (Schlauchwand- oder Plattendicke) dadurch
erreichen, daß die Geometrien von Verteilerkanal und Überströmspalt so aufeinander
abgestimmt sind, daß das Verhältnis der mittleren Plastifikatgeschwindigkeiten im
Verteilerkanal (Vs) und im Überströmspalt (vy) gleich dem Quotienten aus der lokalen
Verteilerkanaltiefe hsJ(hs = hs(x)) und der von x unabhängigen Überströmspaltweite
hy ist:
Aus dieser Beziehung folgt aus Kontinuitätsgründen für die Verteilerkanal-Querschnittsfläche
A(x):
Die abgewickelte Kontur des Verteilerkanals ist ferner so auszuführen, daß über
die in Fig. 1a veranschaulichten zugeor@-neten Längenalbschnitte @y bzw. @s es Übersterömspaltes
(3) bzw. des Verteilerkanals (2) ein identischer Druckabfall r verwirklicht ist
(Orthogonalitätsbedingung) und daß die mittlere Verweilzeit auf den verschiedenen
Materialwegen gleich ist. Diese Bedingungen werden mit einer Verteilerkontur erfülßt,
die durch die folgende die folgende Differentialgleichung beschrieiien Wi.
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Je nachdem, ob a) mit konstanter Verteilerkanaibreite bs und in x-Richtung
abnehmender Kanaltiefe hs (wobei der Term bs²/A(x) von der Ausgangsbedingung 4 <
bs²/A(x) < 10 ausgehend in x-Richtung anwächst) oder
b) mit einem
konstanten b²/A(x)-Wert, der jedoch die Bedingung 2 4 < b@/A(x) < 10 erfüllt,
gearbeitet wird (letzteres bedingt ein gemeinsames Abnehmen von bs und h@ in x-Richtung),
ergeben sich damit unter Berücksichtigung von Gleichung (3) spezielleDifferentialgleichungen
und Lösungen für die Verteilerkanalkontur, nämlich im Fall a): Differentialgleichung:
Lösung:
Ul-ter der Voraussetzung eines rechteckigen Verteilerkanals wird bei dieser Verteilerkanalkontur
der K£rnaltiefenverlauf durch die Beziehung
beschrieben. A ererseits ergibt sich für dexi Fall b): Differentialgleichung:
Fig. 2 zeigt als Anwendungsbeispiel einen Schnitt durch einen Finolenkopf, der das
erfindungsgemäße Nasseeinlauf- und -verteilelement enthält. Das Plastifikat durchströmt,
vom Plastifi sieraggregat kommend, den Massezulauf (1) und wird nach Erreichen Ges
Nasseeinlauf- und -verteilelements, das im gezeigten Beispiel aus dem Hasseumlenkstück
(4) und dem eigentlichen Masseverteiler (j) zusammengesetzt ist, in dem Masseumlenkstück
(4) um 900 in die Pinolenkopf-Axialrichtung umgelenkt. Die hunststoffschmelze
durchströmt
anschließend den die erfindungsgemäße Kontur aufweisenden Verteilerkanal (2) unter
partiellem, axialem Abströmen durch den Überströmspalt (3). Durch die erfindungsgemäße
Gestaltung der Kombination Verteilerkanal/Überströmspalt entsprechend obenstehender
Beschreibung ist der Massedruck in der Schnittebene x-x in Umfangsrichtung absolut
konstant, woraus von der Azimutalkoordinate unabhängige, axiale Strömungsgeschwindigkeiten
und damit konstante Schlauchwanddicken resultieren. Vorteilhafterweise wird dem
eigentlichen Masseverteiler (5) ein sog. Bübelspalt (6) (Spaltlänge Lb) nachgeschaltet.
Das Plistlfikat durchströmt anschließend den von Düse (7) und Dorn (8) gebildeten
Düsenaustrittsspalt (9), der eine konstante Spaltweite aufweist, und verläßt das
Extrusionswerkzeug als strSngepreßtes Hohlprofil, bevorzugt als Rohr bzw. in Form
eines seblaucaförmigen Vorformlings.
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Fig. 3 zeigt diejenige Hälfte einer Breitschlitzdüse in Draufsicht,
in die das erfindungsgemäße Masseeinlauf- und -vorteilelement eingearbeitet ist.
Das Plastifikat strömt über de@ Massezulauf (í) durch den Verteilerkanal (2) unter
partielles xialem Abströmen durch den Überströmspalt (3). An der Stelle R läuft
die Lanaltiefe h des Verteilerkanals s (2) erfin-@ dungsgemäß auf die Überströmspaltweite
hy aus, so daß im Rügelspalt (6) über der gesamten Rreite B = 2.by eine einheitlic@e
@@@@@@@@@@@@ Spaltweite vorliegt.
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Fig. 4 zeigt als (abgewickelten) Ausschnitt die Zusaramenflußstell
der Teilströme bei einem Pinolenkopf, der das erfindungsgemäße @secinlauf- und -umlenkelement
enthält, An der Stelle x = # - 180°) berührt sich die Außenkontur des aufgewickelten
Verteilerkanals (2). Da der Verteilerkanal bei x = by mit einer unendlichen Steigung
ende6t, kann es in maschinenbaulicher und Tertigunstechnischer Hinsicht von Vorteiß
sein, die in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnete Verteilerkanalaußenkontur zu wäblen
ohne daß die Massegleichverteilung zu stark darunter leidet.
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Aukerdem ist die nachgeschaltete Bügelzone (6) angedeutet.
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F@rner ist bekannt /7/, daß bei Pinolenköpfen zur Verbesserung
des
aßzustrebenden einheitlichen Dehnverhaltens (z.B. während des Äufblasvorgangs beim
Hohlkörperblasen) zwei Oder mehrere Herzkurven teleskopartig ineinandergeschoben
derart angeordnet sind, daß die aus den jeweiligen Zusammenflußstellen der Teilströme
resultierenden Schweißnähte jeweils um 1800 (bei 2 Herzkurven) bzw. um 1200 (bei
3 Herzkurven) versetzt zueinander im stranggepreßten Hohlprofil wiederzufinden sind,
mit dem Vorteil, daß sich keine der als Schwachstellen wirkenden Schweißnähte über
die gesamte Hohlprofilwandung erstreckt. In konsequenter Fortfübrung dieses Gedankens
wird vorgeschlagen, anstelle der Herzkurven das hier erfindungsgemäß beschriebene
Masseeinlauf-und -verteilelement in doppelter oder dreifacher Ausführung teleskopartig
ineinandergeschoben anzuwenden, mit dem wesentlicht Vorteil, daß neben dem angestrebten
Schweißnahtversatz eine im Vergleich zu bestehenden Systemen wesentlich verbesserte
Gesamtschlauchwanddickenverteilung erzielt wird.
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Ein derartiges Extrusionswerkzeug-Konzept der zuletzt beschriebenen
Art kann dann vorteilhafterweise zur Extrusion zwei- oder mehrschichtiger Schläuche
und Rohre eingesetzt werden, wenn jedem erfindungsgemäßen Masseeinlauf- und -verteilelement
ein separater massezulaufkanal zugeordnet wird. Das Ergebnis sind aus unterschiedlichen
Polymeren coextrudierte Produkte mit bestmöglicher Wamddickenverteilung am Umfang.
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In Betracht gezogene Literaturstellen /1/ Plajer, O.: Werkzeuge für
Blasformen.
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Kunststoffbücherei Bd. 9, 1968, Zechner & Hüthig Verlag, Mainz,
S.90.
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/2/ Schenkel, G.: Rheologische Formgebung einfacher Spritzwerkzeuge.
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Kunststoffe 49 (1959), Nr. 4, S. 201-207 und Nr. 5, S.252-256.
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/,f DAS 1.212.716, insbes. Fig. 3,4.
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/4/ Görmar, E.H.: Dissertation 1968 an der RWTH Aachen.
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/5/ Schönenwald, H.: Kunststoffe 68 (1978) Nr. 4, S. 238-243.
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/6/ Wertberg, J.: Berechen von Extrudierwerkzeugen.
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VDI Verlag (1978), S. 97-126.
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/7/ DOS 2.100.192.