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Mehrgängige Extruderschnecke
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Die Erfindung betrifft eine mehrgängige Extruderschnecke für die Verarueißung
von plastischen, thermoplastischen oder elasto= meren Kunststoffen oder Kautschuk.
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Ein solche Extruderschnecke hat in der Regel die Aufhabe, den meist
bei Raumtemperatur als rieselfähiges Schättgut aufgegenen Kunststoff-Feststoff zu
fördern, zu verdlchten, aufzuschmelzen, ozw. bei Kautschuk zu plastifizieren, thermisch
und mechanisch zu homogenisieren und schließ= lich mit dem erforderlichen Druck
durch das Ausformwerkzeug zu pressen.
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Im Falle der kontinuierlich arbeitenden Schneckenpressen können auf
die se Weise und in Verbindung mit entsprechenden Kühlanlagen endlose Halb zeuge,
wie Profile, Platten, Folien, Un-nantelungen,etc. hergestellt werden. Diskontinuierlich
erbeitende Schneckenpressen kummen bei Spritz= gießmaschinen oder tlohlkörperblasanlayen
zum Einsatz.
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Aus der CH-PS 063 149 ist eine ExtruderschneCke bekannt, bei der ein
über mehrere Windungen verlaufender zusätzlicher Schneckensteg schreg zum Schneckenkanal
angeordnet ist. Dieser Überströmsteg ist geringfügig niedriger gehalten als der
Hauptsteg der Schnecke, sodaß nur plastifi= ziertes Material bzw. Schmelze aus dem
stromaufwärts gelegenen, im we= sentlichen Feststoff führenden Schneckenkala in
den stromabwärts ge= legemen Schmelzekanal übertreten kann. Dieses Konzept hat sich
uei Ein haltung bastimater Voroussetzungen bewährt, da es u.a. eine gute ther= mische
und mechanische Homogenität der Schmelze gewährleistet. Es wurde daher vun zenlreichen
in- und auslandischen Erfindern, oft unter Ab wandlung nur geringfügiger Details
nachempfunden und teilweise auch veruesseri. Erwahnenswert ist in diesem Zusammenhang
u.a. die US-PS 3 608 541 in der eine Schnecke vorgeschlagen wird, bei der nach
eial
eingängigen Einzugszune und einer kurzen konstrukfiven Gartg@@@@-zone Überstrümsteg
und Hauptsteg der Schnecke parallel verlaufen, was fertigungstechnisch von Vorteil
ist. Außerdem ist der Feststofikanal wesentlich breiter gehalten, als der Schmelzekanal
dadurch wurde ei= nerseits wegen der Vergrößerung der Aufschmelzfläche die Aufschmelz=
leistung vergrößbert, andererseits sie Verweilzeit der Schrnelze verl kleinert und
damit die thermische Belastung des Kunststoffs verinert.
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Eine weitere VErbasserung des Schneckensystems ist in der mehrgängigen
Ausführung (d.h. mehrere Paare aus Feststoffkanal und Schmelzekanal) zu sehen, dadurch
der Aufschmelzvorgang weiter intensiviert wird. Siehe hierzu u.a. die US-PS 3 850
41.
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In der OB-P5 1 492 b90 und in der OT-OS 2 608 307 wird vorgeschlagen,
die Trennung des Kunststoffs in den einzelnen Kanalpaare aufzuheban und eine mehr
oder weniger starke Druchmischung der Teilströme zuzu= lassen, wodurch die Schmelzequalität
weiter verbessert weruen kann.
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Alle diese Schneckensysteme hagen jedoch im wesentlichen noch zwei
entscheidende Nachteile: Erstens ist durch die Trennunj von Feststoff und Schmelze
die Gerahr des Überhitzens der Kunststoffschmeize durch Energiedissipation gegeben,
insbesondere bei modernen, schnellaufenden Schneckenpressen und zweitens stellen
die Überströmstege einen oftmals erheßlichen Fließwiderstand für den Feststoff bzw.
die Rohschmelze oder Schmelze dar. lurch die Schrägneigung zur drehachse aer Schnecke
hauen diese Stege zwar eine Föroerwirkung in Achsrichtung, nicht azer in Umangsrichtung,
d.h. vorn Feststo Ffkanal in den Schmelzekanal.
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Die fehlende Förderwirkung normaler Überströmstege in Umfangsrientung
ist erkannt worten. So wird beispielsweise in der DT-OS 1 729 364 ein Scherte@ vorgeschlagen,
des in der Umwanulungszone der Schnecke an geordnet ist uno das aus mehreren Kanalpaaren,
ähnlich einer mehr= paarigen Ausföhrung der Schnecke aus der CH-PS 363 149 besteht.
Der Überstrümsteg ist nunfnehr kein gewöhnlicher Steg mehr, sonuern in Uln= fangsrichtung
eine ansipicende Rampe, wodurch zwischen Zylinder und Scherteil din Keil- oder Sichulspalt
entsteht. 8ei Rotation des Schertuils wird a!er feste, mit Schmelze vermengte bzw.
teilplastische Kunststoff in den Keilspelt eingezogen, wodurch ein zusätzlicher
Druckaufbau in Umfangs= richtung ermöglicht werdan kann. Allerdings ist der Scheitel
der Rampe achsparallel anoeordnet und das System hat daher keine aktive Förderung
in Achsrichtung. Ourch entsprechende Bemessung der Spaltweite zwischen
Rampenscheitel
und Zylinderinnenwand kann bei Thermoplasten eine ge= zielte Durchmischung von Schmelze
und Feststoffteilchen erreicht wer den und die mittlere Temperatur der so entstandenen
Rohschmelze kann sehr niedrig gehalten werden. Eine mehrfache Anordnung des Scherteils
in Förderrichtung bei stufenweiser Reduktion der Spaltweite kann zu einer schonenden
Aufschließung es Kunststoffs und zu niedriger Extrus dattemperatur führen. (Vgl.
/1/).
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In dem DT-GM 7 530 164 wurde eine Schnecke vorgeschlayen, bei der
sich Scherteile nach Art der DT-OS 1 729 364 mehrfach abwechseln mit normal len
Schneckenabschnitten. Offenbar soll dadurch die fehlende Eigen= förderung des Scherteils
in Achsrichtung ausgeglichen werden. Diese Maßnahme erscheint jedoch unzweckmäßig
und führt außerdem zu einer un= nätiqen Vergrößerung der Schneckenldnye. Die Eigenförderung
aes Scher= teils kann vorteilhafter durch andere Konstruktionen erreicht werden,
wie weiter unten noch gezeigt wird. Zudem ist in dem DT-GM 7 530 164 die axiale
Länge des Scherspaltes sehr kurz bemessen, wodurch das Fördervolumen eingeschränkt
wird, will man nicht die Spaltweite zu stark vergrößern und damit die Homogenität
der Schmelze verschlechtern.
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Kombiniert man die bisher beschriebenen Schneckensysteme mit den heut
zutage gebräuchlichen Feststoff-Einzugsonen mit Axialnuten oder Wendel= nuten im
Zylinder, die einen stabilen Feststofftransport und hohen Mas= sedurchsatz ermöglichen,
so ergeben sich in der Regel Anpassungsproble= zwischen der Förderleistung der Einzugszone,
welche den Massedurch= satz vorgibt und der Aufschmelzleistung der Aufschmelzzone>welche
den angelieferten Kunststoff in Schmelze überführen soll. An der Übergangs= stelle
zwischen den beiden Zonen treten dann oftmals sehr große drücke auf (1000 oar und
mehrj. Dadurch wird eine intensive Kuhluny der Ein zuqszone notwendig, um ein Anschmelzen
des Feststoffs durch Umsetzung von Illechanischer Reibarbeit in Wärme zu verhindern,
wodurch die Nuten ihre Fürderwirksamkeit verlieren würden. Eine derartig starke
Kühlung ist aus energetischen Gründen unwirtschaftlich, da die über den Schnek=
kenantrieu eingedrachte Energie zu einem deträchtlichen Teil mit der Einzugszonenkühlung
verlorengeht. Eine weitere nachteilige Wirkung des hohen Druckus ist der starke
mechanische Verschleiß von Schnecke und Zylinder am Ende der Einzugszone, insbesondere
bei Anwesenheit von ab= rasiv wirkenden Zusatzstoffen, wie beispielsweise anarganischen
Farb= pigmenten oder Glasfasern.
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Der sehr hohe Druck am Ende der Feststoffzone wird vor allein durch
die
ungenägende Eiqenfärderung der Aufschmelz- und Mischzune der
bekannten Extruderschneckensysteme verursacht. Gegen das Überfahren durch die für@erstabile
Einzugszone weisen sie einen zu großen Widerstand auf, Es ist auzusehen, daß im
Zuge der Extruderentwicklung der Massedurch= setz weiter gesteigert wiru, was zwangsläß
fig dei den heute geurouch= lichen Schneckenkonstruktionen zu einem überproportionalen
Ansteigen des Druckes am Ende der Einzugszone @ühren wird. Dies zu erreichen ist
zwar technisch möglich, da mindestens für Schneckendurcimesser größer als 60 mm
noch genögend Reserven im zulässigen Antriebsdrehmoment vor= handen sind, aus den
o.a. Gründen ist es jedoch sinnvoller, uen Druck an @none der Einzugszone m'gliohst
abzusenken, jedenfalls nicht nsch mehr anzcheben. Zu diesem Zweck mässen förderaktive
Aufschmelzzonen bzw. Misch- und Scherteile geschaffen werden.
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Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine mehrgängige
Extruderschnecke für die Verarbeitung von thermoplastischen ouer elastomeren Kunststoffen
oder Kautschuk zu schaffen, welche drehbar in einem im wesentlichen zylindrischen
Gehäuse gelagert ist und mit wendelfönnig um den Schneckenkern herumgeführten normal
hohen Schnek= kensteyen versehen ist. In der Aufschineiz- ozw. Plastifizierzone
der Schnecke soll mindestens ein förderaktives Scher-Misch-Element ange= erdnet
sein, welches für das zu verarbeitende Material mindestens einen, wandelförmig um
den Schneckenkern herumgeführten Einlaufkanal und mindestens einen, im wesentlichen
parallel zum Einlaufkanal ver laufenden Auslaufkanal aufweist, wobei der Einlaufkanal,
in Drehrich tung der Schnecke yesehen,durch einen normal hohen Schneckensteg vom
benachbarten Auslaufkanal getrennt ist. Der Einlaufkanal ist hiergbei an seinem
nd, und der Auslaufkanal an seinem Anfang ourch einen Querdamm Degrenzt, wobei die
Spaltweite zwischen queruamm und zylindrischem Guhäuse mindestens so groß ist, wie
die Spaltweite zwischen den normal hohen Schneckanstegen und dem Gehäuse.
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mit einer derartigen Schnecke sollen im wesentlichen folgende verfahrens
technische Verbesserungen erzielt werden: - Gute thermische und mechanische Homogenität
des erzeugten Extrudats, - niedrige Schmelzetemperatur und geringe thermische Beanspruchung
des Extrudats, d.h. frühzeitige Durchmischung von heißeren mit käl= teren Kunststoff-
bzw. Kautschukteilchen, - Vereingerung des notwendigen Druckes am Beginn der Aufschmelz-
bzw.
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Plastifizierzone im Vergleich mit Dekannten Extruderschneckensystemen,
d.h.
Reduktion des Fließwiderstendes der Aufschmelz- bzw. Plasti= fizierzone beim Überfahren
durch die (evtl. genutete) Einzugszone.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Scher-Mdsch-Element
der Grund des Einlaufkanals in Umfangsrichtung und entgegen der Drehrichtung der
Schnecke gesehen im wesentlichen nach Art einer Rampe ansteigt, wobei zwischen Kanalgrund
und zylin drischem Gehäuse im wesentlichen ein Keil- oder Sichelspalt gebildet wird,
dessen kleinste Spaltweite größer ist, als der Spalt zwi= schen dem normal hohen
Schneckensteg und dem Gehäuse.
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An vun Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind,
wird die weitere Ausgestaltung der Erfindung, sowie die damit erziclbaren Vorteile
nachstehend näher deschrieben. Es zeigen Fig.i einen Läncjsschnitt durch den Verfahrensteil
einer Schnecken= presse mit einer Schnecke mit erfindungsgemäßen Scher-lisch-Elementen,
sowie einen Querschnitt durch ein Scher-Misch-Element, Fig.2 einen iuerschnitt durch
die ebene Abwicklung eines Feststoft-und Schmelzekanals einer bekannten Schnecke,
wie sie z.B. in der US-PS 3 698 541 vorgeschlagen wird, Fig einen Querschnitt durch
die ebene Abwicklung eines Einlauf-und Auslaufkanals eines erfindungsgemäßen Scher-isch-Elements
mit schematisiertem Druckprofil quer zu den Kanälen, Fig.4 einen weiteren Querschnitt
durch die ebene Abwicklung der Ka= näle eines erfindungsgemäßen Scher-Mische-Elements,
Fig.5 eine Abwicklung der Kanäle und Stege von drei hintereinander angeordneten
erfindungsgemäßen Scher-Misch-Elementen in die Ebene, sowie 3 Kanalquerschnitte
und 1 Längsschnitt durch den Einlaufkanal, Fiq.F eine weitere Abwicklung der Kanäle
und Stege von drei hinter~ einander anlleordnelen erfindungsgemäßen Scher-;flisch-Elementen
n die Ebene, sowie einen Kanalquerschnitt, Fig.7 eine weitere Ansicht einer Extruderschnecke
mit erfindungsge= mäßen Scher-Misch-Elementen, und Fig.8 drei Querschnitte durch
Ausführungsbeispiels eines erfindungs= gemäßen Scher-Misch-Elements.
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In Fig.1 ist ein Langsschnitt durch den Verfahrensteil einer Schnecken
presse dargestelit. Die Extruderschnecke mit Durchmesser D bestcht aus einem Einzugsteil
1, einem Aufschmelz- bzw. Plastifizterteil 2 und ei= nem bomogenisierelement 3 bekannter
Bauart und ist in zylindrischen Gehäusen 4 und 5 drehbar getagert. In an sich bekannter
Weise ist das Gehäuse 4 mit einer genuteten und gekühlten buchse 6 ausgestaltet
und Gehäuse 5 mit Heiz/Këhlvorrichtungen 7 versehen. Das Fördergut wird bei E meist
als rieselfähges Schüttgut aufgegeben, von der Einzugs= schnecke 1 qefördert und
verdichtet, im Aufschmelz- oder Plastifizier= teil 2 bearbeitet im Komogenisierteil
3 nachhonoqenisiert und bei A einem aus formenden Werkzeug zugeführt.
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Der Einzugsteil 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als dreigängige
Schnecke ausgetührt, der Aufschmelzteil 2 besteht aus drei hintereinan@ dergeschalteten
erfindungsgemäßen Scher-Misch-Elementen mit den Längen LA, LB, LC mit den Keilspalten
KSA, KSE. uns KSC. Die minimalen Spalt= weiten SA, SB und SC zwischen den Oberkanten
CA, OB und OC der Ein= laufkanäle und dem zylindrischen Gehäuse 5 können so abgestuft
sein, daß der freie Durchflußquerschnitt in jedem Scher-Misch-Element gleich grc
ist und sich das Fördergut nicht in dem einen oder anderen Scher-Misch-Element stärker
aufstauen kann. In diesem Falle würde gelten: SA.LA.ZA = SB.LB.ZB = SC.LC.ZC (1),
wo ZA, ZB und ZC die jeweilige Zahl der Einlaufkanäle ist. Im vor= liegenden Ausführungsbeispiel
ist ZA = ZB = ZC = 3, wie insbesondere aus dem Schnitt I-I in Fiq.1 zu erkennen
ist, der einen Querschnitt durch das Scher-Misch-Element mit der Länqe LC zeigt.
Die drei Einlauf= kanäle KSC mit entgegen der Drehrichtung der Schnecke in Umfangsrich=
tung sichelförmig sich verjüngendem Querschnitt ergeben zusammen nit den drei Auslaufkanälen
AKC drei Kanalpaare. In Drehrichtung gesehen liegt zwischen den Einlaufkanal KSC
und dem Auslaufkanal AKE der Sperrstag T2 mit dem Spalt DC zwischen TE und Gehäuse
5.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die ebene Abwicklung eines Feststoff
und Schmelzekanals einer bekannten Schneckenkonstruktion, wie sie u.a. in der CHIPS
363 149 oder in der US-PS J 698 541 für die Verarbeitung von Thermoplasten vorgeschlagen
wird. Gemäß allgemein üb= licher Darstellungsweise wird die Schnecke 2' els ruhend
uargestellt während das Gehäuse 5 mit der Relativgeschwindigkeit V bewegt ist; dies
gilt auch für j ig.3 und 4. Zu erkennen ist, da3 bei derartigen
Konstruktjonen(Fiq.2)
im wesentlichen eine trennung von Feststoff F und Schmelze SW vorgenommen wird.
Diese Ylaßnahme kann sinnvoll sein bei langsamlaufenden Schneckenpressen (V <
0,25 m/s) weil bei ent= sprechender Bemessung des Üuerströmspaltes S' ein "Mitschwimmen"
ein zelner "Feststoffinseln" in der Schmelze bis zum Ausformwerkzeug ver hindert
wird. Bei schnellaufenden Schneckenextrudern ist jedoch die Gefahr der Überhitzung
der Schmelze gegeben, da im Schmelzefilm SF zwischen Feststoff F und Gehäuse 5 infolge
hoher Energiedissipation sehr große Temperaturspitzen auftreten, die zu einer hohen
mittleren Schmelzetemperatur im Schmelzewirbel SW führen und das Extrudat ther=
misch schädigen können. man nuß bei solchen Maschinen in der Regel mit einer Kühlung
des Gehäuses 5 arbeiten, um die Schmelzetemperatur in normalen Grenzen. zu halten,
was mindestens in energetischer Hin sicht nicht sinnvoll ist. Bei entsprechend großer
Bemessung des Über ströinspaltes S' kann zwar ein Übertreten von teilplastischem
Feststoff F in den Schmelzekanal 5K erzwungen werden, jedoch ist dazu ein sehr hoher
Druck im Feststoffkanal notwendig, was die weiter oben schon ge= schilderten unerwünschten
Konsequenzen nach sich zieht. Selbst dann kann mit einer solchen Schnecke immer
noch nicht eine so gleichmäßige und gezielte Durchmischung von Feststoffteilchen
und Schmelze sicher gestellt werden, wie bei der vorliegenden Erfindung. Der Überström=
steg tÜ, der im wesentlichen die gleiche Gestalt hat wie der Sperrateg T und dessen
Flanken im wesentlichen näherungsweise senkrecht zur Ge hauswand verlaufen, stellt
für den Feststoff F eine regelrechte Bar riere dar(Vql. engl.: barrier-screw), die
nicht so ohne weiteres über= wunden werden kann.
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Verkleinert man nun den Winkel zwischen derjenigen Flanke des Über=
strömsteqes TÜ, die den Feststoff zugewandt ist und der Gehäusewand 5, su erhält
man schließlich einen keilfrmigen Querschnitt des Fest stoffkanals, wie er u.a.
in den beiden nächstenLeichnungen dargestellt ist.
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Fig.3 zeiqt einen uerschnitt durch die ebene Abwicklung eines Einlaufurid
Auslautkanals eines erfindungsgemäßen Scher-flsch-Elements, wie es beispielsweise
unmittelbar am Beginn der Aufschmelz- bzw. Plj-stifizier= zone - lS in Fig. 1 -
angeordnet sein kann. Uer vom Einzugsteil der Schnecke kommende, mehr oder weniger
stark kompaktierte Feststoff F gleitet auf Schmelzefilmen SF2 und SF3 in den Einlaufkanal
des Scherinisch-Elivinents . Durch die Relativbewegung V zwischen Feststoff und
Gehäusewand
5 wird über den Schmelzelilm SF1 eine SchuDspandung aut das keilförnig sich verjüngende
Feststoffbett nusgeübt, welche ver= sucht, den kompaktierten Feststoff auseinanderzuzichen.
Unterstützt durch den in Umfangsrichtung aufgebauten Druck P, dessen Verlauf schematisch
über dem Querschnitt aufgetrage ist, bricht der Fest= stoff, der relativ leicht
auf dem Schmelzefilm SF2 am Kanalgrend in Umfangsrichtung gleiten kann, etwa a;n
Punkt B auseinander. Es werden dabei Feststoffteilchen gebildet, die etwa die Gräße
der Or= sprünglichen Granulatkörner haben oder auch kleiner sein können. Bei Verarneitung
von Kunststoffpulvern o.ä. funktioniert das System ent= sprechend: Zwischen uen
Schmelzefilmen SF1 und SF2 bildet sich etwa ab dem Punkl B bis zur Oberkante OA
der Rampe eine zusammengesinterte Pulverschicht.
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Die Lage des Punktes B hängt u.a. von Betriebsparametern und Stoffwerten
an und kann nicht genau angegeben werden. Unter Umständen kann sich der Punkt B
bis zur Oberkante DA oes Feststoffkanals verschienen.
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Zum Vollständigen Audrücken der in den Granulatzwischenräumen des
Feststoffs verbliebenen Lutt genügt es im Prinzip, wenn im ersten Scher-Misch-Element
LA nach dem Einzugsteil 1 (s.Fig.1) gerade so viel Schmelze erzeugt und in das Granulat
gepreßt wird, daß die Hohl= räume vollständig ausgefüllt sind. Durch entsprechenge
Bemessung ctes Überströmspaltes SA kann dies sicherqestellt und der Feststoffanteil
an der Rohschmelze, die am Sperrsteg TA abgestreift wird uno sich im Schmelzewirpel
WA im Auslaufkanal AKA sammelt Deeinflußt werden.
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Auch feste Kunststoffe sind unter Druck plastisch verformbar. Ähn=
lich wie beim hydrostatischen Fließpressen von kompakten Kunststoffen durch F)6..sen
mit konischem Einlauf nimmt auch beim Verformen von kom= paktierten Kunststoff-Schättgütern
die benütigte Druckdifferenz mit kleiner werdendem Keilwinkel stark ab. Dies ist
ein weiterer Grund da= für, warum der keilförmige Feststoffkanal (Keilwinkel « 90°)
aus Fig.3 dem Öberiahlen durch die Einzugszone der Extruderschnecke einen we= sentlich
geringeren Widerstand entgegensetzt als der Feststoffkanal mit rechteckigem Querschnitt
(Keilwinkal # 90°) aus Fig.2.
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Die im Auslaufkanal AKA befindliche Rohschnelze gelangt in den Ein=
laufkanal DSB des nächsten Scher-Misch-Elements LB (s.Fig.1). Dank eier Schrägstellung
der Kanäle zur Drehachse findet dabei eine aktive Förderung in Kanalrichtung statt,
womit das dberfahren durch die vor= zonen erleichtert wird.
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Fin.4 zeigt einen Querschoitt durch die ebene Abwicklung eines Scher-Misch-Elements
im Bereich LB der Fig.1. Im Einlaufkanal KSB, der sich in ähnlicher Weise in Umfangsrichtung
keilförmig verjüngt wie KSA sind die Feststoffteilchen FT2 inzwischen durch Wärmeaufnahne
aus der umge benden Schnelle weiter aufgeschmolzen. Die thermische Beanspruchung
der Schmelze wird reduziert, da die heißeren Schmelzeteilchen ihre Wärme an die
kalteren Feststoffteilchen abgeben können. Es hat sich somit eine zähplastische
heterogene Masse gebildet, welche relativ leicht in den Keilspalt eingezogen wird,
jedenfalls wesentlich leichter als der rei= ne Feststoff im Element LA. Entsprechend
kann die minimale Keilspalt= höhe SB kleiner gehalten werden als SA. Dadurch kann
man zusätzlich erreichen, daß sich vor der Oberkante OB im Einlaufkanal ein Wirbel
in der Rohschmelze ausbildet, welcher den Aufschmelzvorgang (bzw. bei Kautschuk
den Plastifiziervorgang) beschleunigt. Die Feststoffteilchen FT3, die sich nach
einer derartigen Bearbeitung im Schmelzewirbel WB des Auslaufkanals AKB wiederfinden,
sind schon wesentlich kleiner als die Teilchen FT2.
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Der Vorgang des "Auswalzens" des Fördergutes kann, wie in Fig. 1 zarge
stellt, ein drittes (lel in einem Scher-Misch-Element LC wiederholt wer den. Es
sollte so oft stattfinden, daß alle Extrudatteilchen, die das letzte Scher-Misch-Element
verlassen in gewünschter Weise erwärmt bzw.
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plastifiziert worden sind.
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Durch dir Wirbel in den Auslaufkanälen und vor den engsten Spalten
der Finlaufkanäle findet eine gute Durchmischung des Extrudats statt, die in den
meisten Fällen den Anfordernissen gerecht werden dürfte.
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Sollte sie trotzdem nicht ausreichen, so kann entweder ein weiteres
erfindungsgemäßes Scher-Misch-Element mit sehr engen Spaltweiten und großer Zahl
von Kanalpaaren, oder aber irgend ein geeignetes bekanntes tischteil (Pos.3 in Fig.1)
nachgeschaltet werden. Insbesondere zur Vergleichmäßigung der flassetemperatur im
Extrudat empfiehlt sicEl in manchen Fellen ein Mischteil, das speziell zur Lösung
dieser Aufgabe geeignet ist CVsl. DT-OS 2 722 933).
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Rodenackor/1/ hat eine Keilspaltmaschine vorgeschlagen, bei welcherder
Rotor als glatte Walze ausgebildet ist. Der keilförmige Arbeits= spalt wird dabei
zwischen Rotor und von außen einstellbaren Gehäuse elementen gebildet. Bei einer
überfahrenen Betriebsweise durch die Ein zuqszone ist jedoch eine solche Konstruktion
kaum realisierbar: Die zu beherrschenden Kräfte sind sehr groß, an den toten Ecken
in den ver stellbaren Keilspalten kann das material staynieren und sich zersetzen
und schli@ßlich ist die Reinigungsmoglichkeit eines Zylinders mit pro filierter
Innenfläche problematisch.
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Fig.5 zeit eine Abwicklung der Kanäle und Stege von drei hintereinang
der angeardneten erfindungsgsmäßen Scher-Misch-Elementen in die L@@@@ sowie .drei
Kanalquerschnitte und einen Längsschnitt durctl aen kanal. Das bei E1 bzw. E2 aufgegebene
Fördergut wird vom zweigangigen Einzugsteil 1 gefördert und gelangt in die beiden
Einlaufkanäle KSA.
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Der weitere Weg des Fördergutes ist durch die eingezeichneten Pfeite
gekennzeichnet. Es fließt einerseits über die Oberkante CA des keil spaltförmig
sich verjüngenden Einlaufkanals KSA in den Auslaufkanal AKh(s.a. Schnitt II-II),
andererseits kann es auch bei entsprechender Bemessung des Überströmspattes zwischen
der Oberkante des Querdammes 4A und dem Gehäuse 5 direkt in den Auslaufkanal des
nächsten Elements LB gelangen. Zwar werden Teilenen, die den Weg über den Querauamm
QA finden und direkt in den Auslaufkanal AKS des nächsten Scher-Misch-Elenentes
gelangen nicht so intensiv geschert und bearbeitet, als Teilchen, die über OA, AKB,
KS8, OB in den Auslaufkanal AKB wandern, jedoch erreicht man durch eine derartige
Stromaufteiluny, inspesensere wenn sie in 1 den folgenden Scher-, i?isch-Elcme nte
n wieuerbolt wird, eine gute Durchnischung der ursprünglich getrennten Teilströme
in den bei den Schneckenkanälen El und E2. Dies kann z.B= beim Einfärben mit Farb=
konzentraten sehr erwünscht sein. Ein zusätzlicher Masseaustausch zwischen den Teilströmen
E1 und E2 kann durch entsprechende Bemessung der Dichtrpalte DA, DB und DC erreicht
werden(s. Schnitte II-II, III-III und IV-IV).
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Wird Eine intensivere Scherung des Materials gewünscht, so kann der
Querdamm QA bis auf die Höhe des Sperrsteges TA erhöht werden una das Fördergut
in wesentlichen durch den Keilspalt des Einlaufkanals KSA gezwungen werden. Dieser
Vorgang wiederholt sich in schon beschriebe ner Weise bis zur vollständigen Plastifizierung
des Extrudats in den nachgeschalteten Scher-Misch-Elementen.
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Die Schnitte 11-11 bis IV-IV zeigen u.a. die Austufung der Spaltweiten
SA, SB und SC gemäß zunehmender Plastifizierung der Fördergutes: SA > SB >
SC.
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Die Querschnittsformen sind ähnlich wie in den anderen Aboildungen
schematisch gezeichnet; insbesondere können die Ecken am Kanalgrund ausgeIurzUea
sein.
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Am Beispiel des mittleren Scher-Misch-Elementes LB ist ein Längsschnitt
durch den Einlaufkanal gezeigt. Verfahrenstechnisch günstig ist es, wean der Kanalgrund
in Förderrichtung nach Art einer Rampe ansteigt,
wie es mit der
durchgezogenen Linie KSB angedeutet ist. Fertigungs= tectlnisch einfacher sind jedoch
Kanäle mit konstanter Gangtiefe in Kanaliichtunq gemäß den gestrict-ielten Linien
KSB', bzw. AKC' für den auslaufkanal. Anfang bzw. Ende der Kanäle im Bereich des
Querdammes QB können dlann entsprechend der Kontur des Fertigungswerkzeuges aus
gerundet sein.
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in der Abwicklung und in, den Schnitten II-II bis IV-IV der Fiy.5
ist außerdem gezeigt, daß in diesem Ausführungsbeispiel Ein- und Auslauf kanäle
gleiche Breite und Tiefe haben, was zusammen mit der konstan= ten Zahl der Kanalpaare(ZA=ZB=ZE=2)
fertigunystechnisch am einfachsten ist. Im Hinblick auf eine intensivere Aufschmelzung
bzw. Plastifizier= ung ist es jedoch vorteilhafter, den Einlaufkanal breiter zu
gestalten als den Auslaufkanal, eil dadurch die Kontaktfläche zwischen Fest stoff
und heißer Gehäusewand 5 vergrößert wird.
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Zur Bemessung des Steigunswinkels# der Kanäle werden die nachfolgen
den Überlegungen angestellt. Unter gewissen vereinfachenden Annahmen kann der Volumenstrom
G eines Newtonschen mediums in einen Schnecke kanal einer eingängigen Schnecke angegeben
werden zu /2/ = Gs - Gp mit der Schleppströmung
und der Druckströmung
und mit D = Schneckendurchmesser, h = Kanalhöhe, vu = Umfangsgeschwindigkeit, #
= dynamische viskosität, dp/dL = Oruckgradient in Achsrichtung, z.e = Gesamtbreite
aller normal hohen Schneckenstege zusammen, in Umfancjsrichtung gemessen Durch partielle
Ablaitung der GI.(2) nach # kann gezeigt werden, daß bei Vorgabe einer dimensionalosen
Modellkennzahl a (sogen. "Dros selquotient" /2/)
der Volumenstrom G dann ein Maximum aufweist, wenn für den Kanalstei gonqswiiikei
t gilt:
Die Kennzahl a ist positiv, wenn in Fürderrichtung der Druck an=
steigt (dp/dL > 0) bzw. negativ, wenn in Fürderrichtung der Druck ab= gebaut
wird( überrfahrener Zustand, dp/dL > 0). Im neutralen Fail ist dpidL = O, nach
Gl.(5) mit Gl.(4) wird dann a = O und man erhält nach Gl.(6) für den Steigunswinkel
f = 450.
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ßei mäßig gedrosselter Betriebsweiseta = +1/3) findet man einen optimalen
Steigunqswinkel vun # = 30°, bei mäßig überfahrenem Betrieu (a = -1/3) wird = 520,
und bei stark überfahrenem Zustanu (a = -1) erhält man # = 60°. Bei Verwendung einer
förderstabilen genuteten Einzugszone ist man nicht darauf angewiesen, daß die Aufschmelz-
bzw.
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Plastifizierzone, oder bei konventionellen Extruderschnecken die Aus
tragzone einen zusätzlichen Druck aufbaut. Es empfielt sich dann a # O zu wählen,
d.h.
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# # 45° ; a # O (7).
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Will man sich nun beispielsweise bei einem, ven der Einzugszone vor
geqebenen volumendurchsatz G und einer beliebig vorgegebenen Kenn= zahl a < 1/2
an oie optimalen Verhältnisse anpassen, so kann in erster näherung wie folgt vorgegangen
werden: - Gl. (6) liefert den optimalen Steigunswinkel # - sodann wird mit Hilfe
von Gl.(3) und Gl.(5) am Einlauf- Dzw. Aus laufende eines erfindungsgemäßen Scher-Xisch
Elements die üer den gesamten Umfang des Elementes über alle Kanäle, inclusive Spalte
an den Querdämmen arithmetisch gemittelte Kanaltiefe h oerechnet, die neben dem
Steigungswinkel # eine weitere charakteristische Grdf3e ist:
Gl.(8) sollte an jeder axialen Position des Elementes erfüllt sein.
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Bei Eindaufkanälen, die stromabwärts keilförmig auslaufen, sollte
demnach die Höhe des Auslaufkanals in Förderrichtung entsprechend zu= nehmen. Für
den Fall, daß h nach Gl.(8) für die konstruktive Ausle gung zu groß bemessen wird,
ist zu überprüfen, ob a nicht kleiner e= wählt Warden kann(evtl. aZ 0). mit den
neuen Wert für a muß dann die Rechaung wiederholt werden. In verfahrenstechnischer
Hinsicht ergibt ein Auslaufkanal rnit konstanter Tiefe eine bessere Längsvermischung.
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Für eine heterogene Nichtnewtansche Polymerschmelze oder Kautschuk=
mischung oder gar für kompaktiertes, auf Schmelzefilmen gleitendes Granulat sind
die optimalen Werten für die geometrischen Größen #
der Abb. a)
ist die ideale Sichelform dargestellt Init gleichmäßig mit dem Drehwinkel t abnehmender
Spalthöhe SH. Sie ist relativ einfach herzustellen, wenn man den Kanal mit einem
Fräser FR herausarbeitet, wobei dessen Achse zur Achse des Scher-Misch-Elements
geneigt ist (s.Fi.7) und ebenso wie die Schneckenachse in der Bildebene lieqen kann.
Abb.b) zeigt einen Kanaigrund nach Art einer Polygonfläche und Abb.c) eine Variante,
die vorteilhaft dann angewendet werden kann, wenn viele Kanalpaare am Umfang ausgefräst
werden sollen, beispiels weise bei großen Schneckendurchmessern.
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Ergänzend zu den Ausführungen zu Fig.3 sei folgendes bemerkt: Beim
Verarbeiten von Massen, bei denen es problematisch Ist, die Zwischenkornluft abzudrücken,
kann es sinnvoll sein, die Überström= spalte im ersten Scher-misch-Element relativ
klein zu halten, um sicherzustellen, daß absolut keine Luftbläschen mit der Schnelle
in den Auslaufkanal gelangen. Zur Aufrechterhaltung eines genügend yron freien Fließquerschnitts
muß dann dieses Element relativ lang auge: führt werden. Zweckmäßig ist es außerdem,
ggf. bei Verkleinerung der Überströmspalte, die nachfolgenden Scher-lNisch-Elemente
kürzer auszu= führen und schrittweise mit mehr Kanalpaaren auszustatten; die Gesamt:
baulänge kann dann klein gehalten werden.
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Im Zusammenhang mit der Berechnung des optimalen Steigungswinkels
# nach Gl.(G) sei darauf hingewiesen, daß beim Vergleich zweier Schnecken gleicher
Querschnittsgeometrie unter gleichen Betriebsbeoingungen die.
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Schnecke mit größerem Steigunswinkel f die größere Aufschmelzleistung
erbringt, da die, den Aufschmelzprozess maßgeblich bestinmende Rela= tivgeschwindigkeit
zwischen Feststoff und Zylinder mit steigendem r zunimmt, wie man leicht zeigen
kann. Dies ist, neben dem geringen Widerstand gegen Überfahren mit ein Grund, warum
erfindungsyetnä£3e Scher-Misch-Elemente Steigungswinkel # > 30° aufweisen sollten.
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Literatur /1/ Rodenacker, W. Keilspaltmaschinen - Fördern und Evakuieren
von nicht newtonschen Stopfen Chem.-Ing.-Techn. 36(1964)9, S. 898-906 /2/ Schenkel,
G. Kunststoff - Extrudertechnik Carl Hanser Verlag münchen 1963
und
h nicht so einfach herzuleiten. Die angegebenen Gleichungen kön= nen jedoch auch
bei diesen Meüien brauchbare Näherungslösungen lie= f-rr. lnsgesamt kann an aber
annehinen, daß wer optimale Steigungs winkel # eines erfindungsgemäßen Scher-Misch-Elementes
im Bereich 30° # # # 60° (11) liegt.
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Fig zeigt eine Abwicklung der Kanäle und Stege von drei hinterein=
ander angeordneten erfindungsgemäßen Scher-Misch-Element in die Ebene, wobei im
Unterschied zu Fig.5 die Einlaufkanäle wesentlich breiter sind als die Auslaufkanäle,
wie es u.a. im Schnitt V-V durch das Element LB verdeutlicht ist. Die Stromführung
ist ähnlich die in Fig.5, Konsequenzen ergeben sich jedoch Deim Übertreten der plasti=
schen Masse an den Querdammen QA, QB und QC. Bei entsprechender Be= messung der
Spaltweite zwischen den Querdammen und dem zylinorischen Cehäise 5 kann die Masse
jetzt aus dem Einlaufkanal KSA beispielsweise aber den Querdamm QA sowohl direkt
in den Auslautkanal AKB als auch in den Einlaufkanal KSB des nächstfolgenden Scher-Misch-Elements
gelan gen. Eine sehr intensive Durchmischung der ursprünglicn getrennten Teilströme
E1 und E2 ist die Folge(s.a weiter oben). Ein zweiter Vor= teil ist die VErgrößerung
der Aufschmelzfläche im Vergleich zu Fiq.o, wodurch die Aufschmelzleistung deutlich
erhöht werden kann.
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Der wuerdamm CA beispielsweise kann ebenso wie die Oberkante GA des
Einlaufkanales KSA mit Einkerbungen in Strömungsrichtung versehen sein, um nennen
dem "Auswalzen" der Masse noch eine Längsteilung in feine Einzelströe zu erreichen,
wadurch die Vermischung in den nach= folgenden Kanälen erleichtert wird. Diese Maßnahme
ist grundsatzlich bei allen erfindungsgemäßen Scher-Misch-Elementen möglich.
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Fig.7 zeigt eine weitere Ansicht einer Extruderschnecke mit er@in=
dungsgemäßen Scher-Misch-Elementen. Im Unterschies zu der Schnecke aus Fig.1 sind
hier zwischen den einzelnen aufeinanderfolgenden Ele= menten Ausdrehungen ZR vorgesehen,
die eine einfachere Fertigung Er Elemente erlauben, insbesondere wenn die Zahl der
Kanalpaare von Element zu Elenent variiert. Außerdem können sich in den Zwischen
räumen ZR die Teilströme in vorteilhafter Weise vermengen.
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In Fig.8 sind Ausführungsbeispiele von keil- bzw. sichelförmigen Einlaufkanölen
zu sehen (Schnittfläche senkrecht zur Drehachse). In
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