DE3139787A1

DE3139787A1 - "doppelschneckenpresse"

Info

Publication number: DE3139787A1
Application number: DE19813139787
Authority: DE
Inventors: Wilhelm 1140 Wien Hanslik
Original assignee: MAPLAN Maschinen und Technische Anlagen Planungs und Fertigungs GmbH
Current assignee: MAPLAN Maschinen und Technische Anlagen Planungs und Fertigungs GmbH
Priority date: 1980-11-10
Filing date: 1981-10-07
Publication date: 1982-07-08
Also published as: US4408888A; ATA550880A; IN154449B; AT371058B

Description

Maplan Maschinen- und technische Anlagen, Planungs- und Fertigungs-Gesellschaft m.b.H. in Wien (Österreich)

Doppelschneckenpresse

Die Erfindung betrifft eine Doppelschneckenpresse mit gegenläufigen, kämmenden, kegeligen Schnecken, zum Extrudieren von thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere von hochviskosem Fördergut, die in der Ausstoßzone annähernd adiabatisch arbeitet.

Zu Beginn der Polyolefinverarbeitung auf Strangpressen kamen durchwegs Einschnecken zur Anwendung. Die Gangtiefe der Schnecken wurde so abgestimmt, daß jene Scherenergie entwickelt wird, die notwendig ist, um das Durchgangsmaterial auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Je steifer die Masse ist, um so tiefer wird der Schneckengang. Diese Abstimmung muß nicht genau vorgenommen werden, da ein Teil der Energie durch eine regelbare Heizung aufgebracht wird und der Rückstau in der Förderschnecke vom jeweiligen Werkzeugwiderstand abhängig ist. Außerdem sinkt die Viskosität der Polyolefine sehr stark im Bereich der Extrusionstemperatur, so daß sich infolge der Senkung der Scherenergie eine gewisse Temperatur einstellt. Eine Kühlung des Zylinders und der Schnecke im Ausstoßbereich ist fast immer notwendig, weil die Tiefe des Schneckenganges aus fördertechnischen Gründen begrenzt ist.

Die Verarbeitung von Hart-PVC auf Einschnecken ist wirtschaftlich nur auf kleinen Maschinen mit geringem Ausstoß möglich. Hart-PVC ist nicht nur steifer als die meisten Polyolefine, es ist auch thermisch unstabil und reagiert auf Uberhitzungen durch Ankleben und Verbrennen unter starker Salzsäureentwicklung. Schnekkenpressen mit kämmenden, gegenläufigen Schnecken mit fast zwangsweiser Förderung haben sich zur Verarbeitung von Hart-PVC als besser geeignet erwiesen.

Die ursprünglichen Doppelschnecken hatten eine Länge von 10-12 mal dem Durchmesser. Weil die Gangtiefe, der Ausstoß pro Umdrehung und die Drehzahl gering waren, genügte ein einfaches Getriebe für den Antrieb der beiden Schnecken. Die Forderung nach Steigerung der Produktivität und vor allem des Ausstoß-Investitionsverhältnisses führte zur Entwicklung neuer Schnekkenkonstruktionen, bei denen eine erhöhte Ausstoßleistung durch tiefere Gänge, größere Steigung und längere Schnecken erreicht wurde, wodurch auch der Bedarf an mehr Energie und höherem Drehmoment stieg, was bei vermindertem Achsabstand nur mit teueren und komplizierten Verteilgetrieben gelöst werden konnte. Die

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Getriebe wurden so weit entwickelt, daß der schwächste Punkt der Maschine nicht die Ritzel und deren Lagerung, sondern die Schneckenwelle ist. Durch das hohe Antriebsdrehmoment, den enormen Rückdruck und die ungleiche Abnutzung von Schnecken und Zylinder wird der Schneckenkern, der durch die Kühlbohrung geschwächt ist, auf Verdrehung, Druck und Biegung beansprucht, was oft zu einem vorzeitigen Bruch führt. Dadurch ist die erzielbare Gangtiefe nicht nur durch das Verteilgetriebe, sondern auch durch die Festigkeit der Schneckenwelle begrenzt.

Bei der heute maximal verwendeten Gangtiefe für Doppelschnekken wird bei Verarbeitung von PVC mit höherer Drehzahl in der Ausstoßzone Uberenergie erzeugt, die durch Kühlung von Zylinder und Schnecke abgeführt werden muß, weil ansonsten das PVC thermisch geschädigt wird. Dies ist ein Handicap bei der Rationalisierung des Extruders. Dazu kommt noch, daß die Kühlung des Zylinders und besonders der Schnecke sehr kompliziert ist. Kann die Temperatur durch die Kühlung nicht beherrscht werden, muß die Schnecke unterdosiert werden. Alle diese Maßnahmen beeinträchtigen die Leistung der Maschine und führen zur Verteuerung derselben.

Um die Verwendung eines komplizierten Getriebes zu umgehen, ist man in weiterer Folge auf konische Schnecken ausgewichen, weil durch die winkelige Anordnung der Schnecken der Achsabstand im Bereich der Antriebsritzel und Lager sehr groß wird, so daß alle Maschinenelemente reichlich dimensioniert werden können. Mit der konischen Schnecke wurden auch die Vorteile einer größeren Oberfläche im rückwärtigen Teil zur besseren Energiezuführung durch die Zylinder- und Schneckenheizung und einer geringeren Umfangsgeschwindigkeit im Ausstoßbereich erzielt, was theoretisch eine geringere Scherung und Verminderung der Uberenergie bringt. Um den Extruder wirtschaftlicher zu betreiben, wird in der Praxis der Ausstoßteil mit dem kleineren Durchmesser zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads überladen, was zu einer Druckausdehnung über mehrere Gänge führt, so daß auf diese Weise oft mehr Uberenergie erzeugt wird als bei zylindrischen Schnecken.

Diese Probleme werden in der DE-OS 24 46 420 und in der AT-PS 356 882 erläutert. Aus diesen Druckschriften ist zu entnehmen,

daß für die kegeligen Schnecken die Geometrie der jahrzehntelang erprobten zylindrischen Schnecken übernommen wurde. Der Grund liegt darin, daß bis heute noch kein befriedigendes Berechnungsmodell vorhanden ist, so daß die Entwicklung empirisch betrieben und ein neues Modell lange Zeit in der Produktion erprobt werden muß.

Es bestand somit die Aufgabe, Schnecken so zu dimensionieren, daß sie im Ausstoßbereich keine oder nur geringe Überenergie erzeugen und festigkeitsmäßig für einen Dauerbetrieb geeignet sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß vor allem dadurch gelöst, daß die Gangtiefe der Schnecken, in Förderrichtung gesehen, am Ende der Ausstoßzone 24-33%, vorzugsweise 26-30%, ihres Außendurchmessers beträgt.

Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung nimmt das Gangtiefen-Durchmesserverhältnis in der Ausstoßzone entgegen der Förderrichtung ab.

Diese Maßnahmen können erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch ergänzt werden, daß der Flankenspalt der Schnecken zur Schneckenspitze hin allmählich größer wird. Diese Zunahme kann vorteilhaft bis zu etwa 40% betragen. Dabei beträgt der Flankenwinkel der Schnecken erfindungsgemäß 10-25 , und kann zur Schneckenspitze hin konstant kleiner werden.

Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, daß die Flanken der Schnecken zwei im Winkel zueinander stehende Flächen aufweist. Endlich können die Schnecken so ausgebildet sein, daß deren Kern einen Kegel bildet.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind nicht nur mit verfahrenstechnischen, sondern auch mit herstellungstechnischen Vorteilen verbunden.

Die Erfindung basiert auf der Anwendung eines neuen Uberlegungsmodells zur Ausbildung von Schneckenpressen ausgehend vom Drehmomentbedarf über die Schneckenlänge.

Es wurde gefunden, daß die Leistungsaufnahme einer Schneckenpresse mit kämmenden, gegenläufigen Schnecken in der Ausstoß-Druckbereichszone und die damit verbundene Wärmeentwicklung von den folgenden Faktoren abhängig ist:

1. Die hydraulische Auspreßarbeit

2. Die Reibung durch das Anpressen der Schnecken an den Zylinder

3. Die Schleppströmung in der C-förmigen Materialkammer

4. Die Scherung zwischen dem Schneckenmantel und Zylinder

5. Die Scherung durch die Differenzgeschwindigkeit zwischen den kämmenden Flanken, sowie Kern und Stegmantel

Aus der Vielfalt dieser Faktoren läßt sich schließen, daß man bei der Doppelschnecke gegenüber der Einschnecke mit weitaus höherer Wärmeentwicklung rechnen muß.

Geht man beispielsweise davon aus, daß PVC angeliert mit einer Temperatur von 12O-14O°C in den Druckaufbaubereich der Ausstoßzone kommt und die Temperatur in dieser Zone 18O-19O°C beträgt, besteht in der Ausstoßzone nach der Enthalpie des PVC ein Wärmebedarf von annähernd 30 W/kg PVC.

Rechnet man mit einem Theologischen Werkzeugwiderstand von

300 bar, Reibungswert von 0,1 und einer durchschnittlichen Vis-

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kosität von 0,2 kps/cm bei verschiedenen Gangtiefen, so zeigt sich ganz deutlich, daß ein adiabatischer Betrieb nur bei ganz tiefen Schneckengängen möglich wäre. Da eine derartige Gangtiefe über die ganze Schneckenlänge unweigerlich zum Bruch der Schnecke führen würde, wurde der Drehmomentbedarf der Schnecke in den einzelnen Zonen und Steigungen untersucht und gefunden, daß 40-5O% des Drehmoments vor der Ausstoßzone verbraucht und die restlichen 50-60% in den 4-5 Steigungen der Ausstoßzone zum Großteil in Wärme umgesetzt werden.

An einer Schnecke wurde folgende Drehmomentbedarfsverteilung festgestellt:

Vorplastifizierzone: 40%

Ausstoßzone 1. Steigung 20%

von rück- 2. Steigung 17%

wärts be- 3. Steigung 13%

ginnend 4. Steigung 10%

Wird der Schneckenkern nach seinem Drehmomentbedarf bis an die Spitze erfindungsgemäß so ausgelegt, daß keine Uberbeanspruchung des Stahles erfolgt, besteht die Möglichkeit, der Ausstoßzone als Gesamtes einen adiabatischen Lauf zu geben.

Eine vollständige Optimierung der Schneckenausbildung ist jeweils nur für ein Extrudat möglich; die Abstimmung erfolgt in

der Praxis so, daß das einzelne Schneckenmodell für mehrere
Rezepturen, z.B. für verschiedene PVC-Typen, geeignet ist. Da
durchschnittlich 20% der Energie durch die regelbare Heizung aufgebracht wird, genügt es, wenn die Schneckenmodelle eine 20%ige Stufung in Bezug auf den Drehmomentbedarf haben. Bezieht man die Schneckengangtiefe auf den Schneckendurchmesser, so ergibt sich erfindungsgemäß je nach Viskosität und Rezeptur eine Begrenzung der Gangtiefe von 1/4 bis 1/3 des Durchmessers. Geringere Gangtiefen können bereits zu überhitzungen führen, größere Gangtiefen zu einem Bruch des Kerns.

Diese erfindungsgemäße Art der Ausstoßzonengestaltung bringt eine Reihe wesentlicher Vorteile gegenüber dem Bekannten wie folgt:

1. Wirtschaftliche Nutzung des Schneckenstahles

2. Geringerer Energiebedarf pro kg Ausstoß

3. Höhere Ausstoßleistung pro Schneckenumdrehung

4. Homogene Plastifizierung durch gleichmäßigen
Energiehaushalt

5. Gleichmäßigeres Treiben bei Profilextrusion, somit
auch Einsparung am Übergewicht des Extrudates

6. Wegfall von Zylinder- und Schneckenkühlung

7. Wegfall einer Dosierung, da bei dieser Konstruktion
im Ausstoßteil der Schnecken eine Förderreserve vorhanden ist.

Claims

Patentansprüche

M.1 Doppelschneckenpresse mit gegenläufigen, kämmenden, kegeligen Schnecken, zum Extrudieren von thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere von hochviskosem Fördergut, dadurch gekennzeichnet, daß die Gangtiefe der Schnecken, in Förderrichtung gesehen, am Ende der Ausstoßzone 24-33%, vorzugsweise 2 6-30%, ihres Außendurchmessers beträgt.
2. Schneckenpresse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gangtiefen-Durchmesserverhältnis in der Ausstoßzone entgegen der Förderrichtung abnimmt.
3. Schneckenpresse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flankenspalt der Schnecken zur Schneckenspitze hin allmählich größer wird.
4. Schneckenpresse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flankenwinkel der Schnecken 10-25° beträgt.
5. Schneckenpresse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flankenwinkel der Schnecken zur Schneckenspitze hin Konstant kloiner wird.
6. Schneckenpresse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der Schnecken zwei

im Winkel zueinander stehende Flächen aufweisen.
7. Schneckenpresse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Schnecken einen Kegel bildet.