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Breitschlitzdüse zum Extrudieren eines therrnoplasti
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schen Kunststoffes Die Erfindung betrifft eine Breitschlitzdüse zum
Extrudieren eines thermoplastischen Kunststoffes, mit zumindest einem Fließkanal,
der sich gegenüberliegende Seitenwände parallel zur Extrusionsrichtung enthält,
von denen mindestens eine Seitenwand durch Heizelemente aufgeheizt ist, die parallel
zu der Extrusionsrichtung ausgerichtet sind.
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Mit Breitschlitzdüsen wird ein vorgegebenes Dickenprow fil von Kunststoffschmelzen
erstellt, die in der Breitschlitzdüse zu einem Schmelzefilm ausgeformt wer den.
Dieser Schmelzefilm gelangt auf eine Kühlwalze oder auch auf eine ebene Kühlfläche
und erstarrt auf dieser zu einer Vorfolie oder -platte mit einem be stimmten Dickenprofil.
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Eine Breitschlitzdüse der eingangs beschriebenen Art ist in der US-PS
4 332 543 beschrieben und weist einen Extrusionskanal auf, den einander gegenüberliegende
Flächen begrenzen und der in eine Extrusionsöffnung mündet. Zumindest eine der Begrenzungsflächen
des Extrusionskanals ist mit Heizelementen belegt, die aus einer Anzahl von länglichen
Flächenheizelementen bestehen, die innerhalb des Düsenblocks in einem Abstand nicht
größer als 10 mm von der zu beheizenden Begren zungsfläche des Extrusionskanals
angeordnet sind. Die Heizelemente sind untereinander parallel in bezug auf
ihre
Hauptachse und in Extrusionsrichtung orientiert.
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Der Abstand der Heizelemente von der zu beheizenden Begrenzungsfläche
des Extrusionskanals beträgt insbesondere 2 bis 3 mm. Die Mittellinien benachbarter
Heizelemente sind voneinander 2 bis 10 cm entfernt.
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Bei dieser Breitschlitzdüse besitzt der Extrusionskanal einen durchgehend
gleichbleibenden Querschnitt und die Düsenlippen des Düsenkörpers sind zueinander
nicht verstellbar.
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In der US-PS 3 341 388 ist eine Breitschlitzdüse beschrieben, bei
der Heizelemente im Düsenkörper oberhalb des Verteilerkanals für die Kunststoffschmelze
angeordnet sind. Da die Kunststoffschmelze erst auf dem Wege von dem Verteilerkanal
durch den Fließkanal zur Extrusionsöffnung zu einem Rechteckprofil mit verdickten
Rändern ausgeformt werden kann, ist es mit einer derartigen Anordnung der Heizelemente
nicht möglich, ein bestimmtes Dickenprofil herzustellen.
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Die US-PS 3 761 553 (DE-OS 22 29 924) betrifft eine Breitschlitzdüse,
in deren Düsenkörper Zonenerhitzer angeordnet sind, die im allgemeinen auf konstanter
Temperatur gehalten werden. Die Weite des Düsenaustritts wird durch mehrere Düsenschrauben
grob eingestellt und das Schmelzflußprofil wird durch verschiedene Heizelemente
an der Außenseite der Breitschlitzdüse nahe dem Düsenaustritt fein geregelt. Die
Temperatur dieser Heizelemente kann einzeln geregelt werden. Die Länge der Heizelemente
beträgt bis zu 76 mm,
insbesondere 12,7 bis etwa 51 mm. Unter der
Länge des einzelnen Heizelements ist die Abmessung entlang der Düsenaustrittslänge
zu verstehen. Bei dieser Düaenltpk penheizung, die in Kombination mit einer Verstellung
der Breite des Düsenaustritts mit Hilfe von Düsenschrauben bzw. -bolzen arbeitet,
ist es möglich, durch die parallel zueinander angeordneten Heizelemente auf der
Außenseite der verstellbaren Düsenlippe das Dickenprofil der Kunststoffschmelze
zu korrigieren. Diese Korrektur ist jedoch nicht besonders effektiv, da die Flächenheizelemente
relativ weit und zudem nicht pa rallel zu dem Fließkanal angeordnet sind. Demzufolge
können in der Praxis nur ganz kleine Änderungen im Dickenprofil erzielt werden,
wobei die Angleichung des Dickenprofils an die vorgegebene Temperaturverteilung
über die Flächenheizelemente bis zum Erreichen eines neuen stationären Zustandes
sehr lange dauert.
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In der US-PS 3 920 365 und der DE-OS 23 41 127 sind Breitschlitzdüsen
beschrieben, die aus zwei gegenüber liegenden und zwischen sich eine Extruderöffnung
bil denden Düsenlippen mit durchgehenden Düsenlippenflächen bestehen, wobei jede
Düsenlippe in eine Mehrzahl in geringem Abstand angeordneter Düsenlippenabschnitte
unterteilt ist, die unabhängig voneinander mittels Temperaturfühler gesteuerte Heizelemente
aufweisen.
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Die Düsenlippenabschnitte sind durch schmale Nuten voneinander getrennt
und nur an den durchgehenden Düsenflächen mit den jeweils benachbarten Düsenlippe#ab
schnitten durch dünne Rippen verbunden. Die Nützen nden
in verbreiterte,
kreisförmige Öffnungen, die von der Stirnfläche der Schlitzdüse zurückgesetzt sind
und von denen jede durch eine weitere dünne Rippe von der nächsten getrennt ist.
Diese Rippen dienen als Wärmesperre, um den Wärmefluß in den Hauptteilen der Schlitzdüse
zu reduzieren. Jeder Düsenabschnitt ist mit einem hülsenförmigen Heizelement und
einem thermoelektrischen Temperaturfühler ausgerüstet. Die Heizelemente werden mit
unabhängig voneinander gesteuerten Strömen beaufschlagt, wodurch die gewünschte
Bahndicke der Folie erreicht werden kann. Diese sehr direkte Beheizung der Düsenlippen
bedeutet, daß durch die unmittelbare Nachbarschaft der Heizelemente zur Schmelze
stets Markierungen in der Folienoberfläche entstehen, die bei der Herstellung optisch
hochwertiger Folien unerwünscht sind, wobei diese Markierungen im allgemeinen die
Gestalt von Streifen besitzen. Zu dieser Streifenbildung kommt es infolge der sehr
intensiven Heizflächenbelastung unmittelbar unterhalb der Heizelemente, die dann
sehr schnell zur Umgebung hin abnimmt. Durch die Installation der Heizelemente an
den Düsenlippen ist die Verweilzeit der Schmelze unterhalb der Heizelemente sehr
gering, so daß eine deutliche Beeinflussung des Dickenprofils nur durch hohe Temperaturdifferenzen
zwischen den einzelnen Heizelementen erzielbar ist, wodurch sich nachteilige Auswirkungen
in bezug auf die Strukturierung, die Transparenz und die optischen Eigenschaften
der Folie ergeben können.
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Die in der US-PS 4 252 519 beschriebene Breitschlitz-
düse
hat eine Düsenlippenklinge, in der eine Anzahl von Heizelementen entlang der Düsenlänge
angeordnet ist. Die Düsenlippenklinge ist mit Bolzen am Düsenkörper befestigt. Zwischen
den Heizelementen und dem Düsenaustritt verläuft eine Wärmesperre in Gestalt eines
Kanals, durch den eine Wärmeübertragungsflüssigkeit fließt, die Temperaturfluktuationen
in der Düsenlippenklinge und somit Temperaturschwankungen in der Düsenlippe verhindert.
Der Fließkanal dieser Breitschlitzdüse wird indirekt durch die Wärmesperre geheizt.
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Die Vorfolien für gestreckte Endfolien, insbesondere biaxial gestreckte
Folien, werden beispielsweise auch mittels Rundlochdüsen anstelle von Breitschlitzdüsen
hergestellt. Bei der Herstellung von Flachfolien wird in einem Extruder eine homogene
Schmelze erzeugt, die in der Breitschlitzdüse - als Mono- oder Mehrschichtdüse ausgeführt
- zu einem Schmelzefilm mit bestimmter Querdickenverteilung ausgeformt wird. Dieser
Schmelzefilm erstarrt auf einer kurz hinter der Düse angebrachten Kühlwalze zu der
Vorfolie. Im Falle von biaxial gestreckten Folien aus Polypropylen, Polyester, Polyamid
usw. muß zum Erzielen eines ebenen DickenpHo; fils der gesamten Endfolie, die nach
dem Abschrecken vorliegende Vorfolie ein bestimmtes Querdickenprofil aufweisen,
wobei die ausgeformten Ränder der Vorfolie zum Halten mittels einer Kluppenkette
oftmals eine um das vier- bis sechsfach größere mittlere Dicke als der zwischen
den Rändern liegende Folienabschnitt aufwie-
sen. Eine bestimmte
geometrische Gestalt der Vorfolie ist notwendig, um durch die nachfolgenden Verstreckungen
- in der Regel eine Längs- und eine Querstreckung -eine gleichmäßig dicke Endfolie
zu erhalten.
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Es ist bekannt, daß bei der Längsstreckung über Walzen die Folienbahn
in der Breite reduziert wird, wobei hauptsächlich die Quereinschnürung im Randbereich
zu einem stark geänderten Dickenprofil führt. Bei der Querstreckung führt eine nicht
gleichförmige Beheizung des Rahmens zu Dickenunterschieden, die im Betrieb hauptsächlich
wiederum in Randnähe - bedingt durch die umlaufende Kluppenkette - auftreten. Ein
über die Breite beispielsweise abfallendes Temperaturprofil trägt ebenfalls mit
dazu bei, daß an der Düse das Dickenprofil der Vorfolie stark von der gleichmäßig
dicken Blattform abweicht. Hinzu kommt noch, daß die Betriebsbedingungen während
eines Produktionsblaufes sehr stark schwanken können.
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Zur Erzeugung des gewünschten Dickenprofils werden hauptsächlich zwei
Methoden bzw. deren Kombination angewandt: 1. Beeinflussung des Dickenprofils über
mechanische oder thermische Verstellung von Düsenbolzen, die die Düsenlippenweite
verändern und 2. Beeinflussung des Dickenprofils durch unterschiedliche Beheizung
des Düsenkörpers, vornehmlich im
Bereich der Düsenlippe zwecks
Viskositätsveränderung der Schmelze. Eine geringe Viskosität beispielsweise bedeutet
geringeren Reibungswiderstand und damit bei gleichem Druckabfall einen höheren Massendurchsatz.
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Beide Methoden, die bei den zuvor beschriebenen Breit schlitzdüsen
angewandt werden, haben neben Vorteilen auch einige gravierende Nachteile, die im
folgenden kurz geschildert werden.
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Von Nachteil ist, daß durch die sich mit der Zeit ver ändernden Betriebsbedingungen
die Düse durch die vob der Kunststoffschmelze ausgeübten Druckkräfte derart verstellt
werden kann, daß an einem oder mehreren Bolzen der maximale Verstellbereich erreicht
wird. Weitere Korrekturen lassen sich dann nicht mehr durchfuhw ren, und die Produktion
muß gestoppt werden. Ein weiterer Nachteil, der ebenfalls zum Abbruch der Produktion
führt, ist eine zu starke Verspannung der Düsenlippe. In diesem Fall kann durch
die zu stark unter schiedliche Verdrehung zweier benachbarter Bolzen kein Eingriff
mehr getätigt werden, da sich die Düse sonst plastisch verformen würde. Düsen mit
mechanischer oder thermischer Verstellung der Düsenlippen nur durch Düsenbolzen
allein haben im allgemeinen einen zu geringen Verstell- bzw. Regelbereich, was sich
nachteilig auf das Dickenprofil auswirkt.
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Soll die Beeinflussung des Dickenprofils nllcirl durch
Düsenlippenbeheizung
geschehen, so sind beispielsweise zur Erzeugung eines Vorfolienprofils mit Rändern,
die vier- bis sechsfache Dicke gegenüber dem zwischen den Rändern liegenden Folienabschnitt
haben, sehr starke Temperaturunterschiede entlang der Düse erforderlich.
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Bei einer Grundeinstellung der Düsentemperatur beispielsweise auf
ca. 280 0C muß zur Realisierung der relativ dicken Ränder dort die Temperatur der
Düsenwand mindestens auf 350 OC angehoben werden, was mit Sicherheit bezüglich der
erreichten Schmelzequalität nicht optimal ist. Die Schmelze wird lokal überhitzt;
es kommt verstärkt zum Abbau der Schmelze und es besteht die Gefahr von Viskositätsstreifen,
die das Produkt unbrauchbar machen können. Daneben ist die Gefahr sehr groß, daß
die durch die sehr hohen Temperaturen bedingte niedrige Schmelzeviskosität Anlaß
zu einem instabilen Verhalten der Düse gibt, da der Düsenvordruck an diesen Stellen
mit kleiner Viskosität stark erniedrigt wird. Von Nachteil ist auch die vergleichsweise
große Trägheit des Systems; die Einstellzeit eines gewünschten Dickenprofils ist
hierbei etwa doppelt so groß wie beim Bolzensystem.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Breitschlitzdüse der eingangs beschriebenen
Art so zu verbessern, daß die Beeinflussung der Viskosität der Kunststoffschmelze
in weiten Bereichen, schnell und schonend zum Erstellen eines vorgegebenen Dickenprofils
mit stark verdickten Rändern der extrudierten Folie möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Fließkanal
zwischen zwei sich gegenüberliegenden Düsenlippen und einem Düsenverteilerkanal
eine Kanalaufweitung aufweist, daß die Heizelemente in den Düsenhauptteilen parallel
und beidseitig zu der Kanalaufweitung angeordnet sind und daß der Abstand D def
Heizelemente von den Wänden der Kanalaufweitung größer als 10 mm ist.
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In Ausgestaltung der Erfindung sind die Heizelemente Flächenheizelemente,
die gleiche oder unterschiedliche Breiten Bi besitzen, wobei der Abstand D der Heizetemente
gleich 15-40 mm von den Wänden der tanálaufweiw tung beträgt.
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Dabei ist zweckmäßigerweise die Länge L der Heizelemente in Extrusionsrichtung
A durch
gegeben,mit dem Durchsatz m an Kunststoffschmelze durch die Querschnittsfläche der
Breitschlitzdüse, der Höhe H der Kanalaufweitung des Fließkanals, der Breite Bi
des einzelnen Heizelements und der Dichte 9 der Kunststoffschmelze.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen
4-10.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1a und 1b Dickenprofile von extrudierten Vorfolien
mit verdickten Rändern, aus denen Endfolien mit rechteckförmigem Querschnitt erzeugt
werden, Fig. 2 eine schematisch perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform
der Breitschlitzdüse im Schnitt, nach der Erfindung, Fig. 3 eine Schnittansicht
einer zweiten Ausführungsform der Breitschlitzdüse nach der Erfindung, Fig. 4a,
4b und 4c Geschwindigkeits- und Temperaturprofile im Fließkanal von Breitschlitzdüsen
am Ende der Kanalaufweitung, gesehen in Extrusionsrichtung A, Fig. 5 eine Schnittansicht
einer dritten Ausführungsform der Breitschlitzdüse, Fig. 6 einen Schnitt durch eine
schematisch dargestellte Mehrschichtdüse, und Fig. 7 eine Schnittansicht eines thermisch
verstell-
baren Düsenbolzens zum Einstellen der Höhe der Düsenaustrittsöffnung
in Breitschlitzdüsen.
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In den Figuren 1a und Ib sind zwei charakteristische Dickenprofile
von Vorfolien zu zwei verschiedenen Zeitpunkten der Extrusion dargestellt, die beide
zum gleichen Endergebnis, nämlich einer glatten Folie mit rechteckigem Querschnitt
mit einer Dicke von etwa 35 pm führen. Die Verdickung der Ränder dieser Vorfolien
ist stark ausgeprägt, wobei die Dicke der Ränder etwa den vier- bis sechsfachen
Wert der Dicke der Vor folien im Bereich zwischen den beiden Rändern aufweist.
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In Fig. 2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer ersten
Ausführungsform einer Breitschlitzdüse 1 im Schnitt dargestellt. Die Breitschlitzdüse
1 besteht aus einem oberen und einem unteren Düsenhauptteil 8 bzw. 9, zwischen denen
ein Düsenverteilerkanal 3 angeordnet ist, der einen etwa dreiecksförmigen Querschnitt
besitzt. Dem Düsenverteilerkanal 3 wird von einem nicht gezeigten Extruder die Kunststoffschmelze
über eine öffnung zugeführt. Der sich in Extrusionsrichtung A verjüngende Düsenverteilerkanal
3 geht in einen Fließkanal 2 über, der eine Kanalaufweitung 5 besitzt. Die Höhe
H der Kanalaufweitung 5, die gleich dem Abstand zwischen Wänden 10 und 11 der Kanalaufweitung
5 ist, liegt beispielsweise zwischen 2,5 und 5 mm. Die Kanalaufweitung 5 verengt
sich in Extrusionsrichtung A am Ende wieder auf den Querschnitt des
Fließkanals
2 im Bereich von Düsenlippen 4,4. Der Fließkanal 2 bildet über die Breite B in der
Breitschlitzdüse 1 einen Düsenaustritt 12. In einem Abstand D zu der unteren Wand
11 der Kanalaufweitung 5 sind Heizelemente 6 parallel zur Extrusionsrichtung A angeordnet.
Der Abstand D ist größer als 10 mm und beträgt insbesondere 15 bis 40 mm. Die Heizelemente
6 haben eine Länge L, die etwa der Länge der Kanalaufweitung 5 entspricht und sind
zueinander parallel angeordnet. In Fig. 2 sind der Einfachheit halber und aus Gründen
der besseren Übersichtlichkeit nur die Heizelemente 6 im unteren Düsenhauptteil
9 dargestellt, während von den Heizelementen 6 im oberen Düsenhauptteil 8, die gleichfalls
parallel zu der Kanalaufweitung 5 bzw. der oberen Wand 10 der Kanalaufweitung 5
im Abstand D verlaufen, nur ein einzelnes Heizelement gezeigt wird.
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Die Heizelemente 6 besitzen eine Breite Bi, die im allgemeinen für
alle Heizelemente 6 gleichgroß ist, jedoch ist es ebenso möglich, daß die Heizelemente
6 voneinander abweichende Breiten Bi aufweisen. Die Heizelemente 6 erstrecken sich
somit parallel und beidseitig zu der Kanalaufweitung 5 über die Breite B des Düsenaustritts
12.
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In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Breitschlitzdüse 1
dargestellt. Es werden für Bauteile, die mit entsprechenden Bauteilen der Ausführungsform
nach Fig. 2 übereinstimmen, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Diese Breitschlitzdüse
1 unterscheidet sich von der Breitschlitzdüse 1 nach Fig. 2 dadurch, daß
die
äußeren Begrenzungsseiten der Düsenlippen 4,4 nicht konisch zusammenlaufen, sondern
stattdessen senkrecht zu der Extrusionsrichtung A stehen und daß die obere Düsenlippe
4 durch Düsenbolzen 13 verstellt bar ist. Durch diese Verstellmöglichkeit kann die
Höhe des Düsenaustritts 12 reguliert werden. Die Düsenbolzen 13, von denen im Schnitt
gemäß Fig. 3 nür ein einziger gezeigt ist, stehen im Schraubeingriff mit einem Vorsprung
14 des oberen Düsenhauptteils 8. Die Enden der Düsenbolzen 13 liegen an der von
dem Düsenaustritt 12 abgewandten Seite der oberen Düsenlippe 4 an. Die Verstellung
der Düsenbolzen 13 erfolgt in diesem Fall mechanisch durch Ein- bzw. Zurückschrauben
der Miscnr bolzen 13. Durch die Querschnittsfläche der Breitschlitzdüse 1 bzw. durch
den Fließkanal 2 mit seiner Kanalaufweitung 5 wird ein Massendurchsatz m an Kunststoffschmelze
befördert. Der Verteilerkanal 3 dieser Ausführungsform hat einen stromlinienförmigen
Querschnitt. Im oberen und unteren Düsenhauptteil 8 bzw. 9 sind quaderförmige Einsätze
18 bzw. 19 eingefügt, die mittels Schrauben 20 bzw. 21 mit den Ddsenhadptteilen
verbunden sind. An den Stirnflächen der Einsätze 18,19, die der Kanalaufweitung
5 zugewandt sind, bei finden sich die Heizelemente 6 jeweils in einem Abstand D
von den Wänden 10 und 11 der Kanalaufweitung 5. Die Länge L der Heizelemente 6 in
Extrusionsrlchw tung A ist bei dieser Ausführungsform etwas kleiner als die Länge
der Kanalaufweitung 5. Auf der Rückseite jedes Heizelementes 6 befindet sich ein
tlaurmischer Isolierkörper 7, der eine zu starke Aufheizung der
Einsätze
18,19 verhindert. Bei den Heizelementen 6 handelt -es sich ebenso wie bei der Ausführungsform
nach Fig. 2 um Flächenheizelemente, die an sich bekannt sind und daher nicht im
einzelnen beschrieben werden. Die Regulierung der Heizleistung der einzelnen Heizelemente
6 kann in der Weise erfolgen, daß alle Heizelemente auf die gleiche Temperatur reguliert
werden, jedoch ist auch eine Regelung möglich, bei der die l-leizelemènte 6 im oberen
Düscnhnuptteil 8 untereinander auf gleicher Temperatur liegen, jedoch gegenüber
den Heizelementen 6 im unteren Düsenhauptteil 9 eine andere Temperatur haben. Der
Düsenaustritt 12 erstreckt sich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 gleichfalls
über die gesamte Breite B der Breitschlitzdüse 1.
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Die Figuren 4a, 4b und 4c zeigen Geschwindigkeits- und Temperaturprofile
im Fließkanal einer Breitschlitzdüse am Ende der Kanalaufweitung, betrachtet in
Extrusionsrichtung A.
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Die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilungen im ebenen Fließkanal
am Eintritt und Austritt der Kanalaufweitung 5 sind mit nicht-isothermen Randbedingungen
unter Zuhilfenahme eines Computerprogrammes für die nicht-isotherme Strömung berechnet
worden. Den Berechnungen liegen - die Impulsbilanz
mit T = Scherspannung, p = Schubspannung - die Viskositätsfunktion
mit der Viskosität der Schergeschwindigkeit g und # # 1 und - die Energiebilanz
mit der Dichte #, spezif. Wärme c, der Geschwindigkeitsverteilung v, der Temperatur
T und der Wärmelelt fähigkeit # zugrunde.
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Die Berechnungen zeigen, daß die Beeinflussung des Geschwindigkeitsfeldes
und damit letztlich die Beeinflussung des Massendurchsatzes umso effektiver ist,
je größer die Verweilzeit der Schmelze unterhalb des ein zelnen Heizelementes ist.
Bei richtiger Dimensionierung der Länge der Heizelemente, die Flächenheizplatten
oder Heizplättchen sind, ist dann eine effektive und materialschonenede Veränderung
des Dickenprofils der extrudierten Vorfolie möglich.
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Die Rechnungen zeigen, daß eine mittlere Verweilzeit t von ca. t =
3 sec ausreicht, bei kleinen Temperatutdifferenzen von ca.#T = 5 - 20 0C eine Durchsatzänderung
bis zu 40 % zu bewirken, wenn beide Wände der kanalaufweitung 5 des Fließkanals
auf glei@he@ Temperaturen gehalten werden.
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Die Heizelemente 6 sind für große, gewünschte Dickenänderungen im
Folienprofil zwischen dem Verteilerkanal und den Düsenlippen anzubringen, und zwar
an einer Stelle, an der die Schmelze sich von den durch die Umformungen im Verteilerkanal
eingebrachten Spannungen entspannt. Die Länge L der Heizelemente 6 ergibt sich bei
einer Verweilzeit t2 3 sec entsprechend der Gleichung
zu
In Gleichung (2) für L bedeuten: m - # mi: Massendurchsatz durch die Querschnittsfläche
der Kanalaufweitung des Fließkanals, Dichte der Polymerschmelze, H : Weite (Höhe)
des Fließkanals, Bi : Summe der Breiten aller Heizelemente.
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Zweckmäßig sind die Heizelemente so anzubringen, daß
der
Abstand D der Heizelemente von den Wänden des Fließkanals größer als 10 mm ist,
insbesondere 15 - 40 mm beträgt.
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Die nachfolgenden Beispiele 1 bis 3 beziehen sich auf die Fig. 4a,
4b und 4c und zeigen deutlich auf, daß durch das gezielte Aufheizen der Kanalaufweitung
5 des Fließkanals 2 der Massendurchsatz m an Kunststoffschmelze in größerem Umfang
erhöht werden kann. Dabei muß der Abstand D größer als 10 mm gewählt werden, um
die Durchbiegung in y-Richtung (siehe Fig. 4a) in der unteren Wand der Kanalaufweitung
5 des Fließkanals 2 bei einer Düsenbreite B = 50 cm, einer Länge L 5 cm der Kanalaufweitung
5, einem Druck p = 106 Pa in der Schmelze nicht größer als 0,5 mm werden zu lassen.
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Die Durchbiegung y = p ' L, mit der Dü#ensteifigkeit c 384 E 1 I und
I = L D 3 B4 12 liefert für c = 1 ~ 108 Pa ein y 5 0,5 mm.
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Für den Abstand D der Heizelemente 6 von den Wänden der Kanalaufweitung
5 ergibt sich mit der Düsensteifigkeit c = 1 ~ 108 Pa die Beziehung
mit dem Elastizitätsmodul E = 2,1 ~ 1011 Pa einer Breitschlitzdüse aus Stahl.
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Mit den voranstehenden Angaben liefert diese Beziehung für D einen
Wert größer/gleich 26 mm.
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Beispiel 1 Gegeben sind für eine Polyesterschmelze die Daten in =
20 kg/h> # = 1170 kg/m3, H = 4,75 mm und B = 60 mm.
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Nach Gleichung 1 errechnet sich dann eine Länge L = 50 mm bei Temperaturen
Tw1 = To = Tw2 = 280 °C (Fig. 4a).
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Gesucht ist die Durchsatzänderung, wenn die Standardwandtemperatur
von Tw1 = Tw2 = 280 0C um AT = 20 0C auf beiden Seiten angehoben wird, d.h.
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Tw1 = Tw2 = To + AT = 300 C. Für die Viskositätsfunkw1 tion liefert
für diesen Modellfall die Gleichung
| #(T) = 180 Pas exp [6700 (1 -1 )] |
| T 553 |
T: Temperatur in Grad Kelvin die entsprechenden Ergebnisse. Die Darstellung des
Rechenergebnisses zeigt Fig. 4b, aus der ersichtlich ist, daß sich das Geschwindigkeitsprofil
in Kanalrichtung stark der Rechteckform annähert. Die erreichte Durchsatzsteigerung
beträgt ca. 35 %, nämlich von m = 20 kg/h auf m = 27 kg/h.
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Beispiel 2 Gegenüber Beispiel 1 wird bei sonst konstatted Großen die
Kanalweite von H = 4,75 mm auf H = 1,5 mm herabgesetzt, d.h. die Kanalaufweitung
weggelassen, so daß der Fließkanal eine durchgehende Kanalweite H = 1,5 mm aufweist.
Die Rechnung ergibt jetzt, daß die Durchs satzsteigerung lediglich 15 % ausmacht,
von m =20 kg/h auf mt = 23 kg/h.
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Beispiel 3 Es wird der Fall betrachtet, daß nur eine FliegkAndlwand
auf Tw1 = 300 0C angehoben wird, während die andere Wand auf der Temperatur TW2
= 280 0C gehalten wird. Die Höhe der Kanalaufweitung ist gleich der Höhe H = 1,5
mm des Fließkanals. Die Dickenänderung beträgt dann lediglich 8 %, da sich der Massendurchsatz
m = 20 kg/h nur auf m = 21,6 kg/h erhöht. Diese Art der Plattenbeheizung ist deshalb
sehr gut für Feinkorrekturen geeignet (Fig. 4c).
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Breitschlitzdüse 1,
die eine äußere Gestalt ähnlich dek Ausführungsform nach Fig. 3 besitzt. Die Düsenhauptteile
8 und 9 schließen den stromlinienförmigen Verteilerkanal 3 ein, der in den Fließkanal
2 mit der Kanalaufweitung 5 übergeht. Der obere Düsenhauptteil 8 nimmt den Einsatz
18 mit den Heizelementen 6 auf, die auf der Von der Wand 10 der Kanalaufweitung
5 abgewandten Seite durch
Isolierkörper 7 thermisch gegenüber dem
Hauptdüsenteil 8 isoliert sind. Der Einsatz 18 ist durch eine oder mehrere Schrauben
20 mit dem Hauptdüsenteil 8 verschraubt. Der Abstand D der oberen Heizelemente 6
von der Wand 10 beträgt mehr als 10 mm. Die obere Düsenlippe 4 ist mit Hilfe von
Dusenbolzen 13 verstellbar, so daß die Größe des Düsenaustritts 12 nach Bedarf eingestellt
werden kann. Die Düsenbolzen 13 befinden sich im Schraubeingriff mit dem Vorsprung
14 des oberen Düsenhauptteils 8 und liegen mit ihren unteren Enden gegen die Oberseite
der Düsenlippe 4 an.
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Im Bereich der unteren Düsenlippe 4 ist eine Anzahl von Flächenheizelementen
6a angeordnet, die zusätzlich zu den Heizelementen 6 im unteren Düsenhauptteil 9
die Kunststoffschmelze aufheizen. Die Breiten Bi der einzelnen Flächenheizelemente
6a sind gleich oder unterschiedlich groß, wobei sich die Flächenheizelemente in
nicht dargestellter Weise ebenso wie die übrigen Heizelemente 6 über die Breite
der Breitschlitzdüse 1 erstrecken. Die Länge der Flächenheizelemente 6a in Extrusionsrichtung
A ist durch
gegeben, mit dem Massendurchsatz m an Kunststoffschmelze durch die Querschnittsfläche
des Düsenaustritts 12, der Höhe H des Fließkanals 2, der Breite Bi des einzelnen
Flächenheizelements 6a und der Dichte der Kunststoffschmelze. Wird die Länge L der
Flächen-
heizelemente 6a gemäß der voranstehend angegebenen Bb
ziehung festgelegt, so beträgt die Verweilzeit der Kunststoffschmelze oberhalb der
Flächenheizelemente 6a rund 1 sec.
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Der Düsenhauptteil 9 weist einen Einschnitt auf, in dem ein Paßstück
23 eingefügt ist, das mittels einer oder mehrerer versenkter Schrauben 22 mit dem
Düsenhauptteil 9 verbunden ist. Das Paßstück 23 hat eine Ausnehmung 24, die einer
Ausnehmung 21 im unteren Düsenhauptteil 9 gegenüberliegt. In dem von den beiden
Ausnehmungen 21 und 24 gebildeten Hohlraum befinden sich die Heizelemente 6, die
zu der Wand 11 der Kanalaufweitung 5 einen Abstand D1 haben. Der Abstand D1 ist
im allgemeinen größer als der Abstand D der oberen Heizelemente von der Kanalaufweitung
5, jedoch ist D1 variabel und kann auch gleich oder kleiner D gemacht werden, da
die unteren Heizelemente 6 in dem von den Ausnehmungen 21 und 24 eingeschlossenen
Raum dementsprechend positioniert werden können. Ist D1 kleiner als D, so wird bei
gleicher Heizleistung der oberen und unteren Heizelemente 6 die untere Wand 11 der
Kanalaufweitung 5 stärker aufgeheizt als die obere Wand 10. Der Luftraum der Ausnehmung
24 dient als Isolierung der unteren Heizelemente 6 gegenüber dem Paßstück 23 und
dem unteren Düsenhauptteil 9. Mit dieser Breitschlitzdüse 1 kann beispielsweise
die l'emperatur und Geschwindigkeitsverteilung, wie sie in Figa 4c gezeigt und im
Beispiel 3 beschrieben ist, eingestellt werden.
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In Fig. 6 ist schematisch eine sogenannte Mehrschichtdüse 17 im Schnitt
dargestellt, die einen Verteilerkanal 3 und oberhalb und unterhalb dieses Kanals
3 je einen weiteren Verteilerkanal 3a und 3b enthält. Durch den Verteilerkanal 3
wird die Kunststoffschmelze für die Mittelschicht der Vorfolie und durch die Verteilerkanäle
3a und 3b die Kunststoffschmelzen für die Deckschichten der Vorfolie dem Fließkanal
2 zugeführt. Dieser weist wieder eine Kanalaufweitung 5 auf, zu deren beiden Seiten
untere und obere Heizelemente 6 angeordnet sind, deren Abstände D von den Wänden
der Kanalaufweitung 5 und deren Länge L den zuvor angegebenen Werten entsprechen.
Die obere Düsenlippe 4 wird durch Düsenbolzen 13 verstellt, deren Aufbau und deren
Anordnung mit den Düsenbolzen 13 nach Fig. 3 übereinstimmen und daher ein weiteres
Mal nicht mehr beschrieben werden. Aus dem Düsenaustritt der Mehrschichtdüse 17
wird dann eine dreischichtige Vorfolie mit einer Mittelschicht 25 und einer oberen
und unteren Deckschicht 26 bzw. 27 extrudiert.
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In Fig. 7 ist ein Düsenbolzen 13 im Schnitt dargestellt, dessen Länge
durch thermische Expansion und Restriktion nach Bedarf eingestellt wird. Derartige
Düsenbolzen- sind beispielsweise an der einen der beiden konisch zusammenlaufenden
Außenseiten einer Breitschlitzdüse schräg angeordnet, wobei sie mit den einen Enden
an der von dem Düsenaustritt 12 abgewandten Seite der oberen Düsenlippe 4 anliegen
und mit den anderen Enden in dem oberen Düsenhauptteil 8 ortsfest gelagert sind.
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Durch die thermische Expansion der einzelnen Düsenbol zen 13 wird
die obere Düsenlippe 4 der im Schnitt angedeuteten Breitschlitzdüse in Richtung
der unteren Düsenlippe 4 abgelenkt und die Höhe des Düsefl#ustritts 12 verkleinert.
Der Düsenbolzen 13 ist von einer Heizpatrone 15 umgeben, in der eine oder mehrere
Induk tionsspulen 16 angeordnet sind, durch die elektrischer Strom fließt. Die Größe
des durch die einzelne Induktionsspule 16 fließenden elektrischen Stroms wird entsprechend
der gewünschten Längsausdehnung bzw. Restriktion des einzelnen Düsenbolzens 13 reguliert
Jeder der Düsenbolzen 13 ist von einer derartigen Heizpatrone 15 umschlossen. Im
Inneren des Düsen- bzw. Stellbolzens tj befindet sich ein Kühlkanal 31, in dem beispielsweise
über ein Anschlußrohr 28 Kühlluft zugeführt wird, die ein Überhitzen des Däsenbolzens
verhindert. An seinem der oberen Düsenlippe 4 zugewandten Ende ist der Düsenbolzen
13 mit einem Stellhaken 32 ausgerüstet, der in eine Ausnehmung an der Oberseite
der Düsenlippe 4 eingreift. Am oberen Ende trägt der Dusenbolzen 13 eine Stellschraube
29, beispielsweise eine Differentialstellschraube, die pro Umdrehung einen Stellweg
von 0,5 mm des Düsenbolzens 13 bewirkt. Sobald der Düsenbolzen 13 mit seinem Stellhaken
32 in dem Düsenoberteil 8 eingehakt ist, wird seine endgültige Lage mit Hilfe der
Stellschraube 29 fest verankert und durch eine Kontermutter 30 gesichert.
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In der Fig. 7 sind noch der Fließkanal 2, die Kanalaufweitung
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sowie der Verteilerkanal 3 der Breitschlitzdüse angedeutet, die nicht mehr näher
beschrieben werden.
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