DE3820907A1 - Extrusionskopf zum strangpressen von schlauch- oder rohrfoermigen vorformlingen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Extrusionskopf zum Strangpres­ sen von schlauch- oder rohrförmigen Vorformlingen aus in Extrudern plastifiziertem Kunststoffmaterial, bei dem ko­ axial in einem von einem Gehäuse getragenen Hülsenkörper mindestens ein Wendelverteiler mit wenigstens über einen Teilabschnitt seiner Länge konisch gestalteter Mantelfläche angeordnet ist, in die die wendelförmigen Kanäle eingearbei­ tet sind, und bei dem die den Wendelverteiler mit Spaltab­ stand umgebende, ebenfalls wenigstens über einen Teilab­ schnitt ihrer Länge konisch ausgeführte Innenfläche des Hülsenkörpers glattflächig ausgebildet ist.

Ein Extrusionskopf dieser Art gehört, bspw. durch die US-PS 36 49 143 bereits zum Stand der Technik.

Bei diesen bekannten Extrusionsköpfen sind dabei jeweils die Wendelverteiler und die sie umgebenden, glattflächigen Hül­ senkörper einander stationär zugeordnet. Der Spaltabstand zwischen der glattwandigen Innenfläche des Hülsenkörpers sowie der einerseits die Wendelnuten und andererseits die Wendelkämme tragenden Mantelfläche des Wendelverteilers ist also konstant. Das heißt, die Konfiguration der Fließpfade für das plastifizierte Kunststoffmaterial liegt sowohl im Be­ reich der durch die Wendelnuten bestimmten Wendelströmung als auch im Bereich der durch die Wendelkämme zwischen be­ nachbarten Wendelnuten bestimmten Inselströmung unveränder­ lich fest.

Durch getrennte Betrachtungen der rheologischen Verhältnisse beider Fließpfade, und zwar insbesondere durch die Abschät­ zung bzw. Ermittlung des Druckverlaufes entlang dieser Fließpfade, kann die Volumens-Strom-Verteilung entlang einer Wendel ermittelt werden. Es läßt sich also analysieren, welcher Volumensstrom aus der Wendelströmung auf die Insel­ strömung übertritt, und auch, wie sich die Aufteilung der beiden Volumensströme entlang einer Wendel ändert.

Diese Analyse kann allerdings nur in einem solchen Maße genau sein, wie die zugrundeliegenden Randbedingungen und Gleichungen das Problem beschreiben.

Für die praktische Auslegung von Wendelverteilern ergibt sich daher, daß sowohl die Wendelströmung als auch die In­ selströmung nur einer stark vereinfachten Betrachtungsweise unterzogen werden kann. Deshalb läßt sich einerseits die Wendelströmung in der Regel lediglich als Rohrströmung und andererseits die Inselströmung normalerweise lediglich als Strömung in einem Spalt unendlicher Breite approximieren.

In der Realität sind jedoch die beiden Strömungen wesentlich komplexer, so daß die praktische Wirkungsweise solcher Ex­ trusionsköpfe sich als Folge unterschiedlicher Randbedingun­ gen in unvorhersehbarer und dabei meistens in unerwünschter Weise ändern kann.

Insbesondere bleiben bei der Berechnung eines Wendelvertei­ lers die elastischen Eigenschaften der Schmelze unberück­ sichtigt. Diese elastischen Eigenschaften verursachen aber, vor allem an solchen Übergängen der durchströmten Geometrie, welche Dehn- und Stauchdeformationen in die Schmelze ein­ bringen, Durckverluste, die aber den Druckverbrauch entlang eines Fließpfades erheblich verändern können. Dies ist vor allem beim Austritt des Kunststoffmaterials aus den Wendeln auf die Insel der Fall.

Trotz Vorliegens dieser Einschränkungen ist jedoch die theo­ retische Analyse der Wendelverteiler ein wertvolles Hilfs­ mittel, welches den Fachmann in die Lage versetzt, bspw. durch Parameterstudien die Empfindlichkeit eines Werkzeuges gegen Schwankungen der Materialeigenschaften zu ermitteln.

In jedem Falle ist es aber lediglich möglich, die Ausbildung eines Wendelverteilers für einen bestimmten Arbeitsbereich und ein bestimmtes Kunststoffmaterial optimal auszulegen. Wird dann der Wendelverteiler im praktischen Einsatz mit einem Kunststoffmaterial anderen rheologischen Verhaltens oder mit anderem Durchsatz gefahren, dann kann es leicht zu einer über den Umfang des Werkzeugs ungleichmäßigen Aus­ trittsgeschwindigkeit der Schmelze kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsge­ mäßen Extrusionskopf zu schaffen, der sich mit relativ ge­ ringem technischem Mehraufwand unterschiedlichen Eigenschaf­ ten der Kunststoffmaterialien anpassen läßt und/oder die Beherrschung verschiedener Arbeitsbereiche ermöglicht sowie zugleich eine Optimierung der Verteilungsgüte über den Um­ fang hinweg zuläßt.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß - nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 - auf einfache Weise dadurch erreicht, daß Hülsenkörper und Wendelverteiler wenigstens mit ihren konischen Längenabschnitten in Richtung ihrer Längsachse relativ zueinander begrenzt verlagerbar ausgebil­ det sind.

Da hierdurch die Breite des Durchschnittsspaltes für das Kunststoffmaterial sowohl im Wendelbereich als auch im In­ selbereich gleichartig verändert werden kann, läßt sich die Empfindlichkeit des Extrusionskopfes innerhalb gewisser Grenzen variieren und abstimmen.

Da die absolute Abmessung des Spaltes im Wendelbereich re­ gelmäßig wesentlich größer ist, als im Inselbereich, wirkt sich auch die Spaltänderung unterschiedlich aus. Während nämlich jeweils die Materialströmung im Inselbereich eine starke Änderung erfahren kann, bleibt die Wendelströmung hiervon nur wenig beeinflußt, was eine günstige Auswirkung auf die Verteilungsgüte des Extrusionskopfes hat.

Nach der Erfindung kann es sich als besonders vorteilhaft erweisen, wenn - gemäß Anspruch 2 - Hülsenkörper und Wendel­ verteiler relativ zueinander stufenlos verstellbar angeord­ net sind.

Es kann dabei - nach Anspruch 3 - die Verstellvorrichtung von elektrischen Stellmotoren oder hydraulisch bzw. pneuma­ tisch beaufschlagbaren Schiebern gebildet sein, die am Ge­ häuse ihr Widerlager haben und am Hülsenkörper und/oder am Wendelverteiler angreifen.

Es ist aber auch - nach Anspruch 4 - möglich, beim Extru­ sionskopf nach der Erfindung als Verstellvorrichtung Wärme­ dehnbolzen vorzusehen, die am Gehäuse ihr Widerlager haben und am Hülsenkörper und/oder am Wendelverteiler angreifen.

Eine andere Ausgestaltungsmöglichkeit für den Extrusionskopf nach der Erfindung wird - gemäß Anspruch 5 - darin gesehen, daß Hülsenkörper und Wendelverteiler relativ zueinander stufenweise verstellbar angeordnet sind. In diesem Falle kann - nach Anspruch 6 - der Hülsenkörper unter Zwischenlage von Distanzscheiben unterschiedlicher Dicke stufenweise verstellbar am Gehäuse gehalten sein. Möglich ist es dabei - nach Anspruch 7 - dem Hülsenkörper jeweils an seinem Fußende und an seinem Kopfende einen Satz von Distanzscheiben unter­ schiedlicher Dicke zuzuordnen und diese Distanzscheiben zwischen dem Fußende und dem Kopfende gegeneinander aus­ tauschbar vorzusehen.

Im Rahmen der Erfindung liegt es - nach Anspruch 8 - aber auch, daß die Verstellvorrichtung aus mindestens einem Pie­ zotranslator besteht, der mit einer Spannungsquelle verbind­ bar ist und dann durch unterschiedliche elektrische Ansteu­ erung eine hierzu analoge mechanische Lagenveränderung zwi­ schen Hülsenkörper und Wendelverteiler hervorbringt.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der erfindungswesentlichen Funktionsteile eines Extrusions­ kopfes mit konischem Wendelverteiler.

Es ist in der Zeichnung die rechte Seite eines Hülsenkörpers 1 zu sehen, der eine in Richtung seiner Längsachse verlau­ fende und sich von oben nach unten konisch verjüngende In­ nenfläche 2 aufweist, die insgesamt glattflächig ausgebildet ist.

In den Hülsenkörper 1 ragt von oben her der Wendelverteiler 3 hinein, der ebenfalls eine konisch gestaltete, nämlich sich von oben nach unten verjüngende, Mantelfläche 4 hat, die in einem rundum gleichmäßigen Spaltabstand 5 von der Innenfläche 2 des Hülsenkörpers 1 ausgerichtet gehalten ist.

In der Mantelfläche 4 des Wendelverteilers 3 sind dabei wendelförmige Kanäle 6 eingearbeitet, die bspw. eine sich - vorzugsweise stetig - ändernde Querschnittsform und/oder -abmessung aufweisen, wie das deutlich der Zeichnung entnom­ men werden kann.

Es ist erkennbar, daß sich nicht nur die Querschnittsform der wendelförmigen Kanäle 6 verändert, sondern sich vielmehr auch von oben nach unten allmählich verkleinert.

Hülsenkörper 1 und Wendelverteiler 3 des Extrusionskopfes sind in Richtung ihrer gemeinsamen Längsachse 7 relativ zueinander begrenzt verlagerbar ausgeführt, und zwar in der Weise, daß sich hierdurch der Spaltabstand 5 zwischen der Innenfläche 2 des Hülsenkörpers 1 und der Mantelfläche 4 des Wendelverteilers 3 verändern läßt. Wird bspw. der Wendelver­ teiler 3 relativ zum Hülsenkörper 1 in axialer Richtung hochgefahren, dann vergrößert sich damit der Spaltabstand 5. Wird hingegen der Wendelverteiler 3 relativ zum Hülsenkörper 1 nach unten gefahren, dann verringert sich der Spaltabstand 5, und zwar bis auf ein vorgegebenes Minimalmaß.

Für die Durchführung der axialen Relativverlagerung zwischen dem Hülsenkörper 1 und dem Wendelverteiler 3 ist eine beson­ dere Verstellvorrichtung 8 vorgesehen, die bspw. am Gehäuse des Extrusionskopfes ihr Widerlager hat und dabei am Hülsen­ körper 1 und/oder am Wendelverteiler 3 angreift. Zwischen dem Hülsenkörper 1 und dem Wendelverteiler 3 werden für die durchzusetzende Kunststoffschmelze zwei verschiedene Fließ­ pfade, nämlich ein Wendelströmungs-Fließpfad 9 innerhalb der wendelförmigen Kanäle 6 sowie ein Inselströmungs-Fließpfad 10 zwischen der Innenfläche 2 des Hülsenkörpers 1 und der Mantelfläche 4 des Wendelverteilers 3 gebildet.

Während durch die axiale Relativverlagerung von Hülsenkörper 1 und Wendelverteiler 3 durch den sich ändernden Spaltab­ stand 5 der Durchflußquerschnitt des Inselströmungs-Fließ­ pfades 10 relativ stark verändert werden kann, tritt zu­ gleich nur eine relativ geringe Querschnittsveränderung des Wendelströmungs-Fließpfades 9 ein, weil dort das Verhältnis der Änderung des Spaltabstandes 5 zum vorgegebenen Quer­ schnittsverhältnis der Kanäle 6 nur gering ist.

Als Verstellvorrichtungen 8 können elektrische Stellmotoren oder hydraulisch bzw. pneumatisch beaufschlagbare Schieber benutzt werden, die entweder eine stufenlose Relativverstel­ lung zwischen Hülsenkörper und Wendelverteiler 3 ermöglichen oder aber auch für eine stufenweise Verstellung derselben eingerichtet sind.

Als Verstellvorrichtungen 8 lassen sich gegebenenfalls aber auch Wärmedehnbolzen benutzen, wenn es auf eine feinfühlige stufenlose Verstellung ankommt.

Für eine feinfühlige, stufenlose oder auch stufenweise Ver­ stellung bietet sich aber auch die Benutzung sogenannter Piezotranslatoren an, die mit einer elektrischen Spannungs­ quelle verbindbar sind und deren mechanische Stellwirkung in Abhängigkeit von unterschiedlichen elektrischen Ansteuerun­ gen der Piezoelemente verändert werden kann.

Abweichend von dem in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel ist es, wenn eine stufenlose axiale Verstell­ barkeit zwischen dem Hülsenkörper 1 und dem Wendelverteiler 3 ausreicht, auch möglich, den Hülsenkörper unter Zwischen­ lage von Distanzscheiben unterschiedlicher Dicke stufenweise verstellbar am Gehäuse des Extrusionskopfes zu halten, und zwar dergestalt, daß der Hülse 1 jeweils an ihrem Fußende und an ihrem Kopfende ein Satz von Distanzscheiben unter­ schiedlicher Dicke zugeordnet ist. Wenn dann die Distanz­ scheiben zwischen dem Fußende und dem Kopfende der Hülse einzeln oder auch gruppenweise gegeneinander ausgetauscht werden, kann eine Axialverlagerung des Hülsenkörpers 10 relativ zum Wendelverteiler 3 vorgenommen werden, ohne daß sich dadurch die wirksame Gesamtlänge des Extrusionskopfes ändert.

Hülsenkörper 1 und Distanzscheiben lassen sich in jedem Falle gemeinsam mit dem Gehäuse des Extrusionskopfes verbin­ den, indem nämlich bspw. Spannschrauben zum Einsatz gelan­ gen, welche in Umfangsrichtung des Extrusionskopfes verteilt sowohl den Hülsenkörper 1 als auch sämtliche ihm zugeordne­ ten Distanzscheiben durchsetzen und dabei in Gewindebohrun­ gen am Gehäuse des Extrusionskopfes eingreifen, wie das beim Bau von Extrusionsköpfen an sich bekannt ist.

Claims (8)

1. Extrusionskopf zum Strangpressen von schlauch- oder rohr­ förmigen Vorformlingen aus in Extrudern plastifiziertem Kunststoffmaterial, bei dem koaxial in einem von einem Gehäuse getragenen Hülsenkörper mindestens ein Wendelver­ teiler mit wenigstens über einen Teilabschnitt seiner Länge konisch gestalteter Mantelfläche angeordnet ist, in die die wendelförmigen Kanäle eingearbeitet sind, und bei dem die den Wendelverteiler mit Spaltabstand umgebende, ebenfalls über einen Teilabschnitt ihrer Länge konisch ausgeführte Innenfläche des Hülsenkörpers glattflächig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Hülsenkörper (1) und Wendelverteiler (3) wenigstens mit ihren konischen Längenabschnitten (2 und 4) in Rich­ tung ihrer Längsachse (7) relativ zueinander begrenzt verlagerbar ausgebildet sind.

2. Extrusionskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Hülsenkörper (1) und Wendelverteiler (3) relativ zueinander stufenlos verstellbar angeordnet sind.

3. Extrusionskopf nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung (8) von elektrischen Stellmo­ toren oder hydraulisch bzw. pneumatisch beaufschlagbaren Schiebern gebildet ist, die am Gehäuse ihr Widerlager haben und am Hülsenkörper (1) und/oder am Wendelverteiler (3) angreifen.

4. Extrusionskopf nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstellvorrichtung (8) Wärmedehnbolzen vorgese­ hen sind, die am Gehäuse ihr Widerlager haben und am Hülsenkörper (1) und/oder am Wendelverteiler (3) angrei­ fen.

5. Extrusionskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Hülsenkörper (1) und Wendelverteiler (3) relativ zueinander stufenweise verstellbar angeordnet sind.

6. Extrusionskopf nach einem der Ansprüche 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hülsenkörper (1) unter Zwischenlage von Distanz­ scheiben unterschiedlicher Dicke stufenweise verstellbar am Gehäuse gehalten ist.

7. Extrusionskopf nach einem der Ansprüche 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hülsenkörper (1) jeweils am Fußende und am Kopf­ ende ein Satz von Distanzscheiben unterschiedlicher Dicke zugeordnet ist und daß dabei die Distanzscheiben zwischen dem Fußende und dem Kopfende des Hülsenkörpers (1) gegen­ einander austauschbar angeordnet sind.

8. Extrusionskopf nach einem der Ansprüche 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung aus mindestens einem Piezo­ translator besteht, der mit einer Spanmnungsquelle ver­ bindbar ist.