DE3820907C2 - Extrusionskopf zum Strangpressen von schlauch- oder rohrförmigen Vorformlingen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Extrusionskopf zum Strangpressen von schlauch- oder rohrförmigen Vorformlingen aus in Extrudern plastifi­ ziertem Kunststoffmaterial, bei dem koaxial in einem von einem Gehäuse getragenen Hülsenkörper mindestens ein Wendelverteiler mit wenigstens über einen Teilabschnitt seiner Länge in Extrusions­ richtung konisch verjüngt gestalteter Mantelfläche angeordnet ist, in die die wendelförmigen Kanäle eingearbeitet sind, und bei dem die den Wendelverteiler mit Spaltabstand umgebende, ebenfalls wenigstens über einen Teilabschnitt ihrer Länge in Extrusionsrich­ tung konisch verjüngt ausgeführte Innenfläche des Hülsenkörpers glattflächig ausgebildet ist.

Durch die US-PS 36 49 143 gehört bereits ein Extrusionskopf dieser Art zum Stand der Technik. Bei ihm sind jeweils die Wendelverteiler und die sie umgebenden, glattflächigen Hülsenkörper einander statio­ när zugeordnet. Daher ist der Spaltabstand zwischen der glattwandi­ gen Innenfläche des Hülsenkörpers sowie der einerseits die Wendelnu­ ten und andererseits die Wendelkämme tragenden Mantelfläche des Wendelverteilers also konstant. Das heißt aber, die Konfiguration der Fließpfade für das plastifizierte Kunststoffmaterial liegt sowohl im Bereich der durch die Wendelnuten bestimmten Wendelströmung als auch im Bereich der durch die Wendelkämme zwischen benachbarten Wendelnuten bestimmten Inselströmung unveränderlich fest.

In baulicher Hinsicht ist der bekannte Extrusionskopf so eingerich­ tet, daß mit seiner Hilfe mehrere Materialschichten zu einer ein­ zigen Blasfolie vereinigt werden. Dabei arbeitet der Extrusionskopf einerseits mit einem zylindrischen Innenteil und andererseits mit konischen Außenteilen. Die dort vorausgesetzte Vereinigung mehrerer unterschiedlicher Materialschichten zu einer einzigen Blasfolie zwingt in besonderem Maße zu einer Ausbildung des Extrusionskopfes, die nur für einen bestimmten Arbeitsbereich und nur für die gleich­ zeitige Bearbeitung bestimmter Kunststoffmaterialien optimal ausge­ legt werden kann.

Der in der DE-Zeitschrift "Plastverarbeiter", 29. Jahrgang 1978, Nr. 1 auf den Seiten 5 bis 10 abgedruckte Aufsatz "Entwicklungs­ tendenzen für die Werkzeuggestaltung . . . " erwähnt auf Seite 7, rechte Spalte, als eine entscheidende geometrische Größe zur Aus­ legung des Verwischgewindes bzw. des Wendelverteilers die Spaltweite zwischen Verwischgewinde bzw. Wendelverteilerdorn und Gehäuse und ihre Änderung in Extrusionsrichtung.

Abgesehen davon, daß diese Literaturstelle sich nur mit Extrusions­ köpfen befaßt, deren Wendelverteiler eine zylindrische Gestaltung haben, gibt die Literaturstelle keinerlei Hinweise, daß und wie an einem betriebsfähigen Extrusionskopf eine Änderung der Spaltweite in Extrusionsrichtung vorgenommen werden kann. Es wird vielmehr lediglich gelehrt (vgl. Seite 8, linke Spalte), die Auslegung der Werkzeugelemente gewissermaßen als Kompromiß, d. h. als Abstimmung auf den gesamten Anwendungsbereich des Werkzeuges zu sehen; die Geometrie also dahingehend zu optimieren, daß alle vorgesehenen Produktionsprogramme möglichst gut erfüllt werden und der Widerstand möglichst gering ist - ohne daß eine aktive Spaltweiten-Änderung in betracht gezogen wird.

Die Übertragbarkeit der für Extrusionsköpfe mit zylindrischen Innenteilen gewonnenen Erkenntnisse auf gattungsgemäße Extrusions­ köpfe mit konischen Innenteilen läßt sich aus der Literaturstelle nirgendwo ableiten.

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 zugrunde liegenden 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, Druckverluste, 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.

Für die Lösung dieser Aufgabe bei einem Extrusionskopf der anfangs spezifizierten Art sind nach der Erfindung die Längenabschnitte von Hülsenkörper und Wendelverteiler zur Veränderung des Spaltabstandes zwischen ihnen in Richtung ihrer gemeinsamen Längsachse relativ zueinander begrenzt verlagerbar ausgebildet.

Da hierdurch die Breite des Durchtrittsspaltes für das Kunststoff­ material sowohl im Wendelbereich als auch im Inselbereich gleich­ artig verändert werden kann, läßt sich die Empfindlichkeit des Extrusionskopfes innerhalb gewisser Grenzen variieren und abstimmen.

Da die absolute Abmessung des Spaltes im Wendelbereich regelmäßig 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.

Es kann sich als besonders vorteilhaft erweisen, wenn Hülsenkörper und Wendelverteiler relativ zueinander stufenlos verstellbar an­ geordnet sind.

Die Verstellvorrichtung kann von elektrischen Stellmotoren oder hydraulisch bzw. pneumatisch beaufschlagbaren Schiebern gebildet sein, welche am Gehäuse ihr Widerlager haben und am Hülsenkörper und/oder am Wendelverteiler angreifen.

Es ist aber auch möglich, beim Extrusionskopf nach der Erfindung als Verstellvorrichtung Wärmedehnbolzen vorzusehen, die am Gehäuse ihr Widerlager haben und am Hülsenkörper und/oder am Wendelverteiler angreifen.

Eine andere Ausgestaltungsmöglichkeit für den Extrusionskopf kann aber auch darin liegen, daß Hülsenkörper und Wendelverteiler relativ zueinander stufenlos verstellbar angeordnet sind. Dabei kann der Hülsenkörper unter Zwischenlage von Distanzscheiben unterschiedli­ cher Dicke stufenweise verstellbar am Gehäuse gehalten werden. Es besteht dann die Möglichkeit, dem Hülsenkörper jeweils an seinem Fußende und seinem Kopfende einen Satz von Distanzscheiben unter­ schiedlicher Dicke zuzuordnen und diese Distanzscheiben zwischen dem Fußende und dem Kopfende gegeneinander austauschbar vorzusehen.

Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, als Verstellvorrichtung mindestens einen Piezotranslator zu benutzen, der mit einer Span­ nungsquelle verbindbar ist und dann durch unterschiedliche elek­ trische Ansteuerung eine hierzu analoge mechanische Lagenveränderung zwischen Hülsenkörper und Wendelverteiler hervorbringt.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung der erfindungswesentlichen Funktionsteile eines Extrusionskopfes 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 (6)

1. Extrusionskopf zum Strangpressen von schlauch- oder rohrförmi­ gen Vorformlingen aus in Extrudern plastifiziertem Kunststoff­ material, bei dem koaxial in einem von einem Gehäuse getragenen Hülsenkörper mindestens ein Wendelverteiler mit wenigstens über einen Teilabschnitt seiner Länge in Extrusionsrichtung konisch verjüngt gestalteter Mantelfläche angeordnet ist, in die die wendelförmigen Kanäle eingearbeitet sind und bei dem die den Wendelverteiler mit Spaltabstand umgebende, ebenfalls wenig­ stens über einen Teilabschnitt ihrer Länge in Extrusionsrich­ tung konisch verjüngt ausgeführte Innenfläche des Hülsenkörpers glattflächig ausgebildet ist, wobei die Längenabschnitte (2 und 4) von Hülsenkörper (1) und Wendelverteiler (3) zur Ver­ änderung des Spaltabstandes (5) zwischen ihnen in Richtung ihrer gemeinsamen Längsachse (7) relativ zueinander begrenzt verlagerbar ausgebildet sind.

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

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

4. Extrusionskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hülsenkörper (1) unter Zwischenlage von Distanzscheiben unterschiedlicher Dicke stufenweise verstellbar am Gehäuse gehalten ist.

5. Extrusionskopf nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hülsenkörper (1) jeweils am Fußende und am Kopfende ein Satz von Distanzscheiben unterschiedlicher Dicke zugeordnet ist und daß dabei die Distanzscheiben zwischen dem Fußende und dem Kopfende des Hülsenkörpers (1) gegeneinander austauschbar angeordnet sind.

6. Extrusionskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung aus mindestens einem Piezotrans­ lator besteht, der mit einer Spannungsquelle verbindbar ist.