DE3839621A1 - Planetwalzenextruder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Planetwalzenextruder mit einem Walzenzylinder, der an seinem Innenumfang aus Zahnlücken und Zähnen bestehende Schraubengänge aufweist, mit einer Haupt­ spindel, die konzentrisch zum Walzenzylinder angeordnet ist und an ihrem Außenumfang mit durch Zahnlücken und Zähne gebildeten Schraubengängen versehen ist sowie mit mindestens einer Planetspindel, vorzugsweise aber einer Mehrzahl von Planetspindeln, die jeweils an ihrem Außenumfang mit aus Zahnlücken und Zähnen bestehenden Schraubengängen versehen ist bzw. sind, wobei die Schraubengänge jeder Planetspindel einerseits mit den Schraubengängen der Hauptspindel und andererseits mit den Schraubengängen des Walzenzylinders kämmen.

Derartige Planetwalzenextruder sind zum Aufbereiten und Strangpressen von thermoplastischen Kunststoffen bereits durch die DE-OS 25 21 774 und die DE-OS 27 02 390 bekannt.

Beim Planetwalzenextruder nach DE-OS 25 21 774 ist zur An­ passung an unterschiedlicher Verarbeitungsbedingungen des Kunststoffmaterials der Planetwalzenteil, also der Walzenzy­ linder, die Hauptspindel und die Planetspindeln aus mehreren axial hintereinander angeordneten Baueinheiten zusammenge­ setzt. Hierdurch kann nicht nur die Längenabmessung des Planetwalzenextruders im Rahmen bestimmter Grenzen nach verfahrenstechnischen und fertigungstechnischen Gesichts­ punkten ausgelegt werden, sondern es ist darüber hinaus möglich, im Bereich jeder einzelnen Baueinheit die Stei­ gungswinkel der Planetspindeln, der Hauptspindel und des Walzenzylinders sowie auch deren Gangvolumen unterschiedlich zu bemessen.

Auch nach der DE-OS 27 02 390 ist vorgesehen, die Funktions­ elemente des Planetwalzenteils jeweils durch Aneinanderrei­ hung einzelner Längenabschnitte zu bilden. Diese Längenab­ schnitte können dabei zur Verbesserung des Knet- und Misch­ vorgangs für den Kunststoff unterschiedliche Schraubengänge aufweisen, und zwar in der Weise, daß deren Zahnlücken und Zähne in den einzelnen Längenabschnitten verschiedene Pro­ file mit voneinander abweichenden Moduln bzw. Ganghöhen erhalten, bspw. dergestalt, daß deren Moduln bzw. Ganghöhen in Förderrichtung von Abschnitt zu Abschnitt abnehmen.

Innerhalb der einzelnen Baueinheiten bzw. Abschnitte sind hier jedoch die Profile der Zahnlücken und Zähne sowie deren Moduln bzw. Ganghöhen und Gangvolumen gleichbleibend.

Planetwalzenextruder dieser bekannten Bauart haben nicht nur eine herstellungs- und montagetechnisch aufwendige Ausbil­ dung. Vielmehr haben sie auch den Nachteil, daß entweder der Materialstrom in den Übergangsbereichen zwischen den unmit­ telbar aneinanderstoßenden Längenabschnitten der zusammen­ wirkenden Funktionsteile empfindlich gestört wird oder aber daß der Einbau besonderer Übergangszonen zwischen aufeinan­ derfolgenden Baueinheiten nötig wird, welche den Material­ übertritt aus der einen Baueinheit in die andere verbessern.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Planetwalzenex­ truders gattungsgemäßer Bauart, bei dem sämtliche Funktions­ elemente des Planetwalzensystems, also der Walzenzylinder, die Hauptspindel und die Planetspindeln, bei baulich ein­ facher Auslegung gewährleisten, daß einerseits das im Ein­ lauf noch hochviskose Kunststoffmaterial schonend aufberei­ tet werden kann, daß andererseits aber im Austrag ein zu hohes Scheren dieses Kunststoffmaterials verhindert und dadurch der Verschleiß der zusammenwirkenden Funktionsele­ mente verringert wird.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß - nach dem Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 - grundsätzlich dadurch, daß bei über die ganze Länge des jeweiligen Planetwalzensystems durchgehend einstückiger Ausbildung von Walzenzylinder, Hauptspindel und Planetspindeln die Zahnlücken- und Zahn­ geometrien der miteinander kämmenden Schraubengänge in Rich­ tung vom Einlaufbereich zum Austragbereich desselben variie­ ren, und daß dabei innerhalb des jeweiligen Planetwalzensy­ stems unterschiedliche Spiele zwischen den sich jeweils gegenüberliegenden Eingriffsflächen der Schraubengänge ein­ gegrenzt sind.

Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Planetwal­ zenextruders ist es möglich, die Ausbildung der Funktions­ elemente des Planetwalzensystems, also des Walzenzylinders, der Hauptspindel und der Planetspindeln an unterschiedlich­ ste Anforderungen anzupassen, ohne daß eine Beeinträchtigung des Kunststoffmaterialflusses innerhalb des jeweiligen freien Gangvolumens eintreten kann.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn erfindungsgemäß - nach Anspruch 2 - die Abweichungen der Zahnlücken- und Zahngeometrien an den Schraubengängen bzw. die Spaltverhältnisse zwischen diesen im Einlaufbereich des Planetwalzensystems größer sind als in dessen Austragbe­ reich. Wenn bspw. das Flanken- und Kopfspiel zwischen den Schraubengängen im Einlaufbereich groß und im Austragsbe­ reich eng gestaltet wird, ergibt sich im Einlauf eine scho­ nende Aufbereitung des noch hochviskosen Materials, während die im Austragbereich vorhandenen, engen Spalte ein zu hohes Scheren des Materials verhindern und dadurch einen geringen Verschleiß gewährleisten.

Die Erfindung sieht - gemäß Anspruch 3 - vor, daß die Zahn­ lücken- und Zahngeometrien der Schraubengänge sich vom Ein­ laufbereich des Planetwalzensystems stetig ändern und dabei eine gute Anpassung an den unterschiedlichen Plastifizie­ rungsgrad des Kunststoffmaterials erreichen.

Andererseits liegt es - nach Anspruch 4 - aber auch im Rah­ men der Erfindung, wenn die Zahnlücken- und Zahngeometrien der Schraubengänge sich vom Einlaufbereich zum Austragbe­ reich des Planetwalzensystems - gegebenenfalls zusätzlich - stufenweise bzw. in aufeinanderfolgenden Längenabschnitten ändern.

Es wird erfindungsgemäß - nach Anspruch 5 - vorgeschlagen, daß der Fußradius in den Zahnlücken und/oder der Kopfkreis­ durchmesser der Zähne variiert. Es ist nach einer anderen Lösungsmöglichkeit der Erfindung - gemäß Anspruch 6 - aber auch möglich, daß das Flankenspiel zwischen den Zähnen va­ riiert. Schließlich sieht die Erfindung - gemäß Anspruch 7 - aber auch noch vor, daß die Flankenkontur der Zähne va­ riiert.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn - nach Anspruch 8 - Walzenzylinder, Hauptspindeln und Planetenspindeln über die ganze Länge des jeweiligen Planetenwalzensystems durch­ gehend einstückig ausgebildet sind.

Selbstverständlich können die in den Ansprüchen 5 bis 7 angegebenen Ausgestaltungen aber auch in unterschiedlicher Kombination gleichzeitig in Benutzung genommen werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Hierbei zeigen

Fig. 1 in schematisch vereinfachtem Längsschnitt einen koaxial zu einem Einschneckenextruder ausgerichte­ ten und mit diesem in Antriebsverbindung stehenden Planetwalzenextruder,

Fig. 2 in größerem Maßstab den in Fig. 1 mit II gekenn­ zeichneten Teilbereich des Planetwalzenextruders mit überproportioniert deutlich ausgeprägt darge­ stellten Schraubengängen im Walzenzylinder, in einer Planetspindel und in der Hauptspindel,

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung durch eine etwas abgewandelte Ausgestaltung eines Pla­ netwalzenextruders,

Fig. 4 in vergrößertem Maßstab und als Ausschnitt im gegenseitigen Eingriff die Zahnlücken und Zähne der Schraubengänge des Walzenzylinders und einer Planetenspindel oder einer Planetspindel und der Hauptspindel in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der zusammenwirken­ den Schraubengänge und

Fig. 6 eine wieder andere Ausgestaltungsmöglichkeit für die ineinandergreifenden Schraubengänge eines Walzenzylinders und einer Planetspindel bzw. einer Planetspindel und der Hauptspindel.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Extruder zum Plastifizieren und Homogenisieren von thermoplastischem Kunststoffmaterial dargestellt, der aus einem Einschnecken-Einfüllextruder 12 und einem an dessen Austragsende koaxial anschließenden Planetwalzenextruder besteht. Die Schneckenwelle 16 des Einschnecken-Einfüllextruders 12 und die Hauptspindel 18 des Planetwalzenextruders 14 werden von einem einzigen - nicht dargestellten - Antrieb in Drehung versetzt, welcher an das rechte Ende des Einschnecken-Einfüllextruders angeflanscht ist.

In den Umfang der Hauptspindel 18 des Planetwalzenextruders 14 sind über die ganze Länge hinweg Schraubengänge 20 einge­ arbeitet, deren Profil jeweils durch Zähne 22 und Zahnlücken 24 bestimmt ist, wie das aus Fig. 2 der Zeichnung hervor­ geht.

Um den Umfang der Hauptspindel 18 gleichmäßig verteilt ange­ ordnet sind mehrere Planetspindeln 26, von denen jede wie­ derum an ihrem Außenumfang Schraubengänge 28 aufweist, deren Profil von Zähnen 30 und Zahnlücken 32 bestimmt ist.

Die Schraubengänge 28 sämtlicher Planetspindeln 26 kämmen dabei mit den Schraubengängen 20 der Hauptspindel 18, und zwar dergestalt, daß ihre Zähne 30 in die Zahnlücken 24 der Schraubengänge 20 eintauchen, während umgekehrt die Zähne 22 der Schraubengänge 20 in die Zahnlücken 32 der Schraubengän­ ge 28 eintauchen.

Sämtliche Planetspindeln 26 werden von einem konzentrisch zur Hauptspindel 18 angeordneten Walzenzylinder 34 umgeben, in dessen Innenumfang wiederum Schraubengänge 36 eingeformt sind, deren Profil von Zähnen 38 und Zahnlücken 40 bestimmt ist, wie das der Fig. 2 entnommen werden kann. Mit den Schraubengängen 36 des Walzenzylinders 34 kämmen die Schrau­ bengänge 28 sämtlicher Planetspindeln 26, und zwar derart, daß deren Zähne 30 in die Zahnlücken 40 der Schraubengänge 36 eintauchen, während umgekehrt die Zähne 38 der Schrauben­ gänge 36 in die Zahnlücken 32 der Schraubengänge 28 einge­ rückt sind.

Ein wichtiges Ausbildungsmerkmal des Planetwalzenextruders 14 besteht zunächst darin, daß nicht nur dessen Walzenzy­ linder 34, sondern auch die Hauptspindel 18 und sämtliche Planetspindeln 26 über die ganze Länge des Planetwalzensy­ stems durchgehend einstückig ausgebildet sind.

Ein anderes wesentliches Ausbildungsmerkmal des Planetwal­ zenextruders 14 beruht darauf, daß die Zahnlückengeometrien und die Zahngeometrien der miteinander kämmenden Schrauben­ gänge 20/28 sowie 28/36 in Richtung vom Einlaufende des Planetwalzenextruders 14 weg zu dessen Austragsbereich hin in ihrer Gestaltung variiert sind.

Die Variation der Zahnlückengeometrien und Zahngeometrien der Schraubengänge 20, 28 und 36 besteht dabei darin, daß über die Länge des Planetwalzenextruders 14 hinweg unter­ schiedliche Spiele zwischen den sich jeweils gegenüberlie­ genden Eingriffsflächen der Schraubengänge 20/28 und 28/36 eingegrenzt werden, wie das in übertrieben deutlicher Dar­ stellung aus Fig. 2 der Zeichnung hervorgeht.

Besonders bewährt hat sich dabei eine Ausbildung, bei wel­ cher die Abweichungen der Zahnlückengeometrien und der Zahn­ geometrien an den Schraubengängen 20, 28, 36 im Bereich des Einlaufendes des Planetwalzenextruders 14 größer vorgesehen sind, als dies in dessen Austragbereich der Fall ist. Hier­ durch wird erreicht, daß das zur Aufnahme des Kunststoffma­ terials verfügbare, freie Gangvolumen zwischen den mitein­ ander kämmenden Schraubengängen 20/28 und 28/36 im Einlauf­ bereich, also dort, wo noch hochviskoses Kunststoffmaterial vorhanden ist, wesentlich größer ausfällt, als im Austrags­ bereich, wo niedrigviskoses, schmelzflüssiges Kunststoffma­ terial ansteht.

Im Bereich des großen Gangvolumens zwischen den ineinander­ greifenden Schraubengängen 20/28 und 28/36 findet eine scho­ nende Aufbereitung des hochviskosen Kunststoffmaterials statt, während die sich zum Austragsbereich hin verengenden Spalte zwischen den Schraubengängen 20/28 sowie 28/36 ein zu hohes Scheren des Kunststoffmaterials verhindern, trotzdem aber eine gute Homogenisierung desselben herbeiführen. Zu­ gleich wird durch die sich in Transportrichtung des thermo­ plastischen Kunststoffmaterials verengenden Spalte eine Verschleißminderung an den ineinandergreifenden Schrauben­ gängen erreicht.

Während in Fig. 2 der Zeichnung ein Planetwalzenextruder 14 dargestellt ist, bei dem die Zahnlücken- und Zahngeometrien der Schraubengänge 20/28 und 28/36 sich vom Einlaufbereich zum Austragsbereich des Planetensystems stetig ändern, näm­ lich so vorgesehen sind, daß das Gangvolumen zwischen ihnen allmählich geringer wird, ist in Fig. 3 eine Zahnlücken- und Zahngeometrien, bspw. der Schraubengänge 28/36 von Walzenzy­ linder 34 und Planetspindeln 26 dargestellt, die sich vom Einlaufbereich zum Austragsbereich des Planetensystems hin stufenweise bzw. in aufeinanderfolgenden Längenabschnitten ändern. So ist über den Längenabschnitt 42 hinweg eine Zahn­ lücken- und Zahngeometrie der Schraubengänge 28/36 vorhan­ den, die ein wenigstens annähernd gleichbleibendes, großes Gangvolumen hat. Über den Längenabschnitt 44 hinweg verän­ dert sich die Zahnlücken- und Zahngeometrie der Schrauben­ gänge 28/36 hingegen stetig auf ein geringeres Gangvolumen, während schließlich über den Längenabschnitt 46 hinweg das geringste Gangvolumen aus dem Längenabschnitt 44 wenigstens annähernd beibehalten wird.

Die Zahnlückengeometrie der Schraubengänge 20, 28, 36 läßt sich bspw. dadurch beeinflussen, daß der Fußradius in den Zahnlücken 24, 32, 40 verändert wird. Auch durch unter­ schiedliche Wahl des Kopfkreisdurchmessers für die Zähne 22, 30, 38 läßt sich neben der Zahngeometrie selbst auch die Zahnlückengeometrie verändern.

Eine andere Möglichkeit zur Beeinflussung des Gangvolumens zwischen den ineinandergreifenden Schraubengängen 20/28 und 28/36 besteht darin, daß das Flankenspiel zwischen den Zäh­ nen 22/30 und 30/38 unterschiedlich gewählt, also die Breite der Zahnlücken 24, 32, 40 entsprechend verändert wird.

Schließlich kann aber auch noch die Flankenkontur der Zähne 22, 30, 38 variiert werden, um hierdurch das Gangvolumen zwischen den ineinandergreifenden Schraubengängen 20/28 und 28/36 zu beeinflussen.

Die Herstellung der aus Zähnen 22 bzw. 30 bzw. 38 und Zahn­ lücken 24 bzw. 32 bzw. 40 bestehenden Schraubengänge 20 bzw. 28 bzw. 36 läßt sich in besonders vorteilhafter Weise durch Hochgeschwindigkeits-Profilschleifen erreichen, wenn die Schleifwerkzeuge so ausgelegt und in ihrer Bewegung so ge­ steuert werden, daß nach der Durchführung eines einzigen Schleifgangs an jeder Umfangsstelle von Walzenzylinder 34, Planetspindeln 26 und Hauptspindel 18 die jeweils gewünsch­ ten Zahnlücken- und Zahngeometrien hervorgebracht sind.

In den Fig. 4 bis 6 der Zeichnung sind verschiedene Bei­ spiele für Zahnlücken- und Zahngeometrien miteinander käm­ mender Schraubengänge dargestellt. Dabei zeigt Fig. 4 anhand der Hauptspindel 18 und einer Planetspindel 26 eine Ausge­ staltung für die Schraubengänge 20 und 28, bei der von den zusammenwirkenden Zähnen 22 und 30 in den Zahnlücken 24 und 32 jeweils relativ geringe Gangvolumina eingegrenzt werden. Dabei sind die Zahnlücken 32 der Schraubengänge 30 der Pla­ netspindel 26 durch relativ große Fußradien 48 begrenzt.

In Fig. 4 ist durch zwei strichpunktierte Linien 50 noch angedeutet, daß hier die Möglichkeit gegeben ist, durch eine Änderung der Flankenkontur, bspw. an den Zähnen 30, die Eingriffsverhältnisse zwischen den Schraubengängen 20 und 28 so zu variieren, daß andere Gangvolumina erreicht werden.

In Fig. 5 ist gezeigt, daß sich die Gangvolumina in den Zahnlücken 24 der Schraubengänge 20 auch dadurch beeinflus­ sen lassen, daß der Kopfkreisdurchmesser 52 der Zähne 30 an den Schraubengängen 28 der Planetspindeln 26 eine Änderung erfährt.

Schließlich wird in Fig. 6 verdeutlicht, daß auch durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Flankenspiels, bspw. zwischen den Zähnen 22 der Hauptspindel 18 und den Zähnen 30 der Planetspindeln 26 eine Beeinflussung des für das Kunst­ stoffmaterial verfügbaren Gangvolumens in den Zahnlücken 24 und 32 der Schraubengänge 20 und 28 möglich ist.

Alle diese Maßnahmen zur Beeinflussung des Gangvolumens sowie gegebenenfalls auch noch vorgesehene Beeinflussungen der Schraubengang-Steigung lassen sich durch den Hochge­ schwindigkeits-Schleifvorgang bewerkstelligen. Mit relativ geringem technischen Aufwand können daher die erfindungsge­ mäß vorgeschlagenen Maßnahmen zur Schaffung von Planetwal­ zenextrudern 14 verwirklicht werden.

Claims (8)

1. Planetwalzenextruder (14) mit einem Walzenzylinder (34), der an seinem Innenumfang aus Zahnlücken (40) und Zähnen (38) bestehende Schraubengänge (36) aufweist, mit einer Hauptspindel (18), die konzentrisch zum Walzenzylinder (34) angeordnet ist und an ihrem Außenumfang mit durch Zahnlücken (24) und Zähne (22) gebildeten Schraubengängen (20) versehen ist sowie mit mindestens einer Planetspin­ del (26), vorzugsweise aber einer Mehrzahl von Planet­ spindeln (26), die jeweils an ihrem Außenumfang mit aus Zahnlücken (32) und Zähnen (30) bestehenden Schrauben­ gängen (28) versehen sind, wobei die Schraubengänge (28) jeder Planetspindel (26) einerseits mit den Schrauben­ gängen (20) der Hauptspindel (18) und andererseits mit den Schraubengängen (36) des Walzenzylinders (34) kämmen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zahnlückengeometrie und die Zahngeometrie der miteinander kämmenden Schraubengänge (20/28 und 28/36) in Richtung vom Einlaufbereich zum Austragsbereich desselben variieren,
und daß dabei innerhalb des jeweiligen Planetwalzensy­ stems unterschiedliche Spiele zwischen den sich jeweils gegenüberliegenden Eingriffsflächen der Schraubengänge (20/28 und 28/36) eingegrenzt sind.

2. Planetwalzenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen der Zahnlückengeometrien und der Zahngeometrien an den Schraubengängen (20, 28, 36) im Einlaufbereich des Planetwalzensystems größer sind als in dessen Austragsbereich (Fig. 2 und 3).

3. Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnlückengeometrien und die Zahngeometrien der Schraubengänge (20, 28, 36) sich vom Einlaufbereich zum Austragsbereich des Planetwalzensystems stetig ändern (Fig. 2).

4. Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnlückengeometrien und Zahngeometrien der Schraubengänge (20, 28, 36) sich vom Einlaufbereich zum Austragsbereich des Planetwalzensystems stufenweise bzw. in aufeinanderfolgenden Längenabschnitten (42, 44, 46) ändern (Fig. 3).

5. Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußradius (48) in den Zahnlücken (z.B. 32) und/oder der Kopfkreisdurchmesser (52) der Zähne (z.B. 30) variiert (Fig. 4 und 5).

6. Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß das Flankenspiel zwischen den Zähnen (z.B. 22 und 30) variiert (50; Fig. 4 und 5).

7. Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flankenkontur der Zähne (z.B. 22 und 30) variiert (Fig. 6).

8. Planetwalzenextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Walzenzylinder (34), Hauptspindeln (18) und Planeten­ spindeln (26) über die ganze Länge des jeweiligen Plane­ tenwalzensystems durchgehend einstückig ausgebildet sind.