DE4010540C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schneckenextruder, in dessen mindestens eine Schnecke aufnehmenden Zylinder Bohrungen für die Aufnahme von in den Förderbereich hineinragenden, in Radialebenen angeordneten Stiften vorgesehen sind.

Derartige Extruder sind als Stiftzylinderextruder in verschiedenen Ausführungsformen bekannt geworden, wobei die Stifte radial in den Zylinder hineinragen und in Umfangsnuten des Schneckengewindes eingreifen. Der Hauptanwendungsbereich derartiger Stiftzylinderex­ truder ist bei Einschnecken-Extrudern. Gerade bei diesen Maschinen haben die Stifte eine besondere Bedeutung bei der Plastizierung und Mischung des zu extrudierenden Gutes gewonnen, die z. B. nach DE 01 37 813 für Teigknet- und Fleischschneidemaschinen angewendet wurden. Auch für die Wurstherstellung sind Stiftextruder, z. B. nach US 18 48 236, eingesetzt worden. Bei anderen vielfältigen Materialien, z. B. solchen, die entwässert werden müssen, sind spezielle Stiftextruder nach Patent DE 14 54 801 bekannt geworden.

Eine sehr große wirtschaftliche Bedeutung haben Stiftextruder durch das Patent DE 22 35 784 in der kautschukverarbeitenden Industrie erlangt, da es mit diesen Maschinen möglich wurde, auch große Durchsatz­ mengen mittels kalt beschickten Extrudern zu verarbei­ ten. (Mehr als ca. 6000 kg/h) Die Kaltbeschickung erspart große Vorwärmmaschinen für die bis daher übliche Warmbeschickungs-Extrusion und wurde mittels der Stiftextruder weltweit bereits auch in Anwendungen der kautschukverarbeitenden Industrie eingesetzt; die große Durchsatzmengen bei der Extrusion zu bewältigen hat, nämlich z. B. der Reifen- und der Transportband-In­ dustrie. Dabei zeigte sich das Problem, daß manche der kalt beschickten Kautschukmischungen, die zumeist als "endloses" Fell beschickt werden, so hart oder zähe waren und für die Plastizierung so großer Kräfte benötigten, daß solche radial angeordneten Stifte einem starken Verschleiß unterlagen oder ungünstigsten­ falls sogar verbogen oder abbrachen. Dadurch sind gelegentlich schwere maschinelle Schäden entstanden. Es ist natürlich versucht worden, durch entsprechende Gestaltung der Stifte, durch verbesserte Materialaus­ wahl und -behandlung dem Verschleiß und der Biege- und Bruchgefahr zu begegnen. Diese Bemühungen sind jedoch grundsätzlich nur unbefriedigend, da zumindest nach einigem unvermeidlichem Verschleiß der Stifte die Bruchgefahr erneut auftritt, selbst wenn diese im Neuzustand nicht bestand. Man hat auch Stifte mit kürzerer Eindringtiefe angewendet oder solche, deren Tiefeneinstellung veränderbar ist, z. B. nach DE 35 03 911 C1 oder DE 35 06 424 C1. Dabei ist aber der Nachteil vorhanden, daß kürzere Wirklänge oder Einstell­ tiefe auch eine geringere Wirksamkeit bei der Plasti­ zierung zur Folge hat, was natürlich unerwünscht ist.

Auch ist die Tiefeneinstellbarkeit mit der Fehlermög­ lichkeit behaftet, im kritischen Falle zu tief für die Härte der zu plastizierenden Masse einzustellen und damit eine Stiftbeschädigung herbeizuführen.

Weiterhin ist der technische Aufwand für die Verstel­ lung der recht zahlreichen Stifte so hoch, daß prak­ tisch davon nur sehr wenig Gebrauch gemacht worden ist.

Es sind auch Stiftbruch-Anzeigevorrichtungen bekannt geworden, z. B. nach DE 32 21 472 A1, die aber die Gefahr von Stiftbrüchen auch nicht beseitigen, sondern wegen der Stiftschwächung eher noch erhöhen, und die auch die Folgeschäden höchstens vermindern, aber kaum verhindern können. Besser sind bei optimaler Gestal­ tung und Stiftmaterialwahl z. B. die Stiftbiegeanzeigen nach DE 35 02 437 C2, die ein rechtzeitiges Abschalten des Extruders ermöglichen, ehe ein nennenswerter Schaden entstanden ist. Diese Sicherungen sind, da für jeden gefährdeten Stift ein entsprechender Sensor nötig ist, relativ teuer. Sie werden deshalb auch nur selten verwendet.

Wegen der an sich erstrebten Plastizierwirkung der Stifte entsteht beim Arbeitsprozeß an den Stiften selbst eine erhebliche Reibungswärme, die sich durch entsprechende Erwärmung der Mischungspartikel und der Stifte bemerkbar macht. Diese Erwärmung ist aber letztlich doch nachteilig und begrenzt die maximale Schneckendrehzahl des Extruders, damit auch die Extruder-Ausstoßleistung und die Wirtschaftlichkeit.

Eine bereits in der DE-OS 22 35 784 vorgeschlagene Kühlung der Stifte ließ sich aus den geschilderten Gründen der begrenzten Stiftfestigkeit bisher nicht realisieren.

Ein Problem der Stiftextruder bei der Verarbeitung von klebrigen Massen, z. B. manchen besonders wandhaf­ tenden Kautschukmischungen, besteht in der Haftung von Mischungsresten auf der Lee-Seite der Stifte, den sogenannten "toten Ecken". Mindestens eine teilweise Verschmutzung im Arbeitsraum der Maschine muß in diesen Fällen bei Stillsetzung inkauf genommen werden. Man hilft sich oftsmals durch Anwendung einer nachträg­ lich durchzusetzenden Reinigungsmischung oder man nimmt bei Wiederinbetriebsetzung des Extruders eine gewisse Anfangs-Mischungsverschmutzung inkauf, was aber beides als nachteilig anzusehen ist.

Die DE-OS 38 05 849 sieht abgeschrägte Stifte vor, welche das Problem der Mischungsanhaftung und "toten Ecken" vermindern sollen, jedoch ist dieses nur absolut unzureichend möglich, wenn die Stifte nicht zu stark geschwächt werden sollen. Dasselbe gilt für ähnliche Gesichtspunkte bei den stromlinienförmig ausgebildeten Stiften nach DE-OS 36 13 584 und DE 36 13 612, welche auf Grund ihrer Konfiguration nur für wenig zähe zu verarbeitenden Massen geeignet sind.

Ein Erfindungsgedanke nach Patent IT 11 84 555 versucht, die festigkeitsmäßigen Nachteile und Probleme der Stifte durch eine nicht-radiale Anordnung, also durch schrägen Einbau in den Wirkungsbereich der Extruder­ schnecke, zu vermindern; hierzu ist auch die DE 30 42 427 C2 zu vergleichen. Der Nachteil dieser Bauweise besteht darin, daß die Stifte mit schräger oder bogenförmig ausgearbeiteter Bodenfläche hergestellt und absolut winkelrichtig montiert und gesichert werden müssen, was nicht nur kostenaufwendig, sondern auf Dauer auch schwer garantierbar ist. Die Bruchgefahr ist nur vermindert, aber nicht beseitigt. Außerdem verschlimmert sich das geschilderte Problem der "toten Ecken" gegenüber der radialen Stiftanordnung noch. Die Zylinderbauart ist kompliziert und schwierig in der Fertigung, also sehr teuer, und die verfügbare Kühlfläche wird im Vergleich zu herkömmlichen Extrudern vermindert, weshalb die Durchsatzleistung verringert und die Wirtschaftlichkeit verschlechtert wird. Diese Bauart hat sich daher nicht eingeführt.

Die Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Technik. Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Stiftzylinder-Extruder zu schaffen, dessen Stifte sich grundsätzlich weder verbiegen noch brechen können, dessen Stifte gut temperierbar sind und dessen Stifte in ihrer Wirkung vielseitig einstellbar und den verschiedenen Anforderungen anpaßbar sind.

Die Erfindung besteht darin, daß die Achsen der Stifte zur Zylinderinnenwand tangential oder in der Nähe der Tangenten parallel zu diesen angeordnet sind.

Während im Stande der Technik die Stifte radial angeordnet sind und primär die Belastungen radial am Stift angreifen und daher den Stift brechen können, ist diese Gefahr bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Stifte gebannt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Stifte wird deren Plastifizierwirkung und Misch­ wirkung in anderer Weise erzielt, nämlich durch sich verengende Gangteile, was die Aufschließung und Plastizierung des durchzusetzenden Materials wesent­ lich günstiger gestaltet, nämlich tote Ecken vermeidet.

Dabei ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin zu sehen, daß die Stifte nicht frei in den Arbeitsraum des Zylinders ragen, sondern in einer Bohrung gelagert sind und sich mit ihrem dem Innen­ raum abgewandten Teil an der Wandung der Aufnahme­ bohrung abstützen.

In anderen Fällen der Stiftanordnung ist es vorteilhaft, wenn die Stifte in ihrem im Zylinder befindlichen Bereich konisch oder im Längsschnitt elliptisch oder im Querschnitt unrund gestaltet sind. Durch diese Gestaltung läßt sich die Plastifizierwir­ kung dem zu plastifizierenden Material entsprechend auf besonders günstige Werte einstellen.

Bei diesen Stiften läßt sich ihre Wirkung auch während des Betriebes ohne Auswechseln der Stifte verändern, wenn die Stifte zumindest über einen Teil ihrer im Zylinder liegenden Länge im Querschnitt unrund sind und während des Betriebes verdrehbar sind.

Besondere Wirkungen können sich dadurch ergeben, daß Teile der Umfangsflä­ chen der Stifte mit vorzugsweise schräg angeordneten Vertiefungen, insbesondere in Form von Rillen versehen sind. Der Aufschluß des Materials wird hierdurch wesentlich beschleunigt, weil durch die Rillen bereits aufgeschlossenes Material leichter in Förderrichtung entweichen kann, während die Rillen selbst auf noch nicht aufgeschlossenes Material die Wirkung eines Teilens ausüben.

Eine andere Möglichkeit der Lagerung der Stifte im Zylinder besteht darin, daß die Bohrung so in der Zylinderinnenwand liegt, daß der eingelegte Stift nur mit einem Teil seiner Umfangsfläche in den Innenraum des Zylinders hineinragt. Vom Innenraum des Zylinders her betrachtet, treten solche Umfangsflächen von Stiften in den Zylinderinnenraum wie Wülste hinein. Dadurch ergibt sich eine ganz besondere, vom herkömm­ lichen abweichende Plastifizier-, Aufschließ- und Mischwirkung.

Vorteilhaft ist es, wenn die Stifte mit mindestens einem Kanal für die Aufnahme oder den Durchfluß eines Temperiermittels versehen sind. Gerade im Bereich der Stifte treten ja durch die an den Stiften geleistete Plastifizier-, Aufschließ- und Mischarbeit eine besondere Temperaturerhöhung auf. Der hier auftretenden Materialerwärmung kann durch die Temperierung der Stifte entgegengewirkt werden. Dabei können die Temperiermittel Kühlvorrichtungen oder fließende Kühlmittel sein. In besonderen Fällen, in denen hier eine weitere Temperaturerhöhung gewünscht wird, können in die Stifte Heizvorrichtungen eingebaut werden oder man kann durch die Stifte Heizmittel, wie warmes Wasser oder Dampf, hindurchleiten.

Eine andere Möglichkeit der Anordnung der Stifte, die zu einer völligen Bruchsicherheit führt, besteht darin, daß die Stifte an beiden Enden in zwei Bohrungen des Zylinders gelagert sind. Derartige angeordnete Stifte lassen sich auch besonders leicht temperieren, ist es doch möglich, das eine Stiftende als Eingang für das Temperiermittel, das andere Stiftende als Ausgang für das Temperiermittel zu benutzen.

Gefahrlos können die Stifte auch mit Bohrungen für die Aufnahme von Sensoren oder Meßgebern versehen werden.

Zylindrische Stifte können erforderlichenfalls nach einer entsprechenden Betriebszeit, die eine Abnutzung hervorgerufen hat, durch Drehung um 180 Grad wieder betriebsbereit gemacht werden. Zu diesem Zweck kann es sinnvoll sein, die Stifte in der Bohrung verdrehbar und feststellbar zu lagern, d. h. die Winkellage des Stift­ einbaues überprüfbar und einstellbar vorzusehen.

In manchen Fällen wird es zweckmäßig sein, die tangential liegenden Stifte in einer Ebene, vorzugsweise der ersten Ebene, anzuordnen und in weiteren Ebenen radial angeordnete Stifte vorzusehen. So können die unterschiedlichen Mischwirkungen der verschiedenen Stiftanordnungen in ein- und demselben Extruder gemeinsam angewandt werden.

Es kann von Vorteil sein, wenn in oder - in Förderrichtung gesehen - hinter den Stiften Entgasungsanordnungen vorgesehen sind, die hier im Schatten der Stifte eine besonders günstige Anordnung für die Abführung von im Material vorhandenen oder gebildeten Gas aufweisen.

Zur Mischungsentgasung durch die Stifte ist die DE 31 50 719 C2 zu vergleichen.

Das Wesen der Erfindung ist nachstehend an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Extruder mit zwei Stiften in einer Radialebene,

Fig. einen Schnitt durch einen Extruder mit drei Stiften in einer Radialebene,

Fig. 3 einen Extruder mit vier zylindrischen nur teilweise in den Innenraum des Extruders hereinragenden Stiften,

Fig. 4 einen Extruder mit vier am Ende kegelförmig gestalteten Stiften,

Fig. 5 einen Teil eines Längsschnittes durch einen Extruder,

Fig. 6 einen Schnitt wie Fig. 3, jedoch mit Vakuum­ bohrungen in den Stiften.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Einschnecken- Extruderzylinder 1, der in der Schnittebene keine Kühl­ kammer aufweist, da diese zumeist zwischen den Stift­ ebenen liegt, dargestellt. Der Zylinder 1 kann in bekann­ ter Weise mit einer Hartstoffausschleuderung zwecks Verschleißminderung versehen sein. Die Bohrungen für die Aufnahme der Stifte 2 sind hier durchgehend angeordnet und schneiden die Zylinderinnenwand. Die in die Bohrungen eingesetzten Stifte weisen an ihrem einen Ende einen Kopf auf, der mit Gewinde versehen ist, welches in ein Innengewinde der Bohrung einschraub­ bar ist. Für dieses Einschrauben dient ein am Kopf angeordneter Sechskant. Der Stift erstreckt sich in dieser Bohrung so weit, daß er an beiden Enden in der Bohrung fest gelagert ist. Der Stift ist aus diesem Grunde länger gestaltet als die längste Länge der Bohrung im Zylinderinnenraum. Da der Stift nur mit einem kleinen Teil seiner Umfangsfläche in den Innen­ raum des Zylinders hineinragt, ist ein Abbrechen dieses Stiftes völlig unmöglich. Der Stift ist so angeordnet, daß er den Grund der in der Schnecke 5 befindlichen Rille ebenso wenig wie die an dieser Stelle mit einer Ausnehmung (der Rille) versehenen Schneckenstege berührt.

Mit Hilfe eines Zufuhrrohres 3 und eines Abfuhrrohres 4 kann im Stift eine Flüssigkeitstemperierung erfolgen. Dadurch, daß zwischen der Stiftumfangsfläche und der Schneckenkernumfangsfläche ein sich im Querschnitt vermindernder Spalt gebildet ist, findet hier eine in besonderer Weise erfolgende Behandlung des Materials statt.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind drei nicht durchgehende Bohrungen für die Aufnahme von zylindri­ schen Stiften (6) vorgesehen.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind vier Bohrungen vorgesehen, deren Ende jeweils in einer Radialebene liegt. Die hier eingesetzten zylindrischen Stifte 7 bilden im Schneckengang radiale Stirnflächen aus, hinter denen eine Dekompression des Materials und dabei eine besonders gute Vermischung des Materials auftritt. An dieser Stelle können Bohrungen in den Stiften (siehe Fig. 6) oder in der Zylinderwand vorgesehen sein, die der Abführung von im oder unter dem Extrudatstrom befindlichen Gas dienen können. Die Radialebene, in der die Stirnseiten von zwei Stiften 7 liegen, ist mit dem Bezugszeichen 8 versehen und verläuft durch die Achse der Schnecke.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind vier Stifte 9 in einer Radialebene angeordnet, die über einen wesentlichen Teil ihrer Stiftlänge zylindrisch, am Ende jedoch kegelförmig gestaltet sind. Dieser Kegel 10 legt sich mit seiner Umfangsfläche in die hier ebenfalls kegelförmig gestaltete Bohrung, so daß keine toten Ecken entstehen.

Fig. 5 zeigt einen Teil eines Längsschnittes durch den Schneckenextruder mit Stiften 2 in zwei Radialebe­ nen. Zwischen diesen Radialebenen sind in der Zylinder­ wandung Kühlkanäle 11 vorgesehen.

Claims (11)

1. Schneckenextruder, in dessen mindestens eine Schnecke aufnehmenden Zylinder Bohrungen für die Aufnahme von in den Förder­ bereich hineinragenden, in Radialebenen angeordneten Stiften vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Stifte (2, 6, 7, 9) zur Zylinderwand tangential oder in der Nähe der Tangenten parallel zu diesen angeordnet sind.

2. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (7) in einer Bohrung gelagert sind und mit ihrem Ende in den Zylinder (1) hineinragen und sich mit ihrem dem Innenraum abgewandten Teil an der Bohrungswandung abstützen.

3. Schneckenextruder nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (9) in der Bohrung verdrehbar und feststellbar gelagert sind.

4. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (2) an beiden Enden in einer teilweise durch den Innenraum, teilweise durch das Material der Zylinderwandung führenden Bohrung des Zylinders (1) gelagert sind, so daß die einmontierten Stifte nur mit einem Teil ihrer Umfangsfläche in den Zylinderinnenraum hineinragen.

5. Schneckenextruder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte zumindest über einen Teil ihrer im Zylinder liegenden Länge im Querschnitt unrund sind.

6. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (2, 6, 7, 9) mit mindestens einem Kanal für die Aufnahme oder den Durchfluß eines Temperiermittels versehen sind.

7. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte mit Bohrungen für die Aufnahme von Sensoren versehen sind.

8. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tangential liegenden Stifte in einer Ebene, vorzugs­ weise der ersten Ebene angeordnet sind und daß in weiteren Ebenen radial angeordnete Stifte vorgesehen sind.

9. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Umfangsflächen der Stifte mit vorzugsweise schräg angeordneten Vertiefungen, insbesondere in Form von Rillen versehen sind.

10. Schneckenextruder nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Anordnung von Bohrungen für die Evakuierung hinter den Stiften (7).

11. Schneckenextruder nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Anordnung von Bohrungen für die Mischungsentgasung durch die Stifte.