Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Schnecke für eine Einzelschnecken-Strangpresse und
insbesondere eine Chaosschnecke für eine Einzelschnecken-Strangpresse, die
einfach aufgebaut ist und eine hervorragende Durchmischungsleistung bietet, ohne
daß die vorhandene Konstruktion wesentlich geändert werden müßte, so daß
verbesserte chaotische Durchmischungseigenschaften erreicht werden.
Beschreibung des Standes der Technik
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Bei der Entwicklung neuer Materialien, beispielsweise von hochmolekularen
Materialien, Kompositmaterialien und Pulvermaterialien zur Verwendung in
verschiedenen Industriebereichen werden vielfach Einzelschnecken-Strangpressen und
Doppelschnecken-Strangpressen zum Durchmischen der Materialien eingesetzt. Die
Einzelschnecken-Strangpresse ist im Vergleich zur Doppelschnecken-Strangpresse
billig, während ihre Durchmischungsleistung hinter letzterer zurückbleibt. In der
Industrie wird jedoch aus wirtschaftlichen Gründen die
Einzelschnecken-Strangpresse häufiger eingesetzt als die Doppelschnecken-Strangpresse. Wenn daher die
unzureichende Durchmischungsleistung, die ein Nachteil der Einzelschnecken-
Strangpresse ist, verbessert wird, kann eine Einzelschnecken-Strangpresse
entwickelt werden, die wenig kostet und eine hervorragende Durchmischungsleistung
hat. In der GB-A 2 137 893 und der AT-B 317 523 sind bekannte
Schneckenstrangpressen offenbart.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, weist eine bekannte Einschnecken-Strangpresse 100 auf:
eine Schnecke 120 in einem Zylinder 110, einen Trichter 130, der seitlich in der
Nähe des einen Endes des Zylinders 110 ausgebildet ist, und eine
Strangpressendüse 140, die am anderen Ende des Zylinders 110 ausgebildet ist.
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Wenn in den Trichter 130 Extrudiermterial in Pelletform gegeben wird, dreht sich
die Schnecke 120 und drückt das Pelletmaterial gegen die Strangpressendüse 140,
wodurch das Extrudiermaterial nach außen abgegeben wird. Bei diesem Vorgang
wird das Pelletmaterial zu einem Fluid geschmolzen.
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Der Aufbau der Schnecke 120 der Finzelschnecken-Strangpresse 100 ist in Fig. 2
dargestellt. Die Schnecke 120 im wesentlichen wie folgt unterteilt: in einen
Schmelzverzögerungs- oder Feststoffförderbereich 150, einen Schmelz- oder
Kompressions- oder Übergangsbereich 160 und einen Schmelzförder- oder
-dosierbereich 170. Zur geometrischen Gestaltung der einzelnen Bereiche sind viele
Untersuchungen durchgeführt worden, und es gibt bereits viele einschlägige
Patente. Die meisten dieser Patente stellen auf die Verbesserung der
geometrischen Linien des Feststoffförderbereichs, des Übergangsbereichs und des
Schmelzeförderbereichs ab, um die Energieeinbuße zu verringern.
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Inzwischen sind auch viele Patente erteilt worden, die auf eine Erleichterung der
gleichmäßigen Durchmischung durch regelmäßige laminare Durchmischung
abstellen.
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Gemäß US-Patent 4,178,104 sind Stifte in einem Zylinder vorgesehen und Nuten
ausgebildet, so daß sich die Schnecke drehen kann und eine Stift-Strangpresse
gebildet wird. Bei dem neueren US-Patent 4,696,575 ist in gleicher Weise ein Stift
in den Zylinder eingesetzt, jedoch kann der Zylinder auseinandergenommen und
wieder zusammengebaut werden, was den Austausch des Stifts erleichtert.
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Des weiteren gibt es die US-Patente 4,425,044, 4,642,138, 4,779,989, 5,141
426 und 5,178,458. Bei diese Patenten wird versucht, die Durchmischung auf
andere Weise zu fördern als beim "Stiftmodell".
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Gemäß der koreanischen Patentveröffentlichung Nr. 91-5195 ist an der Schnecke
ein Einstich ausgebildet, und die Querschnittsfläche der Schnecke verringert sich
fortlaufend in axialer Richtung.
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Bei den genannten herkömmlichen Techniken sind jedoch die geometrischen Linien
sehr kompliziert, und der Zylinder muß zusammen mit der Schnecke überholt
werden. Außerdem sind die Herstellungskosten hoch.
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Bei der Gestaltung der Schnecke ist mittlerweile die Schneckenkennlinie nicht
weniger wichtig als die Durchmischungsleistung. Die Schneckenkennlinie bezieht
sich auf den Durchsatz als Funktion des Druckgefälles in der Schnecke und der
Umdrehungsgeschwindigkeit der Schnecke. Durch die komplizierten Linien der
bekannten Schnecken verschlechtert sich jedoch die Schneckenkennlinie, während
die Einstellung des Durchsatzes auf der Grundlage der Beziehung zwischen Düse
und Umdrehungsgeschwindigkeit der Schnecke erschwert wird. Deshalb ist wegen
der komplizierten Geometrie eine optimale Gestaltung der Schnecke nur sehr
schwer zu erreichen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung hat das Ziel, die geschilderten Nachteile der herkömmlichen Technik
zu überwinden.
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Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Chaosschnecke für eine
Einzelschnecken-Strangpresse zur Verfügung zu stellen, deren Durchmischungsleistung ohne
größere konstruktive Veränderungen an der vorhandenen
Einzelschnecken-Strangpresse stark verbessert ist, wodurch verbesserte Chaosmischeigenschaften zur
Verfügung gestellt werden.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die erfindungsgemäße Chaosschnecke für
eine Einzelschnecken-Strangpresse folgendes aufweist: einen seitlich in der Nähe
des einen Endes eines Zylinders ausgebildeten Trichter, eine am anderen Ende des
Zylinders ausgebildete Strangpreßdüse und eine in den Zylinder eingesetzte
Schnecke, mit der das Extrudiermaterial vom Trichter aus gegen die
Strangpreßdüse gedrückt wird, um es auszutragen.
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Die Chaosschnecke weist ferner auf: mehrere Schraubengänge zum
Vorwärtsbewegen des Extrudiermaterials, mehrere zwischen den Schraubengängen
angeordnete Sperrelemente, wobei die. Sperrelemente eine periodische Struktur mit
sich periodisch wiederholenden Zonen mit Sperrelementen und Zonen ohne
Sperrelemente aufweisen, und wobei die Sperrelemente im gesamten
Schmelzförderbereich ausgebildet sind, in dem die Schraubengänge gebildet sind, wodurch das
chaotische Durchmischen des Extrudiermaterials erreicht wird.
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Außerdem haben bei der erfindungsgemäßen Chaosschnecke die Sperrelemente
dieselbe Form wie die Schraubengänge.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die genannte Aufgabe und weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der
ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor, die folgendes zeigen:
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Fig. 1: ein Schnittbild, das den Gesamtaufbau einer
Einzelschnecken-Form
presse zeigt;
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Fig. 2: die Schnecke in der herkömmlichen Ausführung;
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Fig. 3: den Teilchenweg im Schmelzeförderbereich bei der herkömmlichen
Schnecke, wobei
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Fig. 3A den Verlauf entlang des Schneckenkanals zeigt und
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Fig. 3B ein Schnittbild des Schneckenkanals ist;
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Fig. 4: den Aufbau der erfindungsgemäßen Chaosschnecke;
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Fig. 5: das Grundkonzept der erfindungsgemäßen Chaosschnecke, wobei
Fig. 5A eine Draufsicht ist, die die Gestaltung des Bereichs A von Fig.
4 entlang des Kanals zeigt, und
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Fig. 5B ein Schnittbild entlang der Linie B-B von Fig. 5A ist;
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Fig. 6: eine ausführliche Darstellung des Bereichs A von Fig. 4;
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Fig. 7: ein Schnittbild entlang der Linie C-C von Fig. 6;
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Fig. 8: ein Foto des Teilchenbewegungszustands, der das Ergebnis eines bei
der herkömmlichen Schnecke durchgeführten Mischleistungstests ist;
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Fig. 9: ein Foto des Teilchenbewegungszustands, der das Ergebnis eines bei
der erfindungsgemäßen Schnecke durchgeführten Mischleistungstests
ist;
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Fig. 10: einen Teilchenweg, der die Mischleistung zeigt, die auf der Basis der
zahlenmäßigen Auswertung nach Durchführung eines
Mischleistungstests mit der herkömmlichen Schnecke erzielt wurde; und
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Fig. 11: einen Teilchenweg, der die Mischleistung zeigt, die auf der Basis der
zahlenmäßigen Auswertung nach Durchführung eines
Mischleistungstests mit der erfindungsgemäßen Schnecke erzielt wurde.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Eine erfindungsgemäße Chaosschnecke 1 ist in Fig. 4 gezeigt. Vor Beschreibung
der Chaosschnecke 1 wird das für die Erfindung maßgebliche
Chaosdurchmischungskonzept zusammen mit dem allgemeinen Materialflußzustand bei der
herkömmlichen Schnecke beschrieben.
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Um den Materialflußzustand im Schmelzförderbereich der Strangpresse zu
verstehen, wird im allgemeinen nach Umsetzung der in axialer Richtung der
Strangpresse gebildeten schraubenförmigen Kanäle in Ebenen die
Geschwindigkeitsverteilung berechnet. Auf der Grundlage dieser Umsetzung kann man die Bahnen der
Materialteilchen ermitteln; eine typische Bahn von Materialteilchen ist in Fig. 3A
und 3B gezeigt.
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Bei Betrachtung der Bahn t des Materialteilchens P von Fig. 3A ist zu sehen, daß
sich die Teilchen P im dreidimensionalen Kanal K, der zwischen dem Zylinder und
der Schnecke gebildet ist, schraubenförmig bewegen. Die auf eine x-y-Ebene
projizierte Bahn bildet eine geschlossene Strömungslinie, die in Fig. 3B dargestellt
ist.
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Der Erfinder nennt die geschlossene Strömungslinie Schale S. Die Materialteilchen
P auf der Schale SW können nicht auf eine andere Schale gelangen. Außerdem
werden die Materialteilchen P, die auf einer gewillkürten Schale S liegen, verformt.
Der durch die Verformung bedingte Durchmischungsgrad nimmt in Längsrichtung
der Strangpresse linear zu. Das ist ein Beweis dafür, daß die Durchmischung in der
Einzelschnecken-Strangpresse als regelmäßige laminare Durchmischung erfolgt. Die
Tatsache, daß die Durchmischung oder die Deformation linear zunimmt, zeigt eine
Grenze der Durchmischungsleistung der Einzelschnecken-Strangpresse an.
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Die in Fig. 4 gezeigte Chaosschnecke 1 hat die Eigenschaft der chaotischen
Durchmischung, um die Durchmischungsleistung der Einzelschnecken-Strangpresse
zu erhöhen.
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Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Chaosschnecke wird unter Bezugnahme
auf Fig. 5A und 5B beschrieben.
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Fig. 5A zeigt den Kanal mit dem Bereich A von Fig. 4, während Fig. 5B ein
Schnittbild entlang der Linie B-B von Fig. 5A ist. Um die Strömungslinie im
Schraubenkanal unregelmäßig zu machen, sind in Abständen mehrere Sperrelemente (oder
Strömungsbrecher) 9, die wie ein Schraubengang 8 geformt sind, eingebaut, so
daß der typische Strömungsverlauf in einem Bereich ohne Sperrelemente
ab
schnittsweise bzw. periodisch in einem Bereich mit Sperrelementen verändert
werden kann, was das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung ist.
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Die Struktur ist so gewählt, daß Abschnitte a mit einem Sperrelement 9 und
Abschnitte b ohne Sperrelement periodisch miteinander abwechseln (z. B. (a)(b)-(a)(b)-
(a)(b)...). Bei periodischer Wiederholung der Struktur ist die Form (a)(b)-(a)(b)-
(a)(b)... nicht unbedingt erforderlich. Bei einer Wiederholung von (a)(b)-(a)(b)-
(a)(b)... ist der Fall eingeschlossen, daß die Abmessungen des wiederholten (a) und
(b) unterschiedlich sind. Außerdem ist die Lücke c zwischen dem Schraubengang
8 und dem Sperrelement 9, die in Fig. 5B zu sehen ist, im Prinzip größer null (0)
und kleiner als die Kanalbreite W. Diese Lücke (c) wird über den gesamten
Schmelzförderbereich, in dem die Schraubengänge vorhanden sind, konstant
gehalten. In Fig. 6 ist der Bereich A von Fig. 4 vergrößert im Detail dargestellt, um
die Grundidee der Chaosschnecke zu zeigen. Fig. 7 ist ein Schnittbild entlang der
Linie C-C von Fig. 6, wobei c, d, h und H so festgelegt sind, daß die optimale
Durchmischungsleistung erzielt wird. In Fig. 7 schließt die Lücke c zwischen dem
Schraubengang 8 und dem Sperrelement 9 alle Maße ein, die größer null und
kleiner als die Kanalbreite sind. Außerdem schließt die Höhe h des Sperrelements
9 alle Maße ein, die größer null und kleiner als die Höhe H des Schraubengangs
sind. Die Lücke c und die Höhe h schließen alle Maße ein, die innerhalb der
Kanalbreite W und der Höhe H veränderbar sind. Außerdem ist die Dicke d des
Sperrelements 9 gleich der Dicke des Schraubengangs oder kleiner.
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Bei der erfindungsgemäßen Chaosschnecke 1 können Materialteilchen P, die auf
einer bestimmten Schale S waren, auf eine andere Schale übertragen werden, und
die periodische Wiederholung dieser Übertragungen führt zu einer chaotischen
Durchmischung.
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Außerdem ist bei der Chaosschnecke, die auf dem oben beschriebenen Prinzip
basiert, die Form des Schraubengangs 8 stets gleich, so daß die Eigenschaften der
Schnecke gleich bleiben. Gleichzeitig haben die Sperrelemente 9 die gleiche Form
wie die Schraubengänge 8, so daß sie auf einer numerisch gesteuerten Drehbank
gleichzeitig hergestellt werden können, womit sich Herstellungskosten einsparen
lassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen beschrieben.
Beispiel 1
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Eine kleine Menge eines mit einem Farbstoff gefärbten hochmolekularen Materials
wurde mit einer großen Menge eines durchsichtigen hochmolekularen Materials
vermischt, in eine Strangpresse gegeben und extrudiert. Dann wurde der gekühlte
Zylinder geöffnet, um den Durchmischungsvorgang zu beobachten.
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Wenn das Material, das entlang des Kanals der herkömmlichen Schnecke
verarbeitet wird, herausgenommen und in Scheiben geschnitten wird, läßt sich der
Verformungszustand des gefärbten hochmolekularen Materials in den jeweiligen
Abschnitten gut erkennen. Das repräsentative Ergebnis dieses Tests ist in Fig. 8
gezeigt. Inzwischen wurde das Material, das entlang des Kanals der
erfindungsgemäßen Chaosschnecke verarbeitet wurde, zur Kontrolle in Scheiben geschnitten.
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Fig. 9 ist ein Foto des Testergebnisses. Wie aus den Fotos zu ersehen ist, ist der
Durchmischungsgrad am Ende des Kanals bei der Chaosschnecke weitaus höher.
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Es hat sich bestätigt, daß bei der herkömmlichen Schnecke von Fig. 8 die Form der
Schale vom Anfangsabschnitt bis zum Endabschnitt unverändert blieb. Das ist ein
Beweis dafür, daß die Durchmischung in der Einzelschnecken-Strangpresse durch
regelmäßige laminare Durchmischung erfolgt.
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Bei der Chaosschnecke von Fig. 9 dagegen hat sich bestätigt, daß es zu einer
chaotischen Durchmischung kommt. In Fig. 8 können eine Schicht aus
durchsichtigem hochmolekularem Material (weiße Farbe) und eine Schicht aus gefärbtem
hochmolekularem Material (schwarze Farbe) klar voneinander unterschieden
werden. In Fig. 9 jedoch ist die Durchmischung zu so einem hohen Grad
gleichmäßig erfolgt, daß sich die Schicht aus durchsichtigem hochmolekularem Material
(weiße Farbe) und die Schicht aus gefärbtem hochmolekularem Material (schwarze
Farbe) nicht mehr unterscheiden lassen. Außerdem ist in Fig. 9 der eingebuchtete
Abschnitt in der Mitte der Schneckenunterseite durch das Sperrelement 9 geformt.
Beispiel 2
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Bei diesem Beispiel wurde die chaotische Durchmischung rechnerisch bestätigt.
Um den Teilchendurchfluß bei der herkömmlichen Schnecke und bei der
erfindungsgemäßen Chaosschnecke zu verstehen, wurde eine
Finite-Elemente-Berechnung durchgeführt. Ausgehend von der Geschwindigkeitsverteilung, die als
Ergebnis der Berechnung erhalten wurde, wurden die typischen Teilchenbahnen von Fig.
10 und 11 gezeichnet.
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Wie in Fig. 10 gezeigt, wurde bei der herkömmlichen Schnecke 120 der
Teilchentransport nur innerhalb einer Schale S erreicht, so daß die Teilchenbahn T in einer
bestimmten Form erhalten blieb. Bei der erfindungsgemäßen Chaosschnecke
dagegen wurden die Teilchen in der Weise befördert, daß sie durch den gesamten
Kanalbereich gewandert sind, wodurch die bestimmte Form zerstört wurde. Durch
Nachzeichnen der Bahn der Teilchen P konnte daher bestätigt werden, daß die
erfindungsgemäße Chaosschnecke der herkömmlichen Schnecke hinsichtlich der
Durchmischungsleistung weit überlegen ist.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung sind periodisch wiederholte
Sperrelemente 9, die dieselbe Form haben wie der Schraubengang 8, eingesetzt,
so daß eine chaotische Durchmischung erreicht wird. Es wird also mit einer
einfachen Konstruktion eine bessere Durchmischung erreicht. Aufgrund ihrer
einfachen geometrischen Linien kann die Schnecke auf einer numerisch gesteuerten
Drehbank hergestellt werden. Außerdem braucht bei unverändertem Zylinder
lediglich die Schnecke gegen eine erfindungsgemäße Chaosschnecke ausgetauscht
zu werden, so daß die Wirtschaftlichkeit gegeben ist. Da die geometrischen Linien
sich nicht stark von denjenigen der herkömmlichen Schnecke unterscheiden,
bleiben außerdem die Eigenschaften der Schnecke erhalten.