DE69924162T2 - Eine die homogenität verbessernde extrusionsschnecke für geschäumte thermoplaste - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Feld der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoplastische Extrusionsvorrichtung, welche ein im Wesentlichen homogenes Produkt herstellt, vorzugsweise ein thermoplastisches Schaumprodukt, und welche das erwähnte Produkt bei einer gewünschten Extrusionstemperatur und bei einer erhöhten Durchsatzrate über der üblichen herstellt, ohne die Erfordernis, dass eine komplexe, teure und/oder überdimensionierte Extrusionsvorrichtung verwendet werden muss und außerdem ohne wesentliche Änderungen an bestehenden Herstellungsgeräten und -verfahren zu erfordern.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Das Gebiet der Technik, welches mit der thermoplastischen Extrusion verbunden ist, und thermoplastische Schaumextrusion im Speziellen, ist ziemlich spezialisiert und in der Tat ziemlich verschieden von demjenigen, welches normalerweise mit Metall, Gummi oder nichtgeschäumter Plastikextrusion verbunden ist. Speziell erfordert Schaumextrusion generell einen einleitenden Schritt der Schmelzung von Pellets, welche normalerweise aus einem thermoplastischen Material hergestellt sind, und einen folgenden Schritt der Mischung des geschmolzenen Thermoplasten mit einem Schaumbildner wie Fluorkohlenstoff (entweder CFC, HCFC und/oder HFC) oder Kohlenwasserstoffen (wie Propan, Butan, Pentan, etc.), und möglicherweise andere Mittel wie Anlagerungsmittel, Flammhemmer und/oder Färbemittel, in einer isolierten Extrusionsumgebung. Außerdem beinhalten die effektivsten Schaumextrusionsverfahren vollständig das Extrusionsmaterial während der Schmelz- und Mischschritte, behalten das Material in einer nichtgeschäumten, viskosen Form bis es durch eine Extrusionsform gelangt und externen Kräften ausgesetzt wird. Tatsächlich schäumt (d.h. vergrößert und versteift sich) das extrudierte Material auf seine endgültig benutzbare Form wie Filme, Planken und große Blätter von welchen Nahrungmittelbehälter, Eierbehälter, kleine Container für Butter und Marmelade und ähnliches geformt werden, beim Verlassen der Form der Extrusionsvorrichtung.
  • Dementsprechend ist Präzision wichtig um sicherzustellen, dass eine effektive und komplette Mischung der Inhaltsstoffe erreicht wird, wobei ein korrekt zusammengesetztes und homogenes Produkt erreicht wird und weiterhin um sicherzustellen, dass das gesamte Extrusionssystem gut umfasst ist, während das Material durch die Form geht, wobei vorzeitige Schäumung des Extrusionsmaterials verhindert wird.
  • Natürlich besteht zusätzlich zu den oben erwähnten Bedenken mit der Bildung eines Schaumprodukts die Notwendigkeit, die Extrusionsmischung bei einer ziemlich genauen Extrusionstemperatur zu halten, welche dem Polymer oder der Substanz entspricht, welche als Ausgangsstoff für die Extrusionsmischung verwendet wird, um eine passende Viskosität der Extrusionsmischung zu erreichen und korrekte Formung der Extrusionsmischung durch die Form zu erlauben, wie eine Profilform, Röhrenform, Schichtform, Umlaufform, einer flachen oder einer von zahlreichen anderen gängigen Arten an Formen. Die ziemlich genaue Extrusionstemperatur, bei welcher eine gewünschte Bandbreite an Viskosität erreicht wird, ist unglücklicherweise geringer als die ursprüngliche Schmelztemperatur, d.h. die Temperaturen bei welcher die Pellets aus thermoplastischem Extrusionsmaterial geschmolzen werden, kann aber nicht zu viel geringer als die ursprüngliche Schmelztemperatur sein, aufgrund von Gründen, die erläutert werden. Somit muss eine weitgehende Ausgeglichenheit erreicht werden. Beispielsweise, wenn der geschmolzenen Extrusionsmischung erlaubt wird, sich zu stark abzukühlen, wird sie zu viskos und wird nicht die gewünschte Produktdichte erreichen, und somit unbrauchbar werden, da sie im Normalfall nicht effektiv durch die Extrusionsvorrichtung und durch die Form fließen wird. Wenn dagegen die Temperatur des geschmolzenen Extrusionsmaterials zu hoch ist, verringert sich seine Viskosität signifikant und das Material ist nicht formstabil oder formbar, wenn es durch die und vor allem aus der Form heraus fließt.
  • Wie erkannt wird, kann jeder der soeben genannten Faktoren einen signifikanten Einfluss auf die Produktivitätsrate haben, welche mit den verschiedenen Phasen der thermoplastischen Schaumextrusion verbunden ist. Dementspre chend sind typische thermoplastische Schaumextrusionsprozesse häufig ausgelegt, um Regelung und Kontrolle über jeden Faktor zu maximieren. Beispielsweise wird ein typischer Schaumextrusionsprozess aufgeteilt in zwei separate Phasen, und benötigt tatsächlich häufig zwei separate Extrusionsgeräte, welche miteinander verbunden sind.
  • Die erste Phase des Vorgangs umfasst typischerweise die effektive Schmelzung von Extrusionsmaterialpellets, wie thermoplastisches Material, welches speziell geeignet für den gewünschten Schaum ist, und die nachfolgende Mischung dieser Materialpellets mit dem Schaumbildner und anderen verschiedenen Mitteln, wie benötigt. Normalerweise wird die erste Phase des Verfahrens innerhalb einer sehr großen und lang gestreckten mechanischen Extrusionsvorrichtung durchgeführt, worin eine thermoplastische Extrusionsschraube bzw. -schnecke, und insbesondere eine Schmelzschraube, die Materialpellets durch einen langgestreckten Zylinder presst, wobei Reibungswärme erzeugt wird, und von welchem auch Schmelzwärme angewandt wird. Tatsächlich ist die Oberfläche der thermoplastischen Extrusionsschraube ziemlich glatt aufgrund des Designs (d.h. oftmals verchromt und poliert) und das Material bewegt sich durch den Zylinder aufgrund des reibungsmäßigen Kontakts oder der Scherung, wenn das Extrusionsmaterial reibungsmäßig die Zylinderoberfläche berührt. Weiterhin ist es der Schereffekt zusammen mit dem beheizten Zylinder, welcher für die effektive Schmelzung des Extrusionsmaterials sorgt. Zusätzlich zur Sicherstellung des Erreichens homogener Mischung, ist die erste Phase auch eingeschränkt durch die Notwendigkeit, ein isoliertes System aufzubauen und zu halten. Insbesondere verhindert das isolierte System vorzeitige Schäumung des thermoplastischen Materials, und stellt sicher, dass genügend Heizenergie angewandt wird, um das Material effektiv zu schmelzen und seine vollständige Mischung zu ermöglichen. Viele Vorteile wurden in der Industrie erreicht, um die Durchflussraten zu maximieren, welche erreichbar sind oder innerhalb dieser ersten Phase des thermoplastischen Extrusionsprozesses. Leider ist jedoch der tatsächliche Ausstoß des extrudierten Produkts immer noch eingeschränkt auf Raten, welche deutlich unter denjenigen liegen, welche in dieser ersten Phase erreichbar sind, als Ergebnis der Notwendigkeiten und Beschränkungen der zweiten Phase des thermoplastischen Schaumextrusionsprozesses.
  • Insbesondere umfasst Schaumextrusion, im Gegensatz zur konventionellen thermoplastischen Extrusion welche vorrangig eine homogene Mischung erfordert, auch eine zweite Phase welche die gleichmäßig verteilte und gleichmäßige Kühlung von im Wesentlichen des gesamten geschmolzenen und gemischten Extrusionsmaterials zu einem Punkt erfordert, an welchem es bei einer notwendigen Extrusionstemperatur und durchgängigen Konsistenz ist. Normalerweise wird diese zweite Phase des Vorgangs innerhalb einer sehr großen mechanischen Extrusionsvorrichtung durchgeführt, worin eine zentrale thermoplastische Extrusionsschraube wie eine Schaumkühlungsschraube mit einer Helix oder Paddel-Typ-Konfiguration das geschmolzene Extrusionsmaterial durch einen lang gestreckten Zylinder presst, um eine Kühlung des Materials zu erreichen. In Anbetracht der Notwendigkeit einer ziemlich präzisen Temperatur, entstehen jedoch signifikante Einschränkungen bezogen auf die Drehzahl der zentralen Kühlungsschraube und auf die Wärmeabführungsrate, welche erreicht wird, in der zweiten Phase des Prozesses. Insbesondere ist die Drehzahl der zentralen oder Kühlungsschraube eingeschränkt aufgrund der Notwendigkeit, die Wärme zu minimieren, welche aufgrund der Scherung des Extrusionsmaterials mit der Wandoberfläche des Zylinders und innerhalb des Materials selbst entsteht. Somit kann eine erhöhte Durchflussrate hoher Qualität nicht allein durch Erhöhung der Rotation der Schraube erreicht werden. Weiterhin kann man nicht unbegrenzt allein der Überschuss-Scherwärme entgegenwirken, welche durch schnellere Kühlung hauptsächlich durch Erniedrigung der Temperatur des Zylinders erzeugt wird, denn wenn sich die Mischung zu stark kühlt, wird ein optimaler viskoser Fluss der Extrusionsmischung nicht aufrechterhalten und produktiver Durchfluss durch die Form ist dramatisch behindert.
  • Auch ist die alleinige Vergrößerung des Extrusionszylinders in der Kühlungsphase keine effektive Lösung da eine solche Vorrichtung übermäßig groß, klobig und finanziell unpraktikabel aufgrund der Verwendung eines so großen Skalierungsfaktors werden würde. Großdimensionierte Kühlungsschrittvorgänge beinhalten auch unerwünschte Betriebskostenprobleme aufgrund des typischerweise längeren Produktwechel-Zeitfaktors und den verbundenen Materialkosten von solch großen Maschinen. Weiterhin, wenn man alleine die Größe des Extrusionszylinders in der Kühlungsphase erhöht und der Durchfluss durch die Form lang genug gemacht wird, um Temperatur-Tempering der Extrusionsmischung zu erlauben, würde der Widerstand gegen Fluss, welcher durch einen solchen Durchfluss erzeugt wird, in schädlicher Weise Wärmeerzeugung in der Extrusionsmischung innerhalb des Zylinders auslösen. Weiterhin würde dieser eingeschränkte lange Durchfluss die normale Tendenz der thermoplastischen Extrusionsmischung unterdrücken, nach der Verlangsamung des Durchflusses durch die Form anzuschwellen.
  • Dementsprechend erkennt man, dass man die Notwendigkeiten einer produktiven Durchflussrate mit den Erfordernissen von Praktikabilität und einer effektiven und gleichmäßig verteilten Kühlung abwägen muss.
  • Viele in der Industrie sind trotzdem daran gescheitert, die oben angeführten Einschränkungen zu erkennen. Beispielsweise haben manche in der Industrie versucht, die Produktivität der zweiten oder Kühlungsphase des Extrusionsvorgangs zu erhöhen, in dem sie die Wärmemenge erhöhten, welche aus der Oberfläche des Extrusionszylinders abgezogen wird. Leider haben sich diese Verfahren als ineffektiv herausgestellt, denn wenn eine Wärmemenge abgezogen wird um im Wesentlichen das gesamte Extrusionsmaterial durchzukühlen, kühlen sich die Perimeterschichten des Extrusionsmaterials, welche in direkterem Kontakt mit der Zylinderoberfläche sind, sehr stark und liefern kein zufrieden stellendes Extrudierungsergebnis mehr. Somit ist eine primäre Schwierigkeit, welche mit dieser Kühlungsphase verbunden ist, die Tatsache dass die Mengen an Extrusionsmischung, welche am nächsten zu dem Schaft bzw. zu der Welle der Zentralschraube sind, nicht effektiv gekühlt werden, da eine Mehrheit der Wärme, welche abgeführt wird, zunächst von dem extrudierten Material kommt, welches sich in dem Perimeterbereich innerhalb des Zylinders der zweiten mechanischen Extrusionsvorrichtung befindet. Beispielsweise werden die Perimetermengen des Extrusionsmaterials weiter kühler und kühler wenn Wärme abgezogen wird, während die inneren Mengen allmählich auf die gewünschte, ziemlich präzise Extrusionstemperatur kühlen. Dies ergibt Extrusionsmaterial, welches nicht von einheitlicher Konsistenz für korrekte Extrusion ist. Tatsächlich soll auch angemerkt werden, dass in dieser zweiten Phase, ebenso wie in der ersten Phase, vollständige Homogenisierung der Extrusionsmischung manchmal nicht erreicht wird, und deshalb das fertige Produkt von minderwertiger Qualität sein kann.
  • Dementsprechend erkennt man, dass die gesamte Produktivität der derzeitigen Industrie nach wie vor eingeschränkt ist durch die Kühlungsphase des Extrusionsprozesses. Bis heute ist die einzige effektive Art und Weise zur Sicherstellung eines effektiv gekühlten extrudierbaren Materials, einen langsamen, langen und allmählichen Kühlungsprozess vorzusehen, um das Extrusionsmaterial zu verdicken ohne nur einzelne Bereiche davon zu überkühlen, und somit eine längere Mischzeit für verbesserte Homogenisierung zu erreichen. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung adressiert jedoch die Probleme und Notwendigkeiten, welche im Stand der Technik bleiben, und ist dazu in der Lage, die Durchflussrate an Extrusionsmaterial signifikant zu erhöhen, ohne einen Kompromiss in der Qualität des fertigen Produkts einzugehen.
  • EP 0 694 376 A zeigt ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung, um einen thermoplastischen Harzschaum herzustellen. Ein thermoplastisches Harz, ein Blasmittel und andere notwendige Komponenten werden in einem geschmolzenen Zustand gemischt und die Mischung wird extrudiert, um sie zu expandieren. Die Vorrichtung umfasst eine Zumesszone, welche an dem vorderen Ende einer rotierenden Welle an einem Extruder vorgesehen ist, eine Knetzone, welche näher an dem rückwärtigen Ende als an der Zumesszone vorgesehen ist, und eine Vielzahl an perforierten Platten, welche auf der Oberfläche der Welle angebracht sind, in der Knetzone. Der Außendurchmesser der Welle ist kleiner hergestellt als derjenige einer Schraube in der Zumesszone, wie am Boden von Kanälen gemessen wird. Dieses Merkmal kombiniert mit den perforierten Platten, um gleichmäßige Mischung und konsistenten Extrudierbetrieb sicherzustellen.
  • DE 1 629 731 A zeigt eine Schraubenpresse (oder Extruder) für Plastikmaterial, die mit kaltem Material gefüllt werden kann. Dabei umfasst eine langgestreckte Schraube einen Schraubengang, welche sich von der langgestreckten Welle erstreckt, um Extrusionsmaterial in Richtung des Auslasses des Schraubenextruders zu bewegen. Der Schraubengang hat Öffnungen in der Nähe der langgestreckten Welle.
  • Weiterhin sei auf DE 1 263 700 A hingewiesen, welche eine Schraubenfilterpresse (oder Extruder) betrifft, zur Abtrennung von fester Materie von Suspensionen.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Schaumextrusionsanordnung vorzusehen, welche während der Kühlungsphase im Wesentlichen die Kühlungseffekte durch die Extrusionsmaterialmischung, welche sich innerhalb des Zylinders befindet, verteilt, um dabei effektiver, effizienter und gleichmäßig im Wesentlichen das gesamte Extrusionsmaterial bei einer passenden extrudierbaren Temperatur zu halten, welche dem Polymer oder der Substanz, welche als Basis für die Extrusionsmischung verwendet wird, entspricht.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Vorrichtung ist es, eine Extrusionsanordnung vorzusehen, welche verwendet werden kann mit bestehenden Extrusionsstrukturen ohne wesentliche Änderungen, welche somit die gesamte erreichte Durchsatzrate auf Niveaus erhöht, die so groß wie normalerweise ungefähr 10 bis 50 über derzeitig verfügbaren Durchsatzraten sind, ohne die Produktqualität zu beeinträchtigen.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Extrusionsschraube vorzusehen, welche effektiv verwendet werden kann in existierenden Extrusionsvorrichtungen, und welche somit effektiver für eine gleichmäßige Wärmeableitung von heißem und geschmolzenem Extrusionsmaterial sorgt, ohne das Material zu überkühlen oder zu heizen, während gleichzeitig die erreichte Durchflussrate noch wesentlich erhöht wird.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaumextrusionsanordnung vorzusehen, welche im Wesentlichen die Einschränkungen, welche üblicherweise mit der Kühlungsphase des Extrusionsvorgangs verbunden sind, beseitigt.
  • Auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaumextrusionsanordnung vorzusehen, welche effektiv die Extrusionsproduktionsrate erhöht ohne die Größe und/oder die Komplexität der Struktur auf unpraktikable oder unökonomische Größen zu erhöhen.
  • Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermoplastische Extrusionsschraube vorzusehen, welche effektiv die Extrusionsmischung zirkuliert, und sicherstellt dass der größte Teil, wenn nicht die gesamte Extrusionsmischung effektiv und gleichmäßig in die Nähe von der Wärmeableitungsoberfläche des Zylinders der Extrusionsvorrichtung kommt.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermoplastische Extrusionsschraube vorzusehen, welche wesentlich das Flussmuster verändert, welches normalerweise durch eine Extrusionsmischung innerhalb der Extrusionsvorrichtung erzeugt wird, wobei effektivere und gleichmäßigere Verarbeitung erreicht wird und deutliche Verbesserungen in der Rate erreicht werden, mit welcher das extrudierte Produkt hergestellt wird.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermoplastische Extrusionsschraube vorzusehen, welche effektiv die Extrusionsmischung zirkuliert und für ein im Wesentlichen homogenes und hochqualitatives Produkt sorgt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist eine homogenisierungsverbessernde Extrusionsschraube gemäß Anspruch 1. Auch wird eine Schaumextrusionsanordnung gemäß Anspruch 8 vorgesehen und umfasst eine solche homogenisierungsverbessernde Extrusionsschraube. Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren der Kühlung einer Schaumextrusionsmischung gemäß Anspruch 17 vor. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoplastische Schaumextrusionsanordnung des Typs, welcher strukturiert ist um ein extrudiertes Schaumprodukt in einer von einer Vielzahl von extrudierten Formen herzustellen. Insbesondere umfasst die Schaumextrusionsanordnung einen Schmelzbereich, welcher eine Vielzahl an Pellets erhält und schmilzt, bevorzugt thermoplastische Materialpellets, und einen Wärmeableitungsbereich.
  • Bevorzugterweise an dem Schmelzbereich der Schaumextrusionsanordnung beinhaltet ist eine Agens- bzw. Mittelzufügungsanordnung. Insbesondere ist die Mittelzufügungsanordnung strukturiert, um einen Schaumbildner zu den geschmolzenen oder schmelzenden Materialpellets zuzuführen, zur vollständigen Mischung/Vermischung und Homogenisierung damit. Von da her umfasst die Schaumextrusionsanordnung auch eine Mischanordnung. Die Mischanordnung, welche auch bevorzugt in dem Schmelzbereich beinhaltet ist, ist strukturiert um die geschmolzenen Materialpellets und den Schaumbildner gründlich zu mischen, wobei eine reinere, homogenere Extrusionsmischung erreicht wird.
  • Im Gegensatz zum Schmelzbereich ist der Wärmeableitungsbereich der vorliegenden Erfindung strukturiert, um Überschusswärme von der Mischung aus geschmolzenen Materialpellets und Schaumbildnern abzuleiten, so dass die Mischung eine extrudierbare Temperatur und Konsistenz erreichen kann. Vorzugsweise umfasst der Wärmeableitungsbereich einen lang gestreckten Zylinder, durch welchen die Mischung fließt. Der Zylinder, welcher vorzugsweise im Wesentlichen umschlossen ist, umfasst mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass, welche darin definiert sind. Der Einlass ist strukturiert, um die Mischung aus geschmolzenen Pellets und Schaumbildner dadurch zu erhalten, vorzugsweise von dem Schmelzbereich, zum Durchfluss in den Zylinder.
  • Kooperativ angeordnet in dem Zylinder des Wärmeableitungsbereichs ist eine Wärmeableitungsstruktur. Insbesondere zieht die Wärmeableitungsstruktur Wärme von dem Zylinder ab, wie durch Flüssigkühlung, wobei Wärme von der Mischung aus geschmolzenen Pellets und Schaumbildner abgezogen wird, um sicherzustellen, dass die Extrusionsmischung zu einer extrudierbaren Temperaturspanne gelangt.
  • Angeordnet innerhalb des Zylinders des Wärmeableitungsbereichs ist eine thermoplastische Extrusionsschraube. Diese Extrusionsschraube ist vorzugsweise eine Kühlungsschraube, welche axial angeordnet ist innerhalb des Zylinders, und strukturiert ist um sich darin zu drehen, wenn der Zylinder eine Menge an Mischung von geschmolzenen Pellets und Blasmittel enthält. Um die Mischung aus geschmolzenen Pellets und Blasmittel in Richtung des Auslasses des Zylinders zu bewegen, umfasst die Extrusionsschraube weiterhin mindestens einen Schraubengang. Der Schraubengang ist vorzugsweise strukturiert, um sich um die Extrusionsschraube zu wickeln und dreht sich bei Drehung der Schraube, um die Mischung in Richtung des Auslasses des Zylinders zu bringen. Um effektive, vollständige und gleichmäßig verteilte Kühlung der Mischung aus geschmolzenen Pellets und Schaumbildner zu erreichen, umfasst der Schraubengang der vorliegenden Erfindung jedoch weiterhin mindestens eine, aber vorzugsweise eine Vielzahl von Zirkulationskanälen, welche darin definiert sind. Insbesondere sind die Zirkulationskanäle im Allgemeinen präzise positioniert in dem Schraubengang, um Mengen der Mischung aus geschmolzenen Pellets und Schaumbildner dadurch durch Drehung der Extrusionsschraube zu erhalten. Dementsprechend wird eine effektive Zirkulation der Mischung relativ zu dem Zylinder bei Erhalt der Mengen an Mischung aus geschmolzenen Pellets und Schaumbildner durch den Zirkulationskanal erreicht, und die vollständige Mischung an geschmolzenen Pellets und Schaumbildner wird im Wesentlichen gleichmäßig verteilt in nahe Nachbarschaft des Zylinders kommen, um effektive und gleichmäßige Wärmeableitung und Kühlung davon zu erreichen.
  • Zuletzt umfasst die Schaumextrusionsanordnung eine Form. Insbesondere, ist die Form kooperativ angeordnet in Flusskommunikation mit dem Auslass des Zylinders, und kann jede einer Anzahl an gewünschten Formen annehmen, um die Mischung aus geschmolzenen Pellets und Schaumbildnern anzunehmen, bei der extrudierbaren Temperatur, um dadurch die gewünschte Form zu erhalten. Tatsächlich beginnt die Mischung beim Verlassen der Form zu „schäumen" und stellt dadurch das fertige extrudierte Produkt her.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Für ein vollständiges Verständnis der Natur der vorliegenden Erfindung soll Bezug genommen werden auf die folgende detaillierte Beschreibung, im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen:
  • 1 ist eine perspektivische, teilweise aufgeschnittene Ansicht der Schaumextrusionsanordnung der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine sektionale, teilweise aufgeschnittene Ansicht des Zylinders und der Extrusionsschraube des Wärmeableitungsbereichs der Schaumextrusionsanordnung der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist eine isolierte Sektionsansicht des Schraubengangs der Extrusionsschraube der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ist eine Querschnittsansicht des Schraubengangs der Extrusionsschraube der vorliegenden Erfindung;
  • 5 ist eine geschnittene, getrennte Ansicht, welche ein erstes Ausführungsbeispiel des Zirkulationskanals zeigt, welcher in dem Schraubengang der Extrusionsschraube der vorliegenden Erfindung definiert wird.
  • 6 ist eine geschnittene, getrennte Ansicht, welche ein alternatives Ausführungsbeispiel des Zirkulationskanals zeigt, welcher in dem Schraubengang der Extrusionsschraube der vorliegenden Erfindung definiert ist; und
  • 7 ist eine sektionale, perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Extrusionsschraube der vorliegenden Erfindung.
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf eine Schaumextrusionsanordnung, wie in 1 dargestellt, und allgemein als 10 bezeichnet. Insbesondere ist die Extrusionsanordnung 10 strukturiert, um ein expansionsfähiges Polymer-Plastik zu produzieren, welches bei Aussetzung zu einer externen Umgebung schäumt, um ein fertiges oder halbfertiges Produkt zu erzeugen. Insoweit kann die Schaumextrusionsanordnung 10 der vorliegenden Erfindung verwendet werden mit einer Anzahl an thermoplastischen Polymeren, darunter, aber nicht eingeschränkt auf Polystyrol, Polyethylen (PE), Polypropylen, PET oder andere ähnliche Thermoplasten, darunter schäumende oder expandierbare Thermoplasten oder andere Materialien, welche zukünftig verwendet oder entwickelt werden können. Wie in 1 gezeigt definiert das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Schaumextrusionsanordnung 10 der vorliegenden Erfindung eine Tandem-Typ-Anordnung, obwohl eine einzelne, in-line und/oder ineinander greifende Doppelschraubenanordnung auch verwendet werden kann, welche, wenn sie verwendet wird, auch als innerhalb des Bereichs und des Gedankens dieser Erfindung betrachtet werden soll. Mit Blick auf die Tandem-Anordnung, wie in 1 gezeigt, umfasst jedoch die Schaumextrusionsanordnung 10 einen ersten Schmelzbereich, bezeichnet als 20, und einen zweiten Wärmeabzugsbereich, bezeichnet als 40. Der erste Schmelzbereich 20 ist strukturiert, um eine Vielzahl an thermoplastischen Materialpellets aufzunehmen und zu schmelzen, welche vorzugsweise die Basis für das Produkt, wie das Schaumprodukt, welches produziert werden soll, bilden. Wie normalerweise in der Industrie umfasst das bevorzugte Ausführungsbeispiel einen größeren trichterförmigen Feststoffeinlass 24, wodurch große Mengen an Rohmaterial, wie Materialpellets und ähnliches, in den Schmelzbereich 20 eingeführt werden können. Natürlich wird erwähnt das die Materialpellets kleine Perlen oder zylindrische Pellets, größere Würfel, Blöcke, Klumpen, Flocken, Puder definierende Partikel oder jede andere Konfiguration des Materials umfassen können, welche passend in den Schmelzbereich 20 eingeführt werden können, um nachfolgend geschmolzen zu werden. Weiterhin, obwohl der Schmelzbereich 20 einen großen Bottich oder anderen Heizbehälter zur direkten und unverzüglichen Schmelze der Materialpellets umfassen kann, umfasst der Schmelzbereich 20 vorzugsweise einen lang gestreckten Extrusionszylinder 50', durch welchen die Materialpellets gepresst werden. Insbesondere ist eine thermoplastische Extrusionsschraube, wie eine innere Schmelzschraube 60' in dem Zylinder des Schmelzbereichs 20 enthalten, und ist vorzugsweise von einer großen Getriebeanordnung 22 angetrieben, um innerhalb des Schmelzbereichs 20 zu rotieren. Wenn die Materialpellets durch den Schmelzbereich 20 gepresst werden, vorzugsweise durch die innere Schmelzschraube 60' um im Wesentlichen einen Fleischwolfeffekt zu haben, wird Wärmeenergie produziert um die Materialpellets zu schmelzen, welche sich innerhalb des Zylinders 50' befinden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel, liefert mindestens eine Heizquelle, vorzugsweise die Wand des Zylinders 50' des Schmelzbereichs 20 umfassend, Wärme zu dem Zylinder 50'. Außerdem presst die innere Schmelzschraube 60', welche in dem Zylinder 50' enthalten ist, vorzugsweise, wenn nicht zwingend, die Materialpellets gegen die innere Wand des Zylinders 50' und gegeneinander, wobei ein Schereffekt verursacht wird, welcher in der Praxis die größte Wärmemenge zu den Materialpellets hinzufügt, und die gesamte Schmelzung davon verbessert, bis ein glattes, aber viskoses Material erhalten wird.
  • Da die Materialpellets allein normalerweise nicht die notwendige Schäumungsreaktion erzeugen, wenn sie erhärten, es sei denn es wird Material mit vorab eingebauten oder mikro-umschlossenen Mitteln verwendet, und somit nicht das gewünschte fertige Schaumprodukt werden wird, umfasst die Schaumextrusionsanordnung 10 weiterhin eine Mittelzufügungsanordnung 26. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel fügt die Mittelzufügungsanordnung 26 einen Schaumbildner zu den geschmolzenen oder schmelzenden Materialpellets hinzu, vorzugsweise wenn sie den Schmelzbereich 20 passieren. Weiterhin kann der Schaumbildner im bevorzugten Ausführungsbeispiel Fluorkohlenstoff, Kohlenwasserstoff und/oder andere äquivalente Schaumbildner oder Mischungen davon umfassen, welche Volumen zu dem fertigen Produkt hinzufügen und die Schäumungswirkung auslösen werden, wenn die extrudierte Schmelze die Schaumextrusionsanordnung 10 verlässt. Natürlich wird es verstanden, dass zukünftig auch andere Schaumbildner entwickelt oder vorgesehen werden können, abhängig von dem gewünschten fertigen Produkt, und tatsächlich mit dem thermoplastischen Material vor der Einfügung in den Schmelzbereich 20 kombiniert werden können. Weiterhin kann, wenn gewünscht, und vorzugsweise entlang mit der Mittelzufügungsanordnung 26, ein Färbemittel und/oder ein Keimbildungsmittel zusätzlich zu den Materialpellets, die geschmolzen werden, hinzugefügt werden.
  • Auch ist vorzugsweise bei dem Schmelzbereich 20 eine Mischanordnung 27 enthalten. Die Mischanordnung 27 ist vorzugsweise durch entweder die gesamte oder zumindest einen Teil der Schmelzschraube 60' definiert, welche vorzugsweise die geschmolzenen Materialpellets durch den Schmelzbereich 20 presst, und für eine effektivere Schmelzung durch den Schereffekt sorgt, welcher intern und mit dem Zylinder 50' erzeugt wird. Die Mischanordnung 27 ist strukturiert, um die geschmolzenen Materialpellets und das Blasmittel gründlich miteinander zu mischen, um eine im Wesentlichen homogene Mischung aus geschmolzenen Materialpellets und Schaumbildner zu erreichen. In dieser Hinsicht wird es als sehr wichtig angesehen, dass sich eine feste und gleichmäßige Schaumextrusionsmischung der geschmolzenen Materialpellets und des Schaumbildners ergibt, um ein gewünschtes fertiges Produkt zu erhalten, dass wenige, wenn überhaupt, Deformationen, Fehler oder irreguläre Strukturen wie Lufttaschen, irreguläre Zellstrukturen, etc. enthält.
  • Wenn die Extrusionsmischung einmal effektiv homogenisiert wurde, wird sie vorzugsweise direkt in den zweiten Wärmeabzugsbereich 40 geleitet. Wie in 1 mit Bezug auf die bevorzugte Tandem-Anordnung dargestellt, kann dieser Wärmeabzugsbereich 40 eine separate Struktur umfassen, aber alternativ auch hauptsächlich eine Fortsetzung des Schmelzbereichs 20 sein, wie es insbesondere in der nichtschäumenden thermoplastischen Extrusion der Fall ist. Insbesondere kann in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches in 1 dargestellt ist, eine verbindende Leitung 30 vorgesehen sein, um die Extrusionsmischung von dem Schmelzbereich 20 in den Wärmeabzugsbereich 40 zu leiten. Der Wärmeabzugsbereich 40 ist strukturiert, um die Extrusionsmischung dadurch zu erhalten und zu verarbeiten, und um gleichmäßig Überschusswärme von der Extrusionsmischung abzuführen, so dass die Mischung eine passende extrudierbare Temperatur erreicht, häufig zwischen 93 und 149 °C (200 bis 300 Grad Fahrenheit), abhängig von dem verwendeten Thermoplasten und der Menge des darin enthaltenen Gases. Insbesondere ist es in dem Schaumextrusionsverfahren nötig, dass die Extrusionsmischung mit einer passenden extrudierbaren Viskosität zugefügt wird. Wenn die Temperatur des Extrusionsmaterials zu heiß ist, wird das Material eine zu geringe Viskosität haben, was bedeutet dass es flüssig ist und schwierig in ein fertiges oder anwendbares Produkt zu formen ist. Somit muss das Extrusionsmaterial ausreichend gekühlt oder viskos gemacht werden, d.h. eingedickt und Gelartig, um durch eine Form 44 gießbar und formbar zu sein, ohne so viskos zu sein, um zu früh hart zu werden. Dementsprechend ist der Wärmeabzugsbe reich 40 strukturiert, um Überschusswärme von der Extrusionsmischung in einer kontrollierten bzw. gesteuerten, gleichmäßigen und gleichmäßig verteilten Art und Weise abzuführen, so dass im Wesentlichen die gesamte Extrusionsmischung eine gleichmäßige und effektiv extrudierbare Temperatur erreicht, und so dass die extrudierbare Temperatur durch die gesamte Extrusionsmischung schneller erreicht wird, als gewöhnlich möglich ist.
  • Unter Bezugnahme auf den Wärmeabzugsbereich 40 und den Rest der Figuren erkennt man, dass das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Wärmeabzugsbereichs 40 einen lang gestreckten Zylinder 50 umfasst. Der lang gestreckte Zylinder 50 umfasst mindestens einen Einlass 31, wie die Verbindungsleitung 30, gezeigt in 1, und mindestens einen Auslass, wie die Form 44, welche darin definiert ist. Somit wird in der bevorzugten Tandemkonfiguration, die in 1 gezeigt ist, die Extrusionsmischung vorzugsweise von dem Schmelzbereich 20 erhalten, in einer vollständig oder im Wesentlichen gemischten Form, durch den Einlass 31 zur Durchleitung und Verarbeitung durch den Zylinder 50, vor der Formung durch die Form 44. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Prozess, der in dem Wärmeabzugsbereich 40 ausgeführt wird, vorzugsweise die Kühlung der Extrusionsmischung, obwohl andere Phasen wie weitere Mischung darin auch ausgeführt werden können.
  • Zusammenarbeitend mit dem Zylinder 50 des Wärmeabzugsbereichs 40 angeordnet ist eine Wärmeabzugsstruktur. Insbesondere ist die Wärmeabzugsstruktur strukturiert, um Wärme abzuziehen, vorzugsweise von dem Zylinder 50, und dementsprechend, um Wärme aus der Extrusionsmischung, welche darin enthalten ist und durch den Zylinder 50 geleitet wird, abzuziehen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Wärmeabzugsstruktur eine Kühlungsstruktur wie eine Vielzahl an Kühlschlangen oder Kanälen 52, vorzugsweise angeordnet hauptsächlich über einem Umfang des Zylinders 50. Somit kann die Wärmeabzugsstruktur 52 eine erhebliche Menge an Wärme von dem Umfang des Zylinders 50 abziehen, und wird in der Tat wesentliche Mengen an Wärme von den Mengen der Extrusionsmischung abziehen, welche sich in einer Nähe des Umfangs 51 des Zylinders 50 befinden, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird.
  • Eine thermoplastische Extrusionsschraube 60, wie eine Schaumkühlungsschraube, ist in dem Zylinder 50 enthalten und vorzugsweise so dimensioniert, dass eine präzise, aber drehbare Passung erreicht wird. Insbesondere ist die Extrusionsschraube 60 vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt, und auch im Allgemeinen lang gestreckt gemacht, und nochmals vorzugsweise eine integral ausgebildete Schraube, welche sich über die Länge des Zylinders 50 erstreckt. Die Extrusionsschraube 60 ist auch vorzugsweise mit einer Getriebeanordnung verbunden, wie bei 42 in 1 gezeigt, welche die Extrusionsschraube 60 in dem Zylinder 50 dreht, obwohl es auch möglich ist, dass die Extrusionsschraube stationär ist, aber mit einer Eingangskraft, welche die Extrusionsmischung durch den Zylinder presst. Unabhängig davon umfasst die Extrusionsschraube 60 vorzugsweise mindestens einen Schraubengang 64, welcher in einem bevorzugteren Ausführungsbeispiel strukturiert ist, sich vollständig um einen zentralen lang gestreckten Schaft bzw. eine zentrale lang gestreckte Welle 62 zu wickeln, um einen kontinuierlichen, lang gestreckten Schraubengang 64 zu definieren, obwohl eine oder mehrere gewinkelte Kratzplatten ebenfalls den Gang definieren können. Außerdem, obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel einen einzelnen Schraubengang 64 aufweist, können in einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie in 7 gezeigt, zwei oder mehrere Schraubengänge 64 und 64' hintereinander oder Seite an Seite, wie in der gezeigten Alternative, angeordnet sein, um mindestens einen Flusspfad für die Extrusionsmischung zu definieren. Natürlich soll erwähnt werden, dass der Schraubengang 64 sich vollständig entlang der Welle 62 oder des Zylinders 50 erstrecken kann, aber nicht muss, abhängig von den Mischungs-, Heizungs-, und/oder Kühlungserfordernissen des speziellen Systems und des speziellen Polymers oder Materials, welches als die Basis für die Extrusionsmischung verwendet wird. Außerdem kann der spezifische Einfallswinkel des Schraubengangs 64 verändert werden, um die Geschwindigkeit, mit welcher die Extrusionsmischung durch den Zylinder 50 fließt, zu regulieren.
  • Der Schraubengang 64, welcher separat oder integral mit der Welle 62 in einer oder mehreren kontinuierlichen oder segmentierten Teilen ausgebildet sein kann, ist vorzugsweise strukturiert, um sich bei Drehung der gesamten Extrusionsschraube 60 zu drehen. Außerdem ist der Schraubengang 64 strukturiert, um sich von der lang gestreckten Welle 62 in im Wesentlichen nahe benachbarte Relation mit einer Innenoberfläche 51 des Zylinders 50 zu erstrecken. In der Tat ist diese nahe benachbarte Relation zwischen dem Schraubengang 64 und der Innenoberfläche 51 des Zylinders 50 normalerweise ungefähr das 0.001 – fache des inneren Zylinderdurchmessers, welcher häufig etwa 15.24 cm (6 Zoll) ist, so dass ein minimaler Leckstrom der Extrusionsmischung bei Drehung der Extrusionsschraube 60 in dem Zylinder 50 dazwischen passiert. Außerdem, obwohl die Oberfläche des Schraubengangs 64 vorzugsweise glatt und normalerweise mit einer geringeren Reibung behaftet ist als die Innenoberfläche 51 des Zylinders 50, ist die Natur der Innenoberfläche 51 des Zylinders 50 derart, dass Bewegung durch den Zylinder 50 erreicht wird. Dementsprechend, wenn sich die Extrusionsschraube 60 dreht, tendiert die relative Bewegung zwischen dem Schraubengang 64 und der inneren Zylinderoberfläche 51 dazu, die Extrusionsmischung vorwärts zu pressen, wie durch den Pfeil B in 1 und 2 gezeigt ist, und zwar in Übereinstimmung mit der Drehung der Extrusionsschraube 60, wie durch den Pfeil A gezeigt. Diese Bewegung der Extrusionsmischung in Richtung des Endes, welches vorzugsweise den Auslass 44 umfasst, funktioniert dadurch zum Vorwärts-Ziehen und -Drücken der Extrusionsmischung, wobei die Schmelze durch die Form 44 gepresst wird, um das Schaumprodukt 45 zu formen, welches endgültig verwendet wird in der Herstellung der fertigen Produkte.
  • Wie vorstehend angedeutet ist die Wärmeabzugsstruktur 52 vorzugsweise über einem Umfang des Zylinders 50 angeordnet, wie in 2 gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird von den Mengen an Extrusionsmischung, welche am nächsten zu der inneren Umfangsoberfläche 51 des Zylinders 50 sind, mehr Wärme abgezogen. Wie jedoch bereits erläutert wurde betreffen wichtige Betrachtungen die Rate, mit der die Extrusionsmischung den Wärmeabzugsbereich 40 passieren kann, um eine passende extrudierbare Temperatur zu erreichen. Beispielsweise, obwohl lediglich Erhöhung der Wärmeabzugsrate in konventionelle Systemen den Eindruck erweckt, die Durchsatzrate zu erhöhen, wenn überschüssige Wärme zu schnell abgezogen wird in der Absicht, den Prozess zu beschleunigen, werden die Mengen an Extrusi onsmischung, welche am nächsten zu dem Umfang des Zylinders 51 (50) sind, überkühlt relativ zu den Mengen der Mischung, welche am nächsten zu der Welle 62 der Extrusionsschraube sind. Als Ergebnis muss der Wärmeabzugsvorgang von konventionellen Systemen hinreichend langsam sein, um sicherzustellen, dass die gesamte Extrusionsmischung gleichmäßig bei der extrudierbaren Temperatur ankommt.
  • Dagegen ist die Struktur der vorliegenden Erfindung so, dass eine schnellere Durchsatzrate der extrudierbaren Mischung durch den Wärmeabzugsbereich 40 erreicht werden kann, in dem die Abzugsstruktur 52 geheizt wird. Insbesondere, und wie in den 2 bis 7 dargestellt, umfasst der Schraubengang 64 der thermoplastischen Extrusionsschraube, und vor allem die Schaumkühlungsschraube der vorliegenden Erfindung mindestens einen, aber bevorzugterweise mehrere Zirkulationskanäle 90, welche darin definiert sind. Die Zirkulationskanäle 90 sind vorzugsweise mit einer beabstandeten Distanz voneinander entlang des Schraubengangs 64 angeordnet, und können sich entlang des gesamten Schraubengangs 64 erstrecken, sofern es benötigt wird. Vorzugsweise sind die Zirkulationskanäle 90 in einer im Allgemeinen versetzten Ausrichtung voneinander angebracht, entlang des bevorzugten kontinuierlichen Schraubengangs 64, welcher entweder von einer Oben- oder Untenansicht der Extrusionsschraube 60 aus gesehen werden kann, um einen Querkanalfluss und Geschwindigkeit zu unterbrechen, und um einen turbulenteren und gemischteren Fluss zu ermöglichen. Die Zirkulationskanäle sind auch vorzugsweise in einem niedrigeren Bereich des Schraubengangs 64 angeordnet, um in einer engeren Nähe zu der Schraubenwelle 62 zu sein, als zu der Innenoberfläche 51 des Zylinders 50, und am meisten bevorzugt sind sie im Allgemeinen direkt benachbart zu der Wurzel der Extrusionsschraube 60 angebracht. Außerdem ist eine Umfangsoberfläche der Zirkulationskanäle 90 vorzugsweise vollständig von dem Schraubengang 64 umschlossen und definiert.
  • Wie am besten in 2 gezeigt, umfasst jeder Schraubengang 64 vorzugsweise eine vordere Oberfläche 70, eine hintere Oberfläche 72 und eine Umfangskante 80. Dementsprechend, wenn sich der Schraubengang 64 dreht, schaufelt die vordere Oberfläche 70 hauptsächlich die Extrusionsmischung und presst sie in Richtung der hinteren Niederdruckoberfläche 72, wobei die Extrusionsmischung nahe der Schraubenwelle 62 hinauf zu der Innenoberfläche 51 des Zylinders 50 gepresst wird, und unterbricht den normalen laminaren Fluss der Schmelze, während sie gleichzeitig vorwärts in Richtung der Form 44 gezogen wird. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Zirkulationskanal 90 von der vorderen Oberfläche 70 zu der hinteren Oberfläche 72 derart, dass die Extrusionsmischung, welche in dem Zylinder 50 enthalten ist, den Zirkulationskanal 90 passiert, wie in der Richtung, welche durch den Pfeil C, welcher in 4 gezeigt ist, wenn sich der Schraubengang 64 dreht. Außerdem, wenn sich die Mengen an Extrusionsmischung von der vorderen Oberflächenseite des Schraubengangs 64 zu der hinteren Oberflächenseite des Schraubengangs bewegen, werden die Mengen an Extrusionsmischung, welche sich im Allgemeinen bei der hinteren Oberfläche 72 des Schraubengangs 64 befinden, versetzt und hinaufgedrückt in Richtung der Innenoberfläche 51 des Zylinders 50. Diese Zirkulation der Extrusionsmischung durch die Zirkulationskanäle 90 stellt im Wesentlichen sicher, dass eine gleichmäßige, gleichförmige Verteilung der Kühlung durch die gesamte Menge an Extrusionsmischung erreicht wird, und dass dementsprechend eine größere Wärmemenge gleichförmig abgezogen werden kann, um eine schnellere Durchflussrate zu erlauben. Insbesondere kann mehr Wärme abgezogen werden und die Rate der Bewegung kann erhöht werden, wenn die vorliegende Erfindung benutzt wird, denn der größere Wärmeabzug ist durch die gesamte Extrusionsmischung verteilt und kein Teil der Mischung wird mehr als ein anderer gekühlt, in einem Versuch, Wärme von vernachlässigten Bereichen abzuziehen. Tatsächlich wurde experimentell festgestellt, dass mit der vorliegenden Erfindung der Ausstoß von Schaumprodukten in manchen Systemen um über 181,6 kg (400 englische Pfund) pro Stunde erhöht wurde, was eine wesentliche Produktionserhöhung über vorab gezeigte Maxima von ungefähr 463,3 kg (950 englische Pfund) pro Stunde ausmacht, es entspricht einer Erhöhung der Produktivität von 40 %.
  • Unter Bezugnahme auf 3, 5 und 6, um effektiver für die Zirkulation der Extrusionsmischung durch die Zirkulationskanäle 90 zu sorgen, sind die Zirkulationskanäle 90 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in 5 nach innen verjüngt von der vorderen Oberfläche 70 zu der hinteren Oberfläche 72 des Schraubengangs 64. Eine solche Konfiguration schaufelt hauptsächlich maximale Mengen an Extrusionsmischung zur Zirkulation dadurch und tendiert dazu, einen „Jet"-Effekt zu zeigen, welcher eine Flussgeschwindigkeit durch den Zirkulationskanal 90 maximiert, und eine erhöhte Störung des Zustands der Extrusionsmischung hinter der hinteren Oberfläche 72 wird erreicht. Weiterhin ist der Zirkulationskanal 90 vorzugsweise strukturiert, um im Wesentlichen kurz in der Länge und mit einem größeren Einlassbereich als Auslassbereich zu sein. Dementsprechend, wenn der Fluss im Zirkulationskanal 90 konvergiert und diesen schnell durchläuft, tendiert die Extrusionsmischung dazu, eine maximale Schwellung beim Verlassen des Zirkulationskanals 90 zu zeigen, eine Charakteristik, welche auch dazu tendiert die Flussmuster zu stören und welche eine Mischung und Zirkulation der Extrusionsmischung erhöht.
  • Auch sind in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, am besten gezeigt in 3, zwei der Kanten des Zirkulationskanals 90, wie die linken und rechten Kanten 101 und 103 nach innen verjüngt, um den oben beschriebenen Jet-Effekt und Flusskonvergenz zu erzielen, während zwei der Kanten, wie die obere und untere Kante 100 und 102, im Wesentlichen flach sind. Der Effekt der flachen Kanten ist, im Wesentlichen zu einer Gleitung und sprunghaftem Schuss durch den Zirkulationskanal 90 zu führen, wobei Flusswirbel erzeugt werden und der Fluss an der hinteren Oberflächenseite des Schraubengangs gestört wird. Tatsächlich wird durch die oben beschriebene, bevorzugte asymmetrische Struktur des Einlassbereichs des Zirkulationskanals eine verbesserte Homogenisierung der Extrusionsmischung erreicht, und in dem Fall der Schaumkühlungsschraube wird eine größere Zirkulation für gleichmäßigere Kühlung der Extrusionsmischung erreicht. In einem alternativen, weniger bevorzugten Ausführungsbeispiel des Zirkulationskanals 90', wie in 6 gezeigt, kann eine innere Verjüngung von sowohl der vorderen Oberfläche 70 wie auch der hinteren Oberfläche 72 vorgesehen werden, um die Extrusionsmischung durch die Zirkulationskanäle 90' zu treiben.
  • Zum Schluss, und wie bereits erwähnt, ist die Umfangskante 80 des Schraubengangs 64 in im Wesentlichen nahe benachbarter Relation zu der Innenoberfläche 51 des Schaumextrusionszylinders 50 angeordnet, um Leckfluss dazwischen zu minimieren, wenn sich der Schraubengang 64 dreht und die Schaumextrusionsmischung vorwärts gepresst wird. In dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel, und um eine verbesserte und effektivere Drehung zu erreichen, ist die Umfangskante 80 des Schraubengangs 64 vorzugsweise mit einem hinteren Teil 84 abgeschrägt, welcher von der Innenoberfläche 51 des Zylinders 50 abgewinkelt ist, und mit einem vorderen Teil 82, welcher im Wesentlichen die Kontur der Innenoberfläche 51 des Zylinders 50 konfrontiert und mit dieser korrespondiert. Eine solche Konfiguration erreicht den notwendigen Kratzeffekt, während auch die Oberfläche, welche in nahen Berührungskontakt mit der Innenoberfläche 51 des Zylinders 50 kommt, minimiert wird, um zu der Verringerung von potentieller Wärmescherung zu führen.

Claims (20)

  1. Eine homogenisierungsverbessernde Extrusionsschraube (60), die in der Lage ist, innerhalb eines Extrusionszylinder (50) einer thermoplastischen Extrusionsanordnung (10) angeordnet zu werden, wobei die Schraube (60) folgendes aufweist: einen langgestreckten Schaft (62), welcher in dem Extrusionszylinder angeordnet ist; mindestens einen Schraubengang (64), der sich von dem langgestreckten Schaft aus erstreckt; wobei der Schraubengang eine vordere Oberfläche (70), eine hintere Oberfläche (73) und eine Umfangskante (80) umfasst; wobei der Schraubengang (64) derart strukturiert und angeordnet ist, dass die Umfangskante des Schraubengangs in im wesentlichen nahe beabstandeter Beziehung zu einer Innenoberfläche (51) des Extrusionszylinders (50) angeordnet ist und eine in dem Extrusionszylinder enthaltene Extrusionsmischung zu einem Ende des Extrusionszylinders hin bewegt wird, und zwar zumindest teilweise als Ergebnis des Schraubengangs; und wobei der Schraubengang mindestens einen Zirkulationskanal (90) umfasst, welcher sich von der vorderen Oberfläche zu der hinteren Oberfläche davon erstreckt, wobei der Zirkulationskanal (90) so strukturiert ist, dass er gestattet, dass eine Menge an Extrusionsmischung, die an der vorderen Oberfläche des Schraubengangs und mit Abstand von der Innenoberfläche des Extrusionszylinders angeordnet ist, dahindurch geht zu der hinteren Oberfläche des Schraubengangs hin, und dadurch eine Menge der Extrusionsmischung, welche an der hinteren Oberfläche des Schraubengangs und mit Abstand zu der Innenoberfläche des Extrusionszylinders angeordnet ist, sich nach oben bewegt zu der Innenoberfläche des Extrusionszylinders hin; und wobei eine Einlassfläche des Zirkulationskanals (90) größer ist als eine Auslassfläche des Zirkulationskanals (90), um eine Strömungsgeschwindigkeit und ein Anschwellen der Extrusionsmischung aus dem Zirkulationskanal zu maximieren.
  2. Homogenisierungsverbessernde Extrusionsschraube gemäß Anspruch 1, wobei der Zirkulationskanal (90) mit einem Abstand von der Umfangskante (80) des Schraubengangs (64) entfernt definiert ist.
  3. Homogenisierungsverbessernde Extrusionsschraube gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Zirkulationskanal (90) mindestens eine nach innen verjüngte Kante (101, 103) umfasst, die sich von der vorderen Oberfläche (70) des Schraubengangs zu der hinteren Oberflächen des Schraubengangs erstreckt und so strukturiert ist, dass die in den Zirkulationskanal (90) eintretende Menge der Extrusionsmischung maximiert wird und eine Strömungsgeschwindigkeit und ein Anschwellen der Extrusionsmischung aus dem Zirkulationskanal maximiert wird.
  4. Homogenisierungsverbessernde Extrusionsschraube gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zirkulationskanal (90) mindestens eine allgemein flache Kante (100, 102) umfasst, die so strukturiert ist, dass ein Schlupf bzw. Gleiten der Extrusionsmischung durch den Zirkulationskanal (90) maximiert wird und ein Strömungswirbel an der hinteren Oberfläche des Schraubengangs erzeugt wird, wodurch eine Homogenisierung der Extrusionsmischung maximiert wird.
  5. Homogenisierungsverbessernde Extrusionsschraube gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zirkulationskanal (90) eine asymmetrische Einlassfläche umfasst, um ein Strömungsmuster der Extrusionsmischung durch den Zirkulationskanal zu unterbrechen und dadurch eine Homogenisierung davon zu maximieren.
  6. Homogenisierungsverbessernde Extrusionsschraube gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Zirkulationskanälen (90, 90') vorgesehen ist, die entlang der Länge des langgestreckten Schaftes (62) in einer allgemein versetzten Beziehung zueinander angeordnet sind.
  7. Homogenisierungsverbessernde Extrusionsschraube gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umfangskante (80) abgeschrägt ist, wobei ein hinterer Teil davon von der Innenoberfläche (51) des Extrusionszylinders (50) weg abgewinkelt ist, um eine Drehbewegung des Schraubengangs (64) bezüglich des Extrusionszylinders (50) zu erleichtern ohne wesentliche Erzeugung von Reibungs- bzw. Scherwärme und Leckage zwischen der Umfangskante (80) des Schraubengangs und dem Extrusionszylinder (50).
  8. Extrusionsanordnung (10) für thermoplastischen Schaum, die folgendes aufweist: a) einen Schmelzbereich (20), der strukturiert ist zur Aufnahme und zum Schmelzen einer Vielzahl von Material-Pellets; b) eine Mittelzufügungsanordnung (26), die strukturiert ist zum Hinzufügen eines Schaummittels bzw. Schaumbildners zu den Material-Pellets; c) eine Mischanordnung (27), die strukturiert ist zum wesentlichen Mischen der geschmolzenen Material-Pellets und des Schaumbildners; d) einen Wärmeabzugsbereich (40), der strukturiert ist zum Abziehen überschüssiger Wärme aus der Mischung der geschmolzenen Material-Pellets und des Schaumbildners, so dass die Mischung der geschmolzenen Material-Pellets und des Schaumbildners auf einer Extrudiertemperatur ist, wobei der Wärmeabzugsbereich folgendes aufweist: einen langgestreckten Zylinder (50), wobei der Zylinder mindestens einen Einlass (30, 31) und mindestens einen Auslass (44) darin definiert umfasst, wobei der Einlass strukturiert ist zur Aufnahme der Mischung der geschmolzenen Pellets und des Schaumbildners dahindurch zum Durchgang in den Zylinder, eine Wärmeabzugsstruktur (52), die mit dem Zylinder (50) zusammenwirkend angeordnet ist und strukturiert ist zum Abziehen von Wärme aus dem Zylinder; eine Extrusionsschraube (60) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Extrusionsschraube derart strukturiert und in dem Zylinder (50) angeordnet ist, dass die Mischung der geschmolzenen Pellets und des Schaumbildners zu dem Auslass (44) des Zylinders (50) gedrängt wird, und wobei der Zirkulationskanal (90) strukturiert ist zur Aufnahme von Mengen der Mischung der geschmolzenen Pellets und des Schaumbildners dahindurch, um die Mischung der geschmolzenen Pellets und des Schaumbildners zu dem Zylinder (50) hin zu zirkulieren für eine effektivere und vollständigere Kühlung davon; und e) eine (Guß-)Form (44), die strukturiert ist zur Aufnahme der Mischung der geschmolzenen Pellets und des Schaumbildners mit der Extrudiertemperatur dahindurch.
  9. Schaumextrusionsanordnung gemäß Anspruch 8, wobei der Zirkulationskanal (90) eine im wesentlichen kurze Länge besitzt und strukturiert ist zum Minimieren einer Kompressionszeit der Mischung der geschmolzenen Pellets und des Schaumbildners und zum Maximieren des Anschwellens davon beim Austritt aus dem Zirkulationskanal.
  10. Schaumextrusionsanordnung gemäß Anspruch 8, wobei die Wärmeabzugsstruktur (52) im wesentlichen um einen Umfang des Zylinders (50) angeordnet ist, um eine wesentliche Menge der Wärme von der in der Nähe des Umfangs des Zylinders angeordneten Mischung der geschmolzenen Pellets und des Schaumbildners abzuziehen.
  11. Schaumextrusionsanordnung gemäß Anspruch 10, wobei der Zirkulationskanal (90) strukturiert ist zum Bewegen der in der Nähe einer Basis des Schraubengangs angeordneten Mengen der Mischung der geschmolzenen Pellets und des Schaumbildners zu dem Umfang des Zylinders (50) hin für eine effektive Kühlung davon durch die Wärmeabzugsstruktur (52).
  12. Schaumextrusionsanordnung gemäß Anspruch 11, wobei die Wärmeabzugsstruktur (52) eine Kühlstruktur umfasst, die um den Umfang des Zylinders (50) herum angeordnet ist.
  13. Schaumextrusionsanordnung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei eine Vielzahl der Schraubengänge vorgesehen ist, die mit Abstand zueinander angeordnet sind.
  14. Schaumextrusionsanordnung gemäß Anspruch 8, wobei der Schraubengang (64) so strukturiert und angeordnet ist, dass er sich entlang einer Länge des langgestreckten Schaftes (62) erstreckt.
  15. Schaumextrusionsanordnung gemäß Anspruch 8, wobei der Schraubengang (64) angeordnet ist zum Definieren von mindestens einem Strömungspfad entlang einer Länge des langgestreckten Schaftes (62).
  16. Schaumextrusionsanordnung gemäß Anspruch 8, wobei der Schraubengang (64) so strukturiert ist, dass er sich relativ zu dem Zylinder (50) dreht ohne wesentliche Leckage der Mischung der geschmolzenen Pellets und des Schaumbildners zwischen dem Schraubengang und dem Zylinder.
  17. Verfahren zum Kühlen einer Schaumextrusionsmischung auf eine Extrudiertemperatur, während die Schaumextrusionsmischung durch einen langgestreckten Zylinder (50) hindurchgeht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Abziehen von Wärme von einer Umfangsoberfläche des Zylinders (50); Drehen einer langgestreckten Extrusionsschraube (60) innerhalb des Zylinders (50), um die Extrusionsmischung zu einem Auslass des Zylinders hin zu drängen; und Bewegen von mindestens einem Teil der Extrusionsmischung durch einen Zirkulationskanal (90), der in mindestens einem Schraubengang (64) der Extrusionsschraube (60) definiert ist und eine Einlassfläche besitzt, die größer ist als ein Auslassfläche davon, um mindestens einige mit Abstand von der Umfangsoberfläche des Zylinders angeordnete Mengen der Extrusionsmischung zu der Umfangsoberfläche des Zylinders hin zu zirkulieren, um dadurch eine im wesentlichen gleichförmige Kühlung der Extrusionsmischung zu erreichen.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritte aufweist: Bewegen von mindestens einem Teil der Extrusionsmischung durch einen Zirkulationskanal (90), der in mindestens einem Schraubengang (64) der Extrusionsschraube (60) definiert ist und mindestens eine nach innen verjüngte Kante besitzt, welche sich von einer vorderen Oberfläche des Schraubengangs zu einer hinteren Oberfläche des Schraubengangs hin erstreckt, um mindestens einige mit Abstand von der Umfangsoberfläche des Zylinders angeordnete Mengen der Extrusionsmischung zu der Umfangsoberfläche des Zylinders hin zu zirkulieren und um die Menge und Strömungsgeschwindigkeit der Extrusionsmischung zu maximieren, die in den Zirkulationskanal eintritt, um dadurch eine im wesentlichen gleichförmige Kühlung der Extrusionsmischung zu erreichen.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt aufweist: Bewegen von mindestens einem Teil der Extrusionsmischung durch einen Zirkulationskanal (90), der in mindestens einem Schraubengang (64) der Extrusionsschraube (60) definiert ist und eine asymmetrische Einlassfläche besitzt, um mindestens einige mit Abstand von der Umfangsoberfläche des Zylinders angeordnete Mengen der Extrusionsmischung zu der Umfangsoberfläche des Zylinders hin zu zirkulieren und ein Strömungsmuster der Extrusionsmischung durch den Zirkulationskanal zu unterbrechen, um dadurch eine im wesentlichen gleichförmige Kühlung der Extrusionsmischung zu erreichen.
  20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritte aufweist: Drehen der langgestreckten Extrusionsschraube (60), welche eine Umfangskante besitzt, die abgeschrägt ist, wobei ein hinterer Teil davon weg von einer Innenoberfläche des Zylinders geneigt bzw. abgewinkelt ist, in dem Zylinder, um die Extrusionsmischung zu einem Auslass des Zylinders zu drän gen, und zwar ohne eine wesentliche Erzeugung von Reibungs- bzw. Scherwärme; und Zirkulieren von mindestens einigen mit Abstand von der Umfangsoberfläche des Zylinders angeordneten Mengen der Extrusionsmischung zu der Umfangsoberfläche des Zylinders hin, um eine im wesentlichen gleichförmige Kühlung der Extrusionsmischung zu erreichen.
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