DE7226835U - Vorrichtung zur Verformung von Thermoplastrohstoffen - Google Patents

Description

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LUDWIG WITTROCK, 4370 Mari, Breddenkampstrasse 121

Vorrichtung zur Verformung von Thermoplast-Rohstoffen und ähnlichen 'lassen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verformung von Thermoplast-Rohstoffen und ähnlichen Massen über rotierende Mastifizierwerkzeuge, zum Beispiel Schnecken, Walzen oder dergleichen. Infrage kommen insbesondere Rohstoffe, die über Polymerisationsprozesse entstanden sind, zum Beispiel Polyvinylchlorid und Polyethylen und zur Weiterverarbeitung in pulveriger, griessicrer oder granulatartinor Form zur Verfügung stehen. Die Rohstoffe sollen auch bei höheren spezifischen Verarbeitungsmengen pro Zeit und Maschine zu hochwertigen Fertigartikeln bzw. Halbzeugen verarbeitet werden.

Die Erfindung bedient sich dabei'der bekannten Verfahren, den Rohstoff unter Druck und Wärme mittels rotierender Werkzeuge in Knetprozess zu plastifizieren und die plastische, fließfähige Masse so zu komprimieren, daß sie Formwerkzeuge durchfHessen bzw. füllen kann, abe- auch auf V.'GitcrverarbGitungsmasehinen, zum Beispiel Folienkalandern, verarbeitbar ist.

Die Erwürnunrr der Masse soll dabei vorrangig durch Reibungsarbeit über die Walz- und Knetv/erkzeuge erfolgen. Bei den bekannten Verfahren werden Walzwerke, Extruder oder dergleichen für diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Betrieb benutzt.

Bestrebungen, die bekannten Verfahren und die bekannten Vorrichtungen für ihre Durchführung so zu gestalten, daß man in der Lage war, durch größere spezifische Vearbeitungsmengen

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pro Zeit und Maschine den Kunststoffartikel zu verbilligen und den Kunststoff auch für grttßere Artikel wirtschaftlich interessant zu machen, werden dadurch gehemmt» daß die bekannten Verarbeitungsmaßnahmen nicht ausreichen, die physikalischen Verarbeitungsbedingungen für qualitativ einwandfreie Erzeugnisse zu erfüllen, sobald ein bestimmtes spezifisches Durchsatzvolumen in der benutzten Maschine erreicht ist. Das zur Zeit praktisch erreichbare spezifische Durchsatzvolumen weicht stark vom theoretisch erreichbaren ab.

An einer Beispiel soll der Stand der Technik erläutert werden:

Nach w.'irmetechnischen Gesetzen wird ein PVC-Pulverkorn von 0,1 mm p in ca. 0,3 sek. voll durchplastifiziert, wenn es allseitig einer Temperatur von 165° ausgesetzt wird. Daraus folgt, daß in 1 Stunde 3 6OO / 0-, 3 = 12 000 Itr PVC-Pulver pro Liter wirksamen Maschinenvolumens plastifiziert werden können, wenn jedes Pulverteilchen der zugemessenen Wärmeaufnahme ausgesetzt würde.

Wenn eine moderne Verarbeitungsmaschine, zum Beispiel ein Planetwalzenextruder, bei einem inneren Plastifizierungsgehäuse-Durchmesser von 200 mm bei einer Länge von ^jO mm einen verfügbaren Gesamtinnenraum von 16 Itr und abzüglich der Knetalemente (Sonnenwelle und Planetwalzen) noch einen wirksamen freien Raum von 4 Itr besitzt und eine Durchsatzmenge von 1 000 ltr/h bearbeitet, beträgt sein spezifisches Durchsatzvolumen bezogen auf den Gesamtinnenraum 1000/16 = 6 3 Itr/Itr-Maschine, bezogen auf den wirksamen Innenraum, 1000/4 = 250 ltr/ltr-Maschine.

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Der Plastifizier-Wirkungsgrad des Maschinenvolumens ist danr, bezogen auf den Gesamtinnenraum 0,4 % und bezogpn auf den wirksamen Innenraum 1,5%. (Der Wirkungsgrad der Maschine in Bezug auf Antriebs- und Plastifizierleistung liegt logischerweise entschieden höher und soll hier nicht betrachtet werden).

Der niedrige Volumenwirkungsgrad von der im Beispiel herangezogenen und anderen Maschinen ist erklärlich, 1.) durch die Schwierigkeit, größere Kunststoffmassen gleichmässig zu durchwärmen,

2.) durch Begrenzung der Flußgeschwindigkeiten der Masse in den Durchlaufkanälen der "vc-richtungen zur Vermeidung von unzulänglichen Erwärmungen der Masse durch Wandreibungsarbeit .

Die Maßnahme, die Kunststoffmassenvoluminas bei dünn gehaltenen Masseschichten wärmeaufnahmefähiger zu machen, erfordert enge Fließkanäle und hohe Plastifizier- und Förderdrücke. Zur Herabsetzung des Fließdruckes im Plastifizierteil zur Reduzierung der Wandreibungsarbeit sind Maßnahmen bekannt, die darin bestehen, daß die plastifizierte Masse eirem getrennt angetriebenen Kompressionsteil zugeführt wird, und in diesem bei vergrössertem Flußquerschnitt, also bei verminderter Flußgeschwindigkeit, erst auf den erforderlichen Verdüsungsdruck gebracht wird. Der spezifische Volumen-Plastifizierwirkungsgrad wird dabei jedoch nur massig verbessert. Auch angewandte starre oder veränderliche Drosselstellen (Spalt- bzw. Düsenverstellung) zur Einleitung eines günstigeren Massedruckes im Plastifizierteil haben keine wesentlichen Vorteile gebracht.

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Die Erfindung zoigt Wege, die eine überraschend hohe Verbesserung des spezifischen Volumen-Plastifiziergrades erkennen lassen. Ausgehend von dem an sich bekannten Verfahren, die zu verarbeitende Masse einem rotierenden Plastifizieraggregat zuzuführen, in diesem vorrangig unter Anwendung von Reibungswärme durch Mastifizieren zu plastifizieren und anschließend durch Kompressionselemente, zum Beispiel Schnecken oder dergleichen auf VeiJüsungsdruck zu bringen, wird die Masse erfindungsgemäß unter Einhaltung von festliegenden physikalischen Bedingungen und in Versuchsreihen ermittelten Grenzwerten im gesteuerten Dreizonen-Prinzip vom Rohstoff zum Strang bzw. Formteil verarbeitet, wobei die drei angelegten Zonen
1. Zuspeiseteil

2. Plasi-ifizievteil und
3. Kompressiousteil

jeweils für sich mit eigenen Regelantrieben ausgestattet sind, und so eingestellt werden können, daß der im Plastifizierteil herrschende Druck unabhängig vom jeweiligen Durchsatz ohne Querschnittsveränderungen auf einen günstigsten Wert eingestellt werden kann.

Der Zuspeiseteil und der Kompressionsteii sind so gestaltet und bemessen, daß bei maximalem Mengendurchsatz nur unerhebliche Reibungsverluste auftreten und keine wesentliche Veränderung der Masse-Konsistenz durch Wärmeeinfluß stattj findet. (Für den Transport und Druckaufbau von Kunststoff-·

j massen sind theoretisch 0,01 KW/kg Masse für 100 atü erfor

derlich, während der theoretische Durchschnittswert zum Durchplastifizierer. von Kunststofffmassen 0,1 KW/kg beträgt).

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Dei Plastifizierteil ist so gestaltet, daß er über Knetwerkzeuge auf kurzer Strecke den Hauptanteil der zugeführten Energie (O,09 KW/kg) zur Verfügung hat.

Da im Zuspeiseteil und im Kompressionsteil lediglich Transportvorgänge und ein Druckaufbau stattfinden, können die angewandten Förderquerschnitte beliebig groß, also für beliebig hohe Durchsatzmengen ausgelegt werden. Der Durchlaufquerschnitt des Plastifizierteils und seine wirksame Länge können so gewählt werden, daß die für die Antriebsmaschine gewählte Energiegrösse annähernd restlos für die Plastifizierleistung ausgenützt wird. Wie Versuche ergaben, kann ein Volumen-Plastifizierwirkungsgrad von fast gleicher Höhe des PlastifiZierwirkungsgrades,zum Beispiel 90 % erreicht werden.

Der erfindungsgemäß erreichbare hohe Plastifizierwirkungsgrad soll erst an untergeordneter Stelle in Bezug auf die Betriebskosten betrachtet \.erden. Wesentlich bedeutungsvoller ist es, daß die Stoffmediumbegrenzung der Durchsatzmenge bei qualitativ anspruchsvoller Produktion fortfällt. Im einzelnen benutzt die Erfindung an sich bekannte Maschinenelemente, die jedoch durch besondere Gestaltung die Verarbeitungsvorgänge ermöglichen.

Als Speiseeinrichtung und als Kompressionseinrichtung kann eine Formschnecken-,vorzugsweise Mehrfachschneckenpumpe, die erfindungsgemäß im Durchmesser, in der Gangsteigung und im Gangquerschnitt so groß bemessen ist, daß auch bei klei^ nen Durchmessern die maximal gewünschte Durchsatzmenge an Masse transportiert wird, ohne daß schädliche Reibungswärme in Fördermedium auftritt, angewandt werden. Der Antrieb der Speisepumpe ist drehzahlrgelbar.

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Der Plastifizierteil besteht aus einem Gehäuse, in dessen Innerem bekannte Knetelemente, zum Beispiel Planetenwalzen mit glatten oder verzahnten Oberflächen, Reibzylinder, Reibkonen, Reibscheiben, Nocken, Schnecken oder ar.dere Knetorgane als Rotor über einen drehzahlgeregelten Antrieb bewegt werden. Erfindungsgemäß ist der freie Durchflußquerschnitt zv/ischen Gehäusewand und Knetwerkzeugen so bemessen, daß die stattfindende über Drehzahl gesteuerte Plastifizierarbeit über die Knetelemente wesentlich grosser ist, als die unkontrollierbare Reibungsarbeit beim Fliessen der Masse durch das Plastifizieraggregat.

Die rotierenden Knetorgane sind so angeordnet, daß die ihnen zugeführte '¹asse vom Eingang bis zum Ausgang des Plastifizieraggrogates gleichmässig in Achsrichtung erfaßt, transnortiert und Plastifiziert wird, damit Herrlichst jedes Masseteilchen nit gleicher Verweilzeit den Plastifizierteil durchfließen kann. Vorzugsweise erfolgt die Zu- und Abfuhr der Masse in Achsrichtung des Rotors, wobei timlenkelemente bei Cueranordnung von Speise- oder Kompressionseinrichtung zur Achse des Motors, zum Beispiel Leitkßrper, Wendeln und dergleichen vorgesehen sind.

Zur Kontrolle der eingeleiteten Plastif.⁴ zierenergie, also zur Steuerungsmöglichkeit des Plastifiziervorganges, sind am Gehäuse des Aggregates oder in seinem Inneren eine oder mehrere Temperaturmeßste?.len angebracht. Die im Plastifizierteil auftretende Temperatur ist die Steuerbasis für die Durchführung bzw. Einregulierung des Verarbeitungsablaufes. Durch Abstimmung der Drehzahl der Zuspeiseeinrichtung zur Drehzahl der Kompressionseinrichtung kann - unabhängig von der jeweiligen Durchsatzmenge - in der Plastifizier2one ein

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bestimmter .Massedruck einreguliert werden, der über das vorliegende Differenzregelprinzip genau zu bemessen ist. Da die Gesamtdurchsatzmenge vom Eingang bis zum Ausgang der Vorrichtung logischerweise in den drei Tonen für einen jeweilig einregulierten Zustand gleich groß ist, ergibt sich in der Mittelzone, also im Piastifizierteil, ein höherer Druck bei höherer Fördereinstellung der Zuspeisepumpe, bzw. bei niedrigerer Einstellung der austragenden Kompressionspumpe. Durch entgegengesetzte Einstellung weist die Plastifizierzone umgekehrt eine Druckminderung auf.

Mit Hilfe von an den verwendeten Schneckenpumpen vorgesehenen, geringfügigen Ruckstromeffekten kann eine Feinsteinstellung ausgeführt werden.

Je nach Verarbeitungsmedium kann die Druckeinstellung entweder von der Zuspeiseeinrichtung aus oder von der Kompressionseinrichtung aus erfolgen. Ein zu hoher Druck im Plastifizieraggregat v/ird durch eine zu hohe Temperatur (zuviel Reibungswärme) und ein zu niedriger Druck durch eine zu niedrige Temperatur angezeigt (zu wenig Reibungswärme).

Der Vorteil dieser Regelmethode läßt es auch zu, daß auf bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen allgemein erforderliche Kühlmethoden zur Ableitung überschüssiger schädlicher Wärme verzichtet werden kann. Eine Temperiereinrichtung ist zwar auch an der erfindungsgemäßen Vorrichtung erforderlich 5 und vorgesehen. Die Temperierung von außen erfolgt jedoch lediglich dann, wenn die Vorrichtung vor dem Anfahren auf ßetriebstenporatur gebracht werden soll, bzw. dann, wenn eine kurzfristige Umstellung des Temperaturprogrammes erforderlich ist.

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Die Einregulierung von Plastifizierdruck bzw. Plastifiziertemperatur über die Drehzahlregulierung der verschiedenen Zonen kann von Hand aber auch über P.egelgeräte automatisch erfolgen.

Zur einwandfreien Funktion des Verarbeitungsa-laufes erfordern insbesondere die Speiseeinrichtung und die Kompressionseinrichtung Maßnahmen, die über den Stand der Technik der angewandten Schneckenpumpen, die erfindungernäß lediglich den Transnort und Druckaufbau von zugeführtem Rohstoff und abzuführender plastischer Masse bewerkstelligen sollen, hinausgehen. Vorzugsweise werden erfindungsgemäß Schraubenpumpen mit jeweils zwei gegenläufig rotierenden Schnecken, deren Antriebswellen zum Antriebsende hin zur Schaffung von Platz für ausreichend zu bemessende Antriebselemente divergierend angeordnet sind, verwendet, Die Schnecken besitzen im Hinblick darauf, daß sie lediglich als Transportpumpe wirken, nur soviele Cewindegänge, wie zum gegenseitigen absperrenden überschneiden der Gänge an der Füllstelle erforderlich sind. Die Schnecken sind daher sehr kurz und eine geringe Konizität ihrer Aussenstege ergibt bereits bei relativ kleiner» verdrehungsfester Wellenlänge reichlich Platz für die hoch beanspruchten Antriebselemente im Getriebe.

Die kurze Bauart und geringe Konizität der Schnecken läßt es auch zu, daß die Schneckengänge im Gegensatz zu bekannten konischen Schnecken mit divergierenden Achsen ohne Gangkompression ausgebildet v/erden können, das heißt, die Schnekkengänge können in Fcrderrichtung einen sich nicht verengenden VolumenquerscVinitt erhalten. Die Schnecken können ohne Schwierigkeit mit einem gleichbleibenden, vorzugsweise auch mit einem sich in Flußrichtung erweiternden Querschnitt hergestellt werden. Ein sich verengender Querschnitt würde den

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erfindunasqemäßen Verfahrensabschnitt, nilmlich das erforderliche reibuncrsarme Transportieren der Masse, stören.

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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung beschrieben :

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt Λ der Vorrichtung bzw. teilweisen Querschnitt aus Fig. 2.

Fig. 2 zeigt einen Teilquerschnitt B aus Fig. 1.

In Firr. 1 ist die Zuspeiseeinrichtung 1 als Schraubenpumpe mit zwei divergierend angeordneten, gegenläufig wirkenden Schnecken 2 und 3 - zur besseren übersieht um 90° auf der Mittelachse Λ versetzt - gezeichnet.

Im Plastifizierteil 5 der Vorrichtung ist als Symbol für Knetwerkzeuge der Rotationskörper 6 mit aufgesetzten Knetnocken 7 gezeichnet. Am Ausgang 8 des Plastifizierteils 5 ist der Kompressionsteil 9 im Querschnitt A aus Fig. 2 als Schraubenpumpe mit zwei gegenläufig wirkenden Schnecken 10 und 11 angeordnet. In Fig. 2, als Teilschnitt B aus Fig. 1, ist die Anordnung nochmals im Längsschnitt dargestellt. In Fig. 1 ist der durch Divergens der Schneckenachsen 2 und 3 vergrösserte Achsabstand 12 eingetragen. Diese gezeichnete Darstellung gilt auch für die ebenfalls divargierenden, nicht in der Zeichnungsebene liegenden Achsen der Schnecken 10 und 11 in Fig. 2. Die Schnecken 2, 3, 10 und 11 sind mit jeweils drei Gewindegilngen 13 gezeichnet. Die Gewindekerne 14 sind zur Schneckenspitze 15 hin im Durchmesser starker konisch verjüngt als die äußeren Gewindestege 16. Der Gewindegang-Querschnitt 17 besitzt dadurch eine sich in Flußrichtung nicht verkleinernde Abmessung. Vorzugsweise kann er sich vergrössernd ausgeführt werden.

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Die Pumpe 1 wird über das Regelgetriebe 18, die Pumpe 9 über das RegeIgetriebe 19 und der Rotor 6 über das Regelgetriebe 20 angetrieben. Der vergrösserte Achsabstand 12 zwischen den Schnecken 2 und 3 sowie 10 und 11 läßt den vergrösserten Raum für die Unterbringung der benötigten starken Getriebeelemte erkennen.

In Fig. 2 ist eine Verformurigsdüse 21 für die Extrudierung eines Hohlkörperstranges angedeutet. Die zu verarbeitende Rohstoffmasse wird dem Aufgabetrichter 22 zugeführt und von der Schraubenpumpe 1 durch den Raum 2 3 nach Umlenkung des Massestromes über die Schrägw?n:^: 2 4 und über die konische Stirnseite 25 des Rotors 6 in den Plastifizierteil 5 gepresst und dort plastifiziert. Die plastifizierte Masse wird dann vom Ausgang 8 des Plastifizierteils 5 der Schraubenpumpe 9 zugeleitet und von dieser durch die Verformungsdüse 21 gedrückt. Im Aufgabetrichter 22 können je nach Produktbeschaffenheit Vorverdichtungs- oder Auflockerungswerkziuge, zum Beispiel Rührarme, Nocken oder Schneckengänge 26 angebracht sein, die in manchen Fällen eine günstigere Aufnahme der Masse von der Zubringereinrichtung 1 bewirken können. Diese Werkzeuge können direkt auf den Achsen der Schnecken 2 und angebracht sein. Sie können aber auch einen eigenen Antriebsmechanismus besitzen. Am Plastifizierteil 5 ist eine Temperaturme ßs te He 27 markiert.

Die Anordnung der beschriebenen Zonen, Zuspeise-, Plastifizier- und Kompressionsteil zueinander kann auch anders getroffen werden: zum Beispiel können die einzelnen Zonen zusammen oder aufgeteilt auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sein. Zur Durchführung des Verfahrens kann es in manchen Fällen

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auch ausreichen, wenn nur eine oder zwei Zonen einen getrennt regelbaren Antrieb besitzen, um den Plastifizierdruck auf einen erforderlichen Wert zu bringen. Wesentlich ist, daß über verschiedene Drehzahlen zwischen den Plastifizierteil und einer oder mehreren vor- und nachgeschalteten Fördereinrichtungen eine Druckreaelung im Plastifizierteil ausgeführt werden kann.

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Claims (4)

ι * iiitr iVi*fT' Ι-1- ι -1I-Ii* · .-.μ.-.. ■ ■ - .·.»£■.. -. · PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÜLLER · D. GRO SS E 2217097329.01.1h.wer835.0G72 26 - A 1 - LUDWIG WITTROCK, Mari, Breddenkampstrasse 121 Ar. Sprüche:

1. vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens zur Verformung von Thermoplast-Rohstoffen und ähnlichen Massen über rotierende Mastifizierwerkzeuge, bei dem die zu verarbeitende Masse über eine regelbar angetriebene Fördereinrichtung einer Plastifiziereinrichtung, die vorzugsweise unter Ausnützung der KnetreibungswHrme wirkt, zugeführt und die plastifizierte Masse anschliessend von einer weiteren Fördereinrichtung so komprimiert wird, daß sie zu Strängen oder Formteilen verpresst

werden kann, bestehend aus einer getrennt regelbar angeordneten Zuspeiseeinrichtung, zu einem über vorwiegend über Reibungsarbeit wirkenden getrennt regelbar angeordneten Plastifizierteil mit nachfolgend vorgesehener, getrennt dazu regelbaren Kompressionseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseeinrichtung (1) und die Kompressionseinrichtung (9) aus Mehrfach-Schneckenpumpen bestehen.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenschnecken mit ihren Achsen (2) 3, 10, 11) ganz oder teilweise zum Antriebsende hin in an sich bekannter Weise divergierend angeordnet sind, jedoch trotz der dabei vorhandenen Schneckenkonizität <äinen in Flußrichtung sich nicht verengenden, vorzugsweise einen sich erweiternden Gangförderquerschnitt (17) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß im Plastifizierteil (5) ein an sich bekanntes Planetwalzenaggregat als Knetwerkzeug (6) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Plastifizierteil (5) eine Plastifizierdruck-Kontrolleinrichtung, beispielsweise in Form einer Temperatumeßsteile (27) angeordnet ist.

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