EP1343625A2 - Extrusionseinrichtung - Google Patents

Extrusionseinrichtung

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Publication number
EP1343625A2
EP1343625A2 EP01986911A EP01986911A EP1343625A2 EP 1343625 A2 EP1343625 A2 EP 1343625A2 EP 01986911 A EP01986911 A EP 01986911A EP 01986911 A EP01986911 A EP 01986911A EP 1343625 A2 EP1343625 A2 EP 1343625A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
screw
zone
extrusion device
thread
outlet opening
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01986911A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franck PÖHLER
Peter Stommel
Wilfried Schwarz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Original Assignee
Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik filed Critical Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Publication of EP1343625A2 publication Critical patent/EP1343625A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B7/00—Mixing; Kneading
    • B29B7/30—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices
    • B29B7/34—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices
    • B29B7/38—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices rotary
    • B29B7/40—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices rotary with single shaft
    • B29B7/42—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices rotary with single shaft with screw or helix
    • B29B7/425—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with movable mixing or kneading devices rotary with single shaft with screw or helix with screw surrounded by a casing provided with grooves or cavities
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/395—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/50—Details of extruders
    • B29C48/505—Screws
    • B29C48/56—Screws having grooves or cavities other than the thread or the channel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C48/68—Barrels or cylinders
    • B29C48/685—Barrels or cylinders characterised by their inner surfaces, e.g. having grooves, projections or threads
    • B29C48/686—Barrels or cylinders characterised by their inner surfaces, e.g. having grooves, projections or threads having grooves or cavities
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/03—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor characterised by the shape of the extruded material at extrusion

Definitions

  • the invention relates to an extrusion device for the extrusion of thermoplastic materials, comprising a screw cylinder with an inlet and outlet opening and a screw which is arranged in the screw cylinder and can be driven in rotation and has an external screw thread.
  • extrusion devices which are generally also referred to as single-screw extruders, are widely known, for which reference is made to DE 35 04 773 A1 by way of example only.
  • the screw cylinder and the screw are each correspondingly divided into different zones, starting from the entry opening initially forming a feed zone communicating with the screw cylinder and the screw, in which the screw is optionally available with a constant or variable flight depth External screw thread and the screw barrel are formed with a smooth or grooved inner wall.
  • the thermoplastic to be processed is offered through the inlet opening and the feed zone of the screw cylinder to the feed zone of the screw and the material taken up in the screw feed zone is made possible by high friction between plastic and screw barrel and the smallest possible friction between plastic and screw axially transported in a conveying direction pointing from the inlet opening towards the outlet opening.
  • the screw cylinder and the screw then have a plasticizing zone in which the plastic material introduced in the feed zone is melted into its plastic state and then transported in the direction of the outlet opening via an ejection zone and from there to one Downstream extruder tool is fed.
  • Thermoplastic plastics as granules or powders, have a bulk density that is 40 to 50% lower than the solid, processed state.
  • the feed zone conveys the material with increased passage volume against the resistance of the following zones and displaces the air between the granules or powder grains.
  • the melting process can already begin in the feed zone and is completed in the plasticizing zone or is effected exclusively in the plasticizing zone of the extrusion device. The majority of the energy required for plasticization is supplied by shearing the melt, i. H. through sales of drive energy.
  • the invention has therefore set itself the task of showing an extruder of shortened design, which at the same time has a throughput and a performance that is comparable with the previously known extrusion devices of the aforementioned conventional design or even exceeds them.
  • This object is achieved according to the invention by forming an extrusion device according to the features of claim 1.
  • the invention proposes an extrusion device with a conventional feed zone, which is followed by a plasticizing zone, which has the following features:
  • the screw cylinder is formed with an internal thread which is introduced into the inner wall and runs counter to the external screw thread
  • the thread depth of the internal thread correspondingly decreases in the direction of the outlet opening.
  • the feed zone has a screw with a constant or variable thread depth of the external screw thread and a screw cylinder with a smooth or grooved inner wall, which ensures a high conveying capacity of the granular or powdered plastic is responsible from the inlet opening into the extrusion device.
  • the plasticization of the plastic material can begin in this feed zone.
  • a plasticizing zone is then added to the feed zone, in which a high shear stress on the plastic material conveyed through the feed zone is achieved on the one hand by the external screw threads running counter to one another and on the other hand by the internal thread introduced into the inner wall of the screw cylinder.
  • the increase in the flight depth of the screw or the corresponding decrease in the flight depth of the internal thread of the screw cylinder causes a thorough mixing of the plastic material being conveyed.
  • the above-described increase or decrease in the flight depths of the worm or worm cylinder can, for example, take place continuously.
  • This shear stress within the plasticizing zone of the plasticizing device according to the invention is so strong that the total length of the extrusion device required to completely melt the conveyed thermoplastic material and homogenize the melt can be considerably shortened compared to an extrusion device of conventional design.
  • the feed zone can have a length of 1 to 15 D, based on the diameter D of the screw, and the length of the shear sections can be only about 1 to 5 D.
  • thermoplastic plastic melt is also thoroughly mixed, further screws and screw cylinder zones arranged entirely downstream of the plasticizing zone can optionally be dispensed with and the outlet opening from the extrusion device according to the invention can already be omitted be arranged immediately behind the plasticizing zone, which ensures a very short design of the extrusion device.
  • the extrusion device of the plasticizing zone in the direction of the outlet opening subsequently also comprises an ejection zone in which the screw cylinder has a smooth inner wall in a manner known per se and this ejection zone has a length of up to 15 D.
  • the molten plastic mass is homogenized and processed in this ejection zone, possibly with pressure increase, in order to then feed it to a downstream tool.
  • the screw in the discharge zone can be designed with a shear and / or mixing part or without such parts.
  • the flight depth of the screw is varied between 10 to 90% of the total flight depth within the shear section.
  • the total flight depth formed from the sum of the flight depth of the external screw thread and the internal screw cylinder thread remains constant over the entire shear section or is varied.
  • the external screw thread and the internal thread in the area of the shear section can advantageously be designed with multiple threads with different numbers of threads, which likewise increases the shearing and mixing action of the shear section.
  • a variation in the number of gears and the pitch of the screw and cylinder threads can also be provided in the shear section, in particular different gears and / or pitches can be provided when viewed over the length of the shear section.
  • the feed zone can also be equipped, if necessary, with different pitch inclinations in order to act here to increase performance and to ensure good throughput through the shear section within the plasticizing zone of the extrusion device according to the invention.
  • the extrusion device according to the invention as a so called high-velocity type, so that the screw at speeds of up to 1000 min "1 is rotatably driven in the worm cylinder.
  • a high shearing energy is on the one hand provided, but on the other hand, in a compact design and an extremely powerful extrusion means for Provided.
  • a preferred design of the extrusion device according to the invention which can be adapted to different production tasks, furthermore provides that the screw cylinder and the screw are subdivided into module sections which form the feed zone, the plasticizing zone with shear section and optionally the ejection zone, and can be joined together from these.
  • FIG. 1 shows a partial enlargement of the shear section of the plasticizing zone of an extrusion device according to the invention
  • Figure 2 is an illustration of a conventional extrusion device according to the prior art.
  • FIG. 2 A conventional or conventional design of a single-screw extruder according to the prior art is shown schematically in FIG. 2. It comprises a screw cylinder 1, which is only indicated and within which a screw 2 with an external screw thread 20 is mounted so as to be rotatable about its own axis by means of a drive (not shown in more detail).
  • the screw cylinder 1 has an inlet opening 11 at one end and an outlet opening 12 at its other end.
  • Both the screw cylinder 1 and the screw 2 are functionally divided into different zones, which are designated E, P and A in FIG. 2.
  • E denotes the feed zone
  • P the adjoining plasticizing zone
  • A the ejection zone A adjoining it in each case both of screw 2 and screw cylinder 1.
  • thermoplastic to be extruded is filled into the extrusion device via the inlet opening 11 in granular or powder form and enters the feed area E of screw 2 and screw cylinder 1.
  • the granular or powdered plastic is conveyed as a result of the rotation of the screw 2 in a conveying direction F in the direction of the outlet opening 12 and is thereby continuously compacted, so that this originally granular or powdered plastic is gradually plasticized and sheared by shear and friction and by external heat supply is melted.
  • the gradually plasticized plastic is fed out of the feed zone E to the plasticizing zone P, in which the core 21 of the screw 2 has a gradually increasing diameter, so that the remaining one
  • the depth of flight between the screw core 21 and the inner wall 10 of the screw cylinder 1 is reduced and the thermoplastic is completely plasticized and melted by further increasing the pressure and the shear energy.
  • thermoplastic mass reaches the discharge zone A, in which it is homogenized, processed and, if necessary, fed to the discharge opening 12, from where it is fed to a downstream tool, not shown here.
  • the screw cylinder 1 has a smooth inner wall 10.
  • An exception to this can only exist in the area of the feed zone E if it is an extrusion device with a so-called grooved feed zone, in which the inner wall 10 of the screw cylinder 1 is formed in the area of the feed zone E with grooves pointing in the conveying direction F, which increase the Conveying capacity caused by the formation of solid wedges in the plastic material.
  • An extrusion device designed in this way usually has a screw diameter D between 25 and 250 mm with a total screw length over all zones of approximately 20 to 33 D.
  • FIG. 1 An extrusion device according to the invention is shown in detail in FIG. 1.
  • this has a feed zone E which is constructed almost identically in the manner explained above and differs from one another therefore does not differ from the state of the art or makes only an insignificant difference and need not be shown or explained again here.
  • Deviations from that of the prior art extrusion device according to FIG. 2 arise within the plasticizing zone P, which is shown in FIG. 1 as a detail of the entire extrusion device and directly adjoins the feed zone E according to FIG. 2.
  • the plasticizing zone P comprises a shear section S of the screw cylinder 1 and the screw 2, in which, viewed in the conveying direction F in the direction of the discharge opening 1 2, the screw 2 has a continuously increasing flight depth G2. This is achieved in that the individual webs forming the external screw thread 20, viewed in the direction of conveyance F, continuously increase in diameter and protrude beyond the constant cylindrical screw core 21 to an ever increasing extent.
  • the screw cylinder 1 is not provided with a smooth inner wall, as is the case in the prior art, but instead has an internal thread 1 introduced into the inner wall 10 00, whose flight depth G1, viewed in the conveying direction F, is designed to decrease corresponding to the increase in the flight depth G2 of the screw 2.
  • the individual thread webs 101 which define the internal thread, viewed in the conveying direction F are designed with a continuously decreasing flank height which defines the thread depth G1.
  • the flight depth G2 of the screw 2 is varied from 10 to 90% of the total flight depth G1 + G2, ie the sum of the individual flight depths G1 and G2.
  • both threads 20 are designed in opposite directions.
  • the worm thread 20 is designed to be right-handed
  • the internal thread 100 of the worm cylinder 1 is designed to be left-handed, although the exactly opposite variant is of course also possible.
  • the total aisle depth, i.e. H. the sum of the individual aisle depths G1 + G2 can be made constant or can be increased or decreased in the conveying direction F. In this way it is both possible to keep the shear gap SP between the webs of the external screw thread 20 and the thread webs 101 constant over the length of the shear section S or to vary this shear gap SP.
  • the desired high throughput is simultaneously ensured by the feed zone E upstream of the plasticizing zone P, the large one Conveyed quantities of raw material under pressure increase and pressed into the plasticizing zone. A partial plasticization of the plastic can already take place here.
  • the entire plasticizing zone P can either consist exclusively of a shear section S or can be supplemented by small further screw flights within a cylinder with a smooth inner wall either before or after the shear section S. If necessary, an ejection zone A still following the plasticizing zone P can be dispensed with entirely, and the outlet opening 12 can directly adjoin the plasticizing zone P.
  • an ejection zone A can also be provided downstream of the plasticizing zone P in the direction of the outlet opening 12, in which the screw cylinder has a smooth inner wall and the screw is designed with a constant or variable flight depth with and without a shear and / or mixing part can be to homogenize the melt even further.
  • the extrusion device according to the invention is equally suitable for processing a wide variety of thermoplastics, in particular for processing polyolefins, such as polyethylene and polypropylene and for processing polyamide and polyester (PET, PBT), to which additives, fillers and the like are known in a manner known per se can be added.
  • polyolefins such as polyethylene and polypropylene
  • PET, PBT polyamide and polyester
  • the processed plastics can either be extruded in a compact form or, if necessary, a blowing agent can also be added to them in order to cause the thermoplastic to foam up after it has left the outlet opening 12.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Extrusionseinrichtung zur Extrusion thermoplastischer Kunststoffe, enthaltend einen Schneckenzylinder (1) mit Eintritts- (11) und Austrittsöffnung (12) und eine im Schneckenzylinder (1) angeordnete und rotierend antreibbare Schnecke (2) mit Schneckenaußengewinde (20), wobei der Schneckenzylinder (1) und die Schnecke (2) jeweils korrespondierend eine mit der Eintrittsöffnung (11) kommunizierende Einzugszone (E), in der die Schnecke (2) mit konstanter oder variabler Gangtiefe des Schneckenaußengewindes (20) und der Schneckenzylinder (1) mit einer glatten (10) oder genuteten (100) Innenwandung ausgebildet sind und an die Einzugszone (E) in Richtung auf die Austrittsöffnung (12) anschließend eine Plastifizierzone (P) aufweisen, wobei die Plastifizierzone (P) einen Scherabschnitt (S) umfaßt, in welchem der Schneckenzylinder (1) mit einem in die Innenwandung eingebrachten und gegenläufig zum Schneckenaußengewinde (20) verlaufenden Innengewinde (101) ausgebildet ist, die Gangtiefe (G2) der Schnecke (2) in Richtung auf die Austrittsöffnung (12) zunimmt und die Gangtiefe (G1) des Innengewindes (101) des Schneckenzylinders (1) hierzu korrespondierend in Richtung auf die Austrittsöffnung (12) abnimmt.

Description

Extrusionseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Extrusionseinrichtung zur Extrusion thermoplastischer Kunststoffe, enthaltend einen Schneckenzylinder mit Eintritts- und Austrittsöffnung und eine im Schneckenzylinder angeordnete und rotierend antreibbare Schnecke mit einem Schneckenaußengewinde.
Derartige, im allgemeinen auch als Einschneckenextruder bezeichnete Extrusionseinrichtungen sind vielfältig bekannt, wozu lediglich beispielhaft auf die DE 35 04 773 A1 verwiesen wird.
Bei einer üblichen Bauform einer derartigen Extrusionseinrichtung sind der Schneckenzylinder und die Schnecke jeweils korrespondierend in verschiedene Zonen unterteilt, wobei ausgehend von der Eintrittsöffnung zunächst eine mit dieser kommunizierende Einzugszone im Schneckenzylinder und der Schnecke gebildet ist, in der die Schnecke wahlweise mit konstanter oder variabler Gangtiefe des Schneckenaußengewindes und der Schneckenzylinder mit einer glatten oder genuteten Innenwandung ausgebildet sind. Der zu verarbeitende thermoplastische Kunststoff wird über die Eintrittsöffnung und die Einzugszone des Schneckenzylinders der Einzugszone der Schnecke angeboten und das in der Schneckeneinzugszone aufgenommene Material wird durch möglichst hohe Reibung zwischen Kunststoff und Schneckenzylinder und kleinstmöglicher Reibung zwischen Kunststoff und Schnecke axial in einer von der Eintrittsöffnung in Richtung auf die Austrittsöffnung weisenden Förderrichtung transportiert.
An die Einzugszone in Richtung auf die Austrittsöffnung anschließend weisen sodann der Schneckenzylinder und die Schnecke eine Plastifizierzone auf, in der das in der Einzugszone herangeführte Kunststoffmaterial in seinen plastischen Zustand aufgeschmolzen wird und nachfolgend in Richtung auf die Austrittsöffnung über eine Ausstoßzone transportiert und von dort einem dem Extruder nachgeordneten Werkzeug zugeführt wird.
Thermoplastische Kunststoffe haben als Granulate oder Pulver eine Schüttdichte, die gegenüber dem massiven verarbeiteten Zustand um 40 bis 50 % niedriger ist. Die Einzugszone fördert mit vergrößertem GangvoJumen das Material gegen den Widerstand der nachfolgenden Zonen und verdrängt die zwischen den Granulaten oder Pulverkörnern befindliche Luft. Der Aufschmelzvorgang kann hierbei je nach Ausgestaltung der Schnecke bereits in der Einzugszone beginnen und wird in der Plastifizierzone vollendet oder wird ausschließlich in der Plastifizierzone der Extrusionseinrichtung bewirkt. Der Hauptanteil der zur Plastifizierung erforderlichen Energie wird hierbei durch Scherung der Schmelze zugeführt, d. h. durch Umsatz von Antriebsenergie.
Nachteil bei dieser an sich bewährten Bauform von Extrusionseinrichtungen, die nachfolgend auch als konventionelle Extrusionseinrichtung bezeichnet wird, ist es, daß diese auf Schnecken mit einem relativ großen Längen- zu Durchmesserverhältnis angewiesen ist, was einerseits hinsichtlich Herstellungs- und Betriebskosten ungünstig ist und zum anderen auch einen ungünstigen Wirkungsgrad mit sich bringt. Aus der DE 44 00 330 A1 ist ein Extruder bekannt, der für das Plastifizieren und Aufschäumen von stärkehaltigen Kleie- und Grießausgangsstoffen ausgebildet ist. Dieser bekannte Extruder bedient sich zweier gegenläufiger Gewinde, die einerseits in der Schnecke und andererseits im Schnecken- zylinder angeordnet sind und für eine starke Scherbeanspruchung der aufgegebenen und durch diese Extrusionseinrichtung geförderten körnigen Stoffe verantwortlich sind. Durch den in diesem Extruder bewirkten starken Druck werden die aufgegebenen Stoffe stark zusammengepreßt und erwärmen sich durch die erfolgende Belastung sehr stark, wobei ein energetischer Wirkungsgrad von nahezu 90 % erreicht wird. Die Schnecke und der Schneckenzylinder erweitern sich zum Ausgang hin und gewähren dem plastifizierten und verflüssigten stärkehaltigen Material zunehmend Raum zum Aufschäumen mittels der im Material enthaltenen Feuchtigkeit, die zur Verdampfung kommt.
Bei Voruntersuchungen, die zur Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung führten, hat sich gezeigt, daß ein Extruder ähnlich dem der DE 44 00 330 A1 , d. h. mit gegenläufigem Gewinde auf der Schnecke und im Schneckenzylinder im Prinzip auch zum Plastifizieren von thermo- plastischem Kunststoffmaterial geeignet ist, wobei dieser Extruder jedoch aufgrund der geringen Eintrittsquerschnitte für das aufzuschmelzende und zu plastifizierende thermoplastische Kunststoffmaterial zwar über eine wünschenswerte äußerst kurze Bauform verfügt, die Leistungsfähigkeit und insbesondere Durchsatzleistung eines solchermaßen ausgebildeten Extruders aber nicht zufriedenstellend ist.
Die Erfindung hat sich von daher die Aufgabe gestellt, einen Extruder verkürzter Bauform aufzuzeigen, der gleichzeitig über eine Durchsatzleistung und ein Leistungsvermögen verfügt, welches mit den bisher bekannten Extrusionseinrichtungen der eingangs erwähnten konventionellen Bauart vergleichbar ist oder diese sogar übersteigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Ausbildung einer Extrusionseinrichtung gemäß den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung eine Extrusionseinrichtung mit einer üblichen Einzugszone vor, an die sich eine Plastifizierzone anschließt, die die folgenden Merkmale aufweist:
1 . der Schneckenzylinder ist mit einem in die Innenwandung eingebrachten und gegenläufig zum Schneckenaußengewinde verlaufenden Innengewinde ausgebildet,
2. die Gangtiefe der Schnecke nimmt in Richtung auf die Austrittsöffnung zu,
3. die Gangtiefe des Innengewindes nimmt hierzu korrespondierend in Richtung der Austrittsöffnung ab.
Bei der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung wird demzufolge von einer bekannten Extrusionseinrichtung der konventionellen Bauart ausgegangen, bei der die Einzugszone eine Schnecke mit konstanter oder variabler Gangtiefe des Schneckenaußengewindes sowie einen Schneckenzylinder mit glatter oder genuteter Innenwandung aufweist, die für eine hohe Förderleistung des aufgegebenen granulat- oder pulverförmigen Kunststoffes aus der Eintrittsöffnung in die Extrusionseinrichtung verantwortlich ist. Gegebenenfalls kann in dieser Einzugszone auch bereits das Plastifizieren des aufgegebenen Kunststoffmaterials beginnen. An die Einzugszone anschließend wird sodann eine Plastifizierzone angefügt, bei der eine hohe Scherbeanspruchung des durch die Einzugszone geförderten Kunststoffmaterials durch die gegenläufig zueinander verlaufenden Schneckenaußengewinde einerseits und in die Innenwandung des Schneckenzylinders eingebrachten Innengewinde andererseits erzielt wird. Überdies wird durch die Zunahme der Gangtiefe der Schnecke bzw. hierzu korrespondierende Abnahme der Gangtiefe des Innengewindes des Schneckenzylinders eine starke Durchmischung des geförderten Kunststoffmaterials bewirkt.
Die vorangehend beschriebene Zu- bzw. Abnahme der Gangtiefen von Schnecke bzw. Schneckenzylinder kann beispielsweise kontinuierlich erfolgen.
Diese Scherbeanspruchung innerhalb der Plastifizierzone der erfindungsgemäßen Plastifiziereinrichtung ist so stark, daß die zum vollständigen Aufschmelzen des geförderten thermoplastischen Kunststoffes und Homogenisieren der Schmelze erforderliche Gesamtlänge der Extrusionseinrichtung gegenüber einer Extrusionseinrichtung konventioneller Bauart erheblich verkürzt werden kann.
So kann je nach Art des zu verarbeitenden Kunststoffes und gewünschter Leistung der Extrusionseinrichtung die Einzugszone bezogen auf den Durchmesser D der Schnecke eine Länge von 1 bis 1 5 D aufweisen und der Scherabschnitte eine Länge von lediglich etwa 1 bis 5 D aufweisen.
Da neben der starken Scherbeanspruchung in der erfindungsgemäß ausgestalteten Plastifizierzone der Extrusionseinrichtung auch eine starke Durchmischung der thermoplastischen Kunststoffschmelze bewirkt wird, kann gegebenenfalls gänzlich auf der Plastifizierzone nachgeordnete weitere Schnecken und Schneckenzylinderzonen verzichtet werden und die Austrittsöffnung aus der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung bereits unmittelbar hinter der Plastifizierzone angeordnet werden, wodurch eine sehr kurze Bauform der Extrusionseinrichtung sichergestellt ist.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die Extrusionseinrichtung der Plastifizierzone in Richtung auf die Austrittsöffnung nachfolgend noch eine Ausstoßzone umfaßt, in welcher der Schneckenzylinder in an sich bekannter Weise eine glatte Innenwandung aufweist und diese Ausstoßzone eine Länge von bis zu 15 D aufweist. In dieser Ausstoßzone erfolgt eine Homogenisierung und Aufbereitung der aufgeschmolzenen Kunststoff- masse, gegebenenfalls unter Druckerhöhung, um diese dann einem nachgeordneten Werkzeug zuzuführen.
Je nach Ausführungsform und Art des geförderten Rohstoffes kann die Schnecke in der Ausstoßzone mit einem Scher- und/oder Mischteil oder auch ohne solche Teile ausgeführt sein.
Um eine gute Durchmischung des aufgeschmolzenen thermoplastischen Kunststoffes und eine hohe Scherwirkung innerhalb des Scherabschnittes zu erzielen, wird die Gangtiefe der Schnecke zwischen 10 bis 90 % der Gesamtgangtiefe innerhalb des Scherabschnittes variiert.
Je nach Ausführungsform der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung bleibt die aus der Summe der Gangtiefe von Schneckenaußengewinde und Schneckenzylinderinnengewinde gebildete Gesamtgangtiefe über den gesamten Scherabschnitt konstant oder wird variiert.
Vorteilhaft können das Schneckenaußengewinde und das Innengewinde im Bereich des Scherabschnittes mehrgängig mit voneinander verschiedenen Gangzahlen ausgebildet sein, was ebenfalls die Scher- und Mischwirkung des Scherabschnittes steigert. Eine Variation der Gangzahlen und der Steigung der Schnecken- und Zylindergewinde kann auch im Scherabschnitt vorgesehen sein, insbesondere können über die Länge des Scherabschnittes betrachtet unterschiedliche Gangzahlen und/oder Steigungen vorgesehen werden.
Auch die Einzugszone kann gegebenenfalls mit unterschiedlichen Gangsteigungen ausgerüstet sein, um hier leistungssteigernd einzuwirken und einen guten Durchsatz durch den Scherabschnitt innerhalb der Plastifizierzone der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung zu gewährleisten.
Vorteilhaft ist die Extrusionseinrichtung gemäß der Erfindung als sogenannter Schnelläufertyp ausgebildet, so daß die Schnecke mit Drehzahlen von bis zu 1000 min"1 im Schneckenzylinder drehbar antreibbar ist. Hierdurch wird einerseits einen hohe Scherenergie bereitgestellt, andererseits aber bei kompakter Bauform auch einen außerordentlich leistungsfähige Extrusionseinrichtung zur Verfügung gestellt.
Eine bevorzugte und an unterschiedliche Produktionsaufgaben anpaßbare Bauform der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung sieht ferner vor, daß der Schneckenzylinder und die Schnecke in Modulabschnitte, die die Einzugszone, die Plastifizierzone mit Scherabschnitt und gegebenenfalls die Ausstoßzone ausbilden, unterteilt und aus diesen zusammenfügbar ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung, in der
Figur 1 die ausschnittsweise eine Vergrößerung des Scherabschnittes der Plastifizierzone einer Extrusionseinrichtung gemäß der Erfindung darstellt, und Figur 2 eine Darstellung einer konventionellen Extrusionseinrichtung gemäß Stand der Technik ist.
Eine übliche bzw. konventionelle Bauform eines Einschneckenextruders gemäß Stand der Technik ist schematisch in der Figur 2 dargestellt. Sie umfaßt einen Schneckenzylinder 1 , der lediglich angedeutet ist und innerhalb dessen eine Schnecke 2 mit einem Schneckenaußengewinde 20 um ihre eigene Achse rotierend mittels eines nicht näher dargestellten Antriebes antreibbar gelagert ist. Der Schneckenzylinder 1 weist an seinem einen Ende eine Eintrittsöffnung 1 1 und an seinem anderen Ende eine Austrittsöffnung 12 auf.
Sowohl der Schneckenzylinder 1 als auch die Schnecke 2 sind funktional in unterschiedliche Zonen unterteilt, die mit E, P und A in Figur 2 bezeichnet sind. Hierbei bezeichnet E die Einzugszone, P die daran anschließende Plastifizierzone P und A die wiederum daran anschließende Ausstoßzone A jeweils sowohl von Schnecke 2 als auch Schneckenzylinder 1 .
Beim Betrieb der in der Figur 2 dargestellten Extrusionseinrichtung wird ein zu extrudierender thermoplastischer Kunststoff über die Eintrittsöffnung 1 1 in granulat- oder pulverförmiger Form in die Extrusionseinrichtung eingefüllt und gelangt in den Einzugsbereich E von Schnecke 2 und Schneckenzylinder 1. Durch das Außengewinde 20 der Schnecke 2 wird der granulat- oder pulverförmige Kunststoff infolge der Rotation der Schnecke 2 in einer Förderrichtung F in Richtung auf die Austrittsöffnung 12 gefördert und hierbei stetig verdichtet, so daß durch die Scherung und Reibung sowie durch äußere Wärmezufuhr dieser ursprünglich granulat- oder pulverförmige Kunststoff allmählich plastifiziert und aufgeschmolzen wird.
Ausgangs der Einzugszone E wird der allmählich plastifizierte Kunststoff der Plastifizierzone P zugeführt, in welcher der Kern 21 der Schnecke 2 einen allmählich ansteigenden Durchmesser aufweist, so daß die verbleibende Gangtiefe zwischen Schneckenkern 21 und der Innenwandung 10 des Schneckenzylinders 1 sich verringert und durch weitere Erhöhung des Druckes und der Scherenergie der thermoplastische Kunststoff vollständig plastifiziert und aufgeschmolzen wird.
Nachfolgend gelangt diese thermoplastische Masse in die Ausstoßzone A, in der sie homogenisiert, aufbereitet und gegebenenfalls unter Druckerhöhung der Ausstoßöffnung 1 2 zugeführt wird, von wo sie einem nachgeordneten Werkzeug, hier nicht dargestellt, zugeführt wird.
Wesentlich für eine solche konventionelle Extruderbauform gemäß Figur 2 ist es, daß über den gesamten Verlauf, d. h. durchgängig über alle Zonen E, P, A der Schneckenzylinder 1 über eine glatte Innenwandung 10 verfügt. Eine Ausnahme hiervon kann lediglich im Bereich der Einzugszone E vorliegen, wenn es sich um eine Extrusionseinrichtung mit sogenannter genuteter Einzugszone handelt, bei der die Innenwandung 10 des Schneckenzylinders 1 im Bereich der Einzugszone E mit in Förderrichtung F weisenden Nuten ausgebildet ist, die eine Erhöhung der Förderleistung durch Bildung förderwirksamer Feststoffkeile im zugeführten Kunststoff- material bewirkt.
Eine solchermaßen ausgebildete Extrusionseinrichtung hat üblicherweise einen Schneckendurchmesser D zwischen 25 und 250 mm bei einer Gesamtschneckenlänge über alle Zonen von etwa 20 bis 33 D.
Eine erfindungsgemäße Extrusionseinrichtung ist ausschnittsweise in der Figur 1 dargestellt.
Diese verfügt ebenso wie die in der Figur 2 dargestellte Extrusions- einrichtung gemäß Stand der Technik über eine Einzugszone E, die nahezu identisch in der vorangehend erläuterten Weise aufgebaut ist und sich von daher vom Stand der Technik nicht oder nur unwesentlich unterscheidet und hier nicht nochmals dargestellt oder erläutert zu werden braucht.
Abweichungen gegenüber dem der Extrusionseinrichtung nach Stand der Technik gemäß Figur 2 ergeben sich innerhalb der Plastifizierzone P, die in der Figur 1 als Ausschnittsdarstellung der gesamten Extrusionseinrichtung dargestellt ist und sich unmittelbar an die Einzugszone E gemäß Figur 2 anschließt.
Wie aus der Figur 1 ersichtlich, umfaßt die Plastifizierzone P einen Scherabschnitt S des Schneckenzylinders 1 und der Schnecke 2, in welchem in Förderrichtung F in Richtung auf die Ausstoßöffnung 1 2 gesehen, die Schnecke 2 eine kontinuierlich ansteigende Gangtiefe G2 aufweist. Dies wird dadurch erreicht, daß die einzelnen, das Schneckenaußengewinde 20 bildenden Stege in Förderrichtung F betrachtet kontinuierlich an Durchmesser zunehmen und über den konstant zylindrisch verbleibenden Schneckenkern 21 in immer größer werdendem Maß vorstehen.
In diesem Bereich des Scherabschnittes S, in welchem die Schnecke 2 eine ansteigende Gangtiefe G2 aufweist, ist der Schneckenzylinder 1 nicht mit einer glatten Innenwandung versehen, wie es beim Stand der Technik der Fall ist, sondern weist ein in die Innenwandung 1 0 eingebrachtes Innengewinde 1 00 auf, dessen Gangtiefe G1 in Förderrichtung F betrachtet korrespondierend zur Erhöhung der Gangtiefe G2 der Schnecke 2 abnehmend ausgebildet ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die einzelnen, das Innengewinde definierenden Gewindestege 101 in Förderrichtung F betrachtet mit einer stetig abnehmenden Flankenhöhe, die die Gangtiefe G1 definiert, ausgebildet sind. Die Gangtiefe G2 der Schnecke 2 wird im vorliegenden Beispiel von 10 bis 90 % der Gesamtgangtiefe G1 + G2, d. h. der Summe aus den Einzelgangtiefen G1 und G2 variiert.
Ferner ist als wesentliches Merkmal der beiden Gewinde, d. h. Schneckenaußengewinde 20 der Schnecke 2 und Innengewinde 100 des Schneckenzylinders 1 vorgesehen, daß beide Gewinde 20, 100 gegenläufig ausgebildet sind. Während also beispielsweise das Schneckengewinde 20 rechtsgängig ausgebildet ist, ist das Innengewinde 100 des Schneckenzylinders 1 linksgängig ausgebildet, wobei selbstverständlich auch die genau umgekehrte Variante möglich ist.
Die Gesamtgangtiefe, d. h. die Summe der einzelnen Gangtiefen G1 + G2 kann konstant ausgeführt sein oder aber in Förderrichtung F vergrößert oder verkleinert werden. Auf diese Weise ist es sowohl möglich, den Scherspalt SP zwischen den Stegen des Schneckenaußengewindes 20 und den Gewindestegen 101 konstant über die Länge des Scherabschnittes S zu halten oder diesen Scherspalt SP zu variieren.
Durch diese konstruktiven Maßnahmen - Gegenläufigkeit der Gewinde sowie in Förderrichtung zunehmende Gangtiefe des Schneckenaußengewindes und in Förderrichtung korrespondierend abnehmender Gangtiefe des Innengewindes des Schneckenzylinders - wird im Bereich des Scherabschnittes S der Plastifizierzone P der Extrusionseinrichtung gemäß Figur 1 eine außerordentlich intensive Durchmischung und hohe Scherwirkung auf das über die Einzugszone E herangeführte Kunststoffmaterial ausgeübt, die zu einer intensiven und raschen Aufschmelzung und Plastifizierung dieses Kunststoffmaterials führen, welches gleichzeitig auch intensiv durchgemischt und homogenisiert wird.
Die gewünschte hohe Durchsatzleistung wird gleichzeitig durch die der Plastifizierzone P vorgeschaltete Einzugszone E gewährleistet, die große Mengen an Rohmaterial unter Druckerhöhung herausfördert und in die Plastifizierzone hineinpreßt. Hierbei kann bereits eine Teilplastifizierung des Kunststoffes erfolgen.
Dies hat zur Folge, daß die gesamte Plastifizierzone P je nach Anwendungsfall entweder ausschließlich aus einem Scherabschnitt S bestehen kann oder aber noch durch geringe weitere Schneckengänge innerhalb eines Zylinders mit glatter Innenwandung entweder vor oder nach dem Scherabschnitt S ergänzt werden können. Gegebenenfalls kann auf eine der Plastifizierzone P noch nachfolgende Ausstoßzone A gänzlich verzichtet werden und die Austrittsöffnung 12 kann unmittelbar an die Plastifizierzone P anschließen.
Auf diese Weise wird eine außerordentlich kurz bauende Extrusions- einrichtung geschaffen, die aufgrund der hohen Scherwirkung in der Plastifizierzone P eine intensive Aufschmelzung des Kunststoffmaterials bewirkt, gleichzeitig aber durch die der Plastifizierzone P vorgeschaltete Einzugszone E eine außergewöhnlich hohe Durchsatzleistung aufweist.
Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung der Plastifizierzone P nachgeschaltet in Richtung auf die Austrittsöffnung 12 auch noch eine Ausstoßzone A vorgesehen sein, in welcher der Schneckenzylinder eine glatte Innenwandung aufweist und die Schnecke mit konstanter oder variabler Gangtiefe mit und ohne Scher- und/oder Mischteil ausgebildet sein kann, um die Schmelze noch weiter zu homogenisieren.
Diese Auswahl der einzelnen Zonen und deren Abmessungen richten sich ausschließlich nach dem verwendeten Rohstofftyp, sowie der gewünschten Leistung der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung und können vom Fachmann jeweils individuell bestimmt werden. Aufgrund der hohen Plastifizierleistung des vorangehend erläuterten Scherteiles der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung läßt sich eine erhebliche Verkürzung der gesamterforderlichen Baulänge der Extrusionseinrichtung erreichen, da der Scherabschnitt eine Länge von lediglich etwa 1 bis 5 D benötigt und die Einzugszone eine Länge von etwa 1 bis 15 D aufweisen muß. Auch für den Fall, daß eventuell noch eine Ausstoßzone in einer Länge von bis zu 15 D nachgeschaltet werden muß, liegt die gesamtbenötigte Baulänge der solchermaßen ausgebildeten Extrusionseinrichtung deutlich niedriger als es bei konventionellen Extrusions- einrichtungen, wie sie beispielsweise in der Figur 2 dargestellt sind, der Fall ist.
Die erfindungsgemäße Extrusionseinrichtung ist für die Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe verschiedenster Arten, insbesondere zur Verarbeitung von Polyolefinen, wie Polyethylen und Polypropylen sowie zur Verarbeitung von Polyamid sowie Polyester (PET, PBT) gleichermaßen geeignet, denen bei Bedarf in an sich bekannter Weise Additive, Füllstoffe und dergleichen beigegeben werden können.
Die verarbeiteten Kunststoffe können entweder in kompakter Form extrudiert werden oder es kann ihnen gegebenenfalls auch ein Treibmittel beigemengt werden, um ein Aufschäumen des thermoplastischen Kunststoffes nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung 12 zu bewirken.

Claims

Patentansprüche
1. Extrusionseinrichtung zur Extrusion thermoplastischer Kunststoffe, enthaltend einen Schneckenzylinder (1 ) mit Eintritts- und Austrittsöffnung (1 1 , 12) und eine im Schneckenzylinder (1 ) angeordnete und rotierend antreibbare Schnecke (2) mit Schneckenaußengewinde (20), wobei der Schneckenzylinder (1 ) und die Schnecke (2) jeweils korrespondierend eine mit der Eintrittsöffnung (1 1 ) kommunizierende Einzugszone (E), in der die Schnecke (2) mit konstanter oder variabler Gangtiefe des Schneckenaußengewindes (20) und der Schneckenzylinder (1 ) mit einer glatten oder genuteten Innenwandung (10) ausgebildet sind und an die Einzugszone (E) in Richtung auf die Austrittsöffnung (12) anschließend eine Plastifizierzone
(P) aufweisen, wobei die Plastifizierzone (P) einen Scherabschnitt umfaßt, in welchem der Schneckenzylinder (1 ) mit einem in die Innenwandung (10) eingebrachten und gegenläufig zum Schneckenaußengewinde (20) verlaufenden Innengewinde (100) ausgebildet ist, die Gangtiefe (G2) der Schnecke (2) in Richtung auf die Austrittsöffnung
(12) zunimmt und die Gangtiefe (G1 ) des Innengewindes (100) des Schneckenzylinders (1 ) hierzu korrespondierend in Richtung auf die Austrittsöffnung (12) abnimmt.
2. Extrusionseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Gangtiefe (G2) der Schnecke (2) zwischen 10 bis 90 % der Gesamtgangtiefe (G1 +G2) im Bereich des Scherabschnittes variiert.
3. Extrusionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneckenaußengewinde (20) und das
Innengewinde (100) des Schneckenzylinders (1 ) im Bereich des Scherabschnittes mehrgängig mit voneinander verschiedenen Gangzahlen ausgebildet sind.
4. Extrusionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzugszone (E) bezogen auf den Durchmesser
(D) der Schnecke (2) eine Länge von 1 bis 15 D aufweist.
5. Extrusionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Scherabschnitt eine Länge von etwa 1 bis 5 D aufweist.
6. Extrusionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Plastifizierzone (P) in Richtung auf die Austrittsöffnung (12) nachfolgend eine Ausstoßzone (A) vorgesehen ist, in welcher der Schneckenzylinder (1 ) eine glatte Innenwandung (10) aufweist und die Ausstoßzone (A) eine Länge von bis zu 15 D aufweist.
7. Extrusionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneckenzylinder (1 ) und die Schnecke (2) in Modulabschnitte, die die Einzugszone (E), die Plastifizierzone (P) mit
Scherabschnitt und gegebenenfalls die Ausstoßzone (A) ausbilden, unterteilt und aus diesen zusammenfügbar sind.
8. Extrusionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke (2) mit bis zu 1000 min"1 im
Schneckenzylinder (1 ) drehbar antreibbar ist.
9. Extrusionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Scherabschnitt (S) in Richtung auf die Austrittsöffnung (12) gesehen die Gangtiefe (G2) der Schnecke (2) kontinuierlich zunimmt und die Gangtiefe (G1 ) des Schneckenzylinders (1 ) hierzu korrespondierend kontinuierlich abnimmt.
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