EP2056677A1 - Vorrichtung und verfahren zur extrusion viskoelastischer materialien - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur extrusion viskoelastischer materialien

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Publication number
EP2056677A1
EP2056677A1 EP07785114A EP07785114A EP2056677A1 EP 2056677 A1 EP2056677 A1 EP 2056677A1 EP 07785114 A EP07785114 A EP 07785114A EP 07785114 A EP07785114 A EP 07785114A EP 2056677 A1 EP2056677 A1 EP 2056677A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
viscoelastic
viscoelastic material
nozzle
mass
region
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07785114A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Boris Ouriev
Dieter Hofacker
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.)
Buehler AG
Original Assignee
Buehler AG
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 Buehler AG filed Critical Buehler AG
Publication of EP2056677A1 publication Critical patent/EP2056677A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A21—BAKING; EDIBLE DOUGHS
    • A21C—MACHINES OR EQUIPMENT FOR MAKING OR PROCESSING DOUGHS; HANDLING BAKED ARTICLES MADE FROM DOUGH
    • A21C3/00—Machines or apparatus for shaping batches of dough before subdivision
    • A21C3/04—Dough-extruding machines ; Hoppers with moving elements, e.g. rollers or belts as wall elements for drawing the dough
    • 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
    • B29C48/92—Measuring, controlling or regulating
    • 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
    • B29C2948/00—Indexing scheme relating to extrusion moulding
    • B29C2948/92—Measuring, controlling or regulating
    • B29C2948/92009—Measured parameter
    • B29C2948/92019—Pressure
    • 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
    • B29C2948/00—Indexing scheme relating to extrusion moulding
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    • B29C2948/92009—Measured parameter
    • B29C2948/92085—Velocity
    • B29C2948/92104—Flow or feed rate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C2948/00—Indexing scheme relating to extrusion moulding
    • B29C2948/92—Measuring, controlling or regulating
    • B29C2948/92323—Location or phase of measurement
    • B29C2948/92361—Extrusion unit
    • B29C2948/92409—Die; Nozzle zone
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C2948/92504—Controlled parameter
    • B29C2948/92514—Pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C2948/92504—Controlled parameter
    • B29C2948/9258—Velocity
    • B29C2948/926—Flow or feed rate
    • 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
    • B29C2948/00—Indexing scheme relating to extrusion moulding
    • B29C2948/92—Measuring, controlling or regulating
    • B29C2948/92819—Location or phase of control
    • B29C2948/92857—Extrusion unit
    • B29C2948/92904—Die; Nozzle zone

Definitions

  • the invention relates to a device for the extrusion of viscoelastic compositions, in particular for the extrusion of dough, with a step for the formation of strands or flat sheet or foil-like structures from the viscoelastic mass.
  • Known extrusion devices have a filling area for introducing masses or constituents of the masses into the device; a conveying section for conveying and processing the mass flow conveyed by the device; a manifold region for reforming and distributing the mass flow to a plurality of mass substreams; and a nozzle portion having a plurality of nozzles for forming a ground strand or a ground foil from the respective mass sub-streams.
  • the invention has for its object to largely eliminate such stresses in the extruded strands or flat structures of viscoelastic mass or at least reduce so much that under the usual conditions of extruded strand or film extrusion no strong deviations from the straightness or occur from the plane form.
  • viscoelastic mass which flows under normal operating conditions (temperature, pumping power)
  • viscoelastic material in the wall regions is usually a synthetic material, which is among the Although usual operating conditions elastically deformable, but can not flow from it.
  • the viscoelastic regions may be formed as pillow-like elements having a closed flexible shell filled with a filling of viscoelastic material.
  • the filling can be any viscoelastic material.
  • An extreme case is a purely viscous filling material without elastic component. In this case one chooses as envelope material a material with elastic and without viscous component.
  • Another extreme case is a purely elastic filling material without a viscous component. In this case, the shell is unnecessary.
  • the inner walls of the manifold area are resilient and elastically deformable at least in some areas, but can not flow from it. Therefore, at least the sheath material must be purely elastic without a viscous component. Instead of such cushions having an elastic sheath and a filling material which has at least one viscous component, it is also possible to use solid elastically deformable elements.
  • the viscoelastic regions may also comprise one or more gas-filled chambers, wherein the shell material forming the chambers is a flexible material whose flexibility is given by the thin-walledness and / or the elasticity of the shell material.
  • curved channels in which intensive shaping (film extrusion) and possibly also fragmentation (strand extrusion) of the viscoelastic mass to be processed take place in this distributor area improved degradation of at least the asymmetric mechanical stresses in the reshaping viscoelastic mass or a strong suppression of the tendency to form such stresses.
  • This is done by largely avoiding the formation of asymmetrical velocity profiles in the curved regions of the distribution channels, which is associated with the construction of at least asymmetrical material stresses, and overall the expression of the remaining, largely symmetrical velocity profiles becomes smaller.
  • the device according to the invention produces flatter and more uniform velocity profiles whose symmetry is / are adapted to the symmetry of the nozzle (s).
  • the inner walls of the nozzles are also formed, at least in some areas, from a viscoelastic material. This measure makes it possible, even in the nozzles, ie in the last phase of forming, to avoid or reduce any residual stresses, but especially asymmetric residual stresses.
  • the present invention ensures that substantially symmetrical and flat velocity profiles are present after the distributor region as it enters the nozzle (s) and preferably also after the mass has passed through the nozzle (s).
  • the viscoelastic material on or in the walls may comprise an elastomer.
  • the viscoelastic material is embedded in inner wall depressions (cavities) of the device. In operation, it is then contacted by the viscoelastic mass and performs the compensatory movements, which lead to the uniformity or maintenance of the uniformity of the velocity profiles in the flowing mass.
  • "Uniformity" is understood to mean “as flat as possible velocity profiles whose symmetry is adapted as well as possible to the nozzle symmetry”.
  • the viscoelastic material embedded in the interior wall wells (cavities) of the device is formed by a portion of the viscoelastic mass located in the interior wall wells (cavities).
  • the inner wall depressions are used here specifically as dead zones for the viscoelastic mass to be formed, which thus assumes the function of the viscoelastic material described above. This is an exception to the distinction between “viscoelastic mass” and “viscoelastic material”.
  • the inner wall depressions (cavities) are arranged on inner wall sections at which the viscoelastic mass flow is locally accelerated. This local acceleration of the viscoelastic mass is counteracted by the evasive movements of the viscoelastic material.
  • the entire inner walls of the manifold portion are formed of a viscoelastic material.
  • a full manifold liner is used.
  • the entire inner walls of the nozzle (s) may be formed of a viscoelastic material. In this case, a full nozzle liner is used.
  • the entire distributor region is formed of a viscoelastic material.
  • the entire nozzles may be formed of a viscoelastic material.
  • the subregions in which the viscoelastic material is arranged are dead zones or congestion zones of the mass flow.
  • active measures can also be provided in the device according to the invention.
  • a controllable valve can be arranged between the distributor region and the respective nozzles of the nozzle region. It is advantageous if the device still has a pressure sensor upstream of the respective valve.
  • the respective valve in response to pressure signals of the pressure sensor can be controlled.
  • the pillow-like regions described above can also be provided with active elements.
  • the viscoelastic regions may be formed as pillow-like elements having a closed flexible shell filled with a filling of viscoelastic material.
  • the filling of the cushion can be any viscoelastic material that communicates with a controllable pressure source.
  • the viscoelastic filling material may be a liquid or a gas surrounded by an elastic shell.
  • the inner walls of the distributor area remain flexible and elastically deformable, at least in some areas, but can not flow therefrom, which is why at least the envelope material must be purely elastic without a viscous component.
  • solid elastically deformable elements can also be used here, which can be bent, pressed, stretched, twisted or otherwise deformed by actuators.
  • Fig. 1 is a sectional view of a portion (manifold portion and nozzle portion) of a first embodiment of the device according to the invention along a vertical plane containing the longitudinal axis of the device;
  • Fig. 2 is a sectional view of a portion (manifold region and nozzle region) of a second embodiment of the device according to the invention along the vertical plane containing the longitudinal axis of the device;
  • Fig. 3 is an enlarged sectional view of a portion (only nozzle) of the first embodiment of the device according to the invention along the vertical plane containing the longitudinal axis of the device;
  • Fig. 4 is an enlarged sectional view of a portion (nozzle only) of the second
  • Embodiment of the inventive device along the vertical plane, which contains the longitudinal axis of the device;
  • Fig. 5 is a sectional view of a portion (conveying area, distribution area and nozzle area) of a third embodiment of the device according to the invention along a vertical plane containing the longitudinal axis of the device.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a distributor region 20 and a nozzle region 30 of a first exemplary embodiment of the device according to the invention along a vertical plane which contains the longitudinal axis of the device.
  • the distributor region 20 has two curved channels 21 and 22, in which the mass M is divided into a first mass partial flow M1 and a second mass partial flow M2.
  • the distributor region 20 is formed by a housing 23 and an insert 24, which is inserted into the housing 23 and may be formed in several pieces.
  • the housing 23 is preferably made of metal, while the insert 24 is preferably made of a polymer such as Teflon, PEEK or the like.
  • the nozzle region 30 has two nozzles 31, which are inserted in a nozzle plate 33.
  • the nozzles 31, 31 each adjoin one of the curved channels 21, 22.
  • the nozzle plate is preferably made of metal, while the nozzles 31, 31 are made of metal or of a polymer such as Teflon, PEEK or the like.
  • the curved channels 21, 22 are shown by a solid line. This channel geometry corresponds to the velocity profiles P1, P2 and P3 of the mass partial streams M1 or M2 flowing in the curved channels 21, 22 in the direction of flow of the mass M. These profiles are shown only for the upper curved channel 21. However, they are also formed in the same way in the lower channel 22 symmetrically to those of the upper channel 21. At the points where the mass M1 or M2 is locally accelerated.
  • a further insert 2B is arranged in each case, which preferably consists of the same material as the insert 24.
  • the inserts 28 optimize the wall Course between the channel 21 or 22 and the respective downstream nozzle 31. It is essential that this wall profile or the wall profile has a turning point 29.
  • the nozzles 31 can also be built longer accordingly, so that such a nozzle from the insert 28 and the nozzle 31 is integrally formed.
  • FIG. 2 shows a sectional view of a distributor region 20 and a nozzle region 30 of a second exemplary embodiment of the device according to the invention along a vertical plane which contains the longitudinal axis of the device.
  • the channels 21 and 22 are each equipped with an insert of viscoelastic material 25 and 26, which is inserted into recesses of the channel wall;
  • the inserts 25 and 26 formed from the viscoelastic material yield under pressure but are elastic. These inserts are compliant and, like the wells (cavities) of the first embodiment, can slow down accelerated regions of the bulk substreams M1 and M2. They perform a kind of passive peristalsis.
  • FIG. 3 shows an enlarged sectional view of a nozzle 31 of the first exemplary embodiment of the device according to the invention along the vertical plane, which contains the longitudinal axis of the device.
  • the nozzle main body 31a includes a cup-like shaped passage which is expanded against the mass flow direction from the nozzle center to the nozzle entrance and in the mass flow direction toward the nozzle exit, as seen on the nozzle wall profile 31c. Upstream of the nozzle inlet, the insert 28 is arranged, the passage is tapered in the flow direction, as can be seen on the insert wall profile 31b. Overall, a nozzle passage is formed by the insert 28 and the nozzle main body 31 a, whose inner wall profile (31 b + 31c) in principle S-shaped, i. has a turning point 29.
  • FIG. 4 shows an enlarged sectional view of a nozzle 32 of the second exemplary embodiment of the device according to the invention along the vertical plane, which contains the longitudinal axis of the device.
  • the nozzle main body 32a includes a part portion of the passage which is formed in a cusp-like manner on the side of the nozzle inlet and which is widened against the mass flow direction from the nozzle center to the nozzle inlet, as can be seen on the nozzle wall profile 32b.
  • a further portion of the passage is arranged, which is formed substantially cylindrical, but adaptive.
  • a tube-like or hose-like element 32c made of a hard-elastic or soft-elastic material is inserted into the nozzle main body 32a. sets and anchored in this frictionally and / or formschiüssig.
  • the nozzle main body 32a is recessed to a greater extent, so that an annular gap 32d is formed between the cylindrical adaptive element 32c and the main body 32a.
  • the flexibility of the adaptive element is determined by the modulus of elasticity and wall thickness of the elastic material of the cylindrical member 32c, which is preferably an elastomer, as well as the axial length and radial width of the annular gap 32d.
  • FIG. 5 shows a sectional view of a conveyor region 10 and a distributor region 40 of a third exemplary embodiment of the device according to the invention along a vertical plane which contains the longitudinal axis of the device.
  • a partial section of the conveying region 10 is indicated schematically and contains an extruder screw 11.
  • the distributor region (or transition region between conveying region and nozzle region not shown) 40 there are a plurality of elements 41, 42, 43 and 44 which are used to adjust the channel cross section in the distributor region / transition region 40 serve.
  • a rotatably mounted in the distributor housing 46 spindle 41 cooperates with a radial slide 42 via a (not shown) threaded connection, so that by rotating the spindle 41, the slider 42 can be moved in the radial direction.
  • the radial slide 42 in turn cooperates via a sliding connection with an axial slide 43.
  • This sliding connection is formed by a sliding surface 42a of the radial slide 42 and a sliding surface 43a of the axial slide 43 which contact each other.
  • a flowed through by the mass M annular channel whose cross section is adjustable by axial displacement of the axial slide 43 by operating the spindle 41.
  • the axial slide 43 has a passage extending in the axial direction, which is similar to the nozzle 31 formed like a spike.
  • this cup-shaped passage of the axial slide 43 also adaptive, ie elastomeric EIe- arranged elements 45, which have a similar effect as the ele- ments described above 25, 26, 27 and 32c.
  • a cylindrical passage which is preferably provided with a lining 47 made of non-stick material.
  • the elements 43 and 44 are made of such non-stick material or are coated with such.
  • Nozzle M3 Strand o.
  • Foliea Nozzle body M4 Strand o.
  • Forison Insert wall profile c

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Extrusion viskoelastischer Massen, insbesondere von Teigwaren. Diese Vorrichtung weist auf: einen Einfüllbereich zum Einleiten von Massen oder Bestandteilen der Massen in die Vorrichtung; einen Förderbereich (10) zum Fördern und Bearbeiten des durch die Vorrichtung geförderten Massestroms; einen Verteilerbereich (20) zum Umformen und Verteilen des Massestroms auf mehrere Masse-Teilströme; und einen Düsenbereich (30) mit einer Vielzahl von Düsen (31; 32) zum Bilden eines Massestrangs oder einer Massefolie aus den jeweiligen Masse-Teilströmen. Erfindungsgemäss sind die Innenwände des Verteilerbereichs (20) zumindest in Teilbereichen aus einem viskoelastischen Material (25, 26, 27) gebildet oder weisen in diesen Bereichen ein viskoelastisches Material (25, 26, 27) auf.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Extrusion viskoelastischer Materialien
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Extrusion viskoelastischer Massen, insbesondere zur Extrusion von Teig, mit einem Schritt zur Bildung von Strängen oder flachen blatt- oder folienartigen Gebilden aus der viskoelastischen Masse.
Bekannte Vorrichtungen zur Extrusion besitzen einen Einfüllbereich zum Einleiten von Massen oder Bestandteilen der Massen in die Vorrichtung; einen Förderbereich zum Fördern und Bearbeiten des durch die Vorrichtung geförderten Massestroms; einen Verteilerbereich zum Umformen und Verteilen des Massestroms auf mehrere Masse- Teilströme; und einen Düsenbereich mit einer Vielzahl von Düsen zum Bilden eines Massestrangs oder einer Massefolie aus den jeweiligen Masse-Teilströmen.
Beim Fördern und Bearbeiten sowie beim Verteilen und Bilden von Strängen, flachen Gebilden oder dgl. finden im Innern einer viskoelastischen Masse relative Fliessvorgänge zwischen verschiedenen Bereichen der Masse statt, und es werden gleichzeitig Spannungen in der Masse aufgebaut, die sich nur zum Teil durch Ausgleichs-Fliess- vorgänge rasch abbauen,, während ein verbleibender Anteil der Spannungen in die umgeformte Masse, z.B. in die Stränge oder die flachen Gebilde, mit eingetragen wird. Insbesondere bei der Bildung von Strängen oder (blattartigen bzw. folienartigen) Flachgebilden aus derartigen viskoelastischen Massen sind aufgrund der starken Umformung und Verteilung der strömenden Masse die dabei auftretenden Fliessvorgänge und Spannungen im Innern der Masse sehr hoch, weshalb die entsprechenden Restspannungen in den Strängen bzw. Flachgebilden ebenfalls hoch sind. Dies führt bei den umgeformten Gebilden (Stränge bzw. Flachgebilde) zu inneren Kräften und ungewollten Verformungen der Gebilde, insbesondere zur Kräuselneigung bei Strängen bzw. zu Verzerrungen bei Flachgebilden, d.h. zu ungewollten Abweichungen von der geradlinigen bzw. ebenen Form. Besonders ausgeprägt sind diese Probleme bei der Strang-Extrusion von Teig zu speziell geformten Teigwaren (z.B. Spaghetti), die dann von der geradlinigen Form abweichen. Dies kann in Extremfällen sogar zu einer vollständigen oder mehrfachen Kräuselung der Stränge führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Spannungen in den extrudierten Strängen bzw. Flachgebilden aus viskoelastischer Masse weitgehend zu eliminieren oder zumindest so stark zu reduzieren, dass unter den üblichen Bedingungen der Strang-Extrusion oder der Folien-Extrusion keine starken Abweichungen von der Geradlinigkeit bzw. von der ebenen Form auftreten.
Diese Aufgabe wird bei einer bekannten Vorrichtung der eingangs beschriebenen Bauart erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Innenwände des Verteilerbereichs zumindest in Teilbereichen aus einem ebenfalls viskoelastischen Material gebildet sind oder in diesen Bereichen ein viskoelastisches Material aufweisen.
Um Verwechslungen zu vermeiden, wird im folgenden das umzuformende Material stets als "viskoelastische Masse" bezeichnet, die unter üblichen Betriebsbedingungen (Temperatur, Pumpleistung) fliesst, während das "viskoelastische Material" in den Wandbereichen in der Regel ein synthetisches Material ist, das unter den üblichen Betriebsbedingungen zwar elastisch verformbar ist, jedoch nicht davon fliessen kann.
Die viskoelastischen Bereiche können als kissenartige Elemente ausgebildet sein, die eine abgeschlossene flexible Hülle bzw. Kammer aufweisen, die mit einer Füllung aus viskoelastischem Material gefüllt ist. Die Füllung kann dabei ein beliebiges viskoelati- sches Material sein. Ein Extremfall ist dabei ein rein viskoses Füll-Material ohne elastische Komponente. In diesem Fall wählt man als Hüll-Material ein Material mit elastischer und ohne viskoser Komponente. Ein anderer Extremfall ist ein rein elastisches Füll-Material ohne viskose Komponente. In diesem Fall erübrigt sich die Hülle.
Wichtig ist dabei, dass die Innenwände des Verteilerbereichs zumindest in Teilbereichen nachgiebig und elastisch verformbar sind, jedoch nicht davon fliessen können. Daher muss zumindest das Hüll-Material rein elastisch ohne viskose Komponente sein. Anstelle solcher Kissen mit einer elastischen Hülle und einem Füll-Material, das zumindest eine viskose Komponente aufweist, können auch massive elastisch verformbare Elemente verwendet werden.
Die viskoelastischen Bereiche können auch eine oder mehrere gasgefüllte Kammern aufweisen, wobei das die Kammern bildende Hüll-Material ein flexibles Material ist, dessen Flexibilität durch die Dünnwandigkeit und/oder die Elastizität des Hüll-Materials gegeben ist.
In herkömmlichen Verteilerbereichen mit durchweg starren Innenwänden bilden sich bei der durch die gekrümmten Verteilerkanäle hindurch gepressten viskoelastischen Masse asymmetrische Geschwindigkeitsprofile aus. Diese Asymmetrie der Geschwindigkeitsprofile ist mit den am Ende der Verteilerkanäle angeordneten symmetrischen Düsen zur Strangbildung bzw. Folienbildung nicht vereinbar und führt zu den ungewollten Spannungen in den gebildeten Masse-Strängen oder Masse-Folien.
Durch die erfindungsgemässe Nachgiebigkeit und elastische Verformbarkeit der Innenwände zumindest in Teilbereichen des Verteilerbereichs erfolgt in diesem Verteilerbereich mit gekrümmtem Kanälen, in welchem eine intensive Umformung (Folien- Extrusion) und ggf. auch Zerteilung (Strang-Extrusion) der zu bearbeitenden viskoelastischen Masse stattfindet, ein verbesserter Abbau zumindest der asymmetrischen mechanischen Spannungen in der sich umformenden viskoelastischen Masse bzw. eine starke Unterdrückung der Neigung zur Ausbildung solcher Spannungen. Dies erfolgt, indem die mit dem Aufbau von zumindest asymmetrischen Materialspannungen einhergehende Ausbildung asymmetrischer Geschwindigkeitsprofile in den gekrümmten Bereichen der Verteilerkanäle weitgehend vermieden wird und insgesamt die Ausprägung der verbleibenden, weitgehend symmetrischen Geschwindigkeitsprofile kleiner wird. Anders gesagt, erzeugt die erfindungsgemässe Vorrichtung flachere und gleichmässi- gere Geschwindigkeitsprofile, deren Symmetrie an die Symmetrie der Düse(n) ange- passt ist/sind. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung sind auch die Innenwände der Düsen zumindest in Teilbereichen aus einem viskoelasti- schen Material gebildet. Diese Massnahme ermöglicht es, auch in den Düsen, d.h. in der letzten Phase der Umformung, eventuelle Restspannungen, vor allem aber asymmetrische Restspannungen zu vermeiden bzw. abzubauen.
Die Ausbildung von parabel-ähnlichen Geschwindigkeitsprofilen bei weitgehend laminar fliessenden viskoelastischen Massen ist aufgrund der praktisch immer vorhandenen Wandreibung zwar nicht vermeidbar. Die vorliegende Erfindung sorgt aber dafür, dass nach dem Verteilerbereich beim Eintritt in die Düse(n) und vorzugsweise auch nach dem Durchtritt der Masse durch die Düse(n) weitgehend symmetrische und flache Geschwindigkeitsprofile vorliegen.
Das viskoelastische Material an oder in den Wänden kann ein Elastomer aufweisen.
Zweckmässigerweise ist das viskoelastische Material in Innenwand-Vertiefungen (Kavi- täten) der Vorrichtung eingebettet. Im Betrieb wird es dann von der viskoelastischen Masse kontaktiert und führt die Ausgleichsbewegungen durch, die zur Vergleichmässi- gung bzw. Aufrechterhaltung der Gleichmässigkeit der Geschwindigkeitsprofile in der fliessenden Masse führen. Unter "Gleichmässigkeit" versteht man "möglichst flache Geschwindigkeitsprofile, deren Symmetrie möglichst gut an die Düsensymmetrie ange- passt ist".
Bei einer alternativen Ausführung wird das viskoelastische Material, das in den Innenwand-Vertiefungen (Kavitäten) der Vorrichtung eingebettet ist, durch einen Teil der viskoelastischen Masse gebildet, die sich in den Innenwand-Vertiefungen (Kavitäten) befindet. Die Innenwand-Vertiefungen werden hier gezielt als Totzonen für die umzuformende viskoelastische Masse verwendet, die somit die Funktion des weiter oben beschriebenen viskoelastischen Materials übernimmt. Dies stellt eine Ausnahme von der Unterscheidung zwischen "viskoelastischer Masse" und "viskoelastischem Material" dar. Vorzugsweise sind die Innenwand-Vertiefungen (Kavitäten) an Innenwand-Abschnitten angeordnet, an denen der viskoelastische Massestrom lokal beschleunigt wird. Dieser lokalen Beschleunigung der viskoelastischen Masse wird durch die Ausweichbewegungen des viskoelastischen Materials entgegengewirkt.
Zweckmässigerweise sind die gesamten Innenwände des Verteilerbereichs aus einem viskoelastischen Material gebildet. In diesem Fall wird eine vollständige Verteiler- Auskleidung verwendet.
Alternativ oder zusätzlich können auch die gesamten Innenwände der Düse(n) aus einem viskoelastischen Material gebildet sein. In diesem FaK wird eine vollständige Düsen-Auskleidung verwendet.
In den Bereichen dieser Auskleidungen erfolgen im Betrieb Ausgleichsbewegungen bzw. Ausgleichsverformungen des viskoelastischen Materials ("passive Peristaltik").
Vorzugsweise ist der gesamte Verteilerbereich aus einem viskoelastischen Material gebildet.
Alternativ oder zusätzlich können auch die gesamten Düsen aus einem viskoelastischen Material gebildet sein.
Es ist vorteilhaft, wenn die Teilbereiche, in denen die das viskoelastische Material angeordnet ist, Totzonen bzw. Stauzonen des Massestroms sind.
Neben den weiter oben genannten passiven Massnahmen zur Vergleichmässigung der Geschwindigkeitsprofile können auch aktive Massnahmen in der erfindungsgemässen Vorrichtung vorgesehen werden.
Zwischen dem Verteilerbereich und den jeweiligen Düsen des Düsenbereichs kann jeweils ein ansteuerbares Ventil angeordnet sein. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Vorrichtung noch einen Drucksensor stromaufseitig von dem jeweiligen Ventil aufweist.
Vorzugsweise ist das jeweilige Ventil in Abhängigkeit von Drucksignalen des Drucksensors ansteuerbar.
Auch die weiter oben beschriebenen kissenartigen Bereiche können mit aktiven Elementen versehen sein.
Die viskoelastischen Bereiche können als kissenartige Elemente ausgebildet sein, die eine abgeschlossene flexible Hülle bzw. Kammer aufweisen, die mit einer Füllung aus viskoelastischem Material gefüllt ist.
Die Füllung der Kissen kann dabei ein beliebiges viskoelatisches Material sein, das mit einer steuerbaren Druckquelle kommuniziert. Wie weiter oben bei der Diskussion der kissenartigen Elemente erwähnt, kann das viskoelastische Füllmaterial eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, das von einer elastischen Hülle umgeben ist.
Wichtig ist dabei auch hier, dass die Innenwände des Verteilerbereichs zumindest in Teilbereichen nachgiebig und elastisch verformbar bleiben, jedoch nicht davon fliessen können, weshalb zumindest das Hüll-Material rein elastisch ohne viskose Komponente sein muss.
Anstelle der Kissen mit einer elastischen Hülle und einem Füll-Material, das zumindest eine viskose Komponente aufweist, können auch hier massive elastisch verformbare Elemente verwendet werden, die durch Stellglieder verbogen, gepresst, gedehnt, verdreht oder anderweitig verformt werden können.
Die Verformung der kissenartigen Bereiche durch die aktiven Elemente, wie z.B. Druckquelle, Stellglied, etc., erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von Drucksignalen, die durch weitere Drucksensoren im Verteilerbereich und/oder Düsenbereich der erfin- dungsgemässen Vorrichtung angeordnet sind. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung nicht einschränkend aufzufassender Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnung, wobei:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Abschnitts (Verteilerbereich und Düsenbereich) eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung entlang einer vertikalen Ebene ist, welche die Längsachse der Vorrichtung enthält;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Abschnitts (Verteilerbereich und Düsenbereich) eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung entlang der vertikalen Ebene ist, welche die Längsachse der Vorrichtung enthält;
Fig. 3 eine vergrösserte Schnittansicht eines Abschnitts (nur Düse) des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung entlang der vertikalen Ebene ist, welche die Längsachse der Vorrichtung enthält;
Fig. 4 eine vergrösserte Schnittansicht eines Abschnitts (nur Düse) des zweiten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung entlang der vertikalen Ebene ist, welche die Längsachse der Vorrichtung enthält; und
Fig. 5 eine Schnittansicht eines Abschnitts (Förderbereich, Verteilerbereich und Düsenbereich) eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung entlang einer vertikalen Ebene ist, welche die Längsachse der Vorrichtung enthält.
Im folgenden wird die zu verarbeitende und umzuformende viskoelastische Masse nur als "Masse" bezeichnet.
In Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Verteilerbereichs 20 und eines Düsenbereichs 30 eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung entlang einer vertikalen Ebene gezeigt, welche die Längsachse der Vorrichtung enthält. Der Verteilerbereich 20 weist zwei gekrümmte Kanäle 21 und 22 auf, in denen die Masse M in einen ersten Masse-Teilstrom M1 bzw. einen zweiten Masse-Teilstrom M2 aufgeteilt wird. Der Verteilerbereich 20 wird durch ein Gehäuse 23 und einen Einsatz 24 gebildet, der in das Gehäuse 23 eingesetzt ist und mehrstückig ausgebildet sein kann. Das Gehäuse 23 besteht vorzugsweise aus Metall, während der Einsatz 24 vorzugsweise aus einem Polymer wie z.B. Teflon, PEEK oder dgl. besteht.
Der Düsenbereich 30 weist zwei Düsen 31 auf, die in einer Düsenplatte 33 eingesetzt sind. Die Düsen 31 , 31 schliessen sich jeweils an einen der gekrümmten Kanäle 21 , 22 an. Die Düsenplatte besteht vorzugsweise aus Metall, während die Düsen 31 , 31 aus Metall oder aus einem Polymer wie Teflon, PEEK oder dgl. bestehen.
Die gekrümmten Kanäle 21 , 22 sind mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Dieser Kanalgeometrie entsprechen die in Strömungsrichtung der Masse M aufeinanderfolgenden Geschwindigkeitsprofile P1 , P2 und P3 der in den gekrümmten Kanälen 21 , 22 strömenden Masse-Teilströme M1 bzw. M2. Diese Profile sind nur für den oberen gekrümmten Kanal 21 eingezeichnet. Sie sind jedoch in gleicherweise auch in dem unteren Kanal 22 symmetrisch zu denen des oberen Kanals 21 ausgebildet. An den Stellen, wo die Masse M1 bzw. M2 lokal beschleunigt wird. d.h. an den Wänden in der 'Αussen- kurve" der gekrümmten Kanäle 21 , 22 sind in den Wänden der Kanäle 21 , 22 Vertiefungen (Kavitäten) eingearbeitet, die als gestrichelte Linien 21' bzw. 22' dargestellt sind. Dieser mit den Vertiefungen 21', 22' ausgestatteten Kanalgeometrie entsprechen die Geschwindigkeitsprofile P11, P2' und P3' der in den gekrümmten Kanälen 21', 22' strömenden Masse-Teilströme M1 bzw. M2. Diese modifizierten Geschwindigkeitsprofile, die durch die Wand-Vertiefungen in den Bereichen lokaler Beschleunigung entstehen, sind viel flacher als die Profile P1 , P2 und P3. Ausserdem sind diese Profile P11, P2' und P3' praktisch genauso stark vergleichmässigt wie das Profil PO des Massestroms M vor dessen Aufteilung in die Masse-Teilströme M1 und M2.
Am jeweiligen Kanal-Düse-Übergang von den gekrümmten Kanälen 21 und 22 zu der jeweiligen Düse 31 ist jeweils ein weiterer Einsatz 2B angeordnet, der vorzugsweise aus demselben Material wie der Einsatz 24 besteht. Die Einsätze 28 optimieren den Wand- verlauf zwischen dem Kanal 21 oder 22 und der jeweiligen nachgeschalteten Düse 31. Wesentlich ist dabei, dass dieser Wandverlauf bzw. das Wandprofil einen Wendepunkt 29 aufweist. Natürlich können die Düsen 31 auch entsprechend länger gebaut werden, so dass eine derartige Düse aus dem Einsatz 28 und der Düse 31 einstückig gebildet ist.
Durch die genannten Massnahmen wird gewährleistet, dass trotz Richtungsumlenkung der Masse-Teilströme M1 und M2 in den Kanälen 21 bzw. 22 relativ flache und über den Kanalquerschnitt vereinheitlichte Geschwindigkeitsprofile PV, P21 und P31 erzeugt werden, deren Symmetrie an die Düsen-Symmetrie angepasst ist. Dies führt dann dazu, dass die aus den Teilströmen M1 und M2 hervorgehenden Masse-Stränge M3 bzw. M4 oder Masse-Folien M3 bzw. M4 mit insgesamt sehr wenig Spannungen und vorwiegend zur Strangform bzw. Folienform symmetrischen Spannungen aus den Düsen 31 nach ihrer endgültigen Umformung austreten.
In Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Verteilerbereichs 20 und eines Düsenbereichs 30 eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung entlang einer vertikalen Ebene gezeigt, welche die Längsachse der Vorrichtung enthält.
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass
1) anstelle der Vertiefungen 21', 22' die Kanäle 21 und 22 jeweils mit einem Einsatz aus viskoelastischem Material 25 bzw. 26 ausgestattet sind, der in Vertiefungen der Kanalwand eingesetzt ist;
2) anstelle der Einsätze 28 an den Kanal-Düse-Übergängen jeweils ein Einsatz 27 aus einem viskoelastischen Material vorgesehen ist; und
3) anstelle der Düsen 31 (siehe Fig. 3) anders ausgebildete Düsen 32 (siehe Fig. 4) vorgesehen sind. Die mit Teilen des ersten Ausführungsbeispiels identischen Teile sind hier mit denselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel versehen.
Die aus dem viskoelastischen Material gebildeten Einsätze 25 und 26 geben bei Druck nach, sind aber elastisch. Diese Einsätze sind nachgiebig und können ähnlich wie die Vertiefungen (Kavitäten) des ersten Ausführungsbeispiels beschleunigte Bereiche der Masse-Teilströme M1 und M2 verlangsamen. Sie führen eine Art passive Peristaltik durch.
In Fig. 3 ist eine vergrösserte Schnittansicht einer Düse 31 des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung entlang der vertikalen Ebene gezeigt, welche die Längsachse der Vorrichtung enthält.
Der Düsen-Grundkörper 31a enthält einen kelchartig geformten Durchtritt, der entgegen der Masse-Strömungsrichtung von der Düsenmitte zum Düsen-Eintritt hin und in der Masse-Strömungsrichtung zum Düsen-Austritt hin aufgeweitet ist, wie man an dem Düsen-Wandprofil 31c erkennt. Stromauf von dem Düsen-Eintritt ist der Einsatz 28 angeordnet, dessen Durchtritt in Strömungsrichtung verjüngt ist, wie man an dem Einsatz- Wandprofil 31b erkennt. Insgesamt wird durch den Einsatz 28 und den Düsen- Grundkörper 31 a ein Düsen-Durchtritt gebildet, dessen Innenwand-Profil (31 b + 31c) prinzipiell S-förmig ist, d.h. einen Wendepunkt 29 aufweist.
In Fig. 4 ist eine vergrösserte Schnittansicht einer Düse 32 des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung entlang der vertikalen Ebene gezeigt, welche die Längsachse der Vorrichtung enthält.
Der Düsen-Grundkörper 32a enthält einen auf der Seite des Düsen-Eintritts kelchartig geformten Teilabschnitt des Durchtritts, der entgegen der Masse-Strömungsrichtung von der Düsenmitte zum Düsen-Eintritt hin aufgeweitet ist, wie man an dem Düsen- Wandprofil 32b erkennt. Auf der Seite des Düsen-Austritts ist ein weiterer Teilabschnitt des Durchtritts angeordnet, der im wesentlichen zylinderförmig, dafür aber adaptiv ausgebildet ist. Hierzu ist ein rohrartiges bzw. schlauchartiges Element 32c aus einem hartelastischen oder weichelastischen Material in den Düsen-Grundkörper 32a einge- setzt und in diesem kraftschlüssig und/oder formschiüssig verankert. Im Bereich des Düsen-Austritts ist der Düsen-Grundkörper 32a stärker ausgespart, so dass zwischen dem zylinderförmigen adaptiven Element 32c und dem Grundkörper 32a ein Ringspalt 32d gebildet ist. Dadurch wird eine grosse Flexibilität des Düsen-Austritts ermöglicht. Die Flexibilität des adaptiven Elements wird durch den E-Modul und die Wanddicke des elastischen Materials des zylinderförmigen Elements 32c, bei dem es sich vorzugsweise um ein Elastomer handelt, sowie durch die axiale Länge und radiale Breite des Ringspaltes 32d bestimmt.
In Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Förderbereichs 10 und eines Verteilerbereichs 40 eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung entlang einer vertikalen Ebene gezeigt, welche die Längsachse der Vorrichtung enthält.
Ein Teilabschnitt des Förderbereichs 10 ist schematisch angedeutet und enthält eine Extruderschnecke 11. Im Verteilerbereich (oder Übergangsbereich zwischen Förderbereich und nicht gezeigtem Düsenbereich) 40 befinden sich mehrere Elemente 41 , 42, 43 und 44, die zur Verstellung des Kanalquerschnitts in dem Verteilerbereich/Übergangsbereich 40 dienen. Eine in dem Verteilergehäuse 46 drehbar gelagerte Spindel 41 wirkt mit einem Radialschieber 42 über eine (nicht gezeigte) Gewindeverbindung zusammen, so dass durch Drehen der Spindel 41 der Schieber 42 in Radialrichtung bewegt werden kann. Der Radialschieber 42 wiederum wirkt über eine Gleitverbindung mit einem Axialschieber 43 zusammen. Diese Gleitverbindung ist durch eine Gleitfläche 42a des Radialschiebers 42 und eine Gleitfläche 43a des Axialschiebers 43 gebildet, die einander kontaktieren. Zwischen einem im Bereich des Schnecken-Endes mittig angeordneten und sich entlang der Masse-Strömungsrichtung verjüngenden Elements 44 und dem Axialschieber 43 befindet sich ein von der Masse M durchströmter Ringkanal, dessen Querschnitt durch axiale Verschiebung des Axialschiebers 43 durch Betätigung der Spindel 41 einstellbar ist.
Der Axialschieber 43 hat einen sich in Axialrichtung erstreckenden Durchtritt, der ähnlich wie die Düse 31 kelchartig ausgebildet ist. Zusätzlich sind in diesem kelchartig geformten Durchtritt des Axialschiebers 43 auch noch adaptive, d.h. elastomerische EIe- mente 45 angeordnet, die eine ähnlich Wirkung wie die weiter oben beschriebenen E- lemente 25, 26, 27 und 32c haben.
An den kelchartigen Durchtritt des Axialschiebers 43 schliesst sich in der Masse- Strömungsrichtung ein zylinderförmiger Durchtritt an, der vorzugsweise mit einer Auskleidung 47 aus Antihaft-Material versehen ist. Vorzugsweise bestehen auch die Elemente 43 und 44 aus derartigem Antihaft-Material oder sind mit einem solchen beschichtet.
Bezugszeichen
Förderbereich 40 Verteilerbereich
Extruderschnecke 41 Spindel
Verteilerbereich 42 Radialschieber
Kanal 42a Gleitfläche
Kanal 43 Axialschieber
Gehäuse 43a Gleitfläche
Einsatz 44 verjüngendes Element
Einsatz/viskoelastischer Einsatz 45 elastisches Element
Wendepunkt/viskoelastischer 46 Verteilergehäuse
Einsatz 47 Auskleidung viskoelastischer Einsatz
Einsatz M Masse
Wendepunkt M1 1. Teilstrom
Düsenbereich M2 2. Teilstrom
Düse M3 Strang o. Foliea Düsengrundkörper M4 Strang o. Folieb Einsatzwandprofil c Düsenwand profil PO Geschwindigkeitsprofil
Düse P1 Geschwindigkeitsprofila Düsengrundkörper P2 Geschwindigkeitsprofilb Düsenwandprofil P3 Geschwindigkeitsprofilc rohr-/schlauchartiges Element P1. Geschwindigkeitsprofild Ringspalt P2> Geschwindigkeitsprofil
Düsenplatte P31 Geschwindigkeitsprofil

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Extrusion viskoelastischer Massen, wobei die Vorrichtung aufweist:
> einen Einfüllbereich zum Einleiten von Massen oder Bestandteilen der Massen in die Vorrichtung;
> einen Förderbereich (10) zum Fördern und Bearbeiten des durch die Vorrichtung geförderten Massestroms;
> einen Verteilerbereich (20) zum Umformen und Verteilen des Massestroms auf mehrere Masse-Teilströme; und
> einen Düsenbereich (30) mit einer Vielzahl von Düsen (31 ; 32) zum Bilden eines Massestrangs oder einer Massefolie aus den jeweiligen Masse- Teilströmen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwände des Verteilerbereichs (20) zumindest in Teilbereichen aus einem viskoelastischen Material (25, 26, 27) gebildet sind oder in diesen Bereichen ein viskoelastisches Material (25, 26, 27) aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwände der Düsen zumindest in Teilbereichen aus einem viskoelastischen Material gebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoe- lastische Material ein Elastomer aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Material in Innenwand-Vertiefungen (Kavitäten) der Vorrichtung eingebettet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das viskoelastische Material durch einen Teil der viskoelastischen Masse gebildet wird, die sich in den Innenwand-Vertiefungen (Kavitäten) befindet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand- Vertiefungen (Kavitäten) an Innenwand-Abschnitten angeordnet sind, an denen der viskoelastische Massestrom lokal beschleunigt wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamten Innenwände des Verteilerbereichs aus einem viskoelastischen Material gebildet sind (Verteiler-Auskleidung),
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamten Innenwände der Düsen aus einem viskoelastischen Material gebildet sind (Düsen-Auskleidung).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Verteilerbereich aus einem viskoelastischen Material gebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamten Düsen aus einem viskoelastischen Material gebildet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche Totzonen bzw. Stauzonen des Massestroms sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verteilerbereich und den jeweiligen Düsen des Düsenbereichs jeweils ein ansteuerbares Ventil angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Drucksensor stromaufseitig von dem jeweiligen Ventil aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Ventil in Abhängigkeit von Drucksignalen des Drucksensors ansteuerbar ist.
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