WO1991015348A1

WO1991015348A1 - Schneckenextruder

Info

Publication number: WO1991015348A1
Application number: PCT/EP1991/000601
Authority: WO
Inventors: Wilfried Baumgarten
Original assignee: Kraftanlagen Ag
Priority date: 1990-04-02
Filing date: 1991-03-27
Publication date: 1991-10-17
Also published as: EP0474825A1; DE4010540C1; US5324108A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schneckenextruder, in dessen mindestens eine Schnecke (5) aufnehmenden Zylinder (1) Bohrungen für die Aufnahme von in den Förderbereich hineinragenden, in Radialebenen angeordneten Stiften (2) vorgesehen sind. Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Stiftzylinder-Extruder zu schaffen, dessen Stifte sich grundsätzlich weder verbiegen noch brechen können, dessen Stifte (2) gut temperierbar sind und dessen Stifte in ihrer Wirkung vielseitig einstellbar und den verschiedenen Anforderungen anpaßbar sind. Die Erfindung besteht darin, daß die Achsen der Stifte (2) tangential oder parallel zu den Tangenten der Schnecken (5) angeordnet sind.

Description

Schneckenextruder

Die Erfindung betrifft einen Schneckenextruder, in dessen mindestens eine Schnecke aufnehmenden Zylinder Bohrungen für die Aufnahme von in den Förderbereich hineinragenden, in Radialebenen angeordneten Stiften vorgesehen sind.

Derartige Extruder sind als Stiftzylinderextruder in ver¬ schiedenen Ausführungsformen bekanntgeworden, wobei die Stifte radial in den Zylinder hineinragen und in Umfangs- nuten des Schneckengewindes eingreifen. Der Hauptanwen¬ dungsbereich derartiger Stiftzylinderextruder ist bei Ein- schnecken-Extrudern. Gerade bei diesen Maschinen haben die Stifte eine besondere Bedeutung bei der Plastifizierung und Mischung des zu extrudierenden Gutes gewonnen, die z.B. nach DE-A- 01 37 813 für Teigknet- und Fleischschneide- maschinen abgewendet wurden. Auch für die Wurstherstellung sind Stiftextruder, z.B. nach US-A- 18 48 236, eingesetzt worden. Bei anderen vielfältigen Materialien, z.B. solchen, die entwässert werden müssen, sind spezielle Stiftextruder nach Patent DE-PS 14 54 801 bekanntgeworden.

Eine sehr große wirtschaftliche Bedeutung haben Stiftextru¬ der durch das Patent DE-PS 22 35 784 in der kautschukverarbeitenden Industrie erlangt, da es mit diesen Maschinen möglich wurde, auch große Durchsatzmengen mittels kalt beschickten Extrudern zu verarbeiten. (Mehr als ca. 6000 kg/h) . Die Kaltbeschickung erspart große Vorwärm¬ maschinen für die bis daher übliche Wärmebeschickungs- Extrusion und wurde mittels der Stiftextruder weltweit bereits auch in Anwendungen der kautschukverarbeitenden Industrie eingesetzt, die große Durchsatzmengen bei der Extrusion zu bewältigen hat, nämlich z.B. der Reifen- und der Transportband-Industrie. Dabei zeigte sich das Problem, daß manche der kalt beschickten Kautschukmischungen, die zumeist als "endloses" Fell beschickt werden, so hart oder zähe waren und für die Plastifizierung so große Kräfte benötigen, daß solche radial angeordneten Stifte einem starken Verschleiß unterlagen oder ungünstigstenfalls sogar verbogen oder abbrachen. Dadurch sind gelegentlich schwere maschinelle Schäden entstanden. Es ist natürlich versucht worden, durch entsprechende Gestaltung der Stifte, durch verbesserte Materialauswahl und -behandlung dem Verschleiß . und der Biege- und Bruchgefahr zu begegnen. Diese Bemühun¬ gen sind jedoch grundsätzlich nur unbefriedigend, da zumin¬ dest nach einigem unvermeidlichem Verschleiß der Stifte die Bruchgefahr erneut auftritt, selbst wenn diese im Neuzu- stand nicht bestand. Man hat auch Stifte mit kürzerer Ein¬ dringtiefe angewendet oder solche, deren Tiefeneinstellung veränderbar ist, z.B. nach DE-A- 35 03 911 oder DE-A- 35 06 424. Dabei ist aber der Nachteil vorhanden, daß kürzere Wirklänge oder Einstelltiefe auch eine geringere Wirksam- keit bei der Plastifizierung zur folge hat, was natürlich unerwünscht ist.

Auch ist die Tiefeneinsteilbarkeit mit der Fehlermöglich¬ keit behaftet, im kritischen Falle zu tief für die Härte der zu plastizierenden Masse einzustellen und damit eine Stiftbeschädigung herbeizuführen.

Weiterhin ist der technische Aufwand für die Verstellung der recht zahlreichen Stifte so hoch, daß praktisch davon nur sehr wenig Gebrauch gemacht worden ist.

Es sind auch Stiftbruch-Anzeigevorrichtungen bekanntgewor¬ den, z.B. nach DE-A- 32 21 472, die aber die Gefahr von Stiftbrüchen auch nicht beseitigen, sondern wegen der Stiftschwächung eher noch erhöhen, und die auch die Folge¬ schäden höchstens vermindern, aber kaum verhindern können. Besser sind bei optimaler Gestaltung und Stiftmaterial z.B. die Stiftbiegeanzeigen nach DE-A- 35 02 437, die ein rechtzeitiges Abschalten des Extruders ermöglichen, ehe ein nennenswerter Schaden entstanden ist. Diese Sicherungen sind, da für jeden gefährdeten Stift ein entsprechender

ERSATZBLATT

Sensor nötig ist, relativ teuer. Sie werden deshalb auch .nur selten verwendet.

Wegen der an sich erstrebten Plastifizierwirkung der Stifte entsteht beim Arbeitsprozeß an den Stiften selbst eine erhebliche Reibungswärme, die sich durch entsprechende Erwärmung der Mischungspartikel und der Stifte bemerkbar macht. Diese Erwärmung ist aber letztlich doch nachteilig und begrenzt die maximale Schneckendrehzahl des Extruders, damit auch die Extruder-Ausstoßleistung und die Wirtschaft¬ lichkeit.

Eine bereits in der DE-A- 22 35 784 vorgeschlagene Kühlung der Stifte ließ sich aus den geschilderten Gründen der be- grenzten Stiftfestigkeit bisher nicht realisieren.

Ein Problem der Stiftextruder bei der Verarbeitung von klebrigen Massen, z.B. manchen besonders wandhaftenden Kautschukmischungen, besteht in der Haftung von Mischungs- resten auf der Lee-Seite der Stifte, den sogenannten "toten Ecken". Mindestens eine teilweise Verschmutzung im Arbeits¬ raum Arbeitsraum der Maschine muß in diesen Fällen bei Stillsetzung in Kauf genommen werden. Man hilft sich oft¬ mals durch Anwendung einer nachträglich durchzusetzenden Reinigungsmischung oder man nimmt bei Wiederinbetrieb¬ setzung des Extruders eine gewisse Anfangs-Mischungsver- schmutzung in Kauf, was aber beides als nachteilig anzuse¬ hen ist.

Die DE-A- 38 05 849 sieht abgeschrägte Stifte vor, welche das Problem der Mischungsanhaftung und "toten Ecken" ver¬ mindern sollen, jedoch ist dieses nur absolut unzureichend möglich, wenn die Stifte nicht zu stark geschwächt werden sollen. Dasselbe gilt für ähnliche Gesichtspunkte bei den stromlinienförmig ausgebildeten Stiften nach DE-A- 36 13 584 und DE-A- 36 13 612, welche aufgrund ihrer Konfigura-

^ERS tion nur für wenig zähe zu verarbeitenden Massen geeignet sind.

Ein Erfindungsgedanke nach Patent IT-PS 11 84 555 versucht, die festigkeitsmäßigen Nachteile und Probleme der Stifte durch ein e nicht-radiale Anordnung, also durch schrägen Einbau in den Wirkungsbereich der Extruderschnecke, zu vermindern. Der Nachteil dieser Bauweise besteht darin, daß die Stifte mit schräger oder bogenförmig ausgearbeiteter Bodenfläche hergestellt und absolut winkelrichtig montiert und gesichert werden müssen, was nicht nur kostenaufwendig, sondern auf Dauer auch schwer garantierbar ist. Die Bruch¬ gefahr ist nur vermindert, aber nicht beseitigt. Außerdem verschlimmert sich das geschilderte Problem der "toten Ecken" gegenüber der radialen Stiftanordnung noch. Die

Zylinderbauart ist nicht mit auswechselbarer Verschleiß¬ büchse realisierbar und die verfügbare Kühlfläche wird im Vergleich zu herkömmlichen Extrudern vermindert, weshalb die Durchsatzleistung verringert und die Wirtschaftlichkeit verschlechtert wird. Diese Bauart hat sich daher nicht ein¬ geführt.

Die Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Tech¬ nik. Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Stiftzylinder- Extruder zu schaffen, dessen Stifte sich grundsätzlich weder verbiegen noch brechen können, dessen Stifte gut temperierbar sind und dessen Stifte in ihrer Wirkung viel¬ seitig einstellbar und den verschiedenen Anforderungen anpaßbar sind.

Die Erfindung besteht darin, daß die Achsen der Stifte tan¬ gential oder parallel zu den Tangenten der Schnecken angeordnet sind.

Während im Stande der Technik die Stifte radial angeordnet sind und daher die Belastungen radial am Stift angreifen und daher den Stift brechen können, ist diese Gefahr bei

ERSATZBLATT der erfindungsgemäßen Anordnung der Stifte gebannt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Stifte wird deren Plastifi- zierwirkung und Mischwirkung in anderer Weise erzielt, näm¬ lich durch sich verengende Gangteile, was die AufSchließung und Plastifizierung von Material wesentlich günstiger gestaltet.

Eine Ausführungsmöglichkeit besteht darin, daß die Stifte in einer Bohrung gelagert sind und mit ihrem Ende frei in den Zylinder hineinragen. Dabei können die Stifte wie ein Dorn gegen den Materialstrom stehen, aber auch in Richtung des Materialflusses stehen. In beiden Fällen ist erreicht, daß die auf den Stift wirkenden Kräfte nicht voll radial auf den Stift wirken können, sondern immer nur mit einer radialen Komponente. Sollten unerwünschterweise Metallteile in den Materialstrom eingetreten sein, so greifen diese Metallteile nicht am Ende, sondern in mittleren Bereichen des Stiftes an und üben damit ein kleineres Moment auf den Stift aus als dieses bei den herkömmlichen radial angeord- neten Stiften der Fall ist.

Interessant ist auch eine Ausführungsform des frei in desn Zylinder hineinragenden Stiftes, bei dem das Stiftende tan¬ gential in der die Gewindegänge der Schnecke unterbrechen- den Rille unter Belassung eines geringen Spaltes zum

Rillengrund steht. Hier können unerwünscht in den Material¬ strom eingetretene Metallteile den Stift zwar geringfügig biegen, so daß er mit seinem Ende an dem Rillengrund anliegt, brechen können diese Metallteile den Stift jedoch nicht.

Bei dieser Ausführungsform der Stiftanordnung ist es vorteilhaft, wenn die Stifte in ihrem im Zylinder befindli¬ chen Bereich konisch oder im Längsschnitt elliptisch oder im Querschnitt unrund gestaltet sind. Durch diese Gestal¬ tung läßt sich die Plastifizierwirkung dem zu plastifizie-

ERSATZBLATT renden Material entsprechend auf besonders günstige Werte einstellen.

Eine andere Möglichkeit der Anordnung der Stifte, die zu einer völligen Bruchsicherheit führt, besteht darin, daß die Stifte an beiden Enden in zwei Bohrungen des Zylinders gelagert sind. Derartig angeordneteStifte lassen sich auch besonders leicht temperieren, ist es doch möglich, das eine Stiftende als Eingang für das Temperiermittel, das andere Stiftende als Ausgang für das Temperiermittel zu benutzen.

Bei diesen Stiften läßt sich ihre Wirkung auch während des Betriebes ohne Auswechseln der Stifte verändern, wenn die Stifte zumindest über einen Teil ihrer im Zylinder liegen- den Länge im Querschnitt unrund sind und während des Betriebs verdrehbar sind.

Eine andere Möglichkeit der Lagerung der Stifte im Zylinder besteht darin, daß die Bohrung so in der ZylinderInnenwand liegt, aß der eingelegte Stift nur mit einem Teil seiner Umfangsflache in den Innenraum des Zylinders hineinragt. Vom Innenraum des Zylinders her betrachtet, treten solche Umfangsflachen von Stiften in den Zylinderinnenraum wie Wülste hinein. Dadurch ergibt sich eine ganz besondere, vom herkömmlichen abweichende Plastifizier-. Aufschließ- und Mischwirkung.

Vorteilhaft ist es, wenn die Stifte mit mindestens einem Kanal für die Aufnahme oder den Durchfluß eines Temperier- mittels versehen sind. Gerade im Bereich der Stifte treten ja durch die an den Stiften geleistete Plastifizier-, Auf- schließ- und Mischarbeit eine besondere Temperaturerhöhung auf. Der hier auftretenden Materialerwärmung kann durch die Temperierung der Stifte entgegengewirkt werden. Dabei können die Temperiermittel Kühlvorrichtungen oder fließende Kühlmittel sein. In besonderen Fällen, in denen hier eine weitere Temperaturerhöhung gewünscht wird, können in die

ERSATZBLATT Stifte Heizvorrichtungen eingebaut werden oder man kann durch die Stifte Heizmittel, wie warmes Wasser oder Dampf, hindurchleiten.

Gefahrlos können die Stifte auch mit Bohrungen für die Auf¬ nahme von Sensoren oder Meßgebern versehen werden.

In manchen Fällen wird es zweckmäßig sein, die tangential liegenden Stifte in einer, vorzugsweise der ersten Ebene, anzuordnen und in weiteren Ebenen radial angeordnete Stifte vorzusehen. So können die unterschiedlichen Mischwirkungen der verschiedenen Stiftanordnungen in ein- und demselben Extruder gemeinsam angewandt werden. Besondere Wirkungen können sich dadurch ergeben, daß Teile der Umfangsflachen der Stifte mit vorzugsweise schräg angeordneten Vertiefun¬ gen insbesondere in Form von Rillen versehen sind. Der Auf¬ schluß des Materials wird hierdurch wesentlich beschleu¬ nigt, weil durch die Rillen bereits aufgeschlossenes Mate¬ rial leichter in Förderrichtung entweichen kann, während die Rillen selbst auf noch nicht aufgeschlossenes Material die Wirkung eines Teilens ausüben.

Es kann von Vorteil sein, wenn - in Förderrichtung gesehen - hinter den Stiften Entgasungsanordnungen vorgesehen sind, die hier im Schatten der Stifte eine besonders günstige Anordnung für die Abführung von im Material vorhandenen oder gebildeten Gas aufweisen.

Das Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Extruder mit zwei Stiften in einer Radialebene;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Extruder mit drei Stiften in einer Radialebene; Q

. Fig. 3 einen Extruder mit vier zylindrischen nur teilweise in den Innenraum des Extruders hereinragenden Stiften;

Fig. 4 einen Extruder mit vier am Ende kegelförmig gestalteten Stiften;

Fig. 5 einen Teil eines Längsschnittes durch einen Extruder; und

Fig. 6 einen Schnitt eines dem in Figur 3 darge¬ stellten Extruder ähnlichen Extruders mit vier Stiften, die jedoch zum Zweck der Ent- gasung über ein von außen anzulegendes

Vakuum oder zur Begasung in Längsrichtung durchbohrt sind.

In Figur 1 ist ein Schnitt durch einen Einschnecken-Extru- derzylinder 1, der in der Schnittebene keine Kühlkammer aufweist, da diese zumeist zwischen den Stiftebenen liegt, dargestellt. Der Zylinder kann in bekannter Weise mit einer Harzstoffausschleuderung zwecks Verschleißminderung verse¬ hen sein. Die Bohrungen für die Aufnahme der Stifte 2 sind hier durchgehend angeordnet und schneiden die Zylinder¬ innenwand. Die in die Bohrungen eingesetzten Stifte weisen an ihrem einen Ende einen Kopf auf, der mit Gewinde verse¬ hen ist, welches in ein Innengewinde der Bohrung ein¬ schraubbar ist. Für dieses Einschrauben dient ein am Kopf angeordneter Sechskant. Der Stift erstreckt sich in dieser Bohrung so weit, daß er an beiden Enden in der Bohrung fest gelagert ist. Der Stift ist aus diesem Grunde länger gestaltet als die längste Länge der Bohrung im Zylinder¬ innenraum. Da der Stift nur mit einem kleinen Teil seiner Umfangsflache in den Innenraum des Zylinders hineinragt, ist ein Abbrechen dieses Stiftes völlig unmöglich. Der Stift ist so angeordnet, daß er den Grund der in der

ERSAT Schnecke 5 befindlichen Rille ebenso wenig wie die an . dieser Stelle mit einer Ausnehmung (der Rille) versehenen Schneckenstege berührt.

Mit Hilfe eines Zufuhrrohres 3 und eines Abfuhrrohres 4 kann im Stift eine Flüssigkeitstemperierung erfolgen. Dadurch, daß zwischen der Stiftumfangεflache und der Schneckenkernumfangsflache ein sich im Querschnitt vermin¬ dernder Spalt gebildet ist, findet hier eine in besonderer Weise erfolgende Behandlung des Materials statt.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind drei nicht durchge¬ hende Bohrungen für die Aufnahme von zylindrischen Stiften 6 vorgesehen.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 sind vier Bohrungen vor¬ gesehen, deren Ende jeweils in einer Radialebene liegt. Die hier eingesetzten zylindrischen Stifte 7 bilden im Schneckengang radiale Stirnflächen aus, hinter denen eine Dekomprccsion des Materials und dabei eine besonders gute

Vermischung des Materials auftritt. An dieser Stelle können Bohrungen in der Zylinderwand vorgesehen sein, die der Abführung von unter dem Extruderstrom befindlichen Gas dienen können. Die Radialebene, in der die Stirnseiten von zwei Stiften 7 liegt, ist mit dem Bezugszeichen 8 versehen und verläuft durch die Achse der Schnecke.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 4 sind vier Stifte 9 in einer Radialebene angeordnet, die über einen wesentlichen Teil ihrer Stiftlänge zylindrisch, am Ende jedoch kegel¬ förmig gestaltet sind. Dieser Kegel 10 legt sich mit seiner Umfangsflache in die hier ebenfalls kegelförmig gestaltete Bohrung, so daß keine toten Ecken entstehen.

Figur 5 zeigt einen Teil eines Längsschnittes durch den Schneckenextruder mit Stiften 2 in zwei Radialebenen.

ERSATZBLATT Zwischen diesen Radialebenen sind in der Zylinderwandung Kühlkanäle 11 vorgesehen.

Um eine Entgasung in einer Zone des Extruders zu ermögli- chen, wurde bei bekannten Extrudern die Schnecke in der Entgasungszone mit dem Nachteil tiefer geschnitten, daß dann ein geringeres Drehmoment übertragbar war. Ein anderer Weg bestand darin, in dieser Entgasungszone eine Ausnehmung im Zylinder vorzusehen, was einen größeren Fertigungsauf- wand erfordert. Im Unterschied hierzu wird nunmehr bei dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel die Länge der Stifte - ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 - in der Entgasungszone verkleinert, und diese Stifte 12 werden mit jeweils einer in der im Zylinder 1 liegenden Stirn- fläche des Stifts offen mündenden Durchgangsbohrung 13 ver¬ sehen, an die von außen das Vakuum für die Entgasung ange¬ legt wird. Über die Durchgangsbohrung 13. kann andererseits - in Sonderfällen - auch ein Druckgas,eine Flüssigkeit oder ein - z.B. durch Aufschmelzen plastifizierter - Zuschlag- Stoff unter Druck eingespeist werden.

ERSATZBLATT

Claims

//A n s p r ü c h e

1. Schneckenextruder, in dessen mindestens eine Schnecke aufnehmenden Zylinder Bohrungen für die Aufnahme von in den Förderbereich hineinragenden, in Radialebenen angeordneten Stiften vorgesehen sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Achsen der Stifte (2, 6, 7, 9, 12) tangential oder parallel zu Tangenten der Schnecke (5) bzw. der Innenwand des Zylinders (1) angeordnet sind.

2. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß die Stifte (7) in einer Bohrung gelagert sind und mit ihrem Ende frei in den Zylinder (1) hineinragen.

3. Schneckenextruder nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Stifte (9) in ihrem im Zylinder (1) befindlichen Bereich konisch oder im Längsschnitt ellip¬ tisch oder im Querschnitt unrund gestaltet sind.

4. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Stifte (2) an beiden Enden in einer oder in zwei Bohrungen des Zylinders (12) gelagert sind.

5. Schneckenextruder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Stifte zumindest über einen Teil ihrer im Zylinder liegenden Länge im Querschnitt unrund sind.

6. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Bohrung so in der Zylinderinnenwand liegt, daß der eingelegte Stift nur mit einem Teil seiner Umfangs- flache in den Zylinderinnenraum hineinragt.

7. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Stifte (2, 9) mit mindestens einem Kanal (3,

ERSATZBLATT 4) für die Aufnahme oder den Durchfluß eines Temperier¬ mittels versehen sind.

8. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß die Stifte mit Bohrungen für die Aufnahme von Sen¬ soren versehen sind.

9. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß die tangential liegenden Stifte in einer, vorzugs- weise der ersten Ebene, angeordnet sind und daß in weiteren Ebenen radial angeordnete Stifte vorgesehen sind.

10. Schneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß Teile der Umfangsflachen der Stifte mit vorzugs- weise schräg angeordneten Vertiefungen, insbesondere in Form von Rillen, versehen sind.

11. Schneckenextruder nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung von Bohrungen (13) für die Evakuierung hinter den Stiften (2, 6, 7, 9, 12).

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