WO2007101752A1 - Extruder-/spritzgiessschnecke - Google Patents
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- WO2007101752A1 WO2007101752A1 PCT/EP2007/050805 EP2007050805W WO2007101752A1 WO 2007101752 A1 WO2007101752 A1 WO 2007101752A1 EP 2007050805 W EP2007050805 W EP 2007050805W WO 2007101752 A1 WO2007101752 A1 WO 2007101752A1
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- 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
- B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
- B29C45/17—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
- B29C45/46—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it into the mould
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- 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 extruder / injection screw according to the preamble of claim 1.
- US Pat. No. 6,921,191 B2 discloses an extruder screw with a feed zone, a melting zone and a discharge zone, in which, according to a first example along a conveying direction from the feed zone to the discharge zone, the screw core diameter initially decreases linearly from the beginning of the feed zone and in a second Section increases linearly again. In a second example, the screw core diameter initially decreases linearly. In a following zone, it is a bit constant along the longitudinal axis of the screw and then again increases linearly and again runs constantly in the end area of the screw.
- US Pat. No. 6,752,528 discloses an extruder screw with a feed zone, a melting zone and a discharge zone, wherein the screw core diameter increases linearly within the melting zone at a constant pitch, so that along the melting zone the channel cross section decreases linearly.
- US 2004/0213077 A1 discloses an extruder screw with a feed zone, a melting zone and a discharge zone, in which the channel cross section in the melting zone is always greater than the channel cross section in the feed zone.
- An enlargement of the channel cross-section in the region of the melting zone relative to the feed zone can be achieved by a suitable Choice of the channel width, which corresponds to the pitch and the channel depth, which corresponds to the flight depth, can be achieved.
- the feed zone 100 is essentially responsible for the intake, demand and compression of the plastic raw material and is intended to realize a pressure build-up.
- the melting zone 101 is intended to transfer the delivered solid as gently as possible and completely into the molten state.
- a screw tip (not shown) is usually still a jerk current lock, which is intended to prevent the backflow of the melt located in the screw space during the injection phase and Nachdruckphase.
- screw 1 which is rotatably mounted in a worm cylinder 2 in a drive direction 3.
- the screw 1 has a screw core 4 with a core diameter D.
- a worm gear 5 is arranged around the screw core 4, surrounding it like a helix.
- the worm gear 5 is formed as a web and projects outside circumferentially around the screw core 4 a piece on this.
- a conveying direction 6 results along a worm longitudinal axis for material conveyed by the worm 1, which is located in a worm channel 7, referred to below as channel 7.
- the channel 7 is delimited by the worm core 4, adjacent sections of the worm thread 5 and on the outside by the worm cylinder 2.
- the worm gear 5 has a trailing edge 5a and a trailing edge 5b, the trailing edge 5a in the direction of Direction of conveying 6 has and the counter-trailing edge 5b facing this direction.
- the worm gear 5 has a pitch angle ⁇ .
- the distance between the screw core 4 and the inside of the worm cylinder 2 is referred to as the channel depth h.
- the worm gear 5 has a web width e. As a passage width b, the clear width between two successive flights 5 is defined.
- the relative velocity v re i is the speed of the material located in the channel 7 relative to the screw cylinder 2 in the conveying direction 6 when the screw 1 is driven.
- FIGS. 2a-2c The entire melting zone 101 of the screw is schematically illustrated in FIGS. 2a-2c by means of a channel 7 developed in the plane of the drawing (FIG. 2a), in longitudinal section (FIG. 2b) and in cross-section (FIG. 2c) (in the direction v re i).
- a located in the channel 7 solid / solid block 10 is surrounded on all sides by melt. It slides on melt films 11 on the screw root (screw core 4) and 12 on a counter flank 5 a, the thickness of which steadily increases in the conveying direction 6 due to viscous friction and heating by the hot screw 1.
- the melting of the solid 10 takes place, however, mainly on a hot cylinder wall 13 of the screw cylinder 2 by heat conduction and viscous friction (dissipation) in a few tenths of a millimeter thick melt film 14 between the solid 10 and the cylinder wall 13.
- the relative velocity v re i ensures that the resulting wall-adherent melt is immediately dragged away, whereby the melt film 14 always remains very thin.
- both the heat conduction from the hot cylinder wall 13 into the solid 10 and the dissipation in the melt film 14 and thus the melting performance in the underlying solid 10 are forced.
- the carried-away melt on the shear flank 5a is largely scraped off and collects in a melt pool / melt vortex 15.
- the solid 10 is also melted on the melt vortex (melt pool) 15 facing side.
- a small part of the melt from the melt vortex 15 passes back into the melt film 14 via a leakage gap 16.
- the melt vortex 15 becomes ever wider, pushing the deformable and therefore narrowing solid block 10 towards the trailing edge flank 5b.
- the screw 1 is usually carried out in the melting zone 101 with decreasing flight depth h, whereby the solid block 10 is both crimped in the width and accelerated in the channel direction 17.
- the solid block 10 Towards the end of the melting zone 101, the solid block 10 often breaks apart into sections 18 as a result of acceleration forces and the idealized notions shown in FIG. 2c meet in this end region of the melting zone 101 in practice then no longer. If the parts floating in the melt do not or only insufficiently melt in the successor zones of the screw 1, this leads to thermal inhomogeneities in the molded part / extrudate, as a result of which the product quality can be considerably impaired.
- Conventional screws 1 have in the melting zone 101 a to the discharge zone 102 toward linearly decreasing channel depth h.
- the channel cross-section A 0 of a screw 1 is calculated in each section of the screw 1 from the product of its passage width b and the flight depth h in this section.
- loss surfaces resulting from the usually present flank angles and radii can be taken into account.
- a conventional worm 1 with constant pitch t and continuously decreasing pitch h this is illustrated below by way of example.
- Screw diameter D 50 mm
- the melting zone 101 is divided, for example, into sections.
- Interval z: 0 mm, ⁇ L, ... L
- the pitch angle is first calculated
- Aisle width b (z): - ⁇ - v ⁇ v y - e (z) i
- FIG. 3 shows the channel cross-sectional profile Ao (z) in the unit mm 2 as a solid line and the channel cross-sectional profile A (z) in mm 2 as a dotted line.
- the graph for the channel cross section A (z) lies continuously below the graph of the channel cross section A 0 (z).
- the difference between the values for a channel cross section Ao and a channel cross section A, each for a specific value z, is a measure of the loss areas.
- the channel cross-section Ao (z) and the channel cross-section A (z) extend over the entire area, for linearly decreasing (A 0 (z)) or concave falling (A (z)).
- Screws 1 from the prior art usually have the disadvantage that towards the end of the melting zone 101 toward the discharge zone 102, the solid block 10 breaks apart into the sections 18, usually as a result of high acceleration forces. This could be demonstrated by means of sections. Thus, the reflow process is ineffective and the part quality of the extruded or injection molded product is adversely affected. If individual sections 18 made of solid 10 can not be completely melted in the subsequent discharge zone 102 of a standard screw 1 or the mixing zone of a mixing screw, this leads to inhomogeneities in the molded part.
- the object of the invention is to provide an extrusion / injection screw, in which an improved melting behavior is realized and the melt has an improved thermal and mechanical homogeneity. Furthermore should be possible an increased mass flow rate with the same or even improved quality of the melt. Another object is to avoid a breakup of a solid block within the melting zone and thus to improve the melting performance of the extruder / injection screw in the region of the melting zone.
- An inventive realization is that the course of the pitch t and the course of the channel depth h along a conveying direction 6 from the feed zone 100 to the discharge zone 102 (metering zone) are selected such that the course of the channel cross section A 0 obeys a convex curve.
- a convex curve is an image of a function which always lies above one of its tangents in a section under consideration.
- a function f differentiable in an area (a, b) is convex if the first derivative of the function f in the area (a, b) is monotonically increasing.
- a function f differentially differentiable in a range (a, b) is convex in the range (a, b) if, for all values from the range (a, b), the second derivative of the function f is greater than or equal to 0 is (see Bronstein, Taschenbuch der Mathematik, 23rd Edition 1987, page 270, 271 with footnote 1).
- screw 1 an extruder / injection screw 1
- a substantial improvement in the cohesion of the solid block 10 in the melting zone 101 of the screw 1 can also be achieved up to the end of the melting zone 101 if the acceleration of the material strand within the channels 7 is at a low level, in particular at a low level constant or nearly constant. If the acceleration of the flow of material within the channel 7 is constant or almost constant over the entire or almost over the entire melting zone 101, excessive forces are avoided due to increased acceleration, for the breakup of the solid block 10, in particular at the end or to the end of Melting zone 101, are responsible. The acceleration forces or an increase in the acceleration forces can be avoided or reduced if the acceleration over the entire reflow zone 101 is kept constant, in particular at a low level constant. For this purpose, it was recognized in a further step of the invention that the acceleration of the material flow can be kept constant when the channel cross section A 0 of the screw channel 7 decreases or increases within the melting zone 101 following a convex function.
- the channel cross-section ⁇ Ao (z) can be influenced via a specification of the course depth profile ⁇ h (z), the pitch gradient ⁇ t (z) or a combination of the two.
- a constant pitch t for example, the gradient, z. B. the Gangtiefenabdging / increase ⁇ h (Z), at the beginning the melting zone 101 is greater than at the end of the melting zone 101, while with steadily decreasing flight depth h (z) the pitch .DELTA.t (z) decreases at the beginning of the melting zone 101 and increases towards the end of the melting zone 101 out again.
- the screw channel 7 along the channel 7 next to one another into a region with a constantly decreasing channel cross-section A 0 , z. B. with half aisle width b, and divide into an area with a convexly extending channel cross section Ao.
- the screw 1 is stepped in the region of the channel bottom, wherein a partial channel increases linearly in cross section and another partial channel obeys a convex function in cross section.
- Figure 1 schematically a partially sectioned longitudinal sectional view of an extruder / injection screw for illustrating terms to be defined;
- Figure 2a a schematic representation of a melting process in a melting zone according to Maddock in a developed channel top view
- FIG. 2b shows a sectional view along the line Z-Z in FIG. 2a
- FIG. 2c shows a sectional view along the line X-X in FIG. 2a;
- FIG. 3 is a graphic representation of a channel cross-sectional profile of a channel of a screw according to the prior art along the melting zone;
- Figure 4 is a graphical representation of a flow rate in a channel of a screw according to the prior art along the melting zone;
- FIG. 5 a graphic representation of the acceleration profile in a channel along the melting zone according to the prior art.
- FIG. 6 a graphic representation of the channel cross-section profile according to the invention and according to the prior art
- Figure 7a graphically a comparison of the course of the
- FIG. 7b shows graphically the course of the channel velocity according to the invention in comparison with the prior art
- Figure 7c graphically shows the course of the acceleration in the channel according to the invention over the prior art
- Figure 8a the course of the pitch according to the invention in comparison with the prior art
- Figure 8b the course of the flow velocity in the channel according to the invention in comparison with the prior art
- Figure 8c the course of the acceleration in the channel according to the invention in comparison with the prior art.
- the aim is to design the melting zone 101 of a screw 1 so that the granulate / melt mixture - especially at the end of the melting zone 101 - is accelerated only slightly, thereby breaking the solid block 10 and the resulting negative effects on the melt ( see above).
- a screw 1 is presented, the channel cross-section Ao in the melting zone 101 is not linear or concave from the end of the feed zone 100 toward the beginning of the discharge zone 102 extends (usually decreases), but follows a convex curve. This can be done both via a specification of the course depth profile .DELTA.h (z), of the pitch gradient .DELTA.t (z) or via a combination of both.
- the granules are converted into melt.
- the density at the end of the feed zone 100 (according to Bürkle) and at the end of the melt zone 101 can be assumed at the beginning of the melting zone 101 by the melt density of the plastic to be processed.
- an actual flow rate profile in the channel 7 is shown by way of example in FIG.
- the numerical values are as shown in FIG based on the previously explained in more detail snail from the prior art.
- the actual acceleration in channel 7 is shown graphically with the numerical specifications in FIG. 5 for FIG. 4 for this example from the prior art.
- a derivation for the design of a screw 1 according to the invention is given in the following, in which the goal of a constant acceleration in the channel 7 within the melting zone 101 is reached.
- the flow velocity over the length of the reflow zone 101 increases constantly, ie with constant acceleration (see above).
- a linearly increasing flow velocity is desirable.
- V ⁇ . v (z) ⁇
- v (z) the loss areas are not considered.
- the channel cross-section ⁇ Ao (z) determined according to the invention is graphically represented in FIG. 6 together with the linearly sloping cross-sectional profile A 0 (z) according to the prior art.
- the channel cross-sectional profile ⁇ Ao (z) has a convex curve over the selected z-region since the graph of the function ⁇ A 0 (Z) for all z from the considered region always runs above a tangent arbitrarily applied to this graph (see definition above).
- the required flight depth profile ⁇ h (z) at constant or linear gear Slope t (z) or the required pitch gradient .DELTA.t (z) at constant or linear flight depth h (z) derive.
- FIGS. 7a to 7c show the passageway course ⁇ h (z) according to the invention in a dotted line and the passageway course h (z) according to the prior art in a solid line.
- FIG. 7b shows the channel velocity curve v h (z) according to FIG of the invention in a dotted line and the channel velocity course v t (z) according to the prior art in a solid line.
- 7c shows the acceleration curve a h (z) according to the invention in a dotted line and the acceleration curve a t (z) according to the prior art in a solid line.
- FIG. 7 a shows that, given a constant pitch t, the flight depth course ⁇ h (z) according to the invention must obey a convex function which is particularly monotonically decreasing. This results in a resulting channel velocity according to the invention, which is formed linearly increasing (see Fig. 7b). This means that the associated acceleration ah (z) is constant, as shown in Fig. 7c. In contrast, the resulting acceleration a t (z) according to the prior art is increasing. Thus, the goal of a constant acceleration over the entire region of the melting zone 101 is achieved. This results in a uniform force entry on the solid block 10, so that an unwanted tearing of the sections 18 is avoided.
- FIGS. 8a to 8c The numerical values listed above in tabular form are shown graphically in FIGS. 8a to 8c.
- Fig. 8a shows the pitch gradient .DELTA.t (z) according to the invention in a dotted line and the pitch curve t (z) according to the prior art in a solid line.
- 8b shows the course of the flow velocity v st (z) according to the invention in a dotted line and the profile of the flow velocity v t (z) according to the prior art in a solid line.
- 8c shows the course of the acceleration a st (z) according to the invention in a dotted line and the acceleration curve a t (z) according to the prior art in a solid line. From FIG.
- the curve of the function ⁇ t (z) is convex in the sense of the above definition, since the graph of the function always runs above its tangents. From such a course of the pitch .DELTA.t (z) over z results in accordance with FIG. 8b, a desired according to the invention linear increase in the flow velocity in the channel 7 which is shown in Fig. 8b.
- the associated acceleration a st (z) according to the invention must be constant. This is illustrated in Fig. 8c. Since the acceleration in the channel 7 is constant over the entire melting zone 101, an increase in force is avoided, especially at the end of the melting zone 101 on the solid block 10, so that accidental breaking or tearing off of sections 18 is avoided.
- the same procedure applies.
- the acceleration can be kept constant at a low level by means of a convex profile of the channel cross-section ⁇ A 0 from the feed zone 100 to the discharge zone 102.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schnecke für eine Extrudervorrichtung oder eine Spritzgießvorrichtung aufweisend zumindest eine Aufschmelzzone (101) mit einem Kanal (7) für aufzuschmelzendes Material, der einen Kanalquerschnitt besitzt. Um eine Extrusions-/Spritzgießschnecke anzugeben, bei der ein verbessertes Aufschmelzverhalten realisiert ist und die Schmelze eine verbessere thermische und mechanische Homogenität besitzt, wird vorgeschlagen, dass der Kanalquerschnitt innerhalb der Aufschmelzzone (101) einen Kanalquerschnittsverlauf (ΔĂ0) besitzt, der entlang einer Koordinate (z) konvex verläuft.
Description
Extruder-/Spritzgießschnecke
Die Erfindung betrifft eine Extruder-/Spritzgießschnecke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US 6921191 B2 ist eine Extruderschnecke mit einer Einzugszone, einer Aufschmelzzone und einer Austragszone bekannt, bei der gemäß einem ersten Beispiel entlang einer Förderrichtung von der Einzugszone hin zur Austragszone der Schnecken- kerndurchmesser vom Beginn der Einzugszone an zunächst linear abnimmt und in einer zweiten Sektion wieder linear zunimmt. In einem zweiten Beispiel nimmt der Schneckenkerndurchmesser zunächst linear ab. In einer darauffolgenden Zone ist er entlang der Schneckenlängsachse ein Stück konstant und steigt dann wiederum linear an und verläuft im Endbereich der Schnecke wiederum konstant.
Aus der US 6752528 ist eine Extruderschnecke mit einer Einzugszone, einer Aufschmelzzone und einer Austragszone bekannt, wobei innerhalb der Aufschmelzzone bei konstanter Gangsteigung der Schneckenkerndurchmesser linear zunimmt, so dass entlang der Aufschmelzzone der Kanalquerschnitt linear abnimmt.
Aus der US 2004/0213077 Al ist eine Extruderschnecke mit einer Einzugszone, einer Aufschmelzzone und einer Austragszone bekannt, bei der der Kanalquerschnitt in der Aufschmelzzone immer größer ist als der Kanalquerschnitt in der Einzugszone. Eine Vergrößerung des Kanalquerschnitts im Bereich der Aufschmelzzone relativ zur Einzugszone kann durch eine geeignete
Wahl der Kanalbreite, welche der Gangsteigung entspricht und der Kanaltiefe, welche der Gangtiefe entspricht, erreicht werden .
Üblicherweise werden aus Wirtschaftlichkeitsgrunden und im Sinne einer rationellen Verarbeitung Standartausfuhrungen von Spritzgießmaschinen mit Drei-Zonen-Universalschnecken geliefert, mit denen sich fast alle für die Spritzgießverarbeitung gebrauchlichen Thermoplaste gut verarbeiten lassen. Dieser Schneckentyp ist wie in der Extrusion durch die Aufteilung der Schnecke 1 (Fig. 1) in drei verschiedene Zonen, einer Einzugszone 100, einer Umwandlungszone (Aufschmelzzone, Kompressionszone) 101 und einer Austragszone 102 (Metering-Zone), aufgeteilt. Den einzelnen Zonen kommen unterschiedliche Aufgaben zu .
Die Einzugszone 100 ist im Wesentlichen für die Aufnahme, Forderung und Verdichtung des Kunststoffrohstoffes verantwortlich und soll einen Druckaufbau realisieren.
Die Aufschmelzzone 101 soll den angelieferten Feststoff möglichst schonend und vollständig in den schmelzflussigen Zustand überfuhren.
In der Austragszone 102 erfolgt das Fordern und Mischen der Schmelze durch Schlepp- und Druckstromung.
An einer Schneckenspitze (nicht dargestellt) befindet sich in der Regel noch eine Ruckstromsperre, die das Zurückströmen der sich im Schneckenvorraum befindlichen Schmelze wahrend der Einspritzphase und Nachdruckphase verhindern soll.
Die wichtigste Aufgabe einer Spritzgießplastifiziereinheit ist das Umwandeln des Feststoffes in Schmelze. Das Gesamtsystem
"Plastifizieraggregat" , dessen wesentlicher Bestandteil die Extruder-/Spritzgießschnecke 1, auch Plastifizierungsschnecke genannt, ist, wird vorrangig nach ihrem Aufschmelzvermögen beurteilt. Durch das Aufschmelzverhalten wird entscheidend die Massehomogenität im Schneckenvorraum und damit die Formteilqualität beeinflusst. Für Extrusionsschnecken wurden viele qualitative visuelle Untersuchungen vorgenommen, um Erkenntnisse über den Aufschmelzvorgang zu erlangen. Bei der Verarbeitung vieler im Schmelzezustand wandhaftender Kunststoffe wurde das Maddock-Modell inzwischen von vielen Autoren im Wesentlichen bestätigt und hat sich weitgehend durchgesetzt. Dieses Modell wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis Fig. 2c kurz erläutert, wobei Fig. 1 schematisch eine Schnecke 1 zeigt und zur Erläuterung nachfolgend benutzter Begriffe dient.
Fig. 1 zeigt ausschnittsweise eine Extruder-
/Spritzgießschnecke 1, im Folgenden Schnecke 1, welche in einem Schneckenzylinder 2 in einer Antriebsrichtung 3 drehbar gelagert ist. Die Schnecke 1 besitzt einen Schneckenkern 4 mit einem Kerndurchmesser D. Um den Schneckenkern 4 ist, diesen helixartig umgebend, ein Schneckengang 5 angeordnet. Der Schneckengang 5 ist als Steg ausgebildet und ragt außen umfänglich um den Schneckenkern 4 ein Stück über diesen hervor. Bei einem Antrieb der Schnecke 1 in der Antriebsrichtung 3 ergibt sich eine Förderrichtung 6 entlang einer Schneckenlängsachse für von der Schnecke 1 gefördertes Material, welches sich in einem Schneckenkanal 7, im Folgenden Kanal 7 genannt, befindet. Der Kanal 7 wird durch den Schneckenkern 4, benachbarte Abschnitte des Schneckenganges 5 und außenseitig durch den Schneckenzylinder 2 begrenzt.
Der Schneckengang 5 besitzt eine Schubflanke 5a und eine Ge- genschubflanke 5b, wobei die Schubflanke 5a in Richtung der
Förderrichtung 6 weist und die Gegenschubflanke 5b entgegen dieser Richtung weist.
Der Schneckengang 5 weist einen Gangsteigungswinkel φ auf. Der Abstand zweier gleichartiger Flanken, d. h. der Abstand zwischen zwei in Förderrichtung 6 (= Schneckenlängsrichtung) aufeinanderfolgenden Schubflanken 5a oder zwischen zwei in Förderrichtung aufeinanderfolgenden Gegenschubflanken 5b wird als Gangsteigung t bezeichnet. Der Abstand zwischen dem Schneckenkern 4 und der Innenseite des Schneckenzylinders 2 wird als Gangtiefe h bezeichnet.
Der Schneckengang 5 hat eine Stegbreite e. Als Gangbreite b ist die lichte Weite zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schneckengängen 5 definiert.
Als Relativgeschwindigkeit vrei ist die Geschwindigkeit des sich im Kanal 7 befindlichen Materiales relativ zum Schneckenzylinder 2 in Förderrichtung 6 bei angetriebener Schnecke 1 zu verstehen .
Die gesamte Aufschmelzzone 101 der Schnecke ist schematisch in den Fig. 2a-2c anhand eines in die Zeichenebene abgewickelten Kanals 7 in der Aufsicht (Fig. 2a), im Längsschnitt (Fig. 2b) und im Querschnitt (Fig. 2c) (in Richtung vrei) dargestellt.
Ein sich im Kanal 7 befindlicher Feststoff/Feststoffblock 10 ist allseitig von Schmelze umhüllt. Er gleitet auf Schmelzefilmen 11 am Schneckengrund (Schneckenkern 4) und 12 an einer Gegenflanke 5a, deren Dicken auf Grund von viskoser Reibung und Erwärmung durch die heiße Schnecke 1 in Förderrichtung 6 stetig zunimmt.
Das Aufschmelzen des Feststoffes 10 findet jedoch hauptsächlich an einer heißen Zylinderwand 13 des Schneckenzylinders 2 statt und zwar durch Wärmeleitung und viskose Reibung (Dissi- pation) in einem nur wenige Zehntel Millimeter dicken Schmelzefilm 14 zwischen dem Feststoff 10 und der Zylinderwand 13. Die Relativgeschwindigkeit vrei sorgt dafür, dass die entstehende wandhaftende Schmelze sofort weggeschleppt wird, wodurch der Schmelzefilm 14 stets sehr dünn bleibt. Dadurch wird sowohl die Wärmeleitung von der heißen Zylinderwand 13 in den Feststoff 10 als auch die Dissipation im Schmelzefilm 14 und damit die Aufschmelzleistung in dem darunter liegenden Feststoff 10 forciert.
Anschließend wird die weggeschleppte Schmelze an der Schubflanke 5a größtenteils abgeschabt und sammelt sich in einem Schmelzepool/Schmelzewirbel 15. In geringem Maße wird der Feststoff 10 auch auf der dem Schmelzewirbel (Schmelzepool) 15 zugewandten Seite aufgeschmolzen. Ein kleiner Teil der Schmelze vom Schmelzewirbel 15 gelangt über einen Leckspalt 16 in den Schmelzefilm 14 zurück. Beim Fortschreiten des Materialstroms in einer Kanalrichtung 17 wird der Schmelzewirbel 15 immer breiter und drückt dabei den deformierbaren und daher schmaler werdenden Feststoffblock 10 zur Gegenschubflanke 5b hin. Um die Aufschmelzfläche zwischen dem Feststoff 10 und der Zylinderwand 13 möglichst groß zu halten, wird in der Regel die Schnecke 1 in der Aufschmelzzone 101 mit abnehmender Gangtiefe h ausgeführt, wodurch der Feststoffblock 10 sowohl in die Breite gequetscht als auch in Kanalrichtung 17 beschleunigt wird.
Gegen Ende der Aufschmelzzone 101 bricht der Feststoffblock 10 oftmals in Folge von Beschleunigungskräften in Teilstücke 18 auseinander und die in der in Fig. 2c gezeigten idealisierten Vorstellungen treffen in diesem Endbereich der Aufschmelzzone
101 in der Praxis dann nicht mehr zu. Falls die in der Schmelze fortschwimmenden Teilstucke 18 in den Nachfolgezonen der Schnecke 1 nicht oder nur ungenügend aufgeschmolzen werden, fuhrt dies zu thermischen Inhomogenitäten im Form- teil/Extrudat, wodurch die Produktqualitat erheblich beeinträchtigt werden kann.
Übliche Schnecken 1 besitzen in der Aufschmelzzone 101 eine zur Austragszone 102 hin linear abnehmende Gangtiefe h.
Außerdem ist es bekannt, dass in der Aufschmelzzone 101 gleichzeitig die Gangsteigung t linear zunehmen kann (US 4,129,386) . Eine kontinuierliche Abnahme der Gangtiefe h bei gleichbleibender Gangsteigung t fuhrt zu einer linear verlaufenden Abnahme eines Kanalquerschnitts Ao von der Einzugszone 100 hin zur Austragszone 102 (Metering-Zone) .
Der Kanalquerschnitt A0 einer Schnecke 1 berechnet sich in jedem Abschnitt der Schnecke 1 aus dem Produkt seiner Gangbreite b und der Gangtiefe h in diesem Abschnitt. Dabei können Verlustflachen, die sich aus dem üblicherweise vorliegenden Flankenwinkeln und -radien ergeben, berücksichtigt werden. Für eine übliche Schnecke 1 mit konstanter Gangsteigung t und kontinuierlich abnehmender Gangtiefe h wird dies im Folgenden an einem Beispiel dargestellt.
Schneckendurchmesser D : = 50 mm
Zonenlange (z. B. der Aufschmelzzone 101) L : = 350 mm Gangtiefe zu Beginn der Zone 101 ha = 6 , 5 mm Gangtiefe am Ende der Zone 101 he = 3 , 0 mm Gangsteigung zu Beginn der Zone 101 ta = 50 mm Gangsteigung am Ende der Zone 101 te = 50 mm Stegbreite zu Beginn der Zone 101 ea = 5 mm Stegbreite am Ende der Zone 101 eP = 5 mm
aktiver Flankenwinkel Ja'-= 90 Grad passiver Flankenwinkel YP = = 120 Grad aktiver Radius ra:= 3 mm passiver Radius r P := 6 mm
Gangzahl i : = 1
Für die Betrachtung des KanalquerSchnitts A0 wird die Aufschmelzzone 101 beispielsweise in Teilabschnitte zerlegt.
Anzahl der Intervalle Δz:= 10
Intervallgröße ΔL:= — ΔL= 35 mm
Δz
Intervall z:= 0 mm, ΔL, ...L
Somit ergibt sich für die einzelnen Teilabschnitte der folgende Verlauf der Geometriegrößen:
Steigung der Gangtiefe H:=——
L
Steigung der Gangsteigung T:=—
L e„ -e„
Steigung der Stegbreite E:=
L
Gangtiefenverlauf h(z):= ha-H-z
Gangsteigungsverlauf t(z):= ta-T-z
Stegbreitenverlauf e(z):= ea-E-z
Für die Berechnung der Gangbreite wird zunächst der Gangsteigungswinkel berechnet
Gangsteigungswinkel
i uf Λ t(z)- cos(φ(z))
Gangbreite b(z) := -^- vτv y - e(z) i
Der Kanalquerschnitt A0 berechnet sich somit zu: Kanalquerschnitt A0 A0(z):= b(z)-h(z)
Werden die Verlustflächen berücksichtigt, sind zunächst einige Hilfsgrößen zu berechnen
aktive tangentiale Höhe
hτ = 3 mm
passive tangentiale Höhe
hτ = 3 mm
Bei der Berechnung der aktiven Verlustflächen sind folgende Fallunterscheidungen vorzunehmen : 1. ra < h(z) und
1.1. γa<90°: Ba(z) = ^(4-π)
1.2.
2. ra > h(z) und γa < 90°
Ba(z) = i[(ra
r >h(z) und γ > 90° und
Bei der Berechnung der passiven Verlustflächen sind folgende Fallunterscheidungen vorzunehmen : 1. rp < h(z) und r 2
1.1. γp<90°: Bp(z) =-£-(4-π)
1.2. γ 'P >90°: B P (vz) ' = - o L(Vr P +hτ Tp
r > h(z) und γp < 90°
Es ergibt sich ein korrigierter A(z):=A0(z)-(Ba(z)+Bp(z)) Kanalquerschnitt zu:
Somit ergeben sich für die gewählte Aufschmelzzone 101 folgende Daten:
ermittelter linearer Verlauf AL(z):= —— --ZlA(OiHm)
. , . A0(L)-A0(0mm) A /Λ Λ A0L (z) := oW oV '-■ z+A0(0mm)
Z= A0(Z) = A(z) = A0L(z) = AT1 (Z] mm mm" mm' mm' mm'
277,189 261, 126 277, 189 261, 126
35 262,264 247,479 262,264 247, 161 70 247,338 233,761 147,338 233,195 105 232,413 219, 972 232,413 219,229 140 217,487 206, 112 217,487 205,263 175 202,561 192, 182 202,561 191,298 210 187, 636 178, 181 187, 636 177,332 245 172,71 164, 109 172,710 163,366 280 157,785 149, 966 157,785 149,401 315 142,859 135,753 142, 859 135,435
350 127, 934 121,469 127, 934 121,469
Oben aufgeführte tabellarische Zahlenwerte sind in Fig. 3 graphisch dargestellt. Fig. 3 zeigt den Kanalquerschnittsverlauf Ao (z) in der Einheit mm2 als durchgezogene Linie und den Kanalquerschnittsverlauf A(z) in mm2 als punktierte Linie. Der Graph für den Kanalquerschnitt A(z) liegt durchgängig unterhalb des Graphen des Kanalquerschnittes A0 (z). Der Unterschied der Werte für einen Kanalquerschnitt Ao und einen Kanalquerschnitt A, jeweils für einen bestimmten Wert z ist ein Maß für die Verlustflächen. Der Kanalquerschnitt Ao (z) und der Kanalquerschnitt A(z) verlaufen über den gesamten Bereich z linear fallend (A0 (z)) oder konkav fallend (A(z)).
Näherungsweise kann für die Betrachtung des Kanalquerschnittes A0 von einem Rechteckkanal ausgegangen werden. Somit werden die Verlustflächen auf Grund der Flankenradien und -winkel vernachlässigt. Dies ist gängige Praxis.
Schnecken 1 aus dem Stand der Technik haben üblicherweise den Nachteil, dass gegen Ende der Aufschmelzzone 101 hin zur Aus- tragszone 102 der Feststoffblock 10 meist in Folge von hohen Beschleunigungskräften in die Teilstücke 18 auseinanderbricht. Dies konnte anhand von Schnitten nachgewiesen werden. Damit wird der Aufschmelzprozess uneffektiv und die Teilequalität des extrudierten oder spritzgegossenen Produktes nachteilig beeinflusst. Können nämlich einzelne Teilstücke 18 aus Feststoff 10 in der nachfolgenden Austragszone 102 einer Standardschnecke 1 oder der Mischzone einer Mischschnecke nicht vollständig aufgeschmolzen werden, führt dies zu Inhomogenitäten im Formteil.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Extrusions- /Spritzgießschnecke anzugeben, bei der ein verbessertes Aufschmelzverhalten realisiert ist und die Schmelze eine verbessere thermische und mechanische Homogenität besitzt. Außerdem
soll ein erhöhter Massendurchsatz bei gleicher oder sogar verbesserter Qualität der Schmelze möglich sein. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Auseinanderbrechen eines Feststoffblockes innerhalb der Aufschmelzzone zu vermeiden und somit die Aufschmelzleistung der Extruder-/Spritzgießschnecke im Bereich der Aufschmelzzone zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einer Extruder-/Spritzgießschnecke mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den von den unabhängigen Ansprüchen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Erkenntnis ist, dass der Verlauf der Gangsteigung t und der Verlauf der Gangtiefe h entlang einer Förderrichtung 6 von der Einzugszone 100 hin zur Austragszone 102 (Metering-Zone) derart gewählt sind, dass der Verlauf des Kanalquerschnittes A0 einem konvexen Kurvenverlauf gehorcht. Unter einem konvexen Kurvenverlauf ist dabei ein Abbild einer Funktion zu verstehen, welche in einem betrachteten Abschnitt stets oberhalb einer seiner Tangenten liegt.
Definition :
1. Eine in einem Bereich (a, b) differenzierbare Funktion f ist konvex, wenn die erste Ableitung der Funktion f in dem Bereich (a, b) monoton steigend ist.
2. Eine in einem Bereich (a, b) zweimal differenzierbare Funktion f ist in dem Bereich (a, b) konvex, wenn für alle Werte aus dem Bereich (a, b) gilt, dass die zweite Ableitung der Funktion f größer oder gleich 0 ist (vergleiche Bronstein, Taschenbuch der Mathematik, 23. Auflage 1987, Seite 270, 271 mit Fußnote 1) .
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein Auseinanderbrechen des Feststoffblockes 10 innerhalb einer Aufschmelzzone 102 einer Extruder-/Spritzgießschnecke 1 (im Folgenden Schnecke 1) wesentlich von der Beschleunigung des Materialstranges innerhalb eines Kanalquerschnittes Ao der Schnecke 1 abhängt. Erfindungsgemäß wurde weiter erkannt, dass eine wesentliche Verbesserung des Zusammenhalts des Feststoffblockes 10 in der Aufschmelzzone 101 der Schnecke 1 auch bis zum Ende der Aufschmelzzone 101 hin erreicht werden kann, wenn die Beschleunigung des Materialstranges innerhalb der Kanäle 7 auf niedrigem Niveau, insbesondere auf niedrigem Niveau konstant oder nahezu konstant verläuft. Wenn die Beschleunigung des Materialstromes innerhalb des Kanals 7 konstant oder nahezu konstant über die gesamte oder nahezu über die gesamte Aufschmelzzone 101 erfolgt, werden überhöhte Kräfte auf Grund von gestiegener Beschleunigung vermieden, die für das Auseinanderbrechen des Feststoffblocks 10, insbesondere am Ende oder zum Ende der Aufschmelzzone 101 hin, verantwortlich sind. Die Beschleunigungskräfte oder ein Ansteigen der Beschleunigungskräfte kann vermieden oder reduziert werden, wenn die Beschleunigung über die gesamte Aufschmelzzone 101 konstant, insbesondere auf niedrigem Niveau konstant, gehalten wird. Hierzu wurde in einem weiteren Schritt der Erfindung erkannt, dass die Beschleunigung des Materialstromes konstant gehalten werden kann, wenn der Kanalquerschnitt A0 des Schneckenkanals 7 innerhalb der Aufschmelzzone 101 einer konvexen Funktion folgend ab- oder zunimmt.
Dies kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden.
Beispielsweise kann der Kanalquerschnitt ΔAo(z) über eine Vorgabe des Gangtiefenverlaufes Δh(z), des Gangsteigungsverlaufes Δt(z) oder über eine Kombination aus beiden beeinflusst werden. Bei konstanter Gangsteigung t ist beispielsweise der Gradient, z. B. der Gangtiefenabnahme/-zunahme Δh(Z), zu Beginn
der Aufschmelzzone 101 größer als am Ende der Aufschmelzzone 101, während bei stetig abnehmender Gangtiefe h(z) die Gangsteigung Δt(z) am Beginn der Aufschmelzzone 101 abnimmt und zum Ende der Aufschmelzzone 101 hin wieder zunimmt. Es ist a- ber auch möglich, den Schneckenkanal 7 entlang des Kanals 7 nebeneinander verlaufend in einen Bereich mit konstant abnehmendem Kanalquerschnitt A0, z. B. mit halber Gangbreite b, und in einen Bereich mit konvex verlaufendem Kanalquerschnitt Ao aufzuteilen. Hierbei ist zumindest im Bereich der Aufschmelzzone 101 die Schnecke 1 im Bereich des Kanalbodens gestuft ausgebildet, wobei ein Teilkanal im Querschnitt linear ab- o- der zunimmt und ein anderer Teilkanal im Querschnitt einer konvexen Funktion gehorcht.
Weiterhin ist es möglich, den konvexen Querschnittsverlauf ΔAo(z) in der Aufschmelzzone 101 durch das Aneinanderreihen von Teilzonen mit jeweils linear abnehmendem Querschnittsverlauf anzunähern, wobei der Gradient einer nachfolgenden Teilzone kleiner ist als derjenige der vorhergehenden Teilzone.
Bei ansteigendem Querschnittsverlauf ΔA0(z) gilt dies in umgekehrter Weise.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass die zur Verfügung stehende Aufschmelzlänge der Schnecke 1 besser genutzt wird, da der Feststoffblock 10 am Ende der Aufschmelzzone 101 nicht auseinanderbricht. Dadurch wird ein verbessertes Aufschmelzen, bzw. eine verbesserte Aufschmelzleistung, der Schnecke 1 erreicht. Außerdem ergibt sich eine verbesserte thermische und mechanische Homogenität der Schmelze. Weiterhin sind erhöhte Durchsätze an Material bzw. Schmelze bei gleicher und/oder verbesserter Qualität möglich.
Figurenkurzbeschreibung :
Es zeigen :
Figur 1: schematisch eine teilgeschnittene Längsschnittansicht auf eine Extruder-/Spritzgießschnecke zur Darstellung zu definierender Begriffe;
Figur 2a: eine schematische Darstellung eines Aufschmelzvorganges in einer Aufschmelzzone nach Maddock in einer abgewickelten Kanaldraufsicht;
Figur 2b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie Z-Z in Fig. 2a;
Figur 2c: eine Schnittdarstellung entlang der Linie X-X in Fig. 2a;
Figur 3: eine graphische Darstellung eines Kanalquerschnittsverlaufes eines Kanals einer Schnecke gemäß dem Stand der Technik entlang der Aufschmelzzone;
Figur 4: eine graphische Darstellung einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Kanal einer Schnecke gemäß dem Stand der Technik entlang der Aufschmelzzone;
Figur 5: eine graphische Darstellung des Beschleunigungsverlaufes in einem Kanal entlang der Aufschmelzzone gemäß dem Stand der Technik.
Die folgenden Figuren 6 bis 7c dienen zur Erläuterung der Erfindung, welche anhand dieser Figuren beispielhaft näher beschrieben wird. Es zeigen:
Figur 6: eine graphische Darstellung des Kanalquerschnittverlaufes gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik;
Figur 7a: graphisch eine Gegenüberstellung des Verlaufes der
Gangtiefe gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik;
Figur 7b: graphisch den Verlauf der Kanalgeschwindigkeit gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik;
Figur 7c: graphisch den Verlauf der Beschleunigung im Kanal gemäß der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik;
Figur 8a: den Verlauf der Gangsteigung gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik;
Figur 8b: den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit im Kanal gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik;
Figur 8c: den Verlauf der Beschleunigung im Kanal gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik.
Ziel ist es, die Aufschmelzzone 101 einer Schnecke 1 so auszulegen, dass das Granulat-/Schmelzegemisch - vor allem am Ende der Aufschmelzzone 101 - nur gering beschleunigt wird, um dadurch das Aufbrechen des Feststoffblocks 10 und die daraus resultierenden negativen Auswirkungen auf die Schmelze (siehe oben) zu unterdrücken. Um dies zu realisieren wird eine Schnecke 1 vorgestellt, deren Kanalquerschnitt Ao in der Aufschmelzzone 101 nicht linear oder konkav vom Ende der Einzugszone 100 hin zum Beginn der Austragszone 102 verläuft (üblicherweise abnimmt), sondern einem konvexen Kurvenverlauf folgt. Dies kann sowohl über eine Vorgabe des Gangtiefenverlaufes Δh(z),
des Gangsteigungsverlaufes Δt(z) oder über eine Kombination aus beiden vorgegeben werden. Bei konstanter Gangsteigung t ist somit der Gradient des Gangtiefenverlaufes, d. h. der Gradient der Gangtiefenerhöhung oder der Gradient der Gangtiefenabnahme zu Beginn der Aufschmelzzone 101 größer als am Ende der Aufschmelzzone 101, während bei linear abnehmender (zunehmender) Gangtiefe h(z) die Gangsteigung Δt(z) am Beginn der Aufschmelzzone 101 abnimmt (zunimmt) und zum Ende der Aufschmelzzone 101 hin wieder zunimmt (abnimmt) . Es ist aber auch möglich, den Schneckenkanal 7 in einen Bereich mit konstant abnehmendem Querschnitt (z. B. halber Gangbreite b) und in einen Bereich mit konvex verlaufendem Querschnitt ΔA0 aufzuteilen .
Weiterhin ist es möglich, den konvexen Querschnittsverlauf ΔA0 in der Aufschmelzzone 101 durch das Aneinanderreihen von Teilzonen mit linear abnehmendem Querschnittsverlauf (wie im Folgenden dargestellt) anzunähern.
Im Folgenden wird beispielhaft eine mögliche Auslegungsvariante vorgestellt, mit deren Hilfe der konvexe Verlauf des Kanalquerschnittes ΔAo dimensioniert werden kann. Die Auslegung realisiert eine konstante Beschleunigung auf niedrigem Niveau.
Für die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit in Kanalrichtung 17 wird eine Schneckendrehzahl angenommen, mit deren Hilfe der Volumenstrom als Produkt der Strömungsgeschwindigkeit und des Kanalquerschnitts A0 berechnet wird.
1
Drehzahl (Zahlenwert beispielhaft) n:=250- min
Umfangsgeschwindigkeit vu:=D-π-n vu:=0,654— s
Geschwindigkeit in Kanalrichtung 17 vz(z):= vu -cos(φ(z))
Beschleunigung in Kanalrichtung 17 az(z):=2
ΔL
Volumenstrom ohne Verlustflächen V0(z):=v2(z)-A0(z) Volumenstrom mit Verlustflächen V(z) :=vz(z)-A(z)
In der Aufschmelzzone 101 wird das Granulat in Schmelze umgewandelt. Für die Berechnung des Massedurchsatzes kann zu Beginn der Aufschmelzzone 101 mit der Dichte am Ende der Einzugszone 100 (nach Bürkle) und am Ende der Aufschmelzzone 101 von der Schmelzedichte des zu verarbeitenden Kunststoffes ausgegangen werden.
Schüttdichte (Zahlenwert beispielhaft)
Dichte am Ende der Einzugszone 100 PE := U4Psch (Zahlenwert beispielhaft)
Schmel zdichte ( Zahlenwert beispielhaft ) ps := 0,74 g cnr
Steigung der Dichte P := PE - PS
Dichtefunktion P(z) := Ps .,ch
Aus dem tatsächlichen Massedurchsatz der Schnecke 1 lässt sich mit Hilfe der Dichtefunktion die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit bzw. Beschleunigung in Kanalrichtung in jedem Intervall betrachten.
tatsächlicher Massedurchsatz (Zahlenwert beispielhaft) m :=36,7^
m tatsächlicher Volumenstrom Vt(z):= abs
P(z)
tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit v,(z):=^> A0(Z)
tatsächliche Beschleunigung im Kanal
Für die oben angegebenen beispielhaften Zahlenwerte für die Schüttdichte, die Dichte am Ende der Einzugszone 100 und die Schmelzdichte sowie der Wert für den tatsächlichen Massendurchsatz ist in Fig. 4 beispielhaft ein tatsächlicher Strömungsgeschwindigkeitsverlauf im Kanal 7 dargestellt. Hinsichtlich der geometrischen Randbedingungen betreffend den Schneckendurchmesser, die Zonenlänge, die Gangtiefe h am Beginn und am Ende der Zone 101, die Gangsteigung t am Beginn und am Ende der Zone 101 sowie die Stegbreite e am Beginn und am Ende der Zone 101 sind die Zahlenwerte gemäß der vorne näher erläuterten Schnecke aus dem Stand der Technik zu Grunde gelegt. Die Strömungsgeschwindigkeit im Kanal 7 steigt von einem Ausgangswert bei z = 0 in Form einer konvexen Kurve an bis auf einen Endwert bei z = 350 mm.
Aus obiger Formelherleitung für die tatsächliche Beschleunigung im Kanal 7 ist mit den für die Fig. 4 genannten Zahlenvorgaben in Fig. 5 für dieses Beispiel aus dem Stand der Technik die tatsächliche Beschleunigung im Kanal 7 graphisch dargestellt. Die Beschleunigung im Kanal 7 nimmt von einem Startwert bei z = 0 mm bis zu einem Endwert bei z = 350 mm am Ende der Aufschmelzzone 101 zu und besitzt einen konvexen Verlauf. Da die Beschleunigung am Ende der Aufschmelzzone 101 am größten ist, sind dort auch die Kräfte auf den Feststoffblock 10 am größten, was das ungewollte Auseinanderreißen des Feststoffblockes 10 bewirkt.
Ausgehend von dieser Erkenntnis am Beispiel einer Schnecke aus dem Stand der Technik wird im Folgenden eine Herleitung für die Auslegung einer erfindungsgemäßen Schnecke 1 angegeben, bei der das Ziel einer konstanten Beschleunigung im Kanal 7 innerhalb der Aufschmelzzone 101 erreicht ist.
Idealerweise nimmt die Strömungsgeschwindigkeit über der Länge der Aufschmelzzone 101 konstant zu, d. h. mit konstanter Beschleunigung (siehe oben) . Somit ist eine linear ansteigende Strömungsgeschwindigkeit anzustreben .
Vt(0mm)
Geschwindigkeit zu Beginn der Aufschmelzzone 101 v :--—— -
A0(0mm)
V1(L)
Geschwindigkeit am Ende der Aufschmelzzone 101 ve :-
A0(L) v —v Verlauf der idealisierten Strömungsgeschwindigkeit v(z):=va -z
Durch Gleichsetzen des tatsächlichen Verlaufs der Strömungsgeschwindigkeit vt (z) mit dem anzustrebenden linearisierten Verlauf v(z) erhält man den erforderlichen Kanalquerschnitt Ao aus
V^. = v(z) ^
ΔA0(z)
V (z) der erforderliche Kanalquerschnitt ΔA0(z):= —-— . Hierbei sind v(z) die Verlustflächen nicht berücksichtigt.
Der erfindungsgemäß ermittelte Kanalquerschnitt ΔAo(z) ist in Fig. 6 zusammen mit dem linear abfallenden Querschnittsverlauf A0 (z) gemäß dem Stand der Technik graphisch dargestellt. Der Kanalquerschnittsverlauf ΔAo(z) besitzt über dem ausgewählten z-Bereich einen konvexen Verlauf, da der Graph der Funktion ΔA0(Z) für alle z aus dem betrachteten Bereich stets oberhalb einer beliebig an diesem Graph angelegten Tangente verläuft (vergleiche Definition oben) .
Da der Kanalquerschnitt Ao näherungsweise das Produkt aus Gangbreite b und Gangtiefe h ist, lässt sich somit der erforderliche Gangtiefenverlauf Δh(z) bei konstanter oder linearer Gang-
Steigung t(z) oder der erforderliche Gangsteigungsverlauf Δt(z) bei konstanter oder linearer Gangtiefe h(z) ableiten.
1. Beispiel :
Bestimmung des erforderlichen Gangtiefenverlaufes Ah (z)
erforderlicher Kanalquerschnitt ΔA0(z)=b(z)-Δh(z) erforderlicher Gangtiefenverlauf Δh(z):=-ΔA°(Z) für t (z) unverändert b(z) ._ Vt(z) idealisierte Kanalgeschwindigkeit vh(z):= b(z)Δh(z)
idealisierte Beschleunigung ah(z):=2
ΔL
Δh ( z ) = h(z) = vt ( z ) = m vh ( z ) = m ah ( z ) = mm mm mm s s
6,5 6 ,5 0, 197 0, 197 2 0, 805
5,867 6r 15 0,216 0,216 2 0, 805
5,338 5 ,8 0,235 0,235 2 0, 805
4, 889 5 45 0,254 0,254 2 0, 805
4,503 5 ,1 0,273 0,273 2 0, 805
4, 169 4 75 0,292 0,292 2 0, 805
3, 877 4 ,4 0,311 0,311 2 0, 805
3, 619 4 05 0,33 0,33 2 0, 805
3,389 3 ,7 0,349 0,349 2 0, 805
3,184 3 r 35 0,369 0,369 2 0, 805
3 3 0,388 0,388 2 0, 805
Diese oben genannten beispielhaften tabellarisch aufgelisteten Zahlenwerte sind in den Fig. 7a bis 7c graphisch veranschaulicht. Fig. 7a zeigt den erfindungsgemäßen Gangtiefenverlauf Δh(z) in einer punktierten Linie und den Gangtiefenverlauf h(z) gemäß dem Stand der Technik in einer durchgezogenen Linie. Fig. 7b zeigt den Kanalgeschwindigkeitsverlauf vh(z) gemäß
der Erfindung in einer punktierten Linie und den Kanalgeschwindigkeitsverlauf vt (z) gemäß dem Stand der Technik in einer durchgezogenen Linie. Fig. 7c zeigt den Beschleunigungsverlauf ah(z) gemäß der Erfindung in einer punktierten Linie und den Beschleunigungsverlauf at(z) gemäß dem Stand der Technik in einer durchgezogenen Linie.
Fig. 7a zeigt, dass bei einer konstanten Gangsteigung t der Gangtiefenverlauf Δh(z) gemäß der Erfindung einer konvexen Funktion gehorchen muss, welche insbesondere monoton fallend ist. Hieraus ergibt sich eine resultierende Kanalgeschwindigkeit gemäß der Erfindung, welche linear ansteigend ausgebildet ist (vergleiche Fig. 7b). Dies bedeutet, dass die zugehörige Beschleunigung ah(z) konstant ist, wie aus Fig. 7c hervorgeht. Im Gegensatz dazu ist die resultierende Beschleunigung at(z) gemäß dem Stand der Technik ansteigend. Somit ist das Ziel einer konstanten Beschleunigung über den gesamten Bereich der Aufschmelzzone 101 erreicht. Hieraus resultiert ein gleichmäßiger Krafteintrag auf den Feststoffblock 10, so dass ein ungewolltes Abreißen der Teilstücke 18 vermieden ist.
2. Beispiel :
Bestimmung des erforderlichen Gangsteigungsverlaufes Δt(z)
erforderlicher Kanalquerschnitt ΔA0(z) =
^- i2 ■ h(z)2 ■ e(z)2 - 2 ■ i2 ■ h(z) ■ e(z) ■ ΔA0(z) - i2 ■ ΔA0(z)2 + D2 ■ h(z)2 ■ π2
erforderlicher Gangsteigungswinkel Δφ (z)
erforderlicher Gangbreitenverlauf
idealisierte Vt(z) vst(z):= Strömungsgeschwindigkeit Δb(z) h(z)
idealisierte Beschleunigung
Δt(z) = h(z) = mm mm
50 6 , 5
47,745 6 15
46, 111 5 , 8
44, 992 5 45
44,321 5 , 1
44,068 4 75
44,228 4 , 4
44, 823 4 05
45, 907 3 , 7
47,578 3 35
50 3
Oben tabellarisch aufgeführte Zahlenwerte sind in den Fig. 8a bis 8c graphisch dargestellt. Fig. 8a zeigt den Gangsteigungsverlauf Δt(z) gemäß der Erfindung in einer punktierten Linie und den Gangsteigungsverlauf t(z) gemäß dem Stand der Technik in einer durchgezogenen Linie. Fig. 8b zeigt den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit vst(z) gemäß der Erfindung in einer punktierten Linie und den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit vt (z) gemäß dem Stand der Technik in einer durchgezogenen Linie. Fig. 8c zeigt den Verlauf der Beschleunigung ast(z) gemäß der Erfindung in einer punktierten Linie und den Beschleunigungsverlauf at(z) gemäß dem Stand der Technik in einer durchgezogenen Linie. Aus Fig. 8a geht hervor, dass der erfindungsgemäße Gangsteigungsverlauf Δt(z) einer konvexen Funktion ge-
horcht und ausgehend von z = 0 zunächst monoton fällt, bis etwa zur Mitte der Aufschmelzzone 101, um anschließend wiederum auf den Ausgangswert, wie bei z = 0, anzusteigen. Der Kurvenverlauf der Funktion Δt(z) ist konvex im Sinne obiger Definition, da der Graph der Funktion stets oberhalb seiner Tangenten verläuft. Aus einem derartigen Verlauf der Gangsteigung Δt(z) über z resultiert gemäß Fig. 8b ein erfindungsgemäß gewünschter linearer Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit im Kanal 7 der in Fig. 8b dargestellt ist. Da die Strömungsgeschwindigkeit im Kanal 7 gemäß der Erfindung linear ansteigt, muss die zugehörige Beschleunigung ast(z) gemäß der Erfindung konstant sein. Dies ist in Fig. 8c verdeutlicht. Da die Beschleunigung im Kanal 7 über die gesamte Aufschmelzzone 101 konstant ist, ist ein Kraftanstieg gerade am Ende der Aufschmelzzone 101 auf den Feststoffblock 10 vermieden, so dass ein ungewolltes Abbrechen bzw. Abreißen von Teilstücken 18 vermieden ist.
Für den konvexen Verlauf des Kanalquerschnittes Ao ergeben sich somit beispielsweise die folgenden Vorgaben für den Gangtiefenverlauf Δh(z) bei gegebenem Verlauf der Gangsteigung t(z) oder für den Gangsteigungsverlauf Δt(z) bei gegebenem Verlauf der Gangtiefe h(z).
Mit t(z) ergibt sich Δh(z) und für h(z) ergibt sich Δt(z) mm mm mm mm
50 3 , 38 9 3,7 45, 907
50 3 , 184 3,35 47,
50 3 3 50
Auch wenn in der Aufschmelzzone 101 anstelle der Dichte am Ende der Einzugszone 100 nur mit der Schmelzedichte oder der Schüttdichte gerechnet wird, ergibt sich mit einem konvexen Verlauf (Zunahme oder Abnahme) des Kanalquerschnitts A0 eine Optimierung der Beschleunigung in Kanalrichtung 17.
Für Schnecken 1, bei denen der Kanalquerschnitt A0 der Aus- tragszone 102 nicht kleiner als der der Einzugszone 100 ist, sondern gleich oder größer, gilt die gleiche Vorgehensweise. Auch in diesem Fall kann die Beschleunigung durch einen konvexen Verlauf des Kanalquerschnittes ΔA0 von der Einzugszone 100 hin zur Austragszone 102 konstant auf niedrigem Niveau gehalten werden.
Bezugszeichenliste :
1 Schnecke
2 Schneckenzylinder
3 Antriebsrichtung
4 Schneckenkern
5 Schneckengang 5a Schubflanke
5b Gegenschubflanke
6 Förderrichtung
7 Kanal
10 Feststoff/Feststoffblock
11 Schmelzefilm
12 Schmelzefilm
13 Zylinderwand
14 Schmelzefilm
15 Schmelzewirbel/Schmelzewirbel
16 Leckspalt
17 Kanalrichtung
18 Teilstücke
100 Einzugszone
101 Aufschmelzzone
102 Austragszone
D Kerndurchmesser φ Gangsteigungswinkel t Gangsteigung h Gangtiefe b Gangbreite e Stegbreite
A0 Kanalquerschnitt
Claims
1. Schnecke für eine Extrudervorrichtung oder eine Spritzgießvorrichtung aufweisend zumindest eine Aufschmelzzone
(101) mit einem Kanal (7) für aufzuschmelzendes Material, der einen Kanalquerschnitt besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalquerschnitt innerhalb der Aufschmelzzone (101) einen Kanalquerschnittsverlauf (ΔA0) besitzt, der entlang einer Koordinate (z) konvex verläuft.
2. Schnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Kanalquerschnittes (ΔA0) konvex zunehmend ausgebildet ist.
3. Schnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Kanalquerschnittes (ΔA0) konvex abnehmend ausgebildet ist.
4. Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer konstanten Gangsteigung (t) innerhalb der Aufschmelzzone (101) ein Gangtiefenverlauf (Δh(z)) konvex ansteigend oder konvex abfallend ausgebildet ist.
5. Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer linear abnehmenden Gangtiefe (h) innerhalb der Aufschmelzzone (101) ein Gangsteigungsverlauf (Δt(z)) konvex ansteigend oder konvex abfallend ausgebildet ist.
6. Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gangtiefenverlauf (Δh(z)) und der Gangsteigungsverlauf (Δt(z)) entlang der Aufschmelzzone
(101) hinsichtlich ihres Verlaufes derart variabel gewählt sind, so dass das Produkt aus der Gangtiefe (Δh(z)) und der Gangsteigung (Δt(z)) entlang der Aufschmelzzone (101) einen konvexen Verlauf besitzt, wobei das Produkt aus Gangtiefe (Δh(z)) und Gangsteigung (Δt(z)) näherungsweise dem Kanalquerschnitt (ΔA0(z)) entspricht.
7. Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsgeschwindigkeit (vh(z)) im Kanal (7) linear ansteigend oder linear abfallend über z ausgebildet ist.
8. Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschleunigung im Kanal (7), welche auf das sich im Kanal (7) befindliche Material einwirkt, über die Koordinate (z) entlang der Aufschmelzzone
(101) konstant ist.
9. Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gangsteigungsverlauf (Δt(z)) vom Beginn der Aufschmelzzone (101) an zunächst abfällt und anschließend einem konvexen Verlauf gehorchend wieder ansteigt .
10. Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalquerschnitt (Ao) in einer der Aufschmelzzone (101) vorgelagerten Einzugszone (100) der Schnecke (1) kleiner ist als der Kanalquerschnitt (Ao) einer der Aufschmelzzone (101) nachgelagerten Austragszone (102) .
11. Schnecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalquerschnitt (Ao) in einer der Aufschmelzzone (101) vorgelagerten Einzugszone (100) der Schnecke (1) gleich oder größer ist als der Kanalquerschnitt (A0) einer der Aufschmelzzone (101) nachgelagerten Austragszone (102).
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| DE102006011067A DE102006011067A1 (de) | 2006-03-08 | 2006-03-08 | Extruder-/Spritzgießschnecke |
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