WO2009056083A1 - Vorrichtung und verfahren zur verarbeitung polymerer werkstoffe - Google Patents

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WO2009056083A1
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screws
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rubber
pressure
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PCT/DE2008/001341
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Tim Carsten Pohl
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Troester Gmbh & Co. Kg
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    • 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
    • B29C48/07—Flat, e.g. panels

Definitions

  • the invention relates to an apparatus designed in particular as an extruder and to a method for processing polymeric materials, in particular rubber, with a first screw and a second screw, wherein the two screws have different lengths.
  • Such a device is used for the continuous processing of rubbers, thereby doing plasticizing work. Plastification takes place by dividing and distributing the mixture. The resulting dissipation must not lead to an exceeding of permissible temperature values. A plasticized rubber compound is needed to achieve a uniform shape in the extrusion head.
  • the state of the art for the continuous processing of rubber compounds is the cold feeding of a single-screw extruder with a downstream shaping extrusion head.
  • Rolling mills homogenize and plasticize the material by disperse mixing in the nip in the form of a temperature-conserving expansion flow and by distributive mixing in the rolling bead on the roll comb.
  • the rollers are tempered and control the mixing temperature. About the residence time on the mill, the required energy is introduced and adapted to the process or the mixture. Such a system is labor-intensive and cost-intensive.
  • twin-screw extruder In plastics processing, the so-called twin-screw extruder is state of the art. Under twin screw extruders are understood in practice all conventional plasticizing, extrusion and injection molding machines, which are equipped with two adjacent screws.
  • Such process tasks are, for example, the mixing, melting, degassing and homogenization of the polymeric material with the addition of additives and fillers with the introduction of shear forces and in compliance with certain, depending on the processed material temperature profiles.
  • DE 10 2005 014 171 A1 describes an extruder for processing rubber having two screws of different length, wherein the external screw diameters have different diameters in the direction of the longitudinal extent. Both snails can be turned in opposite directions. Further applications for extruders with two different length screws are known from DE 1 810 061, JP 07-266339 A, JP 05-042580 A and US 2004/0048967 A1.
  • the state of the art is that the two screws rotate at the same screw speed. This means that the residence time in the extruder and thus the shear energy introduced at a constant speed and throughput can only be influenced via a change in the screw geometry or, to a small extent, via the machine tempering.
  • Critical is the interpretation of the material delivery story at the end of the short screw, as it may come to mix-dependent pressure fluctuations, which impede a uniform shape.
  • JP 2007-069372 A describes a twin-screw extruder for processing plastics, in which the screws each have a separate drive.
  • the snails are the same length, can be driven in opposite directions and at different speeds.
  • the possibility of different screw speeds is used to influence the processing parameters such as throughput or melting behavior.
  • the direction of screw rotation is also varied.
  • the disadvantage is that with two equally long, non-intermeshing screws no sufficiently uniform and high pressure can be built to achieve a uniform shape by a downstream extrusion head.
  • the invention has for its object to provide a way with which a promotion and plasticization without undesirable increase in temperature can be achieved. Furthermore, after the plastification of the pressure build-up with minimum increase in temperature to be feasible.
  • the process should be controllable in such a way that different rubber compounds can be processed on one system without modification measures or long cleaning times.
  • an apparatus designed in particular as an extruder for processing polymeric materials, in particular rubber, with a first worm and a second worm is provided, in which the second worm is dimensioned longer than the first worm.
  • Each of the two screws is driven independently of each other and is operated at independent rotational speeds and / or directions of rotation.
  • the pressure and a pulsation-free throughput in the transition region from the first region to the second region can be adjusted with little effort and at the same time the desired requirements for homogeneity and quality can be ensured.
  • the screws may have a matching or deviating diameter, wherein, for example, the second screw in a twin-screw region may have a larger diameter than the first screw.
  • the device comprises a first region, which encompasses the two screws and is delimited by the end of the first screw, and a projection of the second screw, which adjoins the first region and faces the first region Slug has certain second area.
  • the material in the first region assigned to the twin screw, the material is drawn in and then plasticized and homogenized. This is followed by an area with a closed housing cylinder at the end of the twin screw.
  • the material pressure can be monitored and regulated for example by changing the speed of the screw.
  • the projection of the second screw promotes the material as a single screw in the direction of the outlet opening.
  • a direction of rotation and / or rotational speed in dependence of the measured values detected by sensors in particular the pressure of the material or the temperature is adjustable, so as to control and regulation of the process by means of the direction of rotation and / or rotational speed on the basis of the measured values of the device or the environment as well as relevant parameters and empirical values.
  • the rotational speed can also be controlled oscillating.
  • the two screws are enclosed in the first region of a housing wall, which has at least one extension transverse to the axis of rotation of the screw.
  • the housing wall which is designed in particular as a cylinder, is designed to be open in sections by these, for example, radial widening, a kneading arises, for example, on the respective worm crest.
  • a mixing section is produced as on a rolling mill.
  • the housing wall consist of a half-shell and thus the worm are half open.
  • the extension can also be designed as an area in which the screws are not completely enclosed by the cylinder wall. Furthermore, the extension can also be placed laterally next to the snails.
  • the volume of the radial expansion is adjustable so as to adjust the mixing chamber volume to the respective process parameters and set.
  • the radial expansion is limited by a movable piston or punch, which can be hydraulically actuated.
  • a vacuum can be applied to this section in a pressureless process to remove volatiles from the mixture.
  • the device has in the first region in particular adjustable and / or movable in the axial direction barrels, so as to further optimize the course of the material transport.
  • a particularly particularly profitable embodiment is also achieved in that in a transition region of the first region to the second region, a negative pressure, in particular a vacuum, can be applied so as to be able to remove volatile constituents from the material.
  • a negative pressure in particular a vacuum
  • the device is for example connected to a vacuum line or equipped with a vacuum pump.
  • the second screw in the direction of the longitudinal extent at least two sections having a different diameter, so as to realize the required flow rate.
  • a further significant improvement of the device is also provided by the fact that the device has a plurality of mixing elements associated with the screws and / or pins arranged in pin planes, by means of which the mixing can be optimized in particular as a function of the respective material.
  • the pins can be changed or removed in their position.
  • Another embodiment which can be used for a profit is achieved if at least one of the two screws is modular, in particular by means of plug connections, so that an adaptation to the respective circumstances of the material processing can be realized with a comparatively low outlay.
  • the second worm has a radial widening in the second region, which in a transition region between the two regions, that is to say the end section of the first worm, can have a continuous, for example a conical, course.
  • Another, particularly practical modification of the present invention is achieved when the length of the first screw is dimensioned such that the material is plasticized and homogenized within the first region, so that in the second Area can be realized in an advantageous manner, the desired pressure build-up and a uniform delivery of the material.
  • the screws could basically be meshing, ie interlocking.
  • the screws are basically arranged side by side or one above the other, wherein, according to an advantageous modification, the screws are arranged parallel to one another, ie the screw axes run parallel.
  • the device has a screw-in, hinged cylinder, so as to improve the accessibility significantly.
  • any material can be supplied to the device.
  • a modification is particularly practical in which rubber sheets, rubber skins, rubber balls and / or pellets can be fed as material to the device.
  • rubber sheets can be supplied together with rubber bales.
  • the rubber mixtures can be mixed or only premixed.
  • further components can be supplied to the material. This can be, for example, other components and / or material recycling from production.
  • the object is further achieved with a method for processing polymeric materials, in particular rubber, by means of a device having two screws of different length, in that each of the two screws is driven independently of one another and operated with mutually independent rotational speeds or directions of rotation.
  • a method for processing polymeric materials in particular rubber
  • each of the two screws is driven independently of one another and operated with mutually independent rotational speeds or directions of rotation.
  • Fig. 1 is a plan view of a device equipped with two screws of different lengths
  • Fig. 2 is a side view of the device shown in Figure 1.
  • FIGS. 1 and 2 show a plan view on the one hand and a side view of the device 3, designed as an extruder and equipped with a first screw 1 and a second screw 2, for processing polymeric materials, in particular rubber Schematic representation show.
  • the second screw 2 is dimensioned longer than the first screw 1.
  • the device 3 has a, the two worms 1, 2 comprehensive, bounded by the end of the first screw 1 first region 4 and a subsequent to the first region 4 second region 5.
  • This second region 5 thus substantially corresponds to a projection 6 of the second screw 2 with respect to the first screw 1.
  • the two screws 1, 2 are adjacent to each other as a twin screw.
  • the drive takes place in opposite directions, the screws 1, 2 are not combing, but only tangentially arranged side by side.
  • the extruder is fed with a mixture as material.
  • the plasticization and homogenization of the material takes place, the two screws 1, 2 being enclosed in the first region 4, as a cylinder housing wall, which has at least one radial extension 9.
  • the volume of the radial extension 9 is fixed or adjustable, for example by means of a punch.
  • the fact that the housing wall is partially open, a kneading is formed on the screw comb.
  • a pressure-neutral state is set, in which substantially no shear forces, but only tensile forces occur and therefore an undesirable introduction of temperature is avoided.
  • any pressure on the mixture can be exercised.
  • the transfer of the material takes place at the protrusion 6 of the second screw 2, which is designed as a single screw and which determines the second region 5.
  • the second screw 2 goes as a conical enlargement 7 of one Diameter d 2 in the twin screw area in a section with a larger diameter D 2 on.
  • the pressure in this transition region is monitored by means of a controller and can be adjusted, for example, by a change in the rotational speed of the first screw 1.
  • a negative pressure in particular a vacuum
  • the material is conveyed as uniformly as possible in the direction of the screw tip, wherein in this region 5 additional pins 8 can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine insbesondere als ein Extruder ausgeführte Vorrichtung (3) zur Verarbeitung polymerer Werkstoffe mit einer ersten Schnecke (1) und einer zweiten Schnecke (2), wobei die zweite Schnecke (2) länger als die erste Schnecke (1) bemessen ist. Für jede der beiden Schnecken (1, 2) ist eine voneinander unabhängige Drehrichtung und/oder Drehgeschwindigkeit einstellbar. Der Antrieb der Schnecken (1, 2) erfolgt dabei gegenläufig, wobei die Schnecken (1, 2) nicht kämmend, sondern lediglich tangierend nebeneinander angeordnet sind. Hierdurch können mit geringem Aufwand der Druck und ein pulsationsfreier Durchsatz im Übergangsbereich von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich eingestellt und zugleich die gewünschten Anforderungen an die Homogenität und die Qualität sichergestellt werden. Durch eine materialspezifische Anpassung bei den getrennt einstellbaren Schneckendrehzahlen kann die Verweilzeit und damit die Plastifizierleistung verändert werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Verarbeitung polymerer Werkstoffe
Die Erfindung betrifft eine insbesondere als ein Extruder ausgeführte Vorrichtung und ein Verfahren zur Verarbeitung polymerer Werkstoffe, insbesondere Kautschuk, mit einer ersten Schnecke und einer zweiten Schnecke, wobei die beiden Schnecken unterschiedliche Längen aufweisen.
Eine solche Vorrichtung dient zum kontinuierlichen Verarbeiten von Kautschuken, die dabei Plastifizierarbeit leistet. Eine Plastifizierung erfolgt durch Zerteilen und Verteilen der Mischung. Die dabei eingebrachte Dissipation darf nicht zu einem Überschreiten zulässiger Temperaturgrößen führen. Eine plastifizierte Kautschukmischung wird benötigt, um eine gleichmäßige Ausformung im Extrusionskopf zu erzielen.
Bei Mischungen mit Naturkautschukanteil wird außerdem zusätzliche Scherenergie benötigt, um eine gleichmäßigere chemische Struktur zu erhalten (Abbau von Rekristallisationen, teilweise Reduzierung der Molekülketten). Bei der Mischungsherstellung entspricht dies dem Mastizierprozess vor dem Grund- und Fertigmischen.
Stand der Technik für die kontinuierliche Verarbeitung von Kautschukmischungen ist die Kaltfütterung eines Einschneckenextruders mit nachgeschaltetem formgebendem Extrusionskopf.
Mit einem Einschneckenextruder kann genug Plastifizierleistung in die Mischung eingebracht werden, allerdings sind die Möglichkeiten der Wärmeabfuhr durch das hohe Kanalvolumen/Kühlflächen-Verhältnis beschränkt. Daher ist die erreichbare Durchsatzleistung durch die erforderliche Plastifizierleistung und maximale Verarbeitungstemperatur beschränkt. Als Alternative werden Maschinenanordnungen, bestehend aus Walzwerken oder Extruder und Walzwerk in Reihenanordnung mit einem warmgefütterten Einschneckenextruder mit Extrusionskopf eingesetzt.
Walzwerke homogenisieren und plastifizieren das Material durch disperses Mischen im Walzenspalt in Form einer temperaturschonenden Dehnströmung und durch distributives Mischen im Rollwulst am Walzenkamm. Die Walzen sind temperiert und kontrollieren die Mischungstemperatur. Über die Verweilzeit auf dem Walzwerk wird die erforderliche Energie eingebracht und an den Prozess oder die Mischung angepasst. Ein solches System ist personal- und kostenintensiv.
In der Kunststoffverarbeitung ist der so genannte Doppelschneckenextruder Stand der Technik. Unter Doppelschneckenextrudern werden in der Praxis alle üblichen Plastifiziervorrichtungen, Strangpressen und Spritzgießmaschinen verstanden, die mit zwei nebeneinander liegenden Schnecken ausgerüstet sind.
Zur Durchführung unterschiedlichster Verfahrensaufgaben ist es bekannt, die Schnecken eines Doppelschneckenextruders mit verschiedenen Schneckenabschnitten auszubilden, die im Einzelnen aus einer Abfolge von Schnecken- und Knetelementen bestehen. Solche Verfahrensaufgaben sind beispielsweise das Mischen, Aufschmelzen, Entgasen und Homogenisieren des polymeren Werkstoffs bei Zugabe von Zusatz- und Füllstoffen unter Einleitung von Scherkräften und unter Einhaltung bestimmter, vom Verarbeitungsgut abhängiger Temperaturprofile.
Gegenüber Extrudern mit nur einer Schnecke haben sie den Vorteil, dass das zu verarbeitende Material besser durchmischt und plastifiziert wird. Wenn die Schnecken in die gleiche Richtung drehen, kann kein Druck zum gleichmäßigen Ausformen eines Profils aufgebaut werden. Diese Systeme werden daher entweder zur Mischungsherstellung oder in Kombination mit Zahnradpumpen eingesetzt. Eine Kombination aus gleichlaufendem Doppelschneckenextruder und Zahnradpumpe ist aus der Direktverarbeitung von Pulverkautschuken bekannt. Nachteilig ist die Zahnradpumpe, da diese nicht selbstreinigend ist.
Kautschukbahnen, so genannte Fütterfelle, werden von gleichläufigen Systemen schlecht eingezogen. Hier müssen zwei Schnecken eingesetzt werden, die gegensinnig drehen. Konische, ineinander greifende, gleich lange Schnecken werden nach dem Innenmischer oder Walzwerk eingesetzt. Auch diese Systeme arbeiten nicht pulsationsfrei oder bauen nicht den notwendigen Extrusionsdruck auf.
Daher gibt es eine Vielzahl von Ansätzen, anstelle einer Reihenanordnung aus Doppelschnecke und Zahnradpumpe oder Doppelschnecke und Einschnecke einen Doppelschneckenextruder mit zwei Schnecken unterschiedlicher Länge einzusetzen.
In der DE 10 2005 014 171 A1 ist ein Extruder zur Verarbeitung von Kautschuk mit zwei unterschiedlich langen Schnecken beschrieben, wobei die Schnecken-Außendurchmesser in Richtung der Längserstreckung unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Beide Schnecken können in gegenläufiger Richtung gedreht werden. Weitere Anwendungsfälle für Extruder mit zwei unterschiedlich langen Schnecken sind aus DE 1 810 061 , JP 07-266339 A, JP 05- 042580 A und US 2004/0048967 A1 bekannt.
Stand der Technik ist, dass die beiden Schnecken mit derselben Schneckendrehzahl drehen. Das bedeutet, dass die Verweilzeit im Extruder und somit die eingebrachte Scherenergie bei konstanter Drehzahl und Durchsatz nur über eine Änderung der Schneckengeometrie oder in geringem Umfang über die Maschinentemperierung beeinflusst werden kann.
Kritisch ist die Auslegung der Materialübergabestelie am Ende der kurzen Schnecke, da es dort zu mischungsabhängigen Druckschwankungen kommen kann, welche eine gleichmäßige Formgebung behindern.
In der JP 2007-069372 A ist ein Doppelschneckenextruder zur Verarbeitung von Kunststoffen beschrieben, bei welchem die Schnecken jeweils einen separaten Antrieb aufweisen. Die Schnecken sind gleich lang, sind gegenläufig und mit unterschiedlichen Drehzahlen antreibbar. Die Möglichkeit unterschiedlicher Schneckendrehzahlen wird genutzt, um die Verarbeitungsparameter wie Durchsatz oder Aufschmelzverhalten zu beeinflussen. Die Schneckendrehrichtung wird auch variiert. Nachteilig ist, dass mit zwei gleich langen, nicht ineinander greifenden Schnecken kein ausreichend gleichmäßiger und hoher Druck aufgebaut werden kann, um durch einen nachgeschalteten Extrusionskopf eine gleichmäßige Ausformung zu erzielen.
In der DE 299 07 974 U1 ist eine Extrusionseinrichtung mit einer kurzen Einzugswalze und einer langen Extruderschnecke beschrieben, wobei die Einzugswalze und die Extruderschnecke separate Antriebsmotoren aufweisen. Die getrennt angetriebene, kurze Einzugswalze trägt nicht zu einer wirkungsvollen temperaturschonenden Materialplastifizierung bei, sondern unterstützt den Materialeinzug.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mit welcher eine Förderung und Plastifizierung ohne unerwünschte Erhöhung der Temperatur erreicht werden kann. Weiterhin soll im Anschluss an die Plastifizierung der Druckaufbau unter minimaler Temperaturerhöhung durchführbar sein. Der Prozess sollte so kontrollierbar sein, dass ohne Umbaumaßnahmen oder lange Reinigungszeiten unterschiedliche Kautschukmischungen auf einer Anlage verarbeitet werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 22 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also eine insbesondere als ein Extruder ausgeführte Vorrichtung zur Verarbeitung polymerer Werkstoffe, insbesondere Kautschuk, mit einer ersten Schnecke und einer zweiten Schnecke vorgesehen, bei der die zweite Schnecke länger als die erste Schnecke bemessen ist. Jede der beiden Schnecken ist voneinander unabhängig angetrieben und wird mit voneinander unabhängigen Drehgeschwindigkeiten und/oder Drehrichtungen betrieben. Hierdurch können mit geringem Aufwand der Druck und ein pulsationsfreier Durchsatz im Übergangsbereich von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich eingestellt und zugleich die gewünschten Anforderungen an die Homogenität und die Qualität sichergestellt werden. Durch eine materialspezifische Anpassung bei den getrennt einstellbaren Schneckendrehzahlen kann wie bei einem Walzwerk die Verweilzeit und damit die Plastifizierleistung verändert werden. Die Schnecken können dabei einen übereinstimmenden oder abweichenden Durchmesser aufweisen, wobei beispielsweise die zweite Schnecke in einem Doppelschneckenbereich einen größeren Durchmesser als die erste Schnecke aufweisen kann.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung einen die beiden Schnecken umfassenden, durch das Ende der ersten Schnecke begrenzten ersten Bereich und einen sich an den ersten Bereich anschließenden, durch den einer Auslassöffnung zugewandten Vorsprung der zweiten Schnecke gegenüber der ersten Schnecke bestimmten zweiten Bereich aufweist. Dabei wird in dem ersten, der Doppelschnecke zugeordneten Bereich der Werkstoff eingezogen und dann plastifiziert und homogenisiert. Daran schließt sich ein Bereich mit geschlossenem Gehäusezylinder am Ende der Doppelschnecke an. In dem sich weiter anschließenden Übergangsbereich der Doppelschnecke zu der Einfachschnecke kann der Materialdruck überwacht werden und beispielsweise durch eine Änderung der Drehzahl der Schnecken geregelt werden. Sodann fördert der Vorsprung der zweiten Schnecke das Material als Einschnecke in Richtung der Auslassöffnung. Wenn die Vorrichtung mit einem Extrusionskopf verbunden wird, um so das insbesondere kontinuierliche Ausformen des Materials zu ermöglichen, fördert die zweite Schnecke den Werkstoff gegen den sich ergebenden Extrusionswiderstand.
Dabei ist es besonders zielführend, wenn zugleich für die Schnecken eine Drehrichtung und/oder Drehgeschwindigkeit in Abhängigkeit der mittels Sensoren erfassten Messwerte, insbesondere des Drucks des Werkstoffs oder der Temperatur, einstellbar ist, um so eine Steuerung und Regelung des Prozesses mittels der Drehrichtung und/oder Drehgeschwindigkeit auf der Basis der erfassten Messwerte der Vorrichtung oder der Umgebung sowie relevanter Parameter und auch von Erfahrungswerten zu erreichen. Die Drehgeschwindigkeit kann dabei auch oszillierend gesteuert werden.
Grundsätzlich könnte ein gemeinsamer Antrieb zur Übertragung variabler Antriebsleistungen auf die beiden Schnecken ausgeführt sein. Besonders zweckmäßig ist es hingegen, wenn jeder Schnecke ein separater Antrieb zugeordnet ist, sodass eine schnelle und zugleich unabhängige Einstellung der Drehbewegung erreicht werden kann.
Eine andere, ebenfalls besonders Gewinn bringende Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird dadurch geschaffen, dass die beiden Schnecken in dem ersten Bereich von einer Gehäusewand eingeschlossen sind, welche zumindest eine Erweiterung quer zur Rotationsachse der Schnecken aufweist. Dadurch, dass die insbesondere als Zylinder ausgeführte Gehäusewand abschnittsweise durch diese beispielsweise radiale Erweiterung offen ausgeführt ist, entsteht beispielsweise auf dem jeweiligen Schneckenkamm ein Knet. Somit wird also ein Mischabschnitt wie auf einem Walzwerk erzeugt. Beispielsweise kann hierzu die Gehäusewand aus einer Halbschale bestehen und somit die Schnecke zur Hälfte offen liegen. Die Erweiterung kann dabei auch als ein Bereich ausgeführt sein, in dem die Schnecken nicht vollständig von der Zylinderwand umschlossen sind. Weiterhin kann die Erweiterung auch seitlich neben den Schnecken platziert werden.
Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn das Volumen der radialen Erweiterung einstellbar ist, um so das Mischraumvolumen an die jeweiligen Verfahrensparameter anpassen und einstellen zu können. In einfacher Weise wird hierzu die radiale Erweiterung durch einen verfahrbaren Kolben oder Stempel begrenzt, der hydraulisch betätigbar sein kann. Über die Einstellung des Volumens wird die Verweilzeit des Werkstoffs in der Vorrichtung beeinflusst. Zusätzlich kann in diesem Abschnitt bei drucklosem Prozess ein Vakuum angelegt werden, um flüchtige Bestandteile aus der Mischung zu entfernen.
Besonders zielführend ist es darüber hinaus auch, wenn die Vorrichtung in dem ersten Bereich insbesondere einstellbare und/oder in Achsrichtung verfahrbare Staustufen aufweist, um so den Verlauf des Werkstofftransports weiter zu optimieren.
Eine ebenfalls besonders gewinnbringende Ausgestaltung wird auch dadurch erreicht, dass in einem Übergangsbereich des ersten Bereichs zu dem zweiten Bereich ein Unterdruck, insbesondere ein Vakuum, anlegbar ist, um so flüchtige Bestandteile aus dem Werkstoff entfernen zu können. Hierzu ist die Vorrichtung beispielsweise mit einer Unterdruckleitung verbunden oder mit einer Unterdruckpumpe ausgestattet.
Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die zweite Schnecke in Richtung der Längserstreckung zumindest zwei Abschnitte mit einem unterschiedlichen Durchmesser aufweist, um so die erforderliche Förderleistung zu realisieren.
Eine weitere wesentliche Verbesserung der Vorrichtung wird auch dadurch geschaffen, dass die Vorrichtung mehrere den Schnecken zugeordnete Mischelemente und/oder in Stiftebenen angeordnete Stifte aufweist, durch welche die Durchmischung insbesondere in Abhängigkeit des jeweiligen Werkstoffs optimiert werden kann. Die Stifte können hierzu in ihrer Position veränderbar oder entfernbar sein.
Eine andere Gewinn bringend einsetzbare Ausgestaltung wird dann erreicht, wenn zumindest eine der beiden Schnecken modular, insbesondere mittels Steckverbindungen, aufgebaut ist, sodass eine Anpassung an die jeweiligen Umstände der Werkstoffverarbeitung mit einem vergleichsweise geringen Aufwand realisiert werden kann.
Insbesondere weist die zweite Schnecke in dem zweiten Bereich eine radiale Erweiterung auf, die in einem Übergangsbereich zwischen den beiden Bereichen, also dem Endabschnitt der ersten Schnecke, einen stetigen, beispielsweise einen konischen, Verlauf aufweisen kann.
Eine andere, besonders praxisnahe Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird dann erreicht, wenn die Länge der ersten Schnecke derart bemessen ist, dass der Werkstoff innerhalb des ersten Bereichs plastifiziert und homogenisiert ist, sodass in dem zweiten Bereich in vorteilhafter Weise der gewünschte Druckaufbau und eine gleichmäßige Förderung des Werkstoffs realisiert werden kann.
Die Schnecken könnten grundsätzlich kämmend, also ineinander greifend, ausgeführt sein. Besonders Erfolg versprechend ist es hingegen, wenn die beiden Schnecken tangierend oder berührend angeordnet sind, um so eine voneinander unabhängige Steuerung der Drehbewegung der unabhängigen Antriebe zu ermöglichen. Selbst der Stillstand einer Schnecke ist so bedarfsweise realisierbar.
Die Schnecken sind grundsätzlich neben- oder übereinander angeordnet, wobei gemäß einer vorteilhaften Abwandlung die Schnecken parallel zueinander angeordnet sind, also die Schneckenachsen parallel verlaufen.
Weiterhin ist es Erfolg versprechend, wenn die Vorrichtung einen die Schnecken einschließenden, aufklappbaren Zylinder aufweist, um so die Zugänglichkeit wesentlich zu verbessern.
Grundsätzlich kann der Vorrichtung nahezu jeder beliebige Werkstoff zugeführt werden. Besonders praxisnah ist jedoch eine Abwandlung, bei welcher der Vorrichtung Kautschukbahnen, Kautschukfelle, Kautschukballen und/oder Pellets als Werkstoff zuführbar sind. Beispielsweise können auch Kautschukbahnen zusammen mit Kautschukballen zugeführt werden. Die Kautschukmischungen können fertiggemischt oder nur vorgemischt zugeführt werden.
Außerdem können bei einer Abwandlung, nach der die Vorrichtung einen Einlass für zusätzliche Werkstoffe aufweist, dem Werkstoff weitere Komponenten zugeführt werden. Dies können beispielsweise weitere Komponenten und/oder Werkstoffrückführung aus der Produktion sein.
Die Aufgabe wird weiterhin auch mit einem Verfahren zur Verarbeitung polymerer Werkstoffe, insbesondere Kautschuk, mittels einer, zwei Schnecken unterschiedlicher Länge aufweisenden Vorrichtung dadurch gelöst, dass jede der beiden Schnecken voneinander unabhängig angetrieben und mit voneinander unabhängigen Drehgeschwindigkeiten oder Drehrichtungen betrieben wird. Auf diese Weise kann so mit geringem Aufwand der Druck und ein pulsationsfreier Durchsatz im Übergangsbereich von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich eingestellt und zugleich die gewünschten Anforderungen an die Homogenität und die Qualität sichergestellt werden. Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine mit zwei Schnecken unterschiedlicher Länge ausgestattete Vorrichtung;
Fig. 2 eine Seitenansicht der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 3 wird anhand der Figuren 1 und 2 nachfolgend näher dargestellt, welche einerseits eine Draufsicht, andererseits eine Seitenansicht der als Extruder ausgeführten, mit einer ersten Schnecke 1 und einer zweiten Schnecke 2 ausgestatteten Vorrichtung 3 zur Verarbeitung polymerer Werkstoffe, insbesondere Kautschuk in einer Prinzipdarstellung zeigen. Die zweite Schnecke 2 ist dabei länger als die erste Schnecke 1 bemessen. Insbesondere weist also die Vorrichtung 3 einen, die beiden Schnecken 1, 2 umfassenden, durch das Ende der ersten Schnecke 1 begrenzten ersten Bereich 4 und einen, sich an den ersten Bereich 4 anschließenden zweiten Bereich 5 auf. Dieser zweite Bereich 5 entspricht somit im Wesentlichen einem Vorsprung 6 der zweiten Schnecke 2 gegenüber der ersten Schnecke 1. In dem ersten Bereich 4 liegen die beiden Schnecken 1 , 2 als Doppelschnecke nebeneinander. Der Antrieb erfolgt dabei gegenläufig, wobei die Schnecken 1, 2 nicht kämmend, sondern lediglich tangierend nebeneinander angeordnet sind. In dem Anfangsbereich erfolgt eine Fütterung des Extruders mit einer Mischung als Werkstoff. Im Anschluss an diesen Anfangsbereich erfolgt die Plastifizierung und Homogenisierung des Werkstoffs, wobei die beiden Schnecken 1 , 2 in dem ersten Bereich 4, als Zylinder ausgeführten Gehäusewand eingeschlossen sind, welche zumindest eine radiale Erweiterung 9 aufweist. Das Volumen der radialen Erweiterung 9 ist fest vorgegeben oder beispielsweise mittels eines Stempels einstellbar. Dadurch, dass die Gehäusewand abschnittsweise offen ist, entsteht auf dem Schneckenkamm ein Knet. Zugleich wird ein druckneutraler Zustand eingestellt, in dem im Wesentlichen keine Scherkräfte, sondern lediglich Dehnkräfte auftreten und daher ein unerwünschter Temperatureintrag vermieden wird. Alternativ kann mittels des Stempels ein beliebiger Druck auf die Mischung ausgeübt werden. In einem Endbereich der ersten Schnecke 1 , welcher von einer geschlossenen Gehäusewand eingefasst ist, erfolgt die Übergabe des Werkstoffs an den als Einschnecke ausgeführten Vorsprung 6 der zweiten Schnecke 2, welcher den zweiten Bereich 5 bestimmt. In einem Übergangsbereich des ersten Bereichs 4 und des zweiten Bereichs 5 geht die zweite Schnecke 2 als eine konische Erweiterung 7 von einem Durchmesser d2 im Doppelschneckenbereich in einen Abschnitt mit einem größeren Durchmesser D2 über. Der Druck in diesem Übergangsbereich wird mittels einer Steuerung überwacht und kann beispielsweise durch einen Änderung der Drehzahl der ersten Schnecke 1 eingestellt werden. Bei Auswahl angepasster Schneckengeometrien ist im Übergangsbereich des ersten Bereichs 4 zu dem zweiten Bereich 5 ein Unterdruck, insbesondere ein Vakuum, anlegbar, um so flüchtige Bestandteile aus dem Werkstoff entfernen zu können. In dem zweiten Bereich 5 wird der Werkstoff möglichst gleichmäßig in Richtung der Schneckenspitze gefördert, wobei in diesem Bereich 5 zusätzlich Stifte 8 eingesetzt werden können.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Eine insbesondere als ein Extruder ausgeführte Vorrichtung (3) zur Verarbeitung polymerer Werkstoffe, insbesondere Kautschuk, mit einer ersten Schnecke (1) und einer zweiten Schnecke (2), wobei die beiden Schnecken (1 , 2) unterschiedliche Längen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der beiden Schnecken (1 , 2) eine voneinander unabhängige Drehrichtung und/oder Drehgeschwindigkeit einstellbar ist.
2. Vorrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) einen die beiden Schnecken (1, 2) umfassenden, durch das Ende der ersten Schnecke (1) begrenzten ersten Bereich (4) und einen sich an den ersten Bereich (4) anschließenden, durch einen einer Auslassöffnung zugewandten Vorsprung (6) der zweiten Schnecke (2) bestimmten zweiten Bereich (5) aufweist.
3. Vorrichtung (3) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schnecke (2) in Richtung der Längserstreckung zumindest zwei Abschnitte mit einem unterschiedlichen Durchmesser (d2, D2) aufweist.
4. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand in dem ersten Bereich (4) in zumindest einem Abschnitt zumindest eine Erweiterung (9) quer zur Rotationsachse der Schnecken (1 , 2) aufweist, welche die Schnecken (1 , 2) oder eine Schnecke (1 , 2) nicht vollständig umschließt.
5. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge und der Durchmesser der ersten Schnecke (1) derart bemessen ist, dass der Werkstoff plastifizierbar ist.
6. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schnecken (1 , 2) eine Drehrichtung und/oder Drehgeschwindigkeit in Abhängigkeit der mittels Sensoren erfassten Messwerte, insbesondere des Drucks des Werkstoffs oder der Temperatur, einstellbar ist.
7. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schnecken (1, 2) gegenläufig antreibbar sind.
8. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schnecke (1 , 2) ein separater Antrieb zugeordnet ist.
9. Vorrichtung (3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der radialen Erweiterung (9) einstellbar ist.
10. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) in dem ersten Bereich (4) insbesondere einstellbare und/oder in Achsrichtung verfahrbare Staustufen aufweist.
11. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich des ersten Bereichs (4) zu dem zweiten Bereich (5) ein Unterdruck, insbesondere ein Vakuum, anlegbar ist.
12. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) zumindest Einlass für zusätzliche Werkstoff- Komponenten aufweist.
13. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) mehrere den Schnecken (1, 2) zugeordnete Mischelemente aufweist.
14. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere den Schnecken (1, 2) zugeordnete, insbesondere in Stiftebenen angeordnete Stifte (8) aufweist.
15. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schnecken (1, 2) tangierend angeordnet sind.
16. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecken (1 , 2) parallel zueinander angeordnet sind.
17. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) einen die Schnecken (1 , 2) einschließenden, aufklappbaren Zylinder aufweist.
18. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung (3) Kautschukbahnen, Kautschukfelle, Kautschukballen und/oder Pellets als Werkstoff zuführbar sind.
19. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung (3) der Werkstoff kontinuierlich oder diskontinuierlich zuführbar ist.
20. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Schnecken (1, 2) modular, insbesondere mittels Steckverbindungen, aufgebaut ist.
21. Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) mit einem Extrusionskopf verbunden ist.
22. Verfahren zur Verarbeitung polymerer Werkstoffe, insbesondere Kautschuk, mittels einer zwei Schnecken (1, 2) unterschiedlicher Längen aufweisenden, als ein Extruder ausgeführten Vorrichtung (3) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden Schnecken (1 , 2) voneinander unabhängig angetrieben und mit voneinander unabhängigen Drehgeschwindigkeiten und/oder Drehrichtungen betrieben wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff innerhalb des ersten Bereichs (4) plastifiziert wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schnecken (1, 2) eine Drehrichtung und/oder Drehgeschwindigkeit in Abhängigkeit der mittels Sensoren erfassten Messwerte, insbesondere des Drucks des Werkstoffs oder der Temperatur, eingestellt wird.
25. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schnecken (1 , 2) gegenläufig und/oder unabhängig voneinander angetrieben werden.
26. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Förderung und/oder Plastifizierung ohne Erhöhung der Temperatur erfolgt.
27. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Homogenisierung und Plastifizierung ein Druckaufbau bei einer lediglich geringfügigen Erhöhung der Temperatur erfolgt.
28. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich eines Doppelschneckenbereichs zu einem Einfachschneckenbereich der Druck überwacht und insbesondere durch eine Änderung der Drehzahl der Schnecken (1, 2) eingestellt wird.
29. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der radialen Erweiterung (9) eingestellt wird.
30. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Bereich (4) zugeordnete Staustufen in Achsrichtung verfahren werden.
31. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich des ersten Bereichs (4) zu dem zweiten Bereich (5) ein Unterdruck, insbesondere ein Vakuum, angelegt wird.
32. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff Kautschukbahnen, Kautschukballen, Kautschukfelle und/oder Pellets zugeführt werden.
33. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff kontinuierlich, insbesondere mit konstanter Geschwindigkeit, oder diskontinuierlich zugeführt wird.
34. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenlänge und/oder der Schneckendurchmesser an die Werkstoffeigenschaften angepasst sind.
35. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass nicht fertiggemischte Werkstoffe der Vorrichtung zugeführt werden.
36. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 22 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Werkstoffkomponenten der Vorrichtung an zumindest einem Einlass zugeführt werden.
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