DE102006033507A1

DE102006033507A1 - Kunststoff-Plastifiziereinrichtung

Info

Publication number: DE102006033507A1
Application number: DE102006033507A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schäfer
Original assignee: Pro Tech Beratungs & Entwicklungs GmbH; PRO-TECH BERATUNGS- und ENTWICKLUNGS GmbH
Current assignee: Pro Tech Beratungs & Entwicklungs GmbH; PRO-TECH BERATUNGS- und ENTWICKLUNGS GmbH
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-01-24

Abstract

Kunststoff-Plastifiziereinrichtung, insbesondere als Teil eines Extruders, einer Kunststoff-Blasvorrichtung, einer Spritzgießmaschine oder einer Regranuliermaschine, mit einem Plastifizierzylinder und einer Mehrzonenschnecke, die auf ihrer Längserstreckung eine Mehrzahl von Abschnitten mit verschiedenen Durchmessern und/oder Kegelwinkeln sowie eine Schneckenspitze aufweist, wobei die Abschnitte der Mehrzonenschnecke jeweils im Zusammenwirken mit einer definierten Ausführung der Wandung und/oder einer Heizung des Plastifizierzylinders eine Mehrzahl von Arbeitszonen der Plastifiziereinrichtung mit jeweils spezieller Funktion definieren, wobei die Mehrzonenschnecke aus mit Cr und/oder Ni und/oder Co legiertem Werkzeugstahl besteht und ihre gesamte Oberfläche hartmetallfrei in eine Tiefe von 5 µm oder mehr, insbesondere von 10 bis 100 µm, nitrier-gehärtet und hochglanzpoliert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzonenschnecke einer solchen Kunststoff-Plastifiziereinrichtung sowie Verwendungen einer derartigen Plastifiziereinrichtung.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtungen der gattungsgemäßen Art sind seit vielen Jahren als wesentliche Komponenten von Kunststoff-Spritzgießmaschinen bekannt und im praktischen Einsatz. In den letzten Jahren haben sie auch immer breiteren Einsatz bei Extrudern, etwa zur hochproduktiven Herstellung von Kunststoffrohren, Kabelmänteln oder dergleichen, in Kunststoff-Blasmaschinen vom kontinuierlich arbeitenden Typ sowie auch in Kunststoff-Regranuliermaschinen zur Gewinnung von gereinigtem Kunststoffgranulat aus verunreinigten Kunststoffabfällen gefunden.
Plastifiziereinrichtungen der hier in Rede stehenden Art sind etwa aus der DE-OS 19 54 287 oder der US 4,2 55 379 bekannt. Eine gattungsgemäße Kunststoff-Plastifiziereinrichtung ist in der DE 42 38 277 C2 beschrieben.
Zur Charakterisierung der Schnecke kann man beispielsweise deren Schneckensteghöhe verwenden. Die Schneckensteghöhe T ergibt sich aus der Differenz von Durchmesser D₁ der Schnecke und des Schneckenkerns: T = (D1 – D2)/2 (1)
Eine weitere häufig verwendete Kerngröße zur Unterscheidung verschiedener Schnecken oder auch verschiedener Zonen ist die Steigung S der Schnecke. Hierunter versteht man das Produkt von Faktor H und Schneckendurchmesser D₁. Im Rahmen der Erfindung wird hierbei unter Steigung S der Abstand vom Anfang eines Schneckenstegs bis zum Anfang eines benachbarten Schneckenstegs verstanden. S = H × D1 (2)
Darüber hinaus ist eine weitere häufig benutzte Größe zur Beschreibung der Schneckeneigenschaften die sogenannte Profilbereichslänge L. Hierunter versteht man die Länge des profiltragenden Anteils der Schnecke. Die Schneckenlängen L werden häufig im Verhältnis zu D₁ angegeben und betragen bei den heutigen Schnecken im allgemeinen 15-20 D₁, wobei die Durchmesser D₁ in aller Regel zwischen 45 und 200 mm liegen. Weiterhin wichtig ist das Gangtiefenverhältnis G bei der Beurteilung der Schneckenqualität. Standardmäßig hat sich heutzutage ein Gangtiefenverhältnis G von etwa zwischen 2:1 und 3:1 bewährt.
Bei vielen Schnecken hat nun der Schneckenkern keinen einheitlichen Durchmesser.
Vielmehr haben sich in der Praxis des Spritzgießens thermoplastischer Formmassen sogenannte Dreizonenschnecken bewährt. Bei diesen kann man aufgrund der Ausgestaltung und Funktion über die gesamte Schneckenlänge im wesentlichen drei Abschnitte oder Zonen unterscheiden, nämlich Einzug, Kompression und Metering.
Die in Förderrichtung der Schnecke erste Zone ist die Einzugs- oder auch Feedzone. Sie weist die relativ größte Schneckensteghöhe T aller Abschnitte der Schnecke auf und dient zum "Einziehen" der Formmasse, wozu sie beispielsweise mit einem Trichter verbunden ist. In der Feedzone steht zwischen Plastifizierzylinder und Schneckenkern üblicherweise das größte Volumen zur Verfügung, und der Durchmesser des Schneckenkerns D₂ ist in dieser Zone im wesentlichen konstant. Da der Schneckenkern in der Einzugszone den geringsten Durchmesser D₂ aller Zonen aufweist, ist die Schneckenarbeit in der Einzugszone bei bekannten Schnecken besonders groß, da viel Material in einem relativ großen Volumen bewegt werden muss.
Auf die Feedzone folgt die Kompressionszone, in der sich der Durchmesser D₂ des Schneckenkerns kegelig erweitert. Die Verringerung des zwischen Plastifizierzylinder und Schneckenkern zur Verfügung stehenden Volumens in der Kompressionszone hat im Betrieb der Schnecke eine Verdichtung, also eine Kompression des Materials, zur Folge, die möglichst ohne Lufteinschlüsse vonstatten gehen soll und die zur Erzeugung einer Schmelze von hoher Homogenität dient.
Als dritte Zone schließt sich an die Kompressionszone die sogenannte Metering- oder Austrittszone an. Der Schneckenkern hat in der Meteringzone einen konstanten Durchmesser D₂, so dass im Verhältnis zu Einzug und Kompression die Meteringzone die geringste Schneckensteghöhe T aufweist. Der Meteringzone kommen die Funktionen Materialtransport und -entspannung zu, d. h. Abbau der Kompression des Materials.
Gemäß dem Stand der Technik liegen die drei Zonen üblicherweise in einem ganz bestimmten Verhältnis relativ zueinander vor. Der Anteil des Einzugs beträgt etwa 50%, derjenige der Kompression etwa 35% und der Anteil der Meteringzone etwa 15% der profilierten Schneckengesamtlänge. Die Längenverhältnisse der Zonen können je nach Anwendung auch variieren. So ist es für die Verarbeitung bestimmter Polyblends bekannt, den Längenanteil des Einzugs auf 40% zu verkürzen und dafür bei unverändertem Anteil der Meteringzone die Kompression mit einem Längenanteil von ca. 45% auszuführen. Diese Verlängerung der Kompression hat u. a. eine starke Beeinflussung des sich beim Spritzgießen einstellenden Drucks zur Folge.
Die Steigung S der Schnecke kann über den Verlauf ihrer Länge unterschiedlich ausgebildet sein, liegt jedoch in der Regel bei bekannten Schnecken zwischen 0,7 und 1,2 D. Durch eine geeignete Wahl der Steigung kann man Einfluss auf das gesamte Förderergebnis der Schnecke nehmen, da eine größere Schneckensteigung die Plastifizierleistung einer Schnecke deutlich verbessert.
Obwohl nun mit bekannten Schnecken schon recht gute Ergebnisse beim Spritzgießen erzielt werden können, so treten jedoch bei vorbeschriebenem Schneckendesign immer wieder Schwierigkeiten auf, wenn kompliziertere Formen, beispielsweise unter Verwendung eines umfangreichen Anguss- und Heißkanalsystems im Formwerkzeug spritzgegossen werden sollen, wenn besonders empfindliche Thermoplaste plastifiziert und verarbeitet werden sollen oder wenn empfindliche Dekormaterialien, Textilien, Stoffe, Folien, etc. hinterspritzt werden sollen.
Bei der Verarbeitung relativ niedrigviskoser Produkte und beim Vorliegen besonders langer Fließwege im Formwerkzeug kann es bei den Standarddreizonenschnecken beim Einspritzvorgang leicht zum Rückströmen der Schmelze in die Schneckengänge kommen, was zu einer Minderung der Qualität oder zum Unbrauchbarwerden des Formteils und zu einer negativen Beeinträchtigung der Spritzgießmaschine beispielsweise durch Verstopfen des Angusskanals führen kann. Insbesondere wenn das plastische Material einer starken Kompression unterworfen wird und gleichzeitig eine zu geringe Materialabnahme am Werkzeug erfolgte, entsteht an der Austrittsstelle des Materials aus der Schnecke ein Rückstau.
Es ist nun zwar gelungen, dieses Problem durch den Einbau einer Rückstromsperre am vorderen Ende der Schnecke mehr oder weniger gut in den Griff zu bekommen, wobei die Rückstromsperre sich beim Plastifizieren nach vorne schiebt und die Schmelze durchlässt, während sie beim Einspritzen nach hinten gedrückt wird und so den Schneckenvorraum absperrt, aber die üblichen Rückstromsperren sind aufwendige Bauteile, welche die Plastifiziereinheit verkomplizieren, reparaturanfälliger machen und nicht unbedeutend verteuern.
Des Weiteren mangelt es den bekannten Dreizonenschnecken an einer für die Verarbeitung bezüglich der Verarbeitungstemperatur heikler Substanzen hinreichenden Thermostatisierbarkeit entlang der Schnecke. Schnecken sind mittels üblicherweise am Plastifizierzylinder angebrachter Heizelemente thermostatisierbar. Zu Beginn eines Gusses oder Schusses wird die gesamte Schnecke in der Regel einmal auf die erwünschte Schmelztemperatur des zu verarbeitenden Kunststoffmaterials gebracht, aber dann ist im wesentlichen keine Zusatzheizung mehr erforderlich, weil die Temperatur durch die sogenannte "Schneckenarbeit" aufrechterhalten wird. Die Eigenarbeit der Schnecke (Reibung, Scherrotation, Eigenrotation) liefert ca. 70% der benötigten Wärme.
Ein Nachteil dieser entstehenden Wärme ist allerdings, dass es sich um unkontrollierbare Wärme handelt. Liegt die erreichbare Temperaturkonstanz des thermoplastischen Kunststoffmaterials bei der Verarbeitung empfindlicher Materialien, also sowohl empfindlicher Dekormaterialien als auch empfindlicher Formmassen, außerhalb eines relativ engen Toleranzintervalls von ca. ± 1°C Abweichung von einem vorbestimmten Sollwert, so hat dies zur Folge, dass bei zu hohen Temperaturen die Fasern des im Spritzwerkzeug zu hinterspritzenden Stoffes angeschmolzen oder aufgeschmolzen werden oder dass bei zu niedrigen Temperaturen eine unzureichend fließfähige, also zu hochviskose, Masse eingespritzt wird. In beiden Fällen ist das hergestellte hinterspritzte Formteil Ausschuss. Sind bei zu hoher Einspritztemperatur die Fasern erst einmal angeliert, kann das gesamte Material bei Beanspruchung brechen oder reißen. Ist die Temperatur der Formmasse zu niedrig gewesen, werden die Kavitäten im Werkzeug nicht genügend aufgefüllt und nur niedrig belastbare Schwachstellen im Formteil sind vorprogrammiert.
Die weiter oben bereits erwähnte DE 42 38 277 C2 beschreibt eine gegenüber jenem Stand der Technik verbesserte Kunststoff-Plasitfiziereinrichtung, die ohne aufwändige und anfällige Verschlusseinrichtungen auskommt und bei der zugleich die Leistung der Schnecke verbessert ist.
Gegenüber dem in dieser Druckschrift beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine insbesondere hinsichtlich ih rer Standfestigkeit und damit der mittleren Kosten, bezogen auf die praktische Nutzungsdauer, weiter verbesserte Kunststoff-Plastifiziereinrichtung anzugeben. Weiter soll ein Verfahren zur Herstellung des entscheidenden Bauteils einer solchen Kunststoff-Plastifiziereinrichtung, nämlich der Mehrzonenschnecke, angegeben werden.
Die erstgenannte Aufgabe wird durch eine Kuststoff-Plastifiziereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die als zweites genannte Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 29 gelöst. Weiterhin werden praktisch bedeutsame Verwendungen der hier vorgeschlagenen Kunststoff-Plastifiziereinrichtung angegeben. Zweckmäßige Fortbildungen der verschiedenen Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
In ihrem Vorrichtungsaspekt schließt die Erfindung den wesentlichen Gedanken ein, die den funktional und von der Lebensdauer her entscheidenden Teil der Kunststoff-Plastifiziereinrichtung bildende Mehrzonenschnecke konsequent ausschließlich aus qualitativ hochwertigem Werkzeugstahl, ohne jegliche Hartmetall-Einfügungen, auszuführen. Hierdurch werden die bei einem Hartmetalleinsatz unvermeidlichen Störungen der geschlossenen Werkzeugoberfläche vermieden, die nach Untersuchungen der Erfinder eine häufige Ursache von Beschädigungen im Harten praktischen Einsatz, insbesondere bei der Plastifizierung von mit aggressiven Additiven und Verunreinigungen vermengten Kunststoffen, darstellen.
Weiter schließt die Erfindung den wesentlichen Gedanken ein, die Oberfläche des eingesetzten, erfindungsgemäß mit Chrom und/oder Nickel und/oder Kobalt legierten Werkzeugstahls in möglichst perfekter Qualität auszubilden, um jegliches Ankleben, Anbacken o.ä. von Kunststoff weitestgehend zu vermeiden und zugleich Angriffspunkte für die erwähnten Bestandteile der zu plastifizierenden Masse an der Schneckenoberfläche weitestgehend auszuschließen. Speziell ist die Oberfläche aus diesem Grunde hochglanzpoliert.
Schließlich umfasst die Erfindung den Gedanken, einer hinreichend tiefen Nitrier-Härtung der Stahloberfläche, mit der eine hartmetall-vergleichbare Oberflächen härte, jedoch bei verbesserter Zähigkeit und unter Ausschluss der oben erwähnten Nachteile von Hartmetalleinsätzen, erzielt wird. Die Nitrierhärtungs-Tiefe sollte hierbei mindestens 5 μm betragen und wird typischerweise im Gereicht zwischen 10 und gegebenenfalls über 100 μm, je nach Einsatzanforderungen und Kostengrenzen, liegen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Härte um 40 HRC liegt. Weiter bevorzugt ist vorgesehen, die Schnecke aus einem Werkzeugstahl der Qualität 1.2083 – gegebenenfalls auch der Qualität 4122 – zu fertigen.
Besonders bei Kunststoffen mit verarbeitungstechnisch höherem Schwierigkeitsgrad, wie etwa bei Polycarbonaten, Polyethylen, Polyvinylchlorid, diversen Polybiends sowie mineral- und fasergefüllten Thermoplasten gelingt es, schädliche Temperaturschwankungen zu vermeiden. Insbesondere gelingt dies dadurch, dass sich an die von den Dreizonenschnecken bekannten Zonen, also direkt an die Metering-Zone, eine vierte Zone mit sich kegelig verjüngendem Schneckenkern und daraus sich ergebend zunehmender Schneckensteghöhe als Metering-Mix-Zone anschließt Dadurch wird zwischen Metering-Zone und der gemäß dem Stand der Technik sich an die Metering-Zone unmittelbar anschließenden Schneckenspitze ein relativ großes zusätzliches Volumen als Homogenisierungsraum zur Verfügung gestellt, so dass es einerseits zu einer besseren Entspannung der Schmelze kommt und andererseits bei unzureichender Materialabnahme an der Spitze der Schnecke ein Reservoir vorhanden ist, das die Reaktion der gesamten Schnecke auf einen Staudruck wesentlich verbessert. Hinzu kommt, dass – wie umfangreiche Versuche ergeben haben – bei einer Mehrzonenschnecke entsprechend der Erfindung eine gute Kommunikation zwischen Schnecke und Formwerkzeug stattfindet, so dass besonders bei Mehrfachwerkzeugen mit zum Teil sehr kompliziertem Heißkanalsystem ein Rückströmen der Schmelze aus dem Formhohlraum in den Schnecken-Vorraum ohne Rückstromsperre vermieden werden kann.
In einer äußerst zweckmäßigen Gestaltung der erfindungsgemäßen Mehrzonenschnecke schließt sich in Förderrichtung an die vierte oder Metering-Mix-Zone eine fünfte Zone mit im wesentlichen konstanter Schneckensteghöhe als Metering-H- Zone an. Wie der gewählte Name schon andeutet, hat die fünfte Zone im wesentlichen dieselbe Aufgabe wie die bekannte Metering-Zone, nämlich die Homogenisierung der entspannten Schmelze, dabei besonders die innige Durchmischung der Schmelzbestandteile und in gewissem Maße auch die erneute Kompression des geschmolzenen Materials zur Vorbereitung auf den eigentlichen Einspritz-Vorgang. Um diesem Aufgabenprofil gerecht zu werden, ist es bevorzugt, dass die Metering-II-Zone eine Schneckensteghöhe aufweist, die der Schneckensteghöhe der Metering-Zone entspricht.
Wie bereits ausgeführt, schließt sich an die Metering-Zone bei den Schnecken gemäß dem Stand der Technik die Schneckenspitze an. In bevorzugter Ausführungsform folgt bei einer Mehrzonenschnecke gemäß der Erfindung nun nicht auf die Metering-Zone, sondern auf die Metering-Mix-Zone oder, sofern vorhanden, auf die Metering-II-Zone eine Schneckenspitze, die in Förderrichtung zunächst einen im wesentlichen zylindrischen Teil und sich daran anschließend einen konisch zulaufenden Teil aufweist der die Spitze formt. Durch diese Konstruktion wird im wesentlichen eine Anpassung des Fließquerschnitts an das Spritzvolumen und den Angussquerschnitt erreicht, da im allgemeinen das Werkzeug über einen Angusskanal mit der Schneckenspitze oder Düse verbunden ist.
Erfindungsgemäß kann es nun besonders vorteilhaft sein, wenn zumindest der im wesentlichen zylindrische Teil der Schneckenspitze mit Wendeln oder Schnecken-Stegen versehen ist Dies bedeutet, dass die fünfte bzw. Metering-II-Zone sozusagen auf die Schneckenspitze verlegt wird. Auch diese Einbeziehung der Schneckenspitze als sogenannte Wendelspitze ermöglicht unter anderem bei ansonsten gleicher Länge der Schnecke wie beim Stand der Technik die Schaffung einer Fünfzonenschnecke.
Für den Fall der Fünfzonenschnecke mit integrierter Wendelspitze ist es dann wiederum von Vorteil, dass der zylindrische Teil der Schneckenspitze im wesentlichen dieselbe Schneckensteghöhe aufweist wie die Metering-Mix-Zone, so dass der erste zylindrische Abschnitt der Wendelspitze genau dieselben Funktionen wahrnehmen kann, wie oben bei der MeteringrII-Zone beschrieben. Insbesondere wird bei glei cher Schneckensteghöhe der Metering-II-Zone wie bei der Metering-Zone zusätzlich durch die Verdichtung bzw. Kompression im Vergleich zur vorhergehenden Metering-Mix-Zone eingeschlossene Luft zurückbewegt und dabei eine von Lufteinschlüssen äußerst freie Schmelze zur Verfügung gestellt.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist nicht nur der zylindrische Teil der Schneckenspitze mit Wendeln versehen, vielmehr trägt auch der konisch zu- laufende Teil der Schneckenspitze Wendel. Bei den Wendeln der Schneckenspitze, insbesondere des kegelig spitz zulaufenden Teils, handelt es sich um ein Spezialprofil, dessen Beschaffenheit im Folgenden beschrieben wird. Das Spezialprofil ist über den kompletten Bereich mit sogenannten Wendeln versehen. Dieser Bereich ist vom größten Durchmesser bis in die Spitze konisch. Die Steigung ist bei Beginn des konischen Bereichs 0,7 D₂ und verjüngt sich bis in den Spitzenbereich auf 0,1 D₂.
In bevorzugten Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Schneckenspitze im wesentlichen über ihre gesamte Länge einen Schneckensteg mit einer Stegbreite zwischen 0,1 D₂ und 0,15 D₂, bevorzugt von 0,12 D₂, aufweist, wobei d der mittlere Kerndurchmesser der Mehrzonenschnecke ist und/oder dass sie eine Steigung im Bereich zwischen 0,85 D₂ und 1,0 D₂ und/oder eine Steghöhe im Bereich zwischen 0,9 D₂ und 1,1 D₂ hat.
Auf der aktiven Seite (in Förderrichtung) wird die Wendel bevorzugt mit einem Radius R von ca. 10 mm versehen. Der zylindrische Teil der Spezial-Schneckenspitze ist in günstigster Ausgestaltung mit ca. 3 Stegen ausgerüstet Diese Stege haben im allgemeinen eine kleinere Steigung als die der Standardzonen. Die Steigung soll bevorzugt bei 80%, also 0,8 D₂, liegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein erster Radius an der dem freien Ende der Schneckenspitze zugewandten aktiven Flanke des Schneckensteges mindestens um einen Faktor 2, bevorzugt um einen Faktor 3 bis 4, größer ist als ein zweiter Radius an der dem Schneckenende zugewandten passiven Flanke des Schneckensteges. Eine für typische Schneckenabmessungen zweckmäßige Ausführung sieht vor, dass der erste Radius zwischen 8 und 12 mm, bevorzugt 10 mm, und der zweite Radius zwischen 2, 5 und 5 mm, bevorzugt 3 mm, beträgt.
Um die Parameter der fünften Zone schnell und einfach an bestimmte Spritzgießprobleme anpassen zu können, ist es zweckmäßig, wenn die Schnecken- oder Wendelspitze am vorderen Ende der Schnecke auswechselbar, beispielsweise abschraubbar, ausgeführt ist.
In einer nach aktuellem Kenntnisstand der Erfinder bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kegelwinkel eines kegelförmigen Hauptteils der Schneckenspitze mehr als 20°, insbesondere bei einem Durchmesser der Mehrzonenschnecke von mehr als 100 mm zwischen 21° und 23°, beträgt.
Unter bestimmten Einsatzbedingungen kann aber auch ein Spitzenwinkel im Bereich zwischen 16° und 20° vorteilhaft sein, insbesondere bei kleineren Mehrzonenschnecken mit einem mittleren Durchmesser von deutlich unter 100 mm.
Des weiteren ist es bevorzugt, wenn der zwischen Schneckenspitze und Zylinderkopf vorgesehene axiale Spalt auf die Art des zu verarbeitenden Thermoplasten abgestimmt ist. Hierunter ist zu verstehen, dass bei sehr leicht fließenden Kunststoffen, zum Beispiel Polyethylen, der axiale Spalt bevorzugt auf ca. 1,2 bis 1,5 mm eingestellt wird, während bei Thermoplasten mit mittlerem Fließverhalten ein Spaltmaß von 1,5 bis ca. 2 mm vorteilhaft ist. Hingegen ist bei Thermoplasten mit schwierigen bzw. schlechten Fließeigenschaften ein Spaltmaß von ca. 2 bis 3 mm günstig. Vorteilhaft ist, wie bereits angedeutet, das Spaltmaß veränderbar, beispielsweise mittels am Schneckenschaft entsprechend einstellbarer Scheiben. Der radiale Spalt besonders im Schneckenspitzenbereich ist in bevorzugter Ausführungsform von konstanter Breite.
Darüber hinaus ist es des Weiteren vorteilhaft, den Zylinderkopf mit einer speziellen Panzerung zu versehen. Hierfür erscheinen aufgrund langwieriger Grundlagenversuche insbesondere Stellite geeignet.
Die großen Vorteile des erfindungsgemäßen Schneckenkonzepts ergeben sich nicht nur aus der prinzipiellen Zoneneinteilung, sondern auch aus der sorgfältigen Abstimmung der Zonenparameter aufeinander und der Zoneneigenschaften relativ zueinander.
So ist die Kompressionszone zweckmäßig kürzer als bei Standardschnecken. Ihr relativer Längenanteil beträgt zwischen 22,5 und 35%, bevorzugt zwischen 25 und 30% und ganz besonders bevorzugt 27,5% der Gesamtlänge der vier Zonen Einzug, Kompression, Metering und Metering-Mix. Ist die Kompression länger, dann ist die Plastifizierleistung der Schnecke zu stark eingeengt.
Unterschreitet die Kompressionszone einen Anteil von weniger als 22,5%, dann ist die Verdichtung der Schmelze zu hoch. Besonders bei hochempfindlichen und sensiblen Thermoplasten können Verfärbungen und Verbrennungen auftreten.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn der relative Längenanteil der dritten oder Metering-Zone zwischen 10% und kleiner als 15%, bevorzugt zwischen 13,5% und 14,5% und besonders bevorzugt 13,75%, der Gesamtlänge der vier Zonen Einzug, Kompression, Metering und Metering-Mix ist. Darauf folgt, dass erfindungsgemäß auch die Metering-Zone kürzer ausgebildet ist als beim Stand der Technik. Insbesondere ergibt sich daraus der Vorteil, dass der kürzere Kanal die Plastifizierleistung der Schnecke verbessert. Ist der Anteil der Metering-Zone geringer als 10%, dann nimmt die Schnecke aus dem hinteren Bereich Luft auf. Die Schmelze ist mit Gasblasen angereichert. Besonders bei empfindlichen Thermoplasten wird dadurch die Schmelzqualität negativ beeinflusst. So kann es beispielsweise zur Schlierenbildung auf den Formteilen kommen. Werden andererseits 15% überschritten, dann kann eine unerwünschte Friktion auftreten, die Scherwirkung kann zu hoch sein, und die Schmelztemperatur ist nicht mehr exakt zu steuern.
Zweckmäßig ist bei der vorgeschlagenen Mehrzonenschnecke der relative Längenanteil der beim Stand der Technik überhaupt nicht anzutreffenden vierten oder Metering-Mix-Zone zwischen 10 und 20%, bevorzugt zwischen 14,5 und 18% und be sonders bevorzugt 16,25% der Gesamtlänge der vier Zonen Einzug, Kompression, Metering und Metering-Mix. Diese vierte Zone, nämlich die Metering-Mix-Zone, ist bei der erfindungsgemäßen Schneckenkonzeption auch als Negativ-Kompression zu bezeichnen. Die vierte Zone kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform exakt auf die fünfte zylindrische Zone der Wendelspitze abgestimmt sein.
Beträgt der Längenanteil der vierten Zone mehr als 20% der Gesamtlänge der vier Zonen Einzug, Kompression, Metering und Metering-Mix, dann kann es vorkommen, dass die vierte Zone im Betrieb nicht vollständig mit Schmelze gefüllt ist. Es können sich dann Ablagerungen von Pigmenten oder Additiven in diesem Bereich ausbilden. Darüber hinaus kann auch die Mischwirkung, besonders bei Farbzusätzen, verschlechtert werden. Beträgt der Längenanteil andererseits weniger als 10% der Gesamtlänge, dann ist in der Regel eine deutliche Verschlechterung der Schmelzequalität zu verzeichnen. Durch die Verkleinerung des für die Schmelze zur Verfügung stehenden Raumes können die Schmelztemperaturen bei Standardthermoplasten um 4 bis 8°C ansteigen. Auch fällt in diesen Fällen im allgemeinen die Schmelzehomogenität, besonders bei Zusatz von Farbstoffen, deutlich schlechter aus.
Die Gesamtlänge der ersten vier Zonen kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, etwa 15 bis 20 D₁ betragen, wobei allerdings auch längere Ausführungen möglich sind. Es ist vorteilhaft, Schnecken mit einer Gesamtlänge von 20 bis 25 D₁ zu wählen.
Auch für die Länge der zusätzlichen Metering-II-Zone gibt es bevorzugte Richtwerte. Die Metering-II-Zone soll einen zusätzlichen Längenanteil von zwischen 5 und 15%, bevorzugt 10%, bezogen auf die Summe der Längen von Einzug, Kompression, Metering und Metering-Mix ausmachen. Hierbei ist ausdrücklich zu beachten, dass die Angabe der relativen Länge der Metering-II-Zone ebenfalls auf die Gesamtlänge der ersten vier Zonen bezogen wird, so dass beispielsweise bei Vorhandensein einer Metering-II-Zone eine Gesamtlänge der fünf Zonen von zwischen 105 und 115% resultiert.
Die Metering-II-Zone entfaltet also insbesondere im angegebenen Längenbereich ihre vorteilhaften Wirkungen, weil dann eine schonende Schmelzeaufbereitung mit genauesten, für den Bearbeitungsprozeß erforderlichen Temperaturen möglich ist. Zusätzlich hervorzuheben ist, dass gegenüber Standardschnecken bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Metering-II-Zone bei Farbzusätzen zur Schmelze eine Pigmenteinsparung von ca. 50% bei gleicher Pigmentausbeute erreicht werden kann.
Auch Steigung und Schneckensteghöhe der jeweiligen Zone der erfindungsgemäßen Mehrzonenschnecke tragen wesentlich zu dem vorteilhaften Schmelzaufbereitungsverhalten bei. Im Folgenden sind die Angaben über Steigung und Schneckensteghöhe jeweils auf eine Schnecke mit D₁ von 80 mm bezogen. Sobald sich der D₁-Wert der Schnecke ändert, so können auch von den angegebenen Steigungen und Schneckensteghöhen abweichende Werte bevorzugt sein. Dies ist jedoch dem Fachmann geläufig und wird von ihm beim Schneckendesign berücksichtigt werden.
Ein bevorzugtes Charakteristikum der erfindungsgemäßen Mehrzonenschnecken besteht beispielsweise darin, dass die Einzugszone weniger tief als bei Schnecken gemäß dem Stand der Technik sein kann. In vorteilhaften Ausführungsformen weist die Einzugs-Zone eine Steigung von 0,7 D₂ bis 1,1 D₂, bevorzugt zwischen 0,8 D₂ und 1,0 D₂, besonders bevorzugt eine Steigung von 1,0 D sowie eine im wesentlichen konstante Schneckensteghöhe im Bereich von 7,0 mm bis 20,0 mm, bevorzugt zwischen 7,5 mm und 15,0 mm und besonders bevorzugt von 8,2 mm auf. Liegen die Schneckensteghöhe und/oder die Steigung der Einzugszone oberhalb oder unterhalb der jeweils maximal zugelassenen Grenzwerte der größten Bereiche, so resultiert daraus, dass eine hochwertige Schmelze nicht mehr aufbereitet werden kann.
In weiterhin vorteilhafter Ausführungsform weist die Kompressions-Zone eine Steigung im Bereich von 0,7 D₂ bis 1,1 D₂, bevorzugt zwischen 0,8 D₂ und 1,1 D₂, besonders bevorzugt eine Steigung von 1,0 D₂ sowie eine sich in Förderrichtung verringernde Schneckensteghöhe auf, die sich zwischen 9,1 mm und 5,9 mm, bevorzugt zwischen 9,1 mm und 6,9 mm und besonders bevorzugt von 8,2 mm am Anfang der Kompression auf zwischen 8,5 mm und 5,0 mm, bevorzugt auf zwischen 6,5 mm und 4,2 mm und besonders bevorzugt auf 4,2 mm am Ende der Kompression verringert.
Die Metering-Zone hat in vorteilhafter Ausführungsform eine Steigung von 0,7 D₂ bis 1,1 D₂, bevorzugt zwischen 0,8 D₂ und 1,1D₂, besonders bevorzugt eine Steigung von 1,0 D₂ sowie eine im wesentlichen konstante Schneckensteghöhe im Bereich von 4,0 mm bis 6,5 mm, bevorzugt zwischen 4,0 mm und 5,5 mm und besonders bevorzugt von 4,2 mm. Die Einhaltung der angegebenen bevorzugten Bereiche trägt ganz besonders schon dazu bei, dass das Material entspannt, also dessen Kompression abgebaut wird.
In weiter bevorzugter Ausführungsform weist die Metering-Mix-Zone eine Steigung von 0,7 D₂ bis 1,1 D₂, bevorzugt zwischen 0,8 D₂ und 1,0 D₂, besonders bevorzugt eine Steigung von 1,0 D₂ sowie eine in Förderrichtung zunehmende Schneckensteghöhe auf, die zwischen 3,5 mm und 6,5 mm, bevorzugt zwischen 4,0 mm und 5,5 mm und besonders bevorzugt von 4,2 mm am Anfang der Metering-Mix-Zone auf zwischen 5,2 mm und 10,1 mm, bevorzugt auf zwischen 6,2 mm und 9,8 mm und besonders bevorzugt auf 9,7 mm, am Ende der Metering-Mix-Zone zunimmt.
Durch die spezielle Ausgestaltung der Steigung und Schneckensteghöhe der Metering-Mix-Zone entsprechend den angegebenen Bereichen gelingt es, die Schmelze sehr schonend zu entspannen und zusätzlich behutsam zu homogenisieren Des weiteren ist ein hervorragender Mischeffekt besonders bei empfindlichen Farbzusätzen zu erreichen. Werden die Grenzwerte der Bereiche bezüglich der Steigung über- oder unterschritten, kann es zum Auftreten von Verfärbungen der Schmelze kommen. Die Leistungsdaten, zum Beispiel die Plastifizierleistung (in Gramm pro Sekunde), wird verfälscht und der gute Mischeffekt bei Farbzusätzen verschlechtert sich.
Wird der angegebene Schneckensteghöhenbereich verlassen, dann kann sich bei Abweichung nach oben eine zu große thermische Belastung der Schmelze ergeben, und bei Abweichung nach unten vom erfindungsgemäßen Bereich kann sich die Schmelzequalität verschlechtern. Dies kann sich beispielsweise dadurch äußern, dass Inhomogenitäten auftreten, Farbzusätze sich entmischen, Verpackungen oder Verfärbungen der Schmelze oder Schlierenbildungen auftreten.
Analog gibt es auch für die Metering-II-Zone Designrichtwerte, die nicht verlassen werden sollten, um den bevorzugt erwünschten Effekt der Erfindung nicht in Frage zu stellen. So ist es bevorzugt, dass die Metering-II-Zone eine Steigung von 0,5 D₂ bis 1,0 D₂, bevorzugt zwischen 0,6 D₂ und 0,9 D₂, besonders bevorzugt eine Steigung von 0,8 D₂ sowie eine im wesentlichen konstante Schneckensteghöhe im Bereich von 5,0 mm bis 7,5 mm, bevorzugt zwischen 5,0 mm und 6,5 mm und besonders bevorzugt von 5,2 mm aufweist.
Als Materialien für die Fertigung der erfindungsgemäßen Mehrzonenschnecke kommen alle Stoffe in Frage, die dem Fachmann aus der Herstellung von Schnecken für die Verarbeitung thermoplastischer Formmassen bekannt sind. Bevorzugt sind unter anderem Edelstähle, zum Beispiel 4122.
Das erfindungsgemäße Schneckendesign findet äußerst vorteilhaft Anwendung bei der Herstellung von Schnecken, die zum Plastifizieren von thermoplastischen Formmassen in einer Spritzgießanlage zum Hinterspritzen von Dekormaterialien, Textilien oder Stoffen dienen.
Immer deutlicher werden darüber hinaus die Förderungen des Marktes nach einem Recycling-Konzept für Granulate, die aus der Hinterspritztechnik oder ähnlichen Anwendungen stammen und deswegen teilweise sehr hohe Anteile von Fremdmaterialien enthalten. Solcherlei Granulate sind auf Spritzgießmaschinen mit Standardschnecken bislang nicht ohne weiteres zu verarbeiten, da es zwangsläufig bei unzureichender Temperaturkonstanz je nach Aufbau und Herkunft der Dekormaterialien schon nach kurzer Zeit zum Verbrennen der Dekoranteile im Schnecken-Zylinderbereich kommt.
Bei Verwendung der vorgeschlagenen Mehrzonenschnecke zum Plastifizieren thermoplastischer Formmassen, denen aus dem Hinterspritzen von Dekormaterialien stammende Dekormaterialien oder Rückstände daraus enthaltende recyclierte Gra nulate in einem Anteil von zwischen 5 und 50 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 25 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der zu verarbeitenden Formmasse zugesetzt sind, hat sich nun herausgestellt, dass ein Verbrennen der Fremdmaterialien vermieden werden kann. Insbesondere können bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schnecke die bekannten negativen Verarbeitungsmerkmale, wie z. B. schlechtes Einzugsverhalten, Unmöglichkeit der kontinuierlichen Produktfertigung sowie Verkleben oder Festbacken von Sperr- und Druckring der Rückstromsperre durch verbrannte oder angelierte Dekormaterialien vollständig eliminiert werden.
Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Mehrzonenschnecke unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand einer Ausführungsform detailliert erläutert.
In den Figuren zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine Mehrzonenschnecke mit integrierter Wendelspitze
2 den Schnitt aus 1 unter Weglassen der Stege zur besseren Verdeutlichung der Zonenabfolge und von deren Aufbau und
3 die Einzelheit "X" aus 1 in vergrößerter Darstellung.
Bei der in 1 dargestellten Mehrzonenschnecke 10 handelt es sich um eine Fünfzonenschnecke mit integrierter Wendelspitze. Die Mehrzonenschnecke 10 weist einen Plastifizierzylinder 20 mit einem Durchmesser D und eine im wesentlichen zylindrische Schnecke 30 mit einem geringeren Durchmesser auf, welche einen Schneckenkern 40 und an dessen Außenoberfläche angebrachte und eng an der Innenwand des Plastifizierzylinders 20 anliegende Schneckenstege 50 hat, die spiralförmig um den Schneckenkern 40 herumlaufen und in Förderrichtung F ansteigen.
Der Schneckenkern 40 samt seiner Stege oder Wendel 50 ist im Plastifizierzylinder 20 drehbar gelagert und kann mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung, die am Flansch oder an der Kupplung, beispielsweise im Wellenzapfen 60 des Kerndurchmessers 30 angreift, motorisch beispielsweise elektrisch oder hydraulisch angetrieben werden, wobei er im dargestellten Fall im Betrieb im Gegenuhrzeigersinn rotiert, um Material in Förderrichtung F zu bewegen.
An das vordere Ende dem Plastifizierzylinders 20 ist im vorliegenden Beispiel über einen Gewindeflansch bzw. eine Schraubverbindung eine austauschbare Spitze 70 befestigt.
Zwischen Plastifizierzylinder 20 und Schneckenkern 40 werden aufgrund des in Längsrichtung der Schnecke 10 unterschiedlichen, abschnittsweise konstanten oder sich ändernden, Durchmessers D₂ des Schneckenkerns entlang der Schnecke mehrere Zonen unterschiedlicher Schneckensteghöhe T zur Verfügung gestellt, wie am besten in 2 zu erkennen ist, wo zur Verdeutlichung der Zonenabfolge die Stege und der Plastifizierzylinder weggelassen wurden und die Durchmesseränderungen unrealistisch übertrieben dargestellt sind.
Die Profilbereichslänge L der dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schnecke beträgt beispielsweise 20 D₁. In Förderrichtung erkennt man nun folgende nacheinander angeordnete Zonen mit unterschiedlicher Schneckensteghöhe T: Zunächst sieht man eine erste Zone 80 mit im wesentlichen konstantem Durchmesser D₂ des Schneckenkerns 40. Diese Feed- oder Einzugszone 80 ist üblicherweise mit einem nicht gezeigten Materialaufgabegerät, beispielsweise einem Trichter, für die Zufuhr von Kunststoffgranulat bzw. Formmassenkomponenten in Verbindung. Die Länge der Feedzone 80 beträgt im gewählten Beispiel ca. 8,5 D₁, was einem Anteil von ca. 42,5%, bezogen auf die gezeigte Profilbereichslänge L, entspricht.
An die Einzugszone 80 schließt sich in Förderrichtung eine zweite Zone mit kegelig sich erweiterndem Schneckenkern und abnehmender Schneckensteghöhe als Kompressionszone 90 an. Die Länge der Kompressionszone 90 beträgt im gezeigten Beispiel ca. 5,5 D₁, wobei dies einen Anteil von ca. 27,5%, bezogen auf die Länge L von 20 D₁, ausmacht.
Im Anschluss an die Kompression 90 ist eine dritte Zone mit im wesentlichen konstanter Schneckensteghöhe als Metering-Zone 100 zu erkennen. Die Länge der Metering-Zone 100 beträgt ca. 2,75 D₁, entsprechend einem Anteil an L von 13,75%.
Als vierte Zone folgt auf die Metering-Zone 100 eine Zone mit zunehmender Schneckensteghöhe als Metering-Mix-Zone 110. Die Länge der Zone 110 beträgt im gewählten Beispiel ca. 3,25 D₁, entsprechend einem Anteil von 16,25% von L.
An die Metering-Mix-Zone 100 ist eine Schneckenspitze 70 über einen Flansch oder ein Gewinde austauschbar angesetzt Die Wendelspitze 70 weist in Förderrichtung zunächst einen im wesentlichen zylindrischen Teil 71 und sich daran anschließend einen konisch zulaufenden, die Spitze formenden Teil 72 auf. Beide Teile sind mit Wendeln bzw. Schneckenstegen 50 versehen.
Der zylindrische Teil 71 der Schneckenspitze 70 weist beim vorliegenden Beispiel eine Länge von ca. 2 D₁, entsprechend einem zusätzlichen 10%igen Anteil, bezogen auf die Länge L, sowie im wesentlichen dieselbe Schneckensteghöhe wie die Metering-Mix-Zone auf. Der Spitzenteil 71 kann deshalb auch als fünfte Zone oder Metering-II-Zone 120 bezeichnet werden.
Der spitz zulaufende Teil 72 der Schneckenspitze 70 bildet exakt einen Winkel von 22° und ist ebenfalls mit einem Spezialprofil versehen.
Wie am besten der 3 zu entnehmen ist, wird die gesamte Wendelspitze 70 von einem Plastifizierzylinder eingehüllt Dabei entspricht dem im wesentlichen zylindrischen Teil 71 der Schneckenspitze ein Abschnitt des Plastifizierzylinders 20, während der kegelig spitz zulaufende Teil 72 der Schneckenspitze 70 von einem Zylinderkopf 130 umschlossen ist, der sich direkt an den Plastifizierzylinder 20 anschließt.
Die in 3 beispielhaft eingetragenen Maßangaben (jeweils bezogen auf den mittleren Durchmesser D₂ der Mehrzonenschnecke), nämlich die Schneckenstegbreite b_S von 0,12 D₂, die Schneckensteghöhe h_S von 0,1 D₂ und die (mittlere) Schneckensteigung s_S von 0,9 D₂ stellen Orientierungswerte für wichtige Parameter einer bevorzugten Ausführung des Spitzen-Bereiches der Plastifiziereinrichtung 10/20 dar. Von Bedeutung ist weiterhin das Verhältnis zwischen den Radien an der aktiven Flanke und der passiven Flanke des Schneckensteges (r_S1/r_S2) im zylindrischen Abschnitt der Schneckenspitze, welches sich aus der Figur nicht ablesen lässt, bei der dargestellten Ausführung aber etwa 10/3 betragen soll.
Im vorliegenden Beispiel entspricht der von der Innenwand des Zylinderkopfes ausgebildete Winkel von 22° exakt dem Winkel, der vom Teil 72 der Wendelspitze gebildet wird. Dies verhindert Leckströmungen der Schmelze.
Des weiteren ist am Zylinderkopf 130 ein axialer Spalt 140 zu erkennen, der hinsichtlich des Spaltmaßes, also seinem Durchmesser an den zu verarbeitenden Thermoplasten, veränderlich anpassbar ausgebildet ist, beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Scheibe am Schneckenschaft Im vorliegenden Beispiel liegt das Spaltmaß bei Thermoplasten mit schwierigen Fließeigenschaften bei ca. 2 bis 3 mm, während der radiale Spalt 150 besonders im Schneckenspitzenbereich bei konstant 0,1 mm liegt.
Die Fünfzonenschnecke mit integrierter Wendelspitze gestattet besonders vorteilhaft ein Arbeiten mit im Vergleich zum Stand der Technik sehr geringer Umfangsgeschwindigkeit bei gleichzeitig sehr hoher Schmelzeausbringung. Das bedeutet, dass die Schnecke relativ langsam gedreht werden kann, z.B. nur mit 5 m/min und trotzdem Schmelzequalität, Leistung und Homogenität der Schmelze besser als bei bekannten Dreizonenschnecken sind. Insbesondere kann durch die niedrige Umfangsgeschwindigkeit die Eigenarbeit der Schnecke verhältnismäßig gering gehalten werden, was wiederum zu einer besonders exakten Temperaturkonstanz der Schmelze von ± 1°C entlang der gesamten Schneckenlänge mit all den daraus resultierenden Vorteilen für die Verarbeitung empfindlicher Materialien führt Ins gesamt wird also die Entstehung unkontrollierbarer Wärme gemäß dem erfindungsgemäßen Schneckenkonzept deutlich reduziert.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Mehrzonenschnecke bestehen darin, dass neben der gesteigerten Leistung ein besonders guter Mischeffekt bei Färbzusätzen auftritt. Die sogenannte Pigmentausbeute wird durch die Metering-Mix-Zone im Anschluss an die Metering-Zone ebenso wie die Homogenitätsausbeute im Vergleich zu Standardschnecken deutlich verbessert Dies hat zur Folge, dass ein und demselben thermoplastischen Material zur Erzielung eines vergleichbaren Färbeeffektes in einer erfindungsgemäßen Schnecke sehr viel weniger Farbzusätze beigemischt werden müssen als bei Standardschnecken.
Eine weitere besonders vorteilhafte Wirkung der exakten Thermostatisierbarkeit der Schnecke zeigt sich in einer besonders geringen Wandhaftung der Materialien.
Ein Festkleben der Schmelze kann weitgehend vermieden werden, genauso wie die gesamte Schnecke einen insgesamt viel geringeren Verschleiß aufweist als herkömmliche Spritzgießaggregate.
Nicht zu vergessen ist auch die hervorragende Eignung des neuen und erfinderischen Schneckenkonzepts für die Verarbeitung von recyclierten Granulaten aus der Hinterspritztechnik und die äußerst gute Eignung der erfindungsgemäßen Schnecken für die Verarbeitung von PVC. Darüber hinaus ist die Eignung für den Einsatz in Großmaschinen allerbestens.

10: Mehrzonenschnecke
20: Plastifizierzylinder
30: Kerndurchmesser
40: Schneckenkern
50: Wendel oder Schneckenstege
60: Wellenzapfen für Kupplung
70: Schneckenspitze
71: zylindrischer Teil der Wendelspitze
72: spitz zulaufender Teil der Wendelspitze
80: Einzug oder Feedzone
90: Kompressionszone
100: Metering- oder Homogenisierungszone
110: Metering-Mix-Zone
120: Metering-II-Zone
130: Zylinderkopf
140: axialer Spalt
150: radialer Spalt
F: Förderrichtung
D: Innendurchmesser des Plastifizierzylinders

Claims

Kunststoff-Plastifiziereinrichtung, insbesondere als Teil eines Extruders, einer Kunststoff-Blasvorrichtung, einer Spritzgießmaschine oder einer Regranuliermaschine, mit einem Plastifizierzylinder und einer Mehrzonenschnecke, die auf ihrer Längserstreckung eine Mehrzahl von Abschnitten mit verschiedenen Kerndurchmessern und/oder Kegelwinkeln sowie eine Schneckenspitze aufweist, wobei die Abschnitte der Mehrzonenschnecke jeweils im Zusammenwirken mit einer definierten Ausführung der Wandung und/oder einer Heizung des Plastifizierzylinders eine Mehrzahl von Arbeitszonen der Plastifiziereinrichtung mit jeweils spezieller Funktion definieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzonenschnecke aus mit Cr und/oder Ni und/oder Co legiertem Werkzeugstahl besteht und ihre gesamte Oberfläche hartmetallfrei in eine Tiefe von 5 μm oder mehr, insbesondere von 10 bis 100 μm, nitrier-gehärtet und hochglanzpoliert ist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Mehrzonenschnecke eine Härte von typisch 40 HRC aufweist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzonenschnecke aus Werkzeugstahl der Qualität 1.2083 oder einer vergleichbaren besteht.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenspitze im Wesentlichen über ihre gesamte Länge einen Schneckensteg mit einer Stegbreite zwischen 0,1 D₂ und 0,15 D₂, bevorzugt von 0,12 D₂, aufweist, wobei D₂ der mittlere Kerndurchmesser der Mehrzonenschnecke ist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenspitze im Wesentlichen über ihre gesamte Länge einen Schneckensteg mit einer Steigung im Bereich zwischen 0,85 D₂ und 1,0 D₂ aufweist, wobei D₂ der mittlere Kerndurchmesser der Mehrzonenschnecke ist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenspitze im Wesentlichen über ihre gesamte Länge einen Schneckensteg mit einer Steghöhe von 0,9 D₂ bis 1,1 D₂ aufweist, wobei D₂ der mittlere Kerndurchmesser der Mehrzonenschnecke ist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Radius an der dem freien Ende der Schneckenspitze zugewandten aktiven Flanke des Schneckensteges mindestens um einen Faktor 2, bevorzugt um einen Faktor 3 bis 4, größer ist als ein zweiter Radius an der dem Schneckenende zugewandten passiven Flanke des Schneckensteges.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Radius zwischen 8 und 12 mm, bevorzugt 10 mm, und der zweite Radius zwischen 2, 5 und 5 mm, bevorzugt 3 mm, beträgt.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel eines kegelförmigen Hauptteils der Schneckenspitze mehr als 20°, insbesondere bei einem Durchmesser der Mehrzonenschnecke von mehr als 100 mm zwischen 21° und 23°, beträgt.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Schneckenkern und einem wendeiförmig darauf verlaufenden Schneckensteg und konstantem Schneckendurchmesser, wobei der Schneckenkern Längsabschnitte von unterschiedlichem, abschnittsweise konstantem oder sich änderndem Durchmesser aufweist, so dass entlang der Gesamtlänge der Schnecke mehrere Zonen unterschiedlicher Schneckensteghöhen vorhanden sind, nämlich eine erste Zone mit im wesentlichen konstanter Schneckensteghöhe als Einzugszone, an die sich in Förderrichtung eine zweite Zone mit stetig zunehmendem Schneckenkerndurchmesser als Kompressionszone sowie eine dritte Zone mit im wesentlichen konstanter Schneckensteghöhe als Austragszone und eine vierte Zone anschließen, wobei die vierte Zone (110) mit abnehmen dem Schneckenkerndurchmesser als Austrags-Misch-Zone ausgebildet ist und sich an die Austrags-Misch-Zone (110) ein Schneckenabschnitt anschließt, der in Förderrichtung (F) zunächst einen im wesentlichen zylindrischen Teil (71) und daran anschließend einen konisch zulaufenden, ehe Spitze formenden Teil (72) aufweist, wobei der im wesentlichen zylindrische Teil (71) und der eine Spitze formende Teil (72) mit einem Schneckensteg (50) versehen sind.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckensteghöhe der Metering-II-Zone (120) der Schneckensteghöhe der Metering-Zone (100) entspricht.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Teil (71) der Schneckenspitze (70) im wesentlichen dieselbe Schneckensteghöhe aufweist wie die Metering-Mix-Zone (110), so dass er als Metering-II-Zone (120) wirkt.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenspitze (70) auswechselbar, bevorzugt abschraubbar, ist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenspitze (70) an ihrer Spitze einen Winkel von zwischen 16° und 20° bevorzugt zwischen 17° und 19° und besonders bevorzugt von 18° aufweist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Längenanteil der zweiten oder Kompressions-Zone (90) zwischen 22,5 und 35 Prozent, bevorzugt zwischen 25 und 30 Prozent und besonders bevorzugt 27,5 Prozent der Gesamtlänge der vier Zonen Einzug (80), Kompression (90), Metering (100) und Metering-Mix (110) beträgt.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Längenanteil der dritten oder Metering-Zone (100) zwischen 10 und kleiner als 15 Prozent, bevorzugt zwischen 13,5 und 14,5 Prozent und besonders bevorzugt 13,75 Prozent der Gesamtlänge der vier Zonen Einzug (80), Kompression (90), Metering (100) und Metering-Mix (110) beträgt.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Längenanteil der vierten oder Metering-Mix-Zone (110) zwischen 10 und 20 Prozent, bevorzugt zwischen 14,5 und 18 Prozent und besonders bevorzugt 16,25 Prozent der Gesamtlänge der vier Zonen Einzug (80), Kompression (90), Metering (100) und Metering-Mix (110) beträgt.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der zusätzlichen Metering-II-Zone (120) zwischen und 15 Prozent, bevorzugt 10 Prozent, bezogen auf die Summe der Längen von Einzug (80), Kompression (90), Metering (100) und Metering-Mix (110) beträgt.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzugs-Zone (80) eine Steigung von 0,7 bis 1,1 D₂, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,0 D₂, besonders bevorzugt eine Steigung von 1,0 D₂, aufweist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzugs-Zone (80) eine im wesentlichen konstante Schneckensteghöhe im Bereich von 7,0 bis 20,0 mm, bevorzugt zwischen 7,5 und 15,0 mm und besonders bevorzugt von 8,2 mm, aufweist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressions-Zone (90) eine Steigung von 0,7 bis 1,1 D₂, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,1 D₂, besonders bevorzugt eine Steigung von 1,0 D₂, aufweist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressions-Zone (90) eine sich in Förderrichtung (F) verringernde Schneckensteghöhe aufweist, die sich zwischen 9,1 und 5,9 mm, bevorzugt zwischen 9,1 und 6,9 mm und besonders bevorzugt von 8,2 mm am Anfang der Kompression auf zwischen 8,5 und 5,0 mm, bevorzugt auf verringert
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metering-Zone (100) eine Steigung von 0,7 bis 1,1 D₂, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,1 D₂, besonders bevorzugt eine Steigung von 1,0 D₂, aufweist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metering-Zone (100) eine im wesentlichen konstante Schneckensteghöhe im Bereich von 4,0 bis 6,5 mm, bevorzugt zwischen 4,0 und 5,5 mm und besonders bevorzugt von 4,2 mm, aufweist
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metering-Mix-Zone (110) eine Steigung von 0,7 bis 1,1 D₂, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,0 D₂, besonders bevorzugt eine Steigung von 1,0 D₂, aufweist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metering-Mix-Zone (110) eine in Förderrichtung (F) zunehmende Schneckensteghöhe aufweist, die zwischen 3,5 und 6,5 mm, bevorzugt zwischen 4,0 und 5,5 mm und besonders bevorzugt von 4.2 mm am Anfang der Metering-Mix-Zone auf zwischen 5,2 und 10,1 mm, bevorzugt auf zwischen 6,2 und 9,8 mm und besonders bevorzugt auf 9,7 mit am Ende der Metering-Mix-Zone zunimmt.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metering-II-Zone (120) eine Steigung von 0,5 bis 1,0 D₂, bevorzugt zwischen 0,6 und 0,9 D₂, besonders bevorzugt eine Steigung von 0,8 D₂, aufweist.
Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metering-II-Zone (120) eine im wesentlichen konstante Schneckensteghöhe im Bereich von 5,0 bis 7,5 mm, bevorzugt zwischen 5,0 und 6,5 mm und besonders bevorzugt von 5,2 mm, aufweist.
Verfahren zur Herstellung der Mehrzonenschnecke einer Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzonenschnecke einem Nitrieren in Verbindung mit einer mehrschrittigen Temperaturbehandlung zum Härten der Schneckenoberfläche unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrieren als Ionitrieren ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrschnittige Temperaturbehandlung folgende Schritte umfasst: a) Weichglühen mit Ofen-Erwärmung auf 780°C, anschließende Abkühlung im Ofen um 10 grd/h auf 650°C sowie anschließendem Abkühlen-Lassen an Luft, b) Spannungsarmglühen mit Durchwärmung bei 650°C und Halten dieser Temperatur für 2 h, anschließendem Abkühlen im Ofen auf 500°C und Halten für 1,5 h sowie anschließendem Abkühlen-lassen an der Luft, c) Härten mit zweistufigem Vorwärmen auf 850°C und Austenitisieren bei 1030°C für 30 bis 40 min d) Abschrecken in Warmbad oder Fließbett oder in Überdruckkammer mit größtmöglicher Geschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmen im Schritt des Härtens in einer ersten Stufe von 600 auf 725°C, mit einer anschließenden Haltezeit von 1 h, und einem zweiten Schritt von 725 auf 850°C, mit einer anschließenden Haltezeit von 1,5 h, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, gekennzeichnet durch einen auf den Schritt d) folgenden Schritt e) Anlassen, auf 250°C und Halten dieser Temperatur für 2 h aufweist, welcher insbesondere mehrfach ausgeführt wird.
Verwendung der Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28 in einem Extruder.
Verwendung der Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28 in einer Kunststoff-Blasmaschine.
Verwendung der Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28 in einer Spritzgießmaschine.
Verwendung nach einem der Ansprüche 34 bis 36 zur direkten Herstellung eines Kunststoffproduktes aus verunreinigtem Einsatzstoff, insbesondere Kunststoffschrott.
Verwendung der Kunststoff-Plastifiziereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28 in einer Kunststoff-Regranuliermaschine zum Rezyklieren von Kunststoffabfällen.