DE102009058507A1

DE102009058507A1 - Extrudereinrichtung

Info

Publication number: DE102009058507A1
Application number: DE102009058507A
Authority: DE
Inventors: Rainer 74382 Zimmet
Original assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-12-17
Also published as: DE102009058507B4; AT509263B1; AT509263A3; AT509263A2

Abstract

Beschrieben wird eine Extrudereinrichtung (10) mit einem Doppelschneckenextruder (1) mit zwei gleichsinnig drehenden Schnecken (2, 2'), die in einem die beiden Schnecken umschließenden Gehäuse aufgenommen sind, wobei das Gehäuse zwei entlang der Längsachse des Doppelschneckenextruders (1) sich überlappende Bohrungen zur Aufnahme der beiden Schnecken (2, 2') des Doppelschneckenextruders (1) aufweist, und wobei in Verlängerung des Doppelschneckenextruders (1) ein Einschneckenextruder-Element (3) vorgesehen ist, das eine Austragsschnecke (4) aufweist, mit der von dem Doppelschneckenextruder (1) angeliefertes Material abtransportiert und zur Austragsöffnung (6) der Extrudereinrichtung (10) gefördert werden kann. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Gangquerschnitt Q2 (11) der Austragsschnecke (4) gleich oder kleiner ist wie der Gangquerschnitt Q1 (9) bei einer Schnecke (2, 2') des Doppelschneckenextruders (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Extrudereinrichtung mit einem Doppelschneckenextruder mit zwei gleichsinnig drehenden und miteinander kämmenden Schnecken gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft desweiteren eine mit einer derartigen Extrudereinrichtung ausgestattete Compounder-Spritzgießmaschine.
Aus der GB1314465 ist eine Extrudereinrichtung mit einem Doppelschneckenextruder mit zwei gleichsinnig drehenden und miteinander kämmenden Schnecken bekannt, wobei am vorderen Ende von einer der Schnecken eine weitere Schnecke zum Austragen von Schmelze aus der Extrudereinrichtung vorgesehen ist. Diese weitere Schnecke kann auch als Austragsschnecke bezeichnet werden. Der Aussendurchmesser dieser Austragsschnecke entspricht dem Aussendurchmesser einer der Schnecken des Doppelschneckenextruders. Das Gehäuse, in dem die Austragsschnecke untergebracht ist, ist an seinem dem Doppelschneckenextruder zugewandten Ende an den Ausgang des Gehäuses des Doppelschneckenextruders angepasst, so dass beim Übergang von dem Doppelschneckenextruder zu der Austragsschnecke eine Kammer zum Zusammenfließen der Schmelzen aus den beiden Schnecken des Doppelschneckenextruders gebildet wird. Es wird in der GB1314465 als wichtig angesehen, dass das Volumen dieser Kammer relativ groß ist, wozu der Kerndurchmesser der Austragsschnecke in diesem Bereich auf ein Minimum reduziert ist und erst nachfolgend in Förderrichtung allmählich zunimmt. Der Gangquerschnitt der Austragsschnecke hat somit zu Beginn der Austragsschnecke sein Maximum und nimmt in Förderrichtung stetig ab, wobei er jedoch stets größer bleibt als der Gangquerschnitt bei einer Schnecke des Doppelschneckenextruders. Desweiteren weist die Austragsschnecke einen auf einem Schneckenkern umlaufenden Schneckensteg auf, der an mehreren Stellen Unterbrechungen aufweist, um des Staudruck zu reduzieren.
Aus der WO 2009/037299 A2 ist eine weitere Extrudereinrichtung mit einem Doppelschneckenextruder mit zwei gleichsinnig drehenden und miteinander kämmenden Schnecken bekannt, wobei am vorderen Ende von einer der Schnecken eine weitere Schnecke als Austragsschnecke vorgesehen ist. Diese Austragsschnecke weist einen Aussendurchmesser D2 auf, der größer ist als der Aussendurchmesser D1, den jeweils die beiden Schnecken des Doppelschneckenextruders aufweisen. Damit das gesamte von dem Doppelschneckenextruder gefördere Material ohne nennenswerten Rückstau abtransportiert und zur Austragsöffnung der Extrudereinrichtung gefödert werden kann, soll D2 signifikant größe sein als D1. Gegebenenfalls kann D2 doppelt so groß sein wie D1. Desweiteren wird als vorteilhaft angesehen, wenn – wie in der eingangs genannten GB1314465 – die Gangtiefe im Bereich der Austragsschnecke größer ist als die Gangtiefe einer der beiden Schnecken des Doppelschneckenextruders.
Aus der EP 1306187 A1 ist eine Compounder-Spritzgießmaschine mit einer Schneckenvorplastifizierung und einer Kolben-Spritzeinheit bekannt, wobei die Schneckenvorplastifizierung einen Doppelschneckenextruder mit zwei gleichsinnig drehenden Schnecken aufweist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere Extrudereinrichtung anzugeben, die trotz ihrer konstruktiven Ausgestaltung einen Druckaufbau am Materialaustrag ergibt, ohne dass es in der Extrudereinrichtung selbst zu einem signifikanten Rückstau kommt, wenn diese Extrudereinrichtung für spezielle Anwendungen verwendet wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Extrudereinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen finden sich in den Unteransprüchen.
Obwohl der Gangquerschnitt in der Austragsschnecke kleiner oder gleich ist wie der Gangquerschnitt bei der Schnecke des Doppelschneckenextruders, kann es gleichwohl nicht zu einem nennenswerten Rückstau bzw. einem nennenswerten Staudruck am vorderen Ende des Doppelschenckenextruders kommen, wenn dieser in geeigneter Weise unterfüttert betrieben wird. Je nach Anwendungsfall kann es nämlich erforderlich sein, dass der Doppelschneckenextruder mehr oder weniger stark unterfüttert betrieben wird. Dies bedeutet, dass die aktuelle Förderleistung des Doppelschneckenextruders deutlich kleiner ist als die konstruktiv mögliche maximale Förderleistung. Vorzugsweise soll die aktuelle Förderleistung 10% bis 50% der maximal möglichen Förderleistung betragen. Dies bedeutet, dass der Füllgrad in den Schneckengängen des Doppelschneckenextruders nur etwa 10% bis 30% beträgt, d. h. der Gangquerschnitt in den Schneckengängen des Doppelschneckenextruders ist nur zu etwa 10% bis 30% gefüllt. Dies gilt jedoch nur für diejenigen Zonen des Doppelschneckenextruders, in denen ein reiner Materialtransport erfolgt, und somit nicht für solche Bereiche, in denen Druck zum Überfahren von Mischzonen oder dergleichen aufgebaut werden muss. In diesen Bereichen liegt der Füllgrad deutlich höher und beträgt in der Regel sogar 100%.
Durch die Ausgestaltung der Extrudereinrichtung mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Einschneckenextruder-Element wird gleichwohl erreicht, dass am vorderen Ende des Einschneckenextruder-Elements ein Druck erzielt werden kann, wie er von dem Doppelschneckenextruder allein unter gleichen Betriebsbedingungen nicht erzielbar ist. Vielmehr wird der Wirkungsgrad beim Druckaufbau durch das Einschneckensystem signifikant erhöht. Die vom Antrieb in den gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruder eingebrachte Energie wird real nur zu etwa 8–10% in Druckaufbau umgesetzt. Dieser Wirkungsgrad wird durch die Erfindung mehr als verdoppelt.
In vorteilhafter Weise kann der Gangquerschnitt der Austragsschnecke in Richtung der Austragsöffnung der Extrudereinrichtung abnehmen. Die Schnecken des Doppelschneckenextruders können anstelle von jeweils einem Schneckengang auch jeweils zwei oder mehr Schneckengänge aufweisen, wobei in einem solchen Falle der Gangquerschnitt der Austragsschnecke gleich oder kleiner ist wie die Summe der Gangquerschnitte der Schneckengänge bei einer Schnecke des Doppelschneckenextruders. Ebenso kann die Austragsschnecke anstelle von einem Schneckengang zwei oder mehr Schneckengänge aufweisen, wobei dann die Summe der Gangquerschnitte der Schneckengänge der Austragsschnecke gleich oder kleiner ist wie der Gangquerschnitt bei einer Schnecke des Doppelschneckenextruders. Die beiden vorgenannten Ausführungsformen können auch miteinander kombiniert werden, d. h. sowohl bei der Austragsschnecke als auch bei den Schnecken des Doppelschneckenextruders können mehrere Schneckengänge vorgesehen werden, wobei die Anzahl der Schneckengänge bei der Austragsschnecke einerseits und bei den Schnecken des Doppelschneckenextruders andererseits unterschiedlich sein kann. Eine einfache konstruktive Ausgestaltung ergibt sich, wenn der Kerndurchmesser der Austragsschnecke an der dem Doppelschneckenextruder zugewandten Ende der Austragsschnecke gleich groß ist wie der Kerndurchmesser einer Schnecke des Doppelschneckenextruders. In diesem Fall wird der Kerndurchmesser der Schnecke des Doppelschneckenextruders unverändert „fortgeführt”.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 näher beschrieben werden.
In der 1 ist im Längsschnitt schematisch eine Extrudereinrichtung dargestellt, die einen Doppelschneckenextruder 1 mit zwei gleichsinnig drehenden und miteinander kämmenden Schnecken 2 und 2' aufweist, die in an sich bekannter Weise drehantreibbar sind und einen Außendurchmesser von D1 aufweisen. Die Schnecken 2 und 2' sind in einem die beiden Schnecken umschließenden Gehäuse aufgenommen, das zwei sich überlappende Bohrungen zur Aufnahme der Schnecken aufweist. Dieser Bereich 8, in dem sich die Bohrungen überlappen, so dass in dem Gehäuse eine Öffnung zur Aufnahme der beiden Schnecken mit einem Querschnitt entsprechend einer Hegenden Acht gebildet wird, wird manchmal auch Zwickelbereich genannt.
Das vordere Ende des Doppelschneckenextruders ist um ein Einschneckenextruder-Element 3 verlängert, das eine Austragsschnecke 4 in einem geschlossenen zylindrischen Gehäuse 5 aufweist und mit dem Doppelschneckenextruder 1 in strömungstechnisch günstiger Weise verbunden ist.
Die Austragsschnecke 4 ist als Verlängerungsstück der Schnecke 2 des Doppelschneckenextruders ausgebildet und dreht bei Rotation der Schnecke 2 mit. Der Durchmesser D2 der Förderschnecke ist im vorliegenden Beispiel gleich dem Durchmesser D1 einer Schnecke 2 bzw 2'. Die Ausstragsschnecke 4 und die Schnecke 2 liegen auf einer Achse A. Die Schnecke 2 weist einen Schneckensteg 7 auf, der auf der Austragsschnecke 4 fortgeführt ist. Die Steigung des Schneckenstegs 7 kann in Förderrichtung gleichbleiben, wie dies in der 1 dargestellt ist; sie kann aber auch variieren und insbesondere zum vorderen Ende der Austragsschnecke 4 hin abnehmen. In der 1 ist die Gangbreite bei der Austragsschnecke 4 größer als bei den Schnecken 2 bzw. 2' des Doppelschneckenextruders. Bei den Schnecken 2 bzw. 2' des Doppelschneckenextruders kann auch eine Änderung der Gangbreite vorkommen, wobei dann auch immer eine Änderung der Gangsteigung vorliegt. Dies ist systembedingt durch die ineinandergreifenden gleichsinnig drehenden Schnecken 2 und 2'. Die Schnecken 2 und 2' des Doppelschneckenextruders können ein- oder mehrgängig, d. h. mit einem oder mit mehreren Schneckengängen ausgeführt sein; ebenso kann die Austragsschnecke ein- oder mehrgängig, d. h. mit einem oder mit mehreren Schneckengängen ausgeführt sein. Am vorderen Ende der Austragsschnecke 4 geht das Gehäuse 5 in eine Austrags- oder Austrittsöffnung 6 über. Die Schnecken 2 und 2' des Doppelschneckenextruders weisen einen Gangquerschnitt 9 von Q1 auf, der größer ist als der Gangquerschnitt 11 von Q2 der Austragsschnecke 4. Insbesondere ist die Gangtiefe bei 9 bzw. Q1 größer als bei 11 bzw. Q2. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass sich der Gangquerschnitt mit der Gangsteigung ändert. Eine kleine Gangsteigung ist vorteilhaft für den Druckaufbau, genau wie ein kleine Gangtiefe. Allerdings müssen die Gangtiefe und die Steigung so gewählt werden, dass noch eine ausreichende Förderleistung gegeben ist.
Die 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Durchmesser D2 der Austragsschnecke kleiner ist als der Durchmesser D1 der Schnecken 2, 2' des Doppelschneckenextruders. Die Reduktion des Schneckendurchmesser erfolgt in der Weise, dass die Achse der Austragsschnecke 4 und die Achse der Schnecke 2 eine gemeinsame Achse A bilden.
Die 3 zeigt in vergrößertem Maßstab Einzelheiten aus den 1 und 2 betreffend die Gangquerschnitte Q1 und Q2 der Schnecken des Doppelschneckenextruders (Q1) und der Austragsschnecke (Q2), wobei die schraffiert dargestellten Flächen den jeweiligen Gangquerschnitt Q1 bzw. Q2 darstellen sollen. Würden die Schnecken einen im wesentlichen rechteckförmigen Gangquerschnitt aufweisen, ergäbe sich der Gangquerschnitt Q1 bzw. Q2 aus dem Produkt aus Gangtiefe g und Gangbreite b der jeweiligen Schnecke. Bei der Austragsschnecke 4 kann ein andere Form des Gangquerschnittes gewählt werden als bei den Schnecken 2 bzw. 2'; in der Praxis dürfte dies der Regelfall sein. Beispielsweise können bei der Austragsschnecke 4 die Flanken der Schneckengänge steiler werden, wie es bei Einschneckenextrudern üblich und Stand der Technik ist.
4 zeigt einen Querschnitt durch den Doppelschneckenextruder 1 entlang der Linie A-A der 1 und 2.
Bei einer Compounder-Spritzgießmaschine wie sie beispielsweise aus der eingangs genannten EP 1306187 A1 bekannt ist wird anstelle eines herkömmlichen Extruders nunmehr eine erfindungsgemäße Extrudereinrichtung zum Aufbereiten und Plastifizieren von Kunststoffmaterial vorgesehen. Der Druck in der vom Ausgang des Extruders ausgehenden Schmelzeleitung kann mit einem besseren Wirkungsgrad aufgebaut werden. Ein Rückstau von Material in den Gängen des Doppelschneckenextruders kann vermieden werden, was sich positiv auf das Compoundieren des Kunststoffmaterials auswirkt. Die Austragsschnecke 4 des Einschneckenextruder-Elements 3 dient zur Druckerzeugung bzw. Druckerhöhung, wobei die Förderleistung der Austragsschnecke 4 für den intermittierenden Betrieb der Spritzgießmaschine in der Regel ausreicht. Der Doppelschneckenextruder 1 wird in Anpassung an den intermittierenden Betrieb der Spritzgießmaschine und in Anpassung an den Gangquerschnitt Q2 der Förderschnecke 4 in geeigneter Weise entsprechend unterfüttert, d. h. mit reduzierter Förderleistung, betrieben wird. Eine derartige Compounder-Spritzgießmaschine verfügt ferner über eine an sich bekannte Schließeinheit sowie über eine geeignete Spritzgußform zur Herstellung der spritzgegossenen Formteile.
5 zeigt schematisch eine derartige Compounder-Spritzgießmaschine. Sie verfügt über eine erfindungsgemäße Extrudereinrichtung 10 zur Aufbereitung und Plastifizierung von in der Regel in Granulatform befindlichem Kunststoffmaterial, einen Zwischenspeicher 20 zur Aufnahme und Zwischenspeicherung von Material sowie ein Kolbenspritzaggregat 30 zum Einspritzen des Materials in eine Spritzgießform 50 mit Formhälften 50a und 50b. Diese Formhälften sind auf einer verfahrbaren Formaufspannplatte 60a und einer feststehenden Formaufspannplatte 60b einer an sich bekannten Schließeinheit befestigt. Mit der Kombination des Zwischenspeichers 20 und dem Kolbenspritzaggregat 30 ist eine Weiterverarbeitung der von der Extrudereinrichtung 10 kontinuierlich hergestellten Schmelze zu den intermittierend in der Spritzgießform 50 hergestellten Spritzgußteilen möglich. Bei der Extrudereinrichtung 10 handelt es sich um eine Extrudereinrichtung, wie sie in den 1 oder 2 dargestellt ist. Sie umfasst einen Doppelschneckenextruder 1 mit zwei gleichsinnig drehenden Schnecken 2, 2', wobei am vorderen Ende des Doppelschneckenextruders 1 je nach Ausführungsform eine Austragsschnecke 4 gemäß der 1 oder der 2 vorgesehen sind. Gegebenenfalls kann eine gravimetrische Dosiereinrichtung 10 vorgesehen sein, welche eine Unterfütterung des Doppelschneckenextruders 1 in besonders einfacher Weise erlaubt.
Bezugszeichenliste

1: Doppelschneckenextruder
2, 2': Schnecken des Doppelschneckenextruders
3: Einschnecken-Extruderelement
4: Austragsschnecke
5: Gehäuse
6: Übergangsstück
7, 7: Schneckensteg
8: Zwickelbereich
9: Gangquerschnitt Q1
10: Extrudereinrichtung
11: Gangquerschnitt Q2
20: Zwischenspeicher
30: Kolbenspritzaggregat
50: Spritzgießform
50a: Bewegliche Formhälfte
50b: Feststehende Formhälfte
60a: Verfahrbare Formaufspannplatte
60b: Feststehende Formaufspannplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 1314465 [0002, 0002, 0003]
WO 2009/037299 A2 [0003]
EP 1306187 A1 [0004, 0017]

Claims

Extrudereinrichtung (10) mit einem Doppelschneckenextruder (1) mit zwei gleichsinnig drehenden Schnecken (2, 2'), die in einem die beiden Schnecken (2, 2') umschließenden Gehäuse aufgenommen sind, wobei das Gehäuse zwei entlang der Längsachse (A) des Doppelschneckenextruders (1) sich überlappende Bohrungen zur Aufnahme der beiden Schnecken (2, 2') des Doppelschneckenextruders (1) aufweist, und wobei in Verlängerung des Doppelschneckenextruders (1) ein Einschneckenextruder-Element (3) vorgesehen ist, das eine Austragsschnecke (4) aufweist, mit der von dem Doppelschneckenextruder (1) angeliefertes Material abtransportiert und zur Austragsöffnung (6) der Extrudereinrichtung (10) gefördert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Gangquerschnitt Q2 (11) der Austragsschnecke (4) gleich oder kleiner ist wie der Gangquerschnitt Q1 (9) bei einer Schnecke (2, 2') des Doppelschneckenextruders (1).
Extrudereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gangquerschnitt Q2 (11) der Austragsschnecke (4) in Richtung der Austragsöffnung (6) der Extrudereinrichtung (10) abnimmt.
Extrudereinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecken (2, 2') des Doppelschneckenextruders (1) jeweils ein oder mehr, insbesondere zwei oder mehr, Schneckengänge aufweisen und dass der Gangquerschnitt Q2 (11) der Austragsschnecke (4) gleich oder kleiner ist wie die Summe der Gangquerschnitte Q1.1–Q1.n (9.1, ..., 9.n) der Schneckengänge bei einer Schnecke (2) des Doppelschneckenextruders (1).
Extrudereinrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austragsschnecke (4) ein oder mehr Schneckengänge aufweist und dass die Summe der Gangquerschnitte Q2.1–Q2.n (11.1, ..., 11.n) der Schneckengänge der Austragsschnecke (4) gleich oder kleiner ist wie der Gangquerschnitt Q1 (9) bei einer Schnecke (2, 2') des Doppelschneckenextruders (1).
Extrudereinrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kerndurchmesser der Austragsschnecke (4) an ihrem dem Doppelschneckenextruder (1) zugewandten Ende gleich groß ist wie der Kerndurchmesser einer Schnecke (2, 2') des Doppelschneckenextruders.
Verfahren zum Betreiben einer Extrudereinrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Doppelschneckenextruder (1) unterfüttert betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelschneckenextruder (1) mit der Maßgabe unterfüttert betrieben wird, dass die Schneckengänge der beiden Schnecken (2, 2') des Doppelschneckenextruders (1) nur zu 10% bis 50%, vorzugsweise nur zu 15% bis 25%, mit dem zu Schmelze zu verarbeitenden Material gefüllt sind.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem aufzuschmelzenden Material Zuschlagstoffe hinzugegeben und in die Schmelze eingearbeitet werden, insbesondere Holz und andere, nachwachsende Rohstoffe mit Anteilen an flüchtigen Bestandteilen, und dass der Doppelschneckenextruder (1) mit der Maßgabe unterfüttert betrieben wird, dass die Schneckengänge der beiden Schnecken (2, 2') des Doppelschneckenextruders (1) nur zu 10% bis 50%, vorzugsweise nur zu 15% bis 25% mit der mit den Zuschlagstoffen versehenen Schmelze gefüllt sind.
Compounder-Spritzgießmaschine mit einer Schließeinheit und einer Plastifiziereinrichtung sowie mit einer Einspritzeinrichtung, wobei die Plastifiziereinrichtung eine Extrudereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
Compounder-Spritzgießmaschine nach Anspruch 9 mit einer kontinuierlich arbeitenden Extrudereinrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 sowie mit einer Einrichtung (20) zum Zwischenspeichern von Kunststoffschmelze.