DE102019127707A1

DE102019127707A1 - Bauteil für eine Extrusionslinie

Info

Publication number: DE102019127707A1
Application number: DE102019127707.8A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dohmann
Original assignee: Battenfeld Cincinnati Germany GmbH
Current assignee: Battenfeld Cincinnati Germany GmbH
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2021-04-15
Also published as: WO2021074170A1; EP4045274A1; CN114630744B; CN114630744A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil einer Extrusionslinie, insbesondere einem Werkzeug (2) oder einem Teil davon, wobei dieses Bauteil (8), insbesondere zum Kühlen der Schmelze und/oder zum Homogenieseren der Schmelze und/oder zum Verteilen der Schmelze vorgesehen sind, wobei dieses Bauteil (8) komplex bauet und aus einer Vielzahl von Einzelteilen bestehen.Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Bauteil (8) rechnerunterstützt konstruiert ist, für das Bauteil (8) rechnerunterstützte Fertigungsdaten vorherrschen und auf Basis dieser Daten das Bauteil (8) additiv gefertigt ist, wobei das so gefertigte Bauteil (8) mindestens eine der folgenden Funktionalitäten erfüllt: gleichmäßiges Verteilen der Schmelze über den Umfang; thermisches Homogenisieren der Schmelze über den Umfang; mechanische Homogenisieren der Schmelze über den Umfang; Kühlen der Schmelze über den Umfang; Halten eines tragenden Elementes für die innerer Verdrängung der Schmelze.Weiterhin betrifft die Erfindung ein dazugehöriges Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil einer Extrusionslinie, insbesondere einem Werkzeug oder einem Teil davon, wobei dieses Bauteil, insbesondere zum Kühlen der Schmelze und/oder zum Homogenieseren der Schmelze und/oder zum Verteilen der Schmelze vorgesehen sind, wobei dieses Bauteil komplex bauet und aus einer Vielzahl von Einzelteilen bestehen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein dazugehöriges Verfahren.
Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
So wird beispielweise eine Vorrichtung zum Verteilen von plastischer Kunststoffmasse in einem Extrusionswerkzeug, insbesondere Rohrextrusionswerkzeug, umfassend einen oder mehrerer Fließkanäle mit mindestens einem Schmelzeeingang und einem Schmelzeausgang, wobei zwischen Schmelzeeingang und Schmelzeausgang, mindestens ein Kühlelement im Fließkanal angeordnet ist, wobei das Kühlelement von der Kunststoffmasse umströmbar ist, wobei im Fließkanal zur Feinverteilung der Schmelze ein Zwangsverteilelement radial angeordnet ist, wobei das Kühlelement im oder am Zwangsverteilelement angeordnet ist, in der DE 10 2010 051 732 A1 beschrieben.
Zur Herstellung von Rohren ist es erforderlich, den von einem Extruder erzeugten zylinderförmigen Kunststoffschmelzestrom mit Hilfe eines nachfolgenden Werkzeuges in einen kreisringspaltförmigen Schmelzestrom umzuformen. Hierfür ist es wichtig, dass der vom Extruder kommende Schmelzestrom im Werkzeug durch einen zentrisch angeordneten Dorn in die entsprechende Ringströmung überführt wird. Eine derartige Vorrichtung wird in der DE 103 15 906 vorgeschlagen.
Heute werden oft kurze Extrusionslinie gefordert. Dies kann nur erreicht werden, wenn die Kühlung der extrudierten Profile optimiert wird. Bestenfalls wird die Schmelze bereits im Werkzeug soweit herunter gekühlt, dass sie zwar noch verformbar ist, aber die Schmelzetemperatur deutlich niedriger ist, als nach dem Verlassen des Extruders.
Die DE 10 2007 050 291 schlägt hier eine Aufteilung der Schmelze im Werkzeug vor, die Einzelstränge werden gekühlt und anschließend wieder zusammengeführt.
Aus dem Stand der Technik ist auch aus der EP 0 593892 A1 ein Profilwerkzeug für Extruder mit einzeln ansteuerbaren, das Fließverhalten des Werkstoffes beeinflussenden Temperierelementen bekannt. Die Temperierelemente sind stromab von der Schnecke des Extruders und stromauf vom profilgebenden Bereich des Werkzeuges im Strömungskanal des Werkstoffes derart angeordnet, dass die Temperatur des extrudierten Werkstoffes in ausgewählen Zonen des Querschnittes erhöht werden kann. Damit ist es möglich, auch bei komplizierten Querschnitten und bei verschiedenen profilgebenden, nicht mit Temperierelementen bestückten Teilen die Wandstärke des Profils zu beeinflussen.
Aus der DE 103 15 906 A1 ist eine Vorrichtung zum Verteilen von plastischer Kunststoffmasse in einem Extrusionswerkzeug insbesondere Rohrextrusionswerkzeug, umfassend einen Schmelzeeingang und mindestens einen Schmelzeausgang bekannt, wobei zwischen Schmelzeeingang und Schmelzeausgang zunächst ein Vorverteilelement und anschließend ein Feinverteilelement angeordnet ist, wobei vorgesehen, dass das Vorverteilelement als Dorn ausgeführt ist und einen Hauptkanal umfasst, der mit mindestens einem Nebenkanal in f1 uidischer Verbindung steht, wobei der Nebenkanal schraubenförmig in der Umfangsfläche des Dornes ausläuft. bekannt.
All diese Werkzeuge sind jedoch verfahrenstechnisch schwierig herzustellen da eine Vielzahl von Einzelteilen aufwendig hergestellt werden müssen und im Anschluss sehr aufwendig miteinander verbunden werden müssen. Komplexe Kühlkanäle müssen in ein Gefüge mit mehreren Kanälen zusammengeführt werden und zu einem Gesamtbauteil „verschmolzen“ werden. Innenliegende Teile die von Schmelze umflossen werden und diese kühlen sollen, müssen wiederum mit außenliegenden Teilen so verbunden werden, dass ein Kühlmedium durch diese fließen kann. Hierbei darf jedoch kein die Kühlkanäle durchfließendes Kühlmedium in die Schmelze gelangen, die Erzeigten Verbindungen müssen daher absolut dicht sein, was aufgrund der Komplexität und der damit verbunden schwierigen Zugänglichkeit der zu verbindenden Stellen an sein technische machbaren Grenzen stößt.
Auf gabe der Erfindung ist es, die Herstellung komplexer Bauteile in der Extrusionstechnik derart zu vereinfachen, damit Herstellkosten und Produktionszeit der Bauteile minimiert werden können, sowie ein entsprechendes Verfahren.
Die Lös u n g der Aufgabe ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil rechnerunterstützt konstruiert ist, für das Bauteil rechnerunterstützte Fertigungsdaten vorherrschen und auf Basis dieser Daten das Bauteil additiv gefertigt ist, wobei das so gefertigte Bauteil mindestens eine der folgenden Funktionalitäten erfüllt: gleichmäßiges Verteilen der Schmelze über den Umfang, thermisches Homogenisieren der Schmelze über den Umfang, mechanische Homogenisieren der Schmelze über den Umfang, Kühlen der Schmelze über den Umfang, Halten eines tragenden Elementes für die innerer Verdrängung der Schmelze.
Es kommt eine Vielzahl an Bauteilen infrage die gemäß der Erfindung hergestellt werden können. Es kann somit zum Beispiel ein Schmelzekühler, ein Wendelverteiler, eine Kombination aus beiden oder auch jede weitere Kombination sein.
Wesentlich ist, dass mit der Erfindung Bauteile produziert werden können die wenigstens die im Anspruch 1 wiedergegebenen Funktionalitäten oder eine Kombination aus diesen abdecken können.
Aus dem mittels CAD rechnerunterstützt konstruierte Bauteile werden wiederum rechnerunterstützt Fertigungsdaten erzeugt die ähnlich wie bei der Herstellung von Teilen mittels CNC Maschinen nun für die additive Fertigung der Bauteile herangezogen werden. Bei der additiven Fertigung wird Materialschicht für Materialschicht aufgetragen und so ein dreidimensionaler Gegenstand erzeugten.
Mittels der additiven Fertigung, auch als 3D-Druck bekannten, können sehr komplexe Bauteile hergestellt werden, da eine Zugänglichkeit zu Verbindungsstellen bei der Montage einzelner Bauteile nicht berücksichtigt werden müssten. Auch spielt die herkömmliche Berücksichtigung der Herstellbarkeit des Bauteils keine Rolle mehr, da jede noch so komplexe Ausführung mittels dieses Verfahrens erzeugt werden kann.
Die Lös u n g bezüglich des Verfahrens wird vorgeschlagen, zur Herstellung eines Bauteils für eine Extrusionslinie, das Bauteil rechnerunterstützt zu konstruiert und daraus rechnerunterstützte Fertigungsdaten zu erzeugt, um das Bauteil auf Basis dieser Daten additiv herzustellen, wobei das so gefertigte Bauteil mindestens eine der folgenden Funktionalitäten erfüllt: gleichmäßiges Verteilen der Schmelze über den Umfang, thermisches Homogenisieren der Schmelze über den Umfang, Mechanische Homogenisierung über den Umfang, Kühlen der Schmelze über den Umfang.
Weiterbildungsgemäß ist vorgesehen zur Herstellung eines Bauteils für eine Extrusionslinie, dass über rechnergestütze Simulationen das Bauteil solange konstruktiv verändert wird bis der Extrusionsprozess optimiert ist, bevor die rechnerunterstützen Fertigungsdaten erzeugt werden.
Vorteilhafterweise wird das Strömungsverhalten der Schmelze und/oder der Homogenisierungsgrad der Schmelze und/oder die Verweilzeit der Schmelze in Eckbereichen des Bauteils in der Simulation untersucht.
Es wird also die Konstruktion solange verändert und immer erneut eine Simulation des Strömungsverhalten der Schmelze untersucht, bis möglichst vielen der oben beschrieben Funktionalitäten bestmöglich erreicht werden.
In den Zeichnungen wird schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt:

1 zeigt eine typische Extrusionslinie
2 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauteil
3 ein Schnitt durch das erfindungsgemäße Bauteil gem. Schnittverlauf in 2
4 eine Alternative Ausführung zu 3

1 zeigt eine typische Extrusionslinie, wie sie heute für die Profilextrusion, egal, ob für die Produktion von Fensterprofilen oder Rohren, zum Einsatz kommt. Sie zeigt einen Extruder 1, in dem Kunststoff aufgeschmolzen wird, und kontinuierlich zur Formgebung ins Extrusionswerkzeug 2 gefördert wird. Daran schließt sich eine Kalibrier- und Kühlstation 3 an, je nach Profil können weitere Kühlstationen eingesetzt werden. Nach den Kühlstationen schließt sich eine Abzugsvorrichtung 4 an. Um die Endlosprofile 6 auf die gewünschte Länge abzuschneiden ist anschließend eine Trennvorrichtung 5 angeordnet. Die Extrusionsachse ist mit der Positionsziffer 7 gekennzeichnet.
2 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauteil 8 welches additiv gefertigt ist. Das Bauteil 8weißt einen Schmelzekanal 17 auf der sich vom Schmelzeeingang 14 bis zum Schmelzeausgang 20 erstreckt. Ein tragendes Element 13, hier ein Dorn in einem Extrusionswerkzeug, verdrängt im Inneren des Bauteils 8 die Schmelze so dass diese über den Umfang so verteilt wird, dass sie einer Vermisch- und Kühlstruktur 16 zugeführt wird. Das tragende Element 13 ist im Bauteil 8 an der Vermisch- und Kühlstruktur 16 angeordnet und wird so im Inneren des Bauteils 8gehalten. Die Verbindungstelle 15 ist hier nur zur Verdeutlichung als separate Positionsziffer benannt, durch das additive Herstellungsverfahren ist es keine Verbindung im klassischen Sinne, sondern sind einteilig. Die Schmelze wird so durch die Vermisch- und Kühlstruktur 16 geführt, wo sie thermischen und mechanischen homogenisiert sowie gekühlt wird. Die Vermisch- und Kühlstruktur 16 verfügt über Kühlkanäle 9 die von der Schmelze umflossen werden. Die Kühlkanäle 9 verfügen über einen Eintritt 10 und eine Austritt 11 über die das Kühlmedium von der Außenseite des Bauteils 8 die Kühlkanäle 9 durchfließt. Als Kühlmedium kommen unterschiedlich Medien wie Wasser, Luft oder spezielle Kühlmittel zum Einsatz. Über den stirnseitigen Flansch 12 kann das Bauteil 8 mit weiteren Bauteilen Verbunde werden. Der Schnittverlauf für die in den 3 und 4 widergegeben Ausführungsbeispiele ist durch die Strichpunkt Linie markiert.
3 ist ein Schnitt durch die schematische Darstellung des Bauteils 8 gemäß dem Schnittverlauf aus 2. Vom Schmelzeeingang 14 erstreckt sich der erste Teilschmelzekanal 18 über den Schmelzekanal 17 in der Vermisch- und Kühlstruktur 16 weiter über den zweiten Teilschmelzekanal 19 zum Schmelzeausgang 10. Die Kühlkanäle 9 in der Vermisch- und Kühlstruktur 16 verfügen über einen Eintritt 10 und einem Austritt 11 für ein Kühlmedium. Die Extrusionsachse ist mit Positionsziffer 7 gekennzeichnet.
In 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Vermisch- und Kühlstruktur 16, auch hier sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bezugszeichenliste

1: Extruder
2: Extrusionswerkzeug
3: Kalibrier- und Kühltank
4: Abzugsvorrichtung
5: Trennvorrichtung
6: Profil
7: Extrusionsachse
8: Bauteil von 2
9: Kühlkanal in 8
10: Eintritt Kühlmedium in 9
11: Austritt Kühlmedium in 9
12: Anschlussflansch
13: Dorn
14: Schmelzeeingang
15: Fixierung von 13
16: Vermisch- und Kühlstruktur
17: Schmelzekanal
18: Erster Teilschmelzekanal von 14
19: Zweiter Teilschmelzekanal zu 20
20: Schmelzeausgang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010051732 A1 [0003]
DE 10315906 [0004]
DE 102007050291 [0006]
EP 0593892 A1 [0007]
DE 10315906 A1 [0008]

Claims

Bauteil einer Extrusionslinie, insbesondere einem Werkzeug (2) oder einem Teil davon, wobei dieses Bauteil (8), insbesondere zum Kühlen der Schmelze und/oder zum Homogenieseren der Schmelze und/oder zum Verteilen der Schmelze vorgesehen sind, wobei dieses Bauteil (8) komplex bauet und aus einer Vielzahl von Einzelteilen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (8) rechnerunterstützt konstruiert ist, für das Bauteil (8) rechnerunterstützte Fertigungsdaten vorherrschen und auf Basis dieser Daten das Bauteil (8) additiv gefertigt ist, wobei das so gefertigte Bauteil (8) mindestens eine der folgenden Funktionalitäten erfüllt: · gleichmäßiges Verteilen der Schmelze über den Umfang • thermisches Homogenisieren der Schmelze über den Umfang • mechanische Homogenisieren der Schmelze über den Umfang • Kühlen der Schmelze über den Umfang • Halten eines tragenden Elementes für die innerer Verdrängung der Schmelze
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Siebkorb ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Schmelzekühler ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Teil ein Wendelverteiler ist.
Bauteil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das das Bauteil eine Kombination von Siebkorb und Schmelzekühler ist.
Bauteil nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Kombination aus Siebkorb mit Wendelverteiler oder aus Schmelzekühler mit Wendelverteiler oder aus Siebkorb und Wendelverteiler ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (8) für eine Extrusionslinie, wobei das Bauteil (8) rechnerunterstützt konstruiert wird und daraus rechnerunterstützte Fertigungsdaten erzeugt werden, um das Bauteil (8) auf Basis dieser Daten additiv herzustellen, wobei das so gefertigte Bauteil (8) mindestens eine der folgenden Funktionalitäten erfüllt: • gleichmäßiges Verteilen der Schmelze über den Umfang • thermisches Homogenisieren der Schmelze über den Umfang • Mechanische Homogenisierung über den Umfang • Kühlen der Schmelze über den Umfang
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (8) für eine Extrusionslinie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass über rechnergestütze Simulationen das Bauteil (8) solange konstruktiv verändert wird bis der Extrusionsprozess optimiert ist, bevor die rechnerunterstützen Fertigungsdaten erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsverhalten der Schmelze und/oder der Homogenisierungsgrad der Schmelze und/oder die Verweilzeit der Schmelze in Eckbereichen des Bauteils (8) in der Simulation untersucht werden.