DE3245084A1

DE3245084A1 - Verfahren und vorrichtung zur bildung und umschichtung von teilstroemen einer aus einer strangpresse gefoerderten kunststoffschmelze

Info

Publication number: DE3245084A1
Application number: DE19823245084
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl.-Ing. 4540 Lengerich Upmeier
Original assignee: Windmoeller and Hoelscher KG
Current assignee: Windmoeller and Hoelscher KG
Priority date: 1982-12-06
Filing date: 1982-12-06
Publication date: 1984-06-07

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bildung und
Umschichtung von Teilströmen einer aus einer Strangpresse geförderten Kunststoffschmelze Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung und Umschichtung von Teilströmen einer aus einer Strangpresse geförderten Kunststoffschmelze, bei dem der Schmelzstrom in Teilströme aufgeteilt und diese in relativ zueinander versetzter Form wieder zusammengeführt werden.
Bei der Verarbeitung elastomerer oder thermoplastischer Massen treten im Anschluß an die eigentliche Strangpresse in den Fließ kanälen zum ausformenden Werkzeug bzw. in den Verteilerkanälen im Spritzwerkzeug selbst Inhomogenitäten bezüglich Massetemperatur und Viskositäten auf. Ein besonderes Problem ergibt sich aus den in den Verteilerkanälen sich bildenden Grenzschichten, die sich aufgrund des an den Kanalwänden haftenden und langsamer fließenden Materials ergeben, das sich durch die längere Verweilzeit in seiner Viskosität und wegen Fortschreitens seines chemischen Abbaus gegenüber dem im Bereich des Zentrums des Kanals strömenden frischeren Materials verändert. Die Temperaturverteilung in dem Verteilerkanal in einiger Entfernung hinter der Strangpresse weist in der Regel im Strömungszentrum eine Temperaturspitze bis zu 200 über der mittleren Temperatur auf.
Der in der Regel hochviskose Schmelzestrang gleitet auf den wandnahen Schichten und erfährt dort durch Wandscherung eine zusätzliche Wärmeentwicklung mit Erhöhung der Schmelzetemperatur und sich daraus ergebender Erniedrigung der Schmelzeviskosität.
Diese wandnahen Schichten bilden die unerwünschten Grenzschichten, die sich insbesondere bei eingefärbten Schmelzen nach einem Farbwechsel als störende Grenzschichtmarkierungen in dem fertigen Produkt bemerkbar machen.
Es sind bereits zahlreiche Vorrichtungen zur Beseitigung der in der aus der Strangpresse austretenden Schmelze vorhandenen Inhomogenitäten bekannt geworden. Mit den Förderschnecken der Strangpresse rotierende Mischwerkzeuge, wie sie beispielsweise aus der US-PS 26 31 016 und der DE-PS 11 97 438 bekannt sind, haben nicht zu befriedigenden Ergebnissen geführt. Bessere Ergebnisse wurden durch die Aufteilung des aus der Strangpresse austretenden strangförmigen Schmelzestroms in Teilströme erreicht, die anschließend in relativ zueinander versetzter Form wieder zusammengeführt wurden. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus der CH-PS 486 300, der DE-PS 19 26 488, der DE-AS 19 56 652 sowie der DE-AS 21 29 971 bekannt. Diese bekannten Vorrichtungen ermöglichten es jedoch nur, Teile der Grenzschichten umzuschichten und zu verlagern, so daß andere Teile der Grenzschichten erhalten blieben und als Grenzschichtmarkierungen in Streifenform noch immer in Erscheinung traten.
Eine gute Mischwirkung wurde durch ein Paket aus jeweils um 900 zueinander gedrehten Platten mit wellblechförmigen Oberflächen erzielt, das in dem Schmelzestrom angeordnet wurde. Die Wellen bildeten jedoch viele sogenannte Totecken, so daß sich ein sehr ungünstiges Anfahrverhalten ergab, weil nach dem Aufheizen über mehrere Stunden ein Freispülprozeß von vernetzten Materialpartikeln erfolgen mußte.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Homogenisierung der Schmelze in dem Verteilerkanal hinter der Strangpresse zu verbessern, so daß die störenden Einflüsse der Grenzschicht vermieden oder zumindest wesentlich verringert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß der Schmelzestrom in sektorartige Teilströme aufgeteilt wird und die teilströme abwechselnd radial nach innen und nach außen geleitet und wieder vereinigt werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Grenzschicht in Streifen aufgeteilt, von denen jeweils ein Streifen mit dem zugehörigen Sektor nach innen geleitet wird, so daß sich die Grenzschichtstreifen nach dem Zusammenführen der Teilströme wieder über den ganzen Umfang ausdehnen und sich aus den äußeren Grenzschichtstreifen eine Grenzschicht der halben Stärke ausbildet, weil die nun aneinandergrenzenden Grenzschichtstreifen um ihre doppelte Umfangslänge gestreckt worden sind, und sich aus den nach innen verlagerten Grenzschichtstreifen eine im mittleren Bereich des Schmelzestromes befindliche Grenzschicht bildet. Zweckmäßigerweise wird der Schmelzestrom mehrmals aufgeteilt und die Teilströme werden in der beschriebenen Weise wieder vereinigt, so daß die Grenzschichten des zugeführten Massestranges in entsprechend verdünnten konzentrischen Ringschichten einander überlagert werden. Eine erfindungsgemäße Verteilung ergibt also zwei Schichten, zwei Verteilungen vier Schichten, drei Verteilungen acht einander überlagerte Schichten und n-Verteilungen 2n einander überlagerte Schichten.
Die Schichten sind nicht mehr in Streifenform, sondern in gestreckter, einander überlagerter Form örende vorhanden, so daß eine gute Homogenisierung erzielt wird und störende Grenzschichtmarkierungen nicht mehr in Erscheinung treten.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit winkelig zueinander verlaufenden und den Schmelzestrom in Teilströme aufteilenden und diese in relativ zueinander versetzter Form wieder zusammenführenden Kanälen zeichnet sich erfindungsgemäß durch eine ringförmige Verteilerscheibe aus, die auf der Anströmseite auf einer umlaufenden ringförmigen Linie mit Bohrungen versehen ist, die abwechselnd radial nach außen und nach ihnen verlaufen.
Eine aus der DE-AS 20 23 910 bekannte ringförmige Verteilerscheibe weist abwechselnd einander kreuzende, radial nach außen und radial nach innen geneigte Durchtrittskanäle auf, so daß Grenzschichtstreifen unveränderter Stärke neben Streifen aus frischerem Material erhalten bleiben.
Um die Grenzschicht in mehreren konzentrischen Schichten zu ihrer Verdünnung umzuschichten, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein aus mindestens zwei ringförmigen Verteilerscheiben bestehender Verteilerblock vorgesehen, wobei zwischen jeweils zwei Scheiben ein ringförmiger Kanal gebildet ist, dessen Einlaufspaltbreite der Breite des durch die auf etwa konzentrischen Reihen angeordneten Öffnungen der Bohrungen auf der Abströmseite definierten ringförmigen Bereiches entspricht und der sich konvergierend auf eine Breite verengt, die der Breite des durch die Öffnungen der Bohrungen auf der Abströmseite bestimmten ringförmigen Bereiches angepaßt ist. Bei dieser Ausgestaltung werden die durch die jeweils vorhergehende ringförmige Verteilerscheibe nach außen und innen geleiteten Teilströme durch den konvergierenden Kanal wieder in der Weise o zusammengeführt, daß sie zur erneuten Verteilung in die Einlauföffnungen der folgenden ringförmigen Verteilerscheibe einlaufen können.
In erfinderischer Weiterbildung ist vorgesehen, daß jeder Einlauf- und Auslauföffnung der Bohrungen sich trichterförmig verengende bzw. erweiternde Bereiche zugeordnet sind, die durch in Fließschneiden auslaufende steg- oder wulstförmige Zwischenwandteile von angrenzenden Bereichen getrennt sind. Auf diese Weise wird angenähert eine Aufteilung des ringförmigen Schmelzestroms in sektorförmige Teile und anschließend eine Zusammenfügung der sektorförmigen Teile in gestreckter bzw. aneinandergrenzender Form auf zwei konzentrischen Ringen erreicht.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Grenzschichtfehler so weitflächig übereinandergeschichtet, daß sich der Einfluß der einzelnen Schichten störend nicht mehr bemerkbar macht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine radialsymmetrische Verteilerscheibe, Fig. 2 und 3 Ansichten der Verteilerscheibe nach Fig. 1 in Richtung der Pfeile II und III, Fig. 4 eine Doppelkegel-Schnittführung entlang den Schnittlinien A - B und C - D in Fig. 1, wobei die Kreuzung der Schnittlinien durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, und Fig. 5 einen Schnitt durch einen aus zwei Verteilerscheiben aufgebauten Verteilerblock.
In die Verteilerscheibe 1 sind die Schmelze bzw. Schmelzestränge radial nach außen führende Kanäle 2 und radial nach innen leitende Kanäle 3 eingearbeitet. Beide Kanäle beginnen mit der Zuführungsbohrung 4, deren Mittelpunkte auf dem Halbmesser des Punktes 15 liegen und deren benachbarte Flächen zu den Fließschneiden 5 ausgebildet sind. Auf der Abströmseite enden die radial nach außen führenden Bohrungen 2 in Öffnungen 6 mit den Fließschneiden 7 und die radial nach innen führenden Kanäle 3 in den Bohrungen 8 mit den dazwischenliegenden Fließschneiden 9. Der radiale Versatz beider Bohrungskreise ist so gewählt, daß sich zwischen beiden die Ringschneide 10 ergibt. Ausgehend von dem ringförmigen Zuführungskanal bzw. den ringförmigen Abströmkanälen sind somit toteckenfreie Fließschneiden 5, 7, 9 und 10 gebildet, so daß keine störenden Materialstauungen auftreten können.
In Fig. 4 ist die Doppelkegelabwicklung entlang den Schnittlinien A - B und C - D dargestellt, wobei durch die "durchgestülpte" Darstellung der zufließende Schmelzestrom 12 durch den in Klammern gesetzten Pfeil angedeutet ist. Der zugeführte Schmelzestrom trifft auf die Zuführungsebene 15, in der etwa mittig die gestrichelte Linie liegt, deren Radius dem der Punkte 15 entspricht. In der Darstellung nach Fig. 4 sind die Abwicklungen entsprechend den Schnitten A - B und C - D um die gestrichelte Linie in die Ebene geklappt. Aus der Darstellung nach Fig. 4 ist zu erkennen, daß die verbindenden Wandungen 1 zwischen den Bohrungen bzw. den Fließschneiden 5, 7, 9 verhältnismäßig gering sind, so daß ein Maximum an Durc#hlaßquerschnitt erreicht ist. Die Zuführungsbohrungen 4 mit den Fließschneiden 5 werden, wie aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, von der gestrichelten Linie in Fig. 4 geschnitten.
Ein zusammengesetzter Verteilerblock mit zwei Verteilerscheiben 1 wird nachstehend anhand der Fig. 5 erläutert. In dem schematisch angedeuteten Gehäuse 22 stützt sich der auf der Abströmseite angeordnete Verteilerring 1 auf einen ringförmigen Absatz ab. Zwischen den beiden Verteilerringen 1 sind zwei kegelige Hülsen 18, 19 angeordnet, die einen konvergierenden Ringkanal 17 begrenzen. Die Verteilerscheiben 1 und die kegeligen Verbindungshülsen 18, 19 werden durch miteinander verschraubte Bolzen, die durch zentrale Bohrungen der Verteilerscheiben und der inneren Hülse geführt sind, zusammengehalten, wobei der Bolzen auf der Anströmseite einen kegeligen Kopf 20 aufweist und auf der Abströmseite einen etwa kegelstumpfförmigen Kopf 21 aufweist, der die Abströmkanäle auf den inneren Seiten begrenzt. Auf der Zuströmseite wird der Verteilerblock durch die in nicht dargestellter Weise mit dem Gehäuse verspannte Hülse 23 gehalten.
In dem Zuführungskanal 24 ist schematisch die wandnahe Grenzschicht 26 strichpunktiert und das Gebiet mit der Temperaturspitze im Strangzentrum 27 gestrichelt dargestellt. Der Verlauf durch die erste Verteilerscheibe 1, den konvergierenden Kanal 17 und die zweite Verteilerscheibe 1 zeigt, daß die zunächst lokalen Fehler 26, 27 sich im ableitenden Kanal 25 konzentrisch überlagern und im geringen Abstand voneinander befinden. Der mit diesen Schichten verbundene Farbwechsel- bzw. Temperaturfehler kann sich daher nicht mehr störend bemerkbar machen.
Zur Entlastung der verhältnismäßig geringen Verbindungsquerschnitte 1 zwischen den Bohrungen der Verteilerscheiben 1 ist es zweckmäßig, abströmseitig den kegelstumpfförmigen Kopf 21 der Verbindungsbolzen gegen eine anschließende, den Schmelzestrom aufteilende Fließschneide 28 abzustützen.
Die Verteilerscheiben und der aus diesen aufgebaute Verteilerblock ergibt wegen der geringen Baulänge nur einen geringen Fließwiderstand. Handelsübliche Mischelemente weisen eine Baulänge von bis zu 4xD (D = Außendurchmesser des Mischelements) auf und vermögen mischtechnisch nicht zu befriedigen, obwohl die durch diese bedingte Drucksteigerung bis zu 100 bar betragen kann.
Die Herstellungskosten der Verteilerscheiben und des beschriebenen Verteilerblockes sind vergleichsweise gering. Das komplizierteste Teil bildet die Lochscheibe mit den Verlagerungsbohrungen und den eingearbeiteten Fließschneiden. Durch Kopierfräsen, NC-Fräsen oder Feinguß sind die auch bei Mehrfachanwendung identischen Verteilerscheiben 1 kostengünstig herzustellen. Alle übrigen Teile sind einfache Drehteile.
Die Verteilerscheiben bzw. der Verteilerblock werden vorteilhaft vor jeder Aufteilung des Schmelzekanals nach einer Strangpresse, beispielsweise einer einfachen Kanalgabelung mit Trenn-Fließschneide zur Schmelzeverteilung auf zwei oder mehr Spritzköpfe von Mehrkopfstrangpressen eingesetzt. Innerhalb des eigentlichen Spritzkopfes können die Verteilerscheiben bzw. der Verteilerblock verwendet werden, wenn fließtechnisch eine Schmelzestromteilung erforderlich ist, beispielsweise bei Folienblasköpfen mit mehreren Verteilerwendeln.
Die Verteilerscheiben und Verteilerblöcke sind anhand von runden Fließkanälen als radialsymmetrische Elemente beschrieben worden.
Sie können aber auch in entsprechender Abwandelung auf lange, breite Flachkanäle geringer Kanalhöhr übertragen werden.
Die Verteilerscheiben und Verteilerblöcke sind gleichermaßen für diskontinuierlich arbeitende Verarbeitungsmaschinen für thermoplastische und elastomere Massen, wie beispielsweise Spritzguß- und Hohlkörper-Blasformmaschinen, verwendbar.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Bildung und Umschichtung von Teilströmen einer aus einer Strangpresse geförderten Kunststoffschmelze Patentansprüche: A í 1-/ Verfahren zur Bildung und Umschichtung von Teilströmen einer aus einer Strangpresse geförderten Kunststoffschmelze, bei dem der Schmelzestrom in Teilströme aufgeteilt und diese in relativ zueinander versetzter Form wieder zusammengeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzestrom in sektorartige Teilströme aufgeteilt wird und die Teilströme abwechselnd radial nach innen und nach außen geleitet und wieder vereinigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzestrom mehrmals aufgeteilt wird und die Teilströme wieder vereinigt werden.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit winkelig zueinander verlaufenden und den Schmelzestrom in Teilströme aufteilenden und diese in relativ zueinander versetzter Form wieder zusammenführenden Kanälen, gekennzeichnet durch eine ringförmige Verteilerscheibe, die auf der Anströmseite auf einer umlaufenden ringförmigen Linie mit Bohrungen versehen ist, die abwechselnd radial nach außen und nach innen verlaufen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mindestens zwei ringförmige Verteilerscheiben (1) enthaltender Verteilerblock vorgesehen ist und daß zwischen jeweils zwei Scheiben (1) ein ringförmiger Kanal (17) gebildet ist, dessen Einlaufspaltbreite der Breite des durch die auf etwa konzentrischen Reihen angeordneten Öffnungen der Bohrungen (2, 3) auf der Abströmseite definierten ringförmigen Bereiches entspricht und der sich konvergierend auf eine Breite verengt, die der Breite des durch die Öffnungen der Bohrungen auf der Anströmseite bestimmten ringförmigen Bereiches angepaßt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einlauf- und Auslauföffnung der Bohrungen (2,j3) sich trichterförmig verengende bzw. erweiternde Bereiche zugeordnet sind, die durch in Fließschneiden (5, 7, 9, 10) auslaufende steg- oder wulstförmige Zwischenwandteile von angrenzenden Bereichen getrennt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie in dem Schmelzkanal zwischen der Strangpresse und dem ausformenden Spritzwerkzeug unmittelbar vor eine Schmelzekanalverzweigung angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei Mehrspritzkopf-Extruderanlagen unmittelbar vor der Fließkanalaufgabelung angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie innerhalb eines Spritzkopfes mit Ende der radialsymmetrischen Zuführungsbohrung vor der folgenden Kanalverzweigung bzw. der endgültigen Schmelzeaufteilung in dem ausformenden Düsenspalt derart angeordnet ist, daß sie sich über einen den abströmseitigen Verteilerring (1) stützenden, mit einem Kopf (21) versehenen Bolzen auf Fließschneiden (28) angrenzender Verteilungskanäle abstützt.