DE8133945U1 - "einwellige schneckenpresse" - Google Patents

Description

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"Einwellige Schneckenpresse"

Die Erfindung bezieht sich auf eine einwellige Schneckenpresse zum Einziehen, Plastifizieren und Auspressen von schmelzbaren, hochpolymeren Kunststoffen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Schneckenpressen, die aus einem Zylinder und einer darin drehbar gelagerten Schnecke mit einem eine Einzugs-, eine Plastifizier- und eine Austragszone definierenden Schneckengang bestehen,in welcher ggf. am Schneckenende ein Homogenisierabschnitt liegt, sind dem Fachmann bekannt.

Schon seit geraumer Zeit besteht ein technisches und wirtschaftliches Bedürfnis, den Ausstoß einer Schneckenpresse mit einem vorgegebenen definierten Schneckenquerschnitt zu erhöhen bzw. bei gleichem Querschnitt und Durchsatz die erforderliche Antriebsleistung zu vermindern. (Vgl. "New Screv/ Designs Improve Extrusion Efficiency", Modem Plastics International, Januar 1981, Seiten 50 und 51).

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Es ist zwar bekannt, in der Einzugszone einer Schneckenpresse verschiedenartige Einzugshilfen, insbesondere Nutenbuchsen mit Längsnuten oder Wendelnuten zu verwenden, um die Einzugsleistung der Schneckenpresse für Granulat, Pulver oder Schmelze zu erhöhen (vgl. "Kunststoffe", Band 61, 1971, Heft 2, Seiten 104 bis 107; H. Domininghaus "Fortschrittliche Extrudertechnik", VDI-Taschenbuch T 14 (1970), Seiten 39 bis 43); aber es zeigt sich, daß

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die nachfolgenden Schneckenzonen bei einer starken Vergrößerung der Einzugs leistung "überfahren" werden und der Massestrom in der Austragszone nicht hinreichend homogenisiert vorliegt, um ein qualitativ hochwertiges Produkt zu erzeugen. Dabei konnte auch festgestellt werden, daß Teile des eingezogenen Granulates nicht vollständig aufgeschmolzen wurden und Feststoffe und Schmelze nicht einwandfrei getrennt wurden.

Es wurden daher zahlreiche Versuche unternommen, an der Schnecke zusätzliche Knet-, Plastifizier- oder Scherelemente anzuordnen, mit denen noch nicht aufgeschmolzene Partikel auf ihrem Wege zur Schneckenspitze behandelt werden sollten. Ferner werden Homogenisierabschnitte in entsprechend verlängerten Austragszonen zur Temperaturvergleichmäßigung des Plastifikats oder der Schmelze und insbesondere bei hohen Qualitätsanforderungen beim Einmischen von Additiven oder Füllstoffen verwendet.

In der eingangs erwähnten Literaturstelle wird von Konstruktionen berichtet, bei denen der Massestrom zwischen dem Schneckengang und einem mit diesem zusammenwirkender und sich im Querschnitt langsam verkleinernden Gang im Zylinder auch in radialer Richtung bewegt wird.

Ähnliche Überlegungen wurden bereits in der GB-PS 842 angestellt. Derartige Konstruktionen hauen jedoch eine sehr aufwendige Bauweise und sind wenig flexibel bei der Umstellung auf die Verarbeitung anderer Materialien.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, oine einwellige Schneckenpresse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei der die Transport- und Plastifizierfunktion der Schnecke klar getrennt sind und eine wesentliche Erhöhung des Massestroms erreicht und eine qualitativ hochwertige, d.h. gleich-

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förmig aufgeschmolzene und hinsichtlich Temperatur und Zusammensetzung vollständig homogenisierte Schmelze für die Herstellung qualitativ hochwertiger Produkte erzeugt wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit der im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Kombination von Merkmalen.

Der Vorteil der dort angegebenen Lösung gegenüber dem bekannten Stand der Technik liegt darin, daß die Schneckenpresse durch das angewandte Baukastenprinzip für die Schnecke und den Zylinder sehr flexibel an die unterschiedlichen Bedürfnisse der Verarbeiter angepaßt werden kann und beim Hersteller derSchneckenpresse die Bauteile in höheren

'5 Stückzahlen serienmäßig gefertigt und dann materialkonform bzv/. anwendungsspezifisch zusammengesetzt werden können. Technologisch gesehen wird mit der erfindungsgemäßen Kombination der Vorteil erzielt, daß die eingesetzte Scher- und Mischeinrichtung, die aus der US-PS 4,253,771 in ihrem prinzipiellen Aufbau in ähnlicher Art bekannt ist, in die Schneckenpresse integriert ist und am Ende der Umwandlungsoder Plastifizierzone dafür sorgt, daß diese Schneckenzone nicht mehr überfahren werden kann, so daß Feststoffpartikel nicht mehr in die Austragszone gelangen. Hinzu kommt eine außerordentlich gleichmäßigeVerteilung und Einmischung sämtlicher,auch sehr geringer Anteile des Aufgabegutes, bevor das Plastifxkat oder die Schmelze in die Austragszone gelangt. Im Ergebnis sind selbt geringe Mengen von Additiven, wie Antioxidantien, Farbpigm^nte oder Additive zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit,zur Verringerung der Entflammbarkeit oder dgl. sehr fein in der ausgetragenen Schmelze verteilt, so daß Konzentrationsunterschiede kaum

ff noch festgestellt werden können.

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Die vielfach wiederholte Scherung des hcchpolymeren Kunststoffes am Ende der Plastifizierzone beansprucht diesen thermisch teilweise sehr unterschiedlich. Es wird deshalb vorgeschlagen, bei kritisch zu verarbeitenden Thermoplasten zusätzlich noch einen distributiven Mischer vorzusehen, um die Schmelzetemperatur in einer speziellen Homogenisierzone weiter zu vergleichmäßigen und evtl. radiale Temperaturunterschiede völlig abzubauen. Derartige Mischer sind beispielsweise als LTM-MischteiIe (Low Temperature Mixer) bekannt (vgl. "Kunststoffe", Band 63, 1973, Heft 6, Seite 355 bis 361, insbesondere Abb. 7). Der Vorteil solcher Mischteile liegt darin, daß die radiale Temperaturvergleichmäßigung zwischen schnekkenkernnahen und zylindernahen Schmelzeschichten ohne nennenswerte Druckverluste und somit ohne hohen Energieaufwand erfolgt.

Die Ansprüche 2 bis 9 spezifizieren bevorzugte Ausgestaltungen des als Scherabschnitt in die Schneckenpresse integrierten Mischers, der aus einer Mehrzahl von Ringelementen :nit in Axial- und Umfangsrichtung geschlossenen Kammern sowohl im Zylinder als auch auf der Schnecke - besteht. Aufgrund der ständig in radialer Richtung wechselnden Strömungeinerseits von ^em mit der Schnecke umlaufenden Ringelement in das stationäre Ringelement im Zylinder und andererseits von dort zurück in das mit seinen Kammern überlappend angeordnete, nachfolgende Ringeleirent auf der Schnecke usw. erfolgt eine genau dosierbare Scherbeanspruchung und eine Verteilung sämtlicher Komponenten des Materialstromes bei dem weiteren Vorteil eines einfachen Zusammenbaus und einer hohen Flexibilität eier Schneckenpresse.

Durch die in Anspruch 5 bis 9 angegebene Anordnung der Nutensysteme in^der,Art, daß die umfangsverteilten Scherstege auf mehrgängigen liegen, wird neben einem Förder- bzw. Staueffekt zusätzlich noch erreicht, daß eine Kammer des einen Systems im Zylinder gleichzeitig immer mit mehreren Kammern des Systems auf der Schnecke in Verbindung steht, so daß der Schmelzefluß niemals unterbrochen wird und kritische Drücke in einzelnen Kammern ausgeschlossen werden.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.

Es zeigtt

Fig. 1 eine Schneckenpresse gemäß der Erfindung iin

Längsschnitt;

Fig.2a/ Ringelemente am Ende der Plastifizierzone der 2b Schnecke nach Fig. 1 im Axialschnitt; Fig. 3 den Querschnitt eines Ringelementes nach Fig. ka

bzw. 2b;
Fit,. 4a/ Axialschritte von Ringelementen am Ende der Plasti-4b fizxerzone im Zylinder der Schneckenpresse nach Fig ,·

Fig. 5 den Querschnitt eines Ringelementes nach Fig. 4a bzw. 4b.

Die Schneckenpresse nach Fig. 1 ist sowohl hinsichtlich ihres Zylinders 1 als auch hinsichtlich ihrer Schnecke baukastenförmig aufgebaut. So besteht der Zylinder 1 aus einem ersten Zylinderabschnitt 3, in dem eine temperierbars, insbesondere kühlbare, Nutenbuchse 4 auswechselbar angeordnet ist. Er weist eine Öffnung 5 für den Auslaß des Materialaufgabetrichters 6 auf. An den Zylinderabschnitt 3 sind an der einen Seite das nicht gezeigte Getriebe mit dem Antriebsmotor und an der anderen Seite mehrere weitere Zylinderabschnitte 7 bis 9 auswechselbar angeflanscht, so daß deren Länge an die Baukastenschnecke 2 bei Bedarf angepaßt werden

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kann. Das Formwerkzeug am Ende des Zylinders 1, ebenfalls wie dessen Beheizung und Kühlung, sind aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Die im Zylinder 1 drehbar gelagerte Schnecke 2 besteht aus mehreren auswechselbar zusammengesetzten Schneckenabschnitten, insbesondere einem Einzugsabschnitt 10, einem Umwandlungsabschnitt 11 (Kompressionszone) mit abnehmendem Sehntckengangvolumen, dem dispergierenden Scher- und Misch abschnitt 12, dem Austragsabschnitt: 13 (Metering- oder Pumpzone) und einem Homogenxsxerabschnitt 14 mit Mischnocken bekannter Bauart, der bis zur Schnecker.spitze 15 reicht. Die einzelnen Abschnitte können hierbei - je nach Durchmesser und Länge aus eine™ Stück hergestellt oder einzeln gefertigt und in bekannter Weise durch Zuganker, Paßfeder- und Schraubverbindungen (z.B. DE-PS 23 40 499) oder dgl. zusammengesetzt sein.

Der vom Schneckensteg 16 definierte Schneckengang 17 verläuft kontinuierlich vom Einzugsabschnit'c 10 bis ans Ende des Umwandlungsabschnittes 11, ist dann im Scher- und Mischabschnitt 12 unterbrochen und im Austragsabschnitt 13 wieder fortgesetzt, um dort einen konstanten Druck aufzubauen und einen dosierten Massestrom auszutragen. 25

Die im Scher- xuid Mischabschnitt angeordneten Ringelemente

18 auf der Schnecke 2 bzw. 19 im Zylinder 1 sind in den Fig. 2 bis 5 vergrößert dargestellt. Die Ringelemente 18 und

19 gibt es in zwei verschiedenen Grundausführungen gemäß Fig. 2a und 2b bzw. Fig. 4a und 4b.

In beiden Fällen haben die Ringelemente 18 jedoch die gleichen Innen- und Außendurchmesser und eine Axialnut 20, um sie gegen Verdrehung auf der Schnecke 2 zu sichern. Am Umfang haben sie - wie Fig. 3 im Querschnitt zeigt -

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kammerförmige Ausnehmungen 21, die zwischen radialen Scherstegen 22 einerseits und von stirnseitigen, axialen Scherstegen 23 (Fig. 2) andererseits gebildet sind. Die Ausnehmungen 21 und die sie seitlich begrenzenden Scherstege 22 verlaufen auf dem durch den Außendurchmesser des Ringelementes 18 definierten Zylinderabschnitt in der Art einer mehrgängigen Schraubenlinie, die nach Fig. 2a eine positive Steigung (Pfeil 24) und nach Fig. 2b eine negative Steigung (Pfeil 25) hat. Die Ausnehmungen 21 haben im übrigen eine im Querschnitt abgerundete, teilweise ovale oder elliptische Form (Fig. 3), deren Tiefe zu den Scherstegen 22, 23 hin (Fig. 2a, 2b) abnimmt und dann ganz ausläuft. Auf der Schnecke können - je nach Bauart und Verwendungszweck - mehrere Ringelemente 18 gleicher Bauweise angeordnet sein, d.h. die von den Scherstegen 22 definierte Steigung (Pfeil 24) der hinterexnandergereihten Ringelemente 18 ist gleichlaufend mit dem Schneckensteg 1G oder diese Steigung (Pfeil 25) der Ringelemente 18 ist nach Fig. 2b zum Schneckensteg 16 entgegenlaufend. Es ist aber auch möglich, Ringelemente 18 nach Fig. 2a mit solchen nach Fig.

2b gemeinsam in einem Scher- und Mischabschnitt 12 der Schnecke 2 anzuwenden und so Abschnitte mit einem Fördereffekt mit solchen zu kombinieren, die einen Staueffekt bewirken.

Die Ringelemente 19 der Fig. 4 bis 5 sind in analoger Weise wie die Ringelemente 18 der Fig. 2 bis 3 ausgebildet. Ihr Innendurchmesser ist dabei so bemessen, daß sie die Ringelemente 18 mit einem äußerst geringen Spiel (Scherspalt) umfassen. Sie weisen am Außenumfang eine Axialnut 26 zur Festlegung der Ringelemente im Zylinderabschnitt 8 - durch eine nicht dargestellte Paßfeder oder dgl. - auf. Am Innenumfang verteilt sind in Analogie zu den Ringelementen 18 der Fig. 2 und 3 die Ausnehmungen 27, die zwischen den radialen Scherstegen 28 und den axialen Endbereichen 29 als abgeschlossene Kammern vorliegen. Dabei verlaufen - wie Fig. 4a bzw. Fig. 4b

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zeigen - die Ausnehmungen 27 auf mehrgängigen Schraubenlinien entweder in positiver Schraubrichtung (Pfeil 30) oder in negativer Schraubrichtung (Pfeil 31). Die Ringelemente 19 können^mZylinderabschnitt 8 so vorliegen, daß die Schraubrichtung der umfangsverteilten, radialen Scherstege 28 gleich- oder gegensinnig zum Schneckensteg 16 bzw. der Schraubrichtung der radialen Scherstege 22 der auf der Schnecke 2 angeordneten Ringelemente 18 ist. Es ist aber ebenso möglich, die Ringelemente 19 gemäß Fig. 4a und 4b alternierend oder gruppenweise alternierend zusammenzubauen, so daß im Zusammenwirken mit den Ringelementen 18 des Mischabschnittes 12 der Schnecke 2 die Effekte hinsichtlich Förderung, Stauung, Dispergierung und Scherung beliebig variiert und dem zu verarbeitenden Polymeren bestens angepaßt werden können.

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ZUSAMMENFASSUNG

Es wird eine Schneckenpresse zum Verarbeiten von polymeren Kunststoffen beschrieben, die aus einem Zylinder(1) mit mehreren Abschnitten (3 und 7 bis 9) und einer an dessen Länge angepaßten Baukastenschnecke (2) mit mehreren Bearbeitungszonen (10 bis 15) besteht. Wesentlich ist die Kombination von Maßnahmen zur Vergrößerung insbesondere des Feststoffstromes in der Einzugszone (10), z.B. die Anwendung einer auswechselbaren Nutenbuchse (4), und einer im einzelnen beschriebenen Scher- und Mischzone (12) am Ende der Umwandlungszone (11), in der sich stirnseitig gegeneinander abstützende Ringelemente (18; 19) auf der Schnecke und im zugeordneten Zylinderabschnitt (8) in besonderer Weise zusammenwirken. Durch vielfältiges Scheren und Dispergieren des unter hohem Druck stehenden Massestromes wird dessen vollständige Plastifizierung und eine Feinstverteilung der in dem Massestrom enthaltenen Komponenten erreicht. Jedes Ringelement (18; 19) hat am Innen- bzw. Außenumfang eine Mehrzahl umfangsverteilter Kammern (21; 27), die von schraubenlinienförmig verlaufenden, radialen Scherstegen und axialen BegrenzungsStegen (23; 29) eingeschlossen sind, so daß der Materialstrom bei gegenseitiger Überlappung der Ringele.mente (18; 19) in der Scher- und Mischzone (12) der Schneckenpresse in Strömungsrichtung annähernd .sinusförmig umgelenkt wird.

( Fig. 1)

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BEZUGS ZEICHENAUFSTELLUNG

1 Zylinder

2 Schnecke

3 Zylinderabscbnitt

4 Nutenbuchse 5 Öffnung

6 Materialaufgabetrichter

7 Zylinderabschnitt

8 Zylindi,rabschnitt

9 Zylinderabschnitt 10 Einzugsabschnitt

11 Umwandlungsabschnitt

12 Scher- und Mischabschnitt

13 Austragsabschnitt

14 Homogenisierabschnitt 15 Schneckenspitze

16 Schneckensteg

18 Ringelement

19 Ringelement

20 Axialnut
21 Ausnehmung

22 radialer Schersteg

23 axialer Schersteg

24 Pfeil (pos. Schraubrichtung) 25 25 Pfeil (neg. Schraubrichtung)

26 Axialnut

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2 7 Ausnehmung

28 radialer Schersteg

29 Endbereich, axialer Schersteg

30 Pfeil (pos. Schraubrichtung)

31 Pfeil (neg. Schraubrichtung)

Claims (9)

barmag Banner Maschinenfabrik Aktiengesellschaft Sitz Remscheid, Bundesrepublik Deutschland Bag. 1271 - 1 - Ansprüche

1. Einwellige Schneckenpresse

zum Einziehen, Plastifizieren und Auspressen von schmelzbaren, hochpolymere^ Kunststoffen, insbesondere thermoplastischen Kunststoffen wie Polyolefine, PoIyamideoder Polyester,

bestehend aus einer in einem Zylinder drehbar gelagerten Baukastenschnecke mit einem eine Einzugs-, eine Plastifiziert und eine Austragszone definierenden

Schneckengang, welcher ggf. einen Homogenisierabschnitt umfaßt,

gekennzeichnet

durch die in Kombination vorliegenden Merkmale, daß der Zylinder (1) aus mehreren Abschnitten (3, 7 bis 9) zusammengesetzt ist, die nach den Längen der Abschnitte (10 bis 14) der Baukastenschnecke (2) bemessen sind,

daß in der Einzugszone (10) ein die Reibung zwischen dem Kunststoff und dem Zylinder (1) erhöhendes Nutensystem, vorzugsweise eine Nutenbuchse (4) mit achsparallelen oder gewendelten Nuten, eine Einzugstasche oder dgl. vorliegt,

und daß zwischen der Einzugszone (10) und der Austragszone (13), vorzugsweise am Ende der Plastifizierzone (11) eine Scher- und Mischzone (12) angeordnet ist,

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die ein stationäres umfangverteiltes Nutensystein im Zylinderabschnitt (8) einerseits und ein mit der Schnecke (2) rotierendes, mit dem ersten kämmendes/ ähnliches Nutensystem auf einem zylindrischen Abschnitt (12) der Schnecke (2) andererseits umfaßt, durch welche beiden Nutensysteme der Kunststoff gezwungen ist, wechselweise aus dem einen Nutensystem auf der Schnecke (2) in das radial gegenüber liegende Nutensystem, welches das erste teilweise axia,·.

überdeckt, und von dort infolge einer axialen Begrenzung der Nuten (21, 2 7) radial zurück zum in axialer Richtung nachfolgenden Nutensystein auf der Schnecke (2) zu strömen.

2. Schneckenpresse nach Anspruch 1, gekennzeichnet

durch eine Mehrzahl von sich mit ihren ebenen Stirnflächen gegenseitig abstützenden Ringelementen (18, 19) im Zylinder (8) oder/und auf dem Kern des zugeordneten Schneckenabschnittes (12), welche die umfangsverteilten Nutensysteme umfassen und jeweils durch Stege (23; 29) in ihrer axialen Erstreckung begrenzen.

3. Schneckenpresse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Ringelemente (18, 19) im Zylinder (8) oder /und auf dem Schneckenkern (12) jeweils in zumindest zwei

unterschiedlichen Längen vorliegen. 30

4. Schneckenpresse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß in den Ringelementen (18, 19) zwischen zwei umlaufenden, im axialen Abstand angeordneten Begrenzungsstegen (23; 29) eine Mehrzahl von umfangsverteilten

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Ausnehmungen (21; 27) vorliegt, wobei diese Ausnehmungen (21; 27) durch Scherstege (22; 28) voneinander getrennt sind und die radialen Umfangsflachen der mit den axialen Begrenzungsstegen (23; 29) verbundenen Scherstege (22; 28) auf dem Innen- oder Außenmantel eines Kreiszylinders jJBohrung des Zylinders (1) bzw. Hüllfläche der Schnecke (2)J enden.

5. Schneckenpresse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (21; 27) zwischen den radialen Scherstegen (22; 28) der Ringelemente (18; 19) im Querschnitt kreisbogenförmig oder oval ausgebildet sind und die die Ausnehmungen (21; 27) voneinander trennenden, mit axialer Komponente verlaufenden Scherstege (22; 28) auf einer mehrgängigen Schraubenlinie liegen.

6. Schneckenpresse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlinie (24; 30) in Richtung der Steigung des Schneckensteges (16) verläuft.

7. Schneckenpresse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlinien (24, 25; 30, 31), welche von den Scherstegen (22; 28) der axial nebeneinander liegenden Ringelemente (18; 19) gebildet sind, auf der Schnecke (12) und im Zylinder (8) gleichläufig zum Schneckensteg (16) ausgebildet sind.

8. Schneckenpresse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenlinien (24, 25; 30, 31), welche von den Scherstegen (22; 28) der axial

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nebeneinander liegenden Ringelemente (18; 19) gebildet sind, auf der Schnecke (12) und im Zylinder (8) gegenläufig zueinander ausgebildet sind.

9. Schneckenpresse nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schraubenlinien (24, 25; 30, 31) welche von den Scherstegen (22; 28) der axial nebeneinander liegenden Ringelemente gebildet sind, durch Abschnitte mit einer Richtungsumkehr der Schraubenlinien (24, 25; 30, 31)

unterbrochen sind, wobei diese Abschnitte eines oder mehrere Ringelemente (18; 19) umfassen.