DE20021817U1 - extrusion device - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Extrusionseinrichtung zur Extrusion thermoplastischer Kunststoffe, enthaltend einen Schneckenzylinder mit 5 Eintritts- und Austrittsöffnung und eine im Schneckenzylinder angeordnete und rotierend antreibbare Schnecke mit einem Schneckenaußengewinde.The invention relates to an extrusion device for extruding thermoplastics, comprising a screw cylinder with 5 inlet and outlet openings and a screw arranged in the screw cylinder and rotatably drivable with an external screw thread.
Derartige, im allgemeinen auch als Einschneckenextruder bezeichnete Extrusionseinrichtungen sind vielfältig bekannt, wozu lediglich beispielhaft auf die DE 35 04 773 A1 verwiesen wird.Such extrusion devices, also generally referred to as single-screw extruders, are widely known; reference is made to DE 35 04 773 A1 as an example.
Bei einer üblichen Bauform einer derartigen Extrusionseinrichtung sind der Schneckenzylinder und die Schnecke jeweils korrespondierend in verschiedene Zonen unterteilt, wobei ausgehend von der Eintrittsöffnung zunächst eine mit dieser kommunizierende Einzugszone im Schneckenzylinder und der Schnecke gebildet ist, in der die Schnecke mit konstanter Gangtiefe des Schneckenaußengewindes und der Schneckenzylinder mit einer glatten oder genuteten Innenwandung ausgebildet sind. Der zu verarbeitende thermoplastische Kunststoff wird über die Eintrittsöffnung und die Einzugszone des Schneckenzylinders der Einzugszone der Schnecke angeboten und das in der Schneckeneinzugszone aufgenommene Material wird durch möglichst hohe Reibung zwischen Kunststoff und Schneckenzylinder und kleinstmöglicher Reibung zwischen Kunststoff und Schnecke axial in einer vonIn a typical design of such an extrusion device, the screw cylinder and the screw are each divided into different zones, whereby starting from the inlet opening, a feed zone communicating with this is formed in the screw cylinder and the screw, in which the screw is designed with a constant pitch of the external screw thread and the screw cylinder with a smooth or grooved inner wall. The thermoplastic material to be processed is offered to the feed zone of the screw via the inlet opening and the feed zone of the screw cylinder and the material taken up in the screw feed zone is axially fed into a zone of
der Eintrittsöffnung in Richtung auf die Austrittsöffnung weisenden Förderrichtung transportiert.the inlet opening in the conveying direction pointing towards the outlet opening.
An die Einzugszone in Richtung auf die Austrittsöffnung anschließend weisen sodann der Schneckenzylinder und die Schnecke eine Plastifizierzone auf, in der das in der Einzugszone herangeführte Kunststoffmaterial in seinen plastischen Zustand aufgeschmolzen wird und nachfolgend in Richtung auf die Austrittsöffnung transportiert und von dort einem dem Extruder nachgeordneten Werkzeug gegebenenfalls über eine weitere sogenannte Ausstoßzone zugeführt wird.Following the feed zone in the direction of the outlet opening, the screw cylinder and the screw then have a plasticizing zone in which the plastic material fed into the feed zone is melted into its plastic state and subsequently transported in the direction of the outlet opening and from there fed to a tool arranged downstream of the extruder, if necessary via a further so-called discharge zone.
Thermoplastische Kunststoffe haben als Granulate oder Pulver eine Schüttdichte, die gegenüber dem massiven verarbeiteten Zustand um 40 bis 50 % niedriger ist. Die Einzugszone fördert mit vergrößertem Gangvolumen das Material gegen den Widerstand der nachfolgenden Zonen und verdrängt die zwischen den Granulaten oder Pulverkörnern befindliche Luft. Der Aufschmelzvorgang kann hierbei je nach Ausgestaltung der Schnecke bereits in der Einzugszone beginnen und wird in der Plastifizierzone vollendet oder wird ausschließlich in der Plastifizierzone der Extrusionseinrichtung bewirkt.Thermoplastics, as granules or powders, have a bulk density that is 40 to 50% lower than in the solid processed state. The feed zone conveys the material with an increased passage volume against the resistance of the subsequent zones and displaces the air between the granules or powder grains. Depending on the design of the screw, the melting process can begin in the feed zone and be completed in the plasticizing zone or can be carried out exclusively in the plasticizing zone of the extrusion device.
Der Hauptanteil der zur Plastifizierung erforderlichen Energie wird hierbei durch Scherung der Schmelze zugeführt, d. h. durch Umsatz von Antriebsenergie.The majority of the energy required for plasticization is supplied by shearing the melt, i.e. by converting drive energy.
Nachteil bei dieser an sich bewährten Bauform von Extrusionseinrichtungen, die nachfolgend auch als konventionelle Extrusionseinrichtung bezeichnet wird, ist es, daß diese auf Schnecken mit einem relativ großen Längen- zu Durchmesserverhältnis angewiesen ist, was einerseits hinsichtlich Herstellungs- und Betriebskosten ungünstig ist und zum anderen auch einen ungünstigen Wirkungsgrad bezüglich der Aufnahme von Schmelzenergie mit sich bringt.The disadvantage of this proven design of extrusion equipment, which is also referred to below as conventional extrusion equipment, is that it relies on screws with a relatively large length to diameter ratio, which is unfavorable in terms of manufacturing and operating costs on the one hand and also results in an unfavorable efficiency with regard to the absorption of melt energy on the other.
Aus der DE 44 00 330 A1 ist ein Extruder bekannt, der für das Plastifizieren und Aufschäumen von stärkehaltigen Kleie- und Grießausgangsstoffen ausgebildet ist. Dieser bekannte Extruder bedient sich zweier gegenläufigerFrom DE 44 00 330 A1 an extruder is known which is designed for the plasticizing and foaming of starchy bran and semolina raw materials. This known extruder uses two counter-rotating
Gewinde, die einerseits in der Schnecke und andererseits im Schneckenzylinder angeordnet sind und für eine starke Scherbeanspruchung der aufgegebenen und durch diese Extrusionseinrichtung geförderten körnigen Stoffe verantwortlich sind. Durch den in diesem Extruder bewirkten starken Druck werden die aufgegebenen Stoffe stark zusammengepreßt und erwärmen sich durch die erfolgende Belastung sehr stark, wobei ein energetischer Wirkungsgrad von nahezu 90 % erreicht wird. Die Schnecke und der Schneckenzylinder erweitern sich zum Ausgang hin und gewähren dem plastifizierten und verflüssigten stärkehaltigen Material zunehmend Raum zum Aufschäumen mittels der im Material enthaltenen Feuchtigkeit, die zur Verdampfung kommt.Threads arranged in the screw on the one hand and in the screw cylinder on the other hand, which are responsible for a strong shear stress on the granular materials fed in and conveyed through this extrusion device. The strong pressure caused in this extruder causes the fed materials to be strongly compressed and heat up greatly due to the resulting stress, whereby an energy efficiency of almost 90% is achieved. The screw and the screw cylinder expand towards the outlet and give the plasticized and liquefied starchy material more space to foam up by means of the moisture contained in the material, which evaporates.
Bei Voruntersuchungen, die zur Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung führten, hat sich gezeigt, daß ein Extruder ähnlich dem der DE 44 00 330 A1, d.h. mit gegenläufigem Gewinde auf der Schnecke und im Schneckenzylinder im Prinzip auch zum Plastifizieren von thermoplastischem Kunststoffmaterial geeignet ist, wobei dieser jedoch aufgrund der geringen Eintrittsquerschnitte für das aufzuschmelzende und zu plastifizierende thermoplastische Kunststoffmaterial zwar über eine wünschenswerte äußerst kurze Bauform verfügt, die Leistungsfähigkeit und insbesondere Durchsatzleistung eines solchermaßen ausgebildeten Extruders aber nicht zufriedenstellend ist.In preliminary investigations which led to the design of the present invention, it was shown that an extruder similar to that of DE 44 00 330 A1, i.e. with counter-rotating threads on the screw and in the screw cylinder, is in principle also suitable for plasticizing thermoplastic material, although due to the small inlet cross-sections for the thermoplastic material to be melted and plasticized, this extruder has a desirable extremely short design, but the performance and in particular the throughput of an extruder designed in this way is not satisfactory.
Die Erfindung hat sich von daher die Aufgabe gestellt, einen Extruder verkürzter Bauform aufzuzeigen, der gleichzeitig über eine Durchsatzleistung und ein Leistungsvermögen verfügt, welches mit den bisher bekannten Extrusionseinrichtungen der eingangs erwähnten konventionellen Bauart vergleichbar ist oder diese sogar übersteigt.The invention therefore has the task of demonstrating an extruder with a shortened design which simultaneously has a throughput and a performance which is comparable to or even exceeds the previously known extrusion devices of the conventional design mentioned at the beginning.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Ausbildung einer Extrusionseinrichtung gemäß den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst.This object is achieved according to the invention by designing an extrusion device according to the features of claim 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung.Advantageous embodiments and further developments of the invention are the subject of the dependent claims and the following detailed description.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung eine Extrusionseinrichtung mit einer üblichen Einzugszone, d. h. mit einem Schneckenabschnitt mit konstanter Gangtiefe des Schneckenaußengewindes und einem Schneckenzylinder mit glatter oder genuteter Innenwandung vor, an die sich eine Plastifizierzone anschließt, die die folgenden Merkmale aufweist: 10To achieve the stated object, the invention proposes an extrusion device with a conventional feed zone, i.e. with a screw section with a constant pitch of the external screw thread and a screw cylinder with a smooth or grooved inner wall, which is followed by a plasticizing zone having the following features: 10
1. der Schneckenzylinder ist mit einem in die Innenwandung eingebrachten und gegenläufig zum Schneckenaußengewinde verlaufenden Innengewinde ausgebildet,1. the screw cylinder is designed with an internal thread inserted into the inner wall and running in the opposite direction to the external screw thread,
2. die Gangtiefe der Schnecke nimmt in Richtung auf die Austrittsöffnung zu,2. the flight depth of the screw increases towards the outlet opening,
3. die Gangtiefe des Innengewindes nimmt hierzu korrespondierend in Richtung der Austrittsöffnung ab.3. The pitch of the internal thread decreases accordingly in the direction of the outlet opening.
Bei der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung wird demzufolge die bekannte Extrusionseinrichtung der konventionellen Bauart, bei der die Einzugszone eine Schnecke mit konstanter Gangtiefe des Schneckenaußengewindes sowie einen Schneckenzylinder mit glatter oder genuteter Innenwandung aufweist, die für eine hohe Förderleistung des aufgegebenen granulat- oder pulverförmigen Kunststoffes aus der Eintrittsöffnung in die Extrusionseinrichtung verantwortlich ist, dahingehend abgeändert, daß ein gegenläufiges Schnecken- und Schneckenzylindergewinde in der Plastifizierzone eingesetzt wird. Gegebenenfalls kann in dieser Einzugszone auch bereits das Plastifizieren des aufgegebenen Kunst-Stoffmaterials beginnen.In the extrusion device according to the invention, the known extrusion device of conventional design, in which the feed zone has a screw with a constant pitch of the external screw thread and a screw cylinder with a smooth or grooved inner wall, which is responsible for a high conveying capacity of the fed granular or powdered plastic from the inlet opening into the extrusion device, is modified in such a way that a counter-rotating screw and screw cylinder thread is used in the plasticizing zone. If necessary, the plasticizing of the fed plastic material can also begin in this feed zone.
An die Einzugszone anschließend wird sodann eine Plastifizierzone angefügt, bei der eine hohe Scherbeanspruchung des durch die Einzugszone gefördertenA plasticizing zone is then added to the feed zone, where a high shear stress is applied to the material conveyed through the feed zone.
Kunststoffmaterials infolge der gegenläufig verlaufenden Schneckenaußengewinde einerseits und in die Innenwandung des Schneckenzylinders eingebrachten Innengewinde andererseits erzielt wird und gleichzeitig durch die Zunahme der Gangtiefe der Schnecke bzw. hierzu korrespondierende Abnahme der Gangtiefe des Innengewindes des Schneckenzylinders eine starke Durchmischung des geförderten Kunststoffmaterials erfolgt.Plastic material is achieved as a result of the counter-rotating external screw threads on the one hand and the internal threads introduced into the inner wall of the screw cylinder on the other hand, and at the same time the increase in the flight depth of the screw or the corresponding decrease in the flight depth of the internal thread of the screw cylinder results in a strong mixing of the conveyed plastic material.
Die vorangehend beschriebene Zu- bzw. Abnahme der Gangtiefen von Schnecke bzw. Schneckenzylinder kann beispielsweise kontinuierlich erfolgen.The increase or decrease in the flight depths of the screw or screw cylinder described above can, for example, take place continuously.
Diese Scherbeanspruchung innerhalb der Plastifizierzone der erfindungsgemäßen Plastifiziereinrichtung ist so stark, daß die zum vollständigen Aufschmelzen des geförderten thermoplastischen Kunststoffes und Homogenisieren der Schmelze erforderliche Gesamtlänge der Extrusionseinrichtung gegenüber einer Extrusionseinrichtung konventioneller Bauart erheblich verkürzt werden kann.This shear stress within the plasticizing zone of the plasticizing device according to the invention is so strong that the total length of the extrusion device required for completely melting the conveyed thermoplastic material and homogenizing the melt can be significantly shortened compared to an extrusion device of conventional design.
So kann je nach Art des zu verarbeitenden Kunststoffes und gewünschter Leistung der Extrusionseinrichtung die Einzugszone bezogen auf den Durchmesser D der Schnecke eine Länge von 4 bis 12 D aufweisen und der Scherabschnitte eine Länge von lediglich etwa 1 bis 5 D aufweisen.Depending on the type of plastic to be processed and the desired performance of the extrusion device, the feed zone can have a length of 4 to 12 D relative to the diameter D of the screw and the shearing sections can have a length of only about 1 to 5 D.
Da neben der starken Scherbeanspruchung in der erfindungsgemäß ausgestalteten Plastifizierzone der Extrusionseinrichtung auch eine starke Durchmischung der thermoplastischen Kunststoffschmelze bewirkt wird, kann gegebenenfalls gänzlich auf der Plastifizierzone nachgeordnete weitere Schnecken und Schneckenzylinderzonen verzichtet werden und die Austrittsöffnung aus der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung bereits unmittelbar hinter der Plastifizierzone angeordnet werden, wodurch eine sehr kurze Bauform der Extrusionseinrichtung sichergestellt ist.Since, in addition to the strong shear stress in the plasticizing zone of the extrusion device designed according to the invention, a strong mixing of the thermoplastic melt is also brought about, further screws and screw cylinder zones downstream of the plasticizing zone can be dispensed with entirely and the outlet opening from the extrusion device according to the invention can be arranged immediately behind the plasticizing zone, thereby ensuring a very short design of the extrusion device.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die Extrusionseinrichtung der Plastifizierzone in Richtung auf die Austrittsöffnung nachfolgend noch eineHowever, it can also be provided that the extrusion device of the plasticizing zone in the direction of the outlet opening subsequently
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Ausstoßzone umfaßt, in welcher der Schneckenzylinder in an sich bekannter Weise eine glatte Innenwandung aufweist und diese Ausstoßzone eine Länge von bis zu 5 D aufweist. In dieser Ausstoßzone-erfolgt eine Homogenisierung und Aufbereitung der aufgeschmolzenen Kunststoffmasse, gegebenenfalls unter Druckerhöhung, um diese dann einem nachgeordneten Werkzeug zuzuführen.Ejection zone in which the screw cylinder has a smooth inner wall in a manner known per se and this ejection zone has a length of up to 5 D. In this ejection zone, the molten plastic mass is homogenized and prepared, if necessary with an increase in pressure, in order to then feed it to a downstream tool.
Je nach Ausführungsform und Art des geförderten Rohstoffes kann die Schnecke in der Ausstoßzone mit einem Scher- und/oder Mischteil oder auch ohne solche Teile ausgeführt sein.Depending on the design and type of raw material being conveyed, the screw in the discharge zone can be designed with a shearing and/or mixing part or without such parts.
Um eine gute Durchmischung des aufgeschmolzenen thermoplastischen Kunststoffes und eine hohe Scherwirkung innerhalb des Scherabschnittes zu erzielen, wird die Gangtiefe der Schnecke zwischen 10 bis 90 % der Gesamtgangtiefe innerhalb des Scherabschnittes variiert.In order to achieve good mixing of the molten thermoplastic and a high shearing effect within the shearing section, the flight depth of the screw is varied between 10 and 90% of the total flight depth within the shearing section.
Je nach Ausführungsform der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung bleibt die aus der Summe der Gangtiefe von Schneckenaußengewinde und Schneckenzylinderinnengewinde gebildete Gesamtgangtiefe über den gesamten Scherabschnitt konstant oder wird variiert.Depending on the embodiment of the extrusion device according to the invention, the total flight depth formed from the sum of the flight depth of the external screw thread and the internal screw cylinder thread remains constant over the entire shearing section or is varied.
Vorteilhaft können das Schneckenaußengewinde und das Innengewinde im Bereich des Scherabschnittes mehrgängig mit voneinander verschiedenen Gangzahlen ausgebildet sein, was ebenfalls die Scher- und Mischwirkung des Scherabschnittes steigert.Advantageously, the external screw thread and the internal thread in the area of the shearing section can be designed with multiple threads with different numbers of threads, which also increases the shearing and mixing effect of the shearing section.
Auch die Einzugszone kann gegebenenfalls mit unterschiedlichen Gangsteigungen ausgerüstet sein, um hier leistungssteigernd einzuwirken und einen guten Durchsatz durch den Scherabschnitt innerhalb der Plastifizierzone der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung zu gewährleisten.The feed zone can also be equipped with different pitches if necessary in order to increase performance and to ensure a good throughput through the shearing section within the plasticizing zone of the extrusion device according to the invention.
Vorteilhaft ist die Extrusionseinrichtung gemäß der Erfindung als sogenannter Schnelläufertyp ausgebildet, so daß die Schnecke mit Drehzahlen von bis zuAdvantageously, the extrusion device according to the invention is designed as a so-called high-speed type, so that the screw can run at speeds of up to
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1000 min"1 im Schneckenzylinder drehbar antreibbar ist. Hierdurch wird einerseits einen hohe Scherenergie bereitgestellt, andererseits aber bei 'kompakter Bauform auch einen außerordentlich leistungsfähige Extrusionseinrichtung zur Verfügung gestellt.
51000 min" 1 in the screw cylinder. This provides a high shear energy on the one hand, but on the other hand, with a compact design, an extraordinarily powerful extrusion device is also made available.
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Eine bevorzugte und an unterschiedliche Produktionsaufgaben anpaßbare Bauform der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung sieht ferner vor, daß der Schneckenzylinder und die Schnecke in Modulabschnitte, die die Einzugszone, die Plastifizierzone mit Scherabschnitt und gegebenenfalls die Ausstoßzone ausbilden, unterteilt und aus diesen zusammenfügbar ist.A preferred design of the extrusion device according to the invention, which can be adapted to different production tasks, further provides that the screw cylinder and the screw are divided into module sections which form the feed zone, the plasticizing zone with shear section and, if necessary, the ejection zone, and can be assembled from these.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung, in derFurther details of the invention emerge from the drawing, which merely represents an embodiment, in which
Figur 1 eine Darstellung einer konventionellen ExtrusionseinrichtungFigure 1 shows a representation of a conventional extrusion device
gemäß Stand der Technik ist undis state of the art and
Figur 2 die ausschnittsweise Vergrößerung des Scherabschnittes der Plastifizierzone einer Extrusionseinrichtung gemäß der Erfindung darstellen.Figure 2 shows a partial enlargement of the shearing section of the plasticizing zone of an extrusion device according to the invention.
Eine übliche bzw. konventionelle Bauform eines Einschneckenextruders gemäß Stand der Technik ist schematisch in der Figur 1 dargestellt. Sie umfaßt einen Schneckenzylinder 1, der lediglich angedeutet ist und innerhalb dessen eine Schnecke 2 mit einem Schneckenaußengewinde 20 um ihre eigene Achse rotierend mittels eines nicht näher dargestellten Antriebes antreibbar gelagert ist. Der Schneckenzylinder 1 weist an seinem einen Ende eine Eintrittsöffnung 11 und an seinem anderen Ende eine Austrittsöffnung 12 auf.A usual or conventional design of a single-screw extruder according to the prior art is shown schematically in Figure 1. It comprises a screw cylinder 1, which is only indicated, and within which a screw 2 with an external screw thread 20 is mounted so as to rotate about its own axis and can be driven by means of a drive (not shown in detail). The screw cylinder 1 has an inlet opening 11 at one end and an outlet opening 12 at the other end.
Sowohl der Schneckenzylinder 1 als auch die Schnecke 2 sind funktional in unterschiedliche Zonen unterteilt, die mit E, P und A in Figur 1 bezeichnet sind. Hierbei bezeichnet E die Einzugszone, P die daran anschließendeBoth the screw cylinder 1 and the screw 2 are functionally divided into different zones, which are designated E, P and A in Figure 1. E designates the intake zone, P the adjoining
Plastifizierzone P und A die wiederum daran anschließende Ausstoßzone A jeweils sowohl von Schnecke 2 als auch Schneckenzylinder 1.Plasticizing zone P and A, the subsequent discharge zone A of both screw 2 and screw cylinder 1.
Beim Betrieb der in der Figur 1 dargestellten Extrusionseinrichtung wird ein zu extrudierender thermoplastischer Kunststoff über die Eintrittsöffnung 11 in granulat- oder pulverförmiger Form in die Extrusionseinrichtung eingefüllt und gelangt in den Einzugsbereich E von Schnecke 2 und Schneckenzylinder 1. Durch das Außengewinde 20 der Schnecke 2 wird der granulat- oder pulverförmige Kunststoff infolge der Rotation der Schnecke 2 in einer Förderrichtung F in Richtung auf die Austrittsöffnung 12 gefördert und hierbei stetig verdichtet, so daß durch die Scherung und Reibung sowie durch äußere Wärmezufuhr dieser ursprünglich granulat- oder pulverförmige Kunststoff allmählich plastifiziert und aufgeschmolzen wird.When operating the extrusion device shown in Figure 1, a thermoplastic material to be extruded is filled into the extrusion device in granular or powdered form via the inlet opening 11 and reaches the intake area E of screw 2 and screw cylinder 1. The granular or powdered plastic is conveyed through the external thread 20 of the screw 2 as a result of the rotation of the screw 2 in a conveying direction F in the direction of the outlet opening 12 and is thereby continuously compressed, so that this originally granular or powdered plastic is gradually plasticized and melted by the shear and friction as well as by the external supply of heat.
5 Ausgangs der Einzugszone E wird der allmählich plastifizierte Kunststoff der Plastifizierzone P zugeführt, in welcher der Kern 21 der Schnecke 2 einen allmählich ansteigenden Durchmesser aufweist, so daß die verbleibende Gangtiefe zwischen Schneckenkern 21 und der Innen wandung 10 des Schnecken-zylinders 1 sich verringert und durch weitere Erhöhung des Druckes und der Scherenergie der thermoplastische Kunststoff vollständig plastifiziert und aufgeschmolzen wird.5 At the exit of the feed zone E, the gradually plasticized plastic is fed to the plasticizing zone P, in which the core 21 of the screw 2 has a gradually increasing diameter, so that the remaining flight depth between the screw core 21 and the inner wall 10 of the screw cylinder 1 is reduced and by further increasing the pressure and the shear energy the thermoplastic is completely plasticized and melted.
Nachfolgend gelangt diese thermoplastische Masse in die Ausstoßzone A, in der sie homogenisiert, aufbereitet und gegebenenfalls unter Druckerhöhung der Ausstoßöffnung 12 zugeführt wird, von wo sie einem nachgeordneten Werkzeug, hier nicht dargestellt, zugeführt wird.This thermoplastic mass then enters the ejection zone A, where it is homogenized, processed and, if necessary, fed to the ejection opening 12 under increased pressure, from where it is fed to a downstream tool, not shown here.
Wesentlich für eine solche konventionelle Extruderbauform gemäß Figur 1 ist es, daß über den gesamten Verlauf, d. h. durchgängig über alle Zonen E, P, A der Schneckenzylinder 1 über eine glatte Innenwandung 10 verfügt. Eine Ausnahme hiervon kann lediglich im Bereich der Einzugszone E vorliegen, wenn es sich um eine Extrusionseinrichtung mit sogenannter genuteter Einzugszone handelt, bei der die Innenwandung 10 des Schneckenzylinders 1It is essential for such a conventional extruder design according to Figure 1 that the screw cylinder 1 has a smooth inner wall 10 over the entire course, i.e. throughout all zones E, P, A. An exception to this can only be in the area of the feed zone E if it is an extrusion device with a so-called grooved feed zone, in which the inner wall 10 of the screw cylinder 1
im Bereich der Einzugszone E mit in Förderrichtung F weisenden Nuten ausgebildet ist, die eine Erhöhung der Förderleistung durch Bildung förderwirksamet1 Feststoff keile im zugeführten Kunststoffmaterial bewirkt.in the area of the intake zone E is formed with grooves pointing in the conveying direction F, which increases the conveying capacity by forming conveying-effective 1 solid wedges in the fed plastic material.
Eine solchermaßen ausgebildete Extrusionseinrichtung hat üblicherweise einen Schneckendurchmesser D zwischen 25 und 200 mm bei einer Gesamtschneckenlänge über alle Zonen von etwa 20 bis 33 D.An extrusion device designed in this way usually has a screw diameter D between 25 and 200 mm with a total screw length over all zones of about 20 to 33 D.
Eine erfindungsgemäße Extrusionseinrichtung ist ausschnittsweise in der Figur 2 dargestellt.An extrusion device according to the invention is shown in detail in Figure 2.
Diese verfügt ebenso wie die in der Figur 1 dargestellte Extrusionseinrichtung gemäß Stand der Technik über eine Einzugszone E, die nahezu identisch in der vorangehend erläuterten Weise aufgebaut ist und sich von daher vom Stand der Technik nicht oder nur unwesentlich unterscheidet und hier nicht nochmals dargestellt oder erläutert zu werden braucht.Like the extrusion device shown in Figure 1, this device has a feed zone E according to the prior art, which is constructed almost identically to the manner explained above and therefore does not differ or differs only insignificantly from the prior art and does not need to be shown or explained again here.
Abweichungen gegenüber dem der Extrusionseinrichtung nach Stand der Technik gemäß Figur 1 ergeben sich innerhalb der Plastifizierzone P, die in der Figur 2 als Ausschnittsdarstellung der gesamten Extrusionseinrichtung dargestellt ist und sich unmittelbar an die Einzugszone E gemäß Figur 1 anschließt.Deviations from the extrusion device according to the state of the art according to Figure 1 arise within the plasticizing zone P, which is shown in Figure 2 as a detail of the entire extrusion device and directly adjoins the feed zone E according to Figure 1.
Wie aus der Figur 2 ersichtlich, umfaßt die Einzugszone E einen Scherabschnitt S des Schneckenzylinders 1 und der Schnecke 2, in welchem in Förderrichtung F in Richtung auf die Ausstoßöffnung 12 gesehen, die Schnecke 2 eine kontinuierlich ansteigende Gangtiefe G2 aufweist. Dies wird dadurch erreicht, daß die einzelnen, das Schneckenaußengewinde 20 bildenden Stege in Förderrichtung F betrachtet kontinuierlich an Durchmesser zunehmen und über den konstant zylindrisch verbleibenden Schneckenkern 21 in immer größer werdendem Maß vorstehen.As can be seen from Figure 2, the intake zone E comprises a shear section S of the screw cylinder 1 and the screw 2, in which the screw 2 has a continuously increasing flight depth G2 when viewed in the conveying direction F in the direction of the discharge opening 12. This is achieved in that the individual webs forming the external screw thread 20 continuously increase in diameter when viewed in the conveying direction F and protrude to an ever greater extent beyond the screw core 21, which remains constantly cylindrical.
In diesem Bereich des Scherabschnittes S, in welchem die Schnecke 2 eine ansteigende Gangtiefe G2 aufweist, ist der Schneckenzylinder 1 nicht mit einer glatten Innenwandung versehen, wie es beim Stand der Technik der Fall* ist, sondern weist ein in die Innenwandung 10 eingebrachtes Innengewinde 100 auf, dessen Gangtiefe G1 in Förderrichtung F betrachtet korrespondierend zur Erhöhung der Gangtiefe G2 der Schnecke 2 abnehmend ausgebildet ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die einzelnen, das Innengewinde definierenden Gewindestege 101 in Förderrichtung F betrachtet mit einer stetig abnehmenden Flankenhöhe, die die Gangtiefe G1 definiert, ausgebildet sind.
10In this area of the shear section S, in which the screw 2 has an increasing flight depth G2, the screw cylinder 1 is not provided with a smooth inner wall, as is the case in the prior art*, but has an internal thread 100 introduced into the inner wall 10, the flight depth G1 of which, viewed in the conveying direction F, is designed to decrease in accordance with the increase in the flight depth G2 of the screw 2. This is achieved in that the individual thread webs 101 defining the internal thread, viewed in the conveying direction F, are designed with a continuously decreasing flank height that defines the flight depth G1.
10
Die Gangtiefe G2 der Schnecke 2 wird im vorliegenden Beispiel von 10 bis 90 % der Gesamtgangtiefe G1+G2, d.h. der Summe aus den Einzelgangtiefen G1 und G2 variiert.In the present example, the flight depth G2 of screw 2 is varied from 10 to 90% of the total flight depth G1+G2, i.e. the sum of the individual flight depths G1 and G2.
Ferner ist als wesentliches Merkmal der beiden Gewinde, d.h. Schneckenaußengewinde 20 der Schnecke 2 und Innengewinde 100 des Schneckenzylinders 1 vorgesehen, daß beide Gewinde 20,. 100 gegenläufig ausgebildet sind, während also beispielsweise das Schneckengewinde 20 rechtsgängig ausgebildet ist, ist das Innengewinde 100 des Schneckenzylinders 1 linksgängig ausgebildet, wobei selbstverständlich auch die genau umgekehrte Variante möglich ist.Furthermore, an essential feature of the two threads, i.e. the external screw thread 20 of the screw 2 and the internal thread 100 of the screw cylinder 1, is that both threads 20, 100 are designed to run in opposite directions, so for example while the screw thread 20 is designed to be right-handed, the internal thread 100 of the screw cylinder 1 is designed to be left-handed, although the exact opposite variant is of course also possible.
Die Gesamtgangtiefe, d. h. die Summe der einzelnen Gangtiefen G1 +G2 kann konstant ausgeführt sein oder aber in Förderrichtung F vergrößert oder verkleinert werden.The total aisle depth, i.e. the sum of the individual aisle depths G1 + G2, can be constant or can be increased or reduced in the conveying direction F.
Durch diese konstruktiven Maßnahmen - Gegenläufigkeit der Gewinde sowie in Förderrichtung zunehmende Gangtiefe des Schneckenaußengewindes und in Förderrichtung korrespondierend abnehmender Gangtiefe des Innengewindes des Schneckenzylinders - wird im Bereich des Scherabschnittes S der Plastifizierzone P der Extrusionseinrichtung gemäß Figur 2 eine außerordentlich intensive Durchmischung und hohe Scherwirkung auf das über die Einzugszone E herangeführte Kunststoff material ausgeübt, die zu einerDue to these design measures - counter-rotation of the threads as well as increasing pitch depth of the external screw thread in the conveying direction and correspondingly decreasing pitch depth of the internal thread of the screw cylinder in the conveying direction - an extraordinarily intensive mixing and high shearing effect is exerted on the plastic material fed in via the feed zone E in the area of the shear section S of the plasticizing zone P of the extrusion device according to Figure 2, which leads to a
intensiven und raschen Aufschmelzung und Plastifizierung dieses Kunststoffmaterials führen, welches gleichzeitig auch intensiv durchgemischt und homogenisiert wird.intensive and rapid melting and plasticization of this plastic material, which is also intensively mixed and homogenized at the same time.
Die gewünschte hohe Durchsatzleistung wird gleichzeitig durch die der Plastifizierzone P vorgeschaltete Einzugszone E gewährleistet, die große Mengen an Rohmaterial unter Druckerhöhung herausfördert und in die Plastifizierzone hineinpreßt. Hierbei kann bereits eine Teilplastifizierung des Kunststoffes erfolgen.The desired high throughput is simultaneously ensured by the feed zone E, which is located upstream of the plasticizing zone P and which conveys large quantities of raw material under increased pressure and presses it into the plasticizing zone. Partial plasticization of the plastic can already take place here.
Dies hat zur Folge, daß die gesamte Plastifizierzone P je nach Anwendungsfall entweder ausschließlich aus einem Scherabschnitt S bestehen kann oder aber noch durch geringe weitere Schneckengänge innerhalb eines Zylinders mit glatter Innenwandung entweder vor oder nach dem Scherabschnitt S ergänzt werden können. Gegebenenfalls kann auf eine der Plastifizierzone P noch nachfolgende Ausstoßzone A gänzlich verzichtet werden und die Austrittsöffnung 12 kann unmittelbar an die Plastifizierzone P anschließen.This means that the entire plasticizing zone P can, depending on the application, either consist exclusively of a shearing section S or can be supplemented by a few additional screw flights within a cylinder with a smooth inner wall either before or after the shearing section S. If necessary, an ejection zone A following the plasticizing zone P can be dispensed with entirely and the outlet opening 12 can be connected directly to the plasticizing zone P.
Auf diese Weise wird eine außerordentlich kurz bauende Extrusionseinrichtung geschaffen, die aufgrund der hohen Scherwirkung in der Plastifizierzone P eine intensive Aufschmelzung des Kunststoffmaterials bewirkt, gleichzeitig aber durch die der Plastifizierzone P vorgeschaltete Einzugszone E eine außergewöhnlich hohe Durchsatzleistung aufweist.In this way, an extraordinarily short extrusion device is created which, due to the high shear effect in the plasticizing zone P, causes an intensive melting of the plastic material, but at the same time has an extraordinarily high throughput due to the feed zone E upstream of the plasticizing zone P.
Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung der Plastifizierzone P nachgeschaltet in Richtung auf die Austrittsöffnung 12 auch noch eine Ausstoßzone A vorgesehen sein, in welcher der Schneckenzylinder eine glatte Innenwandung aufweist und die Schnecke mit konstanter Gangtiefe mit und ohne Mischteil ausgebildet sein kann, um die Schmelze noch weiter zu homogenisieren.Of course, within the scope of the invention, an ejection zone A can also be provided downstream of the plasticizing zone P in the direction of the outlet opening 12, in which the screw cylinder has a smooth inner wall and the screw can be designed with a constant flight depth with and without a mixing part in order to homogenize the melt even further.
Diese Auswahl der einzelnen Zonen und deren Abmessungen richten sich ausschließlich nach dem verwendeten Rohstofftyp, sowie der gewünschtenThe selection of the individual zones and their dimensions are based exclusively on the type of raw material used and the desired
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Leistung der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung und können vom Fachmann jeweils individuell bestimmt werden.Performance of the extrusion device according to the invention and can be determined individually by the person skilled in the art.
Aufgrund der hohen Plastifizierleistung des vorangehend erläuterten Scherteiles der erfindungsgemäßen Extrusionseinrichtung läßt sich eine erhebliche Verkürzung der gesamterforderlichen Baulänge der Extrusionseinrichtung erreichen, da der Scherabschnitt eine Länge von lediglich etwa 2 bis 5 D benötigt und die Einzugszone eine Länge von etwa 6 bis 12 D aufweisen muß. Auch für den Fall, daß eventuell noch eine Ausstoßzone in einer Länge von bis zu 5 D nachgeschaltet werden muß, liegt die gesamtbenötigte Baulänge der solchermaßen ausgebildeten Extrusionseinrichtung deutlich niedriger als es bei konventionellen Extrusionseinrichtungen, wie sie beispielsweise in der Figur 1 dargestellt sind, der Fall ist.Due to the high plasticizing performance of the shearing part of the extrusion device according to the invention explained above, a considerable reduction in the total required length of the extrusion device can be achieved, since the shearing section only needs a length of about 2 to 5 D and the feed zone must have a length of about 6 to 12 D. Even in the event that an ejection zone with a length of up to 5 D has to be connected downstream, the total required length of the extrusion device designed in this way is significantly lower than is the case with conventional extrusion devices, such as those shown in Figure 1.
Die erfindungsgemäße Extrusionseinrichtung ist für die Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe verschiedenster Arten, insbesondere zur Verarbeitung von Polyolefinen, wie Polyethylen und Polypropylen sowie zur Verarbeitung von Polyamid sowie Polyester (PET, PBT) gleichermaßen geeignet.The extrusion device according to the invention is equally suitable for processing thermoplastics of various types, in particular for processing polyolefins such as polyethylene and polypropylene as well as for processing polyamide and polyester (PET, PBT).
Die verarbeiteten Kunststoffe können entweder in kompakter Form extrudiert werden oder es kann ihnen gegebenenfalls auch ein Treibmittel beigemengt werden, um ein Aufschäumen des thermoplastischen Kunststoffes nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung 12 zu bewirken.The processed plastics can either be extruded in a compact form or, if necessary, a blowing agent can be added to them in order to cause the thermoplastic to foam after it emerges from the outlet opening 12.
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