DE202021104605U1

DE202021104605U1 - Vorrichtung für die biaxiale Kunststoff-Extrusion

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Publication number: DE202021104605U1
Application number: DE202021104605.8U
Authority: DE
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Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2031-07-21

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung eines mindestens einschichtigen extrudierten schlauchförmigen Vorformlings (V2-V10) aus thermoplastischem Kunststoff,mit einem Extrusionskopf (50) mit mindestens einem im Wesentlichen koaxial um eine Pinole (6) in einem entlang der Pinole (6) hin- und herbewegbaren Ringkolben (16) angeordneten ersten Verteilerring (52),der mindestens zwei nach unten offene Fließkanäle (58, 59) aufweist, die über jeweils eine Zuflussöffnung (56, 57) mit Materialschmelzen (M1, M2) gespeist werden, welche in den Fließkanälen (58, 59) ringförmig verteilt werden und nach unten in einem Abfließring (60) sowie in einen gemeinsamen Fließkanal (12) fließen und von dort in einen Ringspeicherraum (14) zwischen Pinole (6) und einem Speichermantel (8) gelangen,und mit einem sich an den Ringspeicherraum (14) anschließenden Ausgabe-Ringkanal (18) mit einem absperrbaren ringförmigen Düsenspalt (20), aus dem der Vorformling (V2-V10) ausgestoßen wird,wobei in dem ersten Verteilerring (52) für jede Materialschmelze (M1, M2) an vorbestimmten Umlenkpositionen (Z1, Z2, Z3) eine Umlenkeinheit (54) angeordnet ist,welche die aufeinander zuströmenden Materialschmelzen (M1, M2) in ihrer horizontalen Ausbreitung im jeweiligen Fließkanal (58, 59) hindern und die Materialschmelzen (M1, M2) nach unten umlenken und am unteren Ende (63) der Umlenkeinheit (54) zusammenführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines mindestens einschichtigen extrudierten schlauchförmigen Vorformlings aus thermoplastischem Kunststoff, vorzugsweise Polyethylen (PE).
Aus der WO 2005/097462 A1 ist eine Extrusionsanlage bekannt, deren Aufbau weiter unten im Zusammenhang mit 1 näher erläutert wird. Mit dieser Extrusionsanlage können Vorformlinge mit mehreren koaxial angeordneten Schichten aus unterschiedlichem Material hergestellt werden, wobei jede Schicht in Umfangsrichtung gesehen das gleiche Kunststoffmaterial aufweist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung eines schlauchförmigen Vorformlings anzugeben, welcher in Umfangsrichtung des Vorformlings gesehen unterschiedliche Kunststoffmaterialien aufweist.
Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung betreffend eine Vorrichtung enthält ein erster Verteilerring an vorbestimmten Umlenkpositionen jeweils eine Umlenkeinheit, die die aufeinander zuströmenden Materialschmelzen in ihrer horizontalen Ausbreitung im jeweiligen Fließkanal hindern und die Materialschmelzen nach unten umlenken und erst am unteren Ende der Umlenkeinheit wieder zusammenführt. Auf diese Weise werden unterschiedliche Materialschmelzen weitgehend getrennt voneinander bis in den Ringspeicherraum geführt. Mehrere Materialschmelzen werden aus diesem Ringspeicherraum als Vorformling ausgestoßen, der in Umfangsrichtung gesehen zwei oder mehrere Kunststoffmaterialien aufweisen kann, die sich beispielsweise in ihren Farben unterscheiden.
Im neuen Extrusionskopf können mehrere Verteilerringe von der Art des ersten Verteilerrings übereinander angeordnet sein. Jeder dieser ersten Verteilerringe kann unterschiedliche Materialschmelzen ausgeben, die im Vorformling eine hohle Zylinderschicht bilden. Diese Hohlzylinderschicht ist in ihrer Länge geteilt, so dass ein langgestrecktes Segment dieses Hohlzylinders ein erstes Kunststoffmaterial und ein anderes Segment ein anderes Kunststoffmaterial enthält.
Der technische Vorteil bei der biaxialen (oder wie weiter unten gezeigt auch der mehraxialen) Extrusion innerhalb einer Schicht liegt darin, dass die verwendeten Materialien der Materialschmelzen sowie die jeweiligen Schichtdicken innerhalb einer Schicht unterschiedlich sein können und miteinander kombiniert werden können. Im einfachsten Fall kann das eine Material anders eingefärbt sein als das andere, was sich im fertigen zweifarbigen Blasform-Produkt vorteilhaft auswirkt. So kann eine Unterseite bei diesem Produkt eine andere Farbe als seine Oberseite haben. Weiterhin kann ein Material innerhalb einer Schicht im Vorformling eine unterschiedliche Schichtdicke und damit im Blasform-Produkt andere mechanische Festigkeitseigenschaften haben. Auch im Hinblick auf Werkstoffeigenschaften können sich die Materialien einer biaxialen (oder mehraxialen) Schicht unterscheiden, z.B. im Hinblick auf Zähigkeit, mechanische Beanspruchbarkeit und elektrische Eigenschaften.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass mindestens ein weiterer Verteilerring koaxial zum ersten Verteilerring angeordnet ist, dem eine weitere Materialschmelze zugeführt ist, welche im zugehörigen Abfließring ringförmig rundum verteilt und dem gemeinsamen Fließkanal nach unten zugeführt werden, in welchem sie mit den Materialschmelzen aus dem ersten Verteilerring in koaxialer Nebeneinanderstellung aufgenommen sind. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Verteilerringen von der Art des ersten Verteilerrings wie auch von der Art des zweiten Verteilerrings im Extrusionskopf angeordnet werden und es kann eine Vielzahl von Variationen aneinanderstoßender Kunststoffmaterialien in einem Vorformling realisiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Verteilerring an mehr als zwei Umlenkpositionen Umlenkeinheiten enthält, die die aufeinanderzuströmenden Materialschmelzen nach unten umlenken. Auf diese Weise kann durch Extrudieren in mehreren Achsen ein Vorformling hergestellt werden, der innerhalb einer einzigen Schicht mehrere Kunststoffmaterialien aufweist.
Ein Beispiel zum Stand der Technik und Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden nachfolgend in den Figuren dargestellt und beschrieben. Darin zeigt:

1 einen teilweisen Querschnitt durch eine Extrusionsanlage nach dem Stand der Technik zum Herstellen eines koaxialen Vorformlings, 2 einen monoaxialen Vorformling,
3 einen einschichtigen biaxialen Vorformling im Querschnitt und in einer perspektivischen Darstellung,
4 einen zweischichtigen biaxialen Vorformling,
5 einen biaxialen Vorformling mit drei Schichten,
6 einen Extrusionskopf zum Herstellen biaxialer Vorformlinge,
7a einen Vorformling umfassend Kunststoff-Materialien M1 bis M6,
7b einen Vorformling mit unterschiedlichen Schichtdicken,
7c einen Vorformling mit zusätzlicher innerer monoaxialer Schicht,
8 einen Teil-Längsschnitt durch den Verteilerring,
9 eine Draufsicht mit mehreren Segmenten des Verteilerrings,
10 die Anordnung verschiedener Segmente im Verteilerring für einen Winkelbereich von 180°,
11 die Verteilung der Segmente des Verteilerrings für einen Winkelbereich von 90°,
12 einen Vertikalschnitt durch die Umlenkeinheit,
13 einen Längsschnitt durch die Umlenkeinheit,
14 einen weiteren Querschnitt durch die Umlenkeinheit von oben gesehen,
15 einen biaxialen Vorformling mit einem Winkelbereich für ein Material von 90°,
16 einen zweischichtigen biaxialen Vorformling, und
17 einen dreiachsigen, zweischichtigen Vorformling.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung einer in der WO 2005/097462 A1 beschriebenen Extrusionsanlage. Der Inhalt dieses Dokuments wird in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen. In der vorliegenden 1 ist ein Koextrusionskopf 10 in Anlehnung an die genannte WO 2005/097462 A1 teilweise im Längsschnitt dargestellt. Er umfasst einen Speichermantel 8, welcher einen Ringspeicherraum 14 umgibt, der die auszustoßenden Materialschmelzen aufnimmt. Der Speichermantel 8 ist mit einem nicht dargestellten Gehäuse verbunden. Eine Materialschmelze wird über eine Zuflussöffnung ZF1 einem Verteilerring 26 zugeführt, der zu einem Ringkolben 16 gehört. Dieser Ringkolben 16 ist in seiner Längsachse verschiebbar und gleitet entlang einer Pinole 6 und dem Speichermantel 8. Der Ringkolben 16 ist mit einer Hydraulikeinrichtung (nicht dargestellt) über Kolbenstangen K1, K2 verbunden. Ebenso ist die Pinole 6 an ihrem oberen Ende mit einer Hydraulikeinrichtung (nicht dargestellt) verbunden. Im Betrieb steht der Extrusionskopf 10 vertikal mit seiner Längsachse m auf einer ebenen Grundfläche und die Begriffe „oben, unten, horizontal, vertikal etc.“ sind im Hinblick auf die Funktion des Extrusionskopfes auch für die vorliegende Neuerung eindeutig und klar.
Die Materialschmelze wird horizontal entlang dem Verteilerring 26 gefördert und fließt gleichzeitig abwärts entlang einem ringförmigen Kegelstumpfkanal 40, der entlang einem Kegelstumpfmantel des Ringkolbens 16 ausgebildet ist. Die abwärts fließende Materialschmelze gelangt dann in einen Zylinderring 22 und von dort zu einer Mündungsstelle 30, wo eine zweite Materialschmelze einmündet. Diese zweite Materialschmelze ist über eine diametral zur Zuführöffnung ZF1 angeordnete zweite Zuführöffnung ZF2 zugeführt, wird von dort ebenfalls über einen zugehörigen umlaufenden Verteilerring 28 verteilt und gelangt in einen ringförmigen zweiten Kegelstumpfkanal 44. Von dort fließt die zweite Materialschmelze bis zur Mündungsstelle 30.
Das Fließen der beiden Materialschmelzen soll so erfolgen, dass die Grenzfläche als Zylindermantelfläche zwischen den beiden Materialschmelzen möglichst glatt verläuft und diese nicht durch Wirbel gestört ist. An die Mündungsstelle 30 schließt sich eine Beruhigungsstrecke an, die als gemeinsamer Zylinderring 34 ausgebildet ist. Diese Beruhigungsstrecke sorgt dafür, dass nach der Vereinigung der Materialschmelzen an der Mündungsstelle 30 sich ein gleichmäßiger Fluss der beiden Materialschmelzen ergibt, wodurch ein glatter Verlauf der Zylindermantel-Grenzfläche zwischen den beiden Materialschmelzen erzeugt wird. Die beiden Materialschmelzen fließen dann bis zu einer Erweiterungsstelle 32, wo die beiden Materialschmelzen in einen sich erweiternden gemeinsamen Fließkanal 12 einmünden. Dieser Fließkanal 12 hat im Querschnitt eine Trichterform mit Mantelflächen 36, 38 und ist im Ringkolben 16 ringförmig ausgebildet.
Zu Beginn des Füllvorganges befindet sich der Ringkolben 16 in seiner unteren Stellung, wie dies schematisch gestrichelt in Verbindung mit dem Bezugszeichen 15 angedeutet ist. Der trichterförmige gemeinsame Fließkanal 12 ist mit den beiden Materialschmelzen noch von dem vorherigen Produktionsvorgang zum Erzeugen eines schlauchartigen Vorformlings V1 gefüllt. Durch das Nachfließen der beiden Materialschmelzen wird der Ringkolben 16 nach oben bewegt. Aufgrund der Trichterform des gemeinsamen Fließkanals 12 und der weiteren Geometrie für die Materialschmelzenführung bleibt die sich zwischen den beiden Materialschmelzen ausbildende Grenzfläche weitgehend glatt und wird nicht verwirbelt.
Wenn der Ringkolben 16 seinen oberen Arbeitspunkt erreicht hat, so wird die Pinole 6 nach unten bewegt und öffnet mit ihrem Düsenpilz 6a einen ringförmigen Düsenspalt 20, so dass bei einer Abwärtsbewegung des Ringkolbens 16 ein schlauchförmiger Vorformling V1 mit der Grenzfläche zwischen den beiden Materialschmelzen ausgestoßen wird. Zur Aufrechterhaltung des glatten Verlaufs der Grenzfläche ist ein Ausgabe-Ringkanal 18 in seiner Geometrie zum Düsenspalt 20 sich verjüngend ausgebildet. Mit Abschluss des Ausstoßvorganges wird die Pinole 6 wieder nach oben bewegt und schließt den Düsenspalt 20, woraufhin ein neuer Auffüllvorgang für den Ringspeicherraum 14 beginnt.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht sowie einen Querschnitt durch den zweischichtigen Vorformling V1, dessen Material einer inneren ersten Schicht S1 sich vom Material der äußeren zweiten Schicht S2 unterscheidet. Die Schichtfolge im Vorformling V1 stimmt mit der überein, wie sie im Querschnitt für die Materialschmelzen im unteren gemeinsamen Zylinderring 34 vorliegt. In Extrusionsrichtung P1 gesehen ist das jeweilige Material in den Schichten S1, S2 in Form von Hohlzylindern oder Mantelschichten gleich. In Umfangsrichtung P2 besteht jede Schicht S1 oder S2 rundum aus dem gleichen Material. Definitionsgemäß liegt mit dem Vorformling V1 ein monoaxialer, mehrschichtiger, koaxialer Vorformling vor. Es ist wünschenswert, einen anderen Typ von Vorformling herzustellen, der in Extrusionsrichtung mindestens zwei verschiedene Materialien innerhalb einer Schicht S1, S2 aufweist. Dies wird nachfolgend als biaxiale Schicht und für das Verfahren als biaxiales Extrudieren bezeichnet.
3 zeigt oben einen in einer Extrusionsanlage erfindungsgemäß hergestellten einschichtigen biaxialen Vorformling V2 im Querschnitt und in einer perspektivischen Darstellung. Zur Herstellung dieses Vorformlings V2 erfolgt in einem Extrusionskopf eine Einspeisung E1 an einer zugehörigen Zuführöffnung mit einer Materialschmelze M1 und eine Einspeisung E2 mit einer von M1 verschiedenen Materialschmelze M2. In Umfangsrichtung P2 gesehen, setzt sich die Schicht S1 aus den Materialien M1 und M2 zusammen, die weitgehend gegeneinander scharf an Grenzflächen G1 abgegrenzt sind. Beispielsweise haben die Materialien M1 und M2 unterschiedliche Farben, wie dies in der 3 schraffiert angedeutet ist. Die Materialschmelzen M1 und M2 breiten sich nach der Einspeisung über E1 bzw. E2 wie mit Pfeilen angedeutet in Umfangsrichtung in entsprechenden Fließkanälen (siehe 6) aus. In Extrusionsrichtung gesehen setzt sich der Vorformling V2 aus zwei Holhzylinder-Segmenten zusammen und zwar eines mit Material M1 entlang einer ersten Längsachse P3 und ein weiteres Segment mit Material M2 entlang einer zweiten Längsachse P4, weshalb von biaxialem Extrudieren gesprochen wird. Aus Gründen der vereinfachten Beschreibung werden nachfolgend Materialschmelzen mit M1, M2, M3... sowie die beim Vorformling entsprechend vorhandenen Materialien gleichermaßen mit M1, M2, M3... bezeichnet.
4 zeigt einen zweischichtigen biaxialen Vorformling V3, der über vier Einspeisungen E1, E2, E3, E4 mit drei unterschiedlichen Materialschmelzen M1, M2 und M3 extrudiert ist. Die äußere Schicht S2 besteht in Umfangsrichtung P2 gesehen aus den unterschiedlichen Materialien M1, M2. Die innere Schicht S1 wird zwar aus zwei Einspeisungen E3 und E4 gespeist, besteht aber aus dem gleichen Material M3; diese Schicht S2 ist somit definitionsgemäß monoaxial.
5 zeigt einen weiteren Vorformling V4, der biaxial aufgebaut ist und drei Schichten S1, S2 und S3 umfasst. Er wird aus Einspeisungen E1 bis E6 mit Materialschmelzen M1 bis M5 gespeist. Die äußere Schicht S3 ist biaxial und enthält das aus den Einspeisungen E1 und E2 extrudierte Material M1 und M2. Die Schicht S2 ist monoaxial und besteht rundum ununterbrochen aus dem Material M3, das aus den beiden einander gegenüberliegenden Einspeisungen E3 und E4 extrudiert wird. Die innerste Schicht S1 ist wiederum biaxial und umfasst die verschiedenen Materialien M4 und M5 aus Einspeisungen E5 und E6.
6 zeigt schematisch einen Extrusionskopf 50 nach der Erfindung zum Herstellen eines mehrschichtigen biaxialen und monoaxialen Vorformlings. Merkmale, die mit Merkmalen nach 1 übereinstimmen sind gleich bezeichnet. Der Ringkolben 16 umfasst ein oberes Kegelteil 16a, einen oberen Ring 16b, einen mittleren Ring 16c und einen unteren Ring 16d. Das Kegelteil 16a enthält einen oberen biaxialen ersten Verteilerring 52, in welchem am Umfang an zwei einander gegenüberliegenden Umlenkpositionen Z1, Z2 (vgl. 8 und 9) jeweils eine Umlenkeinheit 54 angeordnet ist. Über einander gegenüberliegenden Zuführöffnungen 56 bzw. 57 wird beiderseits des ersten Verteilerrings 52 eine erste Materialschmelze M1 bzw. eine zweite Materialschmelze M2 zugeführt, die sich jeweils halbkreisförmig in zwei ringförmigen Fließkanälen 58, 59 verteilen und von diesen nach unten offenen Fließkanälen 58, 59 in einen Abfließring, der als ringförmiger Kegelstumpfkanal 60 ausgebildet ist, weiterfließen. Ein oberer Teil 54a der Umlenkeinheit 54 ist im Verteilerring 52 angeordnet und verhindert die horizontale Ausbreitung der jeweiligen Materialschmelze M1, M2 in Umfangsrichtung in den Fließkanälen 58, 59. Ein unterer Teil 54b der Umlenkeinheit 54 ragt in den Kegelstumpfkanal 60 (und gegebenenfalls von dort weiter) und verhindert auch dort das Zusammenfließen der von beiden Seiten aufeinander zu fließenden Materialschmelzen M1, M2. Der untere Teil 54b der Umlenkeinheit 54 mündet in einen Trennsteg 62, der zumindest innerhalb eines Abschnitts des Kegelstumpfkanals 60 und gegebenenfalls darüber hinaus das Zusammenführen der Schmelzen M1, M2 verhindert. Die Materialschmelzen M1 und M2 gelangen in einen oberen Zylinderring 64, wo sie an einer Mündungsstelle 66 mit weiteren Materialschmelzen zusammengeführt werden.
Die unteren Teile 54b der zwei Umlenkeinheiten 54 sind durch einen oberen ringförmigen Fließeinsatz 68 gehalten, der unterhalb des ersten Verteilerrings 52 angeordnet ist. Verteilerring 52 und Fließeinsatz 68 sind separate Bauteile.
Der Ringkolben 16 enthält zwischen seinem oberen Ring 16b und seinem mittleren Ring 16c zur Ausbildung einer monoaxialen Schicht einen weiteren Verteilerring 70. Ein solcher Verteilerring 70 wird auch monoaxialer Verteilerring genannt. Seine beiden Zuführöffnungen für eine weitere Materialschmelze M3 sind in der 6 nicht zu sehen. Sie befinden sich in Umfangsrichtung gesehen jeweils um einen vorbestimmten Winkel gegenüber den Zuführöffnungen 56, 57 versetzt. Die Materialschmelze M3 fließt in einem Kegelstumpfkanal 72 nach unten bis zu einer Mündungsstelle 66, wo sie in Kontakt mit den Materialschmelzen M1 und M2 der inneren Schicht des zu fertigenden biaxialen Vorformlings kommen. Von dort flie-ßen die Materialschichten M1 bis M3 im mittleren Zylinderring 73, dessen Ringdurchmesser größer ist als der des oberen Zylinderrings 64, nach unten bis zu einer unteren Mündungsstelle 74, wo eine dritte Schicht, eine äußere biaxiale Schicht einmündet. Für den weiteren Verteilerring 70 kann ein zweiter Fließeinsatz 76 vorhanden sein.
Weiterhin enthält der Ringkolben 16 einen unteren Verteilerring 80, der analog zum ersten Verteilerring 52 aufgebaut ist, mit Zuführöffnungen 82, 83 über die eine vierte Materialschmelze M4 bzw. eine fünfte Materialschmelze M5 zugeführt werden. Die Materialschmelzen M4, M5 gelangen in einen unteren Kegelstumpfkanal 81, der zwischen dem mittleren Ring 16c und dem unteren Ring 16d ausgebildet ist. Wie im Ausschnitt zu sehen ist, enthält auch der untere Verteilerring 80 an zwei vorgegebenen Umlenkpositionen Z1, Z2 (in 6 ist nur Z1 eingezeichnet), die mit den Umlenkpositionen für den ersten Verteilerring 52 übereinstimmen, jeweils eine Umlenkeinheit 84, einen oberen Teil 84a und einen unteren Teil 84b, der in einen Trennsteg 86 mündet. Die Lage der Trennstege 62 für die Verteilerringe 52 und 80 stimmt mit der Umlenkposition Z1 überein. Der untere Teil 84b ist durch einen unteren ringförmigen Fließeinsatz 88 gehalten.
Nach der Mündungsstelle 74 fließen drei einander benachbarte koaxiale Schichten S1, S2 und S3 nach unten in einen dritten gemeinsamen Zylinderring 90 mit entsprechend vergrößertem Ringdurchmesser und von dort in den gemeinsamen Fließkanal 12 und in den Ringspeicherraum 14 (vgl. 1), von wo ein mehrschichtiger biaxialer und monoaxialer Vorformling V5 ausgestoßen wird. In diesem untersten gemeinsamen Zylinderring 90 sind sämtliche Schichten koaxial angeordnet und haben die gleiche Fließgeschwindigkeit.
7a zeigt in einem Querschnitt den Aufbau des Vorformlings V5 mit den Schichten S1, S2, S3, die der Anordnung im Querschnitt im gemeinsamen Zylinderring 90 mit den Materialschmelzen M1 bis M5 entsprechen. Die innere Schicht S1 enthält in Umfangsrichtung gesehen das Material M1 und das Material M2. Die mittlere Schicht S2 enthält rundum das Material M3. Die äußere Schicht S3 enthält die Materialien M4 und M5. Der Schichtaufbau im Querschnitt des Vorformlings V5 stimmt mit dem Schichtaufbau im Querschnitt des gemeinsamen dritten Ringkanals 90 überein, in welchem die Materialschmelzen M1 bis M5 koaxial unter Beibehaltung ihrer Grenzflächen G1 und G2 fließen.
Das Ausführungsbeispiel des Extrusionskopfes 50 nach 6 kann konstruktiv abgeändert werden. Das Kegelteil 16a legt als Kegel zweckmäßigerweise auch die Form für die Abfließkanäle fest, die in 6 als Kegelstumpfkanäle 60, 72 und 81 ausgebildet sind. Diese Kegelstumpf-Form ist vorteilhaft für den konstruktiven Aufbau und für das Fließverhalten der Materialschmelzen. Diese Abfließkanäle 60, 72, 81 können auch andere Formen haben, z.B. können sie einen weitgehend horizontalen Verlauf oder einen an eine Kugelform angenäherte Form haben.
Eine andere Variante des Ausführungsbeispiels nach 6 sieht vor, die Materialschmelze M3 für die monoaxiale Schicht S2 nur an einer Stelle des Verteilerrings 70 einzuspeisen, wie dies in 1 dargestellt und in der genannten WO 2005/097462 A1 beschrieben ist.
Eine weitere Variante sieht vor, den mittleren Verteilerring 70 als biaxialen Verteilerring analog zum ersten Verteilerring 52 mit entsprechendem Abfließkanal auszubilden. Sinngemäß kann dann die mittlere Schicht S2 zwei Materialschichten in Umfangsrichtung aufweisen.
Das Ausführungsbeispiel nach 6 kann mit weiteren Verteilerringen erweitert werden, die als biaxiale Verteilerringe analog zum ersten Verteilerring 72 und/oder als monoaxiale Verteilerringe analog zum weiteren Verteilerring 70 aufgebaut sind. Durch Kombination verschiedener biaxialer Verteilerringe und monoaxialer Verteilerringe können unterschiedliche Typen von Vorformlingen hergestellt werden, wie nachfolgend noch beschrieben wird.
7b zeigt ein Beispiel für einen Schichtaufbau eines komplexen Vorformlings V6, der im Querschnitt gesehen halbkreisförmige Teilschichten H1 bis H5 aufweist. Jede Teilschicht H1 bis H5 kann unterschiedliches Material M1 bis M5 aufweisen, welches in geschmolzener Form über Einspeisungen E1 bis E5 eingespeist wird. An den Umlenkpositionen Z1, Z2 angeordnete Umlenkeinheiten 54 mit zugehörigen Trennstegen 62 wird ein Vermischen der Materialschmelzen M1 bis M5 verhindert. Wie in 7b zu sehen ist, ist die Dicke der Schicht H1 größer als die Dicke der einzelnen Schicht H4 oder H3. Solche unterschiedlichen Schichtdicken für einzelne biaxiale Schichten sind möglich, solange die Gesamtdicke der Schichten der Materialschmelzen in radialer Richtung im gemeinsamen untersten Zylinderring 90 konstant ist. Zur Herstellung des Vorformlings V6 sind fünf biaxiale Verteilerringe erforderlich.
7c zeigt einen Vorformling V7, ähnlich wie V6, jedoch zusätzlich mit einer inneren umlaufenden monoaxialen Schicht S0 mit Material M0. Diese Schicht S0 kann konventionell hergestellt sein, z.B. wie es in der erwähnten WO 2005/097462 A1 beschrieben ist. Sie kann auch mit Hilfe eines biaxialen Verteilerrings hergestellt werden, indem das gleiche Material an seinen beiden Einspeisungen eingespeist wird, wobei sich beide im Querschnitt halbkreisförmigen Materialschmelzen im Fließverlauf nach unten wieder vereinigen.
8 zeigt in einem Teil-Längsschnitt entlang der Zuführöffnungen 56-57 in 6 Einzelheiten des durch Pfeile angedeuteten Verlaufs der zugeführten Materialschmelzen M1 und M2 im biaxialen ersten Verteilerring 52 mit den Fließkanälen 58, 59. Die aufeinander zuströmenden Materialschmelzen M1 und M2 werden durch die Umlenkeinheit 54 in ihrer horizontalen Ausbreitung gehindert und die Materialschmelzen M1, M2 entsprechend den eingezeichneten Pfeilen nach unten und entlang dem Trennsteg 62 geführt, der mindestens in den ersten Kegelstumpfkanal 60 hineinragt. Die Lage des Trennstegs 62 definiert in Umfangsrichtung die Umlenkposition Z1 (bzw. Z2 auf der gegenüberliegenden Seite). Die Fließkanäle 58, 59 sind mit einer vorbestimmten Spaltbreite nach unten offen, so dass die Materialschmelzen M1, M2 in ihrem jeweiligen Halbkreissegment nach unten in den Kegelstumpfkanal 60 fließen. Ein unteres Teil der Umlenkeinheit 54 ist auf dem ringförmigen separaten Fließeinsatz 68 angeordnet.
9 zeigt eine Draufsicht auf den ersten Verteilerring 52. An den Umlenkpositionen Z1, Z2 sind die Umlenkeinheiten 54 angeordnet, die den horizontalen Weiterfluss der Materialschmelzen M1 bzw. M2 verhindern. Vorteilhaft ist es, wenn der Verteilerring in Sektoren 52a, 52b, 52c, 52d aufgeteilt ist. Die Sektoren 52a und 52c enthalten dann die Zuführöffnungen 56, 57 für die Materialschmelzen M1 bzw. M2; die Sektoren 52b und 52d enthalten jeweils eine Umlenkeinheit 54.
Die 10 und 11 zeigen eine vorteilhafte Variante, gemäß der der Verteilerring 52 in vier Segmente 52a, 52b, 52c, 52d aufgeteilt ist, die an Trennungsflächen Ta, Ta; Tb, Tb; Tc, Tc; Td, Td voneinander separierbar sind. In gleicher Weise ist auch der zugehörige ringförmige Fließeinsatz 68 in vier Segmente aufgeteilt (nicht dargestellt). Die Segmente 52b und 52d enthalten jeweils einen Teil der Umlenkeinrichtung 54; ebenso das zugehörige Segment des Fließeinsatzes 68. Die Materialschmelzen M1, M2 bzw. die entsprechenden Materialien M1, M2 im Vorformling umfassen jeweils einen Halbkreis. Gemäß 11 werden die verschiedenen Segmente anders zusammengestellt. Das Segment 52b mit seiner einen Trennfläche Tb ist der Einspeisung E2 zugeordnet, ebenfalls das Segment 52d mit seiner Trennfläche Td. Das Segment 52a liegt mit seiner einen Trennfläche Ta in Höhe der Einspeisung E1, ebenso das Segment 52c mit Tc. Wie zu erkennen ist, schließen die Umlenkeinrichtungen 54 der Segmente 52b und 52d und die zugehörigen Umlenkpositionen Z1 und Z2 nunmehr einen Winkelbereich von 90° für das Material M2 und für das Material M1 von 270° ein. Durch die vorgenommene Segmentierung ist es also möglich, Winkelbereiche für Materialien beim biaxialen Extrudieren zu variieren, ohne dass ein umfangreicher Eingriff in den Maschinenaufbau erforderlich ist. Nach dem beschriebenen Prinzip kann eine Unterteilung in mehr als vier Segmente (z.B. acht Segmente) vorteilhaft sein, um die Winkelbereiche für zwei Umlenkpositionen Z1, Z2 oder für mehr als zwei Umlenkpositionen zu variieren.
12 zeigt schematisch einen Vertikalschnitt durch die Umlenkeinheit 54 und den biaxialen Verteilerkanal 52. Der obere Teil 54a ist in der Umlenkeinheit 54 ausgebildet und weist auf jeder Seite der anströmenden Materialschmelzen M1, M2 eine nach innen konkav gewölbte Fläche 55 auf (in 12 ist die mittlere Bogenlinie eingezeichnet), die in Richtung des Kegelstumpfkanals 60 spitz zu dem Trennungssteg 62 zuläuft, an dessen Ende 63 die beiden Materialschmelzen M1, M2 aneinander stoßen und nach unten weitgehend getrennt voneinander weiterfließen. Der untere Teil 54b der Umlenkeinheit 54 ist auf dem ringförmigen Fließeinsatz 68 angebracht und seine Seitenwände 53, die ebenfalls konkav nach innen gewölbt sind, schließen an die Umlenkflächen 55 glatt an. Auf diese Weise ist eine weitgehend wirbelfreie Umlenkung der Schmelzen M1, M2 an den Umlenkpositionen Z1, Z2 gewährleistet. Die Länge des schmalen Trennstegs 62 ist so gewählt, dass eine hinreichend scharfe Trennung beim Weiterfließen der Schmelzen M1, M2 nach dem Ende 63 gewährleistet ist. Sie kann bis zur Höhe der jeweiligen Mündungsstelle 66 oder 74 (siehe 6) geführt sein. Je weiter dieser Trennsteg 62 mit seinem Ende 63 nach unten zu den jeweiligen Mündungsstellen 66, 74 und gegebenenfalls darüber hinaus geführt ist, umso schärfer fällt die Trennung aus. Vorzugsweise ragt das Ende 63 des Trennstegs 62 bis in den untersten gemeisnamen Zylinderring (in 6 der Zylinderring 90), wo sämtliche Materialschmelzen koaxial angeordnet sind, bevor sie in den gemeinsamen trichterförmigen Fließkanal 12 weiterfließen. Hierbei verjüngt sich der Trennsteg 62 von z.B. 8 mm auf 2 mm.
Die Ausbildung der Umlenkflächen 55 und der Seitenwände 53 haben die Form des oberen Abschnitts eines Herzens, wie dies in 12 unten mit ausgezogenen Linien skizziert ist. Insoweit ist die Wölbung der Ablenkeinheit 54 in ihrem oberen Teil 54a und ihrem unteren Teil 54b (ohne Trennsteg 62) herzförmig ausgebildet.
13 zeigt einen Längsschnitt durch die Umlenkeinheit 54 mit oberem Teil 54a, unterem Teil 54b und dem Steg 62, der in den ersten Kegelstumpfkanal 68 ragt. Der obere Teil 54a ist im ersten Verteilerring 52 zwischen den beiden Fließkanälen 58, 59 ausgebildet. Diese Fließkanäle 58, 59 sind nach unten offen und haben eine Spaltbreite 51, die sich zwischen einer Unterkante 61 und dem oberen Ringteil 16b ergibt. Das untere Teil 54b ist auf dem Fließeinsatz 68 angebracht und schließt nach oben an das obere Teil 54a und nach unten an den Trennsteg 62 an, der im Kegelstumpfkanal 60 verläuft.
14 zeigt einen Querschnitt durch die Umlenkeinheit 54 von oben gesehen. Die Materialschmelzen M1 und M2 werden durch die Umlenkeinheit 54 nach unten in den ersten Kegelstumpfkanal 60 umgeleitet.
Die 12 bis 14 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Umlenkeinheit 54. Sie hat den technischen Vorteil, dass die anströmenden Materialschmelzen M1, M2 strömungsgünstig umgelenkt werden und eine störende Ablagerung von Kunststoffmaterial im Randbereich der Umlenkeinrichtung 54 vermieden wird. Es sind noch einfachere Formen der Umlenkeinrichtung 54 möglich. Bei einer sehr einfachen Ausführungsform ist der Trennsteg 62 nach oben bis zur gestrichelt eingezeichneten Hilfslinie L1 verlängert und die anströmenden Materialschmelzen M1, M2 werden direkt von den seitlichen Flächen, die gegebenenfalls angeschrägt oder einen konkav gekrümmten Verlauf haben, gestoppt und umgelenkt. Eine andere einfache Ausführungsform sieht vor, dass die Flächen 55 schräge, plane Flächen oder konkav gewölbte Flächen sind, welche die Schmelzen M1, M2 zum Trennsteg 62 umlenken. Gemäß den beiden vorgenannten einfachen Ausführungsformen kann der separate Fließeinsatz 68 entfallen. Die Umlenkeinheit 54 ist dann nur auf dem Verteilerring 52 und den Ringen 16a bis 16d angeordnet.
Die 15 bis 17 zeigen weitere Ausgestaltungen von Vorformlingen, die biaxiale, monoaxiale und mehraxiale Schichten umfassen. 15 zeigt einen einschichtigen Vorformling V8 mit symmetrischer Verteilung der unterschiedlichen Materialien M1, M2. Durch entsprechende Festlegung der Umlenkpositionen Z1 und Z2 und deren Anordnung von Umlenkeinheiten 54 im biaxialen Verteilerring 52, 80 kann der Winkelbereich für das Material M2 verändert werden, beispielsweise kleiner oder größer 180° sein.
16 zeigt einen zweischichtigen Vorformling V9, dessen äußere Schicht S2 in Umfangsrichtung gesehen zwei unterschiedliche Materialien M1, M2 in unterschiedlichen Hohlzylinder-Segmenten enthält. Die innere Schicht S1 ist monoaxial ausgebildet, der über zwei Einspeisungen E3 und E4 Extrusionsmaterial M3 zugeführt wird.
Eine Hauptanwendung für das Extrudieren nach der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung mindestens einer biaxialen Schicht in einem Vorformling. Es ist auch möglich, ein Extrudieren längs mehr als zwei Achsen nach dem beschriebenen Prinzip zu realisieren.
17 zeigt hierzu ein Beispiel mit drei Achsen anhand eines Querschnitts durch den Vorformling V10 bzw. seiner Entsprechung der koaxialen Anordnung von Materialschmelzen im Querschnitt im untersten Zylinderring (Zylinderring 90 in 6). Die innere Schicht S1 ist eine monoaxiale Schicht mit dem Material M0 und wird aus einem Extruder als Einspeisung E0 gespeist. Die äußere Schicht S2 ist eine dreiachsige Schicht mit dem unterschiedlichen Material M1, M2 und M3, gespeist aus Einspeisungen E1, E2 und E3. Es ergeben sich die Grenzflächen G1, G2, G3 an entsprechenden Umlenkpositionen Z1, Z2 und Z3 im Extrusionskopf. An diesen Umlenkpositionen Z1, Z2 und Z3 sind im zugehörigen mehraxialen Verteilerring Umlenkeinheiten angeordnet, welche die aufeinander zufließenden Materialschmelzen getrennt voneinander nach unten weiterleiten. Nach diesem Prinzip sind also mehrachsige Vorformlinge in einem einzigen Extrusionskopf herstellbar.
Das Beispiel nach 17 ist mit den weiteren beschriebenen Beispielen für Vorformlinge kombinierbar. In einem oder mehreren biaxialen Verteilerringen können drei oder mehr Umlenkeinrichtungen an entsprechenden Umlenkpositionen vorhanden sein, so dass die von dem jeweiligen Verteilungsring erzeugte Schicht mehr als zwei unterschiedliche Materialschmelzen aufweist.
Zahlreiche Variationen der gezeigten Ausführungsbeispiele sind möglich. In 6 sind zwei biaxiale Verteilerringe und ein monoaxialer Verteilerring gezeigt. Es können auch weitere Verteilerringe hinzugefügt sein, z.B. auch für drei- oder mehraxiales Extrudieren, wie in 17 gezeigt. Es können auch Verteilerringe eingebaut werden, die Materialschmelzen unterschiedlicher Dicke in einer Schicht verwenden, wie dies in 7b dargestellt ist. Weiterhin kann der Extrusionskopf Verteilerringe enthalten, mit deren Hilfe in einer Schicht des Vorformlings von 180° abweichende Winkelbereiche für unterschiedliche Materialien vorhanden sind, wie dies in den 15 und 16 gezeigt ist.
Bezugszeichenliste

K1, K2: Kolbenstangen
ZF1, ZF2: Zuführöffnung
6: Pinole
8: Speichermantel
10: Koextrusionskopf
12: gemeinsamer Fließkanal
14: Ringspeicherraum
15: untere Stellung des Ringkolbens
16: Ringkolben
16a: Kegelteil
16b: oberer Ring
16c: mittlerer Ring
16d: unterer Ring
18: Ausgabe-Ringkanal
20: Düsenspalt
22: Zylinderring
26, 28: Verteilerring
Z1- Z3: Umlenkpositionen
30: Mündungsstelle
32: Erweiterungsstelle
34: gemeinsamer Zylinderring
50: biaxialer Extrusionskopf
51: Spaltbreite
52: erster Verteilerring; biaxialer Verteilerring
53: Seitenwände
54: Umlenkeinheit
54a: oberer Teil
54b: unterer Teil
55: Fläche
56, 57: Zuführöffnungen
58, 59: Fließkanäle
60: oberer Kegelstumpfkanal
61: Unterkante
62: Trennsteg
63: Ende des Trennstegs
64: oberer Zylinderring
66: erste Mündungsstelle
68: oberer ringförmiger Fließeinsatz
70: weiterer Verteilerring
72: mittlerer Kegelstumpfkanal
73: mittlerer Zylinderring
74: untere Mündungsstelle
76: zweiter Fließeinsatz
80: unterer Verteilerring
81: dritter Kegelstumpfkanal
82, 83: Zuführöffnungen
84: dritte Umlenkeinheit
84a: oberer Teil
84b: unterer Teil
86: dritter Trennsteg
88: unterer Fließeinsatz
90: unterer gemeinsamer Zylinderring
M1-M6: Materialschmelzen; Material
S1, S2, S3: Schichten
P1-P4: Richtungspfeile
V1-V10: Vorformling
L1: Hilfslinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/097462 A1 [0002, 0011, 0027, 0031]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines mindestens einschichtigen extrudierten schlauchförmigen Vorformlings (V2-V10) aus thermoplastischem Kunststoff, mit einem Extrusionskopf (50) mit mindestens einem im Wesentlichen koaxial um eine Pinole (6) in einem entlang der Pinole (6) hin- und herbewegbaren Ringkolben (16) angeordneten ersten Verteilerring (52), der mindestens zwei nach unten offene Fließkanäle (58, 59) aufweist, die über jeweils eine Zuflussöffnung (56, 57) mit Materialschmelzen (M1, M2) gespeist werden, welche in den Fließkanälen (58, 59) ringförmig verteilt werden und nach unten in einem Abfließring (60) sowie in einen gemeinsamen Fließkanal (12) fließen und von dort in einen Ringspeicherraum (14) zwischen Pinole (6) und einem Speichermantel (8) gelangen, und mit einem sich an den Ringspeicherraum (14) anschließenden Ausgabe-Ringkanal (18) mit einem absperrbaren ringförmigen Düsenspalt (20), aus dem der Vorformling (V2-V10) ausgestoßen wird, wobei in dem ersten Verteilerring (52) für jede Materialschmelze (M1, M2) an vorbestimmten Umlenkpositionen (Z1, Z2, Z3) eine Umlenkeinheit (54) angeordnet ist, welche die aufeinander zuströmenden Materialschmelzen (M1, M2) in ihrer horizontalen Ausbreitung im jeweiligen Fließkanal (58, 59) hindern und die Materialschmelzen (M1, M2) nach unten umlenken und am unteren Ende (63) der Umlenkeinheit (54) zusammenführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (54) einen Trennsteg (62) aufweist, der mit seinem Ende (63) nach unten mindestens bis zu einer Mündungsstelle (66, 72) für weitere Materialschmelzen (M3-M6) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennsteg (62) nach unten mit seinem Ende (63) mindestens bis in die Nähe des gemeinsamen Fließkanals (12) geführt ist oder bis in ihn hinein ragt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennsteg (62) sich nach unten in seiner Breite verjüngt, vorzugsweise von 8 mm auf bis zu 2 mm.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (54) ein oberes Teil (54a) aufweist, das auf jeder Seite der anströmenden Materialschmelzen (M1, M2) eine nach innen konkav gewölbte Fläche (55, 53) aufweist, die in Richtung Abfließring (60) spitz zu dem Trennsteg (62) zuläuft, an dessen Ende (63) die beiden Materialschmelzen aneinander stoßen und nach unten weiterfließen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des ersten Verteilerrings (52) ein ringförmiger Fließeinsatz (68) angeordnet ist, der ein unteres Teil (54b) der Umlenkeinheit (54) trägt, wobei der untere Teil (54b) zwei Seitenwände (53) aufweist, die mit den konkav gewölbten Flächen (55, 53) des oberen Teils (54a) fluchten und nach unten in Richtung des Abfließrings (60) spitz zum Trennsteg (62) zulaufen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abfließring als Kegelstumpfkanal (60) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass flußabwärts vor dem gemeinsamen Fließkanal (12) ein gemeinsamer Zylinderring (90) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verteilerring (52) in mehrere Sektoren (52a, 52b, 52c, 52d) aufgeteilt ist, wobei für jede Materialschmelze (M1, M2) ein Sektor (52b, 52d) vorhanden ist, der die Umlenkeinheit (54) aufweist, wobei die Sektoren im Umfang des Verteilerrings (52) unterschiedlich anordbar sind, um den Winkelbereich für die Umlenkpositionen (Z1, Z2) zu variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fließeinsatz (68) in Sektoren entsprechend den Sektoren des ersten Verteilerrings (52) aufgeteilt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Verteilerring (70, 80) koaxial zum ersten Verteilerring (52) angeordnet ist, dem eine weitere Materialschmelze (M3) zugeführt ist, welche im zugehörigen Abfließring (60) ringförmig rundum verteilt und dem gemeinsamen Fließkanal (12) nach unten zugeführt werden, in welchem sie mit den Materialschmelzen (M1, M2) aus dem ersten Verteilerring (52) in koaxialer Nebeneinanderstellung aufgenommen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkpositionen (Z1, Z2) einen Winkelabstand im Verteilerring (52) von 180° haben.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verteilerring (52) an mehr als zwei Umlenkpositionen (Z1, Z2, Z3) Umlenkeinheiten (54) enthält, die die aufeinander zuströmenden Materialschmelzen (M1, M2, M3) nach unten lenken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschmelzen (M1, M2) sich in ihren mechanischen und/oder elektrischen Eigenschaften unterscheiden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschmelzen (M1, M2) sich in ihren Farbeigenschaften unterscheiden.