WO2008043329A2 - Vorrichtung zum extrudieren sowie das verfahren zur herstellung der temperierräume eines extruders und verfahren zur durchführung eines laserauftragsschweissens - Google Patents

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    • B29K2021/00—Use of unspecified rubbers as moulding material

Definitions

  • the invention relates to an apparatus for extruding, which has at least one screw rotatably arranged in a cylinder and in which the cylinder is provided with at least one cooling device through which a cooling fluid can flow.
  • the invention further relates to a method for producing an extruder which has at least one screw arranged rotatably in a casing and in which the casing is provided with at least one cooling device through which a cooling fluid can flow.
  • the invention includes a method of performing laser deposition welding (cladding) on the cylinder inner surface of the extruder.
  • extruders are used, for example, in the extrusion of rubber mixtures.
  • temperature control plays a major role in process control. Before the start of production, it is necessary that the extruder is brought to its optimum operating temperature. The operator of the extruder here is the shortest possible time required for the heating.
  • the extruder During production, heat is generated within the extruder as a result of the rotational movement of the screw due to pressure increase and shear of the material. This heat must be removed by means of suitable cooling devices. Typically, the extruder is divided into several tempering zones for this purpose. To ensure optimum quality of the extruded product, it proves to be advantageous to provide the individual zones with different definable temperatures.
  • a temperature control of the extruder according to the prior art is typically carried out such that the cylinder is provided with bores which extend in the axial direction along the extrusion direction.
  • the individual holes are connected to each other, so that a meandering channel formed.
  • the axial bores extend between the associated radial pin bores and are substantially parallel relative to one another.
  • Object of the present invention is to improve a device of the aforementioned type such that the manufacturing cost is reduced and the temperature control can be optimized.
  • a flow space of the cooling device is bounded on the one hand by the surface of the cylinder and on the other hand by a metal sheet and that the sheet is deformed vault-like manner that a plurality of buckles are present, each having a portion of the flow space for the Limit cooling fluid.
  • the metal jacket is pressure-tight welded to the cylinder at the outer diameter around the pin bores and at the cylinder ends. The hydraulic expansion of the sheet metal jacket creates pillow-shaped cavities which serve as flow spaces.
  • Another object of the present invention is to improve a method of the initially mentioned type such that a process implementation is supported at a reduced cost.
  • the metal jacket is connected at least a few places with the cylinder and that between the cylinder and the metal jacket a pressurized fluid is passed, which deformed the metal jacket on the non-cylinder associated areas such that a flow space is provided between the metal jacket and the cylinder.
  • This object is achieved in that the cylinder inner surface is finished by laser deposition welding to increase the wear resistance.
  • a high mechanical and thermal load capacity is provided by the fact that the metal jacket is made of metal. To support a low construction weight is proposed that the metal jacket has a defined.
  • the extruder is designed as a pin extruder.
  • the metal jacket in the vicinity of the pin bores is pressure-tightly connected to the cylinder.
  • the required tightness is produced by that the metal jacket is connected at the ends pressure-tight manner with the cylinder.
  • a high mechanical strength and a large tightness can be achieved in that the metal jacket is welded to the cylinder.
  • a uniform cooling effect along the surface extension of the shell is assisted by the fact that the pillow-shaped areas are connected by interconnections.
  • a further increase in the cooling effect by generating turbulent flows is achieved in that the flow cross sections differ along the surface of the sheet metal jacket.
  • the metal jacket is tubular.
  • a simple process implementation is supported by the fact that an incompressible, pressurized fluid, preferably water is used to deform the sheet metal jacket.
  • 1 is a schematic representation of a cylinder of an extruder with pillow-shaped deformed metal jacket
  • FIG. 4 shows a schematic cross-section of the pinyline according to FIG. 3.
  • Fig. 1 shows a schematic perspective view of a cylinder (1) of an extruder (2).
  • the cylinder (1) is provided on the outside with a metal jacket (3), which is formed as part of the temperature control chamber (4).
  • the metal jacket (3) is shaped cushion-shaped so that a plurality of temperature control chambers (5) are provided.
  • Fig. 2 shows a longitudinal section through the extruder (2). It can be seen that in an enclosed by the cylinder (1) interior (6) is arranged a rotatably mounted screw (7).
  • the cylinder (1) has a plurality of pin bores (8) which are provided for receiving unillustrated pins which protrude between screw flights of the screw (7) and are provided for generating a shearing action.
  • the tempering chambers for the cooling medium are located between the cylinder outer diameter and the inner surface of the sheet-metal jacket.
  • Fig. 3 illustrates in a further view the constructive realization of the pillow-shaped tempering chambers (5). It can be seen in particular that the partial areas of the flow space (11) delimited by in each case one of the cushions (5) are interconnected by transitions (12). This results in a network structure of parts of the flow space (11) and transitions (12). provided. In particular, the cross sections of the provided flow path often change along the flow direction of the cooling medium, so that a turbulent flow takes place, which significantly improves the tempering effect.
  • Fig. 4 illustrates, in combination with Fig. 3, that the network structure of the pad (5) extends both in the longitudinal direction of the cylinder (1) and in the radial direction. As a result, the previously described tempering is ensured.
  • connection and sealing of the sheet metal jacket with the cylinder in the region of the pin bores and at the ends of the cylinder is preferably carried out by welding.
  • the metal jacket (3) is deformed after connection to the cylinder (1) by a fluid under pressure.
  • the fluid is in this case pressed between the cylinder (1) and the metal jacket (3).
  • Inlets and outlets for the cooling medium are typically arranged such that a resultant flow is diagonal along an axis of the cylinder (1).
  • the inflow and outflow can for this purpose, for example, in the region of the two ends of the cylinder (1) are arranged, wherein in the radial direction there is an offset of 180 ° degrees.
  • the arrangement of the cushion (5) results in contrast to a use of axial bores no forced guidance formé ⁇ tedium. In the symmetrical arrangement of the cushion (5) and the transitions (12) over the circumference of the cylinder (1) evenly distributed flow is generated.

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Abstract

Ein mit einem Zylinder und einer Schnecke versehener Extruder wird durch außenseitige Anordnung eines expandierten Blechmantels (3) mit einer Kühleinrichtung versehen. Ein Strömungsraum der Kühleinrichtung wird einerseits von einer Oberfläche des Zylinders (1) und andererseits vom Blechmantel begrenzt. Der Blechmantel ist derart kissenförmig verformt, daß eine Vielzahl von Kissen (5) vorhanden sind, die jeweils einen Teil des Strömungsraumes für das Kühlmedium begrenzen. Nach einer Verbindung des Blechmantels mit dem Zylinder wird der Blechmantel durch ein unter Druck stehendes Fluid derart verformt, daß die vernetzten Strömungsräume bereitgestellt werden. Die kissenförmige Ausbildung des Temperierraumes und. dessen Durchströmung mit einem Kühlmedium an der äußeren Oberfläche des Zylinders unterstützt die thermische Prozessführung bei der Durchführung des Laserauf tragsscheißens.

Description

Vorrichtung zum Extrudieren sowie das Verfahren zur Herstellung der Temperierräume eines Extruders
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Extrudieren, die mindestens eine rotationsfähig in einem Zylinder angeordnete Schnecke aufweist und bei der der Zylinder mit mindestens einer von einem Kühlfluid durchströmbaren Kühleinrichtung versehen ist.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines Extruders, der mindestens eine rotationsfähig in einem Mantel angeordnete Schnecke aufweist und bei dem der Mantel mit mindestens einer von einem Kühlfluid durchströmbaren Kühleinrichtung versehen ist.
Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Durchführung eines Laserauftragsschweißens (Panzern / Cladding) an der Zylinder-Innenfläche des Extruders. Derartige Extruder werden beispielsweise bei der Extru- sion von Kautschukmischungen verwendet. Generell spielt bei der Durchführung von Extrusionsvorgängen die Temperierung eine große Rolle für die Prozeßführung. Vor Produktionsbeginn ist es erforderlich, daß der Extruder auf seine optimale Betriebstemperatur gebracht wird. Vom Betreiber des Extruders wird hierbei eine möglichst kurze Zeitspanne für den Aufheizvorgang gefordert.
Während der Produktion kommt es innerhalb des Extruders als Folge der Rotationsbewegung der Schnecke durch Druckerhöhung und Scherung des Materials zu einer Wärmeentwicklung. Diese Wärme muß mittels geeigneter Kühlvorrichtungen abgeführt werden. Typischerweise wird der Extruder hierzu in mehrere Temperierzonen unterteilt. Zur Gewährleistung einer optimalen Qualität des extru- dierten Produktes erweist es sich dabei als vorteilhaft, die einzelnen Zonen mit unterschiedlich definierbaren Temperaturen zu versehen.
Eine Temperierung des Extruders gemäß dem Stand der Technik wird typischerweise derart durchgeführt, daß der Zylinder mit Bohrungen versehen wird, die sich in axialer Richtung entlang der Extrusionsrichtung erstrecken. Die einzelnen Bohrungen werden miteinander verbunden, so daß ein mäanderförmig ausgebildeter Kanal entsteht. Bei Stiftextrudern verlaufen die Axialbohrungen zwischen den zugeordneten radialen Stiftbohrungen und relativ zueinander im wesentlichen parallel.
Aufgrund der relativ geringen Wandstärke des Zylinders und der erheblichen Länge der Axialbohrungen ist beim Einbringen der Bohrungen eine entsprechende Präzision erforderlich, die hohe Fertigungskosten zur Folge hat. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu verbessern, daß die Herstellungskosten vermindert und das Temperierverhalten optimiert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Strömungsraum der Kühleinrichtung einerseits von der Oberfläche des Zylinders und andererseits von einem Blech begrenzt ist und daß das Blech derart wölbungsartig verformt ist, daß eine Vielzahl von Wölbungen vorhanden sind, die jeweils einen Teil des Strömungsraumes für das Kühlfluid begrenzen. Insbesondere ist daran gedacht, die Wölbungen kissenförmig zu gestalten. Der Blechmantel wird mit dem Zylinder am Außendurchmesser um die Stiftbohrungen herum und an den Zylinderenden druckdicht verschweißt. Durch die hydraulische Expansion des Blechmantels entstehen kissenförmige Hohlräume, welche als Strömungsräume dienen.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart zu verbessern, daß eine Verfahrensdurchführung mit verminderten Kosten unterstützt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Blechmantel an mindestens einigen Stellen mit dem Zylinder verbunden wird und daß zwischen den Zylinder und den Blechmantel ein unter Druck stehendes Fluid geleitet wird, das der Blechmantel an den nicht mit dem Zylinder verbundenen Bereichen derart verformt, daß zwischen dem Blechmantel und dem Zylinder ein Strömungsraum bereitgestellt wird.
Ebenfalls ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Durchführung eines Laserauf- - A -
tragsschweißens derart anzugeben, daß unerwünschte Ma- terialverformungen während der Durchführung des Laserauftragsschweißens vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zylinder-Innenfläche durch ein Laserauftrags- Schweißen veredelt wird, um den Verschleißwiderstand zu erhöhen.
Durch die Ausbildung der Kühleinrichtung mit einem außenseitig am Zylinder des Extruders angeordneten Blechmantel, der in geeigneter Art und Weise kissenförmig verformt wird, wird eine äußerst effektive Temperierung der einzelnen Zonen ermöglicht. Die Substitution der Axialbohrungen durch die kissenförmig ausgeführten Kühlräume ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Zylinder-Wandstärke und damit des Zylindergewichts, die wiederum zur Leistungsreduzierung führt, sowie die Flexibilität und Regelgenauigkeit durch eine andere Strömungsart des Temperiersystems verbessert.
Eine hohe mechanische und thermische Belastbarkeit wird dadurch bereitgestellt, dass der Blechmantel aus Metall besteht. Zur Unterstützung eines geringen Baugewichtes wird vorgeschlagen, daß der Blechmantel eine definierte aufweist .
Eine bevorzugte Anwendung besteht darin, daß der Extruder als ein Stiftextruder ausgebildet ist.
Insbesondere erweist es sich als zweckmäßig, daß der Blechmantel in der Umgebung der Stiftbohrungen druckdicht mit dem Zylinder verbunden ist. Darüber hinaus wird die erforderliche Dichtigkeit dadurch hergestellt, daß der Blechmantel an den Enden druckdicht mit dem Zylinder verbunden ist.
Eine hohe mechanische Festigkeit und eine große Dichtigkeit können dadurch erreicht werden, daß der Blech- mantel mit dem Zylinder verschweißt ist.
Eine gleichmäßige Kühlwirkung entlang der Oberflächenausdehnung des Mantels wird dadurch unterstützt, daß die kissenförmigen Bereiche durch Überleitungen miteinander verbunden sind.
Eine weitere Steigerung der Kühlwirkung durch Erzeugung turbulenter Strömungen wird dadurch erreicht, daß die Strömungsquerschnitte entlang der Oberfläche des Blech- mantels differieren.
Zu einer wesentlichen Fertigungsvereinfachung trägt es bei, daß der Blechmantel rohrförmig ausgebildet ist.
Eine einfache Verfahrensdurchführung wird dadurch unterstützt, daß zur Verformung des Blechmantels ein in- kompressibles, druckbeaufschlagtes Fluid, vorzugsweise Wasser verwendet wird.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zylinders eines Extruders mit kissenförmig verformtem Blechmantel,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Extruder mit den am Umfang angeordneten Temperierräumen, Fig. 3 eine Längsansicht des Stiftzylinders gemäß Fig. 2,
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt des Stiftylin- ders gemäß Fig. 3.
Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Zylinders (1) eines Extruders (2) . Der Zylinder (1) ist außenseitig mit einem Blechmantel (3) versehen, der als Teil des Temperierraumes (4) ausgebildet ist. Der Blechmantel (3) ist kissenförmig derart verformt, daß eine Vielzahl von Temperierräumen (5) bereitgestellt sind.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Extruder (2) . Es ist zu erkennen, daß in einem vom Zylinder (1) eingeschlossenen Innenraum (6) eine rotationsfähig gelagerte Schnecke (7) angeordnet ist. Der Zylinder (1) weist eine Vielzahl von Stiftbohrungen (8) auf, die zur Aufnahme nicht dargestellter Stifte vorgesehen sind, die zwischen Schneckengänge der Schnecke (7) ragen und zur Erzeugung einer Scherwirkung vorgesehen sind.
Die Temperierräume für das Kühlmedium befinden sich zwischen dem Zylinder-Außendurchmesser und der Innenfläche des Blechmantels .
Fig. 3 veranschaulicht in einer weiteren Ansicht die konstruktive Realisierung der kissenfδrmigen Temperierräume (5) . Es ist insbesondere zu erkennen, daß die von jeweils einer der Kissen (5) begrenzten Teilbereiche des Strömungsraumes (11) durch Übergänge (12) miteinander verbunden sind. Es wird hierdurch eine Netzstruktur von Teilen des Strömungsraumes (11) und Übergänge (12) bereitgestellt. Insbesondere ändern sich entlang der Strömungsrichtung des Kühlmediums vielfach die Querschnitte des bereitgestellten Strömungsweges , so daß eine turbulente Strömung erfolgt, die die Temperierwirkung deutlich verbessert.
Fig. 4 veranschaulicht in Kombination mit Fig. 3, daß sich die Netzstruktur der Kissen (5) sowohl in Längsrichtung des Zylinders (1) als auch in radialer Richtung erstreckt. Hierdurch wird die bereits erläuterte Temperierwirkung sichergestellt.
Die Verbindung und Abdichtung des Blechmantels mit dem Zylinder im Bereich der Stiftbohrungen und an den Enden des Zylinders erfolgt vorzugsweise durch Verschweißen.
Zur Herstellung der Temperierräume (5) wird der Blechmantel (3) nach der Verbindung mit dem Zylinder (1) durch ein unter Druck stehendes Fluid verformt. Das Fluid wird hierbei zwischen den Zylinder (1) und den Blechmantel (3) gedrückt. Es erfolgt eine gleichmäßige Druckverteilung in diesem Zwischenbereich und alle nicht mit dem Zylinder (1) verbundenen Bereiche des Blechmantels (3) werden bleibend verformt. Es bilden sich hierdurch eine Vielzahl von kissenförmigen Hohlräumen (5) , so daß die Außenkontur des Blechmantels (3) nach einem Abschluß des Verformungsvorganges einer Steppdecke "ähnelt" .
Zuläufe und Abläufe für das Kühlmedium sind typischerweise derart angeordnet, daß eine resultierende Strömung längs einer Achse des Zylinders (1) diagonal verläuft. Der Zufluß und der Abfluß können hierzu beispielsweise im Bereich der beiden Enden des Zylinders (1) angeordnet werden, wobei in radialer Richtung ein Versatz um 180°Grad vorliegt.
Durch die Anordnung der Kissen (5) ergibt sich im Gegensatz zu einer Verwendung von Axialbohrungen keine Zwangsführung für das Kühlπtedium. Bei der symmetrischen Anordnung von Kissen (5) und den Übergängen (12) wird eine über den Umfang des Zylinders (1) gleichmäßig verteilte Strömung generiert.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zum Extrudieren, die mindestens eine rotationsfähig in einem Zylinder angeordnete Schnecke aufweist und bei der der Zylinder mit mindestens einer von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühleinrichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungsraum (11) der Kühleinrichtung (4) einerseits von einer Oberfläche (10) des Zylinders (1) und andererseits von einem Blechmantel (3) begrenzt ist und daß der Blechmantel (3) derart wölbungsartig verformt ist, daß eine Vielzahl von Wölbungen (5) vorhanden sind, die jeweils einen Teil des Strömungsraumes (11) für das Kühlmedium begrenzen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechmantel (3) aus Metall ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechmantel (3) eine definierte Stärke aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder (2) als ein Stiftextruder ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechmantel (3) in der Umgebung der Stiftbohrungen (8) druckdicht mit dem Zylinder (1) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß der Blechmantel (3) an den Enden druckdicht mit dem Zylinder (1) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (3) mit dem Mantel (1) verschweißt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kissenförmigen Bereiche (5) durch Überleitungen (12) miteinander verbunden sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquer- schnitte entlang der Oberfläche des Blechmantels (3) differieren.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechmantel (3) rohrförmig ausgebildet ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Extruders, der mindestens eine rotationsfähig in einem Zylinder angeordnete Schnecke aufweist und bei dem der Zylinder mit mindestens einer von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühleinrichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (1) außenseitig mindestens abschnittsweise mit einem Blechmantel (3) abgedeckt wird, daß der Blechmantel (3) an mindestens einigen Stellen mit dem Zylinder (1) verbunden wird und daß zwischen den Zylinder (1) und den Blechmantel (3) ein unter Druck stehendes Temperiermedium geleitet wird, das den Blechmantel an den nicht mit dem Zylinder (1) verbundenen Bereichen derart verformt, daß zwischen dem Blechmantel (3) und dem Zylinder (1) ein Strömungsraum
(11) bereitgestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verformung des Blechmantels ein in- kompressibles, druckbeaufschlagtes Fluid, vorzugsweise Wasser verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stiftextruder mit der Kühleinrichtung (4) versehen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, daß der Blechmantel (3) mit dem Zylinder (1) verschweißt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen um Stiftbohrungen (8) herum durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Ränder des Blechmantels (3) mit dem Zylinder (1) verschweißt werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsraum (11) durch die Verformung des Blechmantels (3) mit entlang der Oberfläche (10) des Zylinders (1) unterschiedlichen Querschnittflächen versehen wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verbindung des Blechmantels (3) mit dem Zylinder (l) eine vernetzte Struktur von Strömungsquerschnitten bereitgestellt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechmantel den Zylinder rohrförmig umschließt.
20. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Extruderzylindern, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Innenfläche durch ein Laserauftrags-Schweißen veredelt wird, um den Verschleißwiderstand zu erhöhen.
21. Verfahren zur Durchführung des Laserauftrags- Schweißens an der Zylinder-Innenfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die vernetzten Temperierräume und deren Durchströmung mit einem Kühlmedium an der äußeren Oberfläche des Zylinders die thermische Prozessführung während des Schweißvorgangs ermöglicht bzw. unterstützt.
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