DD272967A3 - Scherelement einer plastizierschnecke zur plastizierung und homogenisierung polymerer materialien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Scherelement einer Plastizierschnecke zur Plastizierung und Homogenisierung polymerer Materialien in Extrudern oder Plastiziereinheiten von Spritzgiessmaschinen. Das Scherelement wird von zwei paarweise gegenueberliegenden Einlaufkammern und zwei paarweise gegenueberliegenden Auslaufkammern gebildet, wobei die Kammerquerschnitte konkavkonvex sind, d. h. die Form einer Sichel haben. Die Auslaufkammerquerschnitte weisen eine geringere Flaeche als die Einlaufkammerquerschnitte auf. Das Scherelement ist auf derselben Maschine nach der Technologie des Wirbelfraesens herstellbar wie die anderen Plastizierschneckenabschnitte. Fig. 2

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Scherelement einer Plastizierschnecke zur Plastizierung und Homogenisierung polymerer Materialien in Extrudern oder Piastiziereinheiten von Spritzgießmaschinen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die bekannten Scherelemente von Piastizierschnecken zur Verarbeitung polymerer Materialien weisen eine große Vielfalt konstruktiver Merkmale auf. Diese ist begründet durch die jeweils mit diesen Scherelementen zu realisierenden technologischen Aufgaben.

In der US PS 3.486.192 ist ein Scherelement einer Plastizierschnecke beschrieben, bei der in Schneckenlängsachse wechselseitig Ein- und Auslaufrinnen mit geschlossenen Enden angeordnet sind, welche jeweils durch Barrieren getrennt sind. Das polymere Material erfährt in den Rinne.) eine intensive Rollbewegung, wird von der Einlaufrinne über die Barriere in die benachbarte Auslaufrinne gepreßt und anschließend wieder einem herkömmlichen Schneckenabschnitt zugeführt. Die Barrieren üben eine Sperrwirkung für noch nicht aufgeschmolzene Materialanteile in den Einlaufrinnen aus und führen diese durch hohe Schergeschwindigkeiten weitestgehend in Rohschmelze über. Die Rinnen besitzen vorzugsweise einen halbkreisförmigen, dreieckigen oder rechteckigen Querschnitt. Dabei bildet im Querschnitt jede Rinne mit der Plastizierzylinderinnenoberfläche eine bikonvexe Paarung. Ein entscheidender Nachteil dieser Lösung und aller weiteren bekannten Scherelemente ähnlicher Bauweise besteht darin, daß ihre Herstellung mit außerordentlich hohem Fertigungsaufwand verbunden ist. Insbesondere muß mehrfach die Zerspanungsmaschine gewechselt werden und zum anderen sind die notwendigen Oberflächengüten der Scherelemente nur durch aufwendige und körperlich schwere manuelle Poliertechniken erreichbar. Eine durchgängige Fertigung z. B. nach der Technologie des Wirbelfräsens wie bei den anderen Abschnitten der Piastizierschnecken ist nicht realisierbar. Weitere Nachteile dieser Scherelemente sind verfahrenstechnischer Natur und zeigen sich besonders in Piastiziersystemen mit hohen Durchsatzmengen pro Schneckenumdrehung und/oder bei der Ve 'arbeitung höherviskoser Polymerer mit enger Molekulargewichtsverteilung wie z. B. HDPE, PP-Copolymere, LI.DPE u.a. sowie bei PolymerrezepMren auf Vinylchloridbasis mit hohen Shore-Härten. Obwohl gerade diese Piastiziersysteme und/oder polymeren Materialien die größten Inhomogenitäten während des Verarbeitungsprozesses erbringen, ist das beschriebene Scherelement hierfür nur sehr begrenzt oder überhaupt nicht einsetzbar. Um die Sperrwirkung der Barrieren und hohe Schsrgeschwindigkeiten im Barriere-Spalt zu gewährleisten, beträgt dessen Spaltweite in der Praxis unabhängig vom Schneckendurchmesser etwa 0,5mm. Dadurch ergeben sich sehr starke lokale Fließgeschwindigkeits-, Schergeschwindigkeits- und Temperaturspitzen, die zu partiellen Schädigungen des polymeren Materials führen. Die Diskrepanz zwischen den Querschnitten und Volumina von Scherstog und den relativ großvolumigen Rinnen führt bei hohen Durchsatzmengen unweigerlich zu Füllproblemen der Auslaufrinnen und der nachfolgenden Schneckenzone. Die Folge s'nd Materialstagnationen und Teilfüllung der nachfolgenden Schneckenlänge mit Ablagerungen an der passiven Stegflanke, die im Laufe der Zeit zur thermischen Schädigung des polymeren Materials bis zum Stadium von Verbrennungen führen.

♦Die Rollbewegung des Materials in den Rinnen bereitet das Polymere nur ungenügend auf den Scherprozeß über die Barriere vor. Unaufgeschmolzene Anteile sind nicht effektiv an der Bewegung beteiligt, sondern sammeln sich in den Rinnen im Rotationskern, wo sie lange verweilen und den Förderungsprozeß stören.

Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Vorrichtung besteht darin, daß bei größeren Schneckendurchmessern eine Vielzahl von Rinnen und Stegen (meist mehr als 12 Stück) eingearbeitet werden muß, weil sonst wesentlich zu große Barriere-Stegbreiten auftreten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Scherelement einer Piastizierschnecke zur Plastizierung und Homogenisierung hoher Durchsatzmengen an polymeren Materialien in Extrudern oder Piastiziereinheiten von Spritzgießmaschinen so zu gestalten, daß ein stabiler Verarbeitungsprozeß, eine homogene Schmelze und damit hohe Erzeugnisqualität gewährleistet ist und das Scherelement nach der HerstellunQCtdchnologie des Wirbelfräsens auf derselben Maschine herstellbar ist wie die gewindeförmigen Plastizierschneckenabschnitte und ein nachträgliches Polieren nicht notwendig ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Scherelement einer Piastizierschnecke zur Plastizierung und Homogenisierung polymerer Materialien in Exrudern oder Piastiziereinheiten von Spritzgießmaschinen zu schaffen, welches die Materialbewegung derart verändert, daß unaufgeschmolzene Materialanteile an der weiteren Fortbewegung gehindert, kurzzeitig hohen Schergeschwindigkeiten unterworfen und in Rohschmelze überführt werden, ohne daß das polymere Material thermisch/ mechanisch geschädigt wird und ohne daß unerwünscht hohe Druckverluste einen Rückgang der Durchsatzmenge hervorrufen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Scherelement von zwei paarweise gegenüberliegenden Einlaufkammern und Auslaufkammern gebildet wird und die Einlaufkammerquerschnitte und Auslaufkammerquerschnitte konkavkonvex sind, d. h. jeweils die Form einer Sichel haben. Die Scherstege sind im Einlauf kammerquerschnitt bezogen auf die Schneckend'ehrichtung am vorderen Eckbereich oder am hinteren Eckbereich angeordnet. Die Auslaufkammerquerschnitte weisen eine geringere Fläche auf als die Einlaufkammerquerschnitte. Die Scherstege sind ballig ausgeführt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt:

Fig. 1: Seitenansicht des Scherelementes

Fig. 2: Querschnitt des Scherelementes mit Plastizierzylinderinnendurchmesser und Darstellung der Ein- und Auslaufkammerquerschnitte.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Scherelement 15 als Bestandteil einer Plastizierschnecke 2, welche sich mit der Schneckendrehnchtung 3 innerhalb der Plastizierzylinderinnenoberfläche 1 bewegt. Das noch inhomogene polymere Material mit unaufgeschmolzenen Materialanteilen wird nach Unterbrechung des gewindeartigen Schneckensteges 5 in zwei in Extrusionsrichtung 13 achsparallel angeordneten, paarweise gegenüberliegenden Einlaufkammern 6 des Scherelementes gepreßt und darin einer intensiven Scherdeformation mit Kneteffekt unterworfen. Die zwei Einlaufkammern 6 bilden einen konkavkonvexen Einlaufkammerquerschnitt 16, d.h. einen polygonalen Einlaufkammerquerschnitt 16 in Form einer Sichel. Dabei bildet sich insbesondere in den in Schneckendrehrichtung 3 hinten liegenden Eckbereichen 9 ein breites Schergeschwindigkeitsspektrum mit nierenförmig abgeplatteten Insovelen-Profilen aus. Damit werden alle Anteile des polymeren Materials einschließlich der vorhandener. Stippen und Gele ständig umgelagert und durchlaufen während der kurzzeitigen Beanspruchungsdauer einen weiten Bereich mechanischer Belastung. Das achsparallele Anströmen d jr Einlaufkammern 6 sichert eine vollständige Füllung auch der in Schneckendrehrichtung 3 vorn liegenden Eckbereiche 8. Damit sind Materialstagnationen und Ablagerungen mit daraus folgenden thermischen Schädigungen ausgeschlossen. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Einlaufkammerquerschnitte 16 sowie der Auslaufkammerquerschnitte 17, die ebenfalls einen konkavkonvexen Querschnitt in Form einer Sichel aufweisen, ist es selbst bei großen Schneckendurchmessern möglich, je ein Paar Einlaufkammern 6 und Auslaufkammern 7 vorzusehen, ohne daß der Schneckenkernquerschnitt zu sehr vermindert wird und insbesondere ohne daß die Breite R der achsparallelon Scherstege 10 und die Breite B der achsparallelen Sperrstege größer als ¹A bis Ve des Plastizierzylinderinnendurchmessers wild, was zu hohe Deformationskräfte und Druckverluste verursachen würde. Die paarweise Anordnung der Ein- und Auslaufkammern 0,7 stellt den goringstmöglichsten rheologischen Fließwiderstand, niedrigsten Einlaufdruckverlust und stabiles laminares Fließverhalten absolut sicher. Ferner gestattet die erfindungsgemäße Querschnittsform auch bei paarweiser Anordnung eine optimale Anpassung der Einlaufkammerqueischnitte 16 an das Fördervol jmen der vorhergehenden Schneckenzone. Da die Einlaufkammern 6 in Extrusionsrichtung 13 geschlossene Enden 11 aufweisen, wird der axiale Materialdurchtritt verhindert. Damit können sich unaufgeschmolzene Materialanteile nicht bis zur Schneckenspitze ungestört fortbewegen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Sperrstege 14 und der Scherstege 10 ergeben sich zwei Paare an Ein- und Auslaufkammern 6,7 derart, daß das in den Einlaufkammern 6 bereits gut vorhomogenisierte polymere Material über die Scherstege 10 in die jeweilige zugehörige Auslaufkammer 7 gepreßt wird, wie der Materialfluß 4 darstellt. Dabei weisen die Auslaufkammern 7 entgegen der Extrusionsrichtung 13 liegende geschlossene Enden 12 auf, was ein Zurückdrücken des plastischen Materials in vorstehende Schneckenabschnitte verhindert. Die kurzzeitige Einleitung hoher Scherdeformationskräfte in das Material bei Durchfließen der Scherstege 10 beseitigt endgültig unaufgeschmolzene Stippen und/oder Gele. Die > erfindungsgemäße Einlauf- und Auslaufkammerquerschnitt?gestaltung mit in Richtung der Eckbereiche 8,9 abnehmenden Kanaltiefen gewährleistet sehr gute rheologische Anströmbedingungen für die Plastschmelze in bezug auf den Übertritt durch die Scherstege 10, ohne daß Materialstagnationen und/oder unerwünschte Reibungsenergien der Schichten des plastischen

Materials an den metallischen Grenzflächen auftreten. Die Oberfläche der Scherstoge 10 ist in Schneckendrehrichtung 3 aus dem gleichen Grund ballig ausgeführt und die Sperrstege 14 dichten gegen die Plastizierzylindorinnenoberflächu 1 in üblicher Weise wie beim Schneckenspiel !wischen Oberkante des Schneckensteges 5 ?ur Plastizierzylinderinnenoberfläche 1 ab

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht nun darin, daß durch die paarweise Anordnung der Ein- und Auslaufkammern 6,7 und deren erfindungsgemaße konkavkonvexe Querschnittsform 16,17 im Gegensatz zu den bekannten technischen Lösungen der Scherdeformation: prozeß weitestgehend aus den Scherstegen 10 in die Kammern 6,7 verlagert wird. Dadurch können die Scherstege 10 wesentlich größere Spalthöhen H im Bereich zwischen 1mm und 4mm aufweisen als bei bekannten Vorrichtungen, oh>-.e daß dabei die Funktion des Scherelementes 15 gemindert wird. Die größeren Spalthöhen H führen zu beträchtlich höheren Schleppleistungen der Scherstege 10 als bei bekannten Lösungen gleicher axialer Länge L, so daß die Scherstege 10 gegenüber den Auslaufkammern 7 Druck aufbauen. Das stellt insbesondere ein vollständiges Füllen der Auslaufkammern 7 auch bei sehr hohen Durchsatzmengen sicher. Darüber hinaus können selbst extrem hochviskose plastische Massen und/oder Polymere hoher Shore-Härten problemlos die Scherstege 10 passieren, wobei schädigende lokale Deformations- und Temperaturspitzen nicht auftreten

Ein weiterer bedeutender Vorteil der Erfindung stellt sich folgendermaßen dar:

Be! bekannten Scherelementen muß der Schersteg zur Gewährleistung ausreichender Homogenisierwirkung immer dem Materialfluß entgegenlaufen. Das führt aber schnell zum Blockieren der Förderung, wenn der Anteil noch nicht aufgeschmolzener plastischer Masse relativ hoch ist. Durch die erfindungsgemäßen Einlaufkammerquerschnitte 16 ist es möglich, je nach Verarbeitungsaufgabe, die Scherstege 10 im vorderen Eckbereich 8 bezogen auf die Schneckendrehrichtung 3 anzuordnen wie z. B. in Fig. I dargestellt. Dadurch läuft der Schersteg 10 mit dem Materialfluß 4 mit. Die wesentliche Dispergierfunktion übernimmt in diesem Fall der hintere Ecktereich 9 der Einlaufkammern 6 am Sperrsteg 14 und ein Blockieren der Förderung durch Fe?ts>ioffonteile im Bereich der Scherspalte 10 ist ausgeschlossen.

Abschließend wird das nun vollständig in Rohschmelze überführte plastische Material in den Auslaufkammern 7 nochmals einer intensiven Scherdeformation unterworfen, welche nach dem oben beschriebenen Mechanismus der Einlaufkammern 6 abläuft. Durch die erfindungsgemäß kleineren Auslaufkammerquerschnitte 17 gegenüber den Einlaufkammerquerschnitten 16 wird neben einer optimalen Theologischen Anpassung an die viskoaitätssenkenden Fehlerprozesse im Bereich der Scherstege 10 insbesondere ein kurzzeitiges Verweilen in den Auslaufkammern 7 gesichert und das plastische Material verläßt nach thermischmechanischem Energieausgleich homogen das Scherelement 15.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in einem Arbeitsgang auf Wirbelfräsmaschinen gemeinsam mit den restlichen gewindeförmigen Plastizierschneckenabschnitten herstellbar, was einen bedeutenden fertigungsökonomischen Fortschritt gegenüber bekannten Lösungen darstellt. Die dabei erreichte Oberflächengüte ist so hochwertig, daß auf bisher übliche Schleif- und/oder Polierarbeitsgänge nach dem Fräsen vollständig verzichtet werden kann.

Claims (1)

1. Scherelement einer Piastizierschnecke zur Plastizierung und Homogenisierung polymerer Materialien in Extrudern oder Piastiziereinheiten von Spritzgießmaschinen, wobei das Scherelement in einem Bereich der Plastizierschnecke angeordnet ist, in dem die Schneckengangwindung unterbrochen ist, im Scherelement in Plastizierschneckenachse am radialen Umfang wechselseitig Ein- und Auslaufkammern angeordnet sind, wobei die Einlaufkammern in nichtung Austrittsöffnung des Extruders oder der Piastiziereinheit durch Enden geschlossen sind, die Auslaufkammern in Richtung Einfülltrichter des Extruders oder der Plastiziereinheit durch Enden geschlossen sind, und sich zwischen jeder Einlauf- und Auslauf kammer jeweils ein achsparalleler Sperrsteg und ein achsparalleler Schersteg befindet und dabei die Snerrstege mit der Plastizierzylinderinnenoberfläche eine Passung nach bekannter Art bilden, gekennzeieruot dadurch, daß

   — das Scherelement (15) von zwei paarweise gegenüberliegenden Einlaufkammern (6) und zwei paarweise gegenüberliegenden Auslauf kammern (7) gebildet wird, und die Einlaufkammerquerschnitte (16) und die Auslaufkammerquerschnitte (17) konkavkonvex sind, d. h. die Form einer Sichel bilden,

   — die Scherstege (10) im Einlaufkammerquerschnitt (16) bezogen auf die Schneckendrehrichtung (3) am vorderen Eckbereich (8) oder am hinteren Eckbereich (9) angeordnet sind,

   — die Auslaufkammerquerschnitte (17) eine geringere Fläche aufweisen als die Einlaufkammerquerschnitte (16),

   — die Scherstege (10) ballig ausgeführt sind.