Die Erfindung betrifft eine einstellbare metallische Drossel, mit der man von außen das Massestromverhältnis eines Mediums über der Breite oder den Umfang des Strömungskanal s während des Strömungsvorganges beeinflussen kann.

Stand der Technik

Drosseln findet man in den unterschiedlichsten Bereichen der Technik. Sie dienen zur Messung oder Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Volumenstromes eines fließenden Mediums. Im einfachsten Fall handelt es sich um Blenden oder Düsen, deren Geometrie fest vorgegeben ist und die deshalb keine Verstellmöglichkeit besitzen ( siehe Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 16. Ausgabe, Springer Verlag 1987, Seite V16 u. V17 ) . Sie sind aus diesem Grund als Regelorgan, das den Volumenstrom des Fluids in Abhängigkeit von einer zweiten Größe steuern kann, nicht geeignet. Eine Übersicht über derartige Regelorgane findet man ebenfalls im bereits zitierten Dubbel auf Seite G 156.

Es handelt sich dabei einerseits um Bauformen für runde Strömungskanalquerschnitte und andererseits um Systeme, die den Gesamtmassestrom beeinflussen, wobei die über dem Strömungsquerschnitt entstehenden lokalen Änderungen nicht interessieren. Nun gibt es speziell bei Strömungskanälen mit einem Breiten zu Höhenverhältnis bzw. mit einem Umfang zu Höhenverhältnis von mindestens 10 oft die Notwendigkeit den Massestrom an einer bestimmten Stelle über der Breite bzw. über dem Umfang lokal begrenzt zu beeinflussen.

Für derartige Strömungskanalquerschnitte sind Drosselvorrichtungen besonders im Bereich der

KunststoffVerarbeitung gebräuchlich. Bekannteste Ausführung ist der speziell in Breitschlitzextrusionsdüsen gebräuchliche Staubalken ( siehe W. Michaeli, Extrusionswerkzeuge für Kunststoffe und Kautschuk, 2. Auflage, Carl Hanser Verlag 1991,

Kapitel 5.2.1 ). Im Bereich der Coextrusionsadapter, bei denen das Kanalbreiten zu Kanalhöhenverhältnis im Vergleich zu den Breitschlitzdüsen sehr viel kleiner ist, gibt es ebenfalls Lösungen in der Art, daß der "Staubalken" zur Flexibilisierung in einzelne Schieber ( DE 87 17 629 Ul und DE 40 01 479 Cl ) aufgeteilt ist.

Die Integration eines Staubalkens, als ein über der Fließkanalbreite wirkendes Drosselelement, in eine Düse bringt eine Reihe von Problemen. Wegen der bei Staubalken erforderlichen Zug-Druckanbindung der Stellelemente, und der Notwendigkeit, den beweglichen Staubalken gegen die Schmelze abzudichten, besitzt dieser eine relativ große Bauhöhe und damit eine größere Steifigkeit, als dies für eine feine, in engen Abständen wirkende Verstellung erwünscht ist. Um derartig gestaltete steife Staubalken überhaupt deformieren zu können, sind große Kräfte erforderlich, was wiederum dazu führt, daß die Verstellelemente stark dimensioniert sein müssen. Dies bedingt allerdings große Abmessungen der einzelnen Stellelemente und damit einen großen Bauraum zur Integration dieser Elemente in die Düse. Folge ist ein großer Abstand der einzelnen Stellelemente untereinander. Er liegt in aller Regel nicht unter 50 mm. Damit können Schmelzestromunterschiede, die einen kleineren Abstand besitzen zwangsläufig nicht mehr beeinflußt werden.

Ein weiterer entscheidender Nachteil der Staubalkenverstellung besteht darin, daß der Staubalken zwangsläufig mehr oder weniger in den Fließkanal hineinragen muß, und daß er zwei Trennebenen zum Düsenkörper besitzt, die senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen. Dies führt zu konstruktiv nicht vermeidbaren Totstellen am Anfang und am Ende des Staubalkens. Diese Übergänge sind sehr häufig die Ursache für Materialzersetzungen in der Düse. Eine befriedigende Lösung für dieses Problem gibt es zur Zeit noch nicht.

Im Austrittsbereich von Düsen erreicht man eine trennebenenfreie und feinfühlige Beeinflussung des

Schmelzestromes durch die Verwendung von flexiblen Lippen ( DE 88 13 801 Ul und DE 89 15 137 Ul ) . Diese Lösung ist allerdings nur am Düsenaustritt, das heißt am Ende eines Fließkanals möglich, da dort nicht die Notwendigkeit besteht, den Strömungskanal fortsetzen zu müssen und ihn gegen eine unter Druck stehende Schmelze abzudichten.

In diesem Punkt ist die Aufgabenstellung eher mit der in einem Coextrusionsadapter vergleichbar. Bei Adaptern ist es Stand der Technik, den "Staubalken" in mehrere über der Breite unterteilte Schieber aufzuteilen (EP 0 418 681 und DE 3 741 793) . Diese Konstruktionen haben den großen Nachteil, daß sie auf Grund der vielen Dichtflächen der beweglichen Schieber untereinander und zwischen den Schiebern und dem Adapterkörper nicht völlig schmelzedicht hergestellt werden können. Weiterhin besitzen auch diese Lösungen die bereits für den Staubalken geschilderten Probleme der senkrecht zur Fließrichtung verlaufenden Trennebenen mit den unvermeidbaren Totstellen und den dadurch bedingten Problemen mit Materialzersetzungen auf Grund extrem langer Verweilzeiten von Schmelzebestandteilen auf hohem Temperaturniveau.

Es gibt bereits sehr alte Versuche, mit Hilfe einer dünnen Fließkanalwand eine Drosselfunktion zu erreichen. In der deutschen Auslegungsschrift 1 125 146 wurde versucht, einen Staubalken hinter einer dünnen Fließkanalwand anzuordnen. Damit ist zwar Trennstellenfreiheit erreicht aber eine ausreichende Drosselwirkung kann mit dieser Konstruktion nicht erzielt werden, da man, um eine Rückstellung zu gewährleisten, die Elastizitätsgrenze der Wandung nicht überschreiten darf. Diese Grenze liegt bei Stahl bekanntermaßen unterhalb der 0,01% Dehngrenze. Das heißt bei realistischen Längen der dünnen Wand von maximal 30 - 60 mm, ergeben sich maximal realisierbare Verstellwege senkrecht zur Fließrichtung von kleiner 0,1 mm. Dies reicht jedoch für die angestrebte Drosselwirkung bei weitem nicht aus. Zusätzlich ist bei dieser Konstruktion die Forderung nach einer feinen, in engem Abstand wirkenden

Beeinflußbarkeit auf Grund des zur Verstellung benutzten Staubalkens ebenfalls wieder nicht gegeben.

Eine ähnliche Konstruktion ist im Buch von W. Michaeli in Bild 5.15 B gezeigt. Bei dieser Lösung ist der Nachteil des unflexiblen Staubalkens hinter der dünnen Wand vermieden. Aber auch in diesem Fall müssen groß dimensionierte Stelleimente verwendet werden, um den im Düsenkörper auf beiden Seiten fest eingespannten dünnen Wandbereich elastisch zu verformen. Der Nachteil einer unzureichenden Drosselwirkung auf Grund der geringen realisierbaren Stellwege gilt auch für diese Konstruktion.

Beide Lösungen haben zusätzlich den Nachteil, daß die Fließkanalhöhe im Drosselbereich durch eine Verstellung des Düsenlippenbereiches ebenfalls mit verändert wird, so daß störende Wechselwirkungen der beiden Drosselorgane unvermeidlich sind. Auf Grund der geschilderten Schwächen haben sich diese Varianten in der Praxis nicht bewährt.

Wegen der zur Zeit verfügbaren unzureichenden Drosselkonstruktionen sind speziell im Bereich der Extrusion von Kunststoffen die Möglichkeiten, einen homogenen Massestrom über der Breite des gesamten Fließkanals zu erreichen, unbefriedigend. Wenn man nach dem Austritt der Schmelzebahn aus dem Werkzeug nicht mehr durch nachgeschaltete Kalibrier- und Glättvorrichtungen Einfluß auf die Dickenverteilung der Bahn nehmen kann, so muß man häufig größere Dickentolleranzen in Kauf nehmen, als es wünschenswert ist. Ganz besonders trifft dies für coextrudierte Produkte zu, da auf Grund der fehlenden nachträglichen Beeinflußbarkeit der Einzelschichten, die im Endprodukt vorhandenen Dickenverteilungen zwangsläufig proportional zu den in den einzelnen Strömungskanälen über der Breite auftretenden Massestromunterschieden sind.

So können viele hochinteressante Produkte, wegen zur Zeit noch nicht in ausreichendem Maße vermeidbarer über der Breite der Bahn auftretenden Dickenunterschiede, nicht hergestellt werden.

Zum Beispiel lassen sich sehr dünne, transluzent eingefärbte Deckschichten nicht so auf eine Platte coextrudieren, daß ein homogener Farbeindruck entsteht, da mit der Dicke der Deckschicht auch deren Farbintensität schwankt.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine sehr fein einstellbare metallische Drossel zu entwickeln, mit der ein durchtretender Massestrom über der Breite des Strömungskanals verändert werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung coextrudierte Bahnen mit einer bisher nicht erreichbaren Schichtdickenkonstanz herzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung eines flachen Fließkanals mit einem Breiten zu Höhenverhältnis bzw. einem Umfang zu Höhenverhältnis von mindestens 10 zur Führung eines Massestromes eines fließfähigen Materials enthaltend einen Einströmbereich und einen AusStrömbereich und einen diese beiden Kanalbereiche verbindenden mittleren Fließkanalbereich. Erfindungsgemäß ist der Fließkanal im gesamten Fließkanalbereich zwischen dem Fließkanaleintritt und dem Fließkanalaustritt senkrecht zur Strömungsrichtung trennebenenfrei und totstellenfrei. Die Kanalhöhe ist im mittleren Fließkanalbereich von außen über Stellmittel durch elastische Verformung der Wandung wenigstens eines Wandbereiches um mehr als 0,1 mm veränderbar. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn sich vor und nach dem mittleren Fließkanalbereich Fließkanalbereiche befinden, deren Geometrie nicht verändert werden kann, wenn der Stellweg der Stellelemente mindestens 0,1 mm beträgt, wenn der Fließkanal im Bereich der Stellelemente wenigstens bereichsweise eine Kanalhöhe von < 5 mm besitzt, wenn wenigstens eine Wandung eine Krümmung aufweist, wenn der Abstand der Stellelemente untereinander < 15 mm ist, wenn der Fließkanal beheizbar ist und sich in einer Extrusionsdüse oder in einem Coextrusionsadapter befindet. Es ist ebenfalls Aufgabe dieser

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Einspeisen einer Schmelze in ein horizontal angeordnetes Glättwerk vorteilhafter ist, als das horizontale Einspeisen in ein vertikal angeordnetes Glättwerk. In diesem Fall ist die flexible Wand Bestandteil eines separaten Düsenmittelteiles 16, das im Bereich des Einströmkanals 10 mit der Düsenhälfte 17 verschraubt ist und im Bereich des Kanals 14 an die Düsenhälfte 17 angelötet oder angeschweißt ist.

In ähnlicher Weise läßt sich die Drossel auch in eine Mehrkanaldüse integrieren. Eine derartige Lösung zeigt Fig. 3. Speziell im Bereich der Mehrkanaldüsen klafft heute noch eine große Kluft zwischen den Anforderungen der Verarbeiter und den technischen Möglichkeiten, die zur Zeit verfügbar bzw. bekannt sind. Durch Integration der erfindungsgemäßen Drossel in den Nebenkanal 40 gelingt es, den Schmelzestrom der Nebenschicht vor dem Kanalbereich 43 so über der Breite zu beeinflussen, daß im Kanalbereich 41 ein über der gesamten Kanalbreite nahezu konstanter Schmelzestrom auf die durch den Fließkanal 42 strömende Hauptschichtschmelze aufgelegt werden kann.

Durch die auf diese Weise in den Nebenkanal einer Mehrkanaldüse integrierte Drossel besitzt man erstmals die konstruktiven Voraussetzungen für eine Dickenregelung einzelner Schichten über der Breite der Bahn. Die bisher bekannten Konstruktionen mit einer Staubalkenverstellung waren für eine

Schichtdickenregelung wegen der benötigten hohen Verstellkräfte ungeeignet. Erst die flexible Lippe, die nur geringe Verstellkräfte erfordert und bei der die elastischen Kräfte des Stahls und der Innendruck durch das Fluid dafür sorgen, daß eine Rückstellkraft vorhanden ist, machen eine Massestromregelung einzelner Schichten über der Breite des Fließkanals in Abhängigkeit der am Produkt gemessenen Schichtdicke möglich.

Durch die erfindungsgemäße Drossel ist man damit erstmals in der Lage, mit einer Mehrkanaldüse die Dicke einer Nebenschicht mittels eines Reglers zu regeln. Das Verfahren ist in Fig. 4 beispielhaft dargestellt. Dabei weden zwei Schmelzeströme

Fall, wo man oft ein exaktes Wanddickenverhältnis zwischen unterschiedlichen Wandungen, die aus einem einzigen Hauptkanal gespeist werden, erreichen möchte. So kann es zum Beispiel bei Stegdoppelplattendüsen sehr interessant sein, trotz fest vorgegebener Fließkanalgeometrien in der Düse das Verhältnis der Stegdicken zu den Gurtdicken in bestimmten Bereichen verändern zu können. Werden, wie im Falle von Stegdoppelplatten aus PC, die Gurte auch noch mit einer Witterungsschutzschicht coextrudiert, so ist es eminent wichtig, ein exaktes Druckverhältniε in den Steg- und Gurtfließkanälen einzuhalten, um störende Verdickungen oder Verjüngungen der Coextrusionsschicht im Einmündungsbereich der Stege zu vermeiden. Durch die Integration einer erfindungsgemäßen einstellbaren Drossel in einen der beiden Fließkanäle läßt sich der Fließkanalwiderstand relativ zum anderen Strömungskanal verändern. Die Folgen sind veränderte Massestromverhältnisse und veränderte Druckverläufe in den Fließkanälen.