GÖRING, Rainer (Klosterdiek 46, Borken, 46325, DE)
WEINMANN, Andreas (Dehau-Albrecht 1, Blieskastel, 66440, DE)
KOTTMANN, Sascha (30 rue Traversiere, Riedisheim, Riedisheim, F-68400, FR)
HARTMANN, Markus (Amselstiege 4a, Sendenhorst, 48324, DE)
GÖRING, Rainer (Klosterdiek 46, Borken, 46325, DE)
WEINMANN, Andreas (Dehau-Albrecht 1, Blieskastel, 66440, DE)
KOTTMANN, Sascha (30 rue Traversiere, Riedisheim, Riedisheim, F-68400, FR)
| Patentansprüche 1. Extrusionsanlage für die Herstellung von zylindrischen Halbzeugen aus Kunststoff, a) mit einem Extruder (1 ) zum Bereitstellen einer mit Druck beaufschlagten Schmelze des Kunststoffes, b) mit mindestens einem am Extruder (1 ) angeordneten Extrusionswerkzeug (7), durch welches die Schmelze als im Wesentlichen zylindrischer Kunststoffstrang (8) aus dem Extruder (1 ) austritt, c) mit einer dem Extrusionswerkzeug (7) nachgeschalteten, vom frisch extrudierten Kunststoffstrang (8) durchfahrenen Kalibrierung (2), welche den Kunststoffstrang (8) kühlt und ihm einen Außendurchmesser (d) aufprägt, d) mit einer der Kalibrierung (2) nachgeschalteten Bremseinrichtung (3), mittels welcher in den Kunststoffstrang (8) eine seinem Vorschub entgegen gerichtete Axial kraft (A) veränderlich einbringbar ist, e) und mit einem Kraftaufnehmer (9), welcher die von der Bremseinrichtung (3) in den Kunststoffstrang (8) eingebrachte Axial kraft (A) misst, dadurch gekennzeichnet, f) dass die Bremseinrichtung (3) mindestens eine radial zum Kunststoffstrang (8) beweglich geführte, mit einer Reibfläche (19) versehene Bremsbacke (16) umfasst, g) wobei zum Einbringen der Axialkraft (A) in den Kunststoffstrang (8) die radial beweglich geführte Bremsbacke (16) bei am Umfang des Kunststoffstranges (8) anliegender Reibfläche (19) mit einer Radialkraft (R) beaufschlagbar ist, h) und wobei die Reibfläche (19) die Gestalt eines rinnenförmigen Ausschnittes eines Zylindermantels aufweist. 2. Extrusionsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (3) eine radial fixierte, mit einer Gegenreibfläche (20) versehene Bremsbacke (17) umfasst, wobei die Gegenreibfläche (20) die Gestalt eines rinnenförmigen Ausschnittes eines Zylindermantels aufweist. 3. Extrusionsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich Reibfläche (19) und Gegenreibfläche (20) in einer Endstellung der radial beweglich geführten Bremsbacke (16) zu einem den Kunststoffstrang (8) umfassenden Zylindermantel ergänzen. 4. Extrusionsanlage nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei besagten Zylindern um Kreiszylinder handelt. 5. Extrusionsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r) der Reibfläche (19) und/oder der Gegenreibfläche (20) kleiner ist als die Hälfte des von der Kalibrierung (2) dem Kunststoffstrang (8) aufgeprägten Außendurchmessers (d). 6. Extrusionsanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibfläche (19) und/oder die Gegenreibfläche (20) Kupfer enthält. 7. Extrusionsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibfläche (19) und/oder die Gegenreibfläche (20) aus Messing besteht. 8. Extrusionsanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kunststoff um Polyetheretherketon (PEEK) handelt. 9. Extrusionsanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Pneumatik, mittels derer die radial beweglich geführte Bremsbacke (16) in Richtung des Kunststoffstranges (8) beaufschlagbar ist. 10. Extrusionsanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (3) auf dem Schlitten (10) einer sich parallel zum Kunststoffstrang (8) erstreckenden Linearführung (11 ) angeordnet und damit axialverschieblich gelagert ist, und dass der Kraftaufnehmer (9) zwischen dem Schlitten (10) und dem unbeweglichen Gestell (13) der Extrusionsanlage angeordnet ist. 11. Extrusionsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kraftaufnehmer um eine druckbelastete Kraftmessdose (9) handelt, die in Vorschubrichtung des Kunststoffstranges (8) stirnseitig am Schlitten (10), einem am Gestell (13) der Extrusionsanlage befindlichen Anschlag (12) zugewandt, angeordnet ist. 12. Extrusionsanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 , gekennzeichnet durch einen Regelkreis, innerhalb dessen die Axialkraft (A) die Regelgröße (X) und die Radialkraft (R) die Stellgröße (Y) darstellt. 13. Extrusionsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis einen Regler mit PID-Charakteristik aufweist. 14. Verwendung einer Extrusionsanlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Herstellung zylindrischer Halbzeuge aus warmfesten Kunststoff. 15. Verwendung nach Anspruch 14 zur Herstellung kreiszylindrischer Vollstäbe aus Polyetheretherketon . |
Die Erfindung betrifft eine Extrusionsanlage für die Herstellung von zylindrischen Halbzeugen aus Kunststoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Extrusionsanlage ist bekannt aus der WO 1998/09709 A1.
In Leichtbauanwendungen der Luft- und Raumfahrt, in Werkzeug- und Textilmaschinen, aber auch im Automobilbau werden metallische Bauteile zunehmend durch Bauteile aus Hochleistungskunststoffen substituiert. Hier sind insbesondere warmfeste und hochbelastbare Thermoplaste wie Polyetheretherketon (PEEK) zu nennen.
Die Fertigung von Bauteilen aus Polyetheretherketon ähnelt aus Sicht des Anwenders eher der klassischen Metallverarbeitung: Standardisierte Halbzeuge wie Rohre, Profile oder Stäbe werden spanabhebend in die gewünschte Gestalt auf Maß gebracht. Eine direkte Herstellung von gebrauchsfertigen Bauteilen mittels einer Spritzgussmaschine wie bei PP oder PE- Bauteilen ist bei PEEK unüblich. Entsprechend der klassischen Kunststofffertigung werden allein die Halbzeuge hergestellt: So werden Profile, Rohre oder Vollstäbe auf einer Extrusionsanlage prinzipiell ebenso extrudiert, wie dies bei der Herstellung von entsprechenden Halbzeugen aus PP oder PE üblich ist.
Eine Extrusionsanlage, die sich zum Herstellen von zylindrischen Halbzeugen aus thermoplastischen, polyolefinbasierten Massen kunststoffen eignet, ist in der WO 1998/09709 A1 beschrieben. Sie umfasst einen an sich bekannten, beheizten Schneckenextruder, welcher den in Granulatform eingefüllten Kunststoff aufschmilzt. Durch ein Extrusionswerkzeug tritt die Schmelze aus und der entstehende Endlosstrang erhält seinen groben Querschnitt. In einer nachgeschalteten Kalibrierstrecke wird der Kunststoffstrang gekühlt und erhält das gewünschte Außenmaß. Der Kalibrierung nachgeschaltet ist eine Bremseinrichtung, die zwei auf dem frisch kalibrierten Strang abrollende Rollen aus Polyurethan umfasst. Die Rollen werden von einem federbelasteten Hebelsystem gegen den Strang gepresst, um ein sauberes Abrollen zu gestatten. Die drehbar in den Hebeln gelagerten Rollen sind mit einer nicht näher beschriebenen, pneumatischen Bremse versehen. Diese ermöglicht es, die Rollen auf ihren jeweiligen Drehachsen abzubremsen und damit eine gegen den Vorschub des Kunststoffstrangs gerichtete Axialkraft in den Kunststoffstrang einzuleiten. Diese Axialkraft erhöht den Staudruck im Strangabschnitt zwischen Extrusionswerkzeug und Bremseinrichtung und gewährleistet auf diese Weise eine besonders hohe Materialdichte im Extrudat. Die Axialkraft wird über einen Kraftaufnehmer gemessen und in eine Regeleinrichtung geführt. Diese erzeugt in Abhängigkeit der gemessenen Axialkraft eine Bremskraft in der Bremseinrichtung. Auf diese Weise wird die Axialkraft geregelt.
Nachteilig bei dieser Extrusionsanlage ist zunächst die träge und ungenaue Regelung der Axial kraft: So wird die Axialkraft über ein biegebelastetes Element gemessen, sodass die Axialkraft aus der Durchbiegung des Biegeelements berechnet werden muss. Zum anderen bildet der Bremskraftübertragungsweg von der rotatorisch wirkenden Rollenbremse bis in den Strang eine lange Totstrecke, welche die Regelungsgeschwindigkeit und die Regelungsgenauigkeit negativ beeinflusst.
Ein weiter Nachteil der bekannten Extrusionsanlage ist, dass sie sich nicht für die Verarbeitung von Kunststoffen eignet, die einen hohen Schmelzpunkt aufweisen: Polyolefine wie PP und PE werden bei etwa 200° C extrudiert, die Temperatur des Kunststoffstranges nach Durchlaufen der kühlenden Kalibrierung beträgt noch etwa 32 bis 60 0 C (90 bis 140 F). Bei diesen geringen Temperaturen laufen die PU-Räder der Bremseinrichtung noch ohne Festkleben auf dem Strang ab. Bei PEEK handelt es sich jedoch um einen hochwarmfesten Thermoplasten, dessen Schmelze mit etwa 400 0 C aus dem Extrusionswerkzeug austritt. Nach der Kalibrierung beträgt die Temperatur des PEEK noch weit über 100°C, sodass bei der bekannten Anlage zu besorgen wäre, dass die PU-Räder ihrer Bremseinrichtung der thermischen und mechanischen Last nicht standhalten und den Kunststoffstrang beschädigen.
In Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Extrusionsanlage der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass sie eine bessere Regelgüte erreicht und sich für die Verarbeitung hochwarmfester Kunststoffe eignet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Extrusionsanlage nach Anspruch 1.
Gegenstand der Erfindung ist daher eine Extrusionsanlage für die Herstellung von zylindrischen Halbzeugen aus Kunststoff, mit einem Extruder zum Bereitstellen einer mit Druck beaufschlagten Schmelze des Kunststoffes, mit mindestens einem am Extruder angeordneten Extrusionswerkzeug, durch welches die Schmelze als im Wesentlichen zylindrischer Kunststoffstrang aus dem Extruder austritt, mit einer dem Extrusionswerkzeug nachgeschaltete, von dem frisch extrudierten Kunststoffstrang durchfahrene Kalibrierung, welche den Kunststoffstrang kühlt und ihm einen Außendurchmesser aufprägt, mit einer der Kalibrierung nachgeschalteten Bremseinrichtung, mittels welcher in den Kunststoffstrang eine seinem Vorschub entgegen gerichtete Axialkraft veränderlich einbringbar ist, und mit einem Kraftaufnehmer, welcher die von der Bremseinrichtung in den Kunststoffstrang eingebrachte Axialkraft misst, wobei die Bremseinrichtung mindestens eine radial zum Kunststoffstrang beweglich geführte, mit einer Reibfläche versehene Bremsbacke umfasst, wobei zum Einbringen der Axialkraft in den Kunststoffstrang die radial beweglich geführte Bremsbacke bei am Umfang des Kunststoffstranges anliegender Reibfläche mit einer Radialkraft beaufschlagbar ist, und wobei die Reibfläche die Gestalt eines rinnenförmigen Ausschnittes eines Zylindermantels aufweist.
Die erfindungsgemäß gestaltete, radial bewegliche Bremsbacke mit ihrer rinnenförmigen Reibfläche erfüllt eine Doppelfunktion: Sie setzt die Radialkraft unmittelbar über einen kurzen, starren Weg in die der Reibkraft entsprechende Axialkraft um, sodass über den Reibkoeffizient zwischen Reibfläche und Strang ein einfacher proportionaler Zusammenhang zwischen der aufgebrachten Radialkraft und der zu regelnden Axialkraft entsteht. Dies erlaubt eine schnelle und genaue Regelung. Zweitens entsteht aufgrund der zylindermantelförmigen Geometrie der Reibfläche ein Flächenkontakt mit dem Strang. Dieser senkt den Druck zwischen Reibfläche und Strang, sodass mechanische Beschädigungen der Peripherie des Extrudats vermieden wird. Darüber hinaus erlaubt der Flächenkontakt einen Wärmefluss aus dem Strang in die Bremsbacke, die - entsprechend voluminös dimensioniert - als Wärmesenke dient. Eine Überhitzung der Reibfläche ist daher ausgeschlossen, weswegen sie auch bei höheren Temperaturen betrieben werden kann.
Die erfindungsgemäße Ausführung der Bremseinrichtung löst somit gegenüber dem Stand der Technik zwei technisch sehr andersartige Aufgaben.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Bremseinrichtung neben der ersten, beweglichen Bremsbacke eine zweite, radial fixierte, mit einer Gegenreibfläche versehene Bremsbacke umfasst, wobei die Gegenreibfläche die Gestalt eines rinnenförmigen Ausschnittes eines Zylindermantels aufweist. Grundgedanke dieser Weiterbildung ist es, die bewegliche Bremsbacke gegen eine unbewegliche Backe zu fahren. Gegenüber zwei gegeneinander bewegten Bremsbacken hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass die Radialkraft genauer über die Position der Backe bestimmbar ist, da die gegenwärtige Position einer beweglichen Gegenbacke nicht berücksichtigt werden muss. Dies kommt der Regelungsgüte zu Gute.
Die Bremseinrichtung wird bevorzugt so gestaltet, dass sich Reibfläche und Gegenreibfläche in einer Endstellung der radial beweglich geführte Bremsbacke zu einem den Kunststoffstrang umfassenden Zylindermantel ergänzen. Auf diese Weise wird die Radialkraft über eine besonders geringe Flächenpressung in den Strang eingebracht, sodass seine kalibrierte Gestalt unverändert bleibt.
Die Erfindung ist grundsätzlich nicht auf kreiszylindrische Gestaltungen beschränkt: So können auch Halbzeuge mit einem elliptischen oder polygonalen Querschnitt extrudiert werden, die im mathematischen Sinne eine allgemeine Zylinderform haben. Die Gestalt der erfindungsgemäßen Reibflächen kann demnach auch entsprechend elliptisch oder polygonal sein. Bevorzugt handelt es sich aber bei allen besagten Zylindern um Kreiszylinder.
Bei der kreiszylindrischen Gestalt ist es vorteilhaft, wenn der Radius der Reibfläche und/oder der Gegenreibfläche kleiner ist als die Hälfte des von der Kalibrierung dem Kunststoffstrang aufgeprägten Außendurchmessers. Durch ein minimales Untermaß wird die Axialkraft besonders gleichmäßig und oberflächenschonend in den Strang eingeleitet.
Die Reibflächen bestehen vorzugsweise aus kupferhaltigen Werkstoffen wie Messing, Rotguss oder Bronze. Diese Nichteisenwerkstoffe bieten eine gute Wärmeabfuhr, sodass Kunststoffe mit hohen Verarbeitungstemperaturen auf der Anlage extrudiert werden können, wie vorzugsweise Polyetheretherkethon.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Extrusionsanlage mit einer Pneumatik ausgestattet, mittels derer die radial beweglich geführte Bremsbacke in Richtung des Kunststoffstranges beaufschlagbar ist. Die Pneumatik erlaubt eine hohe Regeldynamik, da pneumatische Zylinder die radial beweglich geführte Bremsbacke mit einem rasch steigenden oder fallenden Druck beaufschlagen bzw. entlasten können.
Vorteilhafterweise wird die Bremseinrichtung auf dem Schlitten einer sich parallel zum Kunststoffstrang erstreckenden Linearführung angeordnet, damit axialverschieblich gelagert, und der Kraftaufnehmer zwischen dem Schlitten und dem unbeweglichen Gestell der Extrusionsanlage angeordnet. Diese Gestaltung trägt dafür Sorge, dass der Kraftaufnehmer stets parallel zur Axialkraft belastet wird und dass dank der geringen Reibungsverluste innerhalb der Linearführung die im Kraftaufnehmer gemessene Kraft weitestgehend der Axialkraft entspricht. Man erhält somit gute Messwerte, die Voraussetzung für eine hohe Regelgüte sind.
Bevorzugt wird als Kraftaufnehmer eine druckbelastete Kraftmessdose verwendet, die in Vorschubrichtung des Kunststoffstranges stirnseitig am Schlitten, einem am Gestell der Extrusionsanlage befindlichen Anschlag zugewandt, angeordnet ist. Diese Gestaltung hat sich beim Betrieb und beim Umrüsten der Extrusionsanlage auf andere Extrusionswerkzeuge als besonders praktikabel erwiesen.
Die konstante Beibehaltung des Staudrucks im Kunststoffstrang erfolgt bevorzugt durch einen Regelkreis, innerhalb dessen die Axialkraft die Regelgröße und die Radialkraft die Stellgröße darstellt. Die Radialkraft lässt sich nämlich dank der Bremseinrichtung deutlich dynamischer stellen, sodass die Bremseinrichtung eine deutlich bessere Regelung gestattet, als dies bei bekannten Regel konzepten der Fall ist, bei denen zum konstant halten des Staudrucks die Drehzahl der Schnecke oder die Geschwindigkeit einer Abzugsanlage als Stellgröße verwendet wird.
Bevorzugt weist der Regelkreis einen Regler mit kombiniert proportionaler, differentialer und integraler Regelcharakteristik (PID) auf. Experimente zeigen, dass ein PID-Regler die vorliegende Regelaufgabe am besten löst.
Die erfindungsgemäße Extrusionsanlage eignet sich in hervorragender Weise zur Herstellung zylindrischer Halbzeuge aus warmfestem Kunststoff und insbesondere zur Herstellung kreiszylindrischer Vollstäbe aus Polyetheretherketon. Diese Verwendungen sind daher ebenfalls erfindungsgegenständlich.
Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der beiliegenden Figuren näher erläutert werden. Hierfür zeigen:
Figur 1 : Schematische Darstellung der Extrusionsanlage in Seitenansicht;
Figur 2: Vergrößerung von Figur 1 im Bereich der Bremseinrichtung;
Figur 3: Stirnansicht der Bremseinrichtung;
Figur 4: Perspektivische Darstellung der Gegenreibfläche.
Zur Figur 1 : Die erfindungsgemäße Extrusionsanlage umfasst unter anderem einen Extruder 1 , eine Kalibrierung 2 und eine Bremseinrichtung 3. Diese Baugruppen sind koaxial entlang der linearen Extrusionsrichtung E angeordnet. Bei dem Extruder 1 handelt es sich um einen Schneckenextruder, eine in der Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen bekannte Maschine. Der Extruder nimmt das thermoplastische Rohmaterial in Gestalt von Granulat in einem Trichter 4 auf. Im Extruder 1 angeordnet ist eine von einer Heizung umgebene Schnecke 5, welche das Granulat unter Wärmeeinwirkung in Extrusionsrichtung E fördert und mit Druck beaufschlagt. Stromabwärts vor der Schnecke 5 befindet sich eine Staukammer 6, in welcher der Kunststoff in einer druckbelasteten Schmelze vorliegt. Die Temperatur bei der Extrusion des hochwarmfesten Thermoplasten Polyetheretherkethon beträgt hier etwa 400 0 C, der optimale Staudruck beträgt bei der Extrusion von PEEK-Vollstäben etwa 5 bar.
Stromabwärts wird die Staukammer 6 von einem an sich bekannten Extrusionswerkzeug 7 begrenzt. Es verfügt über eine kreisförmige Öffnung, aus der die Schmelze als kreiszylindrischer, endloser Kunststoffstrang 8 austritt. Es sind auch andere Werkzeugformen auf der Anlage verarbeitbar, etwa elliptische oder polygonale Querschnitte. Im mathematischen Sinne handelt es sich bei derartigen Extrudatformen ebenfalls um Zylinder. Die Erfindung ist daher nicht auf kreiszylindrische Formen beschränkt. Eine erfindungsgemäße Anlage kann auch ein Extrusionswerkzeug mit mehreren Öffnungen umfassen, sodass dort mehrere parallele Extrusionsstränge entspringen. Die nachfolgend beschriebenen Anlagenteile wären dann entsprechend mehrfach vorhanden und parallel zueinander angeordnet. Der Einfachheit halber wird eine Extrusionsanlage mit einem einzigen Kunststoffstrang 8 beschrieben, der in Extrusionshchtung E extrudiert wird.
Der durch die Öffnung des Extrusionswerkzeugs 7 vorgeformte, frisch extrudierte Kunststoffstrang 8 tritt zunächst in die Kalibrierung 2 ein. Bei der an sich bekannten Kalibrierung handelt es sich vereinfacht gesprochen um ein zylindrisches, gekühltes Rohr mit einem definierten Innendurchmesser. Der Innendurchmesser des Rohres wird dem Kunststoffstrang 8 als Außendurchmesser d aufgeprägt. Dabei wird der Kunststoffstrang 8 gekühlt, damit sich die Schmelze verfestigt. Bei Austritt aus der Kalibrierung 2 beträgt die Temperatur des PEEK-Kunststoffstranges etwa 100° C.
Der Kalibrierung 2 stromabwärts nachgeschaltet ist die Bremseinrichtung 3. Die Funktion der Bremseinrichtung 3 besteht darin, eine der Extrusionsrichtung E bzw. dem Vorschub des Kunststoffstranges 8 entgegengesetzte Axialkraft A in den Kunststoffstrang 8 hinsichtlich ihres Betrages veränderlich einzuleiten. Diese Axialkraft A vermag den Druck innerhalb des Kunststoffstranges 8 zwischen seinem Austritt aus dem Extrusionswerkzeug 7 und der Bremseinrichtung 3 zu erhöhen, also insbesondere im Bereich der kühlenden Kalibrierung. Der Druck innerhalb dieses Abschnittes des Kunststoffstranges 8 hat erheblichen Einfluss auf die Maßhaltigkeit des Extrudats: Da thermoplastische Kunststoffe beim Kühlen schwinden, ist es erforderlich, genug Material vorzugeben, um das Schwindmaß auszugleichen. Eine hohe Maßhaltigkeit und Materialdichte wird daher über den richtigen Staudruck im Bereich der Kalibrierung 2 bestimmt, der erfindungsgemäß über die von der Bremseinrichtung 3 erzeugte Axialkraft A eingestellt wird. Die Funktionsweise der Bremseinrichtung 3 wird später erläutert.
Die von der Bremseinrichtung 3 in den Kunststoffstrang 8 eingebrachte Axialkraft A wird mit Hilfe eines Kraftaufnehmers 9 in Gestalt einer druckbelasteten Kraftmessdose gemessen. Zu diesem Zwecke ist die Bremseinrichtung 3 auf dem Schlitten 10 einer sich parallel zur Extrusionshchtung E bzw. zum Kunststoffstrang 8 erstreckenden Linearführung 11 angeordnet, sodass die Bremseinrichtung 3 axial frei verschieblich ist. In Extrusionsrichtung E ist die Beweglichkeit des Schlittens 10 durch einen Anschlag 12 beschränkt, der Teil des unbeweglichen Gestells 13 der Extrusionsanlage ist. Stirnseitig am Schlitten 10 angeordnet ist die Kraftmessdose 9, mit der der Schlitten 10 unter Last gegen den Anschlag 12 anliegt. Sobald die Bremseinrichtung 3 eine Axialkraft A in den in Extrusionsrichtung E vorrückenden Strang 8 einleitet, wird der Schlitten 10 mitgenommen, bis er über die Kraftmessdose 9 an dem Anschlag anliegt. Aufgrund der parallelen Ausrichtung der Linearführung 11 zur Extrusionsrichtung E ist die in der zwischen Anschlag 12 und Schlitten 10 eingezwängten Kraftmessdose 9 gemessene Kraft parallel zur Axialkraft A ausgerichtet. Da die Reibung innerhalb der Linearführung 11 sehr gering ist, entspricht die in der Kraftmessdose 9 gemessene Kraft nahezu der Axialkraft A. Der Kraftaufnehmer 9 liefert somit einen Messwert, welcher dem Betrag der zu messenden Axialkraft A in hervorragendem Maße entspricht.
Zum Gesamtaufbau der Extrusionsanlage bleibt zu erwähnen, dass die Kalibrierung 2 ebenfalls mittels eines zweiten Schlittens 14 auf der Linearführung 11 axialverschieblich zum Strang 8 geführt ist und die Linearführung 11 extruderseitig direkt in dem Extrusionswerkzeug 7 gelagert ist. Auf diese Weise wird eine hohe Koaxialität von Extrusionswerkzeug 7, Kalibrierung 2 und Bremseinrichtung 3 erreicht, wodurch der Kunststoffstrang 8 mit geringen Formtoleranzen gefertigt werden kann. Der Bremseinrichtung 3 nachgeordnet ist ein an sich bekannter, mit dem Vorschub des Kunststoffstrangs 8 synchronisierter Rollenabzug 15. Dem nachgeordnet können weitere Anlagenteile wie eine Kühl- und/oder Vakuumstrecke oder eine Ablängvorrichtung sein. Da derartige Einrichtungen an Extrusionsanlagen allgemein bekannt sind, brauchen diese hier nicht näher erläutert werden.
Der Aufbau und die Funktionsweise der Bremseinrichtung 3 wird nun anhand der Figuren 2 und 3 erläutert: Die von dem Kunststoffstrang 8 durchfahrene Bremseinrichtung 3 umfasst zwei Bremsbacken 16, 17. Die erste Bremsbacke 16 ist zum Kunststoffstrang 8 radial beweglich geführt, die zweite Bremsbacke 17 ist radial unbeweglich. Die radiale Beweglichkeit der Bremsbacke 16 zur fixierten Bremsbacke 17 wird über eine Radialführung 18 sichergestellt, die in der radial unbeweglichen Bremsbacke 17 fixiert ist und auf der die radial bewegliche Bremsbacke 16 gleitet. Die Position der beweglichen Bremsbacke 16 relativ zur fixierten Bremsbacke 17 wird durch eine nicht gezeichnete Pneumatik eingestellt, die einen Aktuator umfasst, mittels welchem die bewegliche Bremsbacke 16 verschoben werden kann. Der Verband der beiden Bremsbacken 16, 17 ist insgesamt zum Kunststoffstrang 8 axial verschieblich, da die radial fixierte Bremsbacke 17 direkt auf dem Schlitten 10 der Linearführung 11 ruht.
Beide Bremsbacken 16, 17 weisen an ihrer dem Kunststoffstrang 8 zugewandten Seite eine Reibfläche 19 bzw. eine Gegenreibfläche 20 auf. Die Reibflächen 19, 20 in den Bremsbacken 16, 17 werden jeweils von einem Messingeinsatz gebildet, der die Gestalt eines rinnenförmigen Ausschnitts eines Zylindermantels hat. Diese Gestalt erhält man, wenn man ein zylindrisches, dünnwandiges Rohr in Längsrichtung halbiert. Die perspektivische Darstellung des Messingeinsatzes, dessen Innenwand die kreiszylindermantelförmige Gegenreibfläche 20 bildet, zeigt Figur 4. Der Radius r beider Reibflächen 19, 20 ist gleich und geringfügig kleiner als der halbe Durchmesser d des Außendurchmessers des Kunststoffstranges 8, der ihm von der Kalibrierung 2 aufgeprägt wurde. Die bewegliche Bremsbacke 16 ist bis in eine Endstellung gegen die unbewegliche Bremsbacke 17 verfahrbar, in welcher sich die beiden Reibflächen 19, 20 zu einem den Kunststoffstrang 8 umfassenden Zylindermantel ergänzen. Aufgrund des geringfügigen Untermaßes der Reibflächen 19, 20 findet eine Flächenberührung zwischen den Bremsbacken 16, 17 und dem Kunststoffstrang 8 statt, sodass die Flächenpressung gering ist. Ein ungebührlicher Spannungseintrag in das Extrudat wird daher vermieden. Eine geringfügige Verletzung des Stranges ist unschädlich, da das Halbzeug ohnehin noch spanend weiterverarbeitet wird.
Der optimale Staudruck von etwa 5 bar innerhalb des erkaltenden Extrudats wird über die Axialkraft A eingestellt, welche die Bremseinrichtung 3 in den Kunststoffstrang 8 einbringt. Hierfür beaufschlagt der Aktuator der Pneumatik die bewegliche Bremsbacke 16 mit einer in Richtung der fixierten Bremsbacke 17 gewandten Radialkraft R. Dabei wird der Strang 8 zwischen Reibfläche 19 und Gegenreibfläche 20 gepresst, sodass an den Reibflächen 19, 20 eine der Radialkraft R proportionale Reibkraft entsteht, die als dem Vorschub des Kunststoffstranges 8 entgegenrichtete Axialkraft A resultiert. Durch den Luftdruck im pneumatischen Aktuator wird die Radialkraft R gesteuert, sodass die Axialkraft A mittels der Bremseinrichtung 3 hinsichtlich ihres Betrages veränderlich ist. Die Axialkraft A wird wie bereits beschrieben über die Kraftmessdose 9 sehr genau gemessen.
Ein nicht gezeichneter Regelkreis hält die Axialkraft A und damit den Staudruck im Kunststoffstrang 8 konstant. Hierzu nimmt der Regelkreis den vom Kraftaufnehmer 9 gemessenen Axialkraft-Istwert entgegen, vergleicht diesen ständig mit einem voreingestellten Axialkraft-Sollwert und stellt die Radialkraft R über die Pneumatik entsprechend ein, um den Axialkraft-Istwert dem Axialkraft-Sollwert anzugleichen. Ist die Axialkraft zu gering, wird durch stärkeres Anziehen der beweglichen Bremsbacke 16 die Radialkraft R erhöht; ist der Staudruck im Extrudat zu groß, wird der Luftdruck im Aktuator gesenkt. Mithin stellt die Axialkraft A innerhalb des Regelkreises die Regelgröße X dar, währenddessen die Radialkraft R als Stellgröße Y fungiert. Die Regelung erfolgt über einen PID-Regler. Das Verstellen der Radialkraft R geschieht deutlich dynamischer als das Verstellen der Schneckendrehzahl oder das Verändern einer aufgeprägten Abzugsgeschwindigkeit, was beides ein im Stand der Technik üblicher Regelansatz ist. Gleichwohl lässt sich die erfindungsgemäße Regelung über die Radialkraft R mit der klassischen Regelung über Schneckendrehzahl und Abzugsgeschwindigkeit als Stellgrößen kombinieren. Bezugszeichenliste
1 Extruder
2 Kalibrierung
3 Bremseinrichtung
4 Trichter
5 Schnecke
6 Staukammer
7 Extrusionswerkzeug
8 Kunststoffstrang
9 Kraftmessdose als Kraftaufnehmer
10 Schlitten
11 Linearführung
12 Anschlag
13 Gestell
14 Schlitten der Kalibrierung
15 Rollenabzug
16 Bremsbacke, radial beweglich
17 Bremsbacke, radial fixiert
18 Radialführung
19 Reibfläche
20 Gegenreibfläche
E Extrusionshchtung A Axial kraft R Radial kraft r Radius der Reibflächen d Durchmesser Kunststoffstrang