Mehrwellenextruder

Die Erfindung bezieht sich auf einen Extruder bestehend aus einem Antrieb und einen damit fest verbundenem Verfahrensteil mit mehreren im Kreis angeordneten Schneckenwellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur kontinuierlichen Aufbereitung von Stoffen.

Die mechanische und thermische Aufbereitung von Stoffen mit einem Extruder wird vielfach mehrstufig durch über die Verfahrenslange verteilte Kombinationen von Forderabschnitten zum Mischen, Aufschmelzen, Benetzen, Dispergieren, Entgasen, Reagieren, usw., durchgeführt. Dabei werden unterschiedliche Stoffe in unterschiedlicher Form und Konsistenz als Granulat, Faser, Pulver, usw., die zumindest zum Teil viskos bis plastisch verformbar sind, zugeführt, verarbeitet und in einem plastischen, temperaturgefuhrten Prozess zu geformten Gegenstanden, z.B. einem Profil, oder zu ungeformtem Granulat extrudiert. Wenn das Produkt dem Extruder bei Raumtemperatur zugeführt wird, wird der größte Teil der Energie zum Erwarmen und Plastiflzieren benotigt. Zur übrigen verfahrenstechnischen Bearbeitung ist hingegen nur ein kleinerer Energieanteil erforderlich.

Nach EP 0 852 533 Bl wird für gleichsinnig drehende, dicht- kammende Doppelschneckenextruder mit einem Schneckenaußen- durchmesser Da und einem Schneckeninnendurchmesser Di mit einem Da/Di-Verhaltnis zwischen 1,4 und 1,6 sowie bei Drehzahlen über 600 UpM eine Drehmomentdichte von mindestens

11 Nm/cm ³ verwendet, wobei die Drehmomentdichte das Verhältnis des Drehmoments je Welle zum Achsabstand ³ (Md/a ³ ) ist. Bei Ausrüstung der Doppelschneckenextruder mit Tragwelle und einem Aufstecksystem der Forderelemente mit einem Da/Di von 1,55 ist die Drehmomentdichte nach dem Stand der Technik mit 14 Nm/cm ³ je Welle ein Grenzwert, der auch durch die Festigkeit der Tragwelle begrenzt ist. Bezogen auf einen Extruder mit zwei entsprechenden Wellen ergibt sich damit eine Drehmomentdichte von 28 Nm/cm ³ .

Die Leistungsfähigkeit eines Extruders mit gleichem Tragwellensystem ist weiter steigerungsfahig, wenn nach dem Artikel von Frank Vorberg in Kunststoffe 8/2000 ein Mehrwellenextruder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit zwölf Wellen verwendet wird. Aus den in diesem Artikel genannten technischen Daten errechnet sich bei einem Da/Di-Verhaltnis von 1,55 als Auslegungsdaten eine Drehmomentdichte Md/a ³ je Welle zwar von nur 5 Nm/cm ³ und eine relativ niedrige Wellenbelastung. Im Vergleich der Leistungsfähigkeit mit der Doppelschnecke liegt jedoch die Drehmomentdichte des Mehrwellenextruders mit 60 Nm/cm ³ doppelt so hoch.

In EP 1 425 151 Bl wird das Verfahrenstell eines Mehrwellenextruders mit mindestens vier gleichsinnig drehenden, voll- standig selbstreinigenden Schneckenwellen mit einem Da/Di- Verhaltnis von 1,3 bis 1,7 für die Aufbereitung eines PoIy- kondensats beschrieben. Wegen der hohen mechanisch-thermischen Produktbelastung wird die Drehzahl auf 600 UpM begrenzt, obwohl die Drehmomentdichte pro Welle mindestens 9 Nm/cm ³ betragt, was bei vier Wellen im Maschinenvergleich 36 Nm/cm ³ bedeutet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mehrwellenextruder bereitzustellen, der eine große wirtschaftliche Leistung bei hoher Produktqualitat und großer Einsatzbreite bietet.

Dies wird erfindungsgemaß mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Mehrwellenextruder erreicht. In den Unteranspruchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Der erfindungsgemaße Extruder weist einen Antrieb für wenigstens sechs im Kreis angeordnete Wellen auf, die über Kupplungen die koaxial angeordneten Wellen im Verfahrensteil zur Forderung und zum Druckaufbau gleichsinnig drehend antreiben. Die axiale Lange des Verfahrensteils betragt mindestens 6 Da.

Nach der Erfindung weist der Mehrwellenextruder mindestens sechs auf einem Teilkreis angeordnete Wellen auf. Bei sechs Wellen ist im Allgemeinen eine Anordnung im geschlossenen Teilkreis möglich, sodass die Wellen in einem Ringraum zwischen dem Außengehause und dem Innengehause des Verfahrensteils angeordnet sind. Der entscheidende Vorteil dabei ist, die ideale Ausgewogenheit der wirksamen Kräfte sowohl im System des Verfahrensteils, und ganz besonders für das Antriebssystem, wo das Maschinendrehmoment als erste grundlegende Große für Wirtschaftlichkeit und Produktqualität generiert wird.

Voraussetzung ist dabei die Einbringung des Drehmomentes des Antriebs über die Ritzel in die Wellen frei von Biegelast. Dies erfolgt durch einen radial gegenüberliegenden Eingriff der Zahnrader mit gleicher Kraft in die dazwischen liegenden Ritzel. Dadurch werden nicht nur die Radiallager der Wellen entlastet, sondern es entfallt vor allem die Biegewechsellast auf die Wellen, sodass das zulassige Drehmoment wesentlich

erhöht werden kann. Zwecks Ausfuhrung der Ritzel mit dem größtmöglichen Kopfkreisdurchmesser wird das Ritzel jeder zweiten Welle um etwas mehr als die Ritzelbreite und die Radiallagerbreite axial versetzt, sodass sich als kleinster Achsabstand mit Kopfkreisdurchmesser des Ritzels plus Wellendurchmesser plus Spiel ergibt.

Das mit dem Getriebe verbundene Verfahrensteil weist erfin- dungsgemaß mehrere im Kreis angeordnete Forderwellen auf, die von einem oder mehreren Außengehauseabschnitten umschlossen werden. Die Forderwellen sind in einem ersten Abschnitt mit besonders dicht kammenden 0,25 bis 2 Da langen Schnecken besetzt, die auch vom Gehäuse am ganzen Umfang dicht umschlossen sind, um den Verfahrensraum innen vom Luftraum außen zu trennen. Diesem folgt ein zweiter Abschnitt mit Forderschnecken in einer Lange zwischen 2,0 bis 6 Da, die von einem partiell nicht dichten und zum Luftraum offenen Gehäuse umschlossen sind. Dem zweiten Abschnitt folgt ein dritter Schneckenabschnitt, der mindestens 1,25 Da lang ist sowie radial und axial dicht kammende Schnecken zum Druckaufbau aufweist, um das Produkt einer Forderstruktur in einem vierten Abschnitt zuzuführen, die unter Bildung von Stirnflachen mit fortschreitend zueinander winkelversetzten Kurvenscheiben oder Schneckenabschnitten mit einer beliebigen Gangsteigung, bei einer Mindestlange von 1 Da und je Da Lange einen freien radialen Durchtrittsquerschnitt im Teilkreis von außerhalb nach innerhalb von mindestens H, insbesondere 1/3 der freien Forderflache, aufweist (vgl. EP 0 422 272 B2 und DE 102 07 145 Al). Dadurch erfolgt ein radialer Stoff- und Druckausgleich von Gang zu Gang der durch die winkelversetzt angeordneten freien Stirnflachen der winkelversetzt angeordneten Einzelelemente bzw. Abschnitte besonders intensiv ist. Die einzelnen Elemente bzw. Abschnitte des emstuckigen Elements, das die Forderstruktur bildet, können einzeln oder mehrfach

hintereinander gleich oder unterschiedlich ausgebildet oder mit gleichem oder unterschiedlichem Winkel zueinander versetzt angeordnet sein. So kann die Winkelversetzung bei zwei- gangigen Schnecken 90°+- 60° betragen. Die durch die Winkelversetzung gebildeten frei werdenden Stirnflachen können senkrecht ausgebildet sein, beispielsweise bei einer aus Kurvenscheiben gebildeten Forderstruktur oder im Winkel zur Achse der Welle verlaufen.

Diesem Wellenabschnitt kann sich ein fünfter Wellenabschnitt anschließen, der eine Lange von mindestens 0,25 Da aufweist, und zusätzlich als Druckverbraucher ausgebildet ist. Durch den Druckverbraucher wird ein Fließwiderstand erzeugt und damit zusätzlich das Material aufgestaut. Der Druckverbraucher kann durch fordernde oder ruckfordernde Schneckenelemente, ruckfordernde Arbeitselemente, oder Stauscheiben und dergleichen gebildet sein. Um den erforderlichen Widerstand zu erzeugen, weist der Druckverbraucher eine Lange von mindestens 0,25 Da auf.

Der Außendurchmesser der Druckverbraucher kann gleich oder großer als der Achsabstand benachbarter Wellen sein, er ist jedoch höchstens so groß wie der Außendurchmesser Da der Forderschnecken .

Das Verhältnis Da/Di betragt für zwei- und/oder eingangige Forderschnecken insbesondere 1,50 bis 1,93, vorzugsweise 1,6 bis 1,93. Das gleiche bevorzugte Da/Di-Verhaltnis weist die Forderstruktur auf. Die auf die Maschine bezogene Drehmomentdichte Md/a ³ des erfindungsgemaßen Extruders betragt mindestens 50, vorzugsweise mindestens 100, insbesondere mindestens 160, und besonders bevorzugt mindestens 220 Nm/cm ³ , um die gewünschte hohe spezifische Leistung zu erzielen.

Auch die Abschnitte der Forderschnecken und Gehäuse können aus einem oder mehreren gleichen oder unterschiedlichen Elementen bestehen, die nacheinander angeordnet sind. So kann eine zweigangige rechtssteigende Forderschnecke eingangig und/oder zweigangig linkssteigend ganz oder teilweise auf die Lange und/oder die Gangtiefe gleich und/oder unterschiedlich freigeschnitten sein und umgekehrt, wodurch aus dem Schneckenkamin Inseln übrig bleiben.

Da die Wellen im geschlossenen Kreis angeordnet sind, entsteht ein eigenständiger Innenraum, der von den Schneckenwellen im wesentlichen dicht umschlossen ist. Einen Teil des Innenraums füllt das Inngehause aus, dessen äußere Form dem Außendurchmesser der Schneckenwellen entsprechend mit konkaven Vertiefungen versehen ist. Dabei ist vorzugsweise der Druckverbraucher an mindestens einer Welle über eine Lange von mindestens 0,25 Da von dem Innengehause nicht dicht umschlossen. Dazu können die konkaven Vertiefungen des Innenge- hauses über die entsprechende Lange weggelassen sein.

Diese Maßnahme kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn das Innengehause axial unterschiedlich positionierbar ausgeführt ist. Damit kann der Bereich des Innengehauses, der den Druckverbraucher nicht dicht umschließt, aus diesem heraus axial in den Bereich eines Druckverbrauchers hinein positioniert werden, sodass die Wirkung des Druckverbrauchers also beispielsweise der ruckfordernden Schneckenelemente, gestärkt und gleichzeitig möglichst die der Druckerzeuger geschwächt wird, damit der Fullgrad und die Verweildauer steigt und damit mehr Energie in das Produkt eingetragen wird, oder umgekehrt. Dabei kann das Innengehause von wenigstens einem Ende des Außengehauses als Ganzes oder abschnittsweise gleich oder jeweils unterschiedlich axial positioniert werden, z. B.

durch Versetzen oder Verschieben des nicht dicht umschließenden Bereichs des Innengehauses in axialer Richtung.

Das Innengehause ist vorzugsweise kuhlbar ausgebildet und das Außengehause heiz- und kuhlbar. Das Außengehause und/oder das Innengehause kann ein- oder mehrschalig ausgebildet sein. Das Außengehause kann neben dem ersten und zweiten Gehauseteil- stuck ein oder mehrere weitere Gehausestucke mit einer Lange von vorzugsweise 2 bis 10 Da aufweisen, die zueinander positioniert, dicht zusammengehalten und mit oder ohne radial verschlossene Offnungen ausgeführt sein können, wobei die Verschlusse austauschbar oder radial verstellbar ausgeführt und über den Umfang oder die Lange verteilt nacheinander angeordnet sein können. Insbesondere können am Umfang eine oder mehrere in einer oder mehreren radialen Ebenen verteilte Offnungen im Außengehauseumfang zur Zufuhrung und/oder Ableitung von Stoffen vorgesehen sein. Diese Offnungen können z. B. zur Zufuhr mit oder ohne Zufuhrvorrichtung von Pulvern oder Endlosfasern, gegebenenfalls in mehreren Strängen oder Gasableitung am Umfang des Außengehauses symmetrisch em- oder mehrfach gegenüberliegend horizontal und/oder in einem Winkel angeordnet sein.

Der erfmdungsgemaße Extruder ist außer zum Aufschmelzen und Entgasen von Stoffen, insbesondere zum Benetzen von Feststoffen in Nanogroße bis zu Endlosfasern, zum Einarbeiten in Kunststoffe und dergleichen extrudierbare Stoffe bei großer Wirtschaftlichkeit und Qualität geeignet. Denn durch die hohe Drehmomentdichte der Maschine bringt sie mit dem anpassbaren Energieeintrag an den sehr unterschiedlichen Bedarf auch eine höhere Aufschmelzleistung bei einer relativ niedrigeren Umfangsgeschwindigkeit und damit Materialtemperatur.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefugten Zeichnungen beispielhaft naher erläutert. Darin zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch den Mehrwellenextruder;

Figur 2 einen Schnitt durch den Extruder entlang der Linie II-II nach Figur 1 ;

Figur 3 und 4 eine perspektivische Ansicht bzw. Seitenansicht auf einen Knetblock sowie eine andere Ausfuhrungsform der Forderstruktur;

Figur 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in Figur 1;

Figur 6 und 7 einen Schnitt durch den Antrieb des

Extruders entlang der Linie VI-VI bzw. VII-VII in Figur 1.

Gemäß Figur 1 besteht der Mehrwellenextruder aus einem Antrieb 1 mit zwölf auf einem Kreis angeordneten Ritzelwellen 2, die über Kupplungen 3 mit den Schneckenwellen 4 des Verfahrensteils 5 verbunden sind.

Die zwölf Wellen 4 des Verfahrensteils 5 sind gemäß Figur 2 auf einem Teilkreis 7 in einem Ringraum 8 zwischen einem Außengehause 9 und einem Innenkern oder Innengehause 10 achsparallel angeordnet und drehen sich gleichsinnig. Die Schneckenwellen 4 sind mit ineinandergreifenden Forderschnecken 11, 12, 13 und anderen Elementen drehfest verbunden. Dazu sind sie über eine Kerbverzahnung 14 (vgl. Figur 3) auf die Wellen 4 aufgesteckt.

Gemäß Figur 2 ist das Außengehause 9 an der Innenseite mit achsparallelen konkaven Kreissegmenten 15 versehen. Desglei ^¬ chen weist das Innengehäuse 10 achsparallele konkave Kreissegmente 16 auf. Die Kreissegmente 15, 16 nehmen die jeweilige Welle 4 auf und führen sie.

Das eine Ende des Außengehauses 9 ist förderaufseitig gemäß Figur 1 durch eine Endplatte 17 verschlossen. Ferner sind mehrere Materialaustrittsoffnungen 18 in der förderabseitigen Endplatte 19 vorgesehen.

Die axiale Förderlänge L des Verfahrensteils 5 betragt z. B. 20 Da, wobei Da der Außendurchmesser der Forderschnecken 11, 12, 13 ist.

Der Verfahrensteil 5 weist im Anschluss an die Endplatte 17 einen ersten Abschnitt Sl mit einer Lange von beispielsweise 0,5 Da auf, der von dem Außengehause 9 und dem Innengehäuse

10 dicht umschlossen und mit dicht kammenden Förderschnecken

11 versehen ist. An den ersten Abschnitt Sl schließt sich ein zweiter Abschnitt S2 mit einer Lange von z. B. 6 Da an, in dem gleichfalls Förderschnecken 11 vorgesehen sind. Im Abschnitt S2 ist das Außengehäuse 9 auf eine Lange von z. B. 5 Da mit der Materialzufuhroffnung 20 versehen, sodass die Forderschnecken 11 im Abschnitt S2 von einem partiell nicht dichten Außengehause 9 umschlossen sind.

An den zweiten Abschnitt S2 schließt sich ein dritter Abschnitt S3 mit einer Länge von beispielsweise 4 Da an, der von dem Außengehause 9 und dem Innengehause 10 dicht umschlossen ist und in dem die Förderschnecken 11 ebenfalls dicht kämmend ausgebildet sind. Dem dritten Abschnitt S3 folgt ein vierter Abschnitt S4 mit einer Lange von z. B. 2 Da mit einer Forderstruktur 21. Die Förderstruktur 21 wird gemäß

Figur 4 durch ein einstuckiges Element gebildet, das aus fortschreitend zueinander winkelversetzt angeordneten kurzen Schneckenabschnitten 22a bis 22d besteht. Dadurch werden freie Stirnflachen 23a bis 23d gebildet, die gegenüber der Wellenachse 24 geneigt sind.

In Figur 3 ist eine andere Ausfuhrungsform einer Forderstruktur 25 dargestellt, nämlich ein Knetblock, der aus Kurven- scheibenabschnitten 26a bis 26e besteht, die, wie durch die Linie 27 angedeutet, ebenfalls mit einer Steigungsrichtung entsprechend den Forderschnecken 11 bis 13 angeordnet sind, wodurch freie, zur Wellenachse senkrechte Stirnflachen 28a bis 28e gebildet werden. Der radial freie Durchschnittsquerschnitt im Teilkreis 7 von außen nach innen betragt bei den Forderstrukturen 21 und 25 mindestens ein Viertel, insbesondere mindestens ein Drittel der freien Maschinenforderflache .

Gemäß Figur 1 schließt sich an den vierten Abschnitt S4 ein fünfter Abschnitt S5 an, in dem die Wellen 4 mit einem Druckverbraucher versehen sind. Durch den Druckverbraucher wird bei hoher Fließwiderstand erzeugt und damit das Material gestaut. Der Druckverbraucher kann, wie in Figur 1 dargestellt, durch ruckfordernde Schneckenelemente 21 gebildet sein, aber auch durch ruckfordernde Arbeitselemente, wie ruckfordernde Knetblocke, Stauscheiben oder dergleichen. Auch kann er durch fordernde Schnecken oder Schnecken- oder Ar- beitselemente gebildet werden. Um den erforderlichen Druckaufbau zu erzeugen, weist der fünfte Abschnitt S5 eine Lange von mindestens 0,25 Da auf.

Gemäß Figur 1 ist das Außengehause 9 mit Kanälen 30 versehen, durch die eine Warme- oder Kalteflussigkeit geleitet wird, um das Außengehause 9 zu heizen und/oder zu kühlen. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass das Innengehause 10 Axialbohrungen 32

aufweist, um es z. B. mit einer Flüssigkeit zu erwarmen und/oder zu kühlen, die über die Anschlüsse 33, 34 zu- bzw. abgeführt wird.

Wie Figur 1 entnommen werden kann, sind an dem Innengehause 10 in dem Bereich 35 der ruckfordernden Schneckenelemente 29, die den Druckverbraucher bilden, die konkaven Vertiefungen 16 abgetragen oder weggelassen. Damit wird der Druckverbraucher in diesen Bereichen nicht mehr dicht umschlossen, also der Fließwiderstand, den die ruckfordernden Schneckenelemente 29 erzeugen, reduziert.

Das Innengehause 10 ist in der der Materialaustrittsoffnung 18 zugewandten forderabseitigen Endplatte 19 schwimmend gelagert. Es kann damit verschoben werden. Dazu wird die Schraube 36 gelost, mit der das Innengehause 10 an der Endplatte 19 fixiert ist und die Position des Bereichs 35 des Innengehau- ses 10 z.B. mit einem Distanzring 37 eingestellt. Damit kann der Fließwiderstand des Druckverbrauchers eingestellt werden.

Gemäß Figur 2 weist das Außengehause 9 in einer Radialebene vier über den Umfang verteilte Offnungen 38 auf, die jeweils mit einem Stopfen 39 verschließbar sind. Die dem Innengehause 10 zugewandte Oberflache der Stopfen 39 ist entsprechend den Kreissegmenten 15 an der Innenwand des Außengehauses 9 ebenfalls mit konkaven Kreissegmenten 40 versehen. Damit kann durch teilweises Herausziehen der Stopfen 39 die Wirkung des Druckverbrauchers im Bereich der Offnungen 38 verändert werden.

Gemäß Figur 5 weist die Materialzufuhroffnung 20 einen Zufuhrstutzen 41 auf.

Zudem können gemäß Figur 1 weitere Offnungen im Außengehause 9 vorgesehen sein, an denen jeweils ein Einbau 45 mit einer Forderschnecke 46 angeordnet ist.

Die Schneckenwellen 4, die sich durch die forderaufseitige Endplatte 17 erstrecken, werden von dem Antrieb 1 gleichsinnig drehend angetrieben. Gemäß Figur 1 ist der Antrieb 1 mit der Endplatte 17 des Verfahrensteiis 5 über ein Verbindungs- gehause 47 verbunden.

Der Antrieb 1 weist eine nicht dargestellte Hauptantriebswelle auf, die über ein Verzweigungsgetriebe eine dazu koaxial innenliegende Antriebswelle 48 sowie vier außen liegende achsparallele Antriebswellen 55 bis 58 antreibt.

An den Ritzelwellen 2, die die Abtriebswellen des Antriebs 1 bilden, ist jeweils ein Ritzel 59, 60 drehfest befestigt und zwar vorzugsweise durch emstuckige Ausbildung der Welle 2 und des Ritzels 59 bzw. 60. Die Ritzel 59, 60 benachbarter Wellen 2 sind axial versetzt angeordnet, d. h. die Ritzel 59 sind naher als die Ritzel 60 am Verfahrenstell 5 angeordnet.

Die zentrale Antriebswelle 48 ist drehfest mit zwei axial versetzten innenliegenden außen verzahnten Antriebsradern 61, 62 versehen, die mit den Ritzeln 59, 60 kämmen. Die Ritzel 59, 60 werden sowohl von den zentralen außen verzahnten Antriebsradern 61, 62 als auch von dem radial gegenubliegend angeordneten, umfassenden, innenverzahnten Hohlrad 64, 65 angetrieben, welche ihrerseits entsprechend axial versetzt angeordnet sind.

Jedes Hohlrad 64, 65 ist mit einer Außenverzahnung versehen, mit der ein außen verzahntes Antriebsrad 66 bis 69 auf den vier außen liegenden Antriebswellen 55 bis 58 kämmt. Die

außen liegenden Antriebsrader 66 bis 69 sind entsprechend den Ritzeln 59, 60 bzw. den innen liegenden Antriebsradern 61, 62 bzw. den Hohlradern 64, 65 axial versetzt angeordnet.

Der Antrieb der außen liegenden Antriebsrader 57 und 58 und wie dargestellt der zusätzlichen Antriebsrader 55 und 56 der zentralen Antriebswelle 48 kann durch getrennte elektrische Antriebsmotore je Welle, oder mit mechanischer Leistungsverzweigung erfolgen.

Die Hohlrader 64, 65 sind hier durch je zwei außen liegenden diametral gegenüberliegenden Antriebsrader 66, 68 bzw. 67, 69 damit weitgehend krafteneutral zentriert. Grundsatzlich ist jedoch nun ein Antriebsrad je Hohlrad notig.

Damit weist der Antrieb 1 in zwei baugleiche Gruppen geteilte, auf einem Kreis 7 angeordnete Ritzelwellen 2, die radial von innen und von außen mit gleichen Kräften und in gleicher Richtung und diametral gegenüberliegend angetrieben und über Kupplungen 3 koaxial an die Schneckenwellen 4 des Verfahrens- teils 5 angeschlossen sind.