EP4507871A1 - Mehrwellige schneckenmaschine mit einem paar schneckenelementen mit verbesserter misch- und entgasungswirkung bei reduziertem energieeintrag - Google Patents

Mehrwellige schneckenmaschine mit einem paar schneckenelementen mit verbesserter misch- und entgasungswirkung bei reduziertem energieeintrag

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Publication number
EP4507871A1
EP4507871A1 EP23718209.2A EP23718209A EP4507871A1 EP 4507871 A1 EP4507871 A1 EP 4507871A1 EP 23718209 A EP23718209 A EP 23718209A EP 4507871 A1 EP4507871 A1 EP 4507871A1
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EP
European Patent Office
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screw
elements
pair
profile
screw elements
Prior art date
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Pending
Application number
EP23718209.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Koenig
Michael Bierdel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Covestro Deutschland AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Covestro Deutschland AG filed Critical Covestro Deutschland AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • B29C48/76—Venting, drying means; Degassing means

Definitions

  • the subject of the present invention is a pair of screw elements, suitable for a multi-shaft screw machine with m screw shafts SWi to SW m rotating in the same direction and at the same speed, the respective adjacent axes of rotation X 1 to penetrating, circular housing bores, each of which has an identical housing bore inner diameter D and whose bore centers M 1 to M m have a distance that is equal to the center distance A, and whose bore centers M 1 to M m with the respective associated axes of rotation X 1 to X m Worm shafts SWi to SW m and coincide with the centers of rotation P 1 to P m of the screw elements, the two screw elements of the pair of screw elements lying opposite one another on immediately adjacent screw shafts, the two screw elements of the pair of screw elements scraping each other with a play between screw element and screw element s, wherein both screw elements have an asymmetrical screw profile, both screw elements each having exactly two combs, with each of the two screw elements having its two combs at different distances from the respective center
  • BKW ⁇ * BKGW (1) fulfilled where for the factor ⁇ the factor ⁇ is greater than 0 and less than or equal to 0.95, where BKGW is determined by:
  • WO 2011/006516A1 an extruder with a housing with at least two axially parallel shafts that can be driven in the same direction is disclosed, which are provided with at least two-threaded conveyor elements which strip each other at an axial distance with little play over the entire circumference, with between the comb of at least one further There is a distance (a) between the corridor and the inner wall of the housing.
  • a multi-shaft screw machine is known from EP0875356A2.
  • the multi-shaft screw machine is provided with a housing, with two mutually parallel, partially penetrating housing bores, with two rotatable shafts arranged in the housing bores, with screw elements mounted on the shafts in a rotationally fixed manner and with kneading disks that mesh with one another in a rotationally fixed manner on the shafts are each narrowed in their comb areas compared to the disc width (B) to form mixing and scraper pins located on the circumference.
  • EP 0 788 868 A1 describes a method and a device for mixing thermoplastic material with continuous rollers.
  • the device has a mixing chamber and at least one pair of threaded shafts arranged within the mixing chamber (5), the threaded shafts having at least a tip portion of the thread and at least a core portion of the thread which are asymmetrical with respect to the longitudinal axis of the shaft are lowered to create surfaces of the shafts and an empty space between the countersunk threaded portion and the inner surface of the chamber to perform rolling of the material on at least a portion of the surface of the chamber itself during the feeding of the material to the outlet of the mixing chamber.
  • WO 2016/107527 A1 discloses a self-cleaning extrusion device with two synchronous screws.
  • the device consists of a screw mechanism, a cylinder, a feed port, a vent port and an outlet port.
  • a multi-shaft screw machine is understood to mean a screw machine with more than one screw shaft, for example a screw machine with two, three or four screw shafts or an extruder with eight to sixteen, in particular twelve, screw shafts arranged in a ring.
  • the axes of rotation of the screw shafts can be arranged next to one another or, for example - as in a so-called ring extruder - in a ring shape relative to one another.
  • the axes of rotation of the screw shafts are usually arranged parallel to one another. This parallel arrangement of the axes of rotation is also preferred according to the invention.
  • the screw elements of the pair of screw elements according to the invention are preferably arranged directly opposite one another on the screw shafts in a number that corresponds to the number of screw shafts of the respective extruder.
  • a screw machine with more than one screw shaft is also referred to below as a multi-screw screw machine, multi-screw screw machine or multi-screw extruder.
  • a twin-screw screw machine is also referred to below as a twin-screw extruder.
  • screw machine is used synonymously with the term “extruder”.
  • An extruded mass or mass to be extruded is also referred to below as “extrudate”.
  • the multi-shaft screw machine is preferably a twin-screw extruder with two screw shafts SWi to SW2 rotating in the same direction and at the same speed, with adjacent axes of rotation X 1 and X 2 , bore centers M 1 and M 2 and centers of rotation P 1 and P 2 .
  • an extrudate is a plastic or viscoelastic mass, in particular selected from the group comprising the members: suspensions, pastes, glass melts, unfired ceramics, metal melts, or plastics.
  • plastics are understood to mean in particular: polymers, in particular polymer melts or polymer solutions, again in particular melts or solutions of thermoplastic polymers or melts or solutions of elastomers, especially rubbers.
  • the preferred thermoplastic polymer is at least one from the series polycarbonate, polyester carbonate, polyamide, polyester, in particular polybutylene terephthalate and polyethylene terephthalate, polylactide, polyether, thermoplastic polyurethane, polyacetal, fluoropolymer, in particular polyvinylidene fluoride, polyether sulfones, polyolefin, in particular polyethylene and polypropylene, polyimide, polyacrylate, in particular poly(methyl) methacrylate, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyether ketone, polyaryl ether ketone, styrene polymers, in particular polystyrene, styrene copolymers, in particular styrene-acrylonitrile copolymer, acrylonitrile butadiene styrene block copolymers and polyvinyl chloride.
  • blends made from the polymers listed are also preferably used, which the person skilled in the art understands to be a combination of two or more polymers.
  • the preferred rubber is at least one from the series of styrene-butadiene rubber, natural rubber, butatidene rubber, isoprene rubber, ethylene-propylene-diene rubber, ethylene-propylene rubber, butadiene-acrylonitrile rubber, hydrogenated nitrile rubber, butyl rubber, Halobutyl rubber, chloroprene rubber, ethylene vinyl acetate rubber, polyurethane rubber, thermoplastic polyurethane, gutta percha, arylate rubber, fluororubber, silicone rubber, sulfide rubber, chlorosulfonyl polyethylene rubber are used.
  • a combination of two or more of the rubbers listed, or a combination of one or more rubber with one or more other plastics is of course also possible.
  • thermoplastics or rubbers can be used in pure form or as mixtures with fillers and reinforcing materials, such as glass fibers in particular, as mixtures with each other or with other polymers or as mixtures with conventional polymer additives.
  • additives are added to the plastic masses, in particular to the polymer melts and mixtures of polymer melts. These can be added to the extruder as solids, liquids or solutions together with the polymer, or at least some or all of the additives are fed to the extruder via a side stream.
  • Additives can give a polymer a variety of properties. These can be, for example, colorants, pigments, processing aids, fillers, antioxidants, reinforcing substances, UV Absorbers and light stabilizers, metal deactivators, peroxide scavengers, basic stabilizers, nucleating agents, benzofurans and indolinones that act as stabilizers or antioxidants, mold release agents, flame retardant additives, antistatic agents, colorants and melt stabilizers. Examples of these are carbon black, glass fiber, clay, mica, graphite fiber, titanium dioxide, carbon fibers, carbon nanotubes, ionic liquids and natural fibers.
  • an asymmetrical screw cross-sectional profile is characterized in that there is no mirror axis or axis of rotation through any point in the plane of the screw cross-sectional profile with which a screw cross-sectional profile congruent to an initial screw cross-sectional profile can be generated;
  • the design center KP is the point within the screw cross-sectional profile, which is the center of all circular arcs that form combs and grooves.
  • the construction center KP of a screw profile coincides with the rotation center P of this screw profile.
  • EP 0002131 A 1, Fig. 5 (A) or Fig. 5 (B) shows the screw profiles of a pair of screw elements which are asymmetrical in the sense of the present invention.
  • the screw profiles of a pair of screw elements shown in EP 0002131 A1, Fig. 5 (A) or Fig. 5 (B), also have the property that they are not congruent, but they can be converted into one another by axes mirroring and rotation .
  • a screw cross-sectional profile also referred to as a screw profile for short in the context of this invention, is understood to mean the outer contour of a screw element in a flat section at right angles to the axis of rotation of the screw element.
  • the screw profile on the first shaft is therefore referred to as the generating screw profile.
  • the screw profile on the second shaft follows from the screw profile of the first shaft of the twin screw extruder and is therefore referred to as the generated screw profile.
  • Twin-shaft screw machines rotating in the same direction, whose screw shafts scrape each other precisely, have been known for a long time, for example from DE 862 668 C.
  • screw machines with screw shafts, whose screw elements are based on the principle of precisely scraping screw cross-sectional profiles have a wide range of uses experience.
  • Modern extruders have a modular system in which various screw elements can be mounted on a core shaft to form a screw flute; Such a snail shaft is therefore segmented. This allows the expert to adapt the extruder to the respective process task.
  • a worm shaft can also be made in one piece, i.e. have only one worm element that extends essentially over the entire length of the worm shaft, or it can only be partially segmented.
  • the present invention relates to both Screw elements that can be mounted on a core shaft, as well as on the screw shafts described above, which are made from just one piece.
  • multi-screw extruders in particular twin-screw extruders, introduce mechanical energy into an extrudate through dissipation.
  • This has desirable and undesirable consequences because, on the one hand, the energy input is necessary to fulfill process engineering tasks such as mixing and degassing and, on the other hand, the mechanical energy introduced is consumed and also leads to temperature increases in the extrudate, which can lead to undesirable chemical reactions that damage the extrudate .
  • Degassing i.e. the removal of volatile components
  • multi-screw extruders in particular twin-screw extruders, as described, for example, in [1], pages 494 to 525.
  • twin-screw extruders for example, twin-screw extruders
  • the highest possible efficiency in degassing with low energy input is desirable in order to achieve economically high throughputs and good extmdata quality.
  • Such processes are, in addition to generally described in [1], also, for example, in WO2010139413A1 [2], which describes a device and method for degassing solvent-containing polycarbonate solutions.
  • a polymer For degassing, a polymer is transported as an extrudate in a partially filled section past a degassing opening. Through the opening, volatile components such as by-products, monomers, oligomers, solvents or degradation products of the polymer resulting from polycondensation reactions can be removed under the influence of temperature, water, oxygen or other components. In order to improve the removal of volatile components, the pressure in the degassing opening is reduced compared to the ambient pressure, depending on the degassing task.
  • pages 494 to 525 it is also described that bubble formation and thus foaming of polymer melts is useful for residual degassing because it creates an inner surface that improves mass transfer.
  • Foaming requires a sufficiently high excess pressure of volatile components in the polymer, about 1 bar. By applying shear to the polymer, bubble formation can be promoted, thereby improving the degassing effect.
  • the extrudate in a twin-screw extruder is sheared particularly strongly between a screw comb and the inner wall of the housing bore of an extruder. A particularly large amount of energy is dissipated into the extrudate, which locally leads to severe overheating in the extrudate. This is for example in [1] on pages 416 to 423, pictures 4.80 to 4.84. shown.
  • EP 0002131 A1 [5] describes eccentric, asymmetrical screw elements that practically scrape each other, in which one comb of a respective screw element has a smaller distance from the inner wall of the housing bore of an extruder than the other comb or combs of the respective screw element.
  • the main effect described there is the exchange of material between the extruder housing bores and uniform, intensive shear.
  • These screw elements have Z combs and Z grooves for Z ⁇ 2 flights.
  • the clearance between screw element and screw element s - i.e. the distance between the screw profiles of the screw elements of a pair of screw elements that lie opposite one another on two immediately adjacent screw shafts - is not taken into account.
  • the game strategies longitudinal equidistant, circular equidistant and spatial equidistant are also referred to below as longitudinal equidistant calculation rules and circular equidistant calculation rules and spatial equidistance calculation rule.
  • Another game strategy is to increase the center distance according to [1], pages 40 and 41.
  • the spatial equidistance is mentioned, for example, in [1], pages 40 and 41.
  • a spatial equidistance can, for example, be based on a parameter representation of the outer surface of an exact scraping screw element can be obtained, where a and b stand for parameters that are to be selected according to the equation with which the outer surface of the relevant one is exactly scraping screw element is described. Below, some examples of what such a parameter representation can look like are described.
  • the screw profile of each of the two screw elements can be in the x - y plane, with the respective axis of rotation Axis coincides, and the distance to the axis of rotation r e ( ⁇ ) is given as a 2 ⁇ periodic function of the screw profile of the angle y to the x-axis, by a representation of the exactly scraped screw element profile according to the following equation (5) be played back.
  • Such a pair of screw elements can be formed, for example, as a pair of conveying elements or as a pair of kneading disks.
  • the screw profile is continued in space helically in the plane in order to obtain the delimiting surface of a precisely scraped screw element.
  • the result is, with the z coordinate as an additional parameter
  • the positive sign stands for a right-handed screw profile, the negative sign for a left-handed screw profile.
  • the screw profile is moved into space along the z-axis so that results.
  • a snail profile for example a precisely scraped snail profile
  • a precisely scraped snail profile is built up in sections in the plane via circular arcs i with the center coordinates and the radius and ⁇ is an angle for whose valid values the circular arc represents an exactly scraping snail profile
  • the circular arc can pass through to be discribed. The following then applies to the representation of a delimiting surface of a precisely scraping conveyor element in space and for the representation of a delimiting surface of a precisely scraping kneading disk accordingly
  • the pitch T of a screw element is the axial length that is required for complete rotation of the screw profile of the screw element.
  • the circular equidistant method also assumes a precisely scraped snail profile in the plane. Starting from the precisely scraped snail profile in the x - y plane, a perpendicular is cut at each point, whereby the direction of the perpendicular is selected so that it points into the interior of the snail profile. The point is s/2 along this perpendicular into the interior of the If the screw profile is shifted, it then belongs to the technically designed screw profile. If a section of a precisely scraped screw profile is a circular arc with radius r i , the associated section of the associated technically designed screw profile is a circular arc with the same center and radius
  • the crest angle for the spatial and longitudinal section equidistant becomes larger; for a gradient towards infinity, the spatial and longitudinal section equidistance go against the circular equidistance, that is, for a gradient towards infinity, the spatial and longitudinal section equidistance calculation rule delivers the same comb angle as the circular equidistance calculation rule.
  • a game strategy is used to determine the game between screw element and screw element s, i.e. the distance between the screw profiles of a pair of screw elements that lie opposite one another on two immediately adjacent screw shafts. This screw element-screw element clearance s between these two screw elements does not have to be constant, but it is preferably constant.
  • the prior art does not show a solution to the problem of how good degassing of the extrudate, which requires high shear, can be achieved in an extruder and at the same time how damage to the extrudate due to excessive energy input can be avoided is a consequence of the high shear, whereby, on the one hand, the exchange of extrudate on the inner wall of the housing bore of an extruder is increased, because otherwise the degassing of the extrudate is only low, and on the other hand, a good mixing effect and dispersion can be achieved.
  • degassing takes place primarily from the surface of the extrudate and fresh, not yet degassed extrudate must be transported there in order to enable further degassing.
  • the degassed extrudate should be as homogeneous as possible, which requires a uniform energy input and the avoidance of local overheating.
  • the pair of screw elements should also achieve good dispersion and a good mixing effect. Damage to the extrudate should preferably be avoided by the pair of screw elements ensuring a reduced energy input into the extrudate without impairing the degassing of the extrudate.
  • a helical profile is a closed convex curve.
  • a snail profile is made up of several different curves, which - depending on their geometric properties - are referred to as a “comb”, a “flank” or a “groove”.
  • the radius of curvature of the screw profile is less than or equal to the center distance and greater than or equal to zero at every point.
  • a zero radius of curvature is equivalent to a kink in the screw profile.
  • a kink is a location on a screw profile where starting from a parameter representation with the arc length l as a parameter for a parameter value l k , it holds that the left-hand and right-hand limits for the values of the functions x(l) and y(l) agree (this is identical to the property that the curve is closed at this point ), so and the direction vectors of the derivatives of the curve according to the arc length l do not point in the same direction, so their cross product does not disappear:
  • the kink is located at the intersection of the two circular arcs. It is possible to treat a bend as a circular arc with the center equal to the intersection of the two circular arcs and with zero radius; this is done in the examples.
  • a curve is a continuous line having a length greater than zero but no width, a curve having a first end point and a second end point that are not one and the same point; that is, the first end point does not coincide with the second end point.
  • a curve can be composed of several, finitely many curve sections, with a first curve section having a common point of contact with a second curve section which is immediately adjacent to the first curve section.
  • a curve can also consist of exactly one curve section.
  • a curve may only have a finite number of kinks, which by definition can only occur in the common contact point of two immediately adjacent curve sections of a curve. There can also be a kink in the common contact point of two immediately adjacent curves.
  • a curve segment is a portion of a curve path, the curve segment having a first end point and a second end point that are not one and the same point; that is, the first end point does not coincide with the second end point.
  • a curve section is preferably selected from the group comprising the following members: circular arc, elliptical arc, parabolic arc, or a spline or a section of a spline, result of the application of the longitudinal section equidistance calculation rule according to [1], pages 117 to 121 on circular arcs, elliptical arcs or parabolic arcs, or on a spline or on a section of a spline, result of the application of the spatial equidistance calculation rule to circular arcs, elliptical arcs or parabolic arcs, or on a spline or on a section of a spline, or result of the application of the circular equidistance calculation rule, on circular arcs, elliptical arcs, parabolic arcs, or on a spline or on a section of a spline.
  • a curve section that it is a line that is in a parameter representation of its arc length l can be represented and in which x k,l (l) and y k,l (l) are analytical functions and x and y are the coordinates of the line in the plane, and can therefore be represented by infinite power series, continuous, can be differentiated as often as desired and therefore kink-free .
  • a piece is either a curve section or a bend.
  • a closed, convex curve is an uninterrupted line of non-zero length but no width, composed of one or more curves, which in turn are composed of one or more curve sections. It does not have an excellent starting and ending point. You can determine the length of the curve starting from any point on the curve by adding up the length of the curve sections once around the curve. Any tangent to a closed, convex curve lies outside the area enclosed by the curve.
  • a closed curve which is a helical profile, divides the area of that plane into an area inside the closed curve and an area outside the closed curve.
  • a circular arc is a section of curve in which all points of the circular arc have the same distance, called radius, from a common center.
  • An arc has a start and an end point, which are not the same point.
  • a circular arc is only considered a circular arc if and only if all points of this circular arc have the same center and the same radius and the points of this circular arc form an uninterrupted curve section; that is, two immediately adjacent circular arcs that have a common point of contact are only considered as two circular arcs if they have a different center or a different radius. According to the invention, only circular arcs are used that have a center angle smaller than ⁇ in radians.
  • the center of rotation P of a screw profile is the intersection of the axis of rotation X of a screw element with the cross-sectional plane perpendicular to this axis of rotation.
  • the center of rotation P of the screw profile hereinafter also referred to as the pivot point P or fulcrum, also coincides with the center point M of the housing bore in which the respective screw element is located or for which the respective screw element is designed.
  • a pivot point P is the point around which a screw profile rotates as a cross-sectional image of a screw element.
  • a comb is a curve of a snail profile in which all points of this curve, apart from the common points of contact with the two curve sections immediately adjacent to the comb, are at a greater distance from the pivot point P than the two curve sections immediately adjacent to the comb.
  • the curve that forms a comb is exactly a curve section that is exactly a circular arc with the pivot point P of the screw profile as the center.
  • all combs of a screw profile are each formed by exactly one circular arc, each of which has the pivot point P of the screw profile as the center.
  • the comb radius is the distance of the respective comb from the pivot point P of a screw profile.
  • a groove is a curve of a screw profile in which all points of this curve, apart from the common points of contact with the two curve sections immediately adjacent to the groove, are at a smaller distance from the pivot point P than the two curve sections immediately adjacent to the groove.
  • the curve that forms a groove is exactly a curve section that is exactly a circular arc with the pivot point P of the screw profile as the center.
  • all grooves of a screw profile are each formed by exactly one circular arc, each of which has the pivot point P of the screw profile as the center.
  • a flank is a curve of a screw profile between a comb and a groove that is convex to the center of rotation P, this flank having a common point of contact with the comb and with the groove.
  • a flank can be a single curve section or composed of several curve sections.
  • the radius of curvature of a flank is less than or equal to the center distance A at every point, preferably smaller than the center distance A.
  • the mathematical expressions which form the basis of a curve section of a flank are preferably selected from the group of mathematical expressions comprising the following members: circular arc, result of the application of the longitudinal section equidistance calculation rule according to [1], pages 117 to 121 to a circular arc with a radius of curvature smaller than center distance A or equal to center distance A of a precisely scraping snail profile composed only of circular arcs, result of the application of the spatial equidistance calculation rule to a circular arc with a radius of curvature smaller than center distance A or equal to center distance A of an exactly scraping snail profile composed only of circular arcs and result of the application of the circular equidistance calculation rule a circular arc with a radius of curvature smaller than center distance A or equal to center distance A of
  • Components of the pair of screw elements according to the invention or the associated screw profiles can be provided with index characters such as n, m, or i, or with natural numbers in order to be able to distinguish these components from one another if these components can occur multiple times.
  • a person skilled in the field of designing screw elements for extruders can estimate or determine through CFD simulations what values these variables have for a given extruder depending, for example, on the viscosity of the extrudate at the processing temperature, the desired degree of filling of the extruder, the desired energy input into the extruder Extrudate or the speed of the shafts, must be assigned sensibly. Especially if such a value was obtained through assessment, it is usually necessary to confirm it or determine it more precisely through simulations; this is usually done iteratively.
  • the additional gap SP By selecting the additional gap SP, the mass transfer on the inner wall of the housing and the mixing effect can be adjusted.
  • S the maximum shear can be set and with ⁇ the comb angle and thus the length over which the maximum shear between the comb and the housing should act can be set.
  • a pair of screw elements suitable for a multi-shaft screw machine with m screw shafts SWi to SW m rotating in the same direction and at the same speed, whose respective adjacent axes of rotation X 1 to X m are rectangular in a cross section to the axes of rotation have a center distance A and with m interpenetrating, circular housing bores, each of which has an identical housing bore inner diameter D and whose bore centers M 1 to M m have a distance that is equal to the axis distance A, and whose bore centers M 1 to M m coincide with the respective axes of rotation X 1 to Screw elements scrape each other with a screw element-screw element clearance s, with both screw elements having an asymmetrical screw profile, with both screw elements each having exactly two combs, with each of the two screw elements having its two combs at different distances from the respective center of rotation P of the screw profile , whereby one comb has a
  • / is greater than or equal to 0.1 and less than or equal to 0.8 and particularly preferably f is greater than or equal to 0.2 and less than or equal to 0.6.
  • This preferred embodiment of the invention represents a second embodiment after the first embodiment presented above.
  • the ratio of the screw element-screw element clearance s between the two screw elements of a pair of screw elements to the housing bore inner diameter D is from 0.002 to 0.05, preferably from 0.003 to 0.03 and particularly preferably from 0.005 to 0.02 .
  • This preferred embodiment of the invention represents a third embodiment after the first or second embodiment shown above.
  • the clearance between the screw element and the housing wall 5, based on the housing bore inner diameter D is 0.002 to 0.05, preferably from 0.003 to 0.03 and particularly preferably from 0.005 to 0.02.
  • This particularly preferred embodiment of the invention represents a fourth embodiment according to one of the embodiments presented above.
  • the additional gap SP is from 0.015 to 0.4, preferably from 0.02 to 0.3 and particularly preferably from 0.025 to 0.25.
  • This particularly preferred embodiment of the invention represents a fifth embodiment according to one of the embodiments presented above.
  • the comb angles of the combs of the pair of screw elements, which have the screw element-housing wall clearance ⁇ , but not the additional gap SP, between the housing bore inner wall, are the same.
  • This further preferred embodiment of the invention represents a sixth embodiment according to one of the embodiments presented above.
  • the comb angles of the combs of the pair of screw elements which have the screw element-housing wall clearance ⁇ and the additional gap SP between the housing bore inner wall, are the same.
  • This further preferred embodiment of the invention represents a seventh embodiment according to one of the embodiments presented above.
  • the comb angles of the combs of the screw elements of the pair of screw elements which have the clearance between the screw element and the housing wall 5 and the additional gap SP, are larger than the comb angles of the combs Screw elements of the pair of screw elements, which have the clearance between the screw element and the housing wall 5, but not the additional gap SP.
  • This additionally preferred embodiment of the invention represents an eighth embodiment according to one of the embodiments presented above.
  • the screw profiles of the pair of screw elements are not congruent, with the screw profiles of the two screw elements being able to be converted into one another by mirroring the axes and rotating them.
  • This very preferred embodiment of the invention represents a ninth embodiment according to one of the first to eighth embodiments shown above.
  • the fact that the screw profs of the two screw elements can be transferred into one another through an axis mirroring and a rotation ensures that the energy input into each of the two screw elements of a pair of screw elements is the same. This has proven to be advantageous because it avoids local overheating of the extrudate when the pair of screw elements according to the invention is used as intended.
  • each of the two screw profiles of the pair of screw elements has exactly two (2) grooves and has exactly four (4) flanks.
  • This very preferred embodiment of the invention represents a tenth embodiment according to one of the first embodiments shown above.
  • the two screw profiles of the pair of screw elements have exactly four (4) grooves and exactly eight (8) flanks.
  • This very preferred embodiment of the invention represents an eleventh embodiment according to one of the tenth embodiments shown above.
  • the pair of screw elements according to the invention can be formed as a pair of conveying elements or as a pair of kneading disks; according to the invention it is preferably designed as a pair of conveying elements.
  • the present invention also relates to a multi-shaft screw machine which has the pair of screw elements according to the invention.
  • the present invention also relates to a method for producing or processing an extrudate using the pair of screw elements according to the invention in a multi-shaft screw machine.
  • the extrudate is preferably a plastic or viscoelastic mass, particularly preferably a polymer melt, in particular a melt of a thermoplastic or an elastomer, most particularly a melt of a polycarbonate or a polyester carbonate or a thermoplastic polyurethane or a rubber.
  • the method preferably includes the steps:
  • the present invention furthermore relates to a method for producing the screw profiles of the screw elements of the pair of screw elements according to the invention, starting from a precisely scraped screw profile according to the prior art.
  • the screw profiles of a pair of screw elements according to the invention can be generated, for example, as explained below, starting from an existing extruder with values for the center distance A and the housing bore inner diameter D specified by it, each of the two screw elements having exactly two combs and the two screw elements of a pair Snail elements are referred to as left and right snail elements, with formula symbols with subscript l or r.
  • both the values of sizes of a pair of screw elements that scrape each other exactly and the values of sizes of a pair of screw elements that practically scrape each other are used, the values of the sizes of a pair of screw elements that practically scrape each other Pair of screw elements depend on the values of the sizes of a pair of screw elements that scrape each other exactly and can be calculated from them according to Table 1.
  • RK A - D/2 + ⁇ — s (25)
  • Steps (II) to (V) can be carried out in any order.
  • the comb angle KW0 l, ⁇ + SP of the screw profile of the left screw element and the comb angle KW0 r, ⁇ + SP of the right screw element are determined for the comb of the respective screw element for a pair of screw elements that scrape each other exactly, which respectively the clearance between the screw element housing wall 5 and the gap SP, i.e. S + SP, is marked with a subscript S + SP in formula symbols, in such a way that the following applies to the sum of the comb angles of these combs:
  • the screw profile of the first screw element here selected as the left screw element - the right screw element could also be selected, consisting of the curves mentioned below, is constructed. These curves follow one another directly in a direction of rotation as indicated below, whereby the direction of rotation can be mathematically positive or negative, and the curves merge into one another at their respective end points.
  • This screw profile for the first screw element represents the generating screw profile.
  • the screw profile of the second screw element here selected as the right screw element
  • Each curve section is assigned a starting angle ⁇ a,i and an end angle ⁇ e,i .
  • the curve section i on the left snail then corresponds to a curve section i' on the right snail with the coordinate representation
  • the screw profile of the screw elements according to the invention is composed of curve sections which are selected from the group of mathematical expressions comprising the following members: circular arc, elliptical arc, parabolic arc, spline or section of a spline, result of the application of the longitudinal section equidistance calculation rule according to [1] , pages 117 to 121 on circular arcs, elliptical arcs, parabolic arcs or on a spline or on a section of a spline, result of applying the spatial equidistance calculation rule to circular arcs, elliptical arcs, parabolic arcs or on a spline or on a section of a spline, or result of applying the circular equidistance calculation rule , on a circular arc, elliptical arc, parabolic arc or on a spline or on a section of a spline.
  • At least two pairs of screw elements according to the invention are arranged axially directly one behind the other in a multi-shaft screw machine.
  • Such an arrangement is basically shown, for example, in PCT/EP2021/078863, where PCT/EP2021/078863 describes in particular pairs of screw elements that precisely clean one another, whereas the present invention relates to screw elements that practically scrape off.
  • Example 1 shows the practically scraped screw profile of the left screw element from Example 2 to illustrate the geometric dimensions.
  • Example 1 (comparative example - not according to the invention)
  • Example 1 which is not according to the invention, is a pair of two practically scraping each other
  • the arc angle, starting angle, end angle, arc radius based on the housing bore inner diameter D, x coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 1 of the left screw profile based on the housing bore inner diameter D and y coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point of the left screw profile P 1 based on the housing bore inner diameter D are given in Table 2.
  • the crests of the practically scraping snail profile are the circular arcs 1 and 7. Kinks can be recognized by the fact that the value is.
  • Table 2 Circular arcs of the precisely scraped profile of the left screw profile of Example 1.
  • Table 3 shows the starting angle, end angle, arc radius based on the housing bore inner diameter D, x coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 2 of the right screw profile based on the Housing bore inner diameter D and y coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 2 of the right screw profile based on the housing bore inner diameter D.
  • the crests of the practically scraping snail profile are the circular arcs 4' and 10'. Kinks can be recognized by the fact that the value is.
  • Table 3 Circular arcs of the precisely scraped screw profile of the right screw element from Example 1.
  • the technically designed, practically scraping, screw elements of the pair of screw elements according to Example 1 with screw profiles, which are derived from precisely scraping screw profiles, are asymmetrical, not congruent, but can be moved into one another by mirroring the axis and rotating.
  • the sum of the comb angles of the practically scraping screw profile of a single screw element is 0.73115 radians (41.89 degrees).
  • Table 4 shows the screw profile of the left screw element in the plane according to formula (13), i.e. the radius as a function of the angle ⁇ l starting from the center of rotation P 1 of the left screw element. The radii are each given for an angular distance of two degrees, except when transitioning into a ridge or groove area, where additional points are given.
  • Table 5 gives the corresponding coordinates of the screw profile of the right screw element starting from the center of rotation P 2 of the right screw element.
  • Fig. 3 shows the pair of screw elements not according to the invention in a top view.
  • Table 4 Screw profile of the left screw element of the pair not according to the invention
  • Table 5 Screw profile of the right screw element of the pair of screw elements not according to the invention from Example 1.
  • Example 2 is a pair of two screw elements that practically scrape each other with and so on the same values for the corresponding quantities as in Example 1, whereby the spatial equidistance calculation rule is also applied.
  • the screw profiles of the screw elements are asymmetrical, not congruent, but they can be converted into one another by mirroring the axes and rotating them.
  • the arc angle, starting angle, end angle, arc radius based on the housing bore inner diameter D, x coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point of the left screw profile P 1 based on the housing bore inner diameter D and y coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 1 of Left screw profile based on the housing bore inner diameter D are given in Table 6.
  • the crests of the precisely scraped snail profile are the circular arcs 1 and 11. Kinks can be recognized by the fact that the value is.
  • the arc angle, starting angle, end angle, arc radius based on the housing bore inner diameter D, x coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 2 of the right screw profile based on the housing bore inner diameter D and y coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 1 of the right screw profile based on the housing bore inner diameter D are given in Table 7.
  • the combs of the practically scraping snail profile are the Circular arcs 6' and 16'.
  • Table 6 Circular arcs of the precisely scraped screw profile of the left screw element from Example 2.
  • Table 7 Circular arcs of the precisely scraped screw profile of the right screw element from Example 2.
  • the technically designed, practically scraping, screw elements of the pair of screw elements according to Example 2 with screw profiles, which are derived from precisely scraping screw profiles, are asymmetrical, not congruent, but can be moved into one another by mirroring the axis and rotating.
  • the sum of the comb angles of the practically scraping screw profile of a single screw element is 0.3384 radians (19.30°).
  • FIG. 4 shows the practically scraping screw profiles of the pair of screw elements according to the invention in a top view.
  • Table 8 shows the screw profile of the left screw element according to formula (5), i.e. the radius as a function of the angle ⁇ l starting from the center of rotation P 1 of the left screw element. The radii are each given for an angular distance of two degrees, except when transitioning into a ridge or groove area, where additional points are given.
  • Table 9 gives the corresponding coordinates of the screw profile of the right screw element.
  • FIG. 5 shows the pair of screw elements according to the invention in a top view.
  • Table 8 Screw profile of the left screw element of the pair of screw elements according to the invention from Example 2.
  • Example 3 is a pair of two mutually practically scraping screw elements with and , whereby the Spatial equidistance calculation rule was applied.
  • the screw profiles of the screw elements are asymmetrical, not congruent, but they can be converted into one another by mirroring the axes and rotating them.
  • the arc angle, starting angle, end angle, arc radius based on the housing bore inner diameter D, x coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 1 of the left screw profile based on the housing bore inner diameter D and y coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 1 of the Left screw profile based on the housing bore inner diameter D are given in Table 10.
  • the crests of the precisely scraped snail profile are the circular arcs 1 and 11.
  • the combs of the practical The circular arcs 1 and 11 of the scraping screw profile are.
  • the arc angle, starting angle, end angle, arc radius based on the housing bore inner diameter D, x coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 1 of the right screw profile based on the housing bore inner diameter D and y coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 1 of the Right screw profile based on the housing bore inner diameter D are given in Table 11.
  • the crests of the precisely scraped profile are the circular arcs 6' and 16'.
  • Table 11 Circular arcs of the exactly scraped profile of the right screw profile from Example 3.
  • FIG. 6 The practically scraping screw profiles of the pair of screw elements according to the invention are shown in FIG. 6, together with the associated precisely scraping screw profiles from which the practically scraping screw profiles were derived.
  • Table 12 shows the screw profile of the left screw element according to formula (5), i.e. the radius as a function of the angle starting from the center of rotation P 1 of the left screw profile. The radii are each given for an angular distance of two degrees, except when transitioning into a ridge or groove area, where additional points are given.
  • Table 13 gives the corresponding screw profile coordinates of the right screw profile.
  • Fig. 7 shows the pair of screw elements according to the invention in a top view.
  • Table 12 Screw profile of the left screw element of the pair of screw elements according to the invention from Example 3.
  • Table 13 Screw profile of the right screw element of the pair of screw elements according to the invention from Example 3.
  • the screw profiles of the screw elements are asymmetrical, not congruent, but they can be moved into one another by mirroring the axes and rotating them.
  • the arc angle, starting angle, end angle, arc radius based on the housing bore inner diameter D, x coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 1 of the left screw profile based on the housing bore inner diameter D and y coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 1 of the Left screw profile based on the housing bore inner diameter D are given in Table 14.
  • Table 14 Circular arcs of the practically scraping screw profile of the left screw element from Example 4.
  • the arc angle, starting angle, end angle, arc radius based on the housing bore inner diameter D, x coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 1 of the right screw profile based on the housing bore inner diameter D and y coordinate of the center of the circular arc i relative to the pivot point P 1 of the Right screw profile based on the housing bore inner diameter D are given in Table 15.
  • the crests of the precisely scraped snail profile are the circular arcs 6' and 16'.
  • Table 15 Circular arcs of the precisely scraped screw profile of the right screw element from Example 4.
  • the technically designed, practically scraping screw elements of the pair of screw elements according to the invention according to Example 4 with screw profiles, which are derived from precisely scraping screw profiles, are also asymmetrical, not congruent, but they can be moved into one another by axes mirroring and rotation.
  • the sum of the comb angles for both the left and right screw profiles is 0.25885 radians (14.83°)
  • FIG. 8 The practically scraping screw profiles of the pair of screw elements according to the invention are shown in FIG. 8, together with the associated precisely scraping screw profiles from which the practically scraping screw profiles were derived.
  • Fig. 9 shows the pair of screw elements according to the invention in a top view.
  • Table 16 shows the screw profile of the left screw element according to formula (5), i.e. the radius as a function of the angle ⁇ l starting from the center of rotation P 1 of the left screw profile.
  • the radii are each given for an angular distance of two degrees, except when transitioning into a ridge or groove area, where additional points are given.
  • Table 17 gives the corresponding screw profile coordinates of the right screw profile.
  • Table 16 Screw profile of the left screw element of the pair according to the invention
  • Table 17 Screw profile of the right screw element of the pair of screw elements according to the invention from Example 4.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)

Abstract

Gegenstand der vorliegenden ist ein Paar Schneckenelemente, geeignet für eine mehrwellige Schneckenmaschine mit m gleichsinnig und gleichschnell drehenden Schneckenwellen SW1 bis SWm, deren jeweils benachbarte Drehachsen X1 bis Xm in einem Querschnitt rechtwinklig zu den Drehachsen einen Achsabstand A besitzen und mit m einander durchdringenden, kreisförmigen Gehäusebohrungen, die jeweils einen identischen Gehäusebohrungsinnendurchmesser D aufweisen und deren Bohrungsmittelpunkte M1 bis Mm einen Abstand besitzen, der gleich dem Achsabstand A ist, und deren Bohrungsmittelpunkte M1 bis Mm mit den jeweilig zugehörigen Drehachsen X1 bis Xm der Schneckenwellen SW1 bis SWm und mit den Drehmittelpunkten P1 bis Pm der Schneckenelemente zusammenfallen, wobei die beiden Schneckenelemente des Paares Schneckenelement sich auf unmittelbar benachbarten Schneckenwellen gegenüberliegen, wobei die beiden Schneckenelemente des Paares Schneckenelemente sich mit einem Spiel Schneckenelement-Schneckenelement s gegenseitig abschaben, wobei beide Schneckenelemente ein asymmetrisches Schneckenprofil aufweisen, wobei beide Schneckenelemente jeweils genau zwei Kämme aufweisen, wobei für jedes der beiden Schneckenelemente gilt, dass seine zwei Kämme unterschiedliche Abstände zum jeweiligen Drehmittelpunkt P des Schneckenprofils haben.

Description

MEHRWELLIGE SCHNECKENMASCHINE MIT EINEM PAAR SCHNECKENELEMENTEN MIT VERBESSERTER MISCH- UND ENTGASUNGSWIRKUNG BEI REDUZIERTEM ENERGIEEINTRAG
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Paar Schneckenelemente, geeignet für eine mehrwellige Schneckenmaschine mit m gleichsinnig und gleichschnell drehenden Schneckenwellen SWi bis SWm, deren jeweils benachbarte Drehachsen X1 bis Xm in einem Querschnitt rechtwinklig zu den Drehachsen einen Achsabstand A besitzen und mit m einander durchdringenden, kreisförmigen Gehäusebohrungen, die jeweils einen identischen Gehäusebohrungsinnendurchmesser D aufweisen und deren Bohrungsmittelpunkte M1 bis Mm einen Abstand besitzen, der gleich dem Achsabstand A ist, und deren Bohrungsmittelpunkte M1 bis Mm mit den jeweilig zugehörigen Drehachsen X1 bis Xm der Schneckenwellen SWi bis SWm und mit den Drehmittelpunkten P1 bis Pm der Schneckenelemente zusammenfallen, wobei die beiden Schneckenelemente des Paares Schneckenelement sich auf unmittelbar benachbarten Schneckenwellen gegenüberliegen, wobei die beiden Schneckenelemente des Paares Schneckenelemente sich mit einem Spiel Schneckenelement-Schneckenelement s gegenseitig abschaben, wobei beide Schneckenelemente ein asymmetrisches Schneckenprofil aufweisen, wobei beide Schneckenelemente jeweils genau zwei Kämme aufweisen, wobei für jedes der beiden Schneckenelemente gilt, dass seine zwei Kämme unterschiedliche Abstände zum jeweiligen Drehmittelpunkt P des Schneckenprofils haben, wobei jeweils ein Kamm einen Abstand D/2 vermindert um ein Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 5 und weiter vermindert um einen zusätzlichen Spalt SP zum jeweiligen Drehmittelpunkt P aufweist und der andere Kamm einen Abstand D/2 vermindert um ein Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 5, nicht aber vermindert um einen zusätzlichen Spalt SP, zum jeweiligen Drehmittelpunkt P aufweist, wobei bei beiden Schneckenelementen das Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 5 gleich ist und bei beiden Schneckenelementen der zusätzliche Spalt SP gleich ist, wobei für die Summe der Kammwinkel beider Schneckenelemente BKW im Bogenmaß gilt, dass sie die Gleichung
BKW = ƒ * BKGW (1) erfüllt wobei für den Faktor ƒ gilt, dass der Faktor ƒ größer ist als 0 und kleiner als oder gleich 0,95, wobei BKGW bestimmt ist durch:
Dabei sind die zur Darstellung eines Schneckenprofils nötigen Kenngrößen weiter unten in der Tabelle 1 aufgeführt.
In WO 2011/006516A1 wird ein Extruder mit einem Gehäuse mit wenigstens zwei gleichsinnig antreibbaren achsparallelen Wellen offenbart, welche mit wenigstens zweigängigen Förderelementen versehen sind, die sich gegenseitig in einem Achsabstand mit geringem Spiel am ganzen Umfang abstreifen, wobei zwischen dem Kamm des wenigstens einen weiteren Ganges und der Innenwand des Gehäuses ein Abstand (a) besteht.
Aus EP0875356A2 ist eine Mehrwellen-Schneckenmaschine bekannt. Die Mehrwellen- Schneckenmaschine ist versehen mit einem Gehäuse, mit zwei zueinander parallelen, einander teilweise durchdringenden Gehäusebohrungen, mit zwei in den Gehäusebohrungen angeordneten, drehantreibbaren Wellen, mit auf den Wellen drehfest angebrachten Schneckenelementen und mit auf den Wellen drehfest angebrachten, miteinander kämmenden Knetscheiben, die jeweils in ihren Kammbereichen zur Ausbildung von umfangsseitig gelegenen Misch - und Abstreifzapfen gegenüber der Scheibenbreite (B) verschmälert sind.
Des Weiteren ist aus DE 10 2008 016862 A1 ein Extruder mit wenigstens zwei gleichsinnig antreibbaren achsparallelen Wellen, welche wenigstens zweigängige Förderelemente (2, 11, 12) aufweist, die sich an einer Stelle (C) im Wesentlichen dicht berühren.
In EP 0 788 868 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen mit kontinuierlichen Walzen von thermoplastischem Material beschrieben. Die Vorrichtung weist eine Mischkammer und mindestens ein Paar von Gewindewellen auf, die innerhalb der Mischkammer (5) angeordnet sind, wobei die Gewindewellen mindestens einen Spitzenabschnitt des Gewindes und mindestens einen Kemabschnitt des Gewindes aufweisen, die asymmetrisch in Bezug auf die Längsachse der Welle abgesenkt sind, um Oberflächen der Wellen und einen leeren Zwischenraum zwischen dem versenkten Gewindeabschnitt und der Innenfläche der Kammer zu erzeugen, um ein Rollen des Materials auf mindestens einem Abschnitt der Oberfläche der Kammer selbst während der Zuführung des Materials zum Auslass der Mischkammer durchzuführen.
Ferner offenbart WO 2016/107527 A1 eine selbstreinigende Extrusionsvorrichtung mit zwei gleichlaufenden Schnecken. Die Vorrichtung besteht aus einem Schneckenmechanismus, einem Zylinder, einer Zufuhröffnung, einer Entlüftungsöffnung und einer Auslassöffhung.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einer mehrwelligen Schneckenmaschine eine Schneckenmaschine mit mehr als einer Schneckenwelle verstanden, beispielsweise eine Schneckenmaschine mit zwei, drei oder vier Schneckenwellen oder auch Extruder mit acht bis sechzehn, insbesondere zwölf, ringförmig angeordneten Schneckenwellen. Bei mehr als zwei Schneckenwellen können die Drehachsen der Schneckenwellen nebeneinander oder beispielsweise auch - wie bei einem sogenannten Ringextruder - ringförmig zueinander angeordnet sein. Bei Mehrwellenextrudem sind die Drehachsen der Schneckenwellen in aller Regel parallel zueinander angeordnet. Diese parallele Anordnung der Drehachsen ist auch erfmdungsgemäß bevorzugt. Die Schneckenelemente des erfindungsgemäßen Paares Schneckenelemente sind bevorzugt in einer Anzahl, die der Anzahl der Schneckenwellen des jeweiligen Extruders entspricht, auf den Schneckenwellen unmittelbar gegenüberliegend angeordnet. Eine solche Schneckenmaschine mit mehr als einer Schneckenwelle wird nachfolgend auch mehrwellige Schneckenmaschine, Mehrwellenschneckenmaschine oder Mehrwellenextruder genannt. Eine zweiwellige Schneckenmaschine wird nachfolgend auch Doppelschneckenextruder genannt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Schneckenmaschine“ gleichbedeutend mit dem Begriff „Extruder“ gebraucht. Eine extrudierte oder zu extrudierende Masse wird nachfolgend auch „Extrudat“ genannt.
Bevorzugt ist die mehrwellige Schneckenmaschine ein Doppelschneckenextruder mit zwei gleichsinnig und gleich schnell drehenden Schneckenwellen SWi bis SW2, mit benachbarten Drehachsen X1 und X2, Bohrungsmittelpunkten M1 und M2 und Drehmittelpunkten P1 und P2.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei einem Extrudat um eine plastische oder viskoelastische Masse, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend die Mitglieder: Suspensionen, Pasten, Glasschmelzen, ungebrannte Keramiken, Metallschmelzen, oder Kunststoffe.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden unter Kunststoffen insbesondere verstanden: Polymere, insbesondere Polymerschmelzen oder Polymerlösungen, wiederum insbesondere Schmelzen oder Lösungen von thermoplastischen Polymeren oder Schmelzen oder Lösungen von Elastomeren, insbesondere Kautschuken.
Als thermoplastisches Polymer wird bevorzugt wenigstens eines aus der Reihe Polycarbonat, Polyestercarbonat, Polyamid, Polyester, insbesondere Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat, Polylactide, Polyether, thermoplastisches Polyurethan, Polyacetal, Fluorpolymer, insbesondere Polyvinylidenfluorid, Polyethersulföne, Polyolefin, insbesondere Polyethylen und Polypropylen, Polyimid, Polyacrylat, insbesondere Poly(methyl)methacrylat, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid, Polyetherketon, Polyaryletherketon, Styrolpolymerisate, insbesondere Polystyrol, Styrolcopolymere, insbesondere Styrolacrylnitrilcopolymer, Acrylnitrilbutadienstyrol-blockcopolymere und Polyvinylchlorid eingesetzt. Ebenso bevorzugt eingesetzt werden so genannte Blends aus den aufgeführten Polymeren, worunter der Fachmann eine Kombination aus zwei oder mehreren Polymeren versteht. Besonders bevorzugt sind Polycarbonat und Mischungen enthaltend Polycarbonat, ganz besonders bevorzugt Polycarbonat, beispielsweise erhalten nach dem Phasengrenzflächenverfahren oder dem Schmelzeumesterungsverfahren.
Als Kautschuk wird bevorzugt wenigstens einer aus der Reihe Styrol-Butadien-Kautschuk, Naturkautschuk, Butatiden-Kautschuk, Isopren-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Ethylen- Propylen-Kautschuk, Butadien-Acrylnitril-Kautschuk, hydrierter Nitrilkautschuk, Butylkautschuk, Halobutylkautschuk, Chloropren-Kautschuk, Ethylen-Vinylacetat-Kautschuk, Polyurethan-Kautschuk, Thermoplastisches Polyurethan, Guttapercha, Arylatkautschuk, Fluorkautschuk, Siliconkautschuk, Sulfidkautschuk, Chlorsulfonyl-Polyäthylen-Kautschuk eingesetzt. Eine Kombination von zwei oder mehreren der aufgeführten Kautschuke, oder eine Kombination aus einem oder mehreren Kautschuk mit einem oder mehreren anderen Kunststoffen ist natürlich auch möglich.
Diese Thermoplaste oder Kautschuke können in reiner Form oder als Mischungen mit Füll- und Verstärkungsstoffen, wie insbesondere Glasfasern, als Mischungen untereinander oder mit anderen Polymeren oder als Mischungen mit üblichen Polymeradditiven eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden den plastischen Massen, insbesondere den Polymerschmelzen und Mischungen von Polymerschmelzen, Additive beigemengt. Diese können als Feststoffe, Flüssigkeiten oder Lösungen gemeinsam mit dem Polymer in den Extruder gegeben werden oder aber es wird wenigstens ein Teil der Additive oder alle Additive dem Extruder über einen Seitenstrom zugeführt.
Additive können einem Polymer vielfältige Eigenschaften verleihen. Dies können beispielsweise Farbmittel, Pigmente, Verarbeitungshilfsmittel, Füllstoffe, Antioxidantien, Verstärkungsstoffe, UV- Absorber und Lichtstabilisatoren, Metalldesaktivatoren, Peroxidfänger, basische Stabilisatoren, Keimbildner, als Stabilisatoren oder Antioxidatien wirksame Benzofurane und Indolinone, Formtrennmittel, flammhemmende Additive, antistatische Mittel, Färbemittel und Schmelzestabilisatoren sein. Beispielhaft für diese sind Ruß, Glasfaser, Ton, Glimmer, Graphitfaser, Titandioxid, Kohlenstofffasem, Kohlenstoffnanoröhrchen, ionische Flüssigkeiten und Naturfasern.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung zeichnet sich ein asymmetrisches Schneckenquerschnittsprofil dadurch aus, dass es keine Spiegelachse oder Drehachse durch einen beliebigen Punkt in der Ebene des Schneckenquerschnittsprofils gibt, mit der ein zu einem Ausgangsschneckenquerschnittsprofil deckungsgleiches Schneckenquerschnittsprofil erzeugt werden kann; bevorzugt gibt es keine Spiegelachse durch einen beliebigen Punkt innerhalb eines Schneckenquerschnittsprofils, besonders bevorzugt keine Spiegelachse durch den Konstruktionsmittelpunkt KP eines Schneckenquerschnittsprofils, mit der ein zum Ausgangsprofil deckungsgleiches Profil erzeugt werden kann. Dabei ist der Konstruktionsmittelpunkt KP der Punkt innerhalb des Schneckenquerschnittprofils, der der Mittelpunkt sämtlicher Kreisbögen ist, die Kämme und Nuten bilden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt der Konstruktionsmittelpunkt KP eines Schneckenprofils mit dem Drehmittelpunkt P dieses Schneckenprofils zusammen. Beispielsweise zeigt EP 0002131 A 1, Fig. 5 (A) oder Fig. 5 (B), die Schneckenprofile eines Paars Schneckenelemente, die im Sinne der vorliegenden Erfindung asymmetrisch sind. Die in EP 0002131 A1, Fig. 5 (A) oder Fig. 5 (B), dargestellten Schneckenprofile eines Paars Schneckenelemente weisen darüber hinaus die Eigenschaft auf, dass sie nicht deckungsgleich sind, sie sich aber durch eine Achsenspiegelung und eine Drehung ineinander überführen lassen.
Unter einem Schneckenquerschnittsprofil, im Rahmen dieser Erfindung kurz auch Schneckenprofil genannt, wird dabei die äußere Kontur eines Schneckenelements in einem ebenen Schnitt rechtwinklig zur Drehachse des Schneckenelements verstanden. Regeln zur Erzeugung exakt abschabender Schneckenprofile sind beispielsweise in [1] ([1] = Klemens Kohlgrüber: „Der gleichläufige Doppelschneckenextruder“, 2. Auflage, Hanser Verlag München 2016) auf den Seiten 107 bis 120 dargestellt. Hier wird auch beschrieben, dass ein vorgegebenes Schneckenprofil auf einer ersten Welle eines Doppelschneckenextruders das Schneckenprofil auf einer zweiten, zur ersten Welle unmittelbar benachbarten, Welle des Doppelschneckenextruders bestimmt ([1], Seite 108). Das Schneckenprofil auf der ersten Welle wird daher als das erzeugende Schneckenprofil bezeichnet. Das Schneckenprofil auf der zweiten Welle folgt aus dem Schneckenprofil der ersten Welle des Doppelschneckenextruders und wird daher als das erzeugte Schneckenprofil bezeichnet. Gleichsinnig drehende zweiwellige Schneckenmaschinen, deren Schneckenwellen sich gegenseitig exakt abschaben, sind bereits seit langem bekannt, z.B. aus der DE 862 668 C. In der Polymerherstellung und -Verarbeitung haben Schneckenmaschinen mit Schneckenwellen, deren Schneckenelemente auf dem Prinzip exakt abschabender Schneckenquerschnittsprofile beruhen, eine vielfältige Nutzung erfahren. Dies beruht vor allem darauf, dass Polymerschmelzen an Oberflächen anhaften und unter üblichen Verarbeitungstemperaturen mit der Zeit degradieren, was durch die selbstreinigende Wirkung von paarweise einander exakt abschabenden Schneckenelementen in Mehrwellenschneckenmaschinen unterbunden wird. Bei einem Mehrwellenextruder werden das Schneckenelement mit dem erzeugenden Schneckenprofd und das das Schneckenelement mit dem erzeugten Schneckenprofd auf benachbarten Wellen immer abwechselnd eingesetzt.
Hierbei sind zwei Dinge zu unterscheiden: Das exakt abschabende Schneckenprofd, ein mathematisches Konstrukt, bei dem sich zwei Schneckenelemente, die auf zwei unmittelbar benachbarten Schneckenweden gegenüberliegen, mit einem gegen Null laufenden Spiel Schneckenelement- Schneckenelement s einander abschaben, und Schneckenprofde für in materieller Wirklichkeit zur bestimmungsgemäßen Nutzung, also technisch ausgeführte Schneckenelemente. Wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Begriff „exakt abschabend“ gebraucht, so ist - soweit nichts anderes dazu erklärt wird - das mathematische Konstrukt eines exakt abschabenden Schneckenprofils bzw. des entsprechenden, dieses Schneckenprofd aufweisenden, Schneckenelements gemeint. Wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Begriff „praktisch abschabend“ oder „ausgeführt“ gebraucht, so ist - soweit nichts anderes dazu erklärt wird - das technische ausgeführte Schneckenelement bzw. dessen Schneckenprofd, wobei dieses praktisch abschabende Schneckenprofd von einem exakt abschabenden Schneckenprofd abgeleitet wurde, bevorzugt durch Anwendung einer der Spielstrategien Achsabstandsvergrößerung, Längsschnittäquidistante, Raumäquidistante oder Kreisäquidistante, wie weiter unten näher erklärt.
Ein Fachmann auf dem Gebiet der Schneckenelemente versteht natürlich dabei, dass ein einzelnes Schneckenelement oder Schneckenprofd für sich alleine nicht exakt abschabend oder praktisch abschabend sein kann, sondern dass es dafür immer eines Paares solcher Elemente bedarf.
Moderne Extruder verfügen über ein Baukastensystem, bei dem zur Bildung einer Schneckenwede verschiedene Schneckenelemente auf einer Kemwelle aufgezogen werden können; eine solche Schneckenwelle ist also segmentiert. Hiermit kann der Fachmann den Extruder an die jeweilige Verfahrensaufgabe anpassen. Eine Schneckenwelle kann aber auch aus einem Stück angefertigt sein, also nur ein Schneckenelement aufweisen, das sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Schneckenwelle erstreckt oder nur teilweise segmentiert sein. Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl Schneckenelemente, die auf eine Kemwelle aufgezogen werden können, als auch auf die oben beschriebenen aus nur einem Stück gefertigten Schneckenwellen.
Mehrwellenextruder, insbesondere Doppelschneckenextruder, tragen bekanntlich durch Dissipation mechanische Energie in ein Extrudat ein. Dies hat erwünschte und unerwünschte Konsequenzen, weil der Energieeintrag einerseits zur Erfüllung von verfahrenstechnischen Aufgaben wie Mischen und Entgasen erforderlich ist und andererseits die eingetragene mechanische Energie verbraucht wird und auch zu Temperaturerhöhungen im Extrudat führt, die zu unerwünschten chemischen Reaktionen führen können, die das Extrudat schädigen.
Auch Mischen ist bekanntlich eine Grundoperation in Mehrwellenextrudem, insbesondere Doppelschneckenextrudem. Inhomogenitäten im Extrudat aufgrund unvollkommener Mischung führen bekanntlich zu Problemen bei der Weiterverarbeitung des Extrudats sowie bei den endgültigen Eigenschaften.
Ebenso ist Entgasen, also die Entfernung von flüchtigen Bestandteilen, bekanntlich eine Grundoperation auf Mehrwellenextrudem, insbesondere Doppelschneckenextrudem, wie z.B. in [1], Seiten 494 bis 525, beschrieben. Für Entgasungsprozesse ist eine möglichst hohe Effizienz bei der Entgasung bei niedrigem Energieeintrag wünschenswert, um wirtschaftliche hohe Durchsätze und eine gute Extmdatqualität zu erreichen. Derartige Prozesse sind, neben allgemein in [1], beispielsweise auch in der W02010139413A1 [2] beschrieben, die eine Vorrichtung und Verfahren zum Entgasen von lösungsmittelhaltigen Polycarbonatlösungen beschreibt.
Zur Entgasung wird ein Polymer als Extrudat in einem teilgefüllten Abschnitt an einer Entgasungsöffnung vorbei transportiert. Durch die Öffnung können flüchtige Bestandteile wie bei Polykondensationsreaktionen entstehende Nebenprodukte, Monomere, Oligomere, Lösungsmittel oder Abbauprodukte des Polymers durch Einfluss von Temperatur, Wasser, Sauerstoff oder anderen Komponenten abgeführt werden. Um die Entfernung von flüchtigen Bestandteilen zu verbessern, wird je nach Entgasungsaufgabe der Druck in der Entgasungsöffnung gegenüber dem Umgebungsdmck abgesenkt. In [1], Seiten 494 bis 525, ist auch beschrieben, dass eine Blasenbildung und damit ein Aufschäumen von Polymerschmelzen zur Restentgasung nützlich ist, weil dabei eine innere Oberfläche geschaffen wird, die den Stoffaustausch verbessert. Aufschäumen erfordert einen hinreichend hohen Überdruck von flüchtigen Bestandteilen in dem Polymer, etwa 1 bar. Durch Einwirkung von Scherung auf das Polymer kann die Blasenbildung gefördert werden, wodurch die Entgasungswirkung verbessert wird. Besonders stark geschert wird das Extrudat in einem Doppelschneckenextruder bekanntlich zwischen einem Schneckenkamm und der Gehäusebohrungsinnenwand eines Extruders. Dort wird also besonders viel Energie in das Extrudat dissipiert, was lokal zu starken Überhitzungen im Extrudat führt. Dies ist beispielsweise in [1] auf den Seiten 416 bis 423, Bilder 4.80 bis 4.84. dargestellt. Diese lokalen Überhitzungen können zu Schädigungen im Extrudat wie z.B. Veränderung in Geruch, Farbe, chemischer Zusammensetzung oder Molekulargewicht oder zur Bildung von Inhomogenitäten im Extrudat wie Gelkörpem oder Stippen fuhren. Vor allem ein großer Kammwinkel und insbesondere eine große Summe der Kammwinkel eines Paares von Schneckenelementen, die sich auf unmittelbar benachbarten Schneckenwellen gegenüberliegen und dabei gegenseitig abschaben, ist hierbei schädlich.
Nun ergibt sich ein Widerspruch zwischen der Anforderungen einer Entgasung oder einer Dispergierung, die beide eine Scherung erfordern, und der Vermeidung der Schädigung des Extrudats. Es wäre von Vorteil, die Anforderungen von Entgasung oder Dispergierung mit der der Extrudatschonung so zu kombinieren, dass ein Optimum der Entgasung oder Dispergierung bei einem Minimum an Schädigung des Extrudats erreicht wird. Weiterhin ist es weder einer Entgasung noch einer Dispergierung dienlich, wenn stets wieder der gleiche Anteil einer Gesamtmenge eines Extrudats geschert wird, weil der Extrudataustausch an der Gehäusebohrungsinnenwand eines Extruders nur gering ist.
Das Problem der Extrudatschädigung und des Energieeintrags kann z.B. wie in der WO2009152973A1 [3] gelöst werden, in der Schneckenelemente für mehrwellige Schneckenmaschinen mit paarweise gleichsinnigen und paarweise exakt abschabenden Schneckenwellen, mit zwei oder mehr Schneckengängen Z, mit Achsabstand A und Außendurchmesser DE, wobei die Summe der Kammwinkel eines Schneckenelementpaares größer als 0 und kleiner ist als und ihr Einsatz beschrieben werden. Solche Schneckenelemente werden auch bevorzugt in den in [2] offenbarten Extrudern eingesetzt. Der Einsatz derartiger Schneckenelemente verbessert jedoch die Entgasungswirkung nicht.
US 4131371 A [4] beschreibt exzentrische, sich gegenseitig praktisch abschabende fördernde Schneckenelemente, die gleichsinnig rotieren, mit exzentrischen Profilen, deren Kämme unterschiedliche Abstände zum Gehäuse haben. Damit wird eine gleichmäßige Belastung des Extrudats erreicht, indem es an der Wand ausgestrichen wird, wodurch mehr Fläche für Wärme- und Stoffaustausch bereitgestellt wird. Eine Verbesserung der Entgasungswirkung kann damit möglicherweise erreicht werden. Der Aspekt der breiten Kämme und der damit verbundenen Nachteile wird nicht behandelt.
EP 0002131 A1 [5] beschreibt exzentrische, asymmetrische, sich gegenseitig praktisch abschabende Schneckenelemente, bei denen jeweils ein Kamm eines jeweiligen Schneckenelements einen geringeren Abstand zur Gehäusebohrungsinnenwand eines Extruders hat als der andere Kamm oder die anderen Kämme des jeweiligen Schneckenelements. Der dort beschriebene Haupteffekt ist der Austausch von Material zwischen den Gehäusebohrungen des Extruders und eine gleichmäßige, intensive Scherung. Diese Schneckenelemente verfügen bei Z ≥ 2 Gängen über Z Kämme und Z Nuten. Das Spiel Schneckenelement-Schneckenelement s - also der Abstand zwischen den Schneckenprofilen der Schneckenelemente eines Paares Schneckenelemente, die sich auf zwei unmittelbar benachbarten Schneckenwellen gegenüberliegen - ist dabei nicht berücksichtigt.
Aus [5] kann hergeleitet werden, dass die Summe der Kammwinkel S WO eines jeden Schneckenelements eines Paares Schneckenelemente, bei dem sich die beiden Schneckenelemente gegenseitig exakt abschaben beträgt, wobei zahlreiche mathematisch äquivalente Formulierungen möglich sind.
Dem Fachmann ist bekannt und beispielsweise in [1], auf den Seiten 39 bis 41 sowie auf den Seiten 113 bis 121 angegeben, dass technisch ausgeführte Schneckenelemente über Spiele - und zwar sowohl Spiele Schneckenelement-Schneckenelement s als auch Spiele Schneckenelement-Gehäusewand 5 - verfügen müssen, um die Funktionsfähigkeit des Extruders zu gewährleisten. Dies ist erforderlich, um metallisches „Fressen“ zu vermeiden, Fertigungstoleranzen, Rauigkeiten, Winkelabweichungen sowie ungleichmäßige Wärmeausdehnungen und übermäßigen Extrudatstress durch zu geringe Abstände zwischen zwei Schneckenelementen, die sich unmittelbar benachbart auf zwei unmittelbar benachbarten Schneckenwellen gegenüberliegen, zu vermeiden. Auf den genannten Seiten sind auch Methoden erklärt, um aus den Spielen und der exakt abschabenden Kontur die genaue Geometrie des zu fertigenden Elements zu bestimmen. Diese Methoden werden Spielstrategien genannt.
Die Spielstrategien Längsschnittäquidistante, Kreisäquidistante und Raumäquidistante werden nachfolgend auch als Längsschnittäquidistantenrechenvorschrift, Kreisäquidistantenrechenvorschrift und Raumäquidistantenrechenvorschrift bezeichnet. Eine weitere Spielstrategie ist die Achsabstandsvergrößerung gemäß [1], Seiten 40 und 41.
Die Raumäquisdistante ist beispielsweise in [1], Seiten 40 und 41, erwähnt. Eine Raumäquidistante kann beispielsweise ausgehend von einer Parameterdarstellung der Außenfläche eines exakt abschabenden Schneckenelements erhalten werden, wobei a und b für Parameter stehen, die entsprechend der Gleichung auszuwählen sind, mit der die Außenfläche des betreffenden exakt abschabenden Schneckenelements beschrieben wird. Im Folgenden werden beispielhaft einige Möglichkeiten beschrieben, wie eine solche Parameterdarstellung aussehen kann.
Für die folgenden Betrachtungen wird hierbei von einem kartesischen Koordinatensystem ausgegangen, bei dem die Koordinate entlang der Drehachse des Extruders als z bezeichnet wird und x und y die Koordinaten in der Ebene senkrecht zur Drehachse sind, die diese Ebene bei x = 0, y = 0 und z = 0 schneidet:
So kann beispielsweise bei einem Paar Schneckenelemente, bei dem sich die beiden Schneckenelemente auf zwei unmittelbar benachbarten Schneckenwellen gegenüberliegen und sich gegenseitig exakt abschaben, das Schneckenprofil eines jeden der beiden Schneckenelemente in der x — y -Ebene, wobei die jeweilige Drehachse X mit der z-Achse zusammenfällt, und der Abstand zur Drehachse re(γ) als mit 2 π periodische Funktion des Schneckenprofils des Winkels y zur x-Achse angegeben wird, durch eine Darstellung des exakt abschabenden Schneckenelementprofils nach der folgenden Gleichung (5) wiedergegeben werden. In einem solchen Fall kann a = y und b = z gewählt werden.
Ein solches Paar Schneckenelemente kann beispielsweise als Paar Förderelemente oder als Paar Knetscheiben ausgeformt sein.
Um Förderelemente zu konstruieren, wird das Schneckenprofil in der Ebene schraubenförmig im Raum fortgesetzt, um die begrenzende Fläche eines exakt abschabenden Schneckenelementes zu erhalten. Für ein Schneckenelement mit der Steigung T ergibt sich dann, mit der z-Koordinate als zusätzlichem Parameter
Das positive Vorzeichen steht für ein rechts drehendes Schneckenprofil, das negative Vorzeichen für ein linksdrehendes Schneckenprofil.
Bei Knetscheiben wird das Schneckenprofil entlang der z-Achse in den Raum verschoben, so dass sich ergibt.
Falls ein Schneckenprofil, beispielsweise ein exakt abschabendes Schneckenprofil, in der Ebene abschnittsweise über Kreisbögen i mit den Mittelpunktkoordinaten und dem Radius aufgebaut ist und β ein Winkel ist, für dessen gültige Werte der Kreisbogen ein exakt abschabendes Schneckenprofil darstellt, so kann der Kreisbogen durch beschrieben werden. Für die Darstellung einer begrenzenden Fläche eines exakt abschabenden Förderelementes im Raum gilt dann und für die Darstellung einer begrenzenden Fläche einer exakt abschabenden Knetscheibe entsprechend
Dabei ist bei einem Förderelement die Steigung T eines Schneckenelements die axiale Länge, die für eine vollständige Drehung des Schneckenprofils des Schneckenelements erforderlich ist. Bei der Berechnung eines Schneckenprofils, bei der ausgehend von einem Paar Schneckenelemente mit exakt abschabenden Schneckenprofilen zur Ermittlung der Schneckenprofile eines Paares praktisch abschabender Schneckenelemente unter Berücksichtigung des Spiels Schneckenelement- Schneckenelement s die Raumäquistantenrechenvorschrift angewandt wird, kann beispielsweise nach Festlegung einer Parameterdarstellung r folgendermaßen vorgegangen werden: Zu dem Punkt wird der zugehörige Normalenvektor gebildet, wobei das Vorzeichen so gewählt wird, dass von der Drehachse weg nach außen zeigt. Die Außenfläche des zu fertigenden, technisch ausgeführten Schneckenelements ergibt sich dann aus der Parameterdarstellung
Weitere Raumäquidistantenrechenvorschriften können erfindungsgemäß auch möglich sein.
Auch die Methode der Kreisäquidistanten geht von einem exakt abschabenden Schneckenprofil in der Ebene aus. Ausgehend vom exakt abschabenden Schneckenprofil in der x — y - Ebene wird in jedem Punkt eine Senkrechte gefällt, wobei die Richtung der Senkrechten so ausgewählt wird, dass sie ins Innere des Schneckenprofils zeigt Der Punkt, der um s/2 entlang dieser Senkrechte ins Innere des Schneckenprofils verschoben ist, gehört dann zum technisch ausgeführten Schneckenprofil. Falls ein Abschnitt eines exakt abschabenden Schneckenprofils ein Kreisbogen mit Radius ri ist, so ergibt sich als zugehöriger Abschnitt des zugehörigen technisch ausgeführten Schneckenprofils ein Kreisbogen mit gleichem Mittelpunkt und dem Radius
Dies ist eine Kreisäquidistantenrechenvorschrift im Sinne der vorliegenden Erfindung. Weitere Kreisäquidistantenrechenvorschriften können erfindungsgemäß auch möglich sein.
Bei den Methoden der Längschnittäquidistanten, der Raumäquidistanten und der Kreisäquidistanten kann es zu Überschneidungen von verschiedenen Flächenkurven des zu fertigenden technisch ausgeführten Schneckenprofils kommen, so dass für einen bestimmten Winkel ausgehend vom Drehmittelpunkt P des Schneckenprofils mehrere Punkte auf dem Schneckenprofilkurve zur Auswahl stehen. Zur Fertigung des Schneckenprofils für das technisch ausführbaren Schneckenprofils verwendet wird dann der Punkt, der näher am Drehmittelpunkt P hegt. Für die Darstellung des zu fertigenden technisch ausgeführten Schneckenprofils können verschieden Formen verwendet werden, beispielsweise Tabellen von Koordinaten. Eine bevorzugte Methode ist die Angabe des Abstandes zur Drehachse r(y) als mit 2 π oder 360° periodische Funktion des Winkels γ zur x-Achse durch die Darstellung
Bei allen der genannten Methoden kommt es zudem zu einer kleinen Erhöhung der Flankenwinkel und zu einer Reduzierung des Kammwinkels oder der Kammwinkel gegenüber den Flankenwinkeln und dem Kammwinkel bzw. den Kammwinkeln des exakt abschabenden Schneckenprofils. Dabei ergibt die Anwendung der Methode der Raumäquidistante immer kleinere Kammwinkel als die Anwendung der Methode der Längsschnittäquidistanten und die ergibt immer kleinere Kammwinkel als die Anwendung der Methode der Kreisäquidistanten. Für größere Steigung wird der Kammwinkel bei Raum- und Längsschnittäquidistante größer, für eine Steigung gegen Unendlich gehen Raum- und Längsschnittäquidistante gegen die Kreisäquidistante, das heißt, für eine Steigung gegen Unendlich liefern Raum- und Längsschnittäquidistantenrechenvorschrift den gleichen Kammwinkel wie die Kreisäquidistantenrechenvorschrift.
Alle Methoden zur Ermittlung einer technisch ausgeführten Geometrie von Schneckenprofilen ausgehend von einem exakt abschabenden Schneckenprofil - also die Spielstrategien - verkleinern das Schneckenelement gegenüber einem Schneckenelement mit diesem exakt abschabenden Schneckenprofil, um die tatsächlich technisch ausführbare Geometrie eines Schneckenelements zu erhalten: es entsteht ein Abstand zwischen dem exakt abschabenden Schneckenprofil und dem technisch ausgeführten, praktisch abschabenden, Schneckenprofil. Mit einer Spielstrategie wird das Spiel Schneckenelement-Schneckenelement s, also der Abstand zwischen den Schneckenprofilen eines Paares Schneckenelemente, die sich auf zwei unmittelbar benachbarten Schneckenwellen gegenüberliegen, bestimmt. Dabei muss dieses Spiel Schneckenelement-Schneckenelement s zwischen diesen zwei Schneckenelementen nicht konstant sein, es ist allerdings bevorzugt konstant.
Zur Herstellung eines konstanten Spiels Schneckenelement-Schneckenelement s bei der gegenseitigen Abschabung der Schneckenelemente ist die Raumäquidistante gemäß der Erklärung weiter oben bevorzugt.
Große Spiele Schneckenelement-Schneckenelement s verringern dabei den Energieeintrag in ein Extrudat, weil dadurch die Scherung verringert wird. Allerdings sind übergroße Spiele Schneckenelement-Schneckenelement s und Schneckenelement-Gehäuse ä in technisch ausgeführten Extrudern auch von Nachteil. So führen sie zu verringerter Abschabung von Schneckenelementen, die sich auf unmittelbar benachbarten Schneckenwellen paarweise gegenüberliegen, und verschlechtertem Austausch von Extrudat auf den Schneckenelementen oder der Gehäusebohrung und vergrößern dadurch die Gefahr, dass durch lange Verweilzeit geschädigtes Extrudat entsteht und in den Extrudatstrom gerät, was zu Stippen, Gelen oder Verfärbungen führen kann, was wiederum die Qualität des gewünschten Endproduktes beeinträchtigt. Auch führen zu große Spiele Schneckenelement- Schneckenelement s und Schneckenelement-Gehäuse δ durch verringerten Extrudataustausch auf den Schneckenoberflächen oder an der Gehäusebohrungsinnenwand zu einer verringerten Entgasung und einer verringerten Mischwirkung.
Außerdem ist der Einfluss, den man über Spiele Schneckenelement-Schneckenelement s auf die Summe der Kammwinkel nehmen kann, begrenzt.
Neben dem Schneckenprofil spielen, wie dem Fachmann bekannt ist, noch weitere Größen in der Geometrie eines Schneckenelements eine Rolle. Diese sind z.B. in [1] auf Seite 115 angegeben.
Wie oben dargestellt, zeigt der Stand der Technik keine Lösung für das Problem auf, wie in einem Extruder eine gute Entgasung des Extrudats, die eine hohe Scherung erfordert, erreicht werden kann und gleichzeitig eine Schädigung des Extrudats durch zu hohen Energieeintrag vermieden werden kann, der eine Folge der hohen Scherung ist, wobei zusätzlich zum einen der Extrudataustausch an der Gehäusebohrungsinnenwand eines Extruders erhöht wird, weil ansonsten die Entgasung des Extrudats nur gering ist, und zum anderen eine gute Mischwirkung und Dispergierung erzielt werden kann.
Eine gute Mischwirkung ist für eine gute Entgasung erforderlich, da die Entgasung vor allem von der Oberfläche des Extrudats her erfolgt und frisches, noch nicht entgastes Extrudat dorthin transportiert werden muss, um die weitere Entgasung zu ermöglichen. Weiterhin soll auch das entgaste Extrudat möglichst homogen sein, was einen gleichmäßigen Energieeintrag und die Vermeidung von lokaler Überhitzung erfordert.
Wie dem Fachmann bekannt und beispielsweise in [1] auf Seite 475 bis 478 ausgeführt, hegt im Bereich der Kämme in Nähe der Gehäusebohrungsinnenwand eine besonders hohe und für die Dispergierung förderliche Scherbelastung vor. Dies spielt insbesondere eine Rolle beim Dispergieren von Feststoff- Agglomeraten, die als Füll- oder Verstärkungsstoffe eingesetzt werden, was eine weitere Grundoperation auf Extrudern ist. Ein häufiger Austausch des gescherten Materials ist daher auch für die Dispergierwirkung förderlich, wie dem Fachmann bekannt ist. Allerdings wird in [1] auf Seite 478 lediglich auf einen verringerten Durchsatz als Methode zur besseren Dispergierung verwiesen, was aus Gründen der Wirtschaftlichkeit nicht bevorzugt ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, in einem Extruder eine gute Entgasung eines Extrudats zu gewährleisten und gleichzeitig - durch geringen Energieeintrag - eine Schädigung des Extrudats zu vermeiden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zusätzlich noch eine gute Dispergierung zu gewährleisten.
Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Paar Schneckenelemente zur Verfügung zu stellen, das in einem Extruder eine gute Entgasung eines Extrudats gewährleistet und gleichzeitig eine Schädigung des Extrudats vermeidet. Dabei soll das Paar Schneckenelemente zusätzlich auch eine gute Dispergierung als auch eine gute Mischwirkung erzielen. Die Schädigung des Extrudats soll dabei vorzugweise dadurch vermieden werden, dass das Paar Schneckenelemente einen verringerten Energieeintrag in das Extrudat gewährleistet, ohne dass die Entgasung des Extrudats dabei beeinträchtigt wird.
Überraschenderweise wird die Aufgabe gelöst durch eine mehrwellige Schneckenmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
Im Besonderen wird die Aufgabe ferner durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
Dabei soll im Rahmen dieser Erfindung gelten:
Ein Schneckenprofil ist eine geschlossene konvexe Kurve. Dabei setzt sich ein Schneckenprofil aus mehreren voneinander verschiedenen Kurvenzügen zusammen, die - je nach ihren geometrischen Eigenschaften - als „Kamm“, als „Flanke“ oder als „Nut“ bezeichnet werden.
Der Krümmungsradius des Schneckenprofils ist in jedem Punkt kleiner als oder gleich dem Achsabstand und größer als oder gleich Null. Ein Krümmungsradius von Null ist gleichbedeutend mit einem Knick im Schneckenprofil.
Ein Knick ist eine Stelle auf einem Schneckenprofil, bei dem ausgehend von einer Parameterdarstellung mit der Bogenlänge l als Parameter für einen Parameterwert lk gilt, dass der linkswertige und rechtwertige Grenzwert für die Werte der Funktionen x(l) und y(l) übereinstimmen (dies ist identisch zu der Eigenschaft, dass die Kurve an diesem Punkt geschlossen ist), also und die Richtungsvektoren der Ableitungen der Kurve nach der Bogenlänge l nicht in die gleiche Richtung zeigen, also ihr Kreuzprodukt nicht verschwindet:
Für den Fall, dass zwei Kreisbögen als Teil eines Schneckenprofils nicht tangential ineinander übergehen, befindet sich der Knick am Schnittpunkt der beiden Kreisbögen. Es ist möglich, einen Knick als einen Kreisbogen mit dem Mittelpunkt gleich dem Schnittpunkt der beiden Kreisbögen und mit Radius Null zu behandeln; dies ist in den Beispielen so ausgeführt.
Ein Kurvenzug ist eine ununterbrochene Linie mit einer Länge größer Null, jedoch ohne Breite, wobei ein Kurvenzug einen ersten Endpunkt und einen zweiten Endpunkt aufweist, die nicht ein und derselbe Punkt sind; das heißt, der erste Endpunkt fällt nicht mit dem zweiten Endpunkt zusammen.
Ein Kurvenzug kann aus mehreren, endlich vielen Kurventeilstücken zusammengesetzt sein, wobei ein erstes Kurventeilstück einen gemeinsamen Berührpunkt mit einem zweiten Kurventeilstück hat, das dem ersten Kurventeilstück unmittelbar benachbart ist.
Ein Kurvenzug kann aber auch aus genau einem Kurventeilstück bestehen.
Ein Kurvenzug darf nur eine endliche Zahl von Knicken aufweisen, die defmitionsgemäß nur im gemeinsamen Berührpunkt zweier unmittelbar benachbarter Kurventeilstücke eines Kurvenzugs hegen können. Im gemeinsamen Berührpunkt zweier unmittelbar benachbarter Kurvenzüge kann ebenfalls ein Knick liegen.
Ein Kurventeilstück ist ein Teilstück eines Kurvenzugs, wobei das Kurventeilstück einen ersten Endpunkt und einen zweiten Endpunkt aufweist, die nicht ein und derselbe Punkt sind; das heißt, der erste Endpunkt fällt nicht mit dem zweiten Endpunkt zusammen.
Ein Kurventeilstück ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe der umfassend die folgenden Mitglieder: Kreisbogen, Ellipsenbogen, Parabelbogen, oder ein Spline oder ein Abschnitt eines Splines, Ergebnis der Anwendung der Längsschnittäquidistantenrechenvorschrift gemäß [1], Seiten 117 bis 121 auf Kreisbogen, Ellipsenbogen oder Parabelbogen, oder auf ein Spline oder auf einen Abschnitt eines Splines, Ergebnis der Anwendung der Raumäquidistantenrechenvorschrift auf Kreisbogen, Ellipsenbogen oder Parabelbogen, oder auf ein Spline oder auf einen Abschnitt eines Splines, oder Ergebnis der Anwendung der Kreisäquidistantenrechenvorschrift, auf Kreisbogen, Ellipsenbogen, Parabelbogen, oder auf ein Spline oder auf einen Abschnitt eines Splines. Dabei gilt fur ein Kurventeilstück außerdem, dass es eine Linie ist, die sich in einer Parameterdarstellung ihrer Bogenlänge l darstellen lässt und bei der xk,l(l) und yk,l(l) analytische Funktionen und x und y die Koordinaten der Linie in der Ebene sind, und damit durch unendliche Potenzreihen darstellbar, stetig, beliebig oft differenzierbar und somit knickfrei.
Ein Stück ist entweder ein Kurventeilstück oder ein Knick.
Eine geschlossene, konvexe Kurve ist eine ununterbrochene Linie mit einer von Null verschiedenen Länge, jedoch ohne Breite, zusammengesetzt aus einem oder mehreren Kurvenzügen, die ihrerseits wiederum aus einem oder mehreren Kurventeilstücken zusammengesetzt sind. Sie besitzt keinen ausgezeichneten Anfangs- und Endpunkt. Man kann, ausgehend von jedem Punkt auf der Kurve, die Länge der Kurve bestimmen, indem man einmal um die Kurve herum die Länge der Kurventeilstücke aufaddiert. Jede Tangente an eine geschlossene, konvexe Kurve liegt außerhalb des Bereiches, der von der Kurve umschlossen wird.
Da sich alle Kurventeilstücke eines Schneckenprofils in einer Ebene befinden, teilt eine geschlossene Kurve, die ein Schneckenprofil ist, die Fläche dieser Ebene in einen Bereich innerhalb der geschlossenen Kurve und in einen Bereich außerhalb der geschlossenen Kurve.
Ein Kreisbogen ist ein Kurventeilstück, bei dem alle Punkte des Kreisbogens den gleichen Abstand, genannt Radius, von einem gemeinsamen Mittelpunkt haben. Ein Kreisbogen hat einen Anfangs- und einen Endpunkt, die nicht ein und derselbe Punkt sind.
Ein Kreisbogen wird nur dann und genau dann als ein Kreisbogen angesehen, wenn alle Punkte dieses Kreisbogens den gleichen Mittelpunkt und den gleichen Radius aufweisen und die Punkte dieses Kreisbogens ein ununterbrochenes Kurventeilstück bilden; das heißt, zwei unmittelbar benachbarte Kreisbögen, die einen gemeinsamen Berührpunkt haben, werden nur dann als zwei Kreisbögen angesehen, wenn sie einen unterschiedlichen Mittelpunkt oder einen unterschiedlichen Radius aufweisen. Erfindungsgemäß finden nur Kreisbögen Verwendung, die im Bogenmaß einen kleineren Zentrumswinkel als π aufweisen.
Ein Kreisbogen Z wird charakterisiert durch die Koordinaten seines Mittelpunktes xmi und ymi durch seinen Radius ri, durch seinen Anfangswinkel βa,i und seinen Zentrumswinkel αi, wobei die gültigen Werte für den Winkel β in Formel (10) zwischen βa,i- und βe,i = βa,i + αi (18) liegen.
Der Drehmitelpunkt P eines Schneckenprofils ist der Schnittpunkt der Drehachse X eines Schneckenelements mit der Querschnittsebene rechtwinklig zu dieser Drehachse. Der Drehmittelpunkt P des Schneckenprofils, nachfolgend kurz auch Drehpunkt P oder Drehpunkt genannt, fällt auch mit dem Bohrungsmittelpunkt M der Gehäusebohrung, in der sich das jeweilige Schneckenelement befindet oder für die das jeweilige Schneckenelement ausgelegt ist, zusammen.
Bezogen auf ein Schneckenprofil ist ein Drehpunkt P der Punkt, um den ein Schneckenprofil als Querschnittsabbildung eines Schneckenelements rotiert.
Ein Kamm ist ein Kurvenzug eines Schneckenprofils, bei dem alle Punkte dieses Kurvenzugs bis auf die jeweils gemeinsamen Berührpunkte mit den beiden dem Kamm unmittelbar benachbarten Kurventeilstücken einen größeren Abstand vom Drehpunkt P haben, als die beiden dem Kamm unmittelbar benachbarten Kurventeilstücke. Erfindungsgemäß ist der Kurvenzug, der einen Kamm bildet, genau ein Kurventeilstück, der genau ein Kreisbogen mit dem Drehpunkt P des Schneckenprofils als Mittelpunkt ist.
Erfindungsgemäß bevorzugt werden alle Kämme eines Schneckenprofils jeweils durch genau einen Kreisbogen gebildet, die jeweils den Drehpunkt P des Schneckenprofils als Mittelpunkt haben.
Der Kammradius ist der Abstand des jeweiligen Kamms vom Drehpunkt P eines Schneckenprofils.
Eine Nut ist ein Kurvenzug eines Schneckenprofils, bei dem alle Punkte dieses Kurvenzugs bis auf die jeweils gemeinsamen Berührpunkte mit den beiden der Nut unmittelbar benachbarten Kurventeilstücken einen kleineren Abstand vom Drehpunkt P haben als die beiden der Nut unmittelbar benachbarten Kurventeilstücke.
Erfindungsgemäß ist der Kurvenzug, der eine Nut bildet, genau ein Kurventeilstück, das genau ein Kreisbogen mit dem Drehpunkt P des Schneckenprofils als Mittelpunkt ist.
Erfindungsgemäß bevorzugt werden alle Nuten eines Schneckenprofils jeweils durch genau einen Kreisbogen gebildet, die jeweils den Drehpunkt P des Schneckenprofils als Mittelpunkt haben.
Eine Flanke ist ein zum Drehmittelpunkt P konvexer Kurvenzug eines Schneckenprofils zwischen einem Kamm und einer Nut, wobei dieser Flanke jeweils einen gemeinsamen Berührpunkt mit dem Kamm und mit der Nut aufweist.
Eine Flanke kann ein einzelnes Kurventeilstück sein oder aus mehreren Kurventeilstücken zusammengesetzt sein. Der Krümmungsradius einer Flanke ist an jedem Punkt kleiner oder gleich dem Achsabstand A, bevorzugt kleiner als der Achsabstand A. Erfindungsgemäß bevorzugt sind die mathematischen Ausdrücke, die einem Kurventeilstück einer Flanke zu Grunde hegen, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe der mathematischen Ausdrücke umfassend die folgenden Mitglieder: Kreisbogen, Ergebnis der Anwendung der Längsschnittäquidistantenrechenvorschrift gemäß [1], Seiten 117 bis 121 auf einen Kreisbogen mit Krümmungsradius kleiner als Achsabstand A oder gleich Achsabstand A eines nur aus Kreisbögen zusammengesetzten exakt abschabenden Schneckenprofils, Ergebnis der Anwendung der Raumäquidistantenrechenvorschrift auf einen Kreisbogen mit Krümmungsradius kleiner als Achsabstand A oder gleich Achsabstand A eines nur aus Kreisbögen zusammengesetzten exakt abschabenden Schneckenprofils und Ergebnis der Anwendung der Kreisäquidistantenrechenvorschrift auf einen Kreisbogen mit Krümmungsradius kleiner als Achsabstand A oder gleich Achsabstand A eines nur aus Kreisbögen zusammengesetzten exakt abschabenden Schneckenprofils.
Bestandteile des erfindungsgemäßen Paares Schneckenelemente bzw. der zugehörigen Schneckenprofile können mit Indexzeichen wie beispielsweise n, m, oder i versehen sein, oder auch mit natürlichen Zahlen, um diese Bestandteile voneinander unterscheiden zu können, wenn diese Bestandteile mehrfach auftreten können.
Weiter soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung gelten:
Tabelle 1: Kenngrößen zur Darstellung eines Schneckenprofils
Sofern im Rahmen der vorliegenden Beschreibung erklärt wird, dass ein Wert für eine Größe „gewählt“ werde, wie es beispielsweise bei der Steigung T, dem Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 8, dem Spiel Schneckenelement-Schneckenelement s, oder dem zusätzlichen Spalt SP der Fall ist, heißt das nicht, dass dieser Größe ein beliebiger Wert zugewiesen werden kann, wenn Schneckenprofile für ein Paar Schneckenelemente erhalten werden sollen, das bestimmungsgemäß nutzbar sein soll. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Auslegung von Schneckenelementen für Extruder kann einschätzen oder durch CFD-Simulationen bestimmen, welche Werte diesen Größen bei einem gegebenen Extruder abhängig beispielsweise von der Viskosität des Extrudats bei der Verarbeitungstemperatur, dem gewünschten Füllgrad des Extruders, dem gewünschten Energieeintrag in das Extrudat oder der Drehzahl der Wellen, sinnvollerweise zugewiesen werden müssen. Insbesondere wenn ein solcher Wert durch Einschätzen erlangt wurde, ist es meist nötig, ihn durch Simulationen zu bestätigen oder genauer zu bestimmen; dies erfolgt in der Regel iterativ. Durch Wahl des zusätzlichen Spaltes SP kann der Stoffaustausch an der Gehäuseinnenwand und die Mischwirkung eingestellt werden. Durch geeignete Wahl von S kann die maximale Scherung eingestellt werden und durch ƒ kann der Kammwinkel und damit die Länge, auf der die maximale Scherung zwischen Kamm und Gehäuse wirken soll, eingestellt werden.
(1) Insbesondere werden die Aufgaben nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gelöst durch: ein Paar Schneckenelemente, geeignet für eine mehrwellige Schneckenmaschine mit m gleichsinnig und gleichschnell drehenden Schneckenwellen SWi bis SWm, deren jeweils benachbarte Drehachsen X1 bis Xm in einem Querschnitt rechtwinklig zu den Drehachsen einen Achsabstand A besitzen und mit m einander durchdringenden, kreisförmigen Gehäusebohrungen, die jeweils einen identischen Gehäusebohrungsinnendurchmesser D aufweisen und deren Bohrungsmittelpunkte M1 bis Mm einen Abstand besitzen, der gleich dem Achsabstand A ist, und deren Bohrungsmittelpunkte M1 bis Mm mit den jeweilig zugehörigen Drehachsen X1 bis Xm der Schneckenwellen SW1 bis SWm und mit den Drehmittelpunkten P1 bis Pm der Schneckenelemente zusammenfallen, wobei die beiden Schneckenelemente des Paares Schneckenelement sich auf unmittelbar benachbarten Schneckenwellen gegenüberliegen, wobei die beiden Schneckenelemente des Paares Schneckenelemente sich mit einem Spiel Schneckenelement-Schneckenelement s gegenseitig abschaben, wobei beide Schneckenelemente ein asymmetrisches Schneckenprofil aufweisen, wobei beide Schneckenelemente jeweils genau zwei Kämme aufweisen, wobei für jedes der beiden Schneckenelemente gilt, dass seine zwei Kämme unterschiedliche Abstände zum jeweiligen Drehmittelpunkt P des Schneckenprofils haben, wobei jeweils ein Kamm einen Abstand D/2 vermindert um ein Spiel Schneckenelement- Gehäusewand 5 und weiter vermindert um einen zusätzlichen Spalt SP zum jeweiligen Drehmittelpunkt P aufweist und der andere Kamm einen Abstand D/2 vermindert um ein Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 5, nicht aber vermindert um einen zusätzlichen Spalt SP, zum jeweiligen Drehmittelpunkt P aufweist, wobei bei beiden Schneckenelementen das Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 5 gleich ist und bei beiden Schneckenelementen der zusätzliche Spalt SP gleich ist, wobei die Summe der Kammwinkel BKW der Kämme beider Schneckenelemente im Bogenmaß größer ist als 0 und für den Faktor ƒ mit ƒ = BKW / BKGW (19) gilt, dass der Faktor / größer ist als 0 und kleiner als oder gleich 0,95, wobei BKW die Summe der Kammwinkel im Bogenmaß beider Schneckenelemente ist und BKGW bestimmt ist durch:
Gleiche Spiele Schneckenelement-Gehäusewand 8 oder gleiche zusätzliche Spalte SP haben den Vorteil eines gleichmäßigen Energieeintrags.
(2) Bevorzugt ist / größer als oder gleich 0,1 und kleiner als oder gleich 0,8 und besonders bevorzugt ist f größer als oder gleich 0,2 und kleiner als oder gleich 0,6.
Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine zweite Ausführungsform nach der oben dargestellten ersten Ausführungsform dar.
(3) Bevorzugt ist dabei, dass das Verhältnis vom Spiel Schneckenelement-Schneckenelement s zwischen den beiden Schneckenelementen eines Paares Schneckenelemente zum Gehäusebohrungsinnendurchmesser D von 0,002 bis 0,05 beträgt, bevorzugt von 0,003 bis 0,03 und besonders bevorzugt von 0,005 bis 0,02.
Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine dritte Ausführungsform nach der oben dargestellten ersten oder zweiten Ausführungsform dar.
(4) Weiter bevorzugt ist dabei, dass das Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 5 bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D 0,002 bis 0,05 beträgt, bevorzugt von 0,003 bis 0,03 und besonders bevorzugt von 0,005 bis 0,02. Diese besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine vierte Ausführungsform nach einer der oben dargestellten Ausführungsformen dar.
(5) Weiter bevorzugt ist dabei, dass der zusätzliche Spalt SP bezogen auf die Gangtiefe GT des jeweiligen Schneckenelementes von 0,015 bis 0,4 beträgt, bevorzugt von 0,02 bis 0,3 und besonders bevorzugt von 0,025 bis 0,25.
Diese besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine fünfte Ausführungsform nach einer der oben dargestellten Ausführungsformen dar.
(6) Weiter bevorzugt sind die Kammwinkel der Kämme des Paares Schneckenelemente, die das Spiel Schneckenelement-Gehäusewand δ, nicht aber den zusätzlichen Spalt SP, zw Gehäusebohrungsinnenwand aufweisen, gleich.
Diese weiter bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine sechste Ausführungsform nach einer der oben dargestellten Ausführungsformen dar.
(7) Außerdem weiter bevorzugt sind die Kammwinkel der Kämme des Paares Schneckenelemente, die das Spiel Schneckenelement-Gehäusewand δ und den zusätzlichen Spalt SP zw Gehäusebohrungsinnenwand aufweisen, gleich.
Diese außerdem weiter bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine siebte Ausführungsform nach einer der oben dargestellten Ausführungsformen dar.
(8) Zusätzlich bevorzugt ist dabei, dass für beide Schneckenelemente des Paares Schneckenelemente gilt, dass die Kammwinkel der Kämme der Schneckenelemente des Paares Schneckenelemente, die das Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 5 und den zusätzlichen Spalt SP aufweisen, größer sind als die Kammwinkel der Kämme der Schneckenelemente des Paares Schneckenelemente, die das Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 5, nicht aber den zusätzlichen Spalt SP, aufweisen.
Diese zusätzlich bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine achte Ausführungsform nach einer der oben dargestellten Ausführungsformen dar.
(9) Ganz besonders bevorzugt sind die Schneckenprofile des Paares Schneckenelemente nicht deckungsgleich, wobei sich die Schneckenprofile der beiden Schneckenelemente durch eine Achsenspiegelung und eine Drehung ineinander überführen lassen.
Diese ganz bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine neunte Ausführungsform nach einer der oben dargestellten ersten bis achten Ausführungsform dar. Dadurch dass sich die Schneckenprofde der beiden Schneckenelemente durch eine Achsenspiegelung und eine Drehung ineinander überführen lassen, wird erreicht, dass der Energieeintrag in jedes der beiden Schneckenelemente eines Paares Schneckenelemente gleich ist. Dies hat sich als vorteilhaft erwiesen, denn dadurch wird eine lokale Überhitzung des Extrudats beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des erfmdungsgemäßen Paares Schneckenelemente vermieden.
(10) Außerdem bevorzugt ist dabei, dass jedes der beiden Schneckenprofile des Paares Schneckenelemente genau zwei (2) Nuten aufweist und genau vier (4) Flanken aufweist.
Diese ganz bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine zehnte Ausführungsform nach einer der oben dargestellten ersten Ausführungsform dar.
(11) Außerdem bevorzugt ist dabei, dass die beiden Schneckenprofile des Paares Schneckenelemente genau vier (4) Nuten aufweist und genau acht (8) Flanken aufweist.
Diese ganz bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine elfte Ausführungsform nach einer der oben dargestellten zehnte Ausführungsform dar.
Das erfindungsgemäße Paar Schneckenelemente kann als Paar Förderelemente oder als Paar Knetscheiben ausgeformt sein, erfindungsgemäß bevorzugt ist es als ein Paar Förderelemente ausgeführt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine mehrwellige Schneckenmaschine, die das erfindungsgemäße Paar Schneckenelemente aufweist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung oder Verarbeitung eines Extrudats unter Verwendung des erfmdungsgemäßen Paares Schneckenelemente in einer mehrwelligen Schneckenmaschine. Dabei ist das Extrudat bevorzugt eine plastische oder viskoelastische Masse, besonders bevorzugt eine Polymerschmelze, insbesondere eine Schmelze eines Thermoplasten oder eines Elastomers, ganz insbesondere eine Schmelze eines Polycarbonats oder eines Polyestercarbonats oder eines thermoplastischen Polyurethans oder eines Kautschuks. Das Verfahren umfasst dabei vorzugsweise die Schritte:
(1) Zurverfügungstellen einer mehrwelligen Schneckenmaschine aufweisend ein erfindungsgemäßes Paar Schneckenelemente;
(2) Herstellen oder Verarbeiten eines Extrudats. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung der Schneckenprofile der Schneckenelemente des erfindungsgemäßen Paares Schneckenelemente ausgehend von einem exakt abschabenden Schneckenprofil gemäß dem Stand der Technik.
Die Schneckenprofile eines erfindungsgemäßen Paares Schneckenelemente lassen sich beispielsweise wie nachfolgend erklärt erzeugen, wobei von einem vorhandenen Extruder mit durch diesen vorgegeben Werten für den Achsabstand A und den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D ausgegangen wird, wobei jedes der beiden Schneckenelemente genau zwei Kämme hat und die beiden Schneckenelemente eines Paares Schneckenelemente als linkes und rechtes Schneckenelement bezeichnet werden, bei Formelzeichen mit tiefgestelltem l bzw. r.
Um die Werte der zur Erzeugung der Schneckenprofile eines erfindungsgemäßen Paares Schneckenelemente zu berechnen, werden sowohl die Werte von Größen eines einander exakt abschabenden Paares Schneckenelemente als auch die Werte von Größen eines einander praktisch abschabenden Paares Schneckenelemente herangezogen, wobei die Werte der Größen eines einander praktisch abschabenden Paares Schneckenelemente von den Werten der Größen eines einander exakt abschabenden Paares Schneckenelemente abhängen und aus ihnen nach Tabelle 1 berechnet werden können.
(I) In einem ersten Schritt wird der Wert für das Spiel Schneckenelement-Schneckenelement s und der Wert für das Spiels Schneckenelement-Gehäusewand δ gewählt, die für das ausgeführte Schneckenelement gelten sollen.
(II) In einem zweiten Schritt wird der Wert für den Außenradius RE eines exakt abschabenden Schneckenprofils bestimmt nach der Gleichung:
RE = DE/2 (21) mit
DE = D — 2δ + s (22)
(III) In einem dritten Schritt wird der Wert für den Innenradius RI eines exakt abschabenden Schneckenprofils bestimmt nach der Gleichung: (IV) In einem vierten Schritt wird der Außenradius RA eines technisch ausführbaren/bestimmungsgemäß nutzbaren Schneckenelements bestimmt nach der Gleichung:
RA = D/2 - δ (24)
(V) In einem fünften Schritt wird der Innenradius RK eines technisch ausführbaren/bestimmungsgemäß nutzbaren Schneckenelements bestimmt nach der Gleichung:
RK = A - D/2 + δ — s (25)
(VI) In einem sechsten Schritt wird die Gangtiefe eines technisch ausführbaren / bestimmungsgemäß nutzbaren Schneckenelements nach der Gleichung
GT = RA - RK (26) berechnet.
(VII) In einem siebten Schritt wird ein Wert für den zusätzlichen Spalt SP eines technisch ausführbaren / bestimmungsgemäß nutzbaren Schneckenelements gewählt, wobei immer SP < GT/2 ist.
Die Schritte (II) bis (V) können in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden.
(VIII) In einem achten Schritt wird jeweils für jedes der beiden Schneckenelemente eines Paars einander exakt abschabender Schneckenelemente die Ausgangssumme der Kammwinkel SKWO des jeweiligen Schneckenelementes nach Gleichung (4) bzw. (27) bestimmt:
(IX) In einem neunten Schritt wird die Summe der Kammwinkel eines Paares einander exakt abschabender Schneckenelemente BSKW0 berechnet nach BSKW0 = 2 g SKW0 (28) wobei der Faktor g gewählt wird, wobei g größer ist als 0,1 und kleiner als 0,95, bevorzugt größer als 0,15 und kleiner als 0,8 und besonders bevorzugt größer als 0,2 und kleiner als 0,6.
(X) In einem zehnten Schritt werden für ein Paar einander exakt abschabender Schneckenelemente der Kammwinkel KW0l,δ des exakt abschabenden Profds des linken Schneckenelementes und der Kammwinkel KW0r,δ des rechten Schneckenelementes für denjenigen Kamm des jeweiligen Schneckenelements festgelegt, der jeweils das Spiel Schneckenelement- Gehäusewand 5 zur Gehäusebohrungsinnenwand aufweist, bei Formelzeichen mit tiefgestelltem 5 gekennzeichnet, nicht aber den zusätzlichen Spalt SP, und zwar so, dass für die Summe der Kammwinkel dieser Kämme gilt:
KW0l,δ + KW0r,δ < BSKW0 (29) bevorzugt und besonders bevorzugt wobei alle Kammwinkel größer sind als 0.
(XI) In einem elften Schritt werden für ein Paar einander exakt abschabender Schneckenelemente der Kammwinkel KW0l,δ+SP des Schneckenprofils des linken Schneckenelements und der Kammwinkel KW0r,δ+SP des rechten Schneckenelementes für den Kamm des jeweiligen Schneckenelements festgelegt, der jeweils das Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 5 und den Spalt SP, also S + SP, aufweist, bei Formelzeichen mit tiefgestelltem S + SP gekennzeichnet, und zwar so, dass für die Summe der Kammwinkel dieser Kämme gilt:
KW0l,δ+SP + KW0r,δ+SP = BSKW0 - KW0l,δ + KW0r,δ) (32) und bevorzugt
KW0l,δ+SP + KW0r,δ+SP = 2 KW0δ+SP = BSKW0 - KW0l,δ + KW0r,δ) (33) (XII) In einem zwölften Schritt wird für ein Paar einander exakt abschabender Schneckenelemente das Schneckenprofd des ersten Schneckenelements, hier ausgewählt als das linke Schneckenelement - gleichermaßen könnte auch das rechte Schneckenelement ausgewählt werden bestehend aus den im folgenden genannten Kurvenzügen konstruiert. Diese Kurvenzüge folgen dabei in einer Drehrichtung wie nachfolgend angegeben unmittelbar aufeinander, wobei die Drehrichtung mathematisch positiv oder negativ sein kann, und die Kurvenzüge an ihren jeweiligen Endpunkten ineinander übergehen. Dieses Schneckenprofil für das erste Schneckenelement stellt das erzeugende Schneckenprofil dar. - Ein Kreisbogen mit Radius RE, mit dem Winkel KW0l,δ und mit dem Drehmittelpunkt P des Schneckenprofils als Mittelpunkt, wobei dieser Kreisbogen der erste Kamm ist - Eine erste Flanke [Flanke 1]; - Ein Kreisbogen mit Radius RI, mit dem Winkel KW0r,δ und mit dem Drehmittelpunkt P des Schneckenprofils als Mittelpunkt, wobei dieser Kreisbogen die erste Nut ist; - Ein e zweite Flanke [Flanke 2]; - Ein Kreisbogen mit Radius RE — SP, Winkel KW0l,δ+SP und Mittelpunkt des Drehmittelpunkts P des Schneckenprofils, der der zweite Kamm ist; - Ein e dritte Flanke [Flanke 3]; - Ein Kreisbogen mit Radius RI + SP, Winkel KW0l,δ+SP und Mittelpunkt des Drehmittelpunkts P des Schneckenprofils, wobei dieser Kreisbogen die zweite Nut ist; - Ein e vierte Flanke [Flanke 4], die das Profil zwischen der zweiten Nut und dem ersten Kamm schließt.
(XIII) In einem dreizehnten Schritt wird für ein Paar einander exakt abschabender Schneckenelemente das Schneckenprofil des zweiten Schneckenelements, hier ausgewählt als das rechte Schneckenelement, konstruiert. Hierzu wird der Drehpunkt des linken Schneckenelements auf die Koordinaten x = 0 und y = 0 gelegt und der Drehpunkt des rechten Schneckenelements auf die Koordinaten x = A und y = 0. Das Schneckenprofil des linken Schneckenelementes wird geometrisch in seine Kurventeilstücke und - soweit vorhanden - Knicke i = 1. . n zerlegt. Das exakt abschabende Schneckenprofil des rechten Schneckenelements wird dann aus zu dem Schneckenprofil des linken Schneckenelements korrespondierenden Kurventeilstücken und - soweit vorhanden - Knicken aufgebaut, benannt i' = 1. . n.
Für ein Kurventeilstück i wird in einer Parameterdarstellung mit pa,i ≤ p ≤ pe,i , bei der die Ableitung der analytischen Funktionen xi(p) und yi(p) nicht für den gleichen Wert Null werden und bei der ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen wird, dass mit steigendem p im mathematisch positiven Sinn um den Drehpunkt windet , ein normierter Normalenvektor gebildet, wobei das Vorzeichen so gewählt wird, dass der Normalenvektor aus dem Profil heraus, vom Drehpunkt weg, zeigt.
Jedem Kurventeilstück ist ein Anfangswinkel βa,i und ein Endwinkel βe,i zugeordnet. Der Anfangswinkel genügt bei p = pa der Bedingung und der Endwinkel aus den Komponenten des Normalenvektors bei p = pe zu wobei βe,i > βa,i und βe,i < βa,i + π.
Mit dem Kurventeilstück i auf der linken Schnecke korrespondiert dann ein Kurventeilstück i‘ auf der rechten Schnecke mit der Koordinatendarstellung In einer bevorzugten Ausführung stellt das Kurventeilstück i einen Kreisbogen mit der Parameterdarstellung (39) mit βa,i ≤ β ≤ βe,i dar, dann ist der normierte Normalenvektor und die Darstellung des korrespondierenden Kreisbogens ist mit ri' = A — ri' xmi' = xmi' + A und ymi' = ymi und (wie oben) βa,i ≤ β ≤ βe,i.
Falls das Kurventeilstück einen Kreis mit X = A darstellt, dann ist ri' = 0. und das korrespondierende Stück ist ein Knick.
Falls das Stück i einen Knick mit den Koordinaten darstellt, dann korrespondiert dieser mit einem Kreisbogen mit Radius , dessen Darstellung aus der obigen Formel mit ri' = A erhalten werden kann.
In einer bevorzugten Ausführung ist das Schneckenprofil der erfmdungsgemäßen Schneckenelemente durch Verwendung der Achsabstandsvergrößerung, der Kreisäquidistante, der Längsäquidistante oder der Raumäquidistante aus einem exakt abschabenden Schneckenprofil abgeleitet, wobei die Summe der Kammwinkel BKW der Kämme beider Schneckenelemente im Bogenmaß größer ist als 0 und für den Faktor ƒ mit ƒ = BKW / BKGW (42) gilt, dass der Faktor ƒ größer ist als 0 und kleiner als oder gleich 0,95, wobei BKW die Summe der Kammwinkel im Bogenmaß beider Schneckenelemente ist und BKGW bestimmt ist durch:
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist das Schneckenprofil der erfindungsgemäßen Schneckenelemente aus Kurventeilstücken zusammengesetzt, die ausgewählt sind aus der Gruppe der mathematischen Ausdrücke umfassend die folgenden Mitglieder: Kreisbogen, Ellipsenbogen, Parabelbogen, Spline oder Abschnitt eines Splines, Ergebnis der Anwendung der Längsschnittäquidistantenrechenvorschrift gemäß [1], Seiten 117 bis 121 auf Kreisbogen, Ellipsenbogen, Parabelbogen oder auf ein Spline oder auf einen Abschnitt eines Splines, Ergebnis der Anwendung der Raumäquidistantenrechenvorschrift auf Kreisbogen, Ellipsenbogen, Parabelbogen oder auf ein Spline oder auf einen Abschnitt eines Splines, oder Ergebnis der Anwendung der Kreisäquidistantenrechenvorschrift, auf Kreisbogen, Ellipsenbogen, Parabelbogen oder auf ein Spline oder auf einen Abschnitt eines Splines.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei Paare erfindungsgemäßer Schneckenelemente in einer mehrwelligen Schneckenmaschine axial unmittelbar hintereinander angeordnet. Eine solche Anordnung ist grundsätzlich beispielsweise in der PCT/EP2021/078863 gezeigt, wobei PCT/EP2021/078863 insbesondere Paare einander exakt abreinigender Schneckenelemente beschreibt, wohin gegen die vorliegende Erfindung sich auf praktisch abschabende Schneckenelemente bezieht.
In der Fig. 1 ist das praktisch abschabende Schneckenprofil des linken Schneckenelementes aus Beispiel 2 zur Verdeutlichung der geometrischen Größen dargestellt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen erläutert, ohne dass die Erfindung auf diese Beispiele eingeschränkt werden soll.
Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel - nicht erfindungsgemäß) Das nicht erfindungsgemäße Beispiel 1 ist ein Paar zweier sich gegenseitig praktisch abschabender
Schneckenelemente mit sowie nach
EP 0002131 A1, Fig. 5(A) und Fig. 5(B), wobei zusätzlich die Raumäquidistantenrechenvorschrift auf das Schneckenprofil nach EP 0002131 A1, Fig. 5(A) oder Fig. 5(B), angewandt wird. Die Schneckenprofile der Schneckenelemente sind asymmetrisch, nicht deckungsgleich, sie lassen sich aber durch eine Achsenspiegelung und eine Drehung ineinander überführen.
Das exakt abschabende Schneckenprofil des linken Schneckenelements besteht aus den Stücken i = 1 bis 12, die entweder Kreisbögen oder Knicke sind. Die Bogenwinkel, Anfangswinkel, Endwinkel, Bogenradius bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D, x -Koordinate des Mittelpunktes des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P1 des linken Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D und y-Koordinate des Mittelpunkts des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt des linken Schneckenprofils P1 bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D sind in Tabelle 2 angegeben. Die Kämme des praktisch abschabenden Schneckenprofils sind die Kreisbögen 1 und 7. Knicke sind dadurch erkennbar, dass der Wert ist.
Tabelle 2: Kreisbögen des exakt abschabenden Profils des linken Schneckenprofils von Beispiel 1.
Das exakt abschabende Schneckenprofil des rechten Schneckenelements besteht aus den Stücken i = T bis 12‘, die entweder Kreisbögen oder Knicke sind. In Tabelle 3 sind Anfangswinkel, Endwinkel, Bogenradius bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D, x -Koordinate des Mittelpunktes des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P2 des rechten Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D und y-Koordinate des Mittelpunktes des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P2 des rechten Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D angegeben. Die Kämme des praktisch abschabenden Schneckenprofils sind die Kreisbögen 4‘ und 10‘. Knicke sind dadurch erkennbar,’ dass der Wert ist.
Tabelle 3: Kreisbögen des exakt abschabenden Schneckenprofils des rechten Schneckenelements aus Beispiel 1.
Die Summe der Kammwinkel beider exakt abschabenden Schneckenprofile des Paars Schneckenelemente zusammen beträgt BKW0 = 1,72356 im Bogenmaß (98,75 °).
Die technisch ausgeführten, praktisch abschabenden, Schneckenelemente des Paars Schneckenelemente gemäß Beispiel 1 mit Schneckenprofilen, die von exakt abschabenden Schneckenprofilen abgeleitet sind, sind asymmetrisch, nicht deckungsgleich, lassen sich aber durch eine Achsenspiegelung und eine Drehung ineinander überfuhren. Die Summe der Kammwinkel des praktisch abschabenden Schneckenprofils eines einzelnen Schneckenelements ist 0,73115 im Bogenmaß (41,89 Grad). Die Summe der Kammwinkel der Schneckenprofile des Paars Schneckenelemente im Bogenmaß ist BKW = 1,462 (83,78 °).
Der nach Formel (2) berechnete Grenzwert für die Summe der Kammwinkel des Paars Schneckenelemente beträgt BKGW = 1,444 (82,71°). Damit ist BKW > BKGW, ihr Verhältnis und damit ist dieses Paar Schneckenelemente nicht erfindungsgemäß. Die praktisch abschabenden Schneckenprofile der beiden Schneckenelemente sind in der Fig. 2 dargestellt, zusammen mit den zugehörigen exakt abschabenden Schneckenprofilen, von denen die praktisch abschabenden Schneckenprofile abgeleitet wurden. Tabelle 4 gibt das Schneckenprofil des linken Schneckenelementes in der Ebene nach Formel (13) an, also dem Radius als Funktion des Winkels γl ausgehend vom Drehmittelpunkt P1 des linken Schneckenelementes. Die Radien sind jeweils für einen Winkelabstand von zwei Grad angegeben, außer beim Übergang in einen Kamm- oder Nutbereich, wo zusätzliche Punkte angegeben sind. Tabelle 5 gibt die entsprechenden Koordinaten des Schneckenprofils des rechten Schneckenelements ausgehend vom Drehmittelpunkt P2 des rechten Schneckenelementes an Fig. 3 zeigt das nicht erfindungsgemäße Schneckenelementepaar in einer Draufsicht.
Tabelle 4: Schneckenprofil des linken Schneckenelements des Paars nicht erfindungsgemäßer
Schneckenelemente aus Beispiel 1.
Tabelle 5: Schneckenprofil des rechten Schneckenelements des Paars nicht erfindungsgemäßer Schneckenelemente aus Beispiel 1.
Beispiel 2 (erfindungsgemäß)
Das erfindungsgemäße Beispiel 2 ist ein Paar zweier sich gegenseitig praktisch abschabender Schneckenelemente mit sowie also den gleichen Werten für die entsprechenden Größen wie in Beispiel 1, wobei zusätzlich die Raumäquidistantenrechenvorschrift angewandt wird. Die Schneckenprofile der Schneckenelemente sind asymmetrisch, nicht deckungsgleich, sie lassen sich aber durch eine Achsenspiegelung und eine Drehung ineinander überführen.
Das exakt abschabende Schneckenprofil des linken Schneckenelements besteht aus den Stücken i = 1 bis 20, die entweder Kreisbögen oder Knicke sind. Die Bogenwinkel, Anfangswinkel, Endwinkel, Bogenradius bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D, x -Koordinate des Mittelpunktes des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt des linken Schneckenprofils P1 bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D und y-Koordinate des Mittelpunkts des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P1 des linken Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D sind in Tabelle 6 angegeben sind. Die Kämme des exakt abschabenden Schneckenprofils sind die Kreisbögen 1 und 11. Knicke sind dadurch erkennbar, dass der Wert ist.
Das exakt abschabende Schneckenprofil des rechten Schneckenelements besteht aus den Kreisbögen i = 1' bis 20' die entweder Kreisbögen oder Knicke sind. Die Bogenwinkel, Anfangswinkel, Endwinkel, Bogenradius bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D, x -Koordinate des Mittelpunktes des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P2 des rechten Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D und y-Koordinate des Mittelpunkts des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P1 des rechten Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D sind in Tabelle 7 angegeben sind. Die Kämme des praktisch abschabenden Schneckenprofils sind die Kreisbögen 6‘ und 16‘. Die Summe der Kammwinkel beider exakt abschabenden Schneckenprofile des Paars Schneckenelemente beträgt BKW0 = 0.8784 im Bogenmaß (50.32°).
Tabelle 6: Kreisbögen des exakt abschabenden Schneckenprofils des linken Schneckenelements aus Beispiel 2.
Tabelle 7: Kreisbögen des exakt abschabenden Schneckenprofils des rechten Schneckenelements aus Beispiel 2.
Die technisch ausgeführten, praktisch abschabenden, Schneckenelemente des Paars Schneckenelemente gemäß Beispiel 2 mit Schneckenprofilen, die von exakt abschabenden Schneckenprofilen abgeleitet sind, sind asymmetrisch, nicht deckungsgleich, lassen sich aber durch eine Achsenspiegelung und eine Drehung ineinander überfuhren. Die Summe der Kammwinkel des praktisch abschabenden Schneckenprofils eines einzelnen Schneckenelements ist 0,3384 im Bogenmaß (19,30°). Die Summe der Kammwinkel der Schneckenprofile des Paars Schneckenelemente ist BKW = 0,6769 im Bogenmaß (38,78°). Der nach Formel (2) berechnete Grenzwert für die Summe der Kammwinkel des Paars Schneckenelemente beträgt (wie im Beispiel 1) BKGW = 1,444 im Bogenmaß (82,71°). Damit ist BKW < BK GW, das Verhältnis , und dieses Schneckenelementepaar ist erfmdungsgemäß.
Die praktisch abschabenden Schneckenprofile des erfmdungsgemäßen Paars Schneckenelemente sind in Fig. 4 dargestellt, zusammen mit den zugehörigen exakt abschabenden Schneckenprofilen, von denen die praktisch abschabenden Schneckenprofile abgeleitet wurden. Tabelle 8 gibt die das Schneckenprofil des linken Schneckenelements nach Formel (5) an, also dem Radius als Funktion des Winkels γl ausgehend vom Drehmittelpunkt P1 des linken Schneckenelementes. Die Radien sind jeweils für einen Winkelabstand von zwei Grad angegeben, außer beim Übergang in einen Kamm- oder Nutbereich, wo zusätzliche Punkte angegeben sind. Tabelle 9 gibt die entsprechenden Koordinaten des das Schneckenprofil des rechten Schneckenelements an Fig. 5 zeigt das erfindungsgemäße Schneckenelementepaar in einer Draufsicht.
Tabelle 8: Schneckenprofil des linken Schneckenelements des Paars erfindungsgemäßer Schneckenelemente aus Beispiel 2.
Schneckenelemente aus Beispiel 2. Beispiel 3 (erfindungsgemäß)
Das erfindungsgemäße Beispiel 3 ist ein Paar zweier sich gegenseitig praktisch abschabender Schneckenelemente mit und , wobei zusätzlich die Raumäquidistantenrechenvorschrift angewandt wurde. Die Schneckenprofile der Schneckenelemente sind asymmetrisch, nicht deckungsgleich, sie lassen sich aber durch eine Achsenspiegelung und eine Drehung ineinander überführen.
Das exakt abschabende Schneckenprofil des linken Schneckenelements besteht aus den Stücken i = 1 bis 20, die entweder Kreisbögen oder Knicke sind. Die Bogenwinkel, Anfangswinkel, Endwinkel, Bogenradius bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D, x -Koordinate des Mittelpunktes des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P1 des linken Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D und y-Koordinate des Mittelpunkts des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P1 des linken Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D sind in Tabelle 10 angegeben sind. Die Kämme des exakt abschabenden Schneckenprofils sind die Kreisbögen 1 und 11. Knicke sind dadurch erkennbar, dass der Wert = 0 ist. Die Kämme des praktisch abschabenden Schneckenprofils sind die Kreisbögen 1 und 11.
Tabelle 10: Kreisbögen des exakt abschabenden Profils des linken Schneckenprofils aus Beispiel 3.
Das exakt abschabende Schneckenprofil des rechten Schneckenelements besteht aus den Kreisbögen i = 1' bis 20' die entweder Kreisbögen oder Knicke sind. Die Bogenwinkel, Anfangswinkel, Endwinkel, Bogenradius bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D, x -Koordinate des Mittelpunktes des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P1 des rechten Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D und y-Koordinate des Mittelpunkts des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P1 des rechten Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D sind in Tabelle 11 angegeben sind. Die Kämme des exakt abschabenden Profils sind die Kreisbögen 6‘ und 16‘. Die Summe der Kammwinkel beider exakt abschabenden Profile beträgt BKW0 = 0.7716 im Bogenmaß (44.21°)
Tabelle 11: Kreisbögen des exakt abschabenden Profils des rechten Schneckenprofils aus Beispiel 3.
Die technisch ausgeführten, praktisch abschabenden Schneckenelemente des erfindungsgemäßen Paars Schneckenelemente gemäß Beispiel 3 mit Schneckenprofilen, die von exakt abschabenden Schneckenprofilen abgeleitet sind, sind ebenfalls asymmetrisch, nicht deckungsgleich, sie lassen sich aber durch eine Achsenspiegelung und eine Drehung ineinander überfuhren. Die Summe der Kammwinkel beträgt sowohl beim linken als auch beim rechten Schneckenprofil jeweils 0,3464 im Bogenmaß (20,89 °), die Summe der Kammwinkel des Paars Schneckenelemente damit BKW = 0,6928 (41,78°).
Der nach Formel (2) berechnete Grenzwert für die Summe der Kammwinkel des Paars Schneckenelemente beträgt beträgt BKGW=1, 848 im Bogenmaß (105,86°). Damit ist BKW < BKGW, das Verhältnis , und das Schneckenelementepaar ist erfindungsgemäß.
Die praktisch abschabenden Schneckenprofile des erfindungsgemäßen Paars Schneckenelemente sind in Fig. 6 dargestellt, zusammen mit den zugehörigen exakt abschabenden Schneckenprofilen, von denen die praktisch abschabenden Schneckenprofile abgeleitet wurden. Tabelle 12 gibt die das Schneckenprofil des linken Schneckenelements nach Formel (5) an, also dem Radius als Funktion des Winkels ausgehend vom Drehmittelpunkt P1 des linken Schneckenprofils. Die Radien sind jeweils für einen Winkelabstand von zwei Grad angegeben, außer beim Übergang in einen Kamm- oder Nutbereich, wo zusätzliche Punkte angegeben sind. Tabelle 13 gibt die entsprechenden Koordinaten des Schneckenprofils des rechten Schneckenprofils an. Fig. 7 zeigt das erfmdungsgemäße Schneckenelementpaar in einer Draufsicht.
Tabelle 12: Schneckenprofil des linken Schneckenelements des Paars erfindungsgemäßer Schneckenelemente aus Beispiel 3.
Tabelle 13: Schneckenprofil des rechten Schneckenelements des Paars erfindungsgemäßer Schneckenelemente aus Beispiel 3.
Beispiel 4 (erfindungsgemäß)
Das erfindungsgemäße Beispiel 4 ist ein Paar zweier sich gegenseitig praktisch abschabender Schneckenelemente mit A/D = 0,84, T/D = 0,75, δ/d = 0,005 sowie s/D = 0,01, wobei zusätzlich die Raumäquidistantenrechenvorschrift ausgeführt wird. Die Schneckenprofile der Schneckenelemente sind asymmetrisch, nicht deckungsgleich, sie lassen sich aber durch eine Achsenspiegelung und eine Drehung ineinander überfuhren.
Das exakt abschabende Schneckenprofil des linken Schneckenelements besteht aus den Stücken i = 1 bis 20, die entweder Kreisbögen oder Knicke sind. Die Bogenwinkel, Anfangswinkel, Endwinkel, Bogenradius bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D, x -Koordinate des Mittelpunktes des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P1 des linken Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D und y-Koordinate des Mittelpunkts des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P1 des linken Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D sind in Tabelle 14 angegeben sind. Die Kämme des exakt abschabenden Schneckenprofils sind die Kreisbögen 1 und 11. Knicke sind dadurch erkennbar, dass der Wert = 0 ist.
Tabelle 14: Kreisbögen des praktisch abschabenden Schneckenprofils des linken Schneckenelements aus Beispiel 4.
Das exakt abschabende Schneckenprofil des rechten Schneckenelements besteht aus den Kreisbögen i = 1' bis 20' die entweder Kreisbögen oder Knicke sind. Die Bogenwinkel, Anfangswinkel, Endwinkel, Bogenradius bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D, x -Koordinate des Mittelpunktes des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P1 des rechten Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D und y-Koordinate des Mittelpunkts des Kreisbogens i relativ zum Drehpunkt P1 des rechten Schneckenprofils bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D sind in Tabelle 15 angegeben sind. Die Kämme des exakt abschabenden Schneckenprofils sind die Kreisbögen 6‘ und 16‘. Die Summe der Kammwinkel beider exakt abschabenden Schneckenprofile des Paars Schneckenelemente zusammen beträgt BKW0 = 0.69814 im Bogenmaß (40°).
Tabelle 15: Kreisbögen des exakt abschabenden Schneckenprofils des rechten Schneckenelements aus Beispiel 4.
Die technisch ausgeführten, praktisch abschabenden Schneckenelemente des erfindungsgemäßen Paars Schneckenelemente gemäß Beispiel 4 mit Schneckenprofilen, die von exakt abschabenden Schneckenprofilen abgeleitet sind, sind ebenfalls asymmetrisch, nicht deckungsgleich, sie lassen sich aber durch eine Achsenspiegelung und eine Drehung ineinander überfuhren. Die Summe der Kammwinkel beträgt sowohl beim linken als auch beim rechten Schneckenprofil jeweils 0,25885im Bogenmaß (14,83°), die Summe der Kammwinkel des Paars Schneckenelemente ist BKW = 0.51766 (29.66°). Der nach Formel (2) berechnete Grenzwert für die Summe der Kammwinkel des Paars Schneckenelemente beträgt beträgt BKGW=l,5703 im Bogenmaß (89.97°). Damit ist BKW < BKGW ihr Verhältnis , und das Schneckeneielementepaar ist erfindungsgemäß.
Die praktisch abschabenden Schneckenprofile des erfindungsgemäßen Paars Schneckenelemente sind in Fig. 8 dargestellt, zusammen mit den zugehörigen exakt abschabenden Schneckenprofilen, von denen die praktisch abschabenden Schneckenprofile abgeleitet wurden. Fig. 9 zeigt das Paar erfindungsgemäßer Schneckenelemente in einer Draufsicht.
Tabelle 16 gibt das Schneckenprofil des linken Schneckenelements nach Formel (5) an, also dem Radius als Funktion des Winkels γl ausgehend vom Drehmittelpunkt P1 des linken Schneckenprofils. Die Radien sind jeweils für einen Winkelabstand von zwei Grad angegeben, außer beim Übergang in einen Kamm- oder Nutbereich, wo zusätzliche Punkte angegeben sind. Tabelle 17 gibt die entsprechenden Koordinaten des Schneckenprofils des rechten Schneckenprofils an.
Tabelle 16: Schneckenprofil des linken Schneckenelements des Paars erfindungsgemäßer
Schneckenelemente aus Beispiel 4.
Tabelle 17: Schneckenprofil des rechten Schneckenelements des Paars erfindungsgemäßer Schneckenelemente aus Beispiel 4.
Kurze Figurenbeschreibung und Bezugszeichenliste
Figur 1
Praktisch abschabendes Schneckenprofil des linken Schneckenelementes aus Beispiel 2
1. 1 Gehäusebohrungsinnenwandprofil des linken Teils der Gehäusebohrung
1.2 Gangtiefe GT
1.3 Gehäusebohrungsinnendurchmesser D
1.4 Kammwinkel des linken Schneckenelements, das ein Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 8 aufweist, nicht aber einen zusätzlichen Spalt SP: KWl,δ
1.5 Spiel Schneckenelement-Gehäusewand δ
1.6 Gangtiefe vermindert um den zusätzlichen Spalt: GT — SP
1.7 Spiel Schneckenelement-Gehäusewand vermehrt um den zusätzlichen Spalt: δ + SP
1.8 Kammwinkel des linken Schneckenelements, das sowohl ein Spiel Schneckenelement- Gehäusewand δ aufweist als auch einen zusätzlichen Spalt SP: KWl,δ+SP
1.9 Drehmittelpunkt P
Figur 2
Schneckenprofile des nicht erfindungsgemäßen Schneckenelementepaars aus Beispiel 1
2. 1 Gehäusebohrungsinnenwandprofil
2.2 Profil linkes Schneckenelement, exakt abschabend
2.3 Profil linkes Schneckenelement, praktisch abschabend
2.4 Profil rechtes Schneckenelement, exakt abschabend
2.5 Profil rechtes Schneckenelement, praktisch abschabend Figur 3
Draufsicht auf das nicht erfindungsgemäße Schneckenelementepaar aus Beispiel 1
3.1 Gehäusebohrungsinnenwandprofil
3.3 Profil linkes Schneckenelement, praktisch abschabend
3.5 Profil rechtes Schneckenelement, praktisch abschabend
Figur 4
Schneckenprofile des erfindungsgemäßen Schneckenelementepaars aus Beispiel 2
4. 1 Gehäusebohrungsinnenwandprofil
4.2 Profil linkes Schneckenelement, exakt abschabend
4.3 Profil linkes Schneckenelement, praktisch abschabend
4.4 Profil rechtes Schneckenelement, exakt abschabend
4.5 Profil rechtes Schneckenelement, praktisch abschabend
Figur 5
Draufsicht auf das erfindungsgemäße Schneckenelementepaar aus Beispiel 2
5.1 Gehäusebohrungsinnenwandprofil
5.3 Profil linkes Schneckenelement, praktisch abschabend
5.5 Profil rechtes Schneckenelement, praktisch abschabend
Figur 6
Schneckenprofile des erfindungsgemäßen Schneckenelementepaars aus Beispiel 3
6. 1 Gehäusebohrungsinnenwandprofil
6.2 Profil linkes Schneckenelement, exakt abschabend
6.3 Profil linkes Schneckenelement, praktisch abschabend 6.4 Profil rechtes Schneckenelement, exakt abschabend
6.5 Profil rechtes Schneckenelement, praktisch abschabend
Figur 7
Draufsicht auf das erfindungsgemäße Schneckenelementepaar aus Beispiel 3
7. 1 Gehäusebohrungsinnenwandprofil
7.3 Profil linkes Schneckenelement, praktisch abschabend
7.5 Profil rechtes Schneckenelement, praktisch abschabend
Figur 8
Schneckenprofile des erfindungsgemäßen Schneckenelementepaars aus Beispiel 4
8.1 Gehäusebohrungsinnenwandprofil
8.2 Profil linkes Schneckenelement, exakt abschabend
8.3 Profil linkes Schneckenelement, praktisch abschabend
8.4 Profil rechtes Schneckenelement, exakt abschabend
8.5 Profil rechtes Schneckenelement, praktisch abschabend
Figur 9
Draufsicht auf das erfindungsgemäße Schneckenelementepaar aus Beispiel 4
9. 1 Gehäusebohrungsinnenwandprofil
9.3 Profil linkes Schneckenelement, praktisch abschabend
9.5 Profil rechtes Schneckenelement, praktisch abschabend

Claims

Patentansprüche
1. Mehrwellige Schneckenmaschine, die ein Paar Schneckenelemente aufweist, mit m gleichsinnig und gleichschnell drehenden Schneckenwellen SWi bis SWm, deren jeweils benachbarte Drehachsen X1 bis Xm in einem Querschnitt rechtwinklig zu den Drehachsen einen Achsabstand A besitzen und mit m einander durchdringenden, kreisförmigen Gehäusebohrungen, die jeweils einen identischen Gehäusebohrungsinnendurchmesser D aufweisen und deren Bohrungsmittelpunkte M1 bis Mm einen Abstand besitzen, der gleich dem Achsabstand A ist, und deren Bohrungsmittelpunkte M1 bis Mm mit den jeweilig zugehörigen Drehachsen X1 bis Xm der Schneckenwellen SWi bis SWm und mit den Drehmittelpunkten P1 bis Pm der Schneckenelemente zusammenfallen, wobei die beiden Schneckenelemente des Paares Schneckenelement sich auf unmittelbar benachbarten Schneckenwellen gegenüberliegen, wobei die beiden Schneckenelemente des Paares Schneckenelemente sich mit einem Spiel Schneckenelement-Schneckenelement s gegenseitig abschaben, wobei beide Schneckenelemente ein asymmetrisches Schneckenprofd aufweisen, wobei beide Schneckenelemente jeweils genau zwei Kämme aufweisen, wobei für jedes der beiden Schneckenelemente gilt, dass seine zwei Kämme unterschiedliche Abstände zum jeweiligen Drehmittelpunkt P des Schneckenprofils haben, wobei jeweils ein Kamm einen Abstand D /2 vermindert um ein Spiel Schneckenelement- Gehäusewand 5 und weiter vermindert um einen zusätzlichen Spalt SP zum jeweiligen Drehmittelpunkt P aufweist und der andere Kamm einen Abstand D/2 vermindert um ein Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 5, nicht aber vermindert um einen zusätzlichen Spalt SP, zum jeweiligen Drehmittelpunkt P aufweist, wobei bei beiden Schneckenelementen das Spiel Schneckenelement-Gehäusewand δ gleich ist und bei beiden Schneckenelementen der zusätzliche Spalt SP gleich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Kammwinkel BKW der Kämme beider Schneckenelemente im Bogenmaß größer ist als 0 und für den Faktor ƒ mit ƒ = BKW / BKGW (44) gilt, dass der Faktor ƒ größer ist als 0 und kleiner als oder gleich 0,95, wobei BKW die Summe der Kammwinkel im Bogenmaß beider Schneckenelemente ist und BKGW bestimmt ist durch: wobei die vorgenannten Parameter wie in der Beschreibung dargelegt definiert sind. 2. Mehrwellige Schneckenmaschine nach Anspruch 1, wobei / größer als oder gleich 0,1 und kleiner als oder gleich 0,8 ist, bevorzugt f größer als oder gleich 0,2 und kleiner als oder gleich 0,6 ist. 3. Mehrwellige Schneckenmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Verhältnis vom Spiel Schneckenelement-Schneckenelement s zwischen den beiden Schneckenelementen eines Paares Schneckenelemente zum Gehäusebohrungsinnendurchmesser D von 0,002 bis 0,05 beträgt, bevorzugt von 0,003 bis 0,03 und besonders bevorzugt von 0,005 bis 0,02 beträgt. 4. Mehrwellige Schneckenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 8 bezogen auf den Gehäusebohrungsinnendurchmesser D 0,002 bis 0,05 beträgt, bevorzugt von 0,003 bis 0,03 und besonders bevorzugt von 0,005 bis 0,02 beträgt. 5. Mehrwellige Schneckenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zusätzliche Spalt SP bezogen auf die Gangtiefe GT des jeweiligen Schneckenelementes von 0,015 bis 0,4 beträgt, bevorzugt von 0,02 bis 0,3 und besonders bevorzugt von 0,025 bis 0,25 beträgt. 6. Mehrwellige Schneckenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kammwinkel der Kämme des Paares Schneckenelemente, die das Spiel Schneckenelement- Gehäusewand 5, nicht aber den zusätzlichen Spalt SP, zur Gehäusebohrungsinnenwand aufweisen, gleich sind. 7. Mehrwellige Schneckenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kammwinkel der Kämme des Paares Schneckenelemente, die das Spiel Schneckenelement- Gehäusewand 5 und den zusätzlichen Spalt SP zur Gehäusebohrungsinnenwand aufweisen, gleich sind. 8. Mehrwellige Schneckenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei für beide Schneckenelemente des Paares Schneckenelemente gilt, dass die Kammwinkel der Kämme der Schneckenelemente des Paares Schneckenelemente, die das Spiel Schneckenelement- Gehäusewand 5 und den zusätzlichen Spalt SP aufweisen, größer sind als die Kammwinkel der Kämme der Schneckenelemente des Paares Schneckenelemente, die das Spiel Schneckenelement-Gehäusewand 5, nicht aber den zusätzlichen Spalt SP, aufweisen. 9. Mehrwellige Schneckenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schneckenprofile des Paares Schneckenelemente nicht deckungsgleich sind, wobei sich die Schneckenprofile der beiden Schneckenelemente durch eine Achsenspiegelung und eine Drehung ineinander überführen lassen. 10. Mehrwellige Schneckenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jedes der beiden Schneckenprofile des Paares Schneckenelemente genau zwei (2) Nuten aufweist und genau vier (4) Flanken aufweist. 11. Mehrwellige Schneckenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die beiden Schneckenprofile des Paares Schneckenelemente genau vier (4) Nuten aufweisen und genau acht (8) Flanken aufweist. 12. Verfahren zur Herstellung oder Verarbeitung eines Extrudats unter Verwendung einer mehrwelligen Schneckenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
(1) Zurverfügungstellen der mehrwelligen Schneckenmaschine;
(2) Herstellen oder Verarbeiten des Extrudats.
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