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Extrusionsanlage - Dokument DE10152379C1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10152379C1 05.06.2003
Titel Extrusionsanlage
Anmelder SMS-Folientechnik GmbH & Co. KG, Wien, AT
Erfinder King, Nick, Durham, GB;
Dröge, Berthold, Gramatneusiedl, AT;
Lück, Frank van, Wien, AT
Vertreter Gosdin, M., Dipl.-Ing.Univ. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 97422 Schweinfurt
DE-Anmeldedatum 27.10.2001
DE-Aktenzeichen 10152379
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.06.2003
IPC-Hauptklasse B29C 44/50
IPC-Nebenklasse B29D 7/01   B29C 47/80   B29C 47/92   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Extrusionsanlage zur Erzeugung von Schaumfolien, die aus mindestens einem Aufschmelzextruder zum Plastifizieren und Homogenisieren des Kunststoffmaterials und aus mindestens zwei Kühlaggregaten zum Abkühlen der Kunststoffschmelze besteht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens beiden Kühlaggregate unterschiedlich sind oder über Mittel derart gesteuert oder geregelt werden können, dass die austretende Kunststoffschmelze aus beiden Aggregaten unterschiedliche Materialeigenschaften aufweist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Schaumfolie, das die Schritte umfasst: a) Plastifizieren und Homogenisieren von Kunststoff in einem Aufschmelzextruder, b) Aufteilen des Schmelzestranges in mindestens zwei Schmelzestränge, c) Abkühlen der Schmelzestränge in getrennten Kühlaggregaten, d) Zusammenführen der mindestens zwei Schmelzestränge in einer Vereinigungsstelle, um den vereinigten Schmelzestrang einem Extrusionswerkzeug zuzuführen.
Erfindungsgemäß ist hier vorgesehen, dass der Schmelzestrom derart beeinflusst wird, dass sich die Materialeigenschaften, insbesondere Druck und Temperatur, vor der Vereinigungsstelle in den mindestens zwei Schmelzesträngen unterscheiden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Extrusionsanlage zur Erzeugung von Schaumfolien die aus mindestens einem Aufschmelzextruder zum Plastifizieren und Homogenisieren des Kunststoffmateriales und aus mindestens zwei Kühlaggregaten zum Abkühlen der Kunststoffschmelze besteht, wobei die beiden Kühlaggregate in zwei parallel zueinander angeordneten Schmelzesträngen angeordnet sind, sowie aus einem Verfahren zum Erzeugen von Schaumfolie das die Schritte umfaßt: a) Plastifizieren und Homogenisieren von Kunststoff in einem Aufschmelzextruder, b) Aufteilen des Schmelzestrarlges in mindestens zwei Schmelzestränge, c) Abkühlen der Schmelzstränge in getrennten Kühlaggregaten, d) Zusammenführen der mindestens zwei Schmelzestränge in einer Vereinigungsstelle, um den vereinigten Schmelzestrang einem Extrusionswerkzeug zuzuführen.

Es ist bekannt, dass bei der Herstellung von Kunststoffschäumen der Kunststoff zwei gegenteiligen Temperaturbehandlungen unterzogen wird. In einem ersten Schritt muss der in fester Form vorliegende Kunststoff aufgeschmolzen werden. Sobald der Kunststoff eine ausreichende Schmelzequalität erreicht, wird meist als zu verschäumendes Medium Gas injiziert. Dies verändert das Fließverhalten der Kunststoffschmelze. Diese kann durch die Gasinjektion stark verflüssigt werden. Eine ausreichende Schmelzefestigkeit ist jedoch notwendig, um nach Extruder bzw. Werkzeugaustritt einen stabilen Schaum zu erhalten. Ist die Schmelzefestigkeit nicht hoch genug, so zerplatzen die beim Aufschäumen entstehenden Blasen.

Aus diesem Grund wird in einem zweiten Schritt nach der Gasinjektion die Kunststoffschmelze gekühlt, um hierdurch die Viskosität und damit die Schmelzefestigkeit der Kunststoffschmelze zu erhöhen.

Bei kleineren Extrudergrösen - bis max. 90 mm Extruderdruchmesser - können Aufheiz- und Abkühlvorgang in einem Extruder durchgeführt werden. Ab einer bestimmten Extrudergrösse ist dies nicht mehr zweckmäßig. Das Aufschmelzen des Kunststoffes im Extruder wird sowohl durch eine externe Beheizung als auch durch die Antriebsleistung des Extruders gewährleistet. Dabei beträgt der Anteil der externen Temperierung meist nur 20-40%, die restliche Energie wird über das Drehmoment der Schnecke (Reibung) eingeleitet.

Je länger und damit auch grösser der Extruder nun wird, desto höhere Antriebsleistung zum Drehen der Schnecke muss installiert werden und desto mehr Energie wird über das Drehmoment der Schnecke in den Kunststoff eingebracht. Ab einer bestimmten Extruderlänge kann dementsprechend nicht mehr effizient über die Oberfläche des Extruderzylinders und über eine externe Kühlung des Extruders der Schmelze die zum Erreichen einer bestimmten Schmelzefestigkeit notwendige Energie entzogen werden. Die gleichzeitig durch das Schneckendrehmoment eingebrachte Energie führt dann zu einem ineffizienten Prozess.

Aus diesem Grund wird ab einer bestimmten Extrudergrösse der Schaumextrusionsprozess über zwei getrennte Extruder realisiert, wobei der erste Extruder die Aufgabe des Plastifizierens und Homogenisierens übernimmt und der zweite nach der Gasinjektion die Kühlaufgabe wahrnimmt. Die Balance zwischen Energieeintrag über Schneckendrehmoment und abführbarer Kühlleistung wird über Baugrössen - meist ist der Kühlextruder grösser als der Aufschmelzextruder - und Drehzahlen - durch die sehr geringe Drehzahl des Kühlextruders wird weniger Energie in die Schmelze eingebracht - realisiert.

Möchte man nun die Durchsatzleistung steigern, so ist die Kühlkapazität des Kühlextruders der begrenzende Faktor. Obwohl mit vergösserter Extruderbaugrösse (Durchmesser und Länge) die Oberfläche steigt, kann ab einer bestimmten Extrudergrösse nicht mehr ausreichend Energie über die Oberfläche abgeführt werden, da die notwendige Antriebsleistung zu viel Energie in die Schmelze einbringt.

Somit wird in Schaumanlagen im ersten Extruder der Kunststoff aufgeschmolzen und homogenisiert. Gas wird der Kunststoffschmelze zudosiert und eingemischt, bevor die Kunststoffschmelze dem Kühlextruder zugeführt wird. Trotz weiter starker Energieeinbringung kann über die Oberfläche des Extruderzylinders Energie entzogen werden. Nach ausreichendem Energieentzug wird die Kunststoffschmelze nach Durchlaufen eines Werkzeuges aufgeschäumt. Optional beinhalten Schaumprozesse die Verfahrensstufen Filtration oder Homogenisierung in zusätzlichen, meist statischen, Mischern.

Aus der DE 198 48 537 A1 ist es bekannt, dem Aufschmelzextruder zwei parallele Wärmetauscher nachzuschalten. Diese Lösung ist aber im Prozeß nicht beherrschbar und somit nicht umsetzbar. Bei Wärmetauschern kann nur die Temperatur beeinflußt werden, folglich können die Schmelzeströme nicht stabil aufgetrennt werden. Bedingt durch eine hörere Temperatur in einem der Schmelzeströme wird auch dieser schneller fließen, was wiederum zur Folge hat, dass weniger Schmelze durch den anderen Strang fließt. Deshalb neigt dieser zum Einfrieren und schließlich zur gänzlichen Versagung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzubieten, die bzw. das es ermöglicht, den Schmelzestrom aufzuteilen, zu kühlen und die Materialeigeschaften zu beinflussen, um eine mehrschichtige Folie zu erhalten.

Die Lösung der Aufgabe ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kühlaggregate unterschiedlich sind oder über Mittel derart gesteuert oder geregelt werden können, dass die austretenden Kunststoffschmelzen aus beiden Aggregaten unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen wobei die beiden Kühlaggregate mit Mitteln zur Beeinflussung der Durchlaufgeschwindigkeit und des Druckes des jeweiligen Schmelzestranges in Verbindung stehen.

Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass als Kühlaggregate Kühlextruder mit unterschiedlicher Geometrie eingesetzt werden. Vorteilhafterweise ermöglicht die Extruderschnecke des Kühlextruders einen Druckaufbau in der Schmelze.

Es ist aber auch denkbar, dass als Kühlaggregat ein Kühlextruder in Verbindung mit einer Pumpe - bevorzugt wird eine Zahnradpumpe - eingesetzt wird. Da der Schmelzevorschub durch die Pumpe gewährleistet ist, kann die Extruderschnecke des Kühlextruders einen Druckabbau in der Schmelze ermöglichen. Anstelle des Kühlextruders können auch andere Kühlelemente wie Wärmetauscher oder Fallschächte Verwendung finden.

Werden unterschiedliche Kühlaggregate in den einzelnen Schmelzesträngen eingesetzt, ist vorgesehen, über geeignete Mittel zu erreichen, dass die austretenden Schmelzen zumindest an der Vereinigungsstelle unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Die eingesetzten Mittel zum Steuern oder Regeln der Kühlaggregate können die Drehzahl von eingesetzten Kühlextrudern verändern, wobei die Drehzahl der beiden, Kühlaggregate unterschiedlich sein kann.

Hierbei ist vorgesehen, entsprechende Meßaufnehmer, wie Temperatur- oder Drucksensoren, in den aufgeteilten Schmelzestrang zu integrieren, in vorteilhafter Weise geschieht dies in den einzelnen Strängen möglichst kurz vor der Zusammentreffstelle der Einzelstränge. Nach Auswertung der Meßdaten - Regelgrößen - in einer CPU kann über eine entsprechende Steuerung beispielsweise die Drehzahl eines oder mehrerer Extruder verändert und somit der Schmelzedurchsatz werden. Gleichfalls kann bei Abweichungen in der Temperatur zu den weiteren Einzelströmen diese durch Heizen oder Kühlen des Extruders oder über gesonderte im einzelnen Schmelzestrang integrierte Mittel (Wärmetauscher, Heizbänder, Kühlrohre etc.) beeinflußt werden. Eine weitere Möglichkeit, die Materialeigenschaften vor der Vereinigungsstelle anzupassen besteht darin, die Durchflußgeschwindigkeit durch den Teilstrang zu beeinflussen. Dies kann beispielsweise durch eine in dem Strang eingesetzte Drossel geschehen, durch die der Leitungsquerschnitt verändert werden kann. Es ist folglich eine Vielzahl von Beeinflussungsgrößen denkbar, die verändert werden können.

Die Lösung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzestrom derart beeinflußt wird, dass sich die Materialeigenschaften, insbesondere Druck und Temperatur, vor der Vereinigungsstelle in den mindestens zwei Schmelzesträngen unterscheiden.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass während des Verfahrensschrittes c) Materialeigenschaften, insbesondere Druck und Temperatur, ermittelt werden und bei zu geringen Unterschieden der ermittelten Materialeigenschaften zu einem Sollwert die Kühlleistung und/oder der Schmelzestrom verändert werden kann, wobei als Sollwerte die ermittelten Materialeigenschaften in einem der mindestens zwei Schmezestränge bestimmbar sind.

Mit der vorgeschlagene Lösung wird erreicht, mit einer Extrusionsanlage eine mehrschichtige Folie zu erzeugen, wobei die Schichten der Folie unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Es ist sogar denkbar, die Schichten farblich unterschiedlich zu gestalten, hierzu müßte lediglich in den Teilstrang eine Möglichkeit der Farbzugabe geschaffen werden, was beispielsweise durch eine verschließbare Öffnung in einem der Kühlextruder zur Eingabe eines flüssigen Mediums sehr einfach realisiert werden kann.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Alternative A und in

Fig. 2 ist eine weitere Möglichkeit der Erfindung dargestellt.

Im Aufschmelzextruder 1, gemäß Fig. 1, wird das Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und anschließend ausgetrieben. Die aufgeschmolzene Kunststoffmasse wird in zwei Ströme aufgeteilt und zwei Kühlextrudern 3 zugeführt, die beide ungleich aufgebaut oder gesteuert sind, damit die beiden Schmelzeströme unterschiedlich beaufschlagt werden. Anschließend werden die beiden Schmelzeströme wieder zusammengeführt und dem Extrusionswerkzeug 4 zugeführt.

Eine alternative Ausführung der Erfindung zeigt Fig. 2, hier wird als Kühlaggregat 2 zunächst eine Zahnradpumpe 5 eingesetzt und der Zahnradpumpe 5 ein Kühlextruder 3 nachgeschaltet und dann erst die Schmelzeströme wieder zusammengeführt. Dies hat den Vorteil, dass die eingesetzten Schnecken in den Kühlextrudern 3 druckabbauend sein können. Es können auch Wärmetauscher anstelle der Kühlextruder verwendet werden, da eine Förderung der Schmelze durch die Schmelzepumpe sichergestellt ist. Damit die beiden Schmelzeströme in der Vereinigungssstelle 6 unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen, ist vorgesehen, die Parameter der Kühlextruder 3 und/oder Schmelzepumpe 5 zu beeinflussen. Hierfür sind geeignete Meßmittel 7, wie Druckaufnehmer, Thermofühler etc. vorgesehen, die mit der Steuerung 8 der Extruder in einer Regelverbindung stehen und Drehzahl, Temperatur, ab- oder zuzuführende Wärmemenge oder dergleichen verändert. Bezugszeichenliste 1 Aufschmelzextruder

2 Kühlaggregat

3 Kühlextruder

4 Extrusionswerkzeug

5 Zahnradpumpe

6 Vereinigungsstelle der Schmelzeströme

7 Meßmittel

8 Steuerung


Anspruch[de]
  1. 1. Extrusionsanlage zur Erzeugung von Schaumfolien, die aus mindestens einem Aufschmelzextruder (1) zum Plastifizieren und Homogenisieren des Kunststoffmaterials und zwei Kühlaggregaten (2) zum Abkühlen der Kunststoffschmelze besteht, wobei die beiden Kühlaggregate (2) in zwei parallel zueinander angeordneten Schmelzesträngen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kühlaggregate (2) unterschiedlich sind oder über Mittel derart gesteuert oder geregelt werden können, dass die austretenden Kunststoffschmelzen aus beiden Aggregaten unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen, wobei die beiden Kühlaggregate (2) mit Mitteln zur Beeinflussung der Durchlaufgeschwindigkeit und des Druckes des jeweiligen Schmelzestranges in Verbindung stehen.
  2. 2. Extrusionsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlaggregate (2) Kühlextruder (3) eingesetzt werden.
  3. 3. Extrusionsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Extruderschnecke des Kühlextruders (3) einen Druckaufbau in der Schmelze ermöglicht.
  4. 4. Extrusionsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlaggregate (2) Kühlextruder (3) in Verbindung mit Pumpen (5), vorzugsweise Zahnradpumpen, eingesetzt werden.
  5. 5. Extrusionsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Extruderschnecke des Kühlextruders (3) einen Druckabbau in der Schmelze ermöglicht.
  6. 6. Extrusionsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlaggregate (2) Pumpen in Verbindung mit Kühlelementen, vorzugsweise Wärmetauscher oder Fallschächte, sind.
  7. 7. Extrusionsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Steuern oder Regeln der Kühlaggregate (2) die Drehzahl von eingesetzten Kühlextrudern (3) verändern können, wobei die Drehzahl der beiden Kühlaggregate (2) unterschiedlich sein kann.
  8. 8. Verfahren zur Erzeugung einer Schaumfolie, das die Schritte umfaßt:
    1. a) Plastifizieren und Homogenisieren von Kunststoff in einem Aufschmelzextruder (1),
    2. b) Aufteilen des Schmelzestranges in mindestens zwei Schmelzestränge,
    3. c) Abkühlen der Schmelzstränge in getrennten Kühlaggregaten,
    4. d) Zusammenführen der mindestens zwei Schmelzestränge in einer Vereinigungsstelle, um den vereinigten Schmelzestrang einem Extrusionswerkzeug zuzuführen,
    dadurch gekennzeichnet, dass

    der Schmelzestrom derart beeinflußt wird, dass sich die Materialeigenschaften, insbesondere Druck und Temperatur, vor der Vereinigungsstelle in den mindestens zwei Schmelzesträngen unterscheiden.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrensschrittes c) Materialeigenschaften, insbesondere Druck und Temperatur, ermittelt werden.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei zu geringem Unterschied der ermittelten Materialeigenschaften zu einem Sollwert die Kühlleistung und/oder der Schmelzestrom verändert werden kann, wobei als Sollwerte die ermittelten Materialeigenschaften in einem der mindestens zwei Schmelzestränge bestimmbar sind.






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