1 allgemeines
1 SCHNECKENTYPEN 2
2 SCHNECKENFORMEN 3
3 SCHER- UND MISCHTEILE 4
4 DOPPELSCHNECKENEXTRUDER 4
5 VERFAHRENSTECHNISCHE VORGÄNGE IM EXTRUDER 5
6 BARRIERESCHNECKEN - MAILLEFERSCHNECKEN 6
7 LITERATURVERZEICHNIS 7
ABBILDUNG 1: SCHNECKENTYPEN 2
ABBILDUNG 2: NOMENKLATUR DER SCHNECKE 2
ABBILDUNG 3: VERSCHIEDENE SCHNECKENFORMEN 3
ABBILDUNG 4: MISCH- UND SCHERTEILE FÜR SCHNECKEN 4
ABBILDUNG 5: KÄMMENDE DOPPELSCHNECKE 5
ABBILDUNG 6: EINTEILUNG EINER KERNPROGRESSIVEN 3-ZONEN-SCHNECKE 5
ABBILDUNG 7: PRINZIPDARSTELLUNG EINER MAILLEFER-SCHNECKE 6
ABBILDUNG 8: PRINZIPDARSTELLUNG EINER BARRIERE-SCHNECKE 6
ABBILDUNG 9: BARRIERSCHNECKEN 7
Schneckentypen
Dem wichtigsten Maschinenelement des Extruders, der Schnecke, muß hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung die größte Aufmerksamkeit geschenkt werden. Aus jahrelang gesammelten Erfahrungen haben sich für die Praxis nur wenige Schneckentypen durchgesetzt. Diese sind die 3-Stufen- und die kernprogressive Schnecke (Abb. 1). Hierbei sind die wichtigsten Schneckenmerkmale bis auf Unterschiede im Detail einheitlich.
I: 3-Stufen-Schnecke
II: kernprogressive Schnecke
Abbildung 1: Schneckentypen [1]
Um den Schneckenkern windet sich ein relativ schmaler Steg mit abgerundeten Flanken.
Die Vertiefungen werden als Gänge bezeichnet. Wichtige charakteristische Größen an einer Schnecke sind:
Länge (L) und Durchmesser (D) sowie das sich daraus ergebende L/D-Verhältnis,
die Gangtiefen am Schneckenumfang und -ende (h1, h2),
die Längen der Abschnitte mit verschiedenen Gangtiefen (L1, L2, L3),
die Stegbreite (e),
die Gangsteigung (t)
und der Steigungswinkel (j) (Abb. 2)
Abbildung 2: Nomenklatur der Schnecke [1]Angaben über Durchmesser und das L/D-Verhältnis sind Beurteilungsgrößen für die Leistungsfähigkeit eines Extruders. Von den Extruderherstellern werden nur Maschinen mit bestimmten Schneckendurchmessern gebaut.Gängige Schneckenabmessungen sind:45, 60, 90, 120, 150, 200, 250 mm für den Durchmesser und 20 bis 30 D für die Schneckenlängen.
Die Gangtiefen h1 und h2 bestimmen das Kompressionsverhältnis einer Schnecke und sind für die Verdichtung der KStofformmasse beim Übergang in den Schmelzzustand notwendig.
Mit in den Zylinder eingezogene Luft, die in geschütteten Gütern (Pulver, Granulat) immer vorhanden ist, wird dabei nach hinten durch den Trichter zurückgedrückt. Die Gangtiefen h2 zu h1 der am meisten verwendeten Schnecken verhalten sich wie 1:2 bis 1:3.
Die Abmessungen für die Steigung t und die Stegbreite e werden der Größe der Schnecke angepaßt und betragen in der Regel t = D und e = 0,1 D.
Schneckenformen
Außer den oben erwähnten und abgebildeten Schneckenformen sind für spezielle Aufgaben auch noch andere Schneckentypen im Einsatz. Erwähnte seien hier die Kurzkompressionsschnecken für KStoffe, die einen engen Schmelzbereich besitzen und die Entgasungsschnecke, bei der im Dekompressionsbereich flüchtige Anteile aus der KStoffschmelze abgezogen werden (Abb. 3).
In Verbindung mit einer genuteten Einzugsbuchse setzt man Schnecken mit Scher- und Mischteilen ein (Abb. 4). Diese Abschnitte erzielen eine wesentliche Verbesserung der Plastifizier- und Homogenisierleistung. Die Schnecken haben zur Übertragung des Drehmoments am hinteren Ende einen Schaft mit Nut und Feder oder bei größeren Schnecken eine Mehrkeilverzahnung. Das vordere Ende der Schnecke wird von einer Spitze abgeschlossen.
1 in der Einzugszone eingängig, in der Umwandlungs- und Ausstoßzone zweigängig
2 eingängige Schnecke mit kleiner werdender Gangsteigung bei konstanter Gangtiefe
3 eingängige Kurzkompressionsschnecke
4 eingängige Entgasungsschnecke
Abbildung 3: verschiedene Schneckenformen [1]
Normalerweise ist zwischen Schneckenstegen und Zylinder ein Spiel von wenigen zehntel Millimetern, so daß die Schnecke mit dem Zylinder keinen Kontakt besitzt.
Die Schnecke “schwimmt” beim Betrieb des Extruders in der KStoffschmelze.
Scher- und Mischteile
Abbildung 4: Misch- und Scherteile für Schnecken [1]An Zylinder und Schnecke werden hinsichtlich Festigkeit, Verschleiß und Korrosion hohe Anforderungen gestellt. Deshalb setzt man für Schnecken und Zylinder hochfeste Stähle ein, die nitriergehärtet sind. Für noch höhere Anforderungen - speziell bei der Verarbeitung mineralisch gefüllter KStoffe - haben sich Ausschleuderungen für die innere Oberfläche des Zylinders und Aufpanzerungen der Stege bei der Schnecke mit sehr verschleißfesten Legierungen bewährt.
Doppelschneckenextruder
Der Doppelschneckenextruder unterscheidet sich vom Einschneckenextruder dadurch, daß zwei nebeneinanderliegende Schnecken in einem Zylinder untergebracht sind. Der Zylinder besitzt einen achtförmigen Querschnitt.
In den meisten Fällen arbeitet man mit kämmenden Schnecken d. h., die Stege der einen Schnecke greifen in die Vertiefungen (Gänge) der anderen Schnecke ein und umgekehrt ebenso (Abb. 5). Hauptsächlich werden aber Doppelschneckenextruder mit gegeneinanderlaufenden Schnecken gebaut.
Dichtkämmender gegenläufiger Doppelschneckenextruder
Dichtkämmender gleichläufiger Doppelschneckenextruder
Abbildung 5: Kämmende Doppelschnecke [3]Ein größerer maschinenbaulicher Aufwand gegenüber Einschneckenextrudern ist hinsichtlich der Drucklagerung und des Antriebs der Schneckenachsen notwendig.
Das ergibt sich aus dem ungünstigen Achsabstand der zwei nebeneinaderliegenden Schnecken. Hier hat man maschinentechnische Lösungen gefunden, die einen störungsfreien Dauerbetrieb garantieren. Moderne Doppelschneckenextruder besitzen Schnecken mit Längen bis 22 D und immer einen Entgasungszone. Das Einsatzgebiet der Doppelschneckenextruder liegt hauptsächlich bei der Verarbeitung von pulvrigen KStofformmassen, insbesondere von PVC.
Verfahrenstechnische Vorgänge im Extruder
Der Extruder hat die Aufgaben, eingegebene KStofformmassen zu fördern, zu verdichten, zu plastifizieren und zu homogenisieren.
Diese verschiedenen Verfahrensschritte werden im Schneckenzylinder vollzogen.
Die Schnecke ist daher auch in mehrere Zonen unterteilt (Abb. 6). Die Unterteilung ist nicht festgelegt, sondern ergibt sich durch die unterschiedlichen Aufgabestellung von selbst.
Abbildung 6: Einteilung einer kernprogressiven 3-Zonen-Schnecke [1]
Barriereschnecken - Mailleferschnecken
Neben der Dreizonenschnecke bzw. der Dreizonenschnecke mit Scher- und/oder Mischteil werden Schnecken mit Separierzonen eingesetzt. Durch Schnecken mit Schmelzetrennung
( Barriere-Schnecken, Sacknutschnecken) läßt sich prinzipiell ein Aufreißen des Feststoffbetts vermeiden.
Die Urform dieses Schneckentyps ist die sog. Maillefer-Schnecke, deren wesentliches Konstruktionsmerkmal die Überlagerung von zwei Gewindegängen mit unterschiedlicher Steigung ist (Abb. 7). Durch das abnehmende Teilvolumen für den Feststoff und das zunehmende Teilvolumen für die Schmelze wird eine Phasentrennung zwischen Feststoff und Schmelze vollzogen.
abgewickelter Schneckengang, a Schneckenkanal, b Barrieresteg, c Schmelzekanal
Gangquerschnitte, Zone 1: Feststoff, Zone 2: Schmelzefilme, Zone 3: separierte Schmelze
Abbildung 7: Prinzipdarstellung einer Maillefer-Schnecke [4]
A) abgewickelter Gang, B) GangquerschnitteEine Weiterentwicklung dieses Konzepts ist die sog. Barriereschnecke (Abb.
8). Diese Schnecke hat in der Separierzone eine konstante Feststoffkanalbreite und eine in Förderrichtung abnehmende Gangtiefe. Ihr Vorteil liegt in der nahezu konstanten Wärmeübertragungsfläche für den gesamten Feststoffkanal.Abbildung 8: Prinzipdarstellung einer Barriere-Schnecke [4]Dieses Prinzip ist bei den Schnecken nach Barr, nach Dray und Lawrenze sowie Kim verwirklicht (Abb. 9). Dort ist auch eine von Ingen Housz und Meijer vorgeschlagene
Barriere-Schnecke skizziert, mit welcher mehrere Maßnahmen zur Steigerung der Aufschmelzleistung kombiniert werden (mehrere Gänge, Verringerung der Gangtiefe, Vergrößerung des Steigungswinkels).
nach Barr
nach Dray und Lawrence
nach Kim
nach Ingen Housz und Meijer
Abbildung 9: Barrierschnecken [2]
Literaturverzeichnis
Schwarz/ Ebeling/ Lüpke: KStoffverarbeitung
Vogel Fachbuch, Technische Berufsbildung
6. Auflage, Würzburg 1991
Knoppe/ Lampel/ Heuel: KStoffverarbeitung und Werkzeugbau - ein Überblick
Carl Hanser Verlag München Wien, 1992
Michaeli: Einführung in die KStoffverarbeitung
Carl Hanser Verlag München Wien, 1992
3. Auflage
Hensen, W. Knappe, H. Potente: Handbuch der KStoff-Extrusionstechnik-
I Grundlagen
Carl Hanser Verlag München Wien, 1989
MWB- Mitschriften 95/96; 96/97
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