Beschreibung:

Die Erfindung betrifft einen Extruder, bestehend aus mehreren Bauteilen, wobei zwischen den Bauteilen ein Medium geknetet, gemischt und/oder in Extrusionsrichtung gefördert wird, wobei mindestens zwei der Bauteile zumindest teilweise miteinander im Eingriff stehen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Bauteiles sowie das Bauteil selbst.

Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So wird beispielsweise in der Internet-Veröffentlichung auf Chemitechnik.de im Bericht vom 08. Sep. 2011 von Thomas Malzahn eine Vorrichtung zum Dispergieren, und gezielter Temperierung von plastischer Kunststoffmasse in einem Planetwalzenextruder beschrieben.

Die Vorrichtung des Planetwalzenextruders ähnelt einem Planetengetriebe mit extremer Verzahnungsbreite und einer Drallverzahnung. Bei Drehung der Zentral Spindel wälzen sich die Planetspindeln auf der Zentral Spindel und dem innenverzahnten Walzenzylinder ab und laufen planetenartig um. Bei diesem Vorgang wird das Material erfasst, durch das Eintauchen der Spindelzähne in die korrespondierenden Zahnlücken zu dünnen Schichten ausgewalzt und mit Hilfe der Drallverzahnung nach vorne transportiert. Durch diese wiederholte Dünnschichtauswalzung wird eine exakte Temperaturführung sowie Dispergierung über den gesamten Aufbereitungsprozess ermöglicht.

Mit Hilfe der Fertigung von der Zylinderbuchsen mittels Tiefenerodierung können Zylinderbuchsen mit spezieller Wanddickenminimierung hergestellt werden. Die dünne Außenwand ermöglicht eine verbesserte Temperierung des Mediums über die Zylinderbuchse.

Aber gerade bei der Zylinderbuchse mit der gedrallten Innenverzahnung sind bezüglich der Verzahnungsausführung (Modul; Steigungsveränderungen; gezielte Staustufe; Verzahnung mit gegenläufiger Steigung; usw.) fertigungstechnisch eindeutige Grenzen gesetzt.

Der zur Verfügung stehende Platz zur Bearbeitung der Zylinderinnenfläche schränkt geometrische Ausführungsmöglichkeiten erheblich ein.

D.h. bei einem Plantwalzenextruder kann die Ausführung der Verfahrenseinheit nicht so individuell den verfahrenstechnischen Anforderungen entsprechend ausgeführt werden, wie es bei den Ein- und Doppelschneckenextrudern heute umgesetzt wird.

Die Vorteile von ineinandergreifenden Bauteilen mit einer unterschiedlichen Geometrie über ihre Länge, wurde bereits in Kunststoffe 05/2005 vom Carl Hanser Verlag, offengelegt. Dort wird eine Mehrzonenschnecke beschrieben, bei der ein Schneckenpaar durch eine Zentralschnecke ersetzt wird, in die gegenüberliegend je eine kleine Schnecke eingreift. A u f g a b e der Erfindung ist es, die Herstellung komplexer Bauteile in der Extrusionstechnik derart zu ermöglichen und zu vereinfachen, damit verfahrenstechnische Anforderungen ermöglicht umgesetzt sowie Herstellkosten und Produktionszeit der Bauteile minimiert werden können. Weiterhin umfasst die Aufgabe mittels der hergestellten Bauteile einen Extruder anzubieten und ein entsprechendes Verfahren, um derartige Bauteile herzustellen.

Die L ö s u n g der Aufgabe bezüglich der Vorrichtung ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Bauteile rechnerunterstützt konstruiert ist, für dieses Bauteil rechnerunterstützte Fertigungsdaten vorherrschen und auf Basis dieser Fertigungsdaten das Bauteil additiv gefertigt ist, wobei die so gefertigten Bauteile mindestens eine der folgenden Funktionalitäten erfüllen:

• ideale Dispergierung des Mediums,

• thermisches Homogenisieren mit einer gezielten Temperatursteuerung des Mediums,

• mechanisches Homogenisieren des Mediums,

• Aufschmelzen des Mediums.

Es kommt eine Vielzahl an Bauteilen infrage die miteinander im Eingriff stehen und gemäß der Erfindung hergestellt werden können. Es können somit zum Beispiel die Komponenten eines Planetwalzenextruders wesentlich mehr den verfahrenstechnischen Anforderungen angepasst werden. Analog zu den Schneckenausführungen von Ein- und Doppelschneckenextruder.

Wesentlich ist, dass mit der Erfindung Bauteile produziert werden können, die wenigstens die im Anspruch wiedergegebenen Funktionalitäten oder eine Kombination aus diesen abdecken können. Aus dem mittels CAD rechnerunterstützt konstruierten Bauteilen werden wiederum rechnerunterstützt Fertigungsdaten erzeugt, die ähnlich wie bei der Herstellung von Teilen mittels CNC Maschinen, nun für die additive Fertigung der Bauteile herangezogen werden. Bei der additiven Fertigung wird Materialschicht für Materi al schicht aufgetragen und so ein dreidimensionaler Gegenstand erzeugt.

Mittels der additiven Fertigung, auch als 3D-Druck bekannt, können sehr komplexe Bauteile hergestellt werden, da eine Zugänglichkeit zu Verbindungsstellen bei der Montage einzelner Bauteile nicht berücksichtigt werden müssten. Auch spielt die herkömmliche Berücksichtigung der Hersteilbarkeit des Bauteils eine untergeordnete Rolle, da durch die additive Fertigung neu Möglichkeiten geschaffen werden auch sehr komplexe Ausführung mittels dieses Verfahrens zu erzeugen.

Weiterbildungsgemäß ist vorgesehen, dass sich über die Länge des additiv gefertigten Bauteils die Kontur und/oder die Geometrie verändert. Dies hat den Vorteil, Einfluss auf das Transportverhalten zu nehmen derart, dass es innerhalb eines Bausegmentes unterschiedliche Verweilzeiten realisiert, werden können. Insbesondere beim PWE wird in der Regel mit Spalten in der Verzahnung gearbeitet. Die Planetspindel kann sich dabei frei innerhalb dieses Spaltes bewegen. Mittels hier beschriebener Möglichkeiten kann die Bewegungsfreiheit der Planetspindel eingeschränkt werden. Weiterhin liegt ein Vorteil darin, dass analog zur Mehrzonenschnecke bei dem, ein oder Doppel schenckenextruder über die Schneckenlänge unterschiedliche Verfahrensschritte z.B. Druckaufbau; Aufschmelzen; thermisch und mechanisch dispergieren; realisiert werden können.

Gemäß einer weiteren Fortbildung ist vorgesehen, dass die sich über die Länge des additiv gefertigten Bauteils verändernde Kontur eine veränderte Verzahnung umfasst, wobei die Steigung dieser Verzahnung sich stetig, linear, progressiv, degressiv oder abrupt ändern kann. Das hat den Vorteil Kompakt zu bauen und flexibel in der Umsetzung der verfahrenstechnischen Vorgaben zu sein.

Vorteilhaft ist es, wenn die Erfindung bei einem Planetwalzenextruder umgesetzt, der aus einem Planetwalzenzylinder, einer Zentralspindel und mehreren Planetspindeln besteht, wobei die Planetspindeln sowohl mit der Zentral Spindel als auch mit dem Planetwalzenzylinder mindestens teilweise im Eingriff steht.

Es können unterschiedliche Steigung innerhalb eines Planetwalzensystems eingesetzt werden oder auch gegensätzliche Steigungen zum Einsatz kommen. Die Übergänge können dabei fließend erfolgen oder aber abrupt, was nur über das erfindungsgemäße additive Fertigungsverfahren ermöglicht wird. Dabei kann die Grundgeometrie konstant bleiben aber auch geändert werden, wodurch ein Wechsel des Verzahnungsmoduls erreicht wird. Es ist aber auch eine völlig andere Ausgestaltung mit der additiven Fertigung denkbar.

Gemäß einer weiteren Fortbildung wird vorgeschlagen die Planetspindel teilweise mit keiner Verzahnung auszuführen, sodass sie dort nur eine allgemeine, zum Beispiel eine zylindrische, Geometrie umfasst. Die Planetspindel wird dann weiterhin sicher im System geführt, es entstehen aber wesentlich engere Zwischenräume, die für die erfindungsgemäße Erfüllung von geforderten Funktionalitäten förderlich sein können. Die heute bekannten Staustufen, können auch durch einen durchmessergroßen Zylinderabschnitt auf der Planetenspindel realisiert werden. Vorteilhaft gegen über dem Stand der Technik ist, dass bei den Staustufen, die durch einen durchmessergroßen Zylinderabschnitt auf der Planetenspindel realisiert werden, so durch die Erfindung eine dynamische Staustufe realisiert werden kann, die sich wesentlich leichter reinigen lässt.

Die Planetspindel kann aber auch komplex bauen und komplett oder teilweise hohl sein. Damit wird unter anderem ein größeres Volumen geschaffen und eine bessere Durchmischung erreicht, die Verzahnung bleibt aber dabei erhalten.

Das gilt selbstverständlich für ein oder auch für mehrere Planetspindeln.

Durch die erfindungsgemäße additive Fertigung der Bauteile kann gemäß einer Weiterbildung erreicht werden, dass bestimmte Bauteile bereits mit Öffnungen versehen werden, die als Temperierkanäle, zur Einspritzung, zur Entgasung oder für weiter Funktionen verwendet werden können. Der Ausführung solcher Öffnungen sind auch hier kaum Grenzen auferlegt. Herkömmliche Bohrungen sind immer zylindrisch und gerade, durch die additive Fertigung können diese sich im Durchmesser verändern oder gebogen sein, also der Anforderung der gewünschten Funktion angepasst werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine zusätzlichen Dichtungen erforderlich sind. Durch diese Öffnungen kann z. B. Luft oder Wasser geführt werden oder sie können für die Messtechnik zum Einsatz kommen.

Die L ö s u n g der Aufgabe bezüglich des Verfahrens ist im Anspruch 9 wiedergegeben. Für die zu erfüllenden Funktionalitäten ist zu beachten, dass diese in einem bestimmten Zeitfenster erfüllt werden, denn je nach eingesetztem Material wird dies unter Umständen geschädigt, wenn die Erfüllung der Funktionalitäten zu langer Zeit in Anspruch nimmt. So können z.B. manche Kunststoffe bei einer zu langen Verweilzeit thermisch geschädigt werden oder sofern im Extruder Lebensmittel mit Fetten gemischt werden, diese dann unbrauchbar werden.

Die L ö s u n g der Aufgabe bezüglich des Produktes werden im Anspruch 10 wiedergegeben.

Idealerweise wird die rechnergestützte Geometrie mit Hilfe einer gezielten Strömungssimulation erstellt. Diese kann mehrfach wiederholt werden, um die Geometire in agilen Prozessen zu verbessern. Denn nur so kann im Vorfeld sichergestellt werden die gewünschten Ziele: homogenes Aufschmelzen; Abkühlen und Aufheizen sowie das Dispergieren so optimal wie möglich zu erreichen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In den Zeichnungen wird schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt:

Fig. 1 zeigt symbolisch einen Extruder,

Fig. 2 zeigt schematisch einen Planetwalzenextruder,

Fig. 3 zeigt einen Schnitt gemäß Figur 2,

Fig. 4 zeigt schematisch zwei im Eingriff stehende komplexe Bauteile und

Fig. 5 zeigt beispielhaft einen Teilschnitt durch ein komplex bauendes Planetwalzenteil

Fig. 6 beispielhaft komplex bauendes Planetwalzenteil mit einer Planetpindel ohne komplette Verzahnung

Fig. 7a-d zeigen beispielhaft Ausführungsformen einer komplexen Planetspindel

Figur 1 zeigt einen Extruder 1 mit ersten Bauteil 2 das hier beispielhaft als ein aus mehreren Hülsen aufgebautes Extrudergehäuse dargestellt ist und einem zweiten Bauteil 3 das ebenfalls bei- spielshaft eine Extruderschnecke zeigt, die mittels eines Antriebes 5 in Rotation versetzt wird. Über den Einfülltrichter 4 wird dem Extruder 1 Medium zugefügt, welches in den zwischen den Bauteilen vorherrschenden Zwischenräumen geknetet, gemischt und/oder in Extrusionsrichtung 6 zum Ende des Extruder 1 gefördert wird, wo es einer weiteren Verarbeitung unterzogen wird.

Figur 2 zeigt beispielhaft einen Extruder 1 der als Planetwalzenextruder 7 ausgeführt ist. Das erste Bauteil 2 des Extruders 1 ist hier ein Planetenzylinder 8 und das zweite Bauteil 3 ist eine Planetspindel 10. Die Planetspindel 10 kämmt mittels ihrer Verzahnung 11 mit dem Planetwalzenzylinder 8, somit sind diese beiden Bauteile miteinander im Eingriff. Die Planetspindel 8 kämmt zusätzlich noch mit der Zentralspindel 9, sodass bei diesem Ausführungsbeispiel sogar drei Bauteile miteinander im Eingriff sind.

Figur 3 entspricht im Wesentlichen der Figur 2, gleiche Bauteile sind wieder mit den gleichen Bezugsziffer gekennzeichnet. Auch hier wird ein Planetwalzenextruder, jedoch in einer Schnittdarstellung, gezeigt. In dieser Schnittdarstellung wird eine Ausführung gezeigt bei der über die Länge der Bauteile 2, 3 die Verzahnung 11 verändert ist. Beispielhaft sind hier drei unterschiedliche Verzahnungen A, B und C wiedergegeben, die mit den Bezugsziffem 12, 13, und 14 gekennzeichnet sind. Derartige komplexe Ausführungen sind nur sehr aufwendig zu fertigen. Bezüglich der Außengeometrie, wie sie bei der Planetspindel 10 oder der Zentralspindel 9 gefordert wird, ist das unter Umständen noch realisierbar. Bezüglich der Innengeometrie, wie es bei dem Planetwalzenzylinder 8 erforderlich ist, stößt eine klassische Fertigung (Drehen, Erodieren etc.) mangels Zugänglichkeit an ihre Grenzen. Eine additive Herstellung weist derartige Grenzen nicht auf, da durch den schichtweisen Aufbau, hier fast jede denkbare Kontur herstellbar ist.

Figur 4 zeigt wieder ein erstes Bauteil 2 welches mit einem zweiten Bauteil 3 über die Verzahnungen im Eingriff steht. Beide Bauteile 2, 3 verfügen über unterschiedliche Verzahnungen A, B und C die wiederum mit den Bezugsziffern 12, 13, und 14 gekennzeichnet sind.

In der Darstellung gemäß Figur 5, ist nur der Planetwalzenzylinder 8 im Schnitt wiedergegeben. Folglich ist der komplexe Aufbau mit sehr verschiedener Verzahnung der Zentralspindel 9 und der Planetspindel 10 zu sehen. Auch hier sind die unterschiedlichen Verzahnungen A, B und C mit den Bezugsziffem 12, 13, und 14 gekennzeichnet.

In allen Figuren in denen ein Planetwalzenextruder 7 dargestellt ist, wurde zu Verdeutlichung nur jeweils eine Planetspindel 10 dargestellt. Selbstverständlich umfasst die Erfindung auch Ausführungsformen bei denen mehrere Planetspindeln 10 um die Zentral spindel 9 angeordnet sind und mit der Zentralspindel 9 und gegeben falls auch mit dem Plantwalzenzylinder 8 im Eingriff stehen. Mehre derartig dargestellte Module können als Reihenschaltung in Extrusionsrichtung hintereinander angeordnet werden und so einen sehr komplex bauenden Extruder 1 zur Verfügung stellen.

Planetwalzenextruder werden i.d.R. mit sich kämmenden Verzahnungs-Geometrien eingesetzt, wobei die Verzahnungsgeometrie eine Steigung hat, üblicherweise Schrägverzahnung genannt. Profil und Steigung dieser Geometrien sind üblicherweise über die Länge des Bauteils im Wesentlichen konstant. Bekannt ist, dass einzelne Zähne oder auch mehrere Zähne ganz oder teilweise entfernt werden. Bekannt ist auch, dass eine zusätzliche Geometrie eingebracht wird (Noppenspindel).

In Figur 6, wird schematisch eine Geometrie vorgestellten bei der die Bauteile, wie in den Figuren 2 bis 5, keine konstante Steigung haben. Gleiche Bauteile sind wieder mit gleichen Positionsziffern gekennzeichnet. Es können unterschiedliche Steigung innerhalb eines Planetwalzen-Systems eingesetzt werden oder auch gegensätzliche Steigungen aufweisen. Die Übergänge können dabei fließend erfolgen oder aber abrupt sein, was wiederum nur über additive Fertigungsverfahren ermöglicht wird. Dabei kann die Grundgeometrie konstant bleiben, aber auch geändert werden und beispielweise ein Wechsel des Verzahnungsmoduls oder aber auch völlig anders gestaltet werden, wie hier gezeigt. Diese Ausführung ist nur ein Beispiel, es ist aber eine Vielzahl frei erstellbarer Geometrien denkbar. So kann eine einfache Kreisgeometrie bei einer Planetspindel erstellt werden, die dann nicht mehr miteinander im Eingriff ist (Pos. 15), also nicht mehr miteinander kämmt, ebenso wie jegliche andere Geometrie abgebildet werden können, sofern es die Kinematik der rotierenden Teile zulässt.

In Figur 7a ist eine Planetspindel 10 dargestellt die einen Hohlraum 16 aufweist in der eine Zusatzspindel 17 vorherrscht. Diese Zusatzspindel 17 ist in der Planetspindel 10 integriert und schwebt sozusagen in dieser. Bedingt durch die additive Fertigung, kann die Planetpindel 10 einteilig und von beiden Seiten geschlossen sein, da die Zusatzspindel 17 nicht montiert werden muss. Damit wird ein größeres Volumen geschaffen, um eine verbesserte Durchmischung zu erzeugen. Die Verzahnung bleiben dabei erhalten.

Die Innenkontur kann dabei frei gestaltet werden, insbesondere im adaptiven Verfahren:

Diese Gestaltung ist prädestiniert für das adaptive Fertigungsverfahren, aber nicht auf Planetwalzenextruderbauteile beschränkt. Denkbar ist auch eine Kombination solch einer hohlen Form mit z.B. üblichen Geometrien an Extruderschnecken, wie beispielhaft bei Scher- und Mischteilen einzusetzen.

Bezugszeichenliste:

1 Extruder

2 Erstes Bauteil des Extruders

3 Zweites Bauteil des Extruders

4 Einfülltrichter

5 Antrieb

6 Extrusionsrichtung

7 Planetwalzenextruder

8 Planetwalzenzylinder

9 Zentralspindel

10 Planetspindel

11 Verzahnung

12 Verzahnung A

13 Verzahnung B

14 Verzahnung C

15 Geometrie von 10, die nicht mehr im Eingriff ist

16 Hohlraum in 10

17 Zusatzspindel