DE3636960A1 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines extrudierten produktes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Extrusion von Gegenständen. Insbesondere bezieht sich die Er­ findung auf die Extrusion von Hohlkörpern, die als Rohre oder Röhren Verwendung finden, oder die in Längsrichtung geschlitzt werden, um U-förmige Profile oder Flachprofile zu erzeugen. Derartige Produkte können aus thermoplastischen Materialien oder Gummi einschließlich synthetischem Gummi her­ gestellt werden, wobei das Material des Produktes in einem Schnecken-Mischzylinder oder in einer Kolben-Zylinder-Anordnung geschmolzen oder plasti­ fiziert wird, wonach das Material durch eine ring­ förmige Extrusionsform des erforderlichen Querschnitts des Hohlkörpers gedrückt wird. Die ursprünglich rohe Form des extrudierten Körpers muß kalibriert und ge­ kühlt werden, um einen Extrusionskörper mit den erfor­ derlichen Abmessungen zu erzeugen.

Üblicherweise wurde dies bei Rohren oder Röhren bei­ spielsweise bisher entweder durch Druck-Kalibrierung oder durch Vakuum-Kalibrierung bewerkstelligt. Bei Druck-Kalibrierung des Rohres durchläuft dieses un­ mittelbar nach Austritt aus der Extrusionsform einen Kühltunnel, in welchem kaltes Wasser zirkuliert. Die Kalibrierung und Wärmeübertragung wird durch Anwendung eines Innendruckes im Rohr unterstützt, der in der Praxis durch Abdichten des vorlaufenden Rohrendes auf­ rechterhalten wird, oder der dadurch aufrecht erhalten wird, daß ein gleitender innerer Spund innerhalb des vorlaufenden Rohres benutzt wird, der an der Kern­ form durch ein Kabel verankert ist. In gleicher Weise kann eine typische Vakuum-Kalibrierung da­ durch erfolgen, daß das Rohr direkt aus der Ex­ trusionsform in eine perforierte Formgebungshülse oder eine Gruppe von Formgebungsringen oder Platten einläuft, ringsum die ein Vakuum angelegt wird. Die Bohrung des Rohres bleibt dabei offen, nach dem at­ mosphärischen Druck hin, wodurch über der Rohrwand während der Abkühlung eine Druckdifferenz erzeugt wird.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, derartige Ex­ trusionsprodukte durch Verstärkungsfasern zu ver­ stärken und zu verfestigen, wobei beispielsweise Glasfasern, gemischt mit dem Produktmaterial Anwendung fanden.

Bei Erzeugnissen, die durch derartige Extrusionsver­ fahren erzeugt werden, besitzt die Faserverstärkung infolge des Polymerflußpfades, der in der Form in Längsrichtung des Rohres verläuft, einen hohen An­ teil an Fasern, die über die Länge des Rohres oder Schlauches ausgerichtet sind. Beispielsweise bei einer Rohrleitung, die unter Innendruck steht oder hoher Belastung durch das Erdreich ausgesetzt ist, oder wo andere äußere Belastungen auftreten, verlaufen die hohen Beanspruchungskräfte im Rohr in erster Linie in Umfangsrichtung, d.h. in Reifrichtung. Die parallel zur Achsrichtung des Rohres, d.h. über die Länge des Rohres oder Schlauches gerichteten Fasern tragen zur Umfangsfestigkeit des Rohres oder Schlauches nichts bei und sämtliche Umfangsbeanspruchungen müssen durch die Plastikmatrix oder die Gummi­ matrix aufgenommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die er­ wähnten Schwierigkeiten zu vermeiden oder wenigstens zu vermindern.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung eines extrudierten Gegenstandes in der Weise durchgeführt, daß das Produktmaterial geschmol­ zen oder plastifiziert und dann durch eine Ringform gepreßt wird, um einen Hohlkörper zu erzeugen, wobei der Hohlkörper nach Durchlaufen der Ringform einer Druckdifferenz über die Seitenwände ausgesetzt wird, während er noch weich ist, wodurch der Hohlkörper quer zur Extrusionsachse ausgedehnt wird, worauf der Hohl­ körper in ausgedehnter Form kalibriert und gekühlt wird.

Das expandierte Erzeugnis kann mittels einer Vakuum­ formgebungshülse oder einer Vakuum-Kalibriervorrich­ tung oder mittels eines Formgebungskastens unter Druck kalibriert werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines extrudierten Produktes vorgesehen. Diese umfaßt Mittel zum Schmelzen oder Plastifizieren des Produktmaterials, und eine Ring­ form, durch die das Material gequetscht wird, um einen langgestreckten Hohlkörper zu erzielen. Dabei sind Mittel vorgesehen, um eine Druckdifferenz auf die Seitenwände des Hohlkörpers auszuüben, nachdem dieser die Extrusionsform verläßt, damit der Hohl­ körper quer zur Extrusionsachse ausgedehnt wird. Außerdem sind Mittel zur Kalibrierung und Abkühlung des Hohlkörpers in expandierter Stellung vorgesehen.

Das Material des Erzeugnisses selbst kann z.B. thermo­ plastisches Material oder natürlicher oder synthe­ tischer Gummi sein. Das Material, aus dem das Produkt erzeugt wird, kann mit Faserstoffmaterial, beispiels­ weise Glasfasern verstärkt werden, oder es kann ein selbstverstärkendes Polymerisationsprodukt, beispiels­ weise ein Flüssigkristall-Polymerisationsprodukt sein.

Es hat sich gezeigt, daß durch die seitliche Expansion des Hohlproduktes beim Austritt aus der Extrusions­ form in der Praxis eine wesentliche Orientierung der Verstärkungsfasern in Umfangsrichtung des Erzeugnisses erfolgt, wodurch die Festigkeit des Produktes in Um­ fangsrichtung erhöht wird.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Her­ stellung eines Rohres oder einer Röhre;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten Vorrichtung;

Fig. 3 eine weitere Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform eines Teils der Vorrichtung nach Fig. 2;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Vakuumsteuerung, die in Verbindung mit den Vorrichtungen gemäß Fig. 2 oder 4 verwendbar ist.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß ein weiches Rohr aus Plastikmaterial 1 (z.B. aus Polyäthylen mittlerer Dichte) aus einem Formkörper 2 um einen inneren Kern 3 herum extrudiert wird. Es wird Luft durch einen Kanal 4 in den Kern eingeblasen, so daß innerhalb des Rohres nach seiner Extrusion ein innerer Luftdruck P herrscht. Um diesen Luftdruck aufrecht zu erhalten, kann das Rohr­ ende in nicht dargestellter Weise umgefalzt sein, oder es kann ein innerer Stopfen innerhalb des Rohres vor­ gesehen sein, das mit dem Kern in der vorbeschriebenen Weise in Verbindung steht. Nach Abzug vom Kern und aus der Form dehnt sich das immer noch weiche Rohr in einer "Blase" 7 infolge der Druckdifferenz über seinen Seiten­ wänden aus, und das Rohr tritt durch eine Kalibrierhülse 5 hindurch und gelangt dann in eine perforierte Hülse 6 in einem Vakuumzerstäubertank 8, wo die expandierten Abmessungen des Rohres aufrechterhalten werden, während es abgekühlt wird. Der Außendurchmesser des Rohres steigt von D 1 auf D 2 an, während sich die Wanddicke von W 1 auf W 2 in dem erzeugten Rohr verkleinert. Es hat sich gezeigt, daß die Form der geschmolzenen "Blase" 7 für den expandierten Abschnitt des weichen Rohres gesteuert werden kann, indem der Abstand zwischen der Form 3 und dem Vakuumzerstäubertank 8 geändert wird.

Wie oben erwähnt, hat es sich gezeigt, daß diese Technik die Orientierung der Faser innerhalb des Plastikmaterials in Reifrichtung erhöht. Es gibt natürlich mehrere Faktoren, die das Ausmaß der Faser­ orientierung in Reifrichtung beeinflussen und unter diesen Faktoren ist das Verhältnis von D 1 zu D 2 und das Verhältnis von W 1 zu W 2 sowie das Verhältnis zwischen der Abzugsgeschwindigkeit der Schmelze in der Form und der Geschwindigkeit, mit der das Rohr abgezogen wird, sowie die Form der Expansions-"Blase" des immer noch weichen Rohres, sowie die Aufblähung der Polymerschmelze in der Form.

Die Erfindung, wie sie in Verbindung mit Fig. 1 be­ schrieben wurde, hat sich als erfolgreich erwiesen. Unter gewissen Umständen verursacht jedoch die Benutzung eines über Atmosphärendruck liegenden Druckes inner­ halb des Rohres Schwierigkeiten in Verbindung mit einer Vakuumeichtechnik, beispielsweise einer schlechten Stabilität der Schmelz-"Blase".

Dieses potentielle Problem wird bei dem Ausführungs­ beispiel nach Fig. 2 vermieden.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß zusätzlich zu der Vorrichtung gemäß Fig. 1 eine zusätzliche Vakuum­ kammer 29 um den Raum zwischen der Form 11 und dem Kern 12 und dem Ende des Vakuumzerstäubertanks 20 angeordnet ist. Hierbei wird die Bohrung des geform­ ten Rohres nach der Atmosphäre hin offengelassen und das zusätzlich an das noch weiche Rohr beim Austritt aus dem Kern angelegte Vakuum wirkt anstelle des Luft­ drucks innerhalb des Rohres, um die Expansions-"Blase" 22 zu erzeugen.

Die von der Form 11 und dem Kern 12 durch einen aus Polytetrafluoräthylen bestehenden Ring 13 getrennte Platte 14 ist mit einer Gummidichtung 16 ausgestattet, die eine Bewegung zwischen der Endplatte und der Form­ gebungshülse 19 zuläßt. Auf diese Weise kann der Vakuum­ tank 20 weggezogen werden, so daß der Formauslaß zugäng­ lich wird, um den Extrudierungsanlauf leichter vonstatten gehen zu lassen, oder der Vakuumtank kann während des Laufs bewegt werden, um eine Einstellung der Blasengröße zusätzlich zur Veränderung des Vakuumpegels herbeizu­ führen. Die zusätzliche Vakuumkammer wird durch ein Perspexrohr 17 vervollständigt. Es sind Vakuumeinlässe 15 und Manometereinlässe 21 vorgesehen.

Fig. 4 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Gummidichtung 30, die an der Stirnplatte 14 angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht eine bessere Abdichtung auch bei geringen Fehlausrich­ tungen zwischen Extruderform 11, Stirnplatte und zusätzlicher Vakuumkammer. In jedem Fall ermöglicht die Gummidichtung die Aufrechterhaltung eines wirk­ samen Vakuums innerhalb der zusätzlichen Vakuumkammer, während eine Einstellung der wirksamen inneren Gesamt­ länge möglich ist.

In Fig. 3 ist die zusätzliche Vakuumkammer, die zwischen dem Formkörper und dem Vakuumzerstäuber­ tank liegt, durch einen Formgebungsblock 10 ersetzt, der aus einem geeigneten Material, beispielsweise perforiertem Polytätrachloräthylen oder Keramikmaterial besteht. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, weist der Formgebungsblock eine Innengestalt 11 auf, die der gewünschten Außenform der Expansions-"Blase" 7 des Rohres beim Verlassen der Form entspricht. Der Form­ gebungsblock kann aus massivem Material ausgebohrt oder aus einem porösen Material so konstruiert sein, daß in jedem Falle ein Vakuum an die äußere Oberfläche des noch warmen gerade geformten Rohres angelegt werden kann, d.h. ein geeignetes Vakuum, um die Flasche gegen die innere Formoberfläche 11 des Blockes 10 zu ziehen. Bei einer derartigen Anordnung kann das Innenprofil des Blockes so gestaltet sein, daß sich eine optimale Orientierung der Faserverstärkung im Plastikmaterial des Rohres sowohl im Hinblick auf eine Festigkeit in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung ergibt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auch die Bohrung des Rohres nach dem atmosphärischen Druck hin offen, obgleich stattdessen das Rohr auch unter.einem posi­ tiven Druck geschlossen werden kann.

Fig. 5 zeigt einen einfachen Vakuumsteuerkreis, der in Kombination mit der zusätzlichen Vakuumkammer be­ nutzt werden kann, um eine Feineinstellung der Blasen­ größe zu ermöglichen. Der Steuerkreis umfaßt eine Vakuumpumpe 31, die über eine Leitung 32 (diese be­ sitzt ein Ablaßventil 33) an die zusätzliche Vakuum­ kammer 29 angeschlossen ist. Ein Manometer 34 ist über ein Absperrventil 35 an die Kammer 29 angeschlossen.

Das Verfahren zur Steuerung der Faserorientierung, welches vorstehend in Verbindung mit Rohren beschrie­ ben wurde, kann auch auf andere Profile angewandt werden, die keinen Kreisquerschnitt haben, wie dies bei Rohren und Schläuchen der Fall ist. So können auch ovale oder rechteckige Querschnitte in gleicher Weise behandelt werden. Außerdem besteht die Möglich­ keit, offene Profile mit bestimmter Faserorientierung zu schaffen, indem die geschlossenen Profile geschlitzt und geöffnet werden. Beispielsweise können halbkreis­ förmige und U-förmige Profile und sogar Flachprofile auf diese Weise erzeugt werden.

Dabei ist bemerkenswert, daß herkömmliche Extruder­ formen benutzt werden können. Das Verfahren ist für einen weiten Bereich von Rohrextrusionsmaterialien anwendbar.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines extrudierten Produktes mit Mitteln zum Schmelzen oder zur Plastifizierung des Materials für das Produkt, mit einer kreisringförmigen Profilform, durch die das Material gedrückt wird, um einen Hohl­ körper zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzdruck an die Seitenwände des Produktes angelegt wird, nachdem es den Formkörper verlassen hat, um das Produkt quer zur Extrusionsachse auszudehnen, und daß Mittel vorgesehen sind, um das Produkt in seiner ausgedehnten Form zu kalibrieren und abzukühlen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum An­ legen einer Druckdifferenz über den Seitenwänden des Produktes eine Vorrichtung umfassen, um den Druck innerhalb des Produktes zu erhöhen, nachdem dieses die Extrusionsform ver­ lassen hat.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Anlegen einer Druckdifferenz über den Seiten­ wänden des Produktes eine Vakuumkammer um­ fassen, durch die das Produkt hindurchläuft, nachdem es die Extrusionsform verlassen hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Vakuumkammer vorgesehen ist, die den Produkt­ austritt der Extrusionsform umschließt.

5. Verfahren zur Erzeugung eines Extrusionsproduktes, bei dem das Produktmaterial geschmolzen oder plastifiziert und durch eine ringförmige Extrusions­ form gedrückt wird, um einen Hohlkörper zu er­ zeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper nach Durchlaufen der Extrusionsform einer Druck­ differenz über den Seitenwänden unterworfen wird, während der Hohlkörper noch weich ist, wodurch der Hohlkörper quer zur Extrusionsachse ausgedehnt wird, und daß der Hohlkörper in aus­ gedehnter Form kalibriert und abgekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck inner­ halb des Produktes erhöht wird, um dieses auszudehnen.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuum um das Produkt herum angelegt wird, um es aus­ zudehnen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuum um das Produkt herum angelegt wird, wenn dieses die Extrusionsform verläßt, um das Produkt auszudehnen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das expandierte Produkt mittels einer Vakuumformgebungshülse oder mittels eines Druckformgebungskastens kalibriert und abgekühlt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt ein thermoplastisches Material oder ein natürlicher oder synthetischer Gummi ist, die mit Faser­ material verstärkt sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt ein selbstverstärkendes Polymerisationsprodukt ist.