DE4428993A1 - Vorrichtung zum Extrudieren eines viskosen Materials - Google Patents

Vorrichtung zum Extrudieren eines viskosen Materials

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Philip E Moldenhauer
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    • B29C48/32Extrusion nozzles or dies with annular openings, e.g. for forming tubular articles

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ex­ trudieren eines viskosen Materials, das nicht kontinu­ ierliche Verstärkungsfasern enthält.
Ein hydraulischer drahtverstärkter Hochdruckschlauch wird typischerweise in unterschiedlichen Anwendungen verwen­ det, zum Beispiel zum Vorsehen einer flexiblen Verbindung zwischen mehreren sich bewegenden Teilen eines hydrauli­ schen Kreises, wobei sich ein Teil gegenüber dem anderen bewegen muß. Typische verstärkte hydraulische Schlauch­ strukturen sind in dem US-Patent 3 357 456 vom 12. De­ zember 1967 von C. E. Grawey und dem US-Patent 4 262 704 vom 21. April 1981 von C. E. Grawey dargestellt.
Einer der kritischen Bereiche eines solchen hydraulischen Schlauches ist die Auskleidungs- oder Kernstruktur. In beiden der zuvor genannten Patente wird das Auskleidungs­ glied gebildet durch Wickeln eines laminierten Bandes oder Streifens in einer überlappenden Beziehung um einen Formkern und dann Wickeln einer Serie von Drahtlagen mit Elastomerschichten zwischen benachbarten Drahtlagen. Das Laminatband ist aus zwei Schichten eines ungehärteten Elastomers aufgebaut, und zwar mit einem offenmaschigen Stoff sandwichartig dazwischen. Ein Problem, das mit einem solchen Herstellungsverfahren assoziiert ist, ist daß die Länge des hergestellten Schlauches durch die Län­ ge der kalandrierten oder geglätteten Laminatbandvorrats­ rolle. Die Herstellung des Laminatbandes ist ein zeitauf­ wendiger, arbeitsintensiver, recht teurer, mehrere Schritte aufweisender Vorgang, bei dem eine erhebliche Abfallmenge zurückbleibt, die nicht wieder verwendet wer­ den kann.
Es wurden unterschiedliche Verfahren entwickelt, um einen Hochdruckschlauch auf einer kontinuierlichen Basis herzu­ stellen. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist in US- Patent 4 501 629 vom 26. Februar 1985 von R. L. Satzler beschrieben. Die Auskleidung wird gebildet durch Extru­ dieren eines viskosen Materials auf einen Formkern.
Das US-Patent 3 933 960 vom 20. Januar 1976 von James Cameron et al. zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Rohrs mit kurzen nicht kontinuierlichen Fa­ sern, die in dem viskosen Material beinhaltet sind. Die Fasern sind umfangsmäßig orientiert, um die notwendige Festigkeit vorzusehen, um internen Drücken zu widerste­ hen. Wenn das viskose Material, das nicht kontinuierliche Fasern enthält, extrudiert wird, bewirkt die Strömung, daß sich die Faser axial in Richtung der Strömung orien­ tiert. Beispiele der nicht kontinuierlichen Verstärkungs­ fasern sind in US-Patent 3 697 364 von K. Boustany et al. vom 10. Oktober 1972 und in dem US-Patent 3 709 845 von K. Boustany et al. vom 9. Januar 1973 gezeigt.
Die vorliegende Erfindung sieht eine relativ einfache Ex­ trudiervorrichtung zur Herstellung einer Schlauchausklei­ dung auf einer kontinuierlichen Basis vor, bei der nicht kontinuierliche Fasern spiralförmig innerhalb des visko­ sen Polymermaterials orientiert sind, während es um den Formkern extrudiert wird. Die Extrudiervorrichtung steu­ ert die spiralförmige Orientierung der Fasern, erhöht die radiale Festigkeit der Auskleidung, sieht glatte äußere Umfangsoberflächen vor, sieht eine Auskleidung mit einer konstanten Wanddicke vor und überbrückt den Raum zwischen den Drähten. Mit einem solchen Aufbau werden Einsparungen an Ausrüstung, Arbeit und natürlichen Resourcen reali­ siert.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben genannten Probleme zu überwinden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Extrudieren eines viskosen Materials, das nicht konti­ nuierliche Verstärkungsfasern enthält, vorgesehen. Die Extrudiervorrichtung besitzt ein Einlaßende, ein Auslaß­ ende, einen Extrudierkörper mit einer inneren Körperober­ fläche, die eine Körperbohrung mit einer Achse definiert und einen Einlaßdurchlaß, der sich in die Körperbohrung öffnet. Die Extrudiervorrichtung weist ferner eine schraubenförmige (helicoid) Anordnung mit einer schraubenförmigen Bohrung auf, die koaxial zu der Achse der Körperbohrung ist. Eine Extrudierkopfanordnung ist mit dem Körper verbunden. Eine Extrudierform definiert einen Extrudierdurchlaß. Der Extrudierdurchlaß besitzt eine Innenbohrung, die die schraubenlinienförmige Anordnung aufnimmt. Die Extrudierform ist mit der sich drehenden Extrudierkopfanordnung verbunden und drehbar. Eine Vielzahl von spiral- oder schraubenförmigen Schaufeln erstreckt sich von der konisch zusammenlaufenden Oberfläche nach innen. Ein Formkern er­ streckt sich koaxial durch die schraubenlinienförmige Bohrung und die Extrudierform. Mittel sind vorgesehen zum Drehen der Kopfanordnung bezüglich der Körpers.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung, wobei Teile weggebrochen sind, um die Beziehung der Elemente zu zeigen;
Fig. 2 eine schematische und vergrößerte Querschnittsan­ sicht durch die Extrudierkopfanordnung;
Fig. 3 eine schematische Endansicht der Extrudierform;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht der Extru­ dierform entlang der Linie 4-4 in Fig. 3, die einen Teil der spiralförmigen Schaufeln und der dazwischenliegenden Täler zeigt;
Fig. 5 eine schematische Endansicht der Form entlang der Linie 5-5 in Fig. 4; und
Fig. 6 eine schematische flache Entwicklungsansicht der spiralförmigen Schaufeln, die ihre Winkelform be­ züglich der axialen Mittellinie der Form dar­ stellt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung, insbesondere auf die Fig. 1 und 2, ist eine Vorrichtung 10 der Bauart offen­ bart, die geeignet ist zum Extrudieren eines viskosen Materials, das nicht kontinuierliche Verstärkungsfasern enthält. Die Extrudiervorrichtung 10 besitzt ein Einlaß­ ende 12, ein Auslaßende 14 und eine Trommel oder einen Extrudierkörper 16. Der Extrudierkörper 16 weist folgen­ des auf: eine innere Körperoberfläche 18, die eine Kör­ perbohrung 20 mit einer Mittelachse 22 definiert, eine Pilot- oder Führungsnabe 24, die eine äußere zylindrische Pilot- oder Führungsoberfläche 26 definiert, die in axia­ ler Ausrichtung mit der Körperbohrung ist, einen nach außen vorragenden Flansch 28 mit einer Anbringungsober­ fläche 30 und einen Einlaßdurchlaß 32, der sich in die Körperbohrung öffnet. Der Einlaßdurchlaß 32 ist mit einer Quelle zur Lieferung viskosen Materials verbunden, wie es in der Technik bekannt ist.
Die Extrudiervorrichtung 10 weist ferner eine schrauben­ linienförmige Anordnung 36 mit einer schraubenlinien­ förmigen Bohrung 38 in axialer Ausrichtung mit der Achse 22 der Körperbohrung 20 auf. Die Schraubenlinienanordnung 36 umfaßt eine rohrförmige Nase 39 mit einer äußeren zy­ lindrischen Oberfläche 40, die einen vorgewählten Durch­ messer definiert und ein distales oder entfernt gelegenes Ende 42.
Die Vorrichtung 10 weist eine Extrudierkopfanordnung 44 auf, die drehbar mit dem Extrudierkörper 16 verbunden ist. Die Extrudierkopfanordnung 44 weist ein im allge­ meinen rohrförmiges Formtragglied 46, eine Formhülse 48, eine Extrudierform 50, einen Verriegelungsring 52 und Mittel 54 zum Drehen der Extrudierkopfanordnung bezüglich des Extrudierkörpers 16 auf.
Das rohrförmige Formtragglied 46 ist drehbar an dem Ex­ trudierkörper 16 befestigt durch einen Haltering 56, der an der Anbringungsoberfläche 30 des Extrudierkörpers 16 gesichert ist. Das Tragglied 46 wird axial getragen durch ein Axial- oder Schublager 58. Die Formhülse 48 ist durch Schrauben mit dem Tragglied 46 verbunden.
Die Formhülse 48 besitzt eine gestufte Innenumfangsober­ fläche 60 mit einer Formhülsenschulter 62 einen axial langgestreckte Führungsmittel (Keil) 64.
Wie am besten in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt ist, besitzt die Extrudierform 50 einen Formkörper 68 mit einem Form­ einlaßende 70 und einem Formauslaßende 72, eine äußere gestufte zylindrische Formoberfläche 64 mit einer Form­ schulter 76 und eine äußere axial langgestreckte Form­ keil- oder Führungsnut 78. Der Formkörper 68 definiert ferner einen Formextrudierdurchlaß 80 zur Aufnahme der schraubenlinienförmigen Anordnung 26. Die Extrudierform 50 ist mit der sich drehenden Extrudierkopfanordnung 44 verbunden und drehbar. Die äußere gestufte zylindrische Formoberfläche 74 ist gleitbar in der inneren gestuften zylindrischen Oberfläche 60 der Formhülse 48 angeordnet, wobei der Keil 64 der Formhülse in Eingriff kommt mit der Keilnut 78 der Extrudierform 50 und die Formschulter 76 und die Hülsenschulter 62 in einer anliegenden Beziehung stehen. Der Formextrudierdurchlaß 80 definiert ferner eine im allgemeinen zylindrische Oberfläche 82, die einen Austrittsdurchmesser 84 mit einer vorbestimmten Quer­ schnittsfläche definiert. Der Formextrudierdurchlaß 80 ist in axialer Ausrichtung mit der schraubenlinienför­ migen Bohrung 38. Der konische Extrudierdurchlaß 80 ver­ ringert seinen Durchmesser im allgemeinen konisch, und zwar in Richtung des Auslaßendes 72 der Extrudierform 50.
Eine Vielzahl von spiral- oder schraubenlinienförmigen Schaufeln erstreckt sich von dem Extrudierdurchlaß 80 nach innen. In einem bevorzugten Beispiel, wie in Fig. 3 gezeigt ist, gibt es vier spiralförmige Schaufeln 90, die mit gleichem Abstand umfangsmäßig um den konischen Extru­ dierdurchlaß 80 beabstandet sind. Wie in der flachen Ab­ wicklungsansicht der Fig. 6 zu sehen ist, sind die schraubenförmigen Schaufeln 90 mit einem Schrauben- oder Schrägungswinkel "A" von 40° bis 70° bezüglich der Axial­ mittellinie der Extrudierform 50 angeordnet. Ein Schrä­ gungswinkel, der größer oder kleiner ist, würde von dem gewünschten Winkel ausreichend abweichen, um die Schlauchleistung negativ zu beeinflussen. Vorzugsweise sind die Schaufeln 90 mit einem Helix- oder Schrägungs­ winkel "A" von ungefähr 55° angeordnet und verringern ihre Breite "W" in Richtung des Auslaßendes 72 der Ex­ trudierform 50.
Die Mittel 54 zum Drehen der Extrudierkopfanordnung 44 bezüglich des Extrudierkörpers 16 umfassen ein Zahnrad 94, das betriebsmäßig mit dem Tragglied 46 verbunden ist, und zwar durch eine Vielzahl von Kopfschrauben 96 und eine Endloskette 98, die das Zahnrad umgibt.
Ein Dorn bzw. Formkörper 100 erstreckt sich koaxial durch die Schraubenlinienbohrung 36 und den Formextrudierdurchlaß 80. Der Formkörper 100 ist axial in Richtung des Auslaßendes 14 der Vorrichtung 10 bewegbar, wie es in der Technik bekannt ist, wobei das viskose Material um den Formkörper extrudiert wird und der Formkörper später aus der gebildeten Schlauchauskleidung entfernt wird.
Das Polymermaterial, das nicht kontinuierliche Verstär­ kungsfasern enthält, wird um die Schraubenlinienanordnung 34 herum verteilt, und zwar in einer herkömmlichen Art und Weise. Der konische Durchlaß 80 der Extrudierform ist so aufgebaut, daß es das geschmolzene Material um die Außenumfangsoberfläche des sich kontinuierlich bewegenden Formkörpers 100 leitet. Die schraubenförmigen Schaufeln 90 der Extrudierform 50 erzeugen eine Vielzahl von Kanä­ len 102, durch die sich die nicht kontinuierlichen Ver­ stärkungsfasern innerhalb des viskosen Materials im all­ gemeinen parallel mit der Strömung des Materials orien­ tieren. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Winkel der Fasern bezüglich der Längsachse des Formkör­ pers innerhalb des Bereichs von ungefähr 40° bis 70° gehalten und vorzugsweise bei einem Winkel von ungefähr 54°44′, was der mathematische, theoretisch wünschenswerte Winkel für die Faserverstärkung ist. Ein Winkel der Fa­ sern, der größer oder kleiner ist, würde von dem ge­ wünschten Winkel abweichen, und zwar ausreichend, um negativ die Schlauchleistung zu beeinflussen. Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus einer Studie der Zeichnung, der Offenbarung und der Ansprüche.

Claims (4)

1. Eine Vorrichtung zum Extrudieren viskosen Materials, wobei das viskose Material nicht kontinuierliche Verstärkungsfasern enthält, wobei die Extrudier­ vorrichtung folgendes aufweist: ein Einlaßende, ein Auslaßende, einen Körper mit einer inneren Körper­ oberfläche und die eine Körperbohrung mit einer Achse definiert und einen Einlaßdurchlaß, der sich in die Körperbohrung öffnet, wobei die Extrudiervor­ richtung ferner eine Schraubenlinien- oder Helicoidanordnung mit einer Schraubenlinienbohrung in axialer Ausrichtung mit der Achse der Körperbohrung besitzt, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
eine Extrudierkopfanordnung, die drehbar benachbart zu dem Auslaßende des Körpers verbunden ist;
eine Extrudierform mit einem Formkörper, wobei der Körper einen Extrudierdurchlaß definiert, wobei der Extrudierdurchlaß ferner eine im allgemeinen zylin­ drische Oberfläche definiert, die einen Austritts­ durchmesser mit einer vorgewählten Querschnitts­ fläche definiert, wobei sich der Durchmesser des Extrudierdurchlasses im allgemeinen konisch in Rich­ tung des Auslaßendes der Vorrichtung verringert, wo­ bei die Schraubenlinienanordnung eine rohrförmige Nase mit einer äußeren zylindrischen Umfangsober­ fläche, die einen vorgewählten Durchmesser definiert und ein distales Ende aufweist, das innerhalb des Extrudierdurchlasses der Extrudierform angeordnet ist, wobei die Extrudierform mit der sich drehenden Extrudierkopfanordnung verbunden und mit dieser drehbar ist;
eine Vielzahl von schrauben- oder spiralförmigen Schaufeln, die verbunden sind mit und sich er­ strecken von dem Formkörper, und zwar nach innen in den Extrudierdurchlaß, wobei die schraubenförmigen Schaufeln mit einem Schrauben- oder Helixwinkel in dem Bereich von ungefähr 40° bis ungefähr 70° bezüg­ lich der Axialmittellinie der Extrudierform ange­ ordnet sind und wobei die Schaufeln ihre Breite in Richtung des Auslaßendes der Form verringern;
ein Formkörper, der sich koaxial durch die Schrau­ benlinienbohrung und den Extrudierformdurchlaß er­ streckt, wobei der Formkörper axial bewegbar ist in Richtung des Auslaßendes der Vorrichtung; und
Mittel zum Drehen der Extrudierkopfanordnung be­ züglich des Extrudierkörpers.
2. Extrudiervorrichtung nach Anspruch 1, wobei vier schraubenförmige Schaufeln vorgesehen sind.
3. Extrudiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaufeln mit einem Schrauben- oder Helixwinkel von 55° angeordnet sind.
4. Extrudiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Extrudierkopfanordnung ein im allgemeinen rohrförmiges Formtragglied aufweist, das drehbar an dem Körper befestigt ist und wobei die Mittel zum Drehen der sich drehenden Kopfanordnung bezüglich des Körpers ein Zahnrad aufweisen, das be­ triebsmäßig mit dem Tragglied verbunden ist und eine endlose Kette, die das Zahnrad umgibt.
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