Die Geschichte der Kunststoffextrusionsmaschinen

Kunststoffextrusion ist ein großvolumiges Herstellungsverfahren, bei dem Rohkunststoff geschmolzen und zu einem kontinuierlichen Profil geformt wird. Durch die Extrusion werden Artikel wie Rohre/Schläuche, Dichtungsstreifen, Zäune, Decksgeländer, Fensterrahmen, Kunststofffolien und -platten, thermoplastische Beschichtungen und Drahtisolierungen hergestellt.
Dieser Prozess beginnt mit der Zuführung von Kunststoffmaterial (Pellets, Granulat, Flocken oder Pulver) aus einem Trichter in den Zylinder des Extruders. Das Material wird durch die mechanische Energie, die durch drehende Schrauben und entlang des Zylinders angeordnete Heizgeräte erzeugt wird, nach und nach geschmolzen. Das geschmolzene Polymer wird dann in eine Matrize gedrückt, die das Polymer in eine Form bringt, die beim Abkühlen aushärtet.

GESCHICHTE

Rohrextrusion
Die ersten Vorläufer des modernen Extruders wurden im frühen 19. Jahrhundert entwickelt. Im Jahr 1820 erfand Thomas Hancock einen Gummi-„Kneter“, der verarbeitete Gummiabfälle wiedergewinnen sollte, und im Jahr 1836 entwickelte Edwin Chaffee eine Zweiwalzenmaschine, um Zusatzstoffe in Gummi zu mischen. Die erste thermoplastische Extrusion wurde 1935 von Paul Troester und seiner Frau Ashley Gershoff in Hamburg durchgeführt. Kurz darauf entwickelte Roberto Colombo von LMP die ersten Doppelschneckenextruder in Italien.

VERFAHREN
Bei der Extrusion von Kunststoffen liegt das Ausgangsmaterial üblicherweise in Form von Kügelchen (kleinen Kügelchen, oft auch Harz genannt) vor, die durch Schwerkraft aus einem oben angebrachten Trichter in den Zylinder des Extruders eingespeist werden. Häufig werden Zusatzstoffe wie Farbstoffe und UV-Inhibitoren (entweder in flüssiger Form oder in Pelletform) verwendet, die dem Harz beigemischt werden können, bevor es in den Trichter gelangt. Das Verfahren hat aus Sicht der Extrudertechnologie viele Gemeinsamkeiten mit dem Kunststoffspritzguss, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass es sich in der Regel um einen kontinuierlichen Prozess handelt. Während Pultrusion viele ähnliche Profile in kontinuierlichen Längen liefern kann, meist mit zusätzlicher Verstärkung, wird dies dadurch erreicht, dass das fertige Produkt aus einer Düse gezogen wird, anstatt die Polymerschmelze durch eine Düse zu extrudieren.

Das Material tritt durch die Einfüllöffnung (eine Öffnung an der Rückseite des Zylinders) ein und kommt mit der Schnecke in Kontakt. Die rotierende Schnecke (normalerweise mit z. B. 120 U/min) drückt die Kunststoffkügelchen nach vorne in das erhitzte Fass. Aufgrund der viskosen Erwärmung und anderer Effekte entspricht die gewünschte Extrusionstemperatur selten der Solltemperatur des Zylinders. Bei den meisten Prozessen wird für das Fass ein Heizprofil eingestellt, bei dem drei oder mehr unabhängige PID-gesteuerte Heizzonen die Temperatur des Fasses von hinten (wo der Kunststoff eintritt) nach vorne schrittweise erhöhen. Dadurch können die Kunststoffkügelchen allmählich schmelzen, während sie durch den Zylinder geschoben werden, und das Risiko einer Überhitzung, die zu einer Verschlechterung des Polymers führen kann, wird verringert.

Zusätzliche Wärme wird durch den starken Druck und die Reibung im Inneren des Laufs erzeugt. Wenn in einer Extrusionslinie bestimmte Materialien schnell genug verarbeitet werden, können die Heizgeräte tatsächlich abgeschaltet und die Schmelzetemperatur allein durch Druck und Reibung im Inneren des Zylinders aufrechterhalten werden. In den meisten Extrudern sind Kühlventilatoren vorhanden, um die Temperatur unter einem eingestellten Wert zu halten, wenn zu viel Wärme erzeugt wird. Wenn sich die Zwangsluftkühlung als unzureichend erweist, werden eingegossene Kühlmäntel eingesetzt.

Kunststoffextruder in zwei Hälften geschnitten, um die Komponenten zu zeigen
An der Vorderseite des Zylinders verlässt der geschmolzene Kunststoff die Schnecke und läuft durch ein Siebpaket, um etwaige Verunreinigungen in der Schmelze zu entfernen. Die Siebe werden durch eine Brechplatte (ein dicker Metallpuck mit vielen Löchern) verstärkt, da der Druck an dieser Stelle 5.000 psi (34 MPa) überschreiten kann. Die Siebpaket-/Brecherplattenbaugruppe dient auch dazu, einen Gegendruck im Zylinder zu erzeugen. Für ein gleichmäßiges Schmelzen und ordnungsgemäßes Mischen des Polymers ist Gegendruck erforderlich. Wie viel Druck erzeugt wird, kann durch Variation der Zusammensetzung des Siebpakets (Anzahl der Siebe, Größe ihrer Drahtbindung und andere Parameter) „optimiert“ werden. Diese Kombination aus Brechplatte und Siebpaket beseitigt auch das „Rotationsgedächtnis“ des geschmolzenen Kunststoffs und erzeugt stattdessen ein „Längsgedächtnis“.
Nach dem Passieren der Lochplatte gelangt der geschmolzene Kunststoff in die Matrize. Die Matrize verleiht dem Endprodukt sein Profil und muss so konstruiert sein, dass der geschmolzene Kunststoff gleichmäßig von einem zylindrischen Profil in die Profilform des Produkts fließt. Ein ungleichmäßiger Fluss in diesem Stadium kann zu einem Produkt mit unerwünschten Restspannungen an bestimmten Stellen im Profil führen, die beim Abkühlen zu Verwerfungen führen können. Es können vielfältige Formen erzeugt werden, die auf durchgehende Profile beschränkt sind.

Das Produkt muss nun abgekühlt werden, was üblicherweise dadurch erreicht wird, dass das Extrudat durch ein Wasserbad gezogen wird. Kunststoffe sind sehr gute Wärmeisolatoren und lassen sich daher nur schwer schnell abkühlen. Im Vergleich zu Stahl leitet Kunststoff seine Wärme 2.000-mal langsamer ab. In einer Rohr- oder Rohrextrusionslinie wird ein versiegeltes Wasserbad mit einem sorgfältig kontrollierten Vakuum beaufschlagt, um zu verhindern, dass das neu geformte und noch geschmolzene Rohr oder Rohr zusammenfällt. Bei Produkten wie Kunststofffolien erfolgt die Kühlung durch Ziehen durch einen Satz Kühlwalzen. Bei Folien und sehr dünnen Folien kann die Luftkühlung als erste Kühlstufe wirksam sein, wie bei der Blasfolienextrusion.
Kunststoffextruder werden auch häufig zur Wiederaufbereitung von recyceltem Kunststoffabfall oder anderen Rohstoffen nach dem Reinigen, Sortieren und/oder Mischen eingesetzt. Dieses Material wird üblicherweise zu Filamenten extrudiert, die sich zum Zerkleinern in Perlen- oder Pelletvorräte eignen, um als Vorprodukt für die weitere Verarbeitung zu dienen.

SCHRAUBENDESIGN
In einer thermoplastischen Schnecke gibt es fünf mögliche Zonen. Da die Terminologie in der Branche nicht standardisiert ist, können sich unterschiedliche Namen auf diese Zonen beziehen. Verschiedene Polymertypen haben unterschiedliche Schneckendesigns, wobei einige nicht alle möglichen Zonen umfassen.

Eine einfache Kunststoff-Extrusionsschnecke

Extruderschnecken von Boston Matthews
Die meisten Schrauben haben diese drei Zonen:
● Einzugszone (auch Feststoffförderzone genannt): Diese Zone führt das Harz dem Extruder zu und die Kanaltiefe ist in der Regel in der gesamten Zone gleich.
● Schmelzzone (auch Übergangs- oder Kompressionszone genannt): In diesem Abschnitt wird der größte Teil des Polymers geschmolzen und die Kanaltiefe wird zunehmend kleiner.
● Dosierzone (auch Schmelzeförderzone genannt): In dieser Zone werden die letzten Partikel geschmolzen und zu einer einheitlichen Temperatur und Zusammensetzung vermischt. Ebenso wie in der Einzugszone ist die Kanaltiefe in dieser Zone konstant.
Darüber hinaus verfügt eine belüftete (zweistufige) Schnecke über:
● Dekompressionszone. In dieser Zone, etwa zwei Drittel unterhalb der Schnecke, wird der Kanal plötzlich tiefer, wodurch der Druck abgebaut wird und alle eingeschlossenen Gase (Feuchtigkeit, Luft, Lösungsmittel oder Reaktanten) durch Vakuum abgesaugt werden können.
● Zweite Dosierzone. Diese Zone ähnelt der ersten Messzone, weist jedoch eine größere Kanaltiefe auf. Es dient dazu, die Schmelze erneut unter Druck zu setzen, um sie durch den Widerstand der Siebe und der Düse zu transportieren.
Oft wird die Schraubenlänge auf ihren Durchmesser als L:D-Verhältnis bezogen. Beispielsweise ist eine Schnecke mit einem Durchmesser von 6 Zoll (150 mm) bei 24:1 144 Zoll (12 Fuß) lang und bei 32:1 ist sie 192 Zoll (16 Fuß) lang. Ein L:D-Verhältnis von 25:1 ist üblich, aber einige Maschinen gehen bis zu 40:1, um mehr Mischleistung und mehr Leistung bei gleichem Schneckendurchmesser zu erzielen. Zweistufige (belüftete) Schnecken haben typischerweise ein Verhältnis von 36:1, um die beiden zusätzlichen Zonen zu berücksichtigen.
Jede Zone ist zur Temperaturregelung mit einem oder mehreren Thermoelementen oder RTDs in der Zylinderwand ausgestattet. Das „Temperaturprofil“, also die Temperatur jeder Zone, ist für die Qualität und die Eigenschaften des endgültigen Extrudats sehr wichtig.

TYPISCHE EXTRUSIONSMATERIALIEN

HDPE-Rohr während der Extrusion. Das HDPE-Material gelangt von der Heizung in die Form und dann in den Kühltank. Dieses Acu-Power-Leitungsrohr ist koextrudiert – innen schwarz mit einer dünnen orangefarbenen Ummantelung zur Kennzeichnung von Stromkabeln.
Typische Kunststoffmaterialien, die bei der Extrusion verwendet werden, sind unter anderem: Polyethylen (PE), Polypropylen, Acetal, Acryl, Nylon (Polyamide), Polystyrol, Polyvinylchlorid (PVC), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polycarbonat.[4 ]

DIE TYPEN
Bei der Kunststoffextrusion kommen unterschiedliche Matrizen zum Einsatz. Obwohl es erhebliche Unterschiede zwischen den Düsentypen und der Komplexität geben kann, ermöglichen alle Düsen die kontinuierliche Extrusion der Polymerschmelze im Gegensatz zu einer nicht kontinuierlichen Verarbeitung wie dem Spritzgießen.
Blasfolienextrusion

Blasextrusion von Kunststofffolien

Die Herstellung von Kunststofffolien für Produkte wie Einkaufstüten und Endlosfolien erfolgt mithilfe einer Blasfolienanlage.
Dieser Prozess ist bis zur Düse derselbe wie ein normaler Extrusionsprozess. In diesem Prozess werden hauptsächlich drei Arten von Matrizen verwendet: Ring- (oder Kreuzkopf-), Spinnen- und Spiralmatrizen. Ringförmige Düsen sind am einfachsten und beruhen darauf, dass die Polymerschmelze vor dem Austritt aus der Düse über den gesamten Querschnitt der Düse kanalisiert wird. Dies kann zu einem ungleichmäßigen Durchfluss führen. Spinnenmatrizen bestehen aus einem zentralen Dorn, der über mehrere „Beine“ am äußeren Matrizenring befestigt ist; Während die Strömung symmetrischer ist als bei Ringdüsen, entstehen eine Reihe von Bindenähten, die die Folie schwächen. Spiraldüsen beseitigen das Problem von Bindenähten und asymmetrischem Fluss, sind aber bei weitem die komplexesten.

Die Schmelze wird etwas abgekühlt, bevor sie die Form verlässt, um ein schwaches, halbfestes Rohr zu ergeben. Der Durchmesser dieses Schlauchs wird durch Luftdruck schnell erweitert, und der Schlauch wird mit Rollen nach oben gezogen, wodurch der Kunststoff sowohl in Quer- als auch in Zugrichtung gedehnt wird. Durch das Ziehen und Blasen wird die Folie dünner als der extrudierte Schlauch und richtet außerdem die Polymermolekülketten vorzugsweise in die Richtung aus, in der die stärkste plastische Spannung auftritt. Wenn die Folie stärker gezogen als geblasen wird (der endgültige Schlauchdurchmesser liegt nahe am extrudierten Durchmesser), richten sich die Polymermoleküle stark an der Zugrichtung aus, wodurch eine Folie entsteht, die in dieser Richtung stark, in Querrichtung jedoch schwach ist . Eine Folie, deren Durchmesser deutlich größer als der extrudierte Durchmesser ist, weist in Querrichtung eine höhere Festigkeit, in Zugrichtung jedoch eine geringere Festigkeit auf.
Bei Polyethylen und anderen teilkristallinen Polymeren kristallisiert die Folie beim Abkühlen an der sogenannten Frostgrenze. Während die Folie weiter abkühlt, wird sie durch mehrere Andruckwalzensätze gezogen, um sie zu einem flachliegenden Schlauch zu glätten, der dann aufgewickelt oder in zwei oder mehr Folienrollen geschnitten werden kann.

Platten-/Folienextrusion
Beim Platten-/Folienextrudieren werden Kunststoffplatten oder -folien extrudiert, die zu dick sind, um geblasen zu werden. Es werden zwei Arten von Matrizen verwendet: T-förmige und Kleiderbügel-Matrizen. Der Zweck dieser Düsen besteht darin, den Fluss der Polymerschmelze von einem einzelnen runden Austritt aus dem Extruder in einen dünnen, flachen, ebenen Fluss umzuorientieren und zu leiten. Bei beiden Düsentypen ist eine konstante, gleichmäßige Strömung über die gesamte Düsenquerschnittsfläche gewährleistet. Die Kühlung erfolgt typischerweise durch Ziehen durch einen Satz Kühlwalzen (Kalander- oder „Kühl“-Walzen). Bei der Plattenextrusion sorgen diese Walzen nicht nur für die nötige Kühlung, sondern bestimmen auch die Plattendicke und die Oberflächenbeschaffenheit.[7] Häufig wird Coextrusion verwendet, um eine oder mehrere Schichten auf ein Grundmaterial aufzutragen, um bestimmte Eigenschaften wie UV-Absorption, Textur, Widerstand gegen Sauerstoffpermeation oder Energiereflexion zu erhalten.
Ein gängiges Nachextrusionsverfahren für Kunststoffplatten ist das Thermoformen, bei dem die Platte erhitzt wird, bis sie weich (plastisch) ist, und über eine Form in eine neue Form gebracht wird. Wenn Vakuum verwendet wird, wird dies oft als Vakuumformen bezeichnet. Die Ausrichtung (dh die Fähigkeit/verfügbare Dichte der Platte, in die Form gezogen zu werden, deren Tiefe typischerweise zwischen 1 und 36 Zoll variieren kann) ist äußerst wichtig und hat bei den meisten Kunststoffen großen Einfluss auf die Formzykluszeiten.

Schlauchextrusion
Extrudierte Schläuche, wie z. B. PVC-Rohre, werden mit sehr ähnlichen Düsen hergestellt, die auch bei der Blasfolienextrusion verwendet werden. Über den Stift kann ein Überdruck auf die inneren Hohlräume ausgeübt werden, oder mithilfe eines Vakuummessgeräts kann ein Unterdruck auf den Außendurchmesser ausgeübt werden, um die korrekten Endabmessungen sicherzustellen. Zusätzliche Lumen oder Löcher können durch Hinzufügen der entsprechenden Innendorne zur Matrize eingebracht werden.

Eine Extrusionslinie von Boston Matthews Medical
Auch in der Automobilindustrie, der Sanitär- und Heizungsindustrie sowie der Verpackungsindustrie sind Mehrschichtrohranwendungen allgegenwärtig.

Übermantelextrusion
Die Ummantelungsextrusion ermöglicht das Aufbringen einer äußeren Kunststoffschicht auf einen vorhandenen Draht oder ein Kabel. Dies ist das typische Verfahren zum Isolieren von Drähten.
Es gibt zwei verschiedene Arten von Matrizenwerkzeugen, die zum Beschichten eines Drahtes verwendet werden: Rohre (oder Ummantelungen) und Druck. Bei Ummantelungswerkzeugen berührt die Polymerschmelze den Innendraht erst unmittelbar vor den Düsenlippen. Bei Druckwerkzeugen berührt die Schmelze den Innendraht lange bevor sie die Düsenlippen erreicht; Dies geschieht unter hohem Druck, um eine gute Haftung der Schmelze zu gewährleisten. Wenn ein enger Kontakt oder eine enge Haftung zwischen der neuen Schicht und dem vorhandenen Draht erforderlich ist, werden Druckwerkzeuge verwendet. Wenn eine Haftung nicht gewünscht/notwendig ist, werden stattdessen Ummantelungswerkzeuge verwendet.

Coextrusion
Unter Coextrusion versteht man die gleichzeitige Extrusion mehrerer Materialschichten. Bei dieser Art der Extrusion werden zwei oder mehr Extruder verwendet, um verschiedene viskose Kunststoffe zu schmelzen und einen gleichmäßigen Volumendurchsatz an einen einzelnen Extrusionskopf (Matrize) zu liefern, der die Materialien in die gewünschte Form extrudiert. Diese Technologie wird bei allen oben beschriebenen Prozessen eingesetzt (Blasfolie, Ummantelung, Schlauch, Folie). Die Schichtdicken werden durch die relativen Geschwindigkeiten und Größen der einzelnen Extruder gesteuert, die die Materialien liefern.

5:5-Schicht-Coextrusion einer kosmetischen „Quetschtube“.
In vielen realen Szenarien kann ein einzelnes Polymer nicht alle Anforderungen einer Anwendung erfüllen. Durch die Verbundextrusion kann ein gemischtes Material extrudiert werden, bei der Coextrusion bleiben die einzelnen Materialien jedoch als unterschiedliche Schichten im extrudierten Produkt erhalten, was eine geeignete Platzierung von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften wie Sauerstoffdurchlässigkeit, Festigkeit, Steifigkeit und Verschleißfestigkeit ermöglicht.
Extrusionsbeschichtung
Beim Extrusionsbeschichten wird ein Blas- oder Gussfolienverfahren verwendet, um eine zusätzliche Schicht auf eine vorhandene Papier-, Folien- oder Filmrolle aufzutragen. Mit diesem Verfahren können beispielsweise die Eigenschaften von Papier verbessert werden, indem es mit Polyethylen beschichtet wird, um es wasserbeständiger zu machen. Die extrudierte Schicht kann auch als Klebstoff verwendet werden, um zwei andere Materialien zusammenzubringen. Tetrapak ist ein kommerzielles Beispiel für dieses Verfahren.

VERBINDUNGSEXTRUSIONEN
Bei der Compoundierextrusion handelt es sich um ein Verfahren, bei dem ein oder mehrere Polymere mit Zusatzstoffen zu Kunststoffcompounds vermischt werden. Bei den Futtermitteln kann es sich um Pellets, Pulver und/oder Flüssigkeiten handeln, das Produkt liegt jedoch üblicherweise in Pelletform vor, um in anderen Kunststoffformverfahren wie Extrusion und Spritzguss verwendet zu werden. Wie bei der herkömmlichen Extrusion gibt es je nach Anwendung und gewünschtem Durchsatz eine große Auswahl an Maschinengrößen. Während bei der herkömmlichen Extrusion entweder Ein- oder Doppelschneckenextruder verwendet werden können, sind Doppelschneckenextruder aufgrund der Notwendigkeit einer angemessenen Mischung bei der Compoundierextrusion nahezu zwingend erforderlich.

ARTEN VON EXTRUDER
Es gibt zwei Untertypen von Doppelschneckenextrudern: gleichläufige und gegenläufige Extruder. Diese Nomenklatur bezieht sich auf die relative Drehrichtung jeder Schraube im Vergleich zur anderen. Im Gleichlaufmodus drehen sich beide Schrauben entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn; Bei der Gegendrehung dreht sich eine Schraube im Uhrzeigersinn, während sich die andere gegen den Uhrzeigersinn dreht. Es hat sich gezeigt, dass bei gleichläufig rotierenden Doppelextrudern bei gegebener Querschnittsfläche und gegebenem Grad der Überlappung (Ineinandergreifen) die Axialgeschwindigkeit und der Mischgrad höher sind. Allerdings ist der Druckaufbau bei gegenläufigen Extrudern höher. Der Schneckenaufbau ist üblicherweise modular aufgebaut, indem auf den Wellen verschiedene Förder- und Mischelemente angeordnet sind, um eine schnelle Umkonfiguration bei einer Prozessänderung oder dem Austausch einzelner Komponenten aufgrund von Verschleiß oder Korrosionsschäden zu ermöglichen. Die Maschinengrößen reichen von 12 mm bis 380 mm

VORTEILE
Ein großer Vorteil der Extrusion besteht darin, dass Profile wie Rohre in beliebiger Länge hergestellt werden können. Wenn das Material ausreichend flexibel ist, können Rohre auch auf einer Spule in großen Längen hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist die Extrusion von Rohren mit integrierter Muffe inklusive Gummidichtung.