Die Kunststoffextrusion ist ein großvolumiger Herstellungsprozess, bei dem Rohkunststoff geschmolzen und zu einem Endlosprofil geformt wird.Die Extrusion produziert Artikel wie Rohre, Dichtungen, Zäune, Decksgeländer, Fensterrahmen, Kunststofffolien und -platten, thermoplastische Beschichtungen und Drahtisolierungen.
Dieser Prozess beginnt mit der Zufuhr von Kunststoffmaterial (Pellets, Granulat, Flocken oder Pulver) aus einem Trichter in den Zylinder des Extruders.Das Material wird allmählich durch die mechanische Energie geschmolzen, die durch das Drehen von Schrauben und durch entlang des Zylinders angeordnete Heizelemente erzeugt wird.Das geschmolzene Polymer wird dann in eine Form gedrückt, die das Polymer in eine Form bringt, die während des Abkühlens aushärtet.
GESCHICHTE
Rohrextrusion
Die ersten Vorläufer des modernen Extruders wurden im frühen 19. Jahrhundert entwickelt.Im Jahr 1820 erfand Thomas Hancock einen „Kneter“ für Gummi, der dazu bestimmt war, verarbeitete Gummiabfälle wiederzugewinnen, und im Jahr 1836 entwickelte Edwin Chaffee eine Zweiwalzenmaschine, um Additive in Gummi zu mischen.Die erste thermoplastische Extrusion wurde 1935 von Paul Troester und seiner Frau Ashley Gershoff in Hamburg, Deutschland, durchgeführt.Kurz darauf entwickelte Roberto Colombo von LMP die ersten Doppelschneckenextruder in Italien.
PROZESS
Bei der Extrusion von Kunststoffen liegt das Ausgangsmaterial für die Mischung üblicherweise in Form von Nudeln (kleine Kügelchen, oft als Harz bezeichnet) vor, die durch Schwerkraft von einem oben angebrachten Trichter in den Zylinder des Extruders eingeführt werden.Zusatzstoffe wie Farbstoffe und UV-Inhibitoren (entweder in flüssiger oder in Pelletform) werden häufig verwendet und können dem Harz beigemischt werden, bevor es den Trichter erreicht.Das Verfahren hat aus Sicht der Extrudertechnologie viele Gemeinsamkeiten mit dem Kunststoffspritzguss, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass es sich in der Regel um ein kontinuierliches Verfahren handelt.Während die Pultrusion viele ähnliche Profile in kontinuierlichen Längen bieten kann, normalerweise mit zusätzlicher Verstärkung, wird dies erreicht, indem das fertige Produkt aus einer Düse gezogen wird, anstatt die Polymerschmelze durch eine Düse zu extrudieren.
Das Material tritt durch die Zufuhröffnung (eine Öffnung in der Nähe der Rückseite des Zylinders) ein und kommt mit der Schnecke in Kontakt.Die rotierende Schnecke (normalerweise mit z. B. 120 U/min drehend) drückt die Kunststoffkügelchen nach vorne in den erhitzten Zylinder.Die gewünschte Extrusionstemperatur ist aufgrund von viskoser Erwärmung und anderen Effekten selten gleich der eingestellten Temperatur des Zylinders.In 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 allmählich erhöhen.Dadurch können die Kunststoffkügelchen allmählich schmelzen, wenn sie durch den Zylinder geschoben werden, und das Risiko einer Überhitzung, die zu einem Abbau des Polymers führen kann, wird verringert.
Zusätzliche Wärme wird durch den intensiven Druck und die Reibung im Lauf beigesteuert.Wenn eine Extrusionslinie bestimmte Materialien schnell genug verarbeitet, können die Heizungen abgeschaltet und die Schmelztemperatur allein durch Druck und Reibung im Inneren des Zylinders aufrechterhalten werden.In den meisten Extrudern sind Kühlventilatoren vorhanden, um die Temperatur unter einem festgelegten Wert zu halten, wenn zu viel Wärme erzeugt wird.Reicht die forcierte Luftkühlung nicht aus, kommen eingegossene Kühlmäntel zum Einsatz.
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 alle Verunreinigungen in der Schmelze zu entfernen.Die Siebe sind durch eine Lochscheibe (ein dicker Metallpuck mit vielen durchbohrten Löchern) verstärkt, da der Druck an dieser Stelle 34 MPa (5.000 psi) überschreiten kann.Die Anordnung aus Siebpaket und Brechplatte dient auch dazu, einen Gegendruck im Zylinder zu erzeugen.Gegendruck ist für ein gleichmäßiges Schmelzen und richtiges Mischen des Polymers erforderlich, und wie viel Druck erzeugt wird, kann durch Variieren der Siebpackungszusammensetzung (die Anzahl der Siebe, ihre Drahtgewebegröße und andere Parameter) „optimiert“ werden.Diese Kombination aus Brechplatte und Siebpaket eliminiert auch das „Rotationsgedächtnis“ des geschmolzenen Kunststoffs und erzeugt stattdessen ein „Längsgedächtnis“.
Nach Passieren der Lochplatte tritt geschmolzener Kunststoff in die Form ein.Die Form gibt dem Endprodukt sein Profil und muss so konstruiert sein, dass der geschmolzene Kunststoff gleichmäßig von einem zylindrischen Profil zur Profilform des Produkts fließt.Ein ungleichmäßiger Fluss in diesem Stadium kann ein Produkt mit unerwünschten Restspannungen an bestimmten Punkten im Profil erzeugen, die beim Abkühlen ein Verziehen verursachen können.Beschränkt auf Endlosprofile lassen sich verschiedenste Formen realisieren.
Das Produkt muss nun gekühlt 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 kühlen.Im Vergleich zu Stahl leitet Kunststoff seine Wärme 2.000-mal langsamer ab.In einer Schlauch- oder Rohrextrusionslinie wird ein abgedichtetes Wasserbad mit einem sorgfältig kontrollierten Vakuum beaufschlagt, um zu verhindern, dass das neu geformte und noch geschmolzene Rohr oder Rohr kollabiert.Bei Produkten wie Kunststofffolien erfolgt die Kühlung durch Durchziehen eines Satzes Kühlwalzen.Bei Folien und sehr dünnen Folien kann Luftkühlung als anfängliche Kühlstufe effektiv sein, wie bei der Blasfolienextrusion.
Kunststoffextruder werden auch in großem Umfang verwendet, um recycelte Kunststoffabfälle oder andere Rohstoffe nach dem Reinigen, Sortieren und/oder Mischen wiederzuverarbeiten.Dieses Material wird üblicherweise zu Filamenten extrudiert, die zum Zerkleinern in das Perlen- oder Pelletmaterial geeignet sind, um es als Vorläufer für die weitere Verarbeitung zu verwenden.
SCHRAUBENDESIGN
Bei 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.Unterschiedliche Polymertypen weisen unterschiedliche Schneckenkonstruktionen auf, von denen einige nicht alle möglichen Zonen enthalten.
Eine einfache Kunststoff-Extrusionsschraube
Extruderschnecken von Boston Matthews
Die meisten Schrauben haben diese drei Zonen:
● Beschickungszone (auch als Feststoffförderzone bezeichnet): Diese Zone führt das Harz in den Extruder ein, und die Kanaltiefe ist normalerweise 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 Schmelzförderzone genannt): Diese Zone schmilzt die letzten Partikel und mischt sie auf eine einheitliche Temperatur und Zusammensetzung.Wie in der Einzugszone ist die Kanaltiefe in dieser Zone konstant.
Zusätzlich hat eine belüftete (zweistufige) Schnecke:
● Dekompressionszone.In dieser Zone, etwa zwei Drittel unterhalb der Schnecke, wird der Kanal plötzlich tiefer, wodurch der Druck abgebaut wird und eingeschlossene Gase (Feuchtigkeit, Luft, Lösungsmittel oder Reaktanten) durch Vakuum abgesaugt werden können.
● Zweite Dosierzone.Diese Zone ist der ersten Messzone ähnlich, jedoch mit größerer Kanaltiefe.Es dient dazu, die Schmelze wieder unter Druck zu setzen, um sie durch den Widerstand der Siebe und der Düse zu bekommen.
Oft wird die Schraubenlänge auf ihren Durchmesser als L:D-Verhältnis bezogen.Beispielsweise ist eine Schraube mit einem Durchmesser von 150 mm (6 Zoll) 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 für mehr Mischen und mehr Leistung bei gleichem Schneckendurchmesser.Zweistufige (belüftete) Schnecken sind typischerweise 36:1, um die zwei zusätzlichen Zonen zu berücksichtigen.
Jede Zone ist mit einem oder mehreren Thermoelementen oder RTDs in der Zylinderwand zur Temperaturregelung ausgestattet.Das „Temperaturprofil“, dh die Temperatur jeder Zone, ist sehr wichtig für die Qualität und die Eigenschaften des endgültigen Extrudats.
TYPISCHE EXTRUSIONSMATERIALIEN
HDPE-Rohr während der Extrusion.Das HDPE-Material kommt von der Heizung in die Matrize und dann in den Kühltank.Dieses Acu-Power-Leitungsrohr ist koextrudiert – innen schwarz mit einem dünnen orangefarbenen Mantel, um Stromkabel zu kennzeichnen.
Zu den typischen Kunststoffmaterialien, die bei der Extrusion verwendet werden, gehören unter anderem: Polyethylen (PE), Polypropylen, Acetal, Acryl, Nylon (Polyamide), Polystyrol, Polyvinylchlorid (PVC), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polycarbonat.[4 ]
DIE TYPEN
Es gibt eine Vielzahl von Düsen, die bei der Kunststoffextrusion verwendet werden.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 Kunststofffolie
Die Herstellung von Kunststofffolien für Produkte wie Einkaufstüten und Endlosfolien erfolgt mit einer Blasfolienanlage.
Dieser Prozess ist bis zur Düse derselbe wie ein regulärer Extrusionsprozess.Es gibt drei Haupttypen von Matrizen, die in diesem Prozess verwendet werden: ringförmig (oder Kreuzkopf), Spinne und Spirale.Ringförmige Düsen sind die einfachsten und verlassen sich darauf, dass die Polymerschmelze um den gesamten Querschnitt der Düse kanalisiert wird, bevor sie die Düse verlässt;dies kann zu einem ungleichmäßigen Durchfluss führen.Spider-Matrizen bestehen aus einem zentralen Dorn, der über eine Reihe von „Beinen“ am äußeren Matrizenring befestigt ist;Während der Fluss symmetrischer ist als in Ringdüsen, werden eine Reihe von Schweißnähten erzeugt, die den Film schwächen.Spiraldüsen beseitigen das Problem von Schweißnähten und asymmetrischem Fluss, sind aber bei weitem die komplexesten.
Die Schmelze wird etwas abgekühlt, bevor sie die Düse 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.Das Ziehen und Blasen bewirkt, dass die Folie dünner als der extrudierte Schlauch ist, und richtet auch vorzugsweise die Polymermolekülketten in der Richtung aus, in der die plastischste Dehnung zu sehen ist.Wenn die Folie stärker gezogen als geblasen wird (der endgültige Schlauchdurchmesser liegt nahe am extrudierten Durchmesser), werden die Polymermoleküle stark in Zugrichtung ausgerichtet, wodurch eine Folie entsteht, die in dieser Richtung stark, aber in Querrichtung schwach ist .Eine Folie, die einen deutlich größeren Durchmesser als der extrudierte Durchmesser hat, hat mehr Festigkeit in Querrichtung, aber weniger in Ziehrichtung.
Im Fall von Polyethylen und anderen teilkristallinen Polymeren kristallisiert die Folie beim Abkühlen an der sogenannten Frostgrenze.Während die Folie weiter abkühlt, wird sie durch mehrere Sätze von Quetschwalzen gezogen, um sie zu einem flachgelegten Schlauch zu glätten, der dann aufgewickelt oder in zwei oder mehr Folienrollen geschnitten werden kann.
Platten-/Folienextrusion
Platten-/Folienextrusion wird verwendet, um Kunststoffplatten oder -folien zu extrudieren, die zu dick sind, um geblasen zu werden.Es werden zwei Arten von Matrizen verwendet: T-Form und Kleiderbügel.Der Zweck dieser Düsen besteht darin, den Strom der Polymerschmelze von einem einzelnen runden Ausgang des Extruders zu einem dünnen, flachen, planaren Strom neu auszurichten und zu leiten.Sorgen Sie bei beiden Düsentypen für eine konstante, gleichmäßige Strömung über den gesamten Querschnittsbereich der Düse.Das Kühlen erfolgt typischerweise durch Durchziehen durch einen Satz Kühlwalzen (Kalander- oder „Kühl“-Walzen).In der Plattenextrusion sorgen diese Walzen nicht nur für die nötige Kühlung, sondern bestimmen auch die Plattendicke und Oberflächenbeschaffenheit.[7]Häufig wird Coextrusion verwendet, um eine oder mehrere Schichten auf ein Basismaterial aufzubringen, um bestimmte Eigenschaften wie UV-Absorption, Textur, Widerstand gegen Sauerstoffpermeation oder Energiereflexion zu erhalten.
Ein übliches Nachextrusionsverfahren für Kunststofffolienmaterial ist das Thermoformen, bei dem die Folie 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 Folie, die in die Form gezogen werden kann, die typischerweise in der Tiefe von 1 bis 36 Zoll variieren kann) ist sehr wichtig und beeinflusst die Formzykluszeiten für die meisten Kunststoffe stark.
Schlauchextrusion
Extrudierte Schläuche wie PVC-Rohre werden mit sehr ähnlichen Düsen hergestellt, wie sie bei der Blasfolienextrusion verwendet werden.Durch den Stift kann ein Überdruck auf die inneren Hohlräume ausgeübt werden, oder es kann ein Unterdruck auf den Außendurchmesser mit einem Vakuum-Skaliergerät ausgeübt werden, um die korrekten Endabmessungen sicherzustellen.Zusätzliche Lumen oder Löcher können durch Hinzufügen der geeigneten inneren Dorne zu der Matrize eingeführt werden.
Eine medizinische Extrusionslinie von Boston Matthews
Mehrschichtige Schlauchanwendungen sind auch in der Automobilindustrie, der Sanitär- und Heizungsindustrie und der Verpackungsindustrie allgegenwärtig.
Ummantelungsextrusion
Die Ummantelungsextrusion ermöglicht das Aufbringen einer äußeren Kunststoffschicht auf einen vorhandenen Draht oder ein vorhandenes Kabel.Dies ist der typische Prozess zum Isolieren von Drähten.
Es gibt zwei verschiedene Arten von Formwerkzeugen, die zum Beschichten eines Drahtes, eines Schlauchs (oder einer Ummantelung) und eines Drucks verwendet werden.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 enger Kontakt oder Haftung zwischen der neuen Schicht und dem vorhandenen Draht erforderlich ist, wird ein Druckwerkzeug verwendet.Wenn eine Haftung nicht erwünscht/notwendig ist, werden stattdessen Ummantelungswerkzeuge verwendet.
Coextrusion
Coextrusion ist die gleichzeitige Extrusion mehrerer Materialschichten.Diese Art der Extrusion verwendet zwei oder mehr Extruder, um verschiedene viskose Kunststoffe zu schmelzen und einem einzigen Extrusionskopf (Düse) einen konstanten volumetrischen Durchsatz zuzuführen, der die Materialien in der gewünschten Form extrudiert.Diese Technologie wird bei jedem der oben beschriebenen Prozesse (Blasfolie, Ummantelung, Schlauch, Folie) verwendet.Die Schichtdicken werden durch die relativen Geschwindigkeiten und Größen der einzelnen Extruder gesteuert, die die Materialien liefern.
5 :5-Schicht-Coextrusion einer kosmetischen „Quetsch“-Tube
In vielen realen Szenarien kann ein einzelnes Polymer nicht alle Anforderungen einer Anwendung erfüllen.Die Compound-Extrusion ermöglicht das Extrudieren eines gemischten Materials, aber die Coextrusion behält die separaten Materialien als verschiedene Schichten im extrudierten Produkt bei, wodurch eine geeignete Platzierung von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften wie Sauerstoffdurchlässigkeit, Festigkeit, Steifheit und Verschleißfestigkeit ermöglicht wird.
Extrusionsbeschichtung
Bei der Extrusionsbeschichtung wird ein Blas- oder Gießfolienverfahren verwendet, um eine zusätzliche Schicht auf eine vorhandene Rolle aus Papier, Folie oder Film aufzutragen.Mit diesem Verfahren können beispielsweise die Eigenschaften von Papier verbessert werden, indem es mit Polyethylen beschichtet wird, um es wasserfester zu machen.Die extrudierte Schicht kann auch als Klebstoff verwendet werden, um zwei andere Materialien zusammenzubringen.Tetrapak ist ein kommerzielles Beispiel für dieses Verfahren.
COMPOUND-EXTRUSIONEN
Die Compounding-Extrusion ist ein Verfahren, bei dem ein oder mehrere Polymere mit Zusatzstoffen zu Kunststoffcompounds vermischt werden.Die Beschickungen können Pellets, Pulver und/oder Flüssigkeiten sein, aber das Produkt liegt gewöhnlich in Pelletform vor, um in anderen Kunststoffformungsverfahren wie Extrusion und Spritzguss verwendet zu werden.Wie bei der traditionellen Extrusion gibt es je nach Anwendung und gewünschtem Durchsatz eine große Auswahl an Maschinengrößen.Während bei der traditionellen Extrusion entweder Ein- oder Doppelschneckenextruder verwendet werden können, macht die Notwendigkeit einer angemessenen Mischung bei der Compounding-Extrusion Doppelschneckenextruder so gut wie obligatorisch.
ARTEN VON EXTRUDER
Es gibt zwei Untertypen von Doppelschneckenextrudern: gleichläufige und gegenläufige.Diese Nomenklatur bezieht sich auf die relative Richtung, in der sich jede Schraube im Vergleich zur anderen dreht.Im Co-Rotationsmodus drehen sich beide Schrauben entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn;Bei Gegendrehung dreht sich eine Schraube im Uhrzeigersinn, während sich die andere gegen den Uhrzeigersinn dreht.Es hat sich gezeigt, dass für eine gegebene Querschnittsfläche und einen gegebenen Überlappungsgrad (Ineinandergreifen) die axiale Geschwindigkeit und der Mischungsgrad in gleichläufigen Doppelextrudern höher sind.Allerdings ist der Druckaufbau bei gegenläufigen Extrudern höher.Das Schneckendesign ist in der Regel modular aufgebaut, indem verschiedene Förder- und Mischelemente auf den Wellen angeordnet sind, um eine schnelle Rekonfiguration für eine Prozessänderung oder den Austausch einzelner Komponenten aufgrund von Verschleiß oder Korrosionsschäden zu ermöglichen.Die Maschinengrößen reichen von 12 mm bis zu 380 mm
VORTEILE
Ein großer Vorteil der Extrusion ist, dass Profile wie Rohre in beliebiger Länge hergestellt werden können.Wenn das Material ausreichend flexibel ist, können Rohre in großen Längen hergestellt werden, sogar auf einer Rolle gewickelt.Ein weiterer Vorteil ist die Extrusion von Rohren mit integrierter Muffe inkl. Gummidichtung.
Postzeit: 25. Februar 2022
