2 Einschneckenextrudor

Extrusion ist die kontinuierliche Herstellung eines Halbzeuges, Rohres oder einer Folie

• Bereitstellung eines hohen und pulsationsfreien Massedurchsatzes

• Bereitstellung einer thermisch und stofflich homogenen Schmelze

• Aufbau eines geeigneten Druckes zur Überwindung der Fließwiderstände

• Kontrollierte Scherung und gute Beherrschung der Schmelzetemperatur

• Niedrige spezifische - auf den Massedurchsatz bezogene - Investitions- und Betriebskosten

• Geringer Energieverbrauch und geringer Wartungsbedarf

• Gute Einfügung in das betriebliche Umfeld

• Einfache Bedienung und gutes Verhalten beim Anfahren und beim Betriebspunktwechsel (geringe Losgrößen)

werden mit bereits aufgeschmolzenen Materialien beschickt

Aufgaben:

• Einsatz als Austragsextruder hinter einer Aufschmelzmaschine zur Überwindung des Fließwiderstandes im Werkzeug

• Qualitätsverbesserung der Schmelze (Entgasung, Mischen)

• Die Schecke gilt als „Herzstück“ des Extruders

• Es existieren verschiedene Schneckenkonzepte und -varianten

• Am stärksten verbreitete Schneckenbauformen:

  • Drei-Zonen-Schnecke

  • Barriereschnecke

• Schneckendurchmesser D

• Länge L

• Kerndurchmesser d

• Ganghöhe h

• Gangbreite w

• Stegbreite e

• Gangsteigung t

• Schneckenspiel s

• Zylinder meist Bohrung H7

• Gangsteigung als Vielfaches des Nenndurchmesser (1D, 0,6D)

→Iterativer Prozess

→Ausgangsbasis: bekannte Schneckengeometrie

→Simulation

• In der Einzugszone wird das Kunststoffgranulat zugeführt und gefördert

  • Es darf kein Aufschmelzen stattfinden

• In der Aufschmelzzone wird das Granulat vom festen in einen schmelzeförmigen Zustand umgewandelt

• In der Austragszone findet eine thermische und stoffliche Homogenisierung statt

Dreizonenschnecke

Kurzkompressionsschnecke

Entgasungsschnecke

• zu Beginn der Barrierezone im Schneckenkanal zusätzlicher Steg, der sogenannte Barrieresteg, mit etwas geringerer Höhe als der Hauptsteg eingeführt wird

• Es wird dadurch eine Feststoff-Schmelze-Trennung erreicht

• Der Schmelzekanal nimmt durch die Druckdifferenz die Schmelze aus dem Feststoffkanal auf

• Der Barrieresteg der Barriere-Schnecke trennt das Feststoffbett vom Schmelzebecken

• Der Feststoffkanal befindet sich in Förderrichtung gesehen vor der aktiven Flanke des Barrierestegs

• Der Schmelzekanal befindet sich an der passiven Flanke des Barrierestegs

• Es werden zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Zylinder unterschieden:

  • Konventionelle (Glattrohr-) Extruder

  • Fördersteife (Nutbuchsen-) Extruder

• Die Unterscheidung bei den beiden Extrudern liegt im Aufbau des:

  • Einzugsbereiches

  • des Werkzeuggegendruck-Verhaltens und

  • des Aufschmelzverlaufes

• Vergleich des Einzugsbereichs von Glattrohr- und Nutbuchsenextruder:

• Der Glattrohrextruder, aus historischen Gründen auch als konventioneller Extruder bezeichnet, hat einen glatten Zylinder im Bereich der Einzugszone.

Einzugszone:

• Fördern der festen Granulatkörner

Aufschmelzzone:

• allmählicher Anstieg von Druck und Temperatur

• Temperatur muss steigen, um die verdichteten Granulatkörner aufzuschmelzen

• Druck muss steigen, um den Fließwiderstand des Werkzeuges zu überwinden

Austragszone:

• Druck und Temperatur erreichen Maximum

• Material ist zähflüssig und wird zum Werkzeug gefördert

• Werkzeugwiderstand bestimmt Volumenstrom (Durchsatz)

• Druck zwischen Druckerzeuger (Extruder) und Werkzeug nur durch WKZ (Druckverbraucher) bestimmt

• Gegendrücke bis zu 800 bar zu überwinden

• Gegendrücke sollten möglichst gering ausfallen (Abhängig von der Gestaltung des WKZ)

→ Druckoptimierung s. Engstellten im Werkzeug

Rechts:

• Abhängigkeit des Massedurchsatzes (hinter dem Werkzeug) vom Gegendruck

• Größere Gangtiefe → größerer Massedurchsatz (Δp = 0)

• Größere Gangtiefe → Sensibleres Verhalten → Druckabhängigkeit → eliminieren

• Über Schnecke und Zylinder wird Wärme eingebrachtund das Material beginnt am heißen Zylinderaufzuschmelzen•

• Dissipative Schererwärmung beginnt (zu Beginn:Feststoffreibung)•

• Der entstehende Film wird von der aktiven Flankeabgeschabt und vor der Flanke abgelagert.•

• Über den Leckspalt an der passiven Flanke strömtSchmelze in den Kanal und umfließt das Granulat.•

• Durch das zunehmende Schmelzepolster wird derWärmeeintrag in das Feststoffbett ineffizienter

• Durchsatz nimmt mit der Drehzahl nicht linear proportional zu

  • Degressiv abknickender Verlauf

  • Relative Scherbelastung nimmt stark zu!

  • Umwandlung in Wärme!

• Der Durchsatz ist erheblich vom Massedruck abhängig

• Die Durchsatzmenge und die damit korrespondierendenGrößen können durch die Länge der Schneckeneinzugszone optimiert werden (nächste Folie)

• Die Massetemperatur nimmt überproportional zu

Beim fördersteifen Extruder sind im Bereich der Einzugszone konisch auslaufende Axialnuten oder Wendelnuten eingebracht

Wichtig: Das Material darf im Einzugsbereich keinen Schmelzefilm bilden!

Dies wird heutzutage durch luft- oder wassergekühlte Einzugssysteme realisiert

• Formschlüssiger Transport der Feststoffkeile axial nach vorne

• Längerer Kontakt zwischen Feststoff und Zylinderwand durch Nuten

• Gangtiefe/Nuttiefe entsprechend der Abmessungen der Granulatkörner wähle (ca. 10 – 12mm)

• Förderwirksam = Unterstützung der Förderung / Strömung axial nach vorne

Nachteil Feststoffförderung:

• Abhängigkeit von den Eigenschaften des Feststoffes

• Bspw. ist Schüttdichte von unterschiedlichen Materialien bedeutsam (Regenerate)

→ Was soll gefördert werden?!

Abstimmung zwischen Feststoffförderpumpe und Schmelzeförderpumpe schwierig

Im Bereich der Einzugszone weist der fördersteife Extruder Nutbuchsen auf

Einzugszone:

• Förderung der festen Granulatkörner

• Hoher Druckaufbau durch erzwungene Förderung, welcher in der nachfolgenden Zonen verbraucht wird

• Verkeilung der Granulatkörner in den Nuten führt zu einer Verdichtung zu einer Art Spindelmutter → wird am Mitdrehen behindert und durch die Rotationsbewegung der Schnecke nach vorne geschoben

→ Zwangsförderung → Feststoffförderung

Aufschmelzzone:

• Erhöhung der Temperatur, um das Granulat aufzuschmelzen

• Druckströmung in Förderrichtung, nicht wie beim Glattrohrextruder entgegen der Förderrichtung

Austragszone:

• Weiterer Temperaturanstieg

• Zähflüssige Material wird zum Werkzeug gefördert

Förderwirkungsgrad um ca. 65 % höher als bei einem Glattrohrextruder

→ Infolge des hohen Druckaufbaus werden nachfolgende Zonen „überfahren“

→ Vergleichbarer Ø Schnecke wird geringere Drehzahl benötigt

• Querschnittsform der Nuten hat lediglich eine untergeordnete Rolle

• Wichtig: abstützende Nutflanke muss steil genug sein, um ein Abgleiten des Kunststoffgranulats quer zur Nut zu verhindern

Nuten nicht zu groß wählen!

→ Granulat könnte darin „verschwinden“

• Der Massedurchsatz ist unabhängig vom Gegendruck

• Bei modernen Schneckenkonzepten findet der Druckaufbau über der kompletten Schneckenlänge statt

- Temperaturanstieg trotz konstanter Verweilzeiten

- Temperaturanstieg durch Viskositätssteigerung

- Viskositätssteigerung durch Druckerhöhung → mehr dissipative Erwärmung

Massedurchsatz konstant bis zum Erreichen eines kritischen Druckes!

→ Zusammenbruch Feststoffförderung

• Kombination von angepasster Schneckengeometrie und effektiver Luftkühlung

• Verzicht auf fertigungsintensive Nutbuchsen

• Reine genutete Einzugszone

Ein Einschneckenextruder wird über den Durchmesser und das Vielfache der Länge der Schnecke charakterisiert

z.B. 50/28 D → Durchmesser: 50 mm; Länge: 28 x 50 mm = 1400 mm

Koordinatensystem in Richtung der

„wahren“ Kanal-/Gangbreite w gekippt

GS = Schleppströmung

▪ Gp = Druckströmung

▪ GL = Leckströmung

• Die Schleppströmung Gs entsteht durch das Haften der Schmelze an der Zylinderwand und Schnecke, die eine Relativbewegung zueinander ausführen

• Schleppströmung Gs wirkt in Extrusionsrichtung

• Die Druckströmung Gp überlagert die Schleppströmung GS und ist abhängig vom Druckgradienten

• Der Wert des Druckgradienten nimmt bei einem konventionellen Extruder negative und bei einem fördersteifen Extruder positive Werte an

• Die Leckströmung GL ist charakterisiert als der Volumenstrom zwischen Zylindersteg und Zylinderwand

→ Die geringe Spaltweite sorgt dabei für eine besonders starke Scherung

• Hochleistungsextruder, die hohe Masseströme plastifizieren können, benötigen Elemente zum Mischen und Homogenisieren

• Misch- und Dispergiervorgänge erfassen erst ab dem Aufschmelzende alle Materialelemente

• Mischen im Feststoffbereich ist nicht möglich!

• Man unterscheidet zwischen den folgenden Misch- und Dispergiervorgängen

Homogenität nicht quantifizierbar!

→ Relative Größe

→ Abh. von Prüfmethode

Zur Trennung von Flüssigkeiten sind Zugkräfte notwendig!

→ Schmelzen (laminares Schermischen!)

→ Zugkräfte → Beschleunigungsströmungen in den Kreisspalten der Schnecken

Reihenfolge

1. Zerteilen (dispergieren)

2. Verteilen (distributiv)

• Zahnradpumpen werden in einigen Anwendungsgebieten (z.B.: zur Minimierung von Wanddickentoleranzen) verwendet, um eine hohe Durchsatzstabilität gewährleisten zu können

• Ein druck-/ drehzahlgeregelter Extruder mit nachgeschalteter Zahnradpumpe erhöht die Förderkonstanz, da sie - besonders bei unterschiedlichen Rohstoffchargen -Förderschwankungen reduziert

• Die Zahnradpumpe ist im Gegensatz zum Extruder einer hochpräzise Verdrängungsmaschine und sorgt mit der exakten Ausstoßleistung für eine gleichmäßige Folien- oder Plattendicke

• Die Schmelze gelangt von der Saugseite in die Pumpe und gelangt durch den Einlaufdruck in die Zahnzwischenräume (Volumenförderung)

• Durch die Rotation der Zahnräder wird die Schmelze entlang des inneren Pumpengehäuses gefördert

• Beim erneuten Zahneingriff wird die Schmelze aus den Zahnzwischenräumen gepresst

• Es wird soviel Druck aufgebaut, wie notwendig ist, um die Schmelze aus der Pumpe zu fördern

Druck am Einlauf pSaugseite zur Schmelzepumpe:

• Abh. vom Druck vor der Schneckenspitze des Extruders

• Einstellung über eine Druck-/Drehzahlregelung:

  • Integration der Schmelzepumpe so, dass die Extrusionslinie mit einer Druckregelung betrieben werden kann

  • Regelgröße für den Schneckenantrieb ist der Druck

  • Schmelzepumpendrehzahl wird entsprechend dem Anlagendurchsatz vorgegeben

  • Schmelzepumpeneinlaufdruck wird in der Steuerung vorgegeben / eingestellt

  • Bei konstanter Pumpendrehzahl wird die Drehzahl der Schnecke des Extruders variiert, um den definierten Pumpeneinlaufdruck konstant zu halten

• • Durchsatz der Schmelzepumpe abh. von Schmelzepumpendrehzahl und von der Dichte der Schmelze (s.

  Volumenförderprinzip)

1: Dichtung

2: Lager

3: Elliptischer Radius

4: Gehäuse

5: Schrägverzahnte Zahnräder

6: Wellzapfen

1. Entgasungsextruder

2. Kaskadenextruder

3. Adiabatisch arbeitende Schnellläufer-Extruder

4. Planetwalzenextruder

• Verwendung für die wirtschaftliche Verarbeitung von gefüllten Thermoplasten oder Kunststoffen, wie PC, PS oder ABS ohne Vortrocknung

ersten Schneckenstufe

• Granulat plastifiziert

zweiten Schneckenstufe

• entgast und Druck aufgebaut

• ist entscheidend für den maximal möglichen Massedurchsatz bei gegebenem Werkzeuggegendruck

• Kombination mit Zahnradpumpen, um den Gegendruck gering zu halten

besser weil ich durch Drehzah der Extruder unten Druck anpassen kann ohne dass Durchfluss weniger wird

A: Einfüllzone

B: Plastifizier- und Homogenisierzone

C: Ausstoßzone mit Entgasung

D: Walzenzylinder mit Innenverzahnung feststehend

E: Hauptspindel, verzahnt, antreibend

F: Planetspindel, verzahnt, mitlaufend

G: Kunststoffmasse