5 Doppelschneckenextruder

kämmend: Stege (1. Schnecke) greifen in

Schneckengang (2. Schnecke)

• Der mechanisch-verfahrenstechnische Schritt vom Polymer zum Kunststoff wird Aufbereitung genannt

• Alle verfahrenstechnischen Schritte die erforderlich sind, um aus Polymeren verarbeitbare Kunststoffformmassen herzustellen

• Hier unterscheiden sich die Kunststoffformmassen hinsichtlich der gewünschten Eigenschaften (in Abh. vom gewünschten Endprodukt)

• Bei der Verarbeitung von vernetzten Elastomeren bzw. Duromeren werden i.d.R. keine Doppelschneckenextruder eingesetzt. (da Aufbereitung und Verarbeitung in einem Schritt stattfinden)

• Bei der Aufbereitung von Thermoplasten werden fast ausschließlich Doppelschneckenextruder eingesetzt

• gegenläufig

• gleichläufig

• Kämmendes, gegenläufiges System ist längs und quer geschlossen

• Kammervolumen (dort befindet sich das Material) entspricht der Form „C“ → „C-förmige“ Kammer

• Zwangsförderung ähnlich zur Zahnradpumpe

• Kein intensiver Materialaustausch

• Enges Verweilzeitspektrum → sehr gut geeignet zur Verarbeitung von thermisch empfindlichem PVC

• Massedruck vor dem Werkzeug = Summe Teildruckerhöhungen in C-Schneckenabschnitten

Schneckengrund, Zylinderwand, vordere und hintere Schneckenflanke und Stegflächen der zweiten Schnecke

• Gutes Druckaufbauvermögen (gegendruckunabhängiges Förderverhalten)

• Reibungsunabhängiges Förderverhalten

• Gutes Einzugsverhalten von Pulver und Granulat

• Gute thermische und stoffliche Homogenisierung

• Selbstreinigende Schnecken / enge Verweilzeitverteilung

• Einfache Entgasung

• Schonende Plastifizierung / geringe Temperaturerhöhung

• Jedes Schneckensegment bildet eine abgeschlossene Kammer, welche das aufgeschmolzene Material

vom Trichter bis zu Schneckenende ohne nennenswerten Austausch mit den Nachbarkammern fördert

• Schleppkräfte werden für diese Zwangsförderung nicht benötigt, somit tritt wenig Dissipationserwärmung auf

• Eine Erwärmung erfolgt im Wesentlichen über die Zylinderbeheizung, die präzise kontrollierbar, eine schonende Behandlung empfindlicher Materialien erlaubt

• Kontinuierliche Abnahme der Gangtiefe

• Stärkere Abnahme des Schneckenaußendurchmessers

→Intensivere Verdichtung

→Druckaufbau imAustragsbereich meist nichtausreichend für PVC

• Verringerung des Schneckenaußendurchmessers

• Verringerung des Achsabstandes der Schnecken von der Einzugszone zur Austragszone

→ konstante Gangtiefe

→ einfach konische Bauform

• Konstanter Achsabstand

• Konstante Gangtiefe

• Konstante Schneckeninnen- und Außendurchmesser

• Mittleren – hohen Leistungsbereich

• Auch als Granulieraggregat verwendet

1. Parallele Bauform

2. KKonische Bauform

3. Doppelt koinsch

1. Materialzuführung, Trichter Materialförderschnecke

2. Getriebeeinheit/Antrieb

3. Bedieneinheit

4. Einzugsbereich

5. Zylinder mit Heiz-/ Kühlsystem

6. Entgasungszone

7. Austragszone mit Schneckenpaar

Materialzufuhr

• Verschiedene Formen der Beschickung möglich

• In Abh. von der Trichteranordnung

• Einfüllbereich (2-3 Gangsteigungen)

Antrieb

• Fremderregte Gleichstrommotoren

• Frequenzgeregelte Drehstrommotoren (robuster/wartungsfreier Betrieb)

Getriebe

• Untersetzungsgetriebe (Motor- auf → Schneckendrehzahl) (2000-3000 min-1 → 50 min-1)

• Verteilgetriebe verteilt das Drehmoment auf beide Schneckenwellen

• Erzeugte Kräfte (Gegendruck WKZ) werden durch ein Rückdrucklager kompensiert

• PVC Mototren sehr klein,weil Maschine nur für PVC genutzt und das bracuht nicht viel Energie zum Aufschmelzen bzw. Gegenläufige Doppelschnecken haben kleinen Motor

• i.d.R. aus einem Stück gefertigt

• Kein modularer Aufbau des Zylinders (s. Gleichläufige Doppelschnecken)

• Da Schnecken ineinandergreifen → typische 8-er Bohrung

• Längen: 22 – 27 D bzw. 36 D

• Zur Energiezu- und -abfuhr werden Heiz- / Kühlelemente genutzt → Abh. von der Zone

• Einzug: Heizungen (Energiezufuhr); Plastifizierung: Heiz- / Kühlleistung

• Austrag: hohe Kühlleistung

• Hohe Drehmomente ermöglichen keine Modularbauweise (Schnecke)

• Gute Temperierung erreicht über Innentemperierung der Schnecken

• Bohrung innerhalb des Zylinders → Entgasungsbohrung

• Zylinderöffnung darf den Plastifiziervorgang nicht behindern

• Entspannung der Schmelze durch Vergrößerung des Schneckenvolumens (60 – 80 %)

→ Darauf achten, dass keine Ablagerungen entstehen!

• Vakuumsystem ermöglicht Absaugung flüchtiger Bestandteile

• Entgasungszone ist drucklos → Einströmen wird verhindert

• Quer und längs abgeschlossenes System

• Kammervolumen (Material enthalten) in Form eines „C“

• Massedruck vor dem WKZ ergibt sich aus Teildruckerhöhungen in den C-Kammern → Zwangsförderung

• Zur Beschreibung des Druckaufbau ist die Kenntnis der Strömungsverhältnisse im Schmelzebereich erforderlich

• sowie der Wechselwirkungen zwischen Kanalströmung und Spaltströmungen

Zonen:

1. Einzugszone

2. Vorwärmzone

3. Kompressionszone

4. Entgasungszone

5. Austragszone

• Menge des zugeführten Materials in Abh. von der Gangsteigung

• Durchsatz vom Kammervolumen, Schüttdichte und Schneckendrehzahl abhängig

• Vermeidung von Lufteinschlüssen

• Kompensation von untersch. Rieselverhalten (Materialwechsel) durch variable Einfüllöffnung

• i.d.R. rechteckige/runde Einfüllöffnung

Zu beachten

• Schnecken sollten beim Einziehen möglichst vollständig gefüllt sein

• Optimales Einrieseln dadurch, dass mind. eine Gangsteigung freiliegt

• Optimale Füllung auch bei unterschiedlichen Materialien

• Position zwischen Einzugs- und Kompressionszone

• Aufgabe besteht darin dem System möglichst viel Energie zuzuführen

→ erfolgt über: Heizkörper (außen) und Schneckentemperierung (innen)

• Zur Plastifizierung werden Heiz- und Scherenergie eingebracht

• PVC Aufbereitung sehr stark abhängig von der eingebrachten Scherbelastung

→ maximale Scherbelastung darf nicht überschritten werden

→ lange Vorwärmzone = schonende Plastifizierung

• Anplastifizierung des Materials und Abdichtung in Richtung Kompressionszone

• Anplastifizierung → durch stärkere Reduktion des Kammervolumens → größere Scherung

• Geringste Gangsteigung

• Ausbildung einer Druckströmung, da Förderleistung geringer als Schmelzevolumenstrom

• Entfernung von flüchtigen Bestandteilen (Wasserdampf, Luft)

• Ziel: Bereitstellung einer Schmelze ohne Gaseinschlüsse

• Große Steigung → Teilfüllung der Schneckengänge → bessere Entgasung

• Transport muss drucklos erfolgen → sonst Austritt der Schmelze aus Entgasungsöffnung → Erreicht über große Gangsteigung

• Gute Entgasung wenn:

  • - Material als Agglomerat vorliegt

  • - große Entgasungsoberfläche vorhanden ist

Kompromiss:

• vorheriger hoher Plastifizierungsgrad → „geschlossenes Schmelzeband“ → oftmals schlechte Entgasung → Bläschenbildung im Produkt

• vorheriger niedriger Plastifizierungsgrad → „offenes Schmelzeband“ → kann sich ebenfalls negativ auf die Produkteig. auswirken

• Druckaufbau- und Homogenisierungszone

• Aufbau des zur Überwindung des WKZ-Widerstandes notwendigen Druckes

• Verdichtung des Materials zu einer homogeneren Masse

• Ergänzung der Austragszone um zusätzliche Mischelemente

→ Zerteilung der Kammerinhalte → Erhöhung der optischen Qualität der Schmelze

• Regulation von Wärmeüberschüssen bzw. Wärmedefiziten innerhalb der Zonen

• Einzugszone: Wärmezufuhr; Austragszone: Wärmeabfuhr

1. Interen

2. Externe

• Geschlossenes System

• Destilliertes Wasser

• Keine Wartung + keine zusätzliche Energiezufuhr notwendig

• Nur begrenzter Wärmetransport möglich

• Nur für lange Vorwärmzonen einsetzbar

• Offenes System

• Wärmeträgeröl als Medium

• Externes Heiz- / Kühlaggregat

• Hoher Wartungsaufwand

• Auch für kleine Schneckenlängen

• Nicht mehr häufig in Gebrauch, da vorwiegend lange Vorwärmzonen verbaut werden

• Ist abhängig von der verfahrenstechnischen Aufgabe

• Anpassung über:

  • Steigung

  • Gangzahl

  • Länge der Verfahrenszonen

  Walzen- und Flankenspiele

• Wichtigster Punkt bei der Auslegung: Kompressionsverhältnis

Wieviel förder ich ins System rein und um Wieviel Kompremiere ich es?

2= halbieren, 5=VEringerung um 80%

Fertigung von PVC-Fensterprofilen: → k = 2-5

Fertigung von PVC Rohren: → k = 5-6

• Klassifizierung und Auslegung der Schnecke nach dem zu fertigenden Halbzeug

• Veränderung des Verfahrens, des Produktes, oder der Rezeptur führt zur Anpassung der Schneckengeometrie

Modifizierung von:

• Vorwärmzone

• Kompressionszone

Veränderungen der Plastifizierung durch:

• Erhöhung der Flanken- und Walzenspalte

• Integration von Schlitzen (Knetnuten) oder Einstichen (s. Abbildung) → Rückströmung →

Verweilzeit▲ und Homogenisierung ▲

• Im Auskämmbereich entstehen Geschwindigkeits- und Druckverhältnisse wie bei einem Walzenpaar → Kalandereffekt

• Durch Kalandereffekt werden Wellen auseinandergedrückt

→ Verschleiß der Schnecken und Zylinder

→ (Festkörperkontakt der Schnecken mit Zylinderwand)

• i.d.R. werden Nitrierstähle eingesetzt

• Oftmals gepanzerte Stege verwendet → Schweißverfahren

→ 1-2mm Speziallegierung auf Schneckensteg aufgebracht

Doppelschneckenextruder mit gegenläufigen kämmenden Schnecken werden vorwiegend zur Verarbeitung und Aufbereitung von PVC eingesetzt und zwar in folgenden Bereichen:

Gründe hierfür sind durch die speziellen Eigenschaften des Werkstoffes PVC gegeben. Zu nennen sind insbesondere:

• thermische Empfindlichkeit,

• Fließanomalien,

• mikrostrukturabhängige Eigenschaften,

• pulverförmiger Zustand

Diesen Eigenschaften muss Rechnung getragen werden durch:

Enges Verweilzeitspektrum, Zwangsförderung, Beeinflussbarkeit der Massetemperatur durch Schnecken- und Zylindertemperierung, Niedrige Scherbelastung

• Vorwiegender Einsatz in der Kunststoffaufbereitung und Direktverarbeitung

• Einsatz in der Kautschukverarbeitung und Lebensmittelindustrie

• Vorteil: Einsparung eines zweiten Aufschmelzvorganges, Zusätzliche Schädigung des Materials wird unterbunden

• Verbessertes Einzugsverhalten und Förderung des Materials

• Kürzere Verweilzeiten und enges Verweilzeitspektrum

• Bessere Selbstreinigung der Schnecken

• Besserer Dispergier- und Homogenisierungsgrad

• Flexiblere Geometriegestaltung durch modularen Aufbau

• Verbesserte Prozesskontrolle

• Kernbaugruppe: Verfahrensteil (elektrisch / mit Sattdampf beheizt bzw. mit Wasser gekühlt)

• Zwei achsparallele, gleichläufige Schnecken in einem Zylinder mit 8-förmiger Bohrung

• Rotation der Schnecken erfolgt mit gleicher Winkelgeschwindigkeit und Drehrichtung

• „Abstreifen“ der Schnecken bei engem Spiel → Selbstreinigende Schnecken!

• Mehrgängig ausgeführte Förderelemente sowie enthaltene Knetblöcke mit unterschiedlichen Steigungen und fördernden/stauenden Elementen

• Transportvorgang innerhalb der Schneckenelemente beruht auf dem Schleppförderprinzip (ähnlich zur Einschneckenextrusion)

→ Innerhalb Eingriffsbereiches findet eine zusätzliche Übergabe zwischen den Schnecken statt

→ Gewisser Anteil an Zwangsförderungi+ gute Umlagerung und Mischwirkung

besteht in der flexiblen Gestaltung des Verfahrensteils

→ Modularer Aufbau bei Zylinder und Schnecke

• Nimmt das zur Beschickung erforderliche Material auf

• Eingeschlepptes Gas muss entweichen können → Bereitstellung höheres Volumen / Bauraum

• Gestaltung der Einzugszone entscheidend für den möglichen Durchsatz!

Einflüsse auf den möglichen Durchsatz:

• Füllgrad

• Drehzahl der Schnecke

• Gangsteigung

• Freie Querschnittsfläche

• Schüttdichte

Was gilt es zu beachten (Einzugszone):

• Einzugszone nicht zu kurz gestalten (mind. 2D)

• Steigung nicht größer als 2D (sonst reduziert sich Förderwirkungsgrad)

• Vorhandensein eines Dichtprofils

• Rechteckige Zugabeöffnung (s. Gegenläufer)

• Plastifizierung erfolgt über die Zufuhr von Energie

→ über die Schnecken

• Ausreichende Temperierung erforderlich, um Hafttemperatur zu überschreiten

→ Vermeidung von Verschleiß

• Material ist vollständig aufgeschmolzen

• Aufschmelzvorgang bewirkt Veränderung d. mechanischen und rheologischen Eigenschaften

• Zugabe von Füllstoffen / Zuschlagsstoffen

Zugeführte Füllstoffe durch Knetblöcke oder distributive Mischelemente in die Matrix eingearbeitet

• Meist Förderelemente eingebaut

• Entfernung von flüchtigen Bestandteilen (Wasserdampf, Luft)

• Transport muss drucklos erfolgen → sonst Austritt der Schmelze aus Entgasungsöffnung

• Druckaufbau- und Homogenisierungszone

• Aufbau des zur Überwindung des WKZ-Widerstandes notwendigen Druckes

• Verdichtung des Materials zu einer homogeneren Masse

• i.d.R. spielen ausgetauschte Wärmeströme eine untergeordnete Rolle

→ Aufgrund „ungünstiger“ Oberflächen- / Volumenverhältnisse

• Somit gilt die spezifische Antriebsenergie als wichtigste energetische Kenngröße

• Unterschiedliche Arten von Verschleiß in Abhängigkeit vom Verarbeitungs- und Aufbereitungsprozess

• Unabhängiges oder paralleles Erscheinen

• Deutliche lokale Unterschiede im Verschleiß (Temperaturen, Drücke und Wechselwirkungen mit der Zylinderwand)

- Abrasiver Verschleiß

- Korrosiver Verschleiß

- Adhäsiver Verschleiß

- Aufschmelzzone (Temperatur)

- Zugabe- und Einmischzone (Wechselwirkungen)

- Druckaufbau-/ Austragszone

• Kombination aus unterschiedlichen Maßnahmen erforderlich / notwendig

• Anpassung der Werkstoffe (Zylinder / Schnecken) an den Prozess

1. Farbmasterbatchherstellung

2. Naturfaserversetztes Polypropylen

3. Inline-Compoundierung von Platten

• Gravimetrische Zudosierung aller Komponenten in den Compoundierextruder

→ exakte Einstellung des Farbwertes

• Pigmentzugabe über Seitenbeschickung (in aufgeschmolzenes Trägerpolymer)

• Trägerpolymer über Haupteinfülltrichter zugeführt

• 1. Entlüftung (Rückwärtsentlüftung)

→ Einarbeitung Pigmente einfacher

• Nach 2. Entlüftung + Vakuumentgasung erfolgt Druckaufbau und Granulierung

• Einarbeitung von Naturfasern in eine Polypropylenträgermatrix

• Zudosierung von PP + Additive (Haftvermittler, Stabilisatoren, Verarbeitungszusätze)

• Zudosierung d. Naturfasern über Seitenfüttereinrichtung (Einzugshilfe → Luftabsaugung im Einzugsbereich)

• 2 Entlüftungen zur Entfernung der großen Mengen Luft

• Restentgasung durch Vakuum

• Weiterverarbeitung als:

  • Granulate

  • Direkte Formgebung zu Halbzeugen

• Herstellung von Platten in Direktverarbeitung

• Haupteinzug: Gravimetrische Zugabe von Polymeren, Additiven

• Seiteneinspeisung: Zugabe von möglichen Füllstoffen (Holzmehl, Fasern)

• Entgasung nach der Seiteneinspeisung

• Integration von Siebwechsler (Restbestände entfernen) und Zahnradpumpe (Durchsatzstabilität)

→ hohe und gleichbleibende Schmelzequalität

• Austrag der Schmelze über Breitschlitzdüse auf Glättwerk

• Abkühlung auf Rollbahn

• Randbeschnitt und Ablängung