7 Extrusionsblasformen und Prozessüberwachung unf Sensorik

• Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen mit nahezu beliebiger Geometrie in einer Massenproduktion

• Beispiele: Flaschen, Kanister, Fässer und Tanks

• Körper mit einem Fassungsvermögen von unter einem Milliliter 10.000 Litern

• Extrusionsblasformen

• Streckblasformen

• Grundsätzlich können alle thermoplastischen Kunststoffe verarbeitet werden

• Am häufigsten verarbeitet werden:

• Polyethylen hoher Dichte PE-HD (80 %)

• Polypropylen PP (7%)

• Polyethylen niedriger Dichte PE-LD (5%)

• Polyvinylchlorid (PVC) (5%)

• Dehnviskosität:

  • Dehnviskosität zu gering → Vorformling kann nicht lange frei unter der Düse hängen. Es besteht die Gefahr des „Durchhängens“ und führt dazu, dass die Wanddickenverteilung nicht eingehalten werden kann.

  • Dehnviskosität zu hoch → Vorformling ist nicht aufblasbar. Es besteht die Gefahr des Reißens an den dünneren Stellen.

• Verarbeitungstemperaturfenster:

  • Es wird ein breites Verarbeitungstemperaturfenster angestrebt, um zu verhindern, dass der untere Teil des Vorformlings zu stark abkühlt und sich nur noch schlecht deformieren lässt.

• Geruchs- und Geschmacksneutralität

• Sperreigenschaften gegenüber Wasser

1. Ein Extruder plastifiziert und stellt die notwendige Schmelze bereit

2. Umlenken von einer horizontalen in eine vertikale Fließrichtung nach unten und Ausformen eines schmelzeförmigen Schlauchvorformlings

3. Umschließen und Abquetschen des Vorformlings mit dem Blasformwerkzeug

4. Einführen des Blasdorns

5. Aufblasen des Vorformlings gegen die kalte Werkzeugwand, sodass der Kunststoff abkühlt und sich verfestigt

6. Öffnen und Entformen

7. Butzen-Abfälle an beiden Enden entfernen

a. Dorn

b. Butzenkammer

c. Bodenquetschkante

d. Blasform-Werkzeughälfte

e. Kühlkanäle

f. Kalibrierblasdorn

g. Butzenkammer

h. Halsschneidkante

i. Blasform-Werkzeughälfte

k. Vorformling

l. Düsenspalt

m. Düse

a. Butzenboden

b. Bodenquetschnaht

c. Werkzeugkavität

d. Kühlkanäle

e. Halsbutzen

f. Kalibrierblasdorn

g. Vorformling

h. Kühlkanäle

Blick auf die Werkzeugtrennfläche

Blick parallel zur Trennfläche

• Glattrohrextrudern

• Nutbuchsenextrudern

Ausschließliche Verwendung von Einschneckenextrudern

• Glattrohrextruder für die Verarbeitung von niedrig- bis mittelmolekularen Polyolefin-Typen

• Glattrohrextruder eignen sich nicht für die Verarbeitung von hochmolekularen Polyolefin Typen, da Förderwirkungsgrad sinkt.

→ Erhöhte, einzubringende Scherwärme (Schmelzetemperatur), da Durchsatz sinkt!

→ Bildung eines Schmelzefilmes, Pulsationen im Durchsatz

• Glattrohrextruder für die Herstellung von kleinen Hohlkörpern aus niedrigmolekularen PP /PE

• Benötigte Antriebsleistung bei ca. 0,23 – 0,25 kWh/kg (elekt. Wirkleistung des Motors)

• Rohstoffvorwärmung erhöht den Durchsatz

• Universell einsetzbar, für alle Polyolefin-Typen

• Zylinderwand im Einzugsbereich mit auslaufenden Längsnuten versehen

• Intensive Kühlung der Einzugszone

• Vermeidung eines sich bildenden Schmelzefilmes im Umwandlungsbereich (fest-flüssig)

• Rohstoffvorwärmung verringert den Durchsatz

Kennzeichen des Nutenextruders ist die Durchmesservergrößerung

von DN bis DE im Bereich der geraden, keilförmigen Rechtecknuten

Durchmesser d = 60 mm, Gesamtlänge l = 25•d

▪ Hauptaufgabe: vertikalen Umlenkung der angelieferten Schmelze aus dem Extruder

▪ Bereitstellung einer über den Umfang des Schmelzeschlauches konstanten Wanddicke

▪ Stegdornhalterköpfe

▪ Pinolköpfe

▪ Wendelverteilerköpfe

▪ Dorn (Kern) ist der innere Teil

▪ Düse (Mundstück) ist der äußere Teil

▪ Ausformung des Schmelzestromes aus dem Extruder (Schlauchköpfe)

▪ Ausstoß des Schmelzeschlauches (kont.- / diskontinuierliche Arbeitsweise)

• Die thermoplastische Schmelze tritt ununterbrochen/kontinuierlich aus dem Kopf/Düse aus

• Der entstehende Vorformling muss anschließend in das Werkzeug transferiert werden

• Unterscheidung zwischen zwei Verfahrensweisen:

  • Bewegung des Blasformwerkzeuges (A): Nach der Aufnahme des Vorformlings wird das Werkzeug zu einer Blasposition verfahren. Die Schneckendrehzahl ist so anzupassen, dass der Vorformling die richtige Länge hat

  • Bei großen und schweren Blasformwerkzeugen und Schließeinheiten verzichtet man auf die Bewegung des Werkzeuges. Hier wird der Vorformling (B) von einem Schlauchzubringer zur Blasform gebracht

Bewegung des Blasformwerkzeug

Bewegung des Vorformlings

• Bei der diskontinuierlichen Extrusion (Austrag aus Blaskopf) wird die Schmelze in einem Speicherraum gespeichert

• Bei Überschreiten eines vorgegebenen Volumens wird die Schmelze mit einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit ausgetragen

• Unterschieden (Füllung/Entleerung der Kammer) werden kann zwischen zwei Prinzipien:

  • 1. First In – First Out (FIFO-Prinzip) → Kunststoffschmelze, welche zuerst vom Extruder in den Speicherkopf gefördert wurde, wird zuerst ausgestoßen

  • 2. First In – Last Out

• Nach dem Ausstoßen des Vorformlings wird die Blasform geschlossen und die Speicherkammer erneut gefüllt

• Die Drehzahl der Schnecke ist so einzustellen, dass die notwendige Schmelzemenge zur Verfügung steht, wenn der vorherige Artikel entformt wurde

• Extruderdrehzahl muss an die erforderliche Kühlzeit angepasst werden!

▪ Der Durchmesser des Vorformlings ist beim Blasformen über der Länge konstant

▪ Beim Endprodukt, dem Blasformteil, ergibt sich in der Regel kein konstanter Durchmesser über der Länge

▪ Durch die unterschiedlichen Durchmesser ergeben sich entsprechende Verstreckverhältnisse (Reckgrade), was bei einer konstanten Wanddicke des Vorformlings bedeuten würde, dass sich eine ungleichmäßige Wanddicke im Blasformteil ergibt

→ Um im gesamten Artikel eine gleichmäßige Wanddicke zu erhalten, bedarf es einer Einstellung der Wanddicke des Vorformlings

• Die Einstellung des Dickenprofils erfolgt in zwei Stufen:

  • Über Zentrierschrauben wird eine gleichmäßige Rundumverteilung der Wanddicke erreicht

  • Über eine vertikale Verschiebung des konischen Dorns wird die entsprechende Dicke eingestellt

• Durch eine größere Dicke im oberen Bereich des Vorformlings kann man dem Durchhängen entgegenwirken

▪ Eingesetzt für Bauteile mit sehr komplexen Geometrien

▪ Für Geometrien bei denen Dünnstellen in den Ecken und Kanten zu erwarten sind (Kanister, rechteckige Flachen etc.)

▪ Erlaubt eine festgelegte Rundumverteilung der Wanddicke

▪ Vorteil: Keine Demontage notwendig um eine Geometrieanpassung zu realisieren

▪ Kombination aus einer fixen SFDR Einstellung und dynamisch verstellbaren

▪ Partiell einstellbarer, deformierbarer Ring

▪ Servohydraulisches Drücken bzw. Ziehen kann partiell, zeitlich begrenzt die Wanddicke variieren

▪ Hälften des Blasformwerkzeuges (zur Formung des Vorformlings) sind auf Formaufspannplatten montiert

▪ Formaufspannplatten bilden einen Teil der Schließeinheit

• Aufnahme Blasformwerkzeug

• Bewegung des Blasformwerkzeug (s. kontinuierliche Extrusion)

• Schließen der Form bei Vorformlingsherstellung

• Aufbau der Schließkraft

  • Abquetschen des Vorformlings (Schneidkantenbereich)

  • Zuhalten der Form gegen Aufblasdruck (8 - 10 bar)

• Kühlwasserversorgung des Blasformwerkzeugs

• Aufbau der Schließkraft entweder

  • Hydraulisch

  • Elektrisch

  • Hybridlösung

▪ Temperieren und Umformen eines Vorproduktes (Preform, Spritzling oder Vorformling) im thermoelastischen Temperaturbereich zum Formteil

Heutzutage:

Meist zweistufiger Prozess

1. Preform in einem Spritzgießprozess hergestellt

2. Streckblasen des Preforms

▪ Im Streckprozess wird der Preform erwärmt und in axialer Richtung durch eine Reckstange und in radialer Richtung durch Aufblasen mittels Druckluft verstreckt

▪ Ähnlich zur Blasfolienextrusion findet dabei ein biaxiales Verstrecken statt, was eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zur Folge hat

▪ Hauptanwendungsgebiet ist die Herstellung von PET-Flaschen

▪ Transparenz und Glanz

▪ Bruchsicher

▪ Wiederverschließbarkeit

▪ Druckfestigkeit

▪ Gewicht

▪ Recycling

▪ Geschmacksneutralität

• Unterscheidung zwischen zwei Prozessführungs-Konzepte:

  • Einstufiges Verfahren aus erster Wärme

  • Zweistufiges Verfahren aus zweiter Wärme

Erzeugung des Preforms fast ausschließlich im Spritzgießverfahren (bereits inkl. Formteilöffnung undVerschlussgewinde)

Beim einstufigen Verfahren erfolgt ein Abkühlen auf Umformtemperatur und unter Umständen eineTemperierung. Anschließend erfolgt das Verstrecken und Aufblasen. Abschließend wird das fertige Formteil auf Raumtemperatur abgekühlt

Überwachung der komplexen Abläufe innerhalb der Extrusionslinie, um sichere und effiziente Herstellung des Produkts zu gewährleisten

• Erfassung der Daten von Peripherie- und Nachfolgekomponenten sowie der Prozessdaten des Extruders zentral in einer Einheit

  • Extruder

    • Temperaturen

    • Drücke

    • Durchsatzregelung

    • Schneckendrehzahlen

    • Drehmoment

  • Peripherie- und Nachfolgekomponenten

    • Liniengeschwindigkeit

    • Geometrie des Produkts

    • Temperaturen in der Kühlstrecke

• Die geometrische Gestalt und somit auch das Gewicht eines Produkts ist in der Extrusion meist vorab definiert

• Erforderliche Masse und der dafür einzustellende Massenstrom ist damit berechenbar

Aufgabe von Dosiergeräten:

• definierte Materialmenge / geforderten Massenstrom bereitstellen

• Einmischen von Additiven

• Homogenisierung des Gemischs

Ablauf:

• Messen oder quantitative Abgrenzung der Dosiergüter

• Einstellen bzw. Regeln des Sollwertes

• Fördern des Dosiergutes

• Übergabe des homogenen Gemisches an die Bedarfsstelle

• negative Einflüsse auf Foliendickenverteilung:

  • ungleichmäßiger Schmelzeaustritt über den Düsenumfang

  • inhomogene Schmelzetemperaturen am Düsenaustritt

  • ungleichmäßige Abkühlbedingungen → Beeinflussung der mechanischen & optischen Eigenschaften

• zwei typische Messverfahren:

  • umlaufende Messung an der Folienblase oberhalb des Kalibrierkorbs

  • traversierende Messung der flachgelegten Folie nach dem Abzug

• Genauigkeit aktueller Dickenmesssysteme: 0,1 μm

• Regelung des Dickenprofils

  • gezielte Temperierung der Kühlluft durch segmentierte Kühlringe

  • gezielte Temperierung segmentierter Düsen

• Maßgeblich für die Folienbreite ist:

  • Aufblas- und Abzugsverhältnis

  • insbesondere das in der Folienblase eingeschlossene Luftvolumen bzw. der Blasinnendruck

• moderne Hochleistungsanlagen verfügen über einen Innenluftaustausch

  → gleichzeitiger Abzug warmer Luft & Zuführung kühler Luft

• Genauigkeit der Abstimmung des Luftaustausches entscheidend für:

  • konstanten Blasinnendruck

  • stabile Folienblase

• Regelstrecke: Blasendurchmesser wird an Frostlinie gemessen und als Regelgröße an das Gebläse gekoppelt

• Standardverfahren zur Ermittlung von Wanddicken und Durchmessern ist das Ultraschallsystem (Röntgen, Millimeterwellen, etc. ebenso möglich)

• Konventionelle Ultraschallsysteme arbeiten nach dem Impuls-Echo-Verfahren

• Vollumfängliche Wanddickenmessung (100%-Messung) → heutzutage Stand der Technik

• Ultraschallsignale werden von Oberfläche reflektiert und von einem Sensor aufgenommen

• Die Sensoren sind gleichzeitig Sender und Empfänger des Ultraschalls

• Die erste Reflektion findet beim Übergang Wasser nach Kunststoff statt (Messrauschen)

• Die zweite Reflektion entsteht an der Rohrinnenwand

• Zeitdifferenz zwischen diesen Signalen ist ein Maß für die Wanddicke

1. Schnellrotierende Scanner mit 1-2 kontinuierlich umlaufenden Sensoren

2. Messkammern mit einer größeren Anzahl an Sensoren

3. Messkammern mit großflächigen, formangepassten Sensoren

4. Elektronisch Rotierende Scanner (ERS)

• Anstelle von Ultraschall werden Millimeterwellen verwendet

• Funktionsweise nach Frenquency Modulated Continuous Wave (FMCW

• Einsetzbar für Durchmesser von 90 bis 3200 mm

Messgrößen

• Wanddicke

• Innen- und Außendurchmesser

• Ovalität

• Konzentrizität

• Inneres Profil

Vorteile:

• Kein Koppelmedium erforderlich

• Unabhängig vom Material

• 360° Messung

• Unabhängig von der Temperatur

• Überwachung des inneren Profils / Sagging und der min/max Wanddicke