8.1 Rohrextrusion

• Trinkwasser- und Gasversorgung

• Abwassernetze

• Hausinstallationen

• Schutzrohre

• Einsparpotenziale

  • Materialkosten

  • Verlegezeiten signifikant kürzer (weil leichter)

  • Zahl der notwendigen Verbindungselemente geringer (längere Kunststoffrohre)

• Flexibilität bei Belastung und Verschiebungen im Erdreich

• Lange Lebensdauer (→ nachweislich über Zeitstandsfestigkeitsversuche

• Schwerpunkt in dieser Veranstaltung auf thermoplastischen Kunststoffrohren

• Thermoplastische Kunststoffe

  • Polyvinylchlorid (PVC)

  • Polyolefine (PO) → Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), vernetzendes PE, Polyamid (PA)

• Einschichtige Rohre

• Mehrschichtige Rohre

• Schaumkernrohre

• Metall-Kunststoff-Verbundrohre

• Faserverstärkte Rohre Wellrohre

• Auch alsVollwandwandrohrebezeichnet

• Trink- undAbwasserleitungen

• PO-Einschichtrohreauch im Gastransport

ganz normal extrudiert

—> Farbe streifen zeigen memdium

•Rohraufbau mit verschiedenen Materialien

•Herstellung mittels Coextrusion

•Ziel: Rohreigenschaften gezielt für bestimmte Anwendungen optimiere deshalb verschieden K.

•Alternative für Vollwandrohre

•Nur für drucklose Anwendungen

•Rohrwand besitzt geschäumten Kern, der von zwei nicht geschäumten Schichten umgeben ist

•Gewichts- und Materialkostenvorteile

zb. Schalldämmung

besonders leicht wg Schaum

•Verbinden der Vorteile beider Werkstoffe

•Anwendungen im Sanitärbereich und in Fußbodenheizungssystemen

•Formstabil bei gleichzeitiger Verlegeflexibilität

• adhäsionsmittel benötigt

• formstabiles Rohr aber durch verbund auch Flexibel

•Mehrschichtrohre mit faserverstärkter Schicht

•Reinforced Thermoplastic Pipe (RTP)

•Umwicklung eines bspw. PE-Innrohres mit faserverstärkten Bändern

•Aramdi-, Polyester-, Glas- oder Kohlefaser

•Als äußere Schutzschicht wieder aus PE

•Wellen ermöglichen Gewichtseinsparung und mehr Flexibilität

•Verwendung eines sog. Corrugators zur Wellenprofilierung

• höchste Flexi

• Farbige Kennzeichnung bietet einfache Möglichkeit, kostspielige Fehler bei der Installation oder Reparatur zu vermeiden

• Bsp. für farbliche Kennzeichnungen

• Grundsätzlicher Aufbau einer Extrusionslinie für Rohr- und Profilherstellung immer gleich:

• Zur Herstellung von Polyolefinrohren sind Extrusionslinien mit Einschneckenextruder Standard

• Herstellung PVC-Rohren nahezu ausnahmslos gegenläufige Doppelschneckenextruder

• In Abhängigkeit des zu produzierenden Halbzeuges können unterschiedliche Ausführungen der einzelnen

• Großrohrextrusionslinie zur Herstellung von Rohren für Offshore-Anwendungen

• Durchmesser bis zu 2500 mm

• Länge bis zu 600 m / Stück

• Extrusion direkt ins Meer

• anschließende Bündelung und Transport im Meer mit Schleppern

• Konstantes Förderverhalten über den gesamten Drehzahlbereich

• Geringe Massetemperatur

• Gegendruckunabhängiges Förderverhalten

− In der Regel keine Verwendung von Schmelzepumpen

− Schwankungen im Förderbetrieb zeigen sich sofort in der axialen Wanddickenverteilung

− Ist die Massetemperatur zu hoch kann der sog. Sagging-Effekt auftreten

− Sagging-Effekt: Schmelze auf der Rohrinnenseite kühlt nicht schnell genug ab und fließt aufgrund von Gravitationskräften nach unten → ungleichmäßige Wanddicken

− Temperatur muss dem Material wieder entzogen werden

− Höhere Temperaturen bedeuten längere Kühlstrecken und schlechte Wirtschaftlichkeit

− Auslegung von Rohrextrusionslinien für einen Dimensionsbereich und nicht für eine einzige Rohrdimension

− Flexibilität in der Dimensionierung nur möglich über Austausch des Düsensatzes (WKZG)

− Unterschiede im Druck von 200 bar sind in der Praxis keine Seltenheit

• Allen Rohrextrusionswerkzeugen gemein ist die sogenannte Zentrierung

• Die Zentrierung erlaubt dem Anwender ein Verschieben der Düse, um Einfluss auf die Wanddickenverteilung zu nehmen

• Unterschiedliche Möglichkeiten die Zentrierung umsetzen

• Standardausführung: Maschinenbediener bringt die Düse über Zentrierschrauben in die gewünschte Position

• Thermische Zentrierung: Über den Umfang der Düse verteilt, befinden sich mehrere Heizzonen, die einzeln angesteuert werden können → Temperatur beeinflusst das Fließverhalten und damit die Wanddickenverteilung (Häufig bei PVC-Rohren verwendet)

• Zentrierung bei Mehrschichtextrusion schwierig, da häufig nur der Gesamtverbund zentriert werden kann und nicht die einzelnen Schmelzeschichten

• Häufig wird bei der Mehrschichtextrusion die Außenschicht einzeln zentriert

Klasse I:

• Kalibrierung an unterschiedliche Druckstufen

• In Abhängigkeit der Wanddicke ändert sich die Schwindung des Rohres

Klasse II

• Ohne Wechsel der Kalibrierung können unterschiedliche Rohrdurchmesser produziert werden (Inline-Wechsel)

• Exemplarisch für Klasse II soll hier das System QuickSwitch der Firma Krauss Maffei vorgestellt werden

• Bestehend aus Saugglocke zur exakten Aufweitung des flexiblen Schmelzeschlauches (falls der benötigte Durchmesser des Schmelzeschlauches größer ist als der maximal einstellbare Düsendurchmesser am Rohrkopf)

• Kalibrierkorb: übernimmt die formgebende Aufgabe einer Standardkalibrierung

• Kann über den kompletten Durchmesserbereich der Anlage stufenlos verstellt

• Bewegliche Segmente bilden mit ihren Oberflächen eine glatte zylindrischeFläche mit kreisrunder Geometrie

• Rohre müssen nach Austritt aus der Werkzeugdüse gekühlt werden, um für nachfolgende Beanspruchungen (Abzug, Wickler, Trennung) ausreichend formstabil zu sein

• Grundsätzlich kann zwischen Außenkühlung und Innenkühlung unterschieden werden

• Effiziente Wärmeabfuhr durch große Wärmeübergangswerte und Kühlgleichmäßigkeiten sind gefordert

• Abschätzung der Kühlstreckenlänge:

• Einfache Methode bietet die dimensionslose Fourier Zahl (basiert auf vereinfachenden Annahmen)

• Bei einer genaueren Betrachtung müssen temperaturabhängige Stoffwerte und Wärmeübergangskoeffizienten an den verschiedenen Linienkomponenten berücksichtigt werden

• Genaue Bestimmung des Kühlverlaufes ist mittels Finite-Differenzen-Verfahren möglich, in dem Temperaturen an diskreten Orten über die Wanddicke und nach diskreten Zeitschritten berechnet werden

• Die Kühlung beginnt bereits in der Kalibrierstrecke und im Anschluss in Tanks mit Wasserbädern oder Sprühdüsen

• Tauchkühltank → Extrudat wird vollständig untergetaucht

• Sprühkühltank → Extrudat wird mit feinst vernebelten Wasser besprüht

Häuriger weil einfacher

• Am Ende der Extrusionslinie wird kalte Luft aus der Umgebung angesaugt und durch das Produkt gefördert

• Gleich dem Prinzip des Gegenstrom-Wärmetauschers heizt sich die Luft beim Durchströmen des warmen Kunststoffrohres auf → Durch das Strömungsmedium Luft wird hierbei eine erhebliche Wärme aus dem Rohr entzogen

• Im Extrusionswerkzeug wird die erwärmte Luft an die Umgebung abgegeben → gleichzeitige Kühlung des WKZGs

• Temperaturverlauf der Außenschicht ist mit sich wiederholenden Temperaturanstiegen auffallend

• „Luftstrecken“ zwischen Kühltanks notwendig, um Temperaturunterschiede zwischen Innen- und Außenschicht anzugleichen → Vermeidung von Eigenspannungen

• unterschiedliche T -> unterschiedliche Schwindung —> SCHLECHT

Die Auslegung und die Prozessführung der Kühlstrecke hat wesentlichen Einfluss auf die sich einstellende Produktqualität

• Bedingt durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit thermoplastischer Kunststoffe,bilden sich bei Abkühlvorgängen nach der Extrusion Eigenspannungen (Zug- und Druckeigenspannungen) in den Wandungen des Produktes

• Eigenspannungen können zu Verformungen und Verzug der Produkte führen

• Eigenspannungen sind zunächst nicht durch Verformung visuell erkennbar

• Das Auftrennen eines Rohres in axialer Richtung und das Entnehmen eines Streifens der Rohrwand führt zum „Einschnappen“ des Rohres

• Informationen über die Höhe der vorliegenden Eigenspannungen sind aus dem Ausmaß der Verformung nicht zu entnehmen → Simulation

• Thermoplastische Kunststoffe (speziell teilkristalline) vollziehen während der Abkühlung aus der Schmelze große Volumenänderungen

• Kühlung findet bei Rohren meist von außen statt

• Außenhaut erstarrt demnach zuerst und ist nicht mehr in der Lage Verformungen auszuführen

• Der Rest des Rohres weist jedoch noch hohe Schmelzetemperaturen auf → Volumen des heißen Materials im Inneren des Rohres will noch schwinden, kann es aber nicht durch die erstarrte Außenschicht

• Resultat sind Zugspannungen im inneren der Rohrwand

• Kräftegleichwicht wird durch gleichzeitig aufgebaute Druckspannungen in der Außenschicht aufrechterhalten

• Bezeichnet die Verringerung des Außen- und Innendurchmessers eines Rohres an den dessen Enden

• Phänomen tritt erst einige Minuten oder Stunden nach Fertigstellung des Rohres auf → Qualitätsproblem

• Weiterverarbeitung (Schweißen, Muffen einstecken, etc.) ggf. nicht möglich

• Reduzierte Querschnitte stellen Strömungshindernis dar

• Ein einfaches Abschneiden ist nicht möglich, da Rohrendeinfall an der Schnittstelle dann erneut auftritt

sind Eigenspannungen im Rohr, welche wiederum ihren Ursprung im Bereich der Kühlstrecke haben

Eigenspannungen bauen sich mit der Zeit von alleine ab (Relaxation)

• Relaxationsprozesse können jedoch oft Jahre oder Jahrzehnte in Anspruch nehmen

• Beschleunigung durch erhöhtes Temperaturniveau

• Molekülketten im Kunststoff werden beweglicher und können sich so leicht und schnell umlagern → Abbau von Spannungen

Einsatz von Temperöfen, in denen Kunststoffrohre für definierte Zeiträume bei erhöhten Temperaturen warm gelagert werden

• Im Idealfall kann auf den zusätzlichen Temperprozess (Zeit und Kosten) verzichtet werden, indem die Eigenspannungen innerhalb der Kühlstrecke gar nicht erst entstehen → Einstellung der Kühlstrecke (Prozessparameter, Länge, etc.)

• Lunker oder auch Vakuolen sind häufige Qualitätsprobleme, die insbesondere bei der Herstellung von dickwandigen Produkten auftreten können

• Lunker sind schwindungsbedingte Phänomene, die ihren Ursprung in der inhomogenen Abkühlung des Extrudates haben

• Temperaturunterschied zwischen Außen- und Innenschicht ausschlaggebend

• Während die äußeren Schichten bereits relativ stark abgekühlt werden und sich erstarrte Randschicht bilden, ist die Kerntemperatur nicht direkt kühlbar

• Demnach verbleibt der Kern über einen langen Zeitraum auf einem hohen Temperaturniveau

• Im Kern finden weiterhin die thermischen Volumenänderungen (Schwindung) statt, wodurch Leerstellen (Lunker) entstehen

• Zielführender Ansatz zur Vermeidung von Lunkern ist die Produkt- und materialspezifische Auslegung der Kühlstreckenprozessführung

• Aus der Kühlstrecke gelangt das Rohr in die Abzugseinheit

• Schmelzestrang soll ruckfrei und mit gleichmäßiger Geschwindigkeit durch die Kalibrierung und die Kühltanks gezogen werden

• Abzugskraft > auftretende Reibkräfte (Kalibrator)

• Über Abzugsgeschwindigkeit kann die Wanddicke gesteuert werden (Muffenbereiche)

• In der Regel werden Raupen – oder Bandabzüge eingesetzt