Skript Standardverfahren Extrusion SS19 PDF

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Skript Standardverfahren Extrusion SS19...

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Standardverfahren Extrusion

Kunststofftechnik Paderborn

Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner

pellets

endless product

hopper

barrel cooling

drive unit heater

screw

SS 2019

Einführung

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Inhaltsverzeichnis 1

Einführung ............................................................................................................4 1.1 Allgemeines ..................................................................................................4 1.2 Extrusionsprodukte und Extrusionsanlagen .................................................8 1.2.1 Fasern und Filamente .................................................................................. 9 1.2.2 Flachfolien und Tafeln ................................................................................ 12 1.2.3 Blasfolien .................................................................................................... 16 1.2.4 Rohre und Profile ....................................................................................... 18 1.2.5 Sonderverfahren......................................................................................... 21 1.3 Kosten und Innovationen ............................................................................22 2 Granulatversorgung...........................................................................................27 2.1 Anlieferform des Rohstoffs .........................................................................27 2.2 Das Fördersystem und seine Komponenten ..............................................28 2.2.1 Fördersysteme ........................................................................................... 28 2.2.2 Kompressoren ............................................................................................ 30 2.2.3 Ausschleusen im Trichter ........................................................................... 31 2.2.4 Einschleusen .............................................................................................. 34 2.2.5 Verteilerweichen ......................................................................................... 36 2.3 Förderarten und Berechnung .....................................................................36 2.4 Dosieren .....................................................................................................40 2.4.1 Volumetrische Dosierung ........................................................................... 40 2.4.2 Gravimetrische Dosierung .......................................................................... 41 2.4.3 Mischen mehrerer Komponenten ............................................................... 42 2.5 Doppelvakuumtrichter ................................................................................42 2.6 Trocknung ..................................................................................................43 2.7 Gesamtsystem ...........................................................................................44 3 Extruder ..............................................................................................................46 3.1 Einschneckenextruder ................................................................................48 3.1.1 Allgemeines ................................................................................................ 48 3.1.2 Feststoffförderung ...................................................................................... 51 3.1.3 Aufschmelzen ............................................................................................. 54 3.1.4 Schmelzeförderung .................................................................................... 56 3.1.5 Mischen ...................................................................................................... 59 3.1.6 Entgasungsextruder ................................................................................... 60 3.1.7 Betriebsverhalten ....................................................................................... 61 3.2 Gegenläufige Doppelschneckenextruder ...................................................63 3.3 Gleichläufige Doppelschneckenextruder ....................................................66 4 Filter, Pumpen, Kühler, Mischer, Schmelzeleitungen .....................................71 4.1 Thermische Auslegung ...............................................................................72 4.2 Schmelzefilter .............................................................................................73 4.3 Schmelzepumpen .......................................................................................78 4.4 Statische Mischer .......................................................................................81 4.5 Schmelzekühler ..........................................................................................82 4.6 Schmelzeleitungen .....................................................................................82 4.7 Zusammenbau mit Extruder und Werkzeug ...............................................85

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5

Werkzeuge ..........................................................................................................87 5.1 Allgemeines ................................................................................................87 5.2 Temperaturerhöhung ..................................................................................89 5.3 Einfache Querschnitte ................................................................................89 5.4 Reihen- und Parallelschaltung....................................................................93 5.5 Breitschlitzwerkzeuge .................................................................................94 5.6 Ringspaltwerkzeuge .................................................................................100 5.7 Profildüsen ...............................................................................................106 5.8 Werkzeugeinstellung ................................................................................107  5.9 Strangaufweitung und Relaxation.............................................................107 5.10 Oberflächenstörungen ..............................................................................108 6 Freie Oberflächen.............................................................................................110  6.1 Geometrische und werkstofftechnische Grundlagen ................................111 6.2 Recken .....................................................................................................112 6.3 Blasfolie ....................................................................................................116 6.4 Fasern ......................................................................................................119 6.5 Stabilität....................................................................................................119 7 Kalibrierung ......................................................................................................121 7.1 Flachfolien ................................................................................................121  7.2 Rohre .......................................................................................................122 8 Kühlung ............................................................................................................126 8.1 Bestimmung des Temperaturverlaufs .......................................................126 8.2 Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten ......................................136 8.2.1 Konvektive Kühlung an Luft ...................................................................... 136 8.2.2 Konvektive Kühlung in Wasser ................................................................. 140 8.2.3 Kontaktkühlung an Kühlwalzen und Galetten ........................................... 142 8.2.4 Fasern ...................................................................................................... 144 8.2.5 Blasfolie .................................................................................................... 147 8.2.6 Strahlungserwärmung .............................................................................. 149 8.3 Modelltheoretische Umsetzung ................................................................149 8.4 Abkühlung von Profilen ............................................................................152 9 Messtechnik......................................................................................................153 9.1 Messungen in der Schmelze ....................................................................153  9.2 Messungen der Produktqualität ................................................................154 10 Abzug und Konfektionierung ..........................................................................158 10.1 Abziehen ..................................................................................................158 10.2 Trennen ....................................................................................................158 10.3 Wickeln .....................................................................................................159 10.4 Integrierte Nachfolge ................................................................................161 11 Blasformen .......................................................................................................162 11.1 Spritz-Blasformen .....................................................................................162 11.2 Extrusionsblasformen ...............................................................................166  12 Literatur ............................................................................................................173

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Einführung

1.1

Allgemeines

Eines der wichtigsten Verfahren der Kunststoffverarbeitungstechnik ist die Herstellung von Halbzeugen aus Kunststoff (z.B. Folien, Rohre) mit Extrusionsanlagen. Den prinzipiellen Aufbau einer Extrusionsanlage zeigt das Bild 1.1 in einem einfachen, am Zustand des zu verarbeitenden Kunststoffes orientierten Flussdiagramm: Druck

Temperatur

TFl Temperatur

Druck

TU

pU Rohstoff

Schüttgut

Extruder

Werkzeug Schmelze

Kalibrierung

Schmelzestrang

Kühlung

eingefrorener Strang

Konfektionierung Endlos-Produkt

Produkt

Stückgut

Bild 1.1 Flussdiagramm einer Extrusionsanlage

Die deutsche, etwas aus der Mode gekommene Bezeichnung „Strangpresse“ kennzeichnet das zugrundeliegende Prinzip: Die Anlage wird mit rieselfähigem Kunststoff beschickt, der aus den in der Rezeptur festgelegten Bestandteilen gemischt ist. Diese Mischung wird durch den eigentlichen Extruder gefördert und aufgeschmolzen. Die entstehende Schmelze wird durch ein formgebendes Werkzeug gepresst, so dass die gewünschte Produktgeometrie im schmelzeförmigen Zustand hergestellt wird. Der so entstandene Strang wird unter Formzwang in der Kalibrierung eingefroren und in der Kühlstrecke bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Aufgrund der kontinuierlichen Betriebsweise entsteht das Produkt endlos, sodass am Ende der Anlage eine Konfektionierung in handhabbare Stücke stattfindet. Die technische Ausführung der einzelnen Anlagenkomponenten ist dabei stark produkt- und materialabhängig. Das gezeigte Anlagenprinzip wird ermöglicht durch die sehr hohe Schmelzeviskosität thermoplastischer Extrusionskunststoffe, die einen Transport ohne Formzwang zwischen Werkzeug und Kalibrierung erlaubt. Das Druck- und Temperaturniveau im Kunststoff ist durch die Umgebungsbedingungen TU, pU und die Fließtemperatur des Werkstoffes charakterisiert.

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Bild 1.2 zeigt den Verlauf der spezifischen Enthalpie h in der Extrusionsanlage. Die gesamte Enthalpiedifferenz ist nahezu Null, da die Umformung vom Schüttgut in Stückgut ohne chemische Reaktionen stattfindet. Energetisch gesehen wird daher zunächst der Kunststoff unter Energieeinbringung aufgeschmolzen, um diese Energie nach der Formgebung in der Kühlstrecke wieder abzugeben. Das Recycling dieser Energiemenge ist nicht Stand der Technik, sodass die je nach Kunststoffart benötigten 300 bis 800 J/g aufgewendet werden müssen. Der Energiebedarf der Anlage ist aufgrund der Wärmeabgabe der beheizten Anlagenteile an die Umgebung und der Antriebsleistung der Kühlaggregate, Abzugs- und Trennvorrichtungen deutlich höher. spez. Enthalpie

Energiebedarf

Energiebedarf

spez. Enthalpie

 hU

0 Extruder

Werkzeug

Kalibrierung

Kühlung

Konfektionierung

Bild 1.2 Enthalpieverlauf in einer Extrusionsanlage

Die Produkte, die mittels Extrusion hergestellt werden, sind fast ausschließlich Endlosprodukte, die kontinuierlich erzeugt werden. Fasern, Folien, Rohre und Profile sind somit typische Extrudate. Darüber hinaus werden Extruder eingesetzt in der Aufbereitung von Kunststoffen. Ergebnis dieser Anlagen ist meist Granulat, das dann weiteren Verarbeitungsschritten zugeführt wird. Im Gegensatz zur Extrusion stehen diskontinuierliche Verfahren der Kunststofftechnik wie z.B. Spritzgießen oder Blasformen und andere kontinuierliche Verarbeitungsverfahren wie z.B. Walzen und Kalandrieren. Einen Überblick über die Mengen zeigt das folgende Bild. Die Extrusionstechnik verarbeitet fast die Hälfte (48%) der Kunststoffmenge, wobei das Extrusionsblasformen noch hinzukommt. Nicht berücksichtigt ist dabei, dass nahezu alle thermoplastischen Kunststoffe bereits während ihrer Herstellung zur Einarbeitung von Stabilisatoren oder Basisadditiven extrudiert werden. Die in dem Bild gezeigten Mengen für das Compounding beinhalten diesen Schritt nicht, da er beim Rohstoffhersteller stattfindet. Das Bild zeigt jedoch auch, dass 90% des thermoplastischen Kunststoffe in granulatbasierten Urformverfahren mit Schneckenmaschinen verarbeitet wird. Standardverfahren Extrusion SS 2019

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Bild 1.3 Materialfluß in Europa 2008: Thermoplastische Kunststoffe

Nahezu alle thermoplastischen Kunststoffe werden auf Extrusionsmaschinen verarbeitet. Den größten Anteil stellen dabei die Polyolefine Polyethylen und Polypropylen, die zu Folien, Rohren und Tafeln verarbeitet werden. In großen Mengen wird auch PVC verarbeitet, typische Produkte sind hier Fensterprofile. Die Herstellung von Fasern aus Polyamid und Polyester ist eine weitere Massenanwendung. Die Extrusion technischer Kunststoffe ist mengenmäßig weniger bedeutend, hat aber durch den höheren Wert der Produkte ebenfalls große wirtschaftliche Bedeutung. Zu nennen ist hier die Erzeugung von Flaschen und Folien aus thermoplastischen Polyestern und die Profilextrusion aus Polyamid. Im Baubereich werden große Mengen an Tafeln und Platten eingesetzt, deren häufigste Werkstoffe PVC, Polystyrol und Polymethylmethacrylat sind. Abweichend von den Standardanlagen gibt es Sonderbauformen von Extrusionsanlagen. Häufig eingesetzt werden Kaskadenextruder, bei denen mehrere Extruder hintereinander geschaltet werden, die jeweils das Ausgangsprodukt der nachfolgenden Station herstellen. Vorteilhaft ist dabei, dass alle Stufen der Kaskade einzeln angetrieben und somit unabhängig voneinander in der Prozessführung sind. Eine gezielte Einstellung wird somit ermöglicht. Nachteilig sind die erhöhten Investitionskosten. Eine weitere Sonderbauform sind die Blasformextruder zur Herstellung von Hohlkörpern wie z.B. Tanks oder Flaschen. Hier wird die Brücke geschlagen zu den diskontinuierlichen Verfahren, da kein Endlosprodukt, sondern Einzelteile hergestellt werden. Die Plastifizieraggregate sind jedoch Extruder. Standardverfahren Extrusion SS 2019

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Einen wachsenden Anteil an der gesamten Extrusionsanlage erhält bei modernen Anlagen die Maschinensteuerung, deren Aufgabe die Messung, Steuerung und Regelung der an den Maschinen einstellbaren Prozessgrößen ist. Da zur optimalen Arbeit der Extrusionsstraße die Einzelkomponenten nicht unabhängig voneinander betrieben werden können, sind integrierte Steuerungen sinnvoll einsetzbar, die bei modernen Anlagen als bildschirmunterstützte Rechnersteuerungen ausgeführt sind. Die Einordnung der verfahrenstechnischen Auslegung in den gesamten Auslegungsvorgang zeigt Bild 1.4. Auf der einen Seite steht die Festlegung des Produktes, um die gewünschten attraktiven Eigenschaften zu erzielen. Diese Arbeiten werden durch die Produktentwicklung des Anlagenbetreibers durchgeführt und führen zur Festlegung der Rezeptur und des Schichtaufbaues. Auf der anderen Seite steht der Maschinenbauer, der die einzelnen Anlagenkomponenten mechanisch konstruiert und sich mit der Funktionalität, der Festigkeit und ähnlichen Problemen auseinandersetzt. Werkstoffverhalten

Verfahrenstechnische Auslegung

thermische und mechanische Auslegung

Maschinenkonstruktion

D



Produktentwicklung

Strömungsanalyse und energetische Betrachtung

d L

d

Bild 1.4 Verfahrenstechnische Auslegung zwischen Produkt und Maschine

Die verfahrenstechnische Auslegung steht zwischen Produkt und Maschine. Ihre Aufgabe ist die produktspezifische Auswahl und Spezifikation der Extrusionsanlage, damit die Extrudate wirtschaftlich und mit den gewünschten Eigenschaften hergestellt werden können. Eine wirtschaftliche Produktion ergibt sich immer dann, wenn höherwertige Produkteigenschaften oder niedrigere Produktionskosten erzielt werden. Beide Ziele werden durch die verfahrenstechnische Auslegung sichergestellt: 

Die schonende Verarbeitung des Kunststoffes und die exakte Einhaltung vorgegebener Morphologien und Schichtaufbauten verbessern die Produkteigenschaften



Die Vermeidung von Überdimensionierungen, die Automatisierung und die Erhöhung der Ausstoßleistung vermindern die Produktionskosten

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Eine Verbesserung in beiden Bereichen kann durch die Verkleinerung der Toleranzbänder der Produkteigenschaften erreicht werden, die dem Kunden gegenüber eine genauere Spezifikation ermöglicht und den Rohstoffeinsatz senkt.

Grundlage der verfahrenstechnischen Auslegung ist die genaue Kenntnis der sich in den einzelnen Anlagenkomponenten abspielenden Vorgänge. Dies umfasst die Beschreibung von Strömungs- und Energieaustauschvorgängen, zu deren mathematischer Beschreibung entsprechende Modelle gebildet werden müssen. Aufgrund des nichtlinearen Stoffverhaltens der thermoplastischen Kunststoffe und der zum Teil aufwändigen Geometrien müssen bei diesen Modellen erhebliche Vereinfachungen eingeführt werden, um eine handhabbare Lösung zu erhalten, mit der die Bauteile bei akzeptablem Aufwand ausgelegt werden können.

1.2

Extrusionsprodukte und Extrusionsanlagen

Die in diesem Kapitel aufgeführten Extrusionsanlagen sollen einen Überblick über den Aufbau der verschiedenen Anlagentypen bieten und ...