Vorlesung Fertigungstechnik 3. Kunststoffverarbeitung

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1 Institut für Werkstofftechnik Kunststofftechnik Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Heim Vorlesung Fertigungstechnik 3 Kunststoffverarbeitung Kapitel 1: Einführung Kapitel 2: Grundlagen des Werkstoffverhaltens von Kunststoffen Kapitel 3: Aufbereitung von Kunststoffen Kapitel 4: Urformverfahren Kapitel 5: Weiterverarbeitung von Kunststoffen

2 Institut für Werkstofftechnik Kunststofftechnik Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Heim Vorlesung Fertigungstechnik 3 Kunststoffverarbeitung Kapitel 3: Aufbereitung von Kunststoffen 3.1 Werkstoffmodifikationen und deren Nutzen 3.2 Vom Rohstoff zum Kunststoffgranulat 3.3 Aufbereitungsmaschinen 3.4 Aufbereitungsbeispiele Heiz-Kühl-Mischer Doppelschneckenextruder V. Sauer Institut für Werkstofftechnik, Kunststofftechnik, Universität Kassel

3 3 Aufbereitung von Kunststoffen Quelle: 3M Quelle: Fernholz Quelle: Craemer Quelle: Deceuninck Was bedeutet Aufbereitung von Kunststoffen? Veränderung der Materialeigenschaften hinsichtlich der benötigten Verarbeitungs- und Bauteileigenschaften

4 3 Aufbereitung von Kunststoffen Kunststoffpulver von 3M Kunststoffpaletten von Craemer Joghurtbecher von Fernholz Bodenabdeckung von Deceuninck

5 3.1 Werkstoffmodifikationen und deren Nutzen Die grundsätzlichen Eigenschaften eines Kunststoffs ergeben sich in der Synthese (chemischer Aufbau der Kettenmoleküle). Eine gezielte Anpassung der Eigenschaften geschieht durch Mischen des Grundmaterials mit anderen Stoffen (Additiven). Die Bandbreite an Additiven ist sehr groß, sie können u.a. - Pulver, Lösungen oder Fasern - organisch oder anorganisch - wenige Nano- bis mehrere Millimeter groß - natürlichem Ursprung oder künstlich hergestellt sein. Grundsätzlich lassen sie sich in Additive für die Modifikation der Verarbeitungs- (z.b. Fließverhalten) und Gebrauchseigenschaften (z.b. Aussehen und mechanisches Verhalten) einteilen.

6 3.1 Werkstoffmodifikationen und deren Nutzen Beispiele Additive zur Modifikation der Verarbeitungseigenschaften Was? Stabilisatoren Gleitmittel Füllstoffe Wozu? Schutz vor Schädigung des Kunststoffs durch mechanische und thermische Belastung während der Verarbeitung (z.b. Bleisalze) Verbessertes Fließverhalten (z.b. Paraffinöle) Verbesserte Wärmeformbeständigkeit und geringere Schwindung bei Warmumformung (z.b. Talkumpulver)

7 3.1 Werkstoffmodifikationen und deren Nutzen Beispiele Additive zur Modifikation der Gebrauchseigenschaften Was? Farbstoffe Stabilisatoren Weichmacher Füllstoffe Wozu? Einstellen der gewünschten Farbe (z.b. Ultramarin- Pigment) Schutz vor thermischer Belastung und Strahlung (z.b. UV-Stabilisatoren) Geringeres E-Modul, höhere Streckgrenze und Schlagzähigkeit (z.b. Polybuten) Ursprünglich geringere Dichte und Preis, heute auch Verbesserung Festigkeit und Steifigkeit (z.b. Glasfasern, -kugeln, Holzmehl, Kreide) Weitere Additive sind u.a. Antistatika, Gleitmittel, Flammschutzmittel Quelle: 3B Quelle: Netzsch

8 3.2 Vom Rohstoff zum Kunststoffgranulat Die Prozesskette der Kunststoffverarbeitung Synthese Aufbereitung Verarbeitung Produkte: Lösung Pulver Schmelze Granulat Schmelze Bauteil Die Aufbereitung kann direkt mit der Synthese oder der Verarbeitung verbunden sein (mit jeweils Schmelze als Zwischenprodukt). Sie kann aber auch als getrennter Prozessschritt stattfinden, dann oft in darauf spezialisierten Betrieben.

9 3.2 Vom Rohstoff zum Kunststoffgranulat Die Aufbereitung selbst lässt sich in mehrere Schritte unterteilen: Lagern und Fördern Dosieren Mischen Plastifizieren (Aufschmelzen) Granulieren Lagern und Abfüllen Das Mischen und Plastifizieren sind die zentralen Schritte bei der Aufbereitung. Sie können in diversen Kombinationen stattfinden. Prinzipielle Darstellung einer PVC-Aufbereitungsanlage (Quelle: Einführung in die Kunststoffverarbeitung, Michaeli)

10 3.2 Vom Rohstoff zum Kunststoffgranulat Lagern und Fördern: Das Grundmaterial wird meist mit der Bahn oder dem LKW angeliefert und in Silos gelagert. Kleinere Mengen, feste Additive und Füllstoffe werden in Säcken oder Oktabins gelagert. Die Förderung des Materials geschieht meist mit pneumatischen Systeme, diese sind als Druck oder Saugförderer ausgelegt. Dosieren: Die Dosierung der verschiedenen Komponenten geschieht mit Hilfe gravimetrischer oder volumetrischer Systeme, die entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeiten. Gravimetrische Dosiersysteme sind grundsätzlich genauer und besser zu automatisieren, aber in der Anschaffung meist teurer als volumetrisch arbeitende Systeme. Schneckendosierer (volumetrisch) und Dosierbandwaage (gravimetrisch) (Quelle: Einführung in die Kunststoffverarbeitung, Michaeli)

11 3.2 Vom Rohstoff zum Kunststoffgranulat Mischen und Plastifizieren: In den zentralen Schritten der Aufbereitung treffen Grundmaterial und Additive zusammen. Je nach Anwendungsfall gibt es die verschiedensten Maschinentypen (s. Kapitel 3.3) und Kombinationen der beiden Verfahrensschritte. Die Komponenten können erst vorgemischt und dann zusammen plastifiziert werden oder es kann erst das Grundmaterial plastifiziert und die Zuschlagsstoffe dann zugegeben und eingemischt werden. In manchen Fällen reicht auch ein Mischen ohne eine zusätzliche Plastifizierung aus. Mischen Plastifizieren Granulieren Plastifizieren + Mischen Granulieren Mischen Prozessbeispiele Mischen und Plastifizieren

12 3.2 Vom Rohstoff zum Kunststoffgranulat Granulierung: Für den Fall, dass die Materialmischung (auch Compound genannt) plastifiziert wurde und nicht direkt weiterverarbeitet werden soll, ist anschließend eine Granulierung notwendig. Dabei wird das flüssige Material durch eine Lochplatte gedrückt und entweder direkt abgeschnitten oder der Strang nach dem Abkühlen zerkleinert. Dadurch entstehen entweder linsenoder zylinderförmige Granulatkörner. Quelle: heitec Quelle: Evonik Röhm

13 3.3 Aufbereitungsmaschinen Die verschiedenen Maschinentypen zum Aufbereiten von Kunststoffen lassen sich unter anderem darin unterscheiden, in welchen Temperaturbereichen sie arbeiten. Beim Kaltmischen wird bei Raumtemperatur gearbeitet, so dass nur eine Verteilung der Additive im Grundmaterial erreicht wird. Beim Heißmischen werden die Komponenten so weit erwärmt, dass das Grundmaterial zwar weich wird, aber nicht aufschmilzt. So können Additive mit einer geringeren Schmelztemperatur verflüssigt werden, Absorptions- und Diffusionsvorgänge stattfinden und harte Füllstoffe in das weiche Grundmaterial eindringen. Beim Plastifizieren mit Mischen wird die Schmelztemperatur des Grundmaterials überschritten, das lässt eine besonders feine Verteilung auch bei großen Additivmengen zu. Auch hier kann wieder zwischen kontinuierlich und diskontinuierlich arbeitenden Systemen unterschieden werden.

14 3.3 Aufbereitungsmaschinen Diskontinuierliche arbeitende Aufbereitungsmaschinen ohne Plastifizierung Taumelmischer (kalt) heiß Mischen, Homogenisieren von Granulaten und/oder Pulvern, z.b. zum Einfärben mit pulverförmigen Pigmenten kalt (Bild Quelle: J.Engelsmann) Bandschnecken- oder Pflugscharmischer (kalt) Aufbereitung Schüttgüter, Aufbrechen von Agglomeraten, auch Zugabe von Flüssigkeiten, z.b. Absorption von fl. Additiven, Coating von Granulaten mit Pigmenten, Dryblending von Pulverlacken (Bild Quelle: Lödige Process Technology) Heiz-Kühlmischer (heiß) z.b. WPC, s. Kap (Bild Quelle: Einführung in die Kunststoffverarbeitung, Michaeli)

15 3.3 Aufbereitungsmaschinen Diskontinuierlich arbeitende Aufbereitungsmaschinen mit Plastifizierung grundsätzlich: meistens für Gummi - wegen großer Chargenvielfalt, Qualitätsschwankungen des Rohkautschuks und hoher Viskosität keine kontinuierlichen Prozesse sinnvoll Mischwalzwerk wegen einfacherer Reinigung für häufige Chargenwechsel (insb. Farbwechsel) und zur schnellen Kühlung nach Innenmischer (Bild Quelle: Harburg Freudenberger) (Bild Quelle: Innenmischer Standardmaschine zur Aufbereitung von Gummi (Kautschuk, Füllstoffe, Weichmacher, Vernetzer ) Universalkneter auch für Flüssigkeiten, Silikone, kleine Chargen Thermoplastschmelzen (mit Austragsschnecke) (Bild Quelle: HF Mixing Group)

16 3.3 Aufbereitungsmaschinen Kontinuierlich arbeitende Aufbereitungsmaschinen mit Plastifizierung Ko-Kneter (Bild Quelle: Buss) Doppelschneckenextruder beide: sehr gute Mischleistung, homogene und exakte Temperaturführung, z.b. hohe Füllstoffanteile, inkompatible Systeme (sehr unterschiedliche Viskositäten), PVC (temperaturempfindlich) Planetwalzenextruder Standardmaschine zur kontinuierlichen Aufbereitung von thermoplastischen Kunststoffen, s. Kap (Bild Quelle: Kunststoffe 02/2011) (Bild Quelle: Entex)

17 3.3 Aufbereitungsmaschinen Kontinuierlich arbeitende Aufbereitungsmaschinen mit Plastifizierung Quelle: Coperion Quelle: Thermo Fisher Scientific

18 3.4.1 Aufbereitungsbeispiel - Heiz-Kühl-Mischer Der Heiz-Kühl-Mischer Abkühlen Mischen Kombination aus heißem Behälter oben und kaltem unten Oben Mischwerkzeug mit Umfangsgeschwindigkeit m/s Erwärmung des Material durch Reibung (Material Wand, Material Material), zusätzlich Temperierung durch doppelwandigen Behälter Temperatur bleibt unter der Schmelztemperatur des Thermoplasten Verflüssigte Additive können absorbiert werden, durch die hohen Kräfte können harte Partikel in das weiche Grundmaterial eindringen Abkühlen des Compounds im unteren Behälter unter Rühren um Verklumpen zu verhindern

19 3.4.1 Aufbereitungsbeispiel - Heiz-Kühl-Mischer Aufbereitungsbeispiel: Wood-Plastic-Composite (WPC) auf Basis PVC Was: Polyvinylchlorid (PVC) + Holzmehl/-fasern, Stabilisatoren, Haftvermittler, Gleitmittel, ggf. Farbstoffe Warum: - Holzoptik und haptik - gleichzeitig flexibel formbar wie Thermoplaste - geringeres Brandrisiko als reines Holz - weniger Schwindung als reiner Thermoplast - Färben kann Original Tropenhölzer ersetzen Quelle: Fraunhofer WKI Quelle: Ideen Werkstatt Schmid Quelle: Deceuninck

20 3.4.2 Aufbereitungsbeispiel - Doppelschneckenextruder Der Doppelschneckenextruder 8-förmiger Zylinder mit zwei Schnecken, gleich- oder gegenläufig drehend Modularer Aufbau mit Misch-, Förder-, Knet-, Zuführ- und Entgasungszonen ermöglicht Anpassung an Aufbereitungsaufgaben Erwärmung zur Plastifizierung des Grundmaterials durch Scherung im Extruder, zusätzlich Temperierung von Außen Gleichläufer für fast alle Aufbereitungsaufgaben geeignet Im Anschluss Granulatherstellung oder Direktverarbeitung möglich Modularer Aufbau des Zylinders und der Schnecken Gleich- und Gegenläufige Schnecken

21 3.4.2 Aufbereitungsbeispiel - Doppelschneckenextruder Aufbereitungsbeispiel: Platten aus PP + Talkum für Joghurtbecher Was: Wofür: Polypropylen (PP) + Talkum (bis zu 55% Massenanteil) Platten für die Herstellung von Joghurtbechern durch Warmumformen (s. Kapitel 5.1) Warum: - höhere Steifigkeit der Platte - geringerer Energieaufwand beim Erwärmen zum Umformen - bessere Ökobilanz (weniger Grundmaterial auf Erdölbasis) - Talkum bildet Sauerstoff-, CO 2 - und Wasserdampfbarriere Quelle: Hosokawa Alpine Quelle: fm Kunststofftechnik Quelle: Fernholz

22 3.4.2 Aufbereitungsbeispiel - Doppelschneckenextruder Aufbereitungsbeispiel: Platten aus PP + Talkum für Joghurtbecher Ablauf Compoundierung Zunächst Aufschmelzen des Grundmaterials PP Zugabe des Talkums Nach Einarbeitung Entweichen der Luft aus dem zugefügtem Pulver Später noch Absaugen anderer niedermolekularer Verbindungen (z.b. Wasserdampf) Am Ende Druckaufbau um Werkzeug zur Granulat- oder auch Plattenherstellung zu überwinden Vakuum Entlüftung Talkum PP-Pulver Druckaufbau Entgasen Mischen Entlüften Talkumeinarbeitung Talkumeinzug Aufschmelzen Einziehen

23 3.4.2 Aufbereitungsbeispiel - Doppelschneckenextruder Aufbereitungsbeispiel: Platten aus PP + Talkum für Joghurtbecher Gesamtprozess inkl. Lagerung, Dosierung, Mischung, Plattenherstellung und Aufwickelung 1 Silo für Regenerat, PP, Talkum 2 gravimetrische Dosierungen 3 Zweischneckenfüttereinrichtung 4 Zweischneckenextruder ZE 5 Metallabscheider 6 Vakuumpumpe 7 Siebwechsler 8 Breitschlitzwerkzeug 9 Dreiwalzenglättwerk 10 Zweiwalzenkühlwerk 11 Abzugseinrichtung 12 Dickenmesseinrichtung 13 Abzug 14 Randstreifenzerkleinerung 15 Aufwickelstation 16 Schaltschrank mit Steuerung 17 Seitenarmextruder 18 Laminaradapter