stets mit einer Verlängerung der Verfahrenseinheit einher (Bild 1). Auch bei der Überarbeitung ihrer Einschneckenextruder-Baureihe

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1 Verfahrenskonzept 36D eröffnet neue Potenziale Rohrextrusion. Ein neues Verfahrenskonzept erhöht den Massedurchsatz und damit die Produktivität von Einschneckenextrudern. Zudem wurde die stoffliche und thermische Homogenisierung deutlich verbessert. Wesentliche Vorteile wurden durch die Verlängerung der Verfahrenseinheit erreicht. HENNING STIEGLITZ FLORIAN SCHNEIDER W ie wirtschaftlich eine Rohrextrusionsanlage arbeitet, hängt in erster Linie von der Effizienz der Einzelkomponenten ab. Eine Kernkomponente ist dabei der Extruder. Bessere Schneckengeometrien und die Weiterentwicklung der zu verarbeitenden Werkstoffe haben die Leistungsfähigkeit der Extruder wesentlich erhöht. Einschneidende Ausstoßerhöhungen gingen dabei stets mit einer Verlängerung der Verfahrenseinheit einher (Bild 1). Auch bei der Überarbeitung ihrer Einschneckenextruder-Baureihe KME setzte Krauss-Maffei unter anderem auf eine verlängerte Verfahrenseinheit. Anforderungen an den Extruder Die Anforderungen an einen Plastifizierextruder haben sich in den vergangenen Jahren kaum verändert. Wesentlich sind ein hoher und pulsationsfreier Massedurchsatz, eine thermisch und stofflich homogene Schmelze, die kontrollierte Scherdeformation und Schmelzetemperatur für eine gleich bleibende Materialqualität, niedrige spezifische Investitions- (Preis/Durchsatzverhältnis) und Betriebskosten sowie eine große Verarbeitungsbandbreite (PE 80, PE 100, PP- H/B/R, PB, PE-LD) [1]. Neu hinzugekommen sind die Forderungen nach geringen Schmelzetemperaturen, um ein Durchhängen (Sagging) bei großen Di- 94 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 12/2005

2 EXTRUSION mensionen zu vermeiden, und die Minimierung der Kühlstrecken, die Direktextrusion von Abmischungen verschiedener Basiswerkstoffe und Additive sowie hohe Anteile von Umlaufware, Regenerat oder Regranulat. Das Verlangen nach verbesserter Wirtschaftlichkeit ließ die verfahrenstechnische Entwicklung in den letzten fünf Jahren rasant voranschreiten. Eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bedeutet für einen Plastifizierextruder in der Regel einen höheren Durchsatz bei gleich bleibender Maschinengröße (Schneckendurchmesser). [1]. Hoher, pulsationsfreier Massedurchsatz Um den Massedurchsatz deutlich zu erhöhen, war es notwendig, den Extruder stark zu verändern. So verfügt die neue Rohrextruder-Baureihe im Vergleich zur alten Baureihe über ein 6D längeres Verfahrensteil. Die Verfahrenslänge beträgt damit 36D. Das Einzugssystem beruht nach wie vor auf dem Nutbuchsensystem, das jedoch völlig überarbeitet wurde. Die zuvor eingesetzte Standard-Barriereschnecke ist durch ein neu entwickeltes Barriere-Mischschnecken-Konzept ersetzt worden. Das 36D-Verfahrenskonzept erfüllt die Anforderungen, die an Plastifizierextruder gestellt werden, in hohem Maße. Um hohe Massedurchsätze zu erreichen, können zwei Wege eingeschlagen werden: Zum einen kann die Schneckendrehzahl erhöht werden, zum anderen wird der spezifische Durchsatz erhöht, d. h. die Förderkapazität pro Schneckenumdrehung gesteigert. Bei zähen Rohrwerkstoffen wird die mechanische Leistung in der Verfahrenseinheit in hohem Maße mittels innerer Reibung (Dissipation) in Wärme umgesetzt. Damit keine unzulässig hohen Massetemperaturen entstehen, müssen hohe Schneckendrehzahlen vermieden werden. Der Weg zu höheren Massedurchsätzen muss somit primär über den spezifischen Durchsatz führen. Aus der Praxis ist bekannt, dass es nicht gelingt, den spezifischen Durchsatz bei Erhöhung der Durchsatz und Verfahrenslänge Bild 1. Zeitliche Entwicklung im Bereich der Rohrextrusion am Beispiel eines Extruders mit 90 mm Schneckendurchmesser für PE-HD (Quelle: Krauss-Maffei Produktinformationen) Einzugssysteme Schneckendrehzahl konstant zu halten. Im Regelfall ist eine Abnahme des spezifischen Durchsatzes zu beobachten [2]. Diese Abnahme wird oftmals als Nichtlinearität des Ausstoßes bezeichnet und kann bei Neuware eine Größenordnung von bis zu 15 % ausmachen. Sie ist ein Resultat des Einrieselvorgangs des Kunststoffgranulats in den Schneckenraum [3, 4]. Bild 2. Vergleich zweier Einzugssysteme (30D-Standard, 36D-Hochleistung) am Beispiel dreier handelstypischer PE-HD-Rohrwerkstoffe [5] Das Phänomen der Nichtlinearität darf allerdings nicht mit dem Phänomen der Grenzdrehzahl verwechselt werden. Beim Phänomen der Grenzdrehzahl ist die Ausstoßabnahme wesentlich größer (30 bis 40 %). Die Ausstoßabnahme tritt unmittelbar bei einer (Grenz-) Schneckendrehzahl auf und ist das Ergebnis einer überhöhten Wärmeent- V Kunststoffe 12/

3 Bild 3. Rohr mit schlechter thermischer Homogenität Bild 4. Rohr mit guter thermischer Homogenität wicklung durch Reibung in der Nutbuchse. Dadurch bildet sich bereits in der Nutbuchse ein Schmelzefilm, durch den der gesamte Fördervorgang beeinträchtigt wird. Damit maximale Durchsätze bei gegebener Schneckenddrehzahl erzielt werden können, ist das Einzugssystem so auszulegen, dass der einrieselbedingte Abfall des spezifischen Durchsatzes minimiert wird. Die Grenzdrehzahl muss dabei bei anwendungsrelevantem Gegendruck jenseits der maximalen Schneckendrehzahl des Extruders liegen. Das Einzugssystem der neuen KME- Baureihe wurde auf Grundlage praktischer und theoretischer Erkenntnisse vollkommen umgestaltet und neu dimensioniert (Bild 2). Das Hochleistungs-Einzugssystem der neuen Baureihe zeichnet sich aus durch deutlich höhere spezifische Durchsätze und einen minimierten Abfall mit steigender Schneckendrehzahl. Es werden bei der Enddrehzahl 25 bis 30 % höhere Durchsätze erreicht. Thermisch und stofflich homogene Schmelze In der Rohrextrusion wird die thermische Homogenität meist am Erscheinungsbild der Rohrinnenoberfläche beurteilt (Bilder 3 und 4). Thermische Inhomogenitäten führen zu Welligkeit. Ein objektives Maß für die thermische Homogenität gibt es nicht. Welche Inhomogenitäten bzw. welche Oberflächenqualitäten im Rohr noch zulässig sind, hängt stark vom Verarbeiter und den Absatzmärkten ab. Es ist allerdings nicht bekannt, dass sich eine unzureichende thermische Homogenität auf die mechanischen Eigenschaften des Rohres auswirkt. Schmelzetemperatur als Funktion des Durchsatzes Eine gute Homogenität wird grundsätzlich bei optimaler Abstimmung von Rohstoff, Extruder und Rohrkopf erzielt. Oftmals werden Extruder und Rohrkopf als untrennbare Einheit betrachtet. Dies gilt für die thermische Homogenität besonders. Der Extruder erzeugt lediglich eine Rohschmelze. Den Restfeststoff aufzuschließen und die thermische Homogenisierung zu vollenden, ist die Aufgabe des Rohrwerkzeugs. Um den thermischen Ausgleichsvorgängen die notwendige Zeit zu geben, werden die Volumina der Rohrköpfe groß gehalten. Mit dem Wendelverteilersystem und den damit deutlich i Hersteller Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH Krauss-Maffei-Straße 2 D München Tel. +49 (0) 89/ Fax +49 (0) 89/ info@krauss-maffei.de Bild 5. Vergleich von 30D-Standardverfahrenseinheit und 36D-Hochleistungsverfahrenseinheit: identische Zylindertemperaturprofile; Schneckendurchmesser: 75 mm; Massedruck: bar; Material: PE 100 (Typ: HE3490LS, Hersteller: Borealis) [5] kompakteren Rohrköpfen, muss der Extruder nahezu die gesamte Aufschmelzleistung und thermische Homogenisierung übernehmen. Aus Sicht des Verarbeiters ist dies positiv, weil Extruder mit beliebigen Werkzeugen kombiniert werden können und die Vorteile der neuen Rohrkopfbaureihen bezüglich der Verweil- und Spülzeiten genutzt werden. Dieser Zugewinn an Flexibilität bei gleichzeitigem Anstieg des Massedurchsatzes wird nur erreicht, wenn die Aufschmelzleistung und das Homogenisiervermögen des Extruders in gleichem Maße gesteigert werden. Die integrale Leistungsbilanz an der Verfahrenseinheit darf sich nicht wesentlich ändern, d. h. die erforderliche werkstoffspezifische Enthalpie-Erhöhung muss in der Verfahrenseinheit erzielt werden. Ein klassischer Weg, den Ausstoß zu steigern und dabei der Aufschmelzleistung und Homogenisierung gerecht zu werden, besteht in der Verlängerung der Verfahrenseinheit [6]. Damit ergeben sich wesentlich mehr Möglichkeiten, die ther- 96 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 12/2005

4 EXTRUSION Drehzahl-Durchsatz-Verhalten einer 90 mm-schnecke Bild 6. Ausstoßleistung einer KME 90-36B bei einem konstanten Massedruck von 220 bar. Verarbeitetes Material: PE 100 (Typ: HE3490LS, Hersteller: Borealis) [5] Drehzahl-Durchsatz-Verhalten einer 75 mm-schnecke Kunststoffe 12/2005 Bild 7. Ausstoßleistung einer KME 75-36B bei einem konstanten Massedruck von 220 bar. Verarbeitetes Material: PE 100 (Typ: HE3490LS, Hersteller: Borealis) [5] Druck-Durchsatz-Verhalten Bild 8. Ausstoßleistung einer KME 75-36B bei einer konstanten Schneckendrehzahl von 180 1/min. Der Massedruck wurde mit einem Drosselwerkzeug in einem Bereich von 220 bis 430 bar variiert. Die benötigte Kühlwassermenge wurde für einen Sollwert von 60 C gemessen. Das verarbeitete Material war ein PE 100 (Typ: HE3490LS, Hersteller: Borealis) [5] mische Homogenität bei gleich bleibend niedriger Schmelzetemperatur deutlich zu verbessern. Zusätzlich eröffnen sich durch die längere Verfahrenseinheit neue Wege bei der Direktextrusion eines Basiswerkstoffs mit Farbmasterbatch, Additiven, Regenerat oder Abmischungen, z. B. PE-HD und PE-LD. Bei diesen Verfahrensaufgaben steht die stoffliche Homogenität als Anforderung im Vordergrund. Unter stofflicher Homogenität verstehen wir die Zerteilungs- und Verteilungsgüte von Zusatzkomponenten im Basiswerkstoff. Mit dem 36D-Verfahrenskonzept ist dies ohne Schneckenumbau und Anbau zusätzlicher Scher-/ Mischteile und 3D-Zylinderverlängerung möglich. Die Anforderungen an niedrige Massetemperaturen werden dabei erfüllt. Kontrollierte Scherdeformation und Schmelzetemperatur Die Befürchtung, dass die Verlängerung der Verfahrenseinheit zwangsläufig zu höheren Massetemperaturen führt, ist nicht begründet. Dies kann nur passieren, wenn elementare verfahrenstechnische Grundsätze, wie beispielsweise die Leistungsbilanz nicht beachtet werden. Der Vergleich des Massedurchsatzes bei einer 30D-Standardverfahrenseinheit und einer 36D-Hochleistungsverfahrenseinheit zeigt, dass bei hohen Massedurchsätzen durch die Verlängerung der Verfahrenseinheit und die Erhöhung des spezifischen Durchsatzes die Schmelzetemperatur sogar gesenkt werden kann (Bild 5). Beim neu entwickelten Barriere- Mischschnecken-Konzept wurde die strenge Trennung zwischen Feststoff und Schmelze im Barrierebereich aufgehoben, um gewisse Feststoffanteile dispers aufzuschmelzen. Der disperse Aufschmelzmechanismus lässt sich vergleichen mit dem Aufschmelzen eines Eiswürfels im Whiskyglas. Dem Whisky bzw. der Kunststoffschmelze wird dabei Wärme entzogen. Am Ende des Prozesses steht eine niedrigere (Schmelze-) Mischtemperatur. Die Scherdeformation, das Produkt aus mittlerer Verweilzeit und mittlerer Schergeschwindigkeit, kann als Maß für mögliche Materialänderungen durch Abbau oder Vernetzung herangezogen werden. Wird die Scherdeformation durch die Verlängerung der Verfahrenseinheit nicht verändert, ist auch kein verstärkter Materialabbau zu erwarten. Die mittlere Verweilzeit ergibt sich aus dem freien Volumen der Verfahrenseinheit und dem Massedurchsatz. Werden diese Größen in V 97

5 gleicher Weise gesteigert, bleibt die mittlere Verweilzeit konstant. Die mittlere Schergeschwindigkeit wird aufgrund größerer Kanaltiefen tendenziell geringer. Dies bietet in der Praxis sogar das Potenzial für moderate Drehzahlerhöhungen. Länger statt größer Die Gegenüberstellung der Ausstoßleistungen der alten und neuen KME Extruder-Baureihe zeigt eine durchschnittliche Erhöhung von 25 bis 30 % (Tabelle 1). Tabelle 1. Vergleich der Ausstoßleistungen [kg/h] der 30B- Standardextruder und der 36B-Hochleistungsextruder am Beispiel von PE-HD-Neuware Sofern sich die Anforderung an den Massedurchsatz nicht verändert, ist es dem Verarbeiter hierdurch erstmalig möglich, eine kleinere Extruderbaugröße zu verwenden als bisher. Das heißt, wo bisher eine 90 mm-maschine zum Einsatz gekommen ist, kann jetzt ein 75 mm-extruder verwendet werden. Die Vorteile, die sich hieraus für den Anwender ergeben, sind vielfältig. Die Verweildauer des Materials in der Maschine wird verkürzt. Hierdurch verringert sich die thermische Belastung und die Spülzeit des Extruders. Der benötigte Kühlwasserstrom für Nutbuchse und Getriebe ist geringer. Der Baugrößensprung spart Kosten. Das gilt bei der Neuanschaffung wie auch beim Ersatz von Verschleißteilen. Insgesamt kann durch den Einsatz der kleineren Maschine die Effektivität deutlich gesteigert werden. Praktische Erfahrungen Schneckendurchmesser [mm] Das 36D-Verfahrenskonzept hat sich bisher im industriellen Einsatz bei einer Reihe von unterschiedlichen Anwendungen bewährt, beispielsweise bei der Herstellung von Glattrohr (PE-HD, PP-H, PP-R, PE-Xb), Wellrohr (PE-HD, PP-C), Aluverbundrohr (PP-R) u. a. Das Leistungsvermögen zeigen einige Versuchsergebnisse. Sowohl bei einem Schneckendurchmesser von 90 mm wie auch von 75 mm ist die Linearität des Massedurchsatzes gegeben (Bilder 6 und 7). Bei der Verarbeitung anderer Werkstoffe oder der Zugabe von Regenerat ist ein ähnliches Verhalten zu beobachten. Die Massetemperatur liegt bei maximaler Ausstoßleistung auf einem marktüblichen, niedrigen Niveau. Am Beispiel des 75 mm-extruders ist zu erkennen, dass der spezifische Durchsatz auch bei hohen Gegendrücken und maximaler Schneckendrehzahl nicht abnimmt (Bild 8). Der Extruder arbeitet fördersteif, die Grenzdrehzahl liegt jenseits der maximalen Schneckendrehzahl. Der Kühlwasserverbrauch erhöht sich mit steigendem Gegendruck nicht weiter Ausstoß 30D-Baureihe und weist ein sehr niedriges Niveau auf. Gegenüber dem Standard-Einzugssystem konnte der Kühlwasserverbrauch um rund 75 % gesenkt werden. Zusammenfassung Ausstoß 36D-Baureihe Die 36D-Extrudergeneration macht das große Potenzial in der Rohrextrusion sichtbar, das sich durch eine längere Verfahrenseinheit ergibt. Ausstoßleistungen können bei PE-HD um durchschnittlich 25 bis 30 % gesteigert werden. In den nächsten Jahren sind weitere Leistungsverbesserungen zu erwarten. Die Verlängerung der Verfahrenseinheit führt dabei nicht zwangsläufig zu höheren Massetemperaturen. Deutliche Vorteile ergeben sich auch hinsichtlich der thermischen und stofflichen Homogenisierung. Die Überarbeitung des genuteten Einzugssystems hat wesentliche verfahrenstechnische Verbesserungen gebracht. Der Kühlwasserverbrauch der Nutbuchse konnte um 75 % verringert werden. Wesentlich für den Kunden ist auch, dass durch die 36D-Technologie ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis erreicht wird. LITERATUR 1 Wortberg, J.: Anforderungen an Plastifizierextruder; Optimierungsziele. In: Einschneckenextruder Grundlagen und Systemoptimierung; VDI-Gesellschaft Kunststofftechnik; Düsseldorf März 1993; 2. Auflage, S Wortberg, J.: Einschneckenextruder mit schnelldrehenden Schnecken. In: Extrudieren und Thermoformen von Verpackungsfolien; VDI-Gesellschaft Kunststofftechnik; Düsseldorf 2004, S Potente, H.; Pohl, T.: Einrieselverhalten bei Einschneckenextrudern Füllgrad im Einzugsbereich beeinflusst den spezifischen Durchsatz. Kunststoffe 91 (2001) 6, S Potente, H.; Pohl, T.: Polymer Pellet Flow out of the Hopper into the First Section of a Single Screw. Intern. Polymer Processing XVII (2002) 1, S Interne Versuchsergebnisse; Krauss-Maffei Kunststofftechnik; Potente, H.: Auslegung von Schneckenmaschinen- Baureihen; Carl Hanser Verlag, München 1981 DIE AUTOREN DR.-ING. HENNING STIEGLITZ, geb. 1971, ist technischer Leiter der Krauss-Maffei Extrusionstechnik. M.SC.ENG. DIPL. ING. (FH) FLORIAN SCHNEIDER, geb. 1972, ist Projektleiter in der verfahrenstechnischen Entwicklung der Krauss-Maffei Extrusionstechnik. SUMMARY PLAST EUROPE The 36D Process Concept Opens up New Potential PIPE EXTRUSION. A new process concept increases the melt throughput and therefore the productivity of single-screw extruders. At the same time, thermal and material homogenisation were greatly improved. Significant advantages were achieved by lengthening the process unit. NOTE: You can read the complete article by entering the document number PE on our website at 98 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 12/2005