Doppelschneckenextruder

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Die Bedeutung eines Doppelschneckenextruders

Doppelschneckenextruder werden der Klasse der Mehrwellenextruder zugeordnet und sind Maschinen, welche im Bereich der Kunststofftechnologie zur Bearbeitung von thermoplastischen Kunststoffen verwendet werden. Diese werden in die Gruppe der Extruder eingeordnet. Auf dem Gebiet der Kunststofftechnik dienen die Maschinen der Formgebung (Extrusion), der Aufbereitung und dem Schmelzen der Kunststoffe. Das zu bearbeitende Polymer wird dazu im Extruder durch zwei drehende Schneckenwellen gestreckt durch einen Zylinder gefördert, der beheizbar ist. Hierbei wird das Material geschmolzen.

Der Aufbau eines Doppelschneckenextruders

Das bedeutendste Element sind die zwei Schneckenwellen, die verfahrenstechnisch von großer Bedeutung sind. Diese befinden sich in einem Zylinder, welcher mit einer achtförmigen
Aussparung ausgestattet ist und fassen ineinander. Die verwendeten Laborextruder in Bezug auf eine stetige Umrüstung aus verschiedenen Komponenten aufgebaut. Dabei erfolgt die
Lagerung der Schnecken einzeln.

Die Schnecken sind über eine Keilwellenverbindung und einer Passfederverbindung mit der Stufe des Betriebes verbunden, welche diese hochkurbelt. Das Getriebe des Extruders wird meistens durch einen elektrischen Motor angetrieben. Die thermoplastischen Materialien werden in einer Vorstufe auf circa 20 Grad Celsius über dem Schmelzpunkt des eingesetzten Materials erwärmt. Dies passiert durch elektrisch betriebene Heizpatronen oder mithilfe spezieller Schalen. Die Erwärmung erfolgt generell je Schuss, sodass diese an die Vorgaben des gesamten Prozesses angeglichen werden kann. Die Kühlung des Gehäuses eines Zylinders erfolgt mithilfe verschiedener Wasserkreisläufe, welche durch Relaisschaltungen gelenkt werden. Dieser Vorgang dient der Prophylaxe der Überhitzung des zu bearbeitenden Materials, welche mit einem schädlichen Abbau des Materials einhergeht.

Die Kühlung und die Heizung werden allerdings nicht zur Schmelzung des Kunststoffs verwendet. Diese Prozesse dienen nur der genauen Temperierung des Schmelzprozesses.
Die Aufschmelzung des Kunststoffs wird durch die Einführung der Energie erreicht, die durch die Drehung der Schnecken erzeugt wird. Damit ist die Antriebsleitung bedeutend für den
gesamten Aufschmelzprozess.

Eine Doppelschneckenextrudermaschine ist eine elektrisch betriebene Maschine, welche in der Lebensmittelindustrie sowie in der Kunststofftechnik Anwendung findet und gehört zu den Mehrschneckenextrudern. Die PLAMA Engineering GmbH kann hierzu als bedeutender Hersteller beraten. Im Bereich der Kunststofftechnik werden diese Extruder zum Recyceln, Compoundieren und zur Formgestaltung von aufgeschmolzenem Kunststoff eingesetzt. Dazu wird das eingesetzte Material wie zum Beispiel Polyethylen, Polypropylen oder PET durch zwei drehende Wellen durch einen elektrisch beheizten Zylinder hindurch gefördert und hierbei geschmolzen.

Die bedeutendsten Komponenten der Doppelschneckenextrudermaschine sind die zweisegmentierten Wellen, welche die zusammenhängend in einem gegliederten Zylinder liegen, welcher eine achtförmige Bohrung besitzt. Doppelschneckenextruder ist durch die Arbeitsweise und der modularen Anordnung eine multifunktionell arbeitende Maschine. Der Erfolg in der Produktion der Stückzahl ist sehr eng mit dem Erfolg der Kunststoffe in der Wirtschaft verbunden. Die wirtschaftlichen Funktionen von Extrudern im Bereich der Kunststoffindustrie sind das Aufschmelzen von Granulaten oder Pulvern aus Kunststoff oder die Einarbeitung von Kunststoffen in die zu schmelzende Masse.

Die Geschichte der Doppelschneckenextrudermaschine ist noch jung. Diese begann mit der rationalen Herstellung von Rohren aus Hart-PVC für die Versorgung mit Wasser. 1935 wurden die Hart-PVC-Rohre erstmals als Druckrohre in der Wasserversorgung verwendet. Die Brüder Wilhelm und Anton Anger hatten danach zu Anfang der 50er Jahre ein Verfahren zur Extrudierung vom Pulver zu einem Rohr in nur einem Arbeitsgang entwickelt und fast zugleich gelang es ihnen, das Problem der kunststoffgerechten Verbindung von Rohren zu lösen.

Im Jahre 1954 verbesserte das Unternehmen Anger einen sogenannten Mapre-Extruder. Kurze Zeit später wurden schon die ersten Doppelschneckenextruder gebaut, die selbst entwickelt worden waren. Dabei handelte es sich um 3-Zonen-Schnecken. Bei den zweipoligen drehenden Doppelschneckenextrudern haben sich mittlerweile zwei Bauausführungen durchgesetzt. Dies sind konische und parallele Doppelschneckenextruder. Die gegenläufigen Doppelschneckenextrudermaschine wird in erster Linie für die Produktion von Halbzeugen wie Rohre, Profile und Platten verwendet. Diese Halbzeuge werden meistens aus hartem UPVC oder U-PVC, das geschäumt ist, produziert. Ein weiteres Gebiet der Verwendung ist die Granulierung von Weich- und Hart-PVC. In den vergangenen Jahrzehnten wurden die Leistungen beim Ausstoß der parallelen Doppelschneckenextrudermaschine stetig gesteigert. Die verschiedenen Ausführungen der Maschinen werden anhand verschiedener Verwendungsgebiete betrachtet. Dies sind der Profil-, Rohr-, Platten- und der Granulierextruder.

Bauformen von Doppelschneckenextrudermaschinen

Je nach Abstand der Achsen zwischen den Wellen der Schnecken sowie der Rotationsrichtung wird zwischen tangierender Gleichdralldoppelschnecken-, dichtkämmenden Gleichdralldoppelschnecken-, tangierenden Gegendralldoppelschnecken- und dichtkämmenden Gegendralldoppelschneckenextrudern unterschieden

Die Gegendralldoppelschneckenextruder geben nur wenig Scherung in das zu bearbeitenden Material ein und beladen dies zugleich eher wenig. Diese Extruder werden deshalb zum Beispiel bei der Verarbeitung von temperaturempfindlichen Kunststoffen wie PVC angewandt. Der wichtigste Bautyp ist grundsätzlich der dichtkämmende Gleichdralldoppelschneckenextruder.

Die Gestaltung der Schnecken

Die Gestaltung der Schnecken geschieht in Zusammenhang mit der Konzeption der notwendigen Prozessschritte. Zur Ausführung von verschiedenen Aufgaben stehen eine große Zahl unterschiedlicher Möglichkeiten der Gestaltung bereit.

Die Verfahrenszonen von Doppelschneckenextrudermaschinen

Prinzipiell können verschiedene verfahrenstechnische Gebiete über die Länge von Doppelschnecken charakterisiert werden.

In der Einzugszone wird das Kunststoffmaterial eingezogen, aufgeschmolzen und gefördert. In der Kompressionszone wird das Material durch die geringe Gangtiefe oder größer ausfallende Steigung geronnen, wodurch der Grad der Füllung im Gang der Schnecke zunimmt und nach Erreichen der Füllung der Druck immer weiter ansteigt. Durch in die Schnecke integrierte Mischzonen wird die Leistung des Mischens erhöht. Dies ist vor allem für die homogene Mischung von Zusatzstoffen wie Färbemittel, von Bedeutung. Um die flüchtigen Zusätze aus der Schmelze zu entziehen, muss der Füllungsgrad im in den Entgasungszonen unter 100 Prozent liegen, da sonst die Schmelze in die Entgasungsstutzen gedrückt wird. Die Austragszone ist für den nötigen Aufbau des Drucks verantwortlich um den Fließwiderstand in dem Werkzeug zu bezwingen.

Geometrische Beziehungen

Die Wirkung des Förderns beruht im Schneckenextruder auf dem Grundsatz der Zwangsförderung. Dabei übergibt die entfernende Flanke der einen Schnecke die fertige Schmelze am sogenannten Zwickelpunkt der Flanke der weiteren Schnecke, die auftreibend wirkt. Dadurch kommt es zu Umlagerungen der Strömung sowie zu einer Scherung des Kunststoffs. Im Eingangsbereich werden die Elemente der Schnecke zur Steigerung der Förderleistung an der fördernden bzw. schiebenden Flanke abgeflacht. Diese Bestandteile werden Schubkantenelemente genannt. Um eine separate Mischwirkung zu erreichen, werden Knet- und Zahnmischelemente angewandt. Diese können fördertauglich oder nicht fördertauglich ausgeführt sein.

Die Besonderheiten

Die Doppelschneckenextrudermaschinen sind in der Herstellung erheblich preisintensiver als die Einschneckenextruder. Dieser Aspekt liegt einerseits an dem geringeren Einsatzgebiet und den geringen Stückzahlen sowie an der teureren Technik in den Maschinen. Wegen der hohen Belastungen im Bereich des Zwickels werden die Schnecken in die äußere Richtung gedrückt und müssen daher besonders biegefest sein. Außerdem müssen sie hierdurch verschleißfester und härter ausgeführt werden als jene Schnecken für die Einwellenextrudermaschinen. Kostspieliger zu fertigen und zu gestalten ist außerdem die Lagerung sowie die achtförmige Bohrungsart.

Die Einsatzgebiete

In der Kunststoffindustrie werden Doppelschneckenextruder wegen ihrer guten Mischungswirkung für verschiedene Zwecke verwendet. Dazu gehören die Aufbereitung von Kunststoffen sowie die Mischung von Zuschlagsstoffen. Auch das Recycling, die reaktive Extrusion sowie die Compoundierung werden ausgeführt. In der chemischen Industrie erfolgt der Einsatz zugleich für die Entgasung von Kunststoffen und für die Kristallisation. Weiterhin werden die Extruder zur Formgebung in der lebensmittelverarbeitenden Industrie und zur Herstellung von Tiernahrung verwendet.

Die Hersteller

Hersteller von Doppelschneckenextrudern sind in Deutschland die PLAMA Engineering GmbH, Leistritz, Berstorff, Krauss-Maffei und Coperion Werner & Pfleiderer

Das Compoundieren

Die Compoundierung (to compound, „zusammensetzen“) ist eine Definition aus der Kunststofftechnik, der die Beimischung von Zusatzstoffen zur Erzielung der gewünschten Eigenschaftsprofile. Der Prozess erfolgt vorwiegend in Extrudern und umfasst die Prozesse Fördern, Dispergieren, Aufschmelzen, Entgasen, Mischen, Extrusion und Druckaufbau. Die Compoundierung in ihrem zugleich Aufbereitung genannt werden. Durch vornehmliche Erkenntnisgewinne auf diesem Gebiet können seit dem 20. Jahrhundert Formmassen aus Kunststoff mit einem Spektrum „nach Maß“ gefertigt werden.

Durch die Erneuerung wird aus dem Rohstoff eine Formmasse aus Kunststoff mit bestmöglichen Eigenschaften für die Anwendung und die Verarbeitung erzeugt. Dies geschieht vor allem durch die Einarbeitung der Additive, die Änderung der Teilchengröße sowie durch die Entfernung von Bestandteilen.

Die Änderung der Teilchengröße

Rohstoffe in Pulverform, grobe Harze, Kunststoffabfälle oder Fasern oder in unregelmäßiger Form werden zu Granulaten verarbeitet, welches zur Beschickung der Maschinen geeignet ist. Die Additive werden dem Rohstoff als Granulat, Pulver, Paste oder Flüssigkeit zugeführt und mit diesem homogen vermengt. Wenn dem Kunststoff auch Faserstoffe zugesetzt werden, die nach dem Verarbeiten noch als eigenständige Komponente zu erkennen sind, wird von einem Verbundwerkstoff gesprochen.

Die Entgasung und die Trocknung ist ein weiterer wichtiger Vorgang. Vor der weiteren Verarbeitung sollen der Formmasse niedermolekulare Inhaltsstoffe und Feuchtigkeit entzogen werden, was als Entgasen bezeichnet wird.

Aufbereitungsverfahren

Der Mischprozess kann in der zähflüssigen und in der Feststoffphase ausgeführt werden. Bei der Vermischung in der Feststoffphase ist vor allem die gleichmäßige Verteilung aller Kunststoffpartikel von Bedeutung, weil die Zusatzstoffe schon in gemahlener Form vorliegen. Bei der Vermischung in der Feststoffphase geht es um eine Vormischung vor dem folgenden Mischen im geschmolzenen, das „viskoses Mischen“ genannt werden kann.

Die viskose Mischung kann verschiedenen Zielen dienen. Dies sind die Aufschmelzung des Polymers sowie der zusätzlichen Stoffe, die Zerteilung der Feststoffagglomerate (Zusammensetzungen), die Benetzung der Zusatzstoffe mit der Polymerschmelze sowie die gleichmäßige Verteilung der Komponenten. Zur Aufbereitung gehört auch die Abtrennung unerwünschter Bestandteile. Die zur viskosen Mischung benötigte Wärme wird vor allem durch Reibung und durch Scherung hervorgerufen.

Unter dem distributivem Mischen wird die gleichmäßige Verteilung der Partikel innerhalb der Formmasse verstanden.
Das dispersive Mischen ist die Zerkleinerung und die Verteilung der zu vermischenden Komponenten.

Um die Diffusion und die Absorption vom Hilfsstoff auf das Granulatkorn zu optimieren, muss der Kunststoff unter erhöhter Temperatur vermischt werden. Hierbei kommt ein Kühl- und Heizmischsystem zur Anwendung. Der Kunststoff wird im Heizmischer vermischt und fließt im Anschluss in den Kühlmischer, wo dieser zwischengespeichert wird. So werden die „Dry Blends“ produziert, die verbesserte Rieseleigenschaften besitzen als die noch warme Formmasse, welche im Extrudereinzug verklumpen kann.

Der kontinuierliche Mischer kommt vor allem bei der viskosen Mischung zum Einsatz.

Der Planetwalzenextruder ist zur Aufbereitung empfindlicher Materialien geeignet, bei welchen eine exakte Führung der Temperatur notwendig ist. Zugleich können erhöhte Füllstoffgrade dabei erreicht werden.

Eine sehr effektvolle Vermischung ist im Ko-Kneter möglich, einem besonderen Einschneckenextruder, welcher sowohl eine translatorische und eine rotatorische Bewegung ausführen kann. Dieser zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass Scherung mit niedrigen Schergeschwindigkeiten und von der Baugröße unabhängig zugeführt werden kann. Dieser wird vor allem für die Compoundierung von hochviskosen, hochgefüllten und hochabrasiven Compounds sowie für temperaturempfindliche Polymere verwendet.

Als weiteres einmaliges Feature gelten jene in den Mischraum verwendeten Knetbolzen oder -zähne. Diese können im gebohrten Zustand als Stellen zur Einspritzung dienen, welche eine direkte Vermischung im Schmelzepool ohne ein Verschmieren gestattet und somit reaktive Extrusionsprozesse logisch steuert. In einem hohlgebohrten Zustand dienen diese als genaue Messtellen für die Produkttemperatur. Diese ist so genau, dass viele Nutzer diese als Messgröße für die netzgesteuerte Überwachung der Verfahren nutzen.

Die Aufgabe des Extruders besteht vor allem darin, die ihm zugeführte Masse an Kunststoff einzufordern, zu verdichten, zu plastifizieren und zu mischen sowie unter Druck einem Werkzeug zuzuführen, das die Form vorgibt. Das wichtigste Einsatzgebiet eines gleichläufigen Extruders liegt in der Aufbereitung von Kunststoffen. Anwendung findet dieser zugleich in der Herstellung und der Verarbeitung von Polymeren.

Compoundierextruder und Doppelschneckenextruderapparate führen generell verschiedene Arbeitsschritte aus. Dazu gehören die Aufbereitung und Granulierung, die Füllung und die Verstärkung von Kunststoffen. Doppelschneckenextrudermaschinen, die ein gleichläufiges Schneckenpaar besitzen, eignen sich optimal zur Compoundierung bzw. Aufbereitung von Kunststoffen. Eine gleichläufige Doppelschneckenextrudermaschine wird in verschiedene Verfahrenszonen aufgeteilt. Die Zonen sind gekoppelt und können nur zusammen betrachtet werden.

Weil die meisten Verarbeiter das Polymer als Granulat brauchen, spielt die Granulierung eine bedeutende Rolle. Generell wird dabei zwischen Kalt- und Heißabschlag unterschiedenen, je nach Verarbeitungsart resultieren hieraus unterschiedliche Kornformen. Dieses sind die Linsenkornform oder Perlen oder die Würfelformen, welche beim Kaltabschlag gebildet werden.

Die Einteilung der Granulierung

Beim Heißabschlag wird der Strang der Extrusion gleich nach der Düse durch ein mit rotierendes Messer zerkleinert, das mit Wasser überströmt ist. Das Wasser inhibiert das Verkleben der Granulatkörner und kann das Material abkühlen. Meist wird zum Kühlen Wasser benutzt, aber es kann zugleich auch Luft benutzt werden. Die Wahl des korrekten Kühlmittels ist anhängig vom Werkstoff. Der Nachteil einer Wasserkühlung ist, dass das Granulat im Anschluss separat zu trocknen ist.

Beim Kaltabschlag werden die Stränge vorab durch ein Bad aus Wasser gezogen und im Anschluss im festen Zustand durch eine Messerwalze in die jeweilige Länge geschnitten.

Zur Regelung und zur Kontrolle der Compoundierung sind die dafür verwendeten Doppelschneckenextrudermaschinen mit Sonden zur Messung versehen. Zur Prozessregelung wird wenigstens die Bestimmung der Massetemperatur und des -drucks benötigt. Weitere Messverfahren Qualitäts- und zur Prozesskontrolle der Schmelze sind zum Beispiel die Farbmessung innerhalb der Schmelze, die dielektrische Spektroskopie oder die Ultraschallmesstechnik.