Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines adaptiven Luftkühlrings zur Massedurchsatzsteigerung bei der Blasfolienextrusion

Wesentliches Optimierungsziel der Folienhersteller ist neben der Materialeffizienz vor allem der Ausstoß der Produktionsprozesse. Limitiert wird der Ausstoß von Blasfolienextrusionsanlagen insbesondere durch die konvektive Folienkühlung.

Daher ist es das Ziel des Forschungsvorhabens, einen neuartigen, adaptiv verstellbaren Luftkühlring für die Blasfolienextrusion zu entwickeln, der die Kühlleistung signifikant verbessern und somit die Produktivität steigern kann. Hierzu wird ein adaptiv verstellbarer Kamin konzeptioniert, der die Kühlluftströmung eines konventionellen Kühlrings in der Schlauchbildungszone konturnah an der Folienblase entlangführt und somit durch die Verstärkung des Venturi-Effekts eine Verbesserung der Kühlleistung bei gleichzeitiger Stabilisierung der Blase ermöglicht.

Es wird zunächst ermittelt, welche Geometrie die Luftführung des Kamins aufweisen muss und anhand dieser Ergebnisse ein adaptiv verstellbarer Kamin mit einer elastischen Luftführungsmembran entwickelt. Die Einflüsse des Kühlrings auf die Folieneigenschaften und den erzielbaren Massedurchsatz werden in Versuchen ermittelt. Um den Einsatz in der Produktion zu erleichtern, wird ein Konzept zum Betrieb des adaptiven Kühlrings anhand von Anforderungen aus Sicht der kmU dominierten Folienproduzenten entwickelt.

Als Ergebnisse gehen das Konzept für einen derartigen Kühlring, die Erkenntnisse zur Gestaltung der luftführenden Geometrie des Kamins sowie die Einflüsse des Kühlrings auf die Prozessstabilität, Folieneigenschaften und den Massedurchsatz hervor.

Davon profitieren vor allem kmU als Hersteller von Nachrüstlösungen für Blasfolienanlagen, die bei den Entwicklungskosten eines solchen Systems sparen und von den Projektergebnissen bei der industriellen Umsetzung profitieren können. Weiterhin können kmU als Folienhersteller die Technologie zur Nachrüstung von bestehenden Anlagen nutzen, um mit geringen Investitionen ihre Produktivität zu steigern.

Ergebniszusammenfassung:

Mit einer iterativ weiterentwickelten flexiblen Luftführungseinheit war es letztlich möglich, den Venturi-Effekt prozesspunktunabhängig durch eine im laufenden Betrieb an die Foliengeometrie anpassbare luftführende Membran hervorzurufen. Die Verstellung der Membran erfolgte dabei mit Hilfe von Irisblenden. Durch die Ausbildung des Venturi-Effektes waren Massedurchsatzsteigerungen im Vergleich zum konventionellen Blasfolienprozess für verschiedene Polyolefine (PE-LD, PE-LLD, PE-HD und PP) im Mittel um ca. 30 % möglich. Je nach Prozesspunkt konnte eine Steigerung von bis zu 60 % erzielt werden. Durch den Einsatz der LFE kommt es allerdings über dem Umfang zu einer Zunahme der Foliendickenschwankung von ca. 3-4 %. Während die Luftführungseinheit die Foliendickenschwankung negativ beeinflusst, wirkt sich deren Einsatz jedoch positiv auf die mechanischen Folieneigenschaften aus. So kommt es sowohl zu einer Erhöhung der Bruchspannungen von ca. 5 % als auch der Schrumpfeigenschaften von ca. 10 %. Die Mehrheit der optischen Folieneigenschaften bleibt unabhängig des Einsatzes der Luftführungseinheit konstant. Lediglich die Folientrübung erhöht sich in einem geringen Maß von ca. 3 %. Für eine automatisierte Einstellung der LFE in Abhängigkeit der Prozessparameter wurde zudem eine Regelstrategie entwickelt. Eine analytische Prozessmodellierung zeigte dabei keinen ausreichenden Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und der Einstellung der Luftführungseinheit, weshalb auf eine Modellierung mittels Fuzzy-Logik zurückgegriffen wurde, auf deren Grundlage eine sehr genaue Regelung ermöglicht wurde.

Die Forschungsergebnisse können in der gesamten Blasfolienextrusionsbranche genutzt werden. Neben den kmU-lastigen Extrusionsbetrieben profitiert auch der durch kmU geprägte Werkzeugbau, der die neue Technologie umsetzen und vertreiben kann. Somit können die Ergebnisse branchenübergreifend von einer großen Anzahl vom kmU genutzt werden.