Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ressourceneffizienz, Qualitätssteigerung und Erhöhung der Produktivität durch Schmelzeeinkapselung im Extrusionswerkzeug

Aufgrund geringer Gewinnmargen und steigender Rohstoffkosten unterliegt die Extrusionsbranche einem hohen Kostendruck. Eine stetige Verringerung der Rohstoffkosten bei Steigerung der Produktivität und der Qualität ist notwendig.

Die Rohstoffkosten sind mit einem Anteil von bis zu 80 % preisbestimmend. Insbesondere die Ausschussproduktion durch Materialwechsel (bis 48 % des Rohstoffverbrauches) ist zu verringern. Außerdem ist die Produktivität oft durch den maximalen Druck im Extrusionswerkzeug begrenzt, der zu Lasten des Durchsatzes verringert wird. Durch die Steigerung der Produktqualität ist entweder ein Downgauging oder der Einsatz des Produktes in anspruchsvolleren Anwendungen möglich.

Problematisch ist die Interaktion der Schmelze mit der Werkzeugwand. Durch die Wandhaftung kommt es zu langen Verweilzeiten und hohen Druckverlusten. Dies führt zu langen Materialwechseln, hohen Drücken und Abbaureaktionen des Kunststoffes.

Durch das Auftragen eines Gleitfilms auf die Kunststoffschmelze soll diese vor dem Extrusionswerkzeug eingekapselt werden. Der Kontakt des Polymers zur Werkzeugwand wird so verhindert.

Durch den niedrigviskosen Gleitfilm wird die Parabelströmung mit Wandhaftung in eine Blockströmung umgewandelt. Das Verweilzeitspektrum im Extrusionswerkzeug wird verkürzt, so dass ein Materialwechsel wesentlich schneller erfolgt. Die Reduktion der Viskosität an der Werkzeugwand senkt den Werkzeugdruck. Der Durchsatz oder der Füllstoffgehalt können im Gegenzug gesteigert werden. Ablagerung der Schmelze auf der Werkzeugoberfläche, Stippen und Fließmarkierungen werden verringert und die Qualität verbessert.

Ziel des Vorhabens ist eine Verfahrenstechnik zur Einkapselung der Kunststoffschmelze vor dem Extrusionswerkzeug. Dies umfasst die Konstruktion und Fertigung eines geeigneten Einkapselungselementes, das in die Extrusionslinie integriert wird, die Entwicklung der Prozesstechnik und die Bestimmung geeigneter Medien zur Einkapselung.

Ergebniszusammenfassung:

Es konnte gezeigt werden, dass die Schmelzeeinkapselung einen deutlichen Einfluss auf die Prozessgrößen Druckverlust und Massedurchsatz hat. Es konnten Reduzierungen des Druckverlustes von bis zu 90 % gegenüber dem Referenzversuch ohne Einkapselung aber auch gegenüber Versuchen mit Einsatz eines industriell etablierten Verarbeitungshilfsmittels erzielten werden. Der Massedurchsatz konnte ebenfalls positiv beeinflusst und erhöht werden. Es zeigte sich aber auch ein deutlicher Einfluss auf die erzielten Oberflächenqualitäten in Abhängigkeit der Einkapselungsmaterialien und deren Schichtdicken. Entsprechend den Untersuchungen von Lamnawar et al. konnte gezeigt werden, dass eine möglichst geringe Schichtdicke, d. h. wenige Mikrometer, eingestellt werden sollte, um einen stabilen Prozess zu gewährleisten und mögliche Fließinstabilitäten zu vermeiden, welche sich negativ auf die Oberflächenqualität auswirken. Es bleiben allerdings einige offene Fragestellungen, die in nachfolgenden Untersuchungen zu klären sind: So muss der Einfluss der niedrigviskosen Einkapselungsmaterialien auf Weiterverarbeitungsprozesse, wie z. B. das Thermoformen, oder die Schweißbarkeit bei der Rohrextrusion untersucht werden. Weiterhin kann das veränderte Fließverhalten deutlichen Einfluss auf das Schwellverhalten bei der Profilextrusion haben. Im Bereich der Folienextrusion muss auch der Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, z. B. die maximale Dehnung von Folien, untersucht werden.