Optimiertes Extrusionsschneckendesign maximiert Durchsatz und Qualität

Del Williams | 11. Okt. 2021

In der Kunststoffindustrie sind Doppelschnecken das Herzstück des Extrusionsprozesses, der Rohstoffe in starre PVC-Rohre oder -Profile umwandelt. Diese hochentwickelten Komponenten sind ein wesentlicher Bestandteil beim Transportieren, Komprimieren, Mischen, Erhitzen, Kühlen, Scheren und Pumpen einer Vielzahl viskoser Substanzen durch Formen in stark strukturierte Produkte. Daher sind die Schrauben auch die Hauptfaktoren für den Produktionsdurchsatz und die Endqualität.

Angesichts der entscheidenden Rolle, die Schrauben im Extrusionsprozess spielen, unterschätzen viele Hersteller von Hart-PVC-Rohren oder -Profilen weiterhin die Auswirkungen eines optimierten Schneckendesigns, wenn es unweigerlich an der Zeit ist, sie zu ersetzen. Angesichts der Variabilität der verwendeten Rohstoffe, Rezepturen, Zusatzstoffe und Füllstoffe sind Schrauben keine Standardteile, die je nach Produktkategorie einfach „ausgetauscht“ werden können.

Ein optimiertes Design hingegen ist ein beratender Ansatz, bei dem jeder Parameter des Prozesses bewertet wird, um eine maßgeschneiderte Lösung zu erstellen, die zur Anwendung passt. In Verbindung mit einem Ersatzschneckenlieferanten mit umfassender Konstruktionskenntnis und einem tiefen Verständnis der Extrusionsprozesse verwandelt sich der Schneckenaustausch von einer Aufgabe in eine Gelegenheit für Hart-PVC-Extruder, ihren Prozess zu verfeinern, aktuelle Verarbeitungs- und Produktqualitätsprobleme zu lösen und sogar Stellen Sie sicher, dass der nächste Austausch weiter in der Zukunft liegt.

Hart-PVC wird häufig zur Herstellung von Rohrextrusionen, aber auch Profilen für Produkte wie Vinyl-Klickböden verwendet. Die ideale Verarbeitung von Hart-PVC erfordert eine Schneckenkonstruktion, die eine sehr gleichmäßige Erwärmung des Materials auf eine Temperatur von etwa 150 °C ermöglicht, wobei alle Zusatzstoffe gleichmäßig um das Pulverkorn verteilt sind. Das Material/Pulver wird dann geschert und auf eine Endtemperatur erhitzt, die eine optimale Gelierung und Homogenität der Eigenschaften ermöglicht. Die Endprozesstemperaturen liegen bei 180°C bis 200°C.

Bei diesem Verfahren verfügen Doppelschneckenextruder über zwei ineinandergreifende identische Schnecken, die in einem passenden Zylinder untergebracht sind. Das Design kann parallel oder konisch sein. Bei der Doppelschneckenextrusion wird das zur Rohrherstellung verwendete PVC/cPVC (chloriertes Polyvinylchlorid) gefördert, komprimiert, entgast, plastifiziert, geschert, geknetet, geschmolzen und homogenisiert, bevor es in die Düse gelangt.Sowohl parallele als auch konische Schnecken werden auch für die Verarbeitung von uPVC (weichmacherfreies Polyvinylchlorid) und cPVC für Türen und Fenster verwendet.

Unter diesen Schneckentypen hat die konische Schnecke einen großen Einzugsbereich und ein einfacheres Getriebe, aber aufgrund der begrenzten Schneckenlänge eine geringe bis mittlere Leistung. Parallele Doppelschnecken unterliegen hingegen keiner Längenbeschränkung. Der Unterschied spiegelt sich im Schlüsselparameter wider, der als Länge über Durchmesser (L/D) bekannt ist und das Verhältnis der Schneckensteglänge zu ihrem Außendurchmesser darstellt.

„Vor 30 Jahren hatten Schrauben etwa 20 L/D und vor 15 Jahren etwa 30 L/D. Heutzutage laufen viele Schnecken mit 40 L/D“, sagt Shayan Moin, der über einen MSE in Polymertechnik verfügt und Präsident von UniSol ist, einem technischen Vermarkter für Spezialpolymere mit Sitz in Ontario, Kanada und Erfahrung in der Herstellung von Schnecken und Zylindern für Kunststoffextrusionslinien.

Unabhängig davon, ob die Schnecke konisch oder parallel ist, ist die Verschleißlebensdauer beim Extrudieren anspruchsvoller Materialien ein Problem. Bei Hart-PVC müssen Extruder aufgrund abrasiver oder korrosiver Füllstoffe in der Regel innerhalb von ein bis vier Jahren die Schnecke austauschen. „PVC enthält Füllstoffe wie Talkum oder Kalziumkarbonat, die den Schraubenverschleiß beschleunigen. Daher müssen einige Schrauben in ein bis eineinhalb Jahren ausgetauscht werden. Andere mit einer guten Formulierung und sehr sorgfältiger Anwendung könnten vier Jahre halten“, sagt Moin.

In den meisten Fällen sind die Anzeichen von Schraubenverschleiß deutlich, wenn auch subtil. Schneckenverschleiß kann sich entweder auf die Verarbeitung oder die Produktqualität auswirken. Zu den Symptomen gehören ein verringerter Durchsatz, ein erhöhter Einsatz elektrischer Wärme, der Bedarf an mehr Zusatzstoffen oder der Geruch von verbranntem Material während der Produktion. Durch abrasiven Verschleiß kann es auch zu Rückständen in der Hauptzufuhröffnung, an den Seitenzuführungen und in der Druckzone der Matrize kommen, was die Produktivität weiter verringert.

Das Problem des Schneckenverschleißes nicht anzugehen, kann für Extruder kostspielig sein.

„Während der Abfallanteil bei einer Hart-PVC-Rohranwendung normalerweise im Bereich von 1,5 % liegt, kann die Abfallrate bei verschlissenen Schrauben bis zu 10 % betragen“, sagt Moin.

Ein weiteres Anzeichen für Verschleiß ist die Zeit, die der Extruder benötigt, um die Produktion für neue Rohrdimensionen in Gang zu bringen. Normalerweise beträgt sie ein bis zwei Stunden. „Wenn die Schnecke verschlissen ist, dauert das Umschalten auf eine andere Rohrdimension zwei- bis viermal länger“, fügt er hinzu.

Wenn Schneckenverschleiß zu verbranntem Material führt, kann es zu erheblichen Produktionsausfällen für die Reinigung kommen.

„Wenn Material brennt, müssen Extruder möglicherweise alle paar Tage die Produktionslinie anhalten, um die Schnecken zu reinigen. Normalerweise müssen sie es nie reinigen. Wenn die Schrauben jedoch stark abgenutzt sind, ist eine stärkere Reinigung erforderlich und das kostet mehr Arbeitsaufwand“, sagt Moin.

Allerdings meistern Extruder häufig Schnecken- oder Leistungsprobleme durch den Einsatz zusätzlicher Additive. Da 80 % der Kosten in der Formulierung anfallen, kann die Reduzierung der Anzahl und Menge der Zusatzstoffe die Betriebskosten senken.

„Meistens benötigt der Hersteller nicht wirklich weitere Additive – er muss lediglich den Prozess mit gut konzipierten Ersatzschnecken optimieren“, sagt Moin.

Traditionell begegnen Schraubenhersteller Verschleißproblemen durch die Auswahl von Stahlwerkstoffen und durch das Aufbringen verschleißfester Beschichtungen. Bei parallelen Doppelschnecken können Bimetallzylinder und Schnecken mit Wolframkarbid auf der Lauffläche zur Langlebigkeit beitragen. Bei konischen Schnecken kann ein ähnlicher Ansatz zusammen mit einer speziellen Ummantelung dem Verschleiß widerstehen.

Die Verbesserung des Verschleißschutzes geht jedoch weit über das Aufbringen von Beschichtungen hinaus. Die bessere Lösung besteht laut Moin darin, die verschlissenen Schrauben durch ein optimiertes Design zu ersetzen, das den Verschleiß um bis zu 60 % reduzieren kann.

„Verschleiß entsteht in den meisten Fällen durch plötzliche Druckanstiege, die zu Schmelzturbulenzen führen, die die Schnecke beschädigen“, erklärt Moin. „Extruder können den Verschleiß reduzieren, wenn sie so konstruiert sind, dass diese plötzlichen Druckanstiege vermieden werden.“

Für die Konstruktion und Herstellung von Schnecken und Zylindern arbeitet UniSol mit GermanTwinscrewS (GTS) zusammen, einem deutschen Hersteller mit jahrzehntelanger Erfahrung im Bereich der Kunststoffextrusion. GTS hat Zehntausende Schrauben hergestellt und an Kunden in mehr als 100 Ländern geliefert und eine Datenbank mit Materialien, Rezepturen, Parametern und OEM-Designs aufgebaut. Darüber hinaus hat das Unternehmen eine proprietäre Simulationssoftware entwickelt, um das Design der gegenläufigen Schnecke auf der Grundlage spezifischer Rohstoffe, Verbindungen, Formulierungen, Temperaturen und Betriebsbedingungen zu optimieren.

„Letztendlich werden die Informationen aus den Simulationen genutzt, um den Schmelzedruck der Materialien an verschiedenen Stellen entlang der Schnecken zu bestimmen. Der Schmelzedruck ist der Schlüssel zur Konstruktion der Schnecke für einen hervorragenden Verschleißschutz und zur Gewährleistung eines ordnungsgemäßen Schmelzens und Compoundierens der Rohstoffe“, sagt Ernest Krüger, CEO und Gründer von GermanTwinscrewS.

Alternativ kann GermanTwinscrewS häufig die spezifischen Belastungen einer Anwendung ermitteln, indem es die alten, verschlissenen Schrauben, die ersetzt werden, sorgfältig untersucht.

„Durch sorgfältige Messungen können wir die Energie berechnen, die die Schraube in Bereichen mit hohem oder geringem Verschleiß aushalten musste. Daraus errechnen wir das optimale Schneckendesign für die neue Schnecke, damit diese dem zu erwartenden Verschleiß zuverlässig standhält“, erklärt Krüger.

Neben dem Design ist auch die Bearbeitung der Schraube von größter Bedeutung.

„Die meisten Schrauben auf dem Markt haben zwischen verschiedenen Designs einen Abstand von bis zu einem Zoll, in dem sich das Material ansammelt. Das im Spalt verbleibende Material kann den Druck erhöhen, Verschleiß verursachen oder sogar zu Verbrennungen und damit zu Qualitätsproblemen führen“, sagt Krüger.

Um die Lebensdauer der Schnecken zu verlängern und die Produktqualität zu verbessern, entwickelt GTS Schnecken mit kontinuierlichem Wechsel (praktisch keine freien Schnitte), um Materialblockaden zu verhindern.

„Es gibt keinen Schnitt zwischen den Schneckenkonstruktionsänderungen, sodass das Material im neuen Design direkt von einem Kanal zum nächsten fließt. Es gibt keinen Materialstau und keine Wartezeiten, was Schneckenverschleiß und Polymerzersetzung verhindert“, sagt Krüger.

Um die Leistung im Druckbereich auf den letzten 100 bis 250 mm des Schneckendesigns zu erhöhen, enthält GTS außerdem die doppelte Anzahl an „Flügen“, um ein glatteres Rohrinneres zu erreichen und Druckpulsationen durch die Schnecken zu reduzieren.

Für Extruder, die ein optimiertes Schneckendesign anstreben, ist die Produktionssteigerung oft erheblich. Dies wird häufig durch eine Verlängerung der Schnecken und Zylinder erreicht.

Durch die Erweiterung der Schnecken von 32 L/D auf 34 bis 35 L/D und die Sicherstellung einer ausreichenden Energiedichte im Getriebe lässt sich laut Krüger die Produktionsleistung typischerweise um bis zu 25 % steigern. Diese einfache Einstellung macht Parallelschnecken bei der Hart-PVC-Extrusion im Allgemeinen wirtschaftlicher.

Darüber hinaus werden durch die Anpassung des Schneckendesigns an die Anwendung auch die Kosten einer Hart-PVC-Formulierung erheblich gesenkt, da der Einsatz von Füllstoffen erhöht und die notwendigen Zusatzstoffe minimiert werden.

Laut Krüger unterscheiden sich Hart-PVC-Rezepturen von Hersteller zu Hersteller vor allem in den Teilen pro Hundert (PPH) des verwendeten Stabilisators und in der Variation des Calciumcarbonat-Füllstoffs. Durch die Erhöhung der verwendeten Füllstoffmenge werden die Kosten gesenkt, da Füllstoff kostengünstig ist. Die Verwendung von zu viel Füllstoff stellt jedoch ein Problem dar, da starre PVC-Rohre dadurch spröde werden können.

Laut Krüger gibt es viele Anwendungen, bei denen der Anteil an Calciumcarbonat-Füllstoff bei Rohranwendungen 100 oder sogar 150 PPH erreicht. Bei einigen Anwendungen, beispielsweise bei Vinyl-Klick-Bodenprofilen, können bis zu 300 PPH Kalziumkarbonat verbraucht werden.

Er weist darauf hin, dass die Optimierung des Schraubendesigns dieses Problem lösen kann. „Mit optimierten Schnecken können Extruder einen höheren Füllstoffanteil verwenden und dennoch eine bessere Homogenität erzielen und die gleiche Gesamtqualität beibehalten.“

Darüber hinaus weist er darauf hin, dass Stabilisatoren, da sie den teuersten Teil der Formulierung darstellen, eine Reduzierung ihres Einsatzes bei gleichzeitiger Stabilisierung des Hart-PVC-Materials durch die Schneckenkonstruktion sehr kosteneffektiv sein kann.

„Durch die optimierte Schneckenkonstruktion paralleler Schnecken können Hart-PVC-Extruder einfachere Rezepturen mit einem sehr geringen Anteil an Additiven und einem höheren Anteil an Füllstoffen erzielen“, sagt Krüger. „Dadurch können Hart-PVC-Extruder die Rezepturkosten senken und deutlich höhere Ausstoßmengen erzielen.“

Die präzise Regulierung der Temperatur ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt der Hart-PVC-Produktion, der durch ein verbessertes Anlagendesign erleichtert werden kann. Seit vielen Jahren nutzen Extruderhersteller externe Öltemperaturkontrollen, um die Schneckentemperaturen aufrechtzuerhalten. Die Erfahrung von GTS zeigt jedoch, dass eine Regelung der Wassertemperatur im geschlossenen Regelkreis noch effektiver ist.

Entsteht im Vorfeld des Prozesses zu viel Wärme, kann diese laut Krüger in einem geschlossenen Kreislauf automatisch zum Einzugsbereich transportiert werden. Dadurch wird eine erhebliche Menge an Heizenergie eingespart und die Betriebskosten gesenkt.

„Das geschlossene Kreislaufsystem erleichtert Hart-PVC-Anwendungen, da diese Formulierungen empfindlicher sind. Außerdem gibt es viele Extruder, die nicht über die beste Rezeptur verfügen. „Die Schrauben müssen mit all diesen Rezepturen funktionieren, daher ist das geschlossene Kreislaufsystem wartungsfrei und sehr hilfreich“, schließt er.

Hart-PVC-Extruder haben möglicherweise eine geringere Schneckenverschleißlebensdauer und -leistung als Geschäftskosten in Kauf genommen und sich angepasst, indem sie mehr Additive zur Steuerung ihres Prozesses eingesetzt haben. Die Optimierung des Schneckenersatzdesigns kann jedoch eine kostengünstigere Möglichkeit sein, ihre Leistungsziele zu erreichen. In dieser Hinsicht kann die Zusammenarbeit mit einem Experten für Ersatzschrauben zur Anpassung des Designs an die Anwendung das Endergebnis erheblich steigern.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie UniSol per E-Mail oder telefonisch unter 855/274-3004.

Über den Autor

Del Williams ist ein technischer Redakteur mit Sitz in Torrance, Kalifornien. Er schreibt über Gesundheits-, Geschäfts-, Technologie- und Bildungsthemen.

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