Andreas Limper (Hrsg.)
Verfahrenstechnik der Thermoplastextrusion
Inhalt
8
1 Einschneckenextruder
16
1.1 Allgemeines
17
1.2 Feststoffförderung
24
1.3 Aufschmelzen
30
1.4 Schmelzeförderung
32
1.5 Mischen
35
1.6 Entgasungsextruder
35
1.7 Betriebsverhalten
37
1.8 Bauarten von Extrudern und ihre Betriebskennlinien
37
1.8.1 Glattrohrextruder
38
1.8.2 Nutbuchsenextruder
39
1.8.2.1 Entgasungsextruder
41
1.8.3 Schmelzeextruder
42
1.8.3.1 Schnelllaufende Schmelzeextruder
43
1.9 Baureihen
44
1.10 Extrusionsmaschinenbau
48
1.10.1 Zylinderbaugruppe
48
1.10.2 Schnecke
49
1.10.3 Antriebsstrang
49
1.10.4 Gestell
50
1.10.5 Sensorik, Steuerung und Regelung
51
1.11 Extrusionssysteme
52
1.11.1 Zusammenschaltung mit Filtern und Pumpen
52
1.11.2 Coextruder in Mehrkomponentenanlagen
53
Literatur zu Kapitel 1
54
2 Mehrschneckenextruder
56
2.1 Der gegenläufige Doppelschneckenextruder
56
2.1.1 Einleitung
56
2.1.2 Bauformen
57
2.1.3.1 Grundrahmen
59
2.1.3.2 Antrieb/Getriebe
59
2.1.3.3 Materialzuführung
60
2.1.3.4 Zylinder und Schneckenpaar
61
2.1.3 Aufbau
58
2.1.3.1 Grundrahmen
59
2.1.3.2 Antrieb/Getriebe
59
2.1.3.3 Materialzuführung
60
2.1.3.4 Zylinder und Schneckenpaar
61
2.1.4 Verfahrenstechnik
63
2.1.4.1 Grundlagen der Schneckengestaltung
63
2.1.4.2 Funktionsweise von gegenläufigen Doppelschnecken
64
2.1.5 Die Verfahrenseinheit
67
2.1.5.1 Aufbau der Verfahrenseinheit
67
2.1.5.2 Aufgaben der Verfahrenszonen
67
2.1.5.3 Auslegung der Schnecken
74
2.1.5.4 Anpassen von Schneckengeometrien
79
2.1.6 Verschleiß
81
2.1.7 Entwicklungsgeschichte
82
Literatur zu Abschnitt 2.1
84
2.2 Der gleichläufige Doppelschneckenextruder
85
2.2.1 Einleitung
85
2.2.2 Historische Entwicklung der Gleichdrall-Doppelschnecken
86
2.2.3 Funktionsprinzip und beschreibende Kenngrößen
88
2.2.4 Auslegungsgrundlagen
92
2.2.4.1 Schneckenelemente
92
2.2.4.2 Verfahrenstechnische Auslegung
98
2.2.4.3 Vom Labor in die Produktion: Hochrechnung
107
2.2.5 Antriebstechnik
108
2.2.5.1 Hauptantrieb
108
2.2.5.2 Sicherheitskupplung
111
2.2.5.3 Getriebe
112
2.2.6 Verschleißschutz
112
2.2.7 Prozessbeispiele
116
2.2.7.1 Direktverarbeitung von ungetrocknetem PET
116
2.2.7.2 Herstellung von mit Glasfasern verstärktem Polyamid
117
2.2.7.3 Herstellung von mit Kreide oder Talkum hochgefüllten Polypropylen
117
2.2.7.4 Masterbatchherstellung aus der Vormischung
118
2.2.7.5 Herstellung eines Farbmasterbatches
119
2.2.7.6 Einarbeitung von Naturfasern in Polypropylen
120
2.2.7.7 Inline- Compoundierung von Platten
121
Literatur zu Abschnitt 2.2
122
3 Extrusionswerkzeuge
124
3.1 Breitschlitzwerkzeuge
124
3.1.1 Einleitung
124
3.1.2 Grundsätzlicher Aufbau von Breitschlitzwerkzeugen
125
3.1.3 Beeinflussung des Schmelzeflusses in Breitschlitzwerkzeugen
128
3.1.3.1 Flexible Lippe bzw. Flexlip
128
3.1.3.2 Staubalken
130
3.1.4 Ausführung der Unterlippe
131
3.1.5 Deckling
133
3.1.5.1 Externes Deckling
133
3.1.5.2 Internes Deckling
135
3.1.6 Äußere Geometrie des Breitschlitzwerkzeugs
137
3.1.7 Heizung und Isolierung
138
3.1.8 Beschichtung und Oberflächenqualität
139
3.1.9 Einlaufkanalgeometrie
140
3.1.10 Coextrusionswerkzeuge
140
3.1.10.1 Adapterwerkzeuge
140
3.1.10.2 Mehrkanalwerkzeuge
145
Literatur zu Abschnitt 3.1
146
3.2 Ringspalt-Werkzeuge
146
3.2.1 Dornhalter-Werkzeuge
148
3.2.2 Siebkorb-Werkzeuge
149
3.2.3 Wendelverteiler-Werkzeuge
150
3.2.4 Pinolen-Werkzeuge
152
Literatur zu Abschnitt 3.2
153
4 Rohrextrusion
156
4.1 Einleitung
156
4.2 Materialien
159
4.2.1 Polyvinylchlorid (PVC)
159
4.2.2 Polyolefine
160
4.2.2.1 Polyethylen (PE)
160
4.2.2.2 Polypropylen (PP)
162
4.2.2.3 Vernetztes Polyethylen
162
4.2.2.4 Weitere Rohrwerkstoffe
163
4.3 Rohrtypen
163
4.3.1 Einschichtige Rohre
164
4.3.2 Mehrschichtige Rohre
164
4.3.3 Schaumkernrohre
165
4.3.4 Rohre mit Regeneratschicht
165
4.3.5 Rohre mit Funktionsschichten
165
4.3.6 Metall-Kunststoff-Verbundrohre
166
4.3.7 Faserverstärkte Rohre
166
4.3.8 Großrohre
167
4.3.9 Wellrohre
168
4.3.10 Wickelrohre
168
4.3.11 Ummantelte Stahlrohre
168
4.3.12 Bewässerungsrohre
169
4.4 Herstellverfahren
169
4.4.1 Materialbeschickung
170
4.4.1.1 Materialbeschickung für Einschneckenextruder
170
4.4.1.2 Materialbeschickung für Doppelschneckenextruder
171
4.4.2 Extruder
171
4.4.3 Werkzeug
172
4.4.4 Kalibrieren und Abkühlen
174
4.4.4.1 Vakuum-Tankkalibrierung
175
4.4.4.2 Überdruckkalibrierung
179
4.4.5 Kühlstrecke
179
4.4.6 Rohrinnenkühlung
181
4.4.7 Abzug
182
4.4.8 Trenneinheit
183
4.4.9 Ablegeeinheit
185
4.4.10 Mess-, Steuer-, Regeleinrichtungen [INO11]
186
4.4.11 Dimensionswechselsysteme
190
4.4.12 Ausblick
192
Literatur zu Kapitel 4
192
5 Profilextrusion
194
5.1 Einleitung
194
5.2 PVC-U und Mischen von PVC Rezepturen
200
5.2.1 PVC-U (unplastiziertes PVC oder Hart PVC)
200
5.2.2 Mischen von PVC-Rezepturen
201
5.3 Extruder
201
5.4 Werkzeuge für die Profilextrusion
205
5.4.1 Prinzipieller Aufbau
205
5.4.2 Bauarten von Profilwerkzeugen
207
5.4.3 Anforderungen an den Werkzeughersteller und Stand der Technik
209
5.4.4 Schnellwechselsystem
211
5.4.5 Kundenspezifische Lösungen
212
5.4.6 Werkzeugauslegung und Wissenschaft im Werkzeugbau
213
5.4.7 Anforderungen an Berechnungswerkzeuge im Alltag
214
5.5 Kalibrierwerkzeug
214
5.6 Kühlung
215
5.6.1 Optimierung von Kühlparametern in der Profilextrusion
216
5.6.2 Kühlleistung
220
5.7 Sonstiges
221
5.7.1 Nachfolge, Steuerung
221
5.7.2 Oberflächenkontrolle in der Profilextrusion
222
5.7.3 Geräuschemission
223
5.8 Marktentwicklung
223
Literatur zu Kapitel 5
224
6 Flachfolien- und Plattenextrusion
226
6.1 Einleitung
226
6.2 Anlagentechnik
227
6.2.1 Maschinentechnik zur Herstellung von Flachfolien
227
6.2.1.1 Beispiel einer Extrusionslinie zur Herstellung geglätteter Flachfolien
228
6.2.1.2 Beispiele für Extrusionslinien zur Herstellung von Platten
236
6.3 Anlagenkomponenten für Folien- und Plattenanlagen
249
6.3.1 Siebwechsler
250
6.3.2 Schmelzepumpen
255
6.3.2.1 Aufbau von Schmelzepumpen
255
6.3.2.2 Funktionsweise und Ausführungen von Schmelzepumpen
256
6.3.2.3 Prozesseigenschaften von Schmelzepumpen
258
6.3.3 Walzen
259
6.3.4 Wickler
263
6.4 Verfahrenstechnik in Folien- und Plattenextrusionslinien
266
6.4.1 Verfahrenstechnik – Peripherie
267
6.4.2 Verfahrenstechnik – Extrusion
268
6.4.3 Verfahrenstechnik – Nachfolge
273
6.4.3.1 Verfahrenstechnik – Glättwerk und Nachkühlstrecke
273
6.4.3.2 Simulation des Temperaturverlaufs
277
6.4.3.3 Verfahrenstechnik – Schneiden und Wickeln bzw. Stapeln
282
Literatur zu Kapitel 6
284
7 Gießfolienextrusion
286
7.1 Einleitung
286
7.2 Anlagen- und Verfahrenstechnik zur Herstellung von Gießfolien
286
7.2.1 Materialzuführung und Dosierung
287
7.2.2 Extrudertechnik und Schneckenauslegung
288
7.2.3 Coextrusionsadapter, Foliendüse und Schmelzebahn
288
7.2.4 Gießwalzeneinheit
290
7.2.5 Peripherie, Materialrückführung und Wicklung
291
7.2.6 Anlagensteuerung und Automation
291
7.3 Eigenschaften, Anwendungen und Einsatzgebiete von Gießfolien
292
7.3.1 Polypropylen-Gießfolie
292
7.3.2 Stretchfolie
292
7.3.3 Barrierefolie
293
Literatur zu Kapitel 7
293
8 Blasfolienextrusion
298
8.1 Einleitung
298
8.2 Granulatversorgung
300
8.3 Extruder für die Blasfolienextrusion
302
8.4 Werkzeugtechnik zur Blasfolienherstellung
304
8.4.1 Werkzeugkonzepte zur Herstellung von Mehrschichtfolien
309
8.4.2 Aufbau- und Funktionsmerkmale einer mehrschichtigen Blasfolie
311
8.5 Abkühl- und Kalibriereinheit
316
8.6 Nachfolge
320
8.6.1 Dickenmesssysteme
320
8.6.2 Reversierende Abzugseinheit
321
8.6.3 Vorbehandlung
323
8.6.4 Wickler
324
8.7 Mess- und Regelkonzepte für die Blasfolienextrusion
327
Literatur zu Kapitel 8
329
9 Berechnung von Extrusionswerkzeugen
332
9.1 Einführung
332
9.1.1 Zielgrößen
333
9.1.2 Einflussgrößen
334
9.2 Analytische Berechnungsmethoden
334
9.2.1 Berechnung der Temperaturerhöhung in der Schmelze
335
9.2.2 Berechnung der Temperierleistung
336
9.2.3 Berechnung des Druckverlustes von einfachen Querschnitten
336
9.2.4 Berechnung der Schmelzeverteilung am Beispiel Breitschlitzdüse
341
9.3 Einfache numerische Berechnungsmethoden
347
9.3.1 Netzwerktheorie
348
9.3.2 Berechnung von Kleiderbügeldüsen
350
9.3.3 Nicht-Newton’sches Fließen, repräsentative Schergeschwindigkeit
355
9.3.4 Fazit
358
9.4 Ganzheitliche numerische Berechnungsmethoden
358
9.4.1 CFD
359
9.4.2 Materialgesetze
362
9.4.3 Fazit
364
9.5 Strangaufweitung
364
9.6 Ausblick: Aktuelle Forschungsthemen
366
Literatur zu Kapitel 9
367
10 Thermische Berechnungen
368
10.1 Bestimmung des Temperaturverlaufs
368
10.2 Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten
375
10.2.1 Konvektive Kühlung an Luft
375
10.2.2 Konvektive Kühlung in Wasser
377
10.2.3 Kontaktkühlung an Kühlwalzen und Galetten
379
10.2.4 Strahlungserwärmung
382
10.3 Modelltheoretische Umsetzung
382
10.4 Abkühlung von Profilen
385
Literatur zu Kapitel 10
386
11 Dosiergeräte für Extrusionsanlagen
388
11.1 Einleitung
388
11.2 Allgemeine Betrachtung zu Dosiergeräten
389
11.2.1 Vorteile der Materialaufbereitung mit Dosier- und Mischgeräten
389
11.2.2 Dosieraufgabe, prinzipieller Aufbau von Dosiergeräten, Dosierorgane
390
11.2.3 Prinzipieller Aufbau einer Dosieranlage
391
11.3 Volumetrische Dosiergeräte
393
11.3.1 Verfahrenstechnische Grundlagen
393
11.3.2 Beispiele volumetrischer Dosiergeräte
397
11.3.2.1 Geräte mit digital-volumetrischer Arbeitsweise
397
11.3.2.2 Gerätevariante mit Dosierung aller Komponenten (siehe Bild 11.8)
397
11.3.2.3 Synchrondosiergeräte
399
11.3.2.4 Volumetrisches Synchrondosiergerät mit Dosierung aller Komponenten
400
11.3.2.5 Volumetrisches Synchrondosiergerät mit freiem Einlauf der Hauptkomponente
401
11.4 Gravimetrische Dosiergeräte
403
11.4.1 Diskontinuierliche Wägedosierung
403
11.4.1.1 Prinzipieller Aufbau eines gravimetrischen Chargendosiersystems
404
11.4.1.2 Beschreibung des Dosierverfahrens und der Korrekturmechanismen am Beispiel des gravimetrischen Chargendosiergerätes vom Typ Ultrablend: (siehe Bild.11.14)
405
11.4.2 Kontinuierliche gravimetrische Dosierung
406
11.4.2.1 Die Differentialdosierwaage
406
11.4.4.2 Die Trichterwaage
411
11.5 Zusammenfassung der Eigenschaften volumetrischer und gravimetrischer Dosiersysteme
414
Literatur zu Kapitel 11
416
Index
418
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