Viele Prozesse müssen vorhanden sein, um eine wirklich effiziente Extrusion zu erreichen.
Um eine qualitativ hochwertige und konsistente Produktion zu erzielen, benötigen Sie hervorragende Mitarbeiter, die die Linie betreiben und den Betrieb leiten, die Ausrüstung muss in gutem Zustand sein, ein umfassendes vorbeugendes Wartungsprogramm sollte vorhanden sein und die Ausrüstung sollte so ausgelegt sein, dass sie einen effizienten Betrieb ermöglicht.
Effiziente Extrusion erfordert eine gute industrielle Disziplin, menschliche Aufmerksamkeit für Details und ein ständiges Bemühen um Prozessverbesserungen. Erfolgreiche Extrusion bedeutet nicht, zwei oder drei Dinge richtig zu machen -- sondern Hunderte von Dingen richtig zu machen.
Machen Sie drei "M"
Eine effiziente Extrusion erfordert eine geeignete Instrumentierung. Die kritischsten Prozessvariablen sind hier die "drei M's": Schmelzedruck, Schmelzetemperatur und Motorlast (Schmelzedruck, Schmelzetemperatur, Motorlast). Sie sind wichtige Zeichen des Extrusionsprozesses. Sie müssen kontinuierlich gemessen und überwacht werden. Die folgenden Parameter sollten auch gemessen und überwacht werden:
●Fasstemperatur,
● Schneckendrehzahl,
● Stromverbrauch pro Heiz- oder Kühlzone,
● Umgebungstemperatur,
● relative Luftfeuchtigkeit,
● Die Temperatur, mit der das Rohmaterial in den Extruder eintritt,
● der Feuchtigkeitsgehalt des in den Extruder eintretenden Rohmaterials (falls eine Feuchtigkeitsaufnahme erforderlich ist),
● Kühlwasserdurchfluss,
● Wassereintrittstemperatur,
● Austrittswassertemperatur,
● Vakuum an der Auslassöffnung (falls zutreffend).
Daten abrufen
Data Acquisition (DA)-Fähigkeiten sind entscheidend für die Entwicklung eines robusten Extrusionsprozesses, die Aufrechterhaltung der Prozesskonsistenz, die Optimierung des Prozesses und die effiziente Fehlerbehebung. Glücklicherweise ist es mit den heutigen preiswerten Computern und der weit verbreiteten DA-Software möglich, ein leistungsfähiges DA-System auf einer bestehenden Extrusionslinie zu installieren. Leider (und verblüffenderweise) nutzen nur sehr wenige Prozessoren diese Funktion effektiv.
Der Autor arbeitete mit einem Prozessor zusammen, um ein computerbasiertes DA-System auf einer relativ alten Extrusionslinie zu installieren. Ein DA-System kostet weniger als 20 $,000. In etwa drei Monaten sank die Ausschussrate der Linie von etwa 15 Prozent auf 5 Prozent. Dadurch hat sich das DA-System innerhalb weniger Monate amortisiert und trägt nun dazu bei, dass der Konverter mit deutlich geringeren Ausschussraten in jeder Linie konstant läuft.
Ausschussraten werden reduziert, weil Prozesse wie nie zuvor mit dem DA-System optimiert werden können. Darüber hinaus können Probleme, die zu fehlerhaften Produkten führen können, unmittelbar vor der eigentlichen Produktion erkannt und behoben werden. Das ist keine Luft- und Raumfahrttechnik! Es ist einfach und effektiv mit handelsüblichen Tools. Selbst alte Extrusionsanlagen können Qualitätsprodukte produzieren, solange sie gut gewartet werden und über eine gute Instrumentierung und DA-Funktionalität verfügen.
Futterauswahl
Die Konsistenz der Beschickung und der Fluss der Beschickung zum Extruder sind entscheidend, um Prozessstabilität zu erreichen. Änderungen in der Beschickung (z. B. unterschiedlicher Nachmahlgrad) führen immer zu Änderungen im Extrusionsprozess. Selbst scheinbar triviale Probleme wie die Partikelgrößenverteilung können den Prozess beeinflussen. Im Allgemeinen erhöht eine engere Partikelgrößenverteilung die Stabilität des Extrusionsprozesses.
Abbildung 1. Die Überlaufzuführung füllt den Schneckenkanal vollständig aus und nutzt die gesamte Länge der Schnecke. Es erfordert keine zusätzliche Beschickungsausrüstung, reduziert jedoch die Prozesskontrolle.
Es gibt zwei grundlegende Fütterungsmethoden: Hochwasserfütterung und Hungerfütterung. Bei der Überlauffütterung wird der Einfülltrichter bis zu einem bestimmten Füllstand gefüllt und das Material fließt im Massenstrom (meistens) zum Extruder, der so viel Material wie möglich ansaugt. Die Schraubenkanäle werden fast sofort gefüllt (siehe Abbildung 1). Das Ergebnis ist, dass bei einer Überlaufbeschickung die effektive Länge der Schnecke mehr oder weniger gleich der Ganglänge der Schnecke ist.
Abbildung 2 Die Hungerbeschickung erfordert einen Beschicker, bietet jedoch eine bessere Prozesskontrolle und neigt dazu, die Schmelztemperatur zu senken.
Bei der Hungerfütterung wird das Polymer über eine Dosiervorrichtung in den Extruder dosiert (Abbildung 2). Es gibt keine Ablagerungen im Trichter; stattdessen fällt das Material direkt in den Schneckenkanal, der an der Einfüllöffnung nur teilweise gefüllt ist. Bei der Vorwärtsförderung des Materials wird der Schneckenkanal in einem gewissen Abstand hinter der Zuführung vollständig gefüllt.
Bei der Hungerfütterung ist die effektive Länge der Schnecke kleiner als die Ganglänge der Schnecke. Ein wichtiger Vorteil ist, dass die effektive Schneckenlänge bei laufendem Extruder eingestellt werden kann. Dies ermöglicht eine breitere Prozesssteuerung als Fluteinspeisungen, bei denen die effektive Länge nicht einstellbar ist. Eine Hungerfütterung ist nur sinnvoll, wenn der Extruder lang genug ist, um ein vollständiges Schmelzen und ein effektives Mischen zu erreichen. Daher wird eine Hungerfütterung den Prozess bei kurzen (25D langen) Extrudern im Allgemeinen nicht verbessern. Die Unterfütterung erfordert eine Zuführung, reduziert jedoch die Motorlast, die Schmelztemperatur und das Potenzial für Klumpenbildung, Brückenbildung und Trennung im Trichter.
Abbildung 3 Dieses Beispiel einer Rohrextrusion zeigt, dass ein gewisses Maß an Unterversorgung zu einer gleichmäßigeren Wandstärke führt. Flutfütterung bei 100 Prozent Füllung; alles andere ist Hungerernährung.
Die Hungerfütterung ermöglicht eine Prozessoptimierung, die mit der Überlauffütterung nicht erreicht werden kann. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel einer Rohrextrusion, bei der die Wanddickenvariation bei mehreren Füllständen gemessen wurde. Eine hundertprozentige Füllung zeigt Hochwasserfütterung an; weniger als dies zeigt eine Hungerernährung an. Der Füllprozentsatz ist der tatsächliche Vorschub relativ zum Überlaufvorschub.
Es ist klar, dass die optimalen Prozessbedingungen zum Minimieren von Wanddickenvariationen bei etwa 98 Prozent Füllung liegen. Die Schwankung in der Wanddicke bei optimaler Aushungerung war etwa halb so groß wie bei der Überlauffütterung. Dies bedeutet, dass unter optimalen Bedingungen weniger Material verwendet werden kann, da die Wandstärke des Rohrs näher am Minimum sein kann. In diesem Fall belaufen sich allein die Materialeinsparungen auf etwa 100 $000/Jahr.
Auch die Umgebung innerhalb der Fabrik spielt eine wichtige Rolle im Extrusionsprozess. Änderungen der Raumtemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit können den Prozess ebenso beeinflussen wie der Luftstrom: Das Öffnen einer Tür oder eines Fensters kann die Wärmeübertragungsbedingungen um den Extruder verändern und eine Prozessverschiebung verursachen, und das Ein- oder Ausschalten eines Lüfters in der Nähe des Extruders kann ähnliche Prozessänderungen verursachen . Da Ereignisse dieser Art normalerweise nicht auf Dashboards angezeigt werden, ist es möglicherweise nicht einfach, die Quelle dieser Prozessänderung zu finden.
Schneckengeschwindigkeit und Zylindereinstellungen
Ein Extruder arbeitet am effizientesten, wenn die Schnecke etwa 80 bis 90 Prozent der zum Erhitzen und Schmelzen des Kunststoffs erforderlichen Energie liefert. In diesem Fall sorgt der Fassheizer für 10 bis 20 Prozent zusätzliche Wärme. Manchmal liefert die Schnecke mehr als 100 Prozent der Energie, die zum Erhitzen und Schmelzen des Kunststoffs benötigt wird. Wir könnten dies eine "überaktive" Schraube nennen. Zur Temperierung ist hier eine Fasskühlung erforderlich.
Abbildung 4 Jedes Harz hat einen spezifischen Heiz- und Schmelzenergieverbrauch (SEC). Im Idealfall liefert die Schnecke 80 bis 90 Prozent der Energie. Wenn es mehr als die SEC liefert, muss es gekühlt werden, um die überschüssige Wärme abzuführen, was ineffizient ist und das Potenzial hat, den Kunststoff zu zersetzen. Der Selbstextrusionspunkt ist der Punkt, an dem die Schnecke präzise 100 Prozent SEC an den Kunststoff abgibt. Alles darüber deutet auf eine "überaktive" Schraube hin.
Fasskühlung verschwendet Energie, und Energie ist natürlich nicht kostenlos. Abbildung 4 zeigt, wie der spezifische Energieverbrauch (SEC) in kWh/kg mit der Schneckendrehzahl variiert. Jeder Kunststoff hat spezifische Heiz- und Schmelzenergieanforderungen. Für teilkristalline Kunststoffe beträgt dieser Wert etwa 0,15 kWh/kg und für amorphe Polymere beträgt dieser Wert etwa 0,10 kWh/kg.
Die Kurven in Abbildung 4 stellen die Kombination aus Reibungs- und viskoser Wärme dar, die von der Schnecke erzeugt wird. Dies wird oft als Scherwärme bezeichnet, obwohl dieser Begriff streng genommen nicht korrekt ist. Bei niedriger Schneckendrehzahl ist die von der Schnecke erzeugte Wärme sehr gering und die Wirkung der Zylinderheizung groß. Bei höheren Schneckendrehzahlen wird die meiste Wärme (80 bis 90 Prozent) von der Schnecke erzeugt – das ist der bevorzugte Betriebsbereich.
Wenn die Schneckendrehzahl weiter erhöht wird, kreuzt sie die horizontale Linie, die die SEC-Anforderungen des Kunststoffs anzeigt. Dieser Schnittpunkt wird als autogener Extrusionspunkt bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt wird die gesamte Wärme von der Schnecke erzeugt, und die Zylinderheizung muss keine Wärme liefern. Jenseits dieses autogenen Punktes erzeugt die Schnecke mehr Wärme als nötig – sie wird überaktiv. Wenn die Schneckengeschwindigkeit über den Kreuzungspunkt hinaus ansteigt, muss der Zylinder gekühlt werden, um die von der Schnecke bereitgestellte überschüssige Wärme abzuführen.
Beim Abkühlen des Zylinders ist die Schmelztemperatur im Extruder höher als der Zylindertemperatursollwert, da Wärme aus dem Inneren des Zylinders nach außen fließt. Wenn eine kleine Menge an Kühlung durchgeführt wird, kann die Schmelztemperatur 10 Grad F bis 50 Grad F höher als der Sollwert sein. Bei mäßiger Kühlung kann die Schmelztemperatur 50 °F bis 100 °F über dem Sollwert liegen. Wenn die Kühlung durchgehend auf Hochtouren läuft, kann die tatsächliche Schmelztemperatur 100 Grad F bis 150 Grad F höher als der Sollwert oder sogar höher sein. Da die Schmelztemperatur an diesem Punkt normalerweise nicht gemessen werden kann, sind sich die meisten Verarbeiter nicht bewusst, dass dieser Zustand nachteilig sein kann.
Es ist wichtig zu verstehen, dass der Kühlbedarf zu einer Überhitzung des Kunststoffs führt. Dadurch steigt das Risiko, dass sich der Kunststoff zersetzt und schwarze Flecken, Gele und Verfärbungen entstehen. Es verringert auch die Schmelzfestigkeit am Düsenausgang und erschwert das Abkühlen des Extrudats. Einen Extruder mit Zylinderkühlung zu betreiben, ist wie Autofahren mit angezogener Bremse – es verschwendet Energie und verursacht übermäßigen Verschleiß.
Eine effiziente Extrusion erfordert eine sorgfältige Optimierung der Zylindertemperatur. Viele Unternehmen achten zu wenig auf das Lauftemperaturprofil. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Fasstemperatur einzustellen. Eine der effektivsten Methoden ist die dynamische Optimierung. Bei dieser Methode werden große Änderungen am Sollwert vorgenommen und verfolgt, wie sich die tatsächliche Temperatur und der tatsächliche Druck im Laufe der Zeit ändern. Abbildung 5 zeigt, wie sich der Druck mit der Temperatur ändert, wenn der Sollwert von 390 Grad F auf 300 Grad F gesenkt wird.
Im oben gezeigten Fall beträgt der optimale Temperatursollwert für Zylinderzone 1 etwa 330 Grad F. Diese Methode zum Finden des optimalen Sollwerts ist schneller, als Echtzeitänderungen am Sollwert vorzunehmen und darauf zu warten, dass der Extruder darauf reagiert ändern. Bei großen Extrudern kann es 30 Minuten oder länger dauern, bis die Maschine auf eine Sollwertänderung reagiert. Wenn Sie sechs Änderungen vornehmen, kann der Extruder leicht drei Stunden oder länger brauchen, um auf diese Änderungen zu reagieren.
