Wenn es um die Extrusion von Kunststoffrohren geht, müssen diese 11 Grundprinzipien beachtet werden!

Ningbo Fangli Technology Co., Ltd.ist einHersteller mechanischer Gerätemit fast 30 Jahren ErfahrungExtrusionsausrüstung für Kunststoffrohre, Neuer Umweltschutz und neue Materialausrüstung. Seit seiner Gründung wurde Fangli basierend auf den Anforderungen der Benutzer entwickelt. Durch kontinuierliche Verbesserung, unabhängige Forschung und Entwicklung der Kerntechnologie sowie die Verdauung und Absorption fortschrittlicher Technologie und anderer Mittel haben wir uns weiterentwickeltExtrusionslinie für PVC-Rohre, Extrusionslinie für PP-R-Rohre, PE-Wasserversorgungs-/Gasrohr-Extrusionslinie, das vom chinesischen Bauministerium empfohlen wurde, um importierte Produkte zu ersetzen. Wir haben den Titel „Erstklassige Marke in der Provinz Zhejiang“ erhalten.

01  MMechanische Prinzipien

Der Grundmechanismus der Extrusion ist sehr einfach: Eine Schnecke dreht sich im Zylinder und drückt den Kunststoff nach vorne. Die Schraube ist eigentlich eine geneigte Fläche oder Schräge, die um die Mittelschicht verläuft. Sein Zweck besteht darin, den Druck zu erhöhen, um größeren Widerstand zu überwinden. Für einExtruderEs gibt drei Arten von Widerständen, die überwunden werden müssen: die Reibung der Feststoffpartikel (Futter) an der Zylinderwand und ihre gegenseitige Reibung während der ersten paar Umdrehungen der Schnecke (Förderzone); die Haftung der Schmelze an der Zylinderwand; und der logistische Widerstand innerhalb der Schmelze beim Vorwärtsschieben.

Newton hat einmal erklärt, dass, wenn sich ein Objekt nicht in eine bestimmte Richtung bewegt, die Kräfte auf dieses Objekt in dieser Richtung ausgeglichen werden. Eine Schraube bewegt sich nicht in axialer Richtung, obwohl sie sich in der Nähe des Umfangs seitlich und schnell drehen kann. Daher ist die axiale Kraft auf die Schnecke ausgeglichen, und wenn sie einen großen Vorwärtsschub auf die Kunststoffschmelze ausübt, übt sie auch einen gleichen Rückwärtsschub auf das Objekt aus. In diesem Fall wirkt der Schub auf das Lager hinter dem Einlass – das Axiallager.

Die meisten Einzelschrauben haben Rechtsgewinde, wie Schrauben und Bolzen, die in der Holzbearbeitung und im Maschinenbau verwendet werden. Von hinten betrachtet drehen sie sich gegenläufig, weil sie versuchen, so weit wie möglich aus dem Lauf herauszuschrauben. In einigenDoppelschneckenextruder, die beiden Schrauben drehen sich rückwärts und kreuzen sich in beiden Läufen, sodass eine rechtsdrehend und die andere linksdrehend sein muss. Bei anderen verschlossenen Doppelschrauben drehen sich die beiden Schrauben in die gleiche Richtung und müssen daher die gleiche Ausrichtung haben. In beiden Fällen gibt es jedoch Drucklager, die die Rückwärtskraft absorbieren, und das Newtonsche Prinzip gilt weiterhin.

02  Thermisches Prinzip

Extrudierbare Kunststoffe sind Thermoplaste – sie schmelzen beim Erhitzen und erstarren beim Abkühlen wieder. Woher kommt die Hitze zum Schmelzen von Kunststoffen? Das Vorwärmen des Vorschubs und die Zylinder-/Formheizungen spielen möglicherweise eine Rolle und sind beim Start wichtig, aber die vom Motor zugeführte Energie – die Reibungswärme, die im Zylinder erzeugt wird, wenn der Motor die Schnecke gegen den Widerstand der viskosen Schmelze dreht – ist die wichtigste Wärmequelle für alle Kunststoffe, mit Ausnahme von kleinen Systemen, Schnecken mit niedriger Drehzahl, Kunststoffen mit hoher Schmelztemperatur und Extrusionsbeschichtungsanwendungen.

Bei allen anderen Vorgängen ist es wichtig zu erkennen, dass die Fassheizung nicht die Hauptwärmequelle im Vorgang ist und daher bei der Extrusion eine geringere Rolle spielt, als wir vielleicht erwarten (siehe Prinzip 11). Die Temperatur des hinteren Zylinders kann dennoch wichtig sein, da sie den Eingriff oder die Geschwindigkeit des Feststofftransports in der Zufuhr beeinflusst. Die Düsen- und Formtemperaturen sollten normalerweise der gewünschten Schmelzetemperatur entsprechen oder nahe daran liegen, es sei denn, sie werden für einen bestimmten Zweck wie Lackieren, Flüssigkeitsverteilung oder Druckkontrolle verwendet.

03  Verzögerungsprinzip

In den meistenExtruderDie Schneckengeschwindigkeit wird durch Anpassen der Motorgeschwindigkeit variiert. Normalerweise dreht der Motor mit einer vollen Drehzahl von ca. 1750 U/min, was für eine Extruderschnecke jedoch zu schnell ist. Bei einer so hohen Rotationsgeschwindigkeit entsteht zu viel Reibungswärme und die Verweilzeit des Kunststoffs ist zu kurz, um eine homogene, gut durchmischte Schmelze herzustellen. Typische Untersetzungsverhältnisse liegen zwischen 10:1 und 20:1. Die erste Stufe kann entweder ein Zahnrad oder ein Riemenscheibensatz sein, aber die zweite Stufe besteht aus allen Zahnrädern und die Schraube befindet sich in der Mitte des letzten großen Zahnrads.

Bei manchen langsam laufenden Maschinen (z.BDoppelschnecken für UPVC) kann es 3 Verzögerungsstufen geben und die Höchstgeschwindigkeit kann nur 30 U/min oder weniger betragen (ein Verhältnis von 60:1). Im anderen Extremfall können einige der sehr langen Doppelschnecken, die zum Mischen verwendet werden, mit 600 U/min oder schneller laufen und erfordern daher eine sehr niedrige Verzögerungsrate sowie viel Tiefenkühlung.

Manchmal ist die Verzögerungsrate falsch auf die Aufgabe abgestimmt – es wird zu viel Energie verbraucht – und es ist möglich, einen Flaschenzug zwischen dem Motor und der ersten Verzögerungsstufe zur Änderung der Höchstgeschwindigkeit einzubauen. Dadurch wird entweder die Schneckengeschwindigkeit über den vorherigen Grenzwert hinaus erhöht oder die maximale Geschwindigkeit verringert, sodass das System mit einem größeren Prozentsatz der maximalen Geschwindigkeit laufen kann. Dadurch wird die verfügbare Energie erhöht, die Stromstärke verringert und Motorprobleme vermieden. In beiden Fällen kann sich die Leistung je nach Material und Kühlbedarf erhöhen.

04  Kühlmittel einfüllen

Unter Xtrusion versteht man die Übertragung von Energie von einem Motor – manchmal einer Heizung – auf kalten Kunststoff, wodurch dieser von einem Feststoff in eine Schmelze umgewandelt wird. Die zugeführte Zufuhr ist kühler als die Zylinder- und Schneckenoberflächen in der Zufuhrzone. Allerdings liegt die Zylinderoberfläche in der Einzugszone fast immer oberhalb des Kunststoffschmelzbereichs. Es wird durch Kontakt mit den Futterpartikeln gekühlt, aber die Wärme wird durch Wärmeübertragung vom heißen vorderen Ende zum hinteren Ende und durch kontrollierte Erwärmung aufrechterhalten. Es kann erforderlich sein, die hintere Heizung einzuschalten, selbst wenn die Wärme am vorderen Ende durch viskose Reibung gehalten wird und keine Wärmezufuhr durch die Patrone erforderlich ist. Die wichtigste Ausnahme ist die Schlitzkartusche, fast ausschließlich für HDPE.

Die Schneckenfußoberfläche wird ebenfalls durch das Futter gekühlt und adiabatisch von der Zylinderwand durch die Kunststoffpartikel des Futters (und die Luft zwischen den Partikeln). Wenn die Schnecke plötzlich stoppt, stoppt auch der Vorschub und die Schneckenoberfläche wird in der Einzugszone heißer, da die Wärme vom heißeren vorderen Ende nach hinten wandert. Dies kann zum Anhaften oder Verbrücken von Partikeln an der Wurzel führen.

05  Das Futter wird auf den Lauf geklebt oder auf die Schnecke geschoben

Die Schneckengeschwindigkeit wird durch Anpassen der Motorgeschwindigkeit variiert. Normalerweise dreht der Motor mit einer vollen Drehzahl von ca. 1750 U/min, was für eine Extruderschnecke jedoch zu schnell ist. Bei einer so hohen Rotationsgeschwindigkeit entsteht zu viel Reibungswärme und die Verweilzeit des Kunststoffs ist zu kurz, um eine homogene, gut durchmischte Schmelze herzustellen. Typische Untersetzungsverhältnisse liegen zwischen 10:1 und 20:1. Die erste Stufe kann entweder ein Zahnrad oder ein Riemenscheibensatz sein, aber die zweite Stufe besteht aus allen Zahnrädern und die Schraube befindet sich in der Mitte des letzten großen Zahnrads.

Die meisten Kunststoffe gleiten von Natur aus auf der Wurzel, da sie beim Eintritt kalt sind und die Wurzel durch die Reibung noch nicht auf das gleiche Hitzeniveau wie die Zylinderwand erhitzt wurde. Einige Materialien haften eher als andere: stark weichgemachtes PVC, amorphes PET und bestimmte Polyolefin-Copolymere mit Klebeeigenschaften, die für den Endgebrauch erwünscht sind.

Für den Lauf ist es notwendig, dass der Kunststoff haftet, damit er abgekratzt und durch das Schraubengewinde nach vorne geschoben werden kann. Zwischen den Partikeln und dem Lauf sollte ein hoher Reibungskoeffizient herrschen, der wiederum stark von der Temperatur des hinteren Laufs beeinflusst wird. Wenn die Partikel nicht haften, drehen sie sich einfach auf der Stelle und bewegen sich nicht vorwärts – deshalb ist ein gleichmäßiger Vorschub schlecht.

Die Oberflächenreibung ist nicht der einzige Faktor, der die Nahrungsaufnahme beeinflusst. Viele Partikel kommen nie mit dem Zylinder oder der Schneckenwurzel in Kontakt, daher muss es innerhalb der Partikel zu Reibung und mechanischer Viskositätsverknüpfung kommen.

Die Oberflächenreibung ist nicht der einzige Faktor, der den Vorschub beeinflusst. Viele Partikel kommen nie mit dem Zylinder oder der Schneckenwurzel in Berührung, sodass es innerhalb des Granulats zu Reibung und mechanischer und viskoser Verzahnung kommen muss.

Ein Sonderfall ist der Rillenzylinder. Die Nut befindet sich im Einzugsbereich, der vom Rest des Zylinders thermisch isoliert und stark wassergekühlt ist. Der Faden drückt die Partikel in die Rille und erzeugt auf relativ kurzer Distanz einen hohen Druck. Dies erhöht die Bisstoleranz bei niedrigeren Schneckengeschwindigkeiten bei gleicher Leistung, was zu einer Verringerung der am vorderen Ende erzeugten Reibungswärme und einer niedrigeren Schmelzetemperatur führt. Dies kann bedeuten, dass die Kühlung eine schnellere Produktion in Blasfolienproduktionslinien einschränkt. Die Nut eignet sich besonders für HDPE, das neben perfluoriertem Kunststoff der glatteste gewöhnliche Kunststoff ist.

06  Die höchsten Materialkosten

In einigen Fällen können die Materialkosten 80 % der Produktionskosten ausmachen – mehr als die Summe aller anderen Faktoren – mit Ausnahme einiger weniger Produkte mit besonders wichtiger Qualität und Verpackung, wie beispielsweise medizinische Katheter. Dieses Prinzip führt natürlich zu zwei Schlussfolgerungen: Verarbeiter sollten Abfälle und Abfälle so weit wie möglich wiederverwenden, um Rohstoffe zu ersetzen, und sich strikt an Toleranzen halten, um Abweichungen von der Zieldicke und Produktprobleme zu vermeiden.

07  Energiekosten sind relativ unwichtig

Obwohl die Attraktivität und die tatsächlichen Probleme einer Fabrik auf einer Ebene mit den steigenden Energiekosten liegen, macht der Energiebedarf für den Betrieb eines Extruders immer noch einen kleinen Teil der gesamten Produktionskosten aus. Die Situation ist immer so, weil die Materialkosten sehr hoch sind und der Extruder ein effektives System ist. Wird zu viel Energie eingebracht, wird der Kunststoff schnell sehr heiß und lässt sich nicht mehr richtig verarbeiten.

08  Der Druck am Ende der Schraube ist sehr wichtig

Dieser Druck spiegelt den Widerstand aller Objekte stromabwärts der Schnecke wider: Filtersieb und Schmutzbrechplatte, Adapterförderrohr, feststehendes Rührwerk (falls vorhanden) und die Form selbst. Sie hängt nicht nur von der Geometrie dieser Komponenten ab, sondern auch von der Temperatur im System, die wiederum Einfluss auf die Viskosität des Harzes und die Durchsatzgeschwindigkeit hat. Es ist nicht auf das Schneckendesign angewiesen, es sei denn, es beeinflusst Temperatur, Viskosität und Durchsatz. Aus Sicherheitsgründen ist die Messung der Temperatur wichtig – wenn sie zu hoch ist, können Formkopf und Form explodieren und in der Nähe befindliche Personen oder Maschinen gefährden.

Besonders im Endbereich (Dosierbereich) eines Einschneckensystems ist Druck für das Rühren von Vorteil. Hoher Druck bedeutet aber auch, dass der Motor mehr Energie abgeben muss – die Schmelzetemperatur ist also höher – was die Druckgrenze festlegen kann. Bei einem Doppelschneckensystem ist das Ineinandergreifen zweier Schnecken ein effektiverer Rührer, sodass hierfür kein Druck erforderlich ist.

Bei der Herstellung hohler Bauteile, wie z. B. Rohren, die mit Spinnenformen mit Halterungen zur Kernpositionierung hergestellt werden, muss im Inneren der Form ein hoher Druck erzeugt werden, um die Trennung der Logistik bei der Rekombination zu unterstützen. Andernfalls ist das Produkt entlang der Schweißlinie möglicherweise schwach und kann während des Gebrauchs auf Probleme stoßen.

09  Ausgabe

Die Verschiebung des letzten Gewindegangs wird als Normalfluss bezeichnet, der nur von der Schneckengeometrie, der Schneckengeschwindigkeit und der Schmelzedichte abhängt. Es wird durch die Drucklogistik reguliert, die tatsächlich den Widerstandseffekt einer Verringerung der Leistung (dargestellt durch den höchsten Druck) und jeden Überbisseffekt im Zulauf einer Erhöhung der Leistung umfasst. Die Leckage am Gewinde kann in beide Richtungen erfolgen.

Es ist auch nützlich, die Leistung jeder U/min (Umdrehung) zu berechnen, da diese jede Abnahme der Pumpleistung der Schnecke zu einem bestimmten Zeitpunkt darstellt. Eine weitere damit verbundene Berechnung ist die Leistung pro eingesetzter Pferdestärke oder Kilowatt. Dies stellt die Effizienz dar und kann die Produktionskapazität eines bestimmten Motors und Treibers abschätzen.

10  Die Schergeschwindigkeit spielt eine wichtige Rolle bei der Viskosität

Alle gewöhnlichen Kunststoffe haben eine Scherkraftreduzierungseigenschaft, was bedeutet, dass die Viskosität abnimmt, je schneller sich der Kunststoff bewegt. Bei manchen Kunststoffen ist die Wirkung besonders deutlich. Beispielsweise erhöhen einige PVCs ihre Strömungsgeschwindigkeit um das Zehnfache oder mehr, wenn der Schub verdoppelt wird. Im Gegenteil, die Scherkraft von LLDPE nimmt nicht zu stark ab, und wenn der Rückschluss verdoppelt wird, erhöht sich seine Fließgeschwindigkeit nur um das Drei- bis Vierfache. Der verringerte Effekt der Scherkraftreduzierung führt zu einer höheren Viskosität unter Extrusionsbedingungen, was wiederum einen höheren Motorleistungsbedarf bedeutet.

Dies kann erklären, warum LLDPE bei einer höheren Temperatur arbeitet als LDPE. Die Fließgeschwindigkeit wird als Schergeschwindigkeit ausgedrückt, die im Schneckenkanal etwa 100 s-1 beträgt, bei den meisten Formmündungsformen zwischen 100 und 100 s-1 und im Spalt zwischen Gewinde und Zylinderwand sowie einigen kleinen Formspalten mehr als 100 s-1 beträgt.

Der Schmelzkoeffizient ist eine häufig verwendete Messmethode für die Viskosität, er ist jedoch umgekehrt (z. B. Durchflussrate/Schub statt Schub/Strömungsrate). Leider ist die Messung in einem Extruder mit einer Schergeschwindigkeit von 10 s-1 oder weniger und einer schnellen Schmelzflussrate möglicherweise kein echter Messwert.

11  Der Motor befindet sich gegenüber dem Zylinder, und der Zylinder befindet sich gegenüber dem Motor

Ein Sonderfall ist der Rillenzylinder. Die Nut befindet sich im Einzugsbereich, der vom Rest des Zylinders thermisch isoliert und stark wassergekühlt ist. Der Faden drückt die Partikel in die Rille und erzeugt auf relativ kurzer Distanz einen hohen Druck. Dies erhöht die Bisstoleranz bei niedrigeren Schneckengeschwindigkeiten bei gleicher Leistung, was zu einer Verringerung der am vorderen Ende erzeugten Reibungswärme und einer niedrigeren Schmelzetemperatur führt. Dies kann bedeuten, dass die Kühlung eine schnellere Produktion in Blasfolienproduktionslinien einschränkt. Die Nut eignet sich besonders für HDPE, das neben perfluoriertem Kunststoff der glatteste gewöhnliche Kunststoff ist.

Der 11. Grundsatz gilt nicht für den Formkopf und die Form, da dort keine Schraubenrotation stattfindet. Deshalb sind dort äußere Temperaturänderungen wirksamer. Allerdings sind diese Veränderungen von innen nach außen ungleichmäßig, es sei denn, es wird gleichmäßig in einem feststehenden Rührer gerührt, der ein wirksames Werkzeug für Veränderungen der Schmelzetemperatur und des Rührens ist.

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