Extrusionsgrundlagen: Die Zähmung der Schraube

Allan Griff | 19. September 2021

Der Planet Erde dreht sich mit einer Geschwindigkeit von 0,0007 U/min. Einfach zu berechnen: Eine Umdrehung pro Tag, geteilt durch 24, um Umdrehungen pro Stunde zu erhalten, und dann durch 60, um Umdrehungen pro Minute = U/min zu erhalten. Die lineare Geschwindigkeit hängt davon ab, wo Sie leben. In Nordkalifornien, wo ich bin, ist es der 38. nördliche Breitengrad und wir bewegen uns mit etwa 730 Meilen pro Stunde. Das entspricht ungefähr der Schallgeschwindigkeit, aber wir spüren oder hören sie nicht, da sich die Luft um uns herum genauso schnell bewegt. Es ist viel schneller als in jedem Extruder – in einem 12-Zoll/30-cm-Zylinder, der mit 100 U/min schnell läuft, erreicht ein Partikel an der Zylinderwand immer noch nur 314 Fuß/Minute oder 0,36 Meilen pro Stunde. Für den Betrieb eines Extruders ist das alles nicht wichtig, aber für uns Ingenieure macht es Spaß.

Es ist jedoch wichtig zu verstehen, wie eine Schraube funktioniert. Hier ist eine gekürzte Version des Abschnitts über Einzelschnecken in meinem Plastics Extrusion Operating Manual (24. Auflage, 2021).

Wir drücken die Länge des Systems als Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis (L/D) aus. Das häufigste L/D liegt bei etwa 24:1; einige sind mit 30:1 oder sogar mehr länger und einige sind sogar nur 20:1 kurz. Eine größere Länge kann eine höhere Leistung bedeuten, wenn Erhitzen, Schmelzen oder Mischen Leistungsgrenzen darstellen

Eine Standardschraube hat drei Zonen:

Viele Schrauben haben eine quadratische Steigung, was bedeutet, dass der Abstand von einem Gewindegang zum nächsten dem Durchmesser entspricht. Dies macht es einfach, L/D einfach durch das Zählen der Runden zu ermitteln. Der Teil unter der Einfüllöffnung sollte nicht in L/D einbezogen werden, viele Leute zählen ihn jedoch, da die Schraube dadurch länger erscheint.

Das Kompressionsverhältnis einer Schnecke ist das Verhältnis des Volumens des ersten Gangs zum Volumen des letzten Gangs, normalerweise zwischen zwei und vier. Es wird oft als das Verhältnis der ersten zur letzten Kanaltiefe in einer Schraube mit konstanter Steigung verwendet. Das Kompressionsverhältnis ist nützlich, aber es ist eine unbestimmte Zahl und kann eine Schraube nur dann richtig beschreiben, wenn mindestens eine Kanaltiefe bekannt ist.

Die Flugbreite (Dicke) beträgt etwa 10 % des Laufdurchmessers. Breitere Gewindegänge verschwenden Schneckenlänge und entwickeln zu viel Wärme in den Zwischenräumen zur Zylinderwand, während schmale Gewindegänge in diesen Zwischenräumen zu viel Strömung (Leckage) ermöglichen können. Um Stagnation dort zu vermeiden, wo der Steg auf die Wurzel trifft, sind die Ecken abgerundet

Schrauben bestehen normalerweise aus bearbeitbarem Stahl, aber die dem Lauf am nächsten liegenden Flugflächen sind zusätzlich behandelt, um den Verschleiß zu verzögern. Bei leichter Beanspruchung genügt Flammhärten. Die gesamte Schneckenoberfläche kann durch Nitrieren gehärtet werden, die übliche Behandlung besteht jedoch in einer Hartlegierungskappe auf diesen Schneckenflächen.

Fässer sind Stahlzylinder, die meist mit einer verschleißfesten Legierung ausgekleidet sind.

Der Abstand zwischen den Schneckengängen und dem Zylinder beträgt bei neuen Schnecken zwischen 0,005 und 0,010 Zoll (0,125 bis 0,25 mm), bei sehr kleinen Schnecken weniger und bei sehr großen mehr. Eine engere Passform wäre teurer in der Herstellung und würde zu viel Wärme entwickeln. Ein etwas über diese Werte hinausgehender Verschleiß ist in der Regel harmlos und kann sogar hilfreich sein. Stellen Sie daher sicher, dass ein echtes Problem vorliegt, bevor Sie die Schraube umbauen oder ersetzen (z. B. Überhitzung, da die Schnecke bei gleicher Leistung schneller laufen muss).

Schnecken können per Computer entworfen werden, wenn wir den Widerstand (Druck an der Schneckenspitze), die gewünschte Ausstoßrate und die Materialviskositäten kennen. Es ist jedoch dennoch eine gute Idee, den Computer vor dem Schneiden von Metall mit etwas Erfahrung zu „würzen“.

Das Verchromen einer Schraube kann den Schlupf an der Wurzel erhöhen (was gut ist) und Korrosion verhindern, insbesondere außerhalb der Maschine, ist aber bei den meisten Kunststoffen nicht erforderlich. Bei stark abrasiven Materialien kann die gesamte Schneckenoberfläche gehärtet werden. Schließlich benötigen PVDC und einige Fluorkunststoffe spezielle Metalle, da eisenbasierte Materialien korrodieren und die Beschichtung nicht lange genug hält.

Einige Schrauben sind gebohrt und haben einen zentralen Durchgang. Die Wasserkühlung über die gesamte Länge verbessert die Durchmischung in den letzten Flügen. Bei Hart-PVC wird Öl verwendet, um die Schraubenspitze auf etwa 150 °C (300 °F) zu halten, damit sich das PVC dort nicht zersetzt. Die Schneckenkühlung erfolgt nur teilweise entlang des Zylinders und wird mit einigen Kunststoffen durchgeführt, um ein Anhaften an der Schneckenwurzel in der Einzugszone zu verhindern.

Ein Maddock-Abschnitt ist ein Schraubenstück mit einer Länge von etwa zwei Durchmessern, das sich normalerweise nur wenige Windungen vor dem Ende befindet und über große Rillen (Rillen genannt) in Paaren anstelle von Gewindegängen verfügt.

Jede Einlassrinne verfügt über einen entsprechenden Auslass mit einer Barriere dazwischen (siehe Zeichnung unten). Der Abstand zum Lauf über diesem Grat beträgt etwa 0,020 bis 0,030 Zoll (0,50 bis 0,75 mm). Die ersten Maddocks hatten Rillen parallel zur Schraubenachse, aber jetzt sind mehr spiralförmig.

Die Schmelze tritt in die Einlassrillen ein, fließt über die Barrierekante und verlässt sie durch die Auslässe. Ungeschmolzene Pellets können nicht im Ganzen übergehen, sondern werden geschert und abgeflacht und gelangen schließlich als Schmelze über. Außerdem bleibt die kühlere Schmelze länger im Bereich mit hoher Scherung als heißere Schmelze, was für eine größere thermische Gleichmäßigkeit sorgt. Er wird oft als Maddock-Mischkopf bezeichnet, befindet sich jedoch selten am Ende (Kopf) der Schnecke und ist eher ein Sieb als ein Mischer.

Eine Barriereschnecke hat einen Abschnitt, der den größten Teil der Kompressionszone einnimmt, mit einem zusätzlichen Gang, der zwei parallele Kanäle bildet – einen für Schmelze und einen für Pellets. Der Abstand zwischen dem neuen Schneckenflügel und dem Lauf ist groß genug, dass die im Pelletkanal gebildete Schmelze zurück in den Schmelzkanal fließen kann, aber klein genug, um die Pellets zu blockieren, die etwa 0,060 Zoll (1,5 mm) groß sind. Die Pellets bleiben in ihrem Hauptkanal, werden jedoch von überschüssiger Schmelze befreit und erzeugen so mehr Reibungswärme, wenn sie aneinander reiben. Folglich ist das Schmelzen pro U/min effizienter. Wenn sich das Material entlang der Schnecke bewegt, wird mehr Schmelze erzeugt, sodass das Volumen des Schmelzekanals zunimmt. Der Pelletkanal wird jedoch kleiner, je weniger Pellets ungeschmolzen bleiben, bis der Abschnitt schließlich endet, die Pellets verschwunden sind und ein einzelner Gang die Schmelze durch die Dosierzone abtransportiert. Es ist üblich, eine solche Barriere mit einem Maddock-Abschnitt in der Dosierzone oder einer anderen speziellen Mischvorrichtung zu kombinieren.

Der Barrierenabschnitt in der Zeichnung ist nur 4 Durchmesser lang, wurde jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit gekürzt; die übliche Länge beträgt mindestens 10 Durchmesser.

Mischstifte sind Noppenringe, die aus der Schneckenwurzel herausragen und die stromlinienförmige Strömung wie Steine ​​in einem Bach unterbrechen und so das Mischen verbessern. Sie werden normalerweise im letzten Viertel der Schraube angebracht.

Gerillte Fässer verfügen über axiale oder spiralförmige Rillen im Lauf in einer wassergekühlten separaten Zufuhrzone, um die Aufnahme von rutschigen, harten Kunststoffen wie Polyethylen hoher Dichte zu verbessern. Benötigt wird eine Schnecke mit flacherem Vorschub und tieferer Dosierzone, oft ohne jegliche Kompression. Da eine tiefe Dosierzone zu einer schlechten Durchmischung führt, ist weitere Hardware erforderlich, entweder ein Abschnitt für intensives Mischen am Ausgangsende der Schnecke oder ein statischer Mischer im Kopf.

Für die belüftete (zweistufige) Extrusion wird eine sehr lange Schnecke verwendet, da das gesamte Material vor der Entlüftung geschmolzen werden muss, die typischerweise etwa 70 % der Gesamtlänge ausmacht. Dieser erste Teil ist eine normale Drei-Zonen-Schnecke, aber dann wird er plötzlich wieder tief, wodurch der Schmelzedruck verringert wird, sodass durch ein Loch im Zylinder (die Entlüftung) ein Vakuum angelegt werden kann, um Luft, Feuchtigkeit oder andere flüchtige Stoffe abzusaugen. Die Schmelze fließt stromabwärts weiter, wird erneut komprimiert, durchläuft einen letzten Dosier- und Mischabschnitt und verlässt sie dann durch die Düse.

Durch die Entlüftungsöffnung können Materialien wie Treibgase und -mittel, Abfall, Mischharz und Mikroadditive hinzugefügt werden. Sogar Nicht-Thermoplaste können eingesetzt werden, beispielsweise Glasfasern, die nicht schmelzen müssen und viel weniger abrasiv sind, wenn sie dem geschmolzenen Material zugesetzt werden, statt sie mit harten, festen Zufuhrpartikeln zu vermischen.

Bei einer belüfteten Schnecke muss die zweite Stufe das wegnehmen, was die erste (hintere) Stufe in die Entlüftungszone einbringt, und außerdem gegen den Kopfwiderstand arbeiten. Daher muss die Pumpleistung der zweiten Stufe größer sein als die Leistung der ersten Stufe, die gegen Nullwiderstand arbeitet – andernfalls muss die Zufuhr separat gesteuert werden – um zu verhindern, dass geschmolzener Kunststoff aus der Entlüftung austritt. Das übliche Verhältnis der Dosiertiefen vorne zu hinten liegt zwischen 1,5 und 2,0. Allerdings können tiefe Kanäle gegen hohen Druck nicht gut pumpen, sodass eine typische belüftete Schnecke nur gegen einen maximalen Widerstand (einschließlich Siebe) von etwa 2500 psi (17 MPa) arbeiten kann. Für einen höheren Förderwiderstand ist entweder eine kontrollierte Zufuhr oder eine Zahnradpumpe erforderlich, um eine Entlüftung zu ermöglichen.

Doppelte Schnecken haben zwei parallele Wege in einem Teil oder der gesamten Schnecke. In der Dosierzone unterstützt dies die Wärmeübertragung und wird daher manchmal dort eingesetzt, wo sehr hohe Temperaturen erforderlich sind, beispielsweise bei der Extrusionsbeschichtung. Man geht davon aus, dass eine doppelläufige Futterzone für eine gleichmäßigere Futterzufuhr (weniger Pulsation) sorgt, ist aber heute nur noch selten anzutreffen. Alle Barriereschnecken sind in ihren Barriereabschnitten zweigängig, die beiden Wege sind jedoch nicht gleich, wie oben erläutert. Bei einer Wellenschnecke sind die zwei (oder drei) Wege gleich breit, zwischen ihnen befindet sich jedoch eine Barriere, die niedrig genug ist, damit die Schmelze darüber fließen kann. Die Kanaltiefen weisen wellenartige Zunahmen und Abnahmen auf, die zueinander phasenverschoben sind. Wenn also ein Weg flach ist, ist der Weg über die Barriere tief und die Schmelze fließt vom Flachen ins Tiefe. Eine halbe Umdrehung später sind die Tiefen umgekehrt. Die Schmelze fließt immer noch vom Flachwasser in die Tiefe, sodass sie sich flussabwärts über die Barriere hin und her bewegt, was sich positiv auf die Durchmischung auswirkt und den Fluss stabilisiert.

Über den Autor

Allan Griff ist ein erfahrener Extrusionsingenieur, der im technischen Service eines großen Harzlieferanten begann und nun viele Jahre lang selbstständig als Berater, Sachverständiger in Rechtsfällen und insbesondere als Dozent im Rahmen öffentlicher Webinare und Seminare arbeitet und inhouse, und jetzt in seiner neuen audiovisuellen Version. Er schrieb Plastics Extrusion Technology, das erste praktische Extrusionsbuch in den Vereinigten Staaten, sowie das Plastics Extrusion Operating Manual, das fast jedes Jahr aktualisiert wird und sowohl auf Spanisch und Französisch als auch auf Englisch erhältlich ist. Erfahren Sie mehr auf seiner Website www.griffex.com oder senden Sie ihm eine E-Mail an [email protected].

In naher Zukunft oder vielleicht auch nie seien Live-Seminare geplant, da sein virtuelles audiovisuelles Seminar sogar noch besser sei als Live-Seminare, sagt Griff. Keine Anreise, kein Warten auf Live-Termine, dieselben PowerPoint-Folien, aber mit Audio-Erklärungen und einem schriftlichen Leitfaden. Schauen Sie in Ihrem eigenen Tempo zu; Die Gruppenteilnahme wird zum Pauschalpreis angeboten, inklusive des Rechts, Fragen zu stellen und ausführliche Antworten per E-Mail zu erhalten. Für weitere Informationen rufen Sie 301/758-7788 an oder senden Sie eine E-Mail an [email protected].

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