Lassen Sie mich mit etwas beginnen, das mir im Gedächtnis geblieben ist.
Letztes Jahr besuchte ich aProfilherstellungWerk in Dongguan. Der Werkstattleiter, Old Zhou, zeigte auf einen laufenden Extruder und sagte zu mir: „Sehen Sie dieses Ding? Das Prinzip ist denkbar einfach. Nicht anders, als wenn man Zahnpasta aus einer Tube ausdrückt.“
Ich dachte, er mache Witze.
Es stellte sich heraus, dass er, nachdem er tatsächlich in diese Branche eingestiegen war, sich nicht geirrt hatte, {{0}zumindest nicht, was das Kernkonzept anging. Beim Extrusionsformen wird, wie der Name schon sagt, eine Substanz durch eine Öffnung gepresst, um eine Form zu erhalten. Genau wie wenn man das Ende einer Zahnpastatube zusammendrückt, hat die herausgepresste Zahnpasta die Form eines kleinen runden Lochs. Das Prinzip des Kunststoffextrusionsformens ist ähnlich, außer dass Ihr Finger durch eine rotierende Schraube ersetzt wird, die Zahnpasta zu geschmolzenem Kunststoff wird und die Tubenöffnung zu einer präzisionsgefertigten Form wird.
Aber „einfach“ bedeutet etwas ganz anderes, wenn man von industrieller Produktion spricht.
Was genau extrudieren wir hier?
Profilextrusion ist der Prozess der Herstellung kontinuierlicher Kunststoffformen durch Extrusion. Es umfasst keine Platten- oder Folienprodukte. Viele Leute verwechseln „Extrusion“ als allgemeines Konzept mit „Profilextrusion“ im Speziellen. Die Kunststoffextrusion ist eine große Familie-Blasfolie, Gießfolie und Plattenextrusion zählen alle. Unter Profilextrusion versteht man jedoch speziell Produkte mit einem gleichbleibenden Querschnitt. Der PVC-Rahmen um Ihr Fenster, der Infusionsschlauch im Krankenhaus, sogar der Strohhalm in Ihrem McDonald's-Getränk -schneiden Sie ihn an einer beliebigen Stelle der Länge und die Querschnittsform bleibt gleich. Das ist ein Profil.
Produkte, die durch Profilextrusion hergestellt werden, können massiv sein, wie z. B. Vinylverkleidungen, oder hohl, wie z. B. Trinkhalme.
Wie macht man hohle? Sie müssen einen Stift oder Dorn in die Matrize stecken und Luft durch die Mitte blasen, damit das Produkt nicht zusammenfällt. Als ich das zum ersten Mal hörte, musste ich eine Sekunde darüber nachdenken, aber dann ergab es Sinn.-Wenn man etwas hohl macht und es nicht von innen stützt, wird es natürlich einstürzen.
Was eine Schraube bewirken kann
Das Herzstück eines Extruders ist die Schnecke. Das Komische ist, dass das kritischste Bauteil für eine so große Branche wie eine übergroße Holzschraube aussieht.
Die Schnecke dreht sich mit kontrollierter Geschwindigkeit, typischerweise bis zu 120 U/min, und schiebt die Kunststoffpellets durch den Zylinder vorwärts. Der Zylinder wird auf die erforderliche Schmelztemperatur erhitzt, die je nach verwendetem Polymer zwischen 200 und 275 Grad liegt.
Aber diese Schraube treibt nicht nur das Material voran. Es fördert, komprimiert, schmilzt und homogenisiert gleichzeitig. Wenn Kunststoffpellets aus dem Trichter fallen, sind sie fest. Während die Schnecke sie nach vorne schiebt, werden sie durch externe Heizgeräte am Zylinder erhitzt und gleichzeitig zwischen den Schneckengängen und der Zylinderwand geschert. Wenn sie das vordere Ende erreichen, sind sie vollständig geschmolzen.
Folgendes wird oft übersehen: Die Zylindertemperatur ist größtenteils das Ergebnis der Schererwärmung, und manchmal ist tatsächlich eine zusätzliche Kühlung erforderlich, um den Kunststoff innerhalb seines Verarbeitungsfensters zu halten.
Die meisten Leute gehen davon aus, dass der Extruder lediglich diese externen Heizgeräte verwendet, um den Kunststoff zu schmelzen. Tatsächlich macht die Schererwärmung einen erheblichen Teil des Energieeintrags aus. Ich habe erfahrene Bediener dabei beobachtet, wie sie Maschinen optimieren, indem sie die Heizleistung tatsächlich herunterdrehen und die Scherung mehr Arbeit erledigen lassen. -Das spart natürlich Strom, aber was noch wichtiger ist: Das durch Scherung-induzierte Schmelzen ist tendenziell gleichmäßiger.
Darüber sterben
Der Würfel ist der Ort, an dem die wahre Ingenieursmagie stattfindet. Ich bin kein Fan von blumiger Sprache, aber es stimmt,-der Würfel ist die technisch anspruchsvollste Komponente im gesamten System.
Denken Sie darüber nach. Geschmolzener Kunststoff ist eine Flüssigkeit. Wenn es die Matrize verlässt, schwillt es an (sie nennen es „Matrizenschwellung“). Beim Abkühlen schrumpft es. Verschiedene Teile kühlen unterschiedlich schnell ab, sodass die Schrumpfung nicht einmal gleichmäßig ist. Um ein Endprodukt zu erhalten, das den Designspezifikationen entspricht, müssen die Fließkanäle der Düse all dies berücksichtigen.
Und eine Matrize ist nicht nur ein Stück Stahl, in das ein Loch geschnitten ist. Eine ausgewogene Matrize ist für eine gute Dimensionskontrolle unerlässlich. „Ausgewogen“ bedeutet, dass die Schmelze über den gesamten Querschnitt ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit fließt. Wenn die Strömung ungleichmäßig ist, wird Ihr Profil auf der einen Seite dick und auf der anderen dünn, oder ein Teil kühlt vor dem anderen ab, und dann haben Sie Probleme.
Ich kenne eine Fabrik, die komplexe Profile herstellt. Sie verbrachten drei Monate allein mit den Gerichtsverhandlungen. Der Querschnitt hatte sieben oder acht unregelmäßige Rillen, die dünnste Wand war unter 1 mm, die dickste fast 8 mm. Bei dieser Art von Variation ist es ein Albtraum, ein Gleichgewicht im Fluss zu erreichen.
Es ist erst fertig, wenn es kalt ist
Der aus der Matrize austretende Kunststoff ist noch weich. Ein bisschen wie warmer Käse. Sie müssen diese Form schnell festlegen.
Der häufigste Ansatz ist die Wasserkühlung. Das Profil gelangt direkt von der Matrize in einen Wassertank. Im Inneren des Tanks befinden sich Kalibriervorrichtungen, die das noch weiche Profil während des Aushärtens in Form halten. Für Produkte, die engere Toleranzen erfordern, fügen Sie eine Vakuumkalibrierung hinzu.-Das weiche Profil durchläuft einen Kalibrator, an der Außenseite wird Vakuum angelegt und kleine Löcher am Umfang saugen den Kunststoff nach außen gegen die Wände des Kalibrators. Es handelt sich im Grunde um kontinuierliches Vakuumformen.
Das Abkühlen scheint der langweilige Teil des Prozesses zu sein, aber es gibt viele Möglichkeiten, es zu vermasseln. Kühlt es zu schnell ab und der Temperaturgradient zwischen innen und außen erzeugt innere Spannungen-Verzug tritt später auf. Kühlt man zu langsam ab, leidet die Ausstoßgeschwindigkeit, außerdem ist das Profil immer noch weich, wenn der Abzieher es erfasst und es zu einer Dehnung kommt.
Wassertemperatur, Durchflussrate, Kalibratorlänge, Abzugsgeschwindigkeit-alles muss aufeinander abgestimmt sein.
Der Abzug steuert und koordiniert die Geschwindigkeit, mit der das Profil aus der Matrize gezogen wird. Diese Geschwindigkeit muss mit der Extrusionsrate übereinstimmen. Zu schnell und das Profil wird dünn. Zu langsam und Material stapelt sich am Matrizenausgang. Klingt einfach. Bei der Abstimmung geht es um alle Details.
Ein paar Worte zu den Materialien
Leute in der Extrusion scherzen gerne: „Wir extrudieren Plastik, aber was wir wirklich verlieren, sind unsere Haare.“ Bei einer falschen Formulierung läuft alles schief.
Typische Materialien sind Polyethylen, Polypropylen, Polyacetal, Acryl, Nylon, Polystyrol, PVC, ABS und Polycarbonat. Unter anderem.
Das sind viele Namen, aber in der tatsächlichen Produktion hat man es meist mit einer Handvoll zu tun.
PVCist König in der Profilwelt. Keine knappe Sekunde. Gebäudefenster, Abflussrohre, Kabelkanäle-es ist überall. Der hohe Chlorgehalt macht PVC schwer entflammbar und begrenzt die Wärmeentwicklung. Es ist selbst-verlöschend, was bedeutet, dass es aufhört zu brennen, sobald Sie die Zündquelle entfernen. Bei Baumaterialien ist die Feuerbeständigkeit enorm. Außerdem ist PVC günstig, korrosionsbeständig und kann durch Zugabe von Weichmachern steif oder flexibel gemacht werden. Natürlich hat es auch Nachteile: -Enges Verarbeitungsfenster und schlechte thermische Stabilität. Sie müssen die Formulierung mit Stabilisatoren beladen, sonst zersetzt sie sich, bevor sie überhaupt aus der Form kommt.
PEist hauptsächlich für Rohre gedacht. Für Gasleitungen wird Polyethylen verwendet, da es Korrosion sowohl durch das Gas als auch durch die unterirdische Umgebung widersteht. Wasserleitungen verwenden es aus dem gleichen Grund und es trägt dazu bei, das Wasser rein zu halten. Aufgrund der guten Flexibilität kann es mit Bodensetzungen umgehen. Durch Hitze verschmolzene Verbindungen sind am Ende stärker als das Rohr selbst.
ABSverfügt dank der Butadien-Komponente über eine hervorragende Schlagzähigkeit, auch bei niedrigen Temperaturen. Da UV-Strahlung jedoch zu Mikrorissen führt, ist bei Anwendungen im Freien Vorsicht geboten.
ASAist ein hervorragendes Material für den Außenbereich, für Profile, die längere Zeit der Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Viele Leute kennen das nicht. Es handelt sich im Wesentlichen um ABS, wobei Butadien durch Acrylatester ersetzt wurde, was die Witterungsbeständigkeit deutlich erhöht.
Was all die anderen Dinge betrifft, die in eine Formulierung einfließen: Farbstoffe für das Aussehen, UV-Stabilisatoren zur Verhinderung des Photoabbaus, Antioxidantien zur Verlangsamung der Alterung, Gleitmittel zur Verbesserung des Fließverhaltens und zur Reduzierung der Reibung, Flammschutzmittel zur Reduzierung der Entflammbarkeit. Außerdem Wärmestabilisatoren, Füllstoffe, Härter, Verarbeitungshilfsmittel ... Eine ausgereifte Formulierung kann aus einem Dutzend Komponenten bestehen, die jeweils durch umfangreiche Versuche und Irrtümer ausgewählt werden.
Co-Extrusion verdient einen eigenen Abschnitt
Bei der Co-extrusion werden mehrere Materialschichten gleichzeitig extrudiert. Sie verwenden zwei oder mehr Extruder, um unterschiedliche Kunststoffe mit kontrollierten Geschwindigkeiten in einen einzigen Düsenkopf zuzuführen, der sie in die gewünschte Form bringt.
Warum sich die Mühe machen?
Denn in vielen realen-Anwendungen kann kein einzelnes Polymer alle Anforderungen erfüllen. Angenommen, Sie möchten ein Profil, bei dem die äußere Schicht hart, verschleißfest und gut aussehend sein muss, während die innere Schicht weich und elastisch sein und eine Abdichtung bilden muss. Ein Material kann nicht beides. Mit der Co--Extrusion können Sie zwei Materialien gleichzeitig verarbeiten, sie in der Düse verschmelzen und als ein einziges integriertes Stück herauskommen.
Die Dual-Durometer-Co{0}}-Extrusion verschmilzt zwei Materialien mit unterschiedlichen Härtezonen durch dieselbe Düse und verleiht dem Produkt sowohl strukturelle Steifigkeit als auch Flexibilität. Tür- und Fensterdichtungen, Gerätedichtungen, verschiedene industrielle Dichtungsanwendungen-hier taucht das auf.
Ein klassisches Beispiel sind Autotürdichtungen. Der Teil, der am Blech befestigt wird, ist starr. Der Teil, der das Glas oder die Karosserie berührt, ist weich. Zwei Materialien, ein Durchgang durch die Matrize. Würde man sie einzeln herstellen und versuchen, sie zusammenzukleben, wäre das teurer und die Verbindung wäre nicht so zuverlässig.
Es wird komplexer. Bei der Tri--Extrusion werden drei verschiedene kompatible Materialien durch eine Düse geführt, die häufig für medizinische Geräte und Katheter verwendet wird. An medizinische Schläuche werden hohe Anforderungen gestellt. -Die innere Schicht muss biokompatibel sein, da sie mit Blut oder Medikamenten in Berührung kommt. Die mittlere Schicht muss fest und knickfest sein. Die äußere Schicht muss beim Einführen gleitfähig sein. Drei Funktionen, drei Materialien, ein Schuss.
Die Aufstellung in einer Produktionshalle
Eine komplette Profilextrusionslinie sieht von Anfang bis Ende ungefähr so aus:
Materialspeicher-/Trocknungssystem → Extruder → Siebwechsler → Matrize → Kalibrierungs-/Kühltank → Abtransport → Schneider → Sammlung/Stapelung
Der Extruder ist bereits abgedeckt. Der Siebwechsler dient der Filterung-und fängt ungeschmolzene Teile und Verunreinigungen auf. Der Abzug ist das Rollenpaar, das das Profil mit konstanter Geschwindigkeit vorwärts zieht. Schneidgeräte gibt es je nach Produkt in verschiedenen Ausführungen-Sägen, Scheren, fliegende Trennmesser.
Flexible Profile werden üblicherweise auf speziellen Wickelmaschinen gewickelt. Starre Profile werden auf Länge gesägt oder abgelängt.
Einige Produkte erfordern auch eine Inline-Verarbeitung. Stanzen, Bohren und Schlitzen sind typische Vorgänge. Der Tintenstrahldruck ermöglicht die Chargen- und Produktkennzeichnung. Das In-Line-Stanzen ist viel effizienter als das Offline-Stanzen, da sich das Profil immer noch entlang der Linie bewegt. -Der Stanzkopf bewegt sich mit, schlägt zu und fertig.
Kurzer Hinweis zur Qualität
Viele Fabriken legen nicht viel Wert auf die richtige Einrichtung.-Solange das Profil akzeptabel aussieht, gehen sie davon aus, dass der Extruder richtig eingestellt ist.
Das trifft den Nagel auf den Kopf. Die Mentalität in vielen Fabriken lautet: „Wenn es ausgeliefert wird, ist es in Ordnung“, und sobald die Maschine einen einigermaßen guten Zustand erreicht, rührt sie niemand mehr an. Bei demselben Produkt kann jedoch durch die Optimierung der Parameter der Energieverbrauch um 20 % gesenkt und die Konsistenz deutlich verbessert werden.
Temperaturkontrolle ist alles. Eine genaue Temperaturregelung sorgt für ein gutes Produkt und minimiert die Energiekosten. Thermoelemente müssen regelmäßig überprüft werden. Wenn eine zuvor gut-ausgeglichene Matrize anfängt, ungleichmäßige Profile zu erzeugen, liegt das oft daran, dass die Thermoelemente die Matrizentemperatur nicht mehr richtig regeln. Thermoelemente driften mit der Zeit ab-auf dem Display wird 180 Grad angezeigt, der tatsächliche Wert könnte jedoch 195 Grad betragen -und es schleichen sich langsam Probleme ein.
Wohin geht das alles?
Auf diesen Teil muss nicht viel näher eingegangen werden, da es überall Profile gibt.
Die Profilextrusion ist einer der volumenstärksten Prozesse in der Kunststoffherstellung und produziert alles von Rohren über Fenster bis hin zu medizinischen Schläuchen.
Der Bau wird am meisten genutzt. Fensterrahmen, Türrahmen, Verkleidungen, Fußleisten, Kabelkanäle-alle extrudiert.
In der Medizin kommt höchste Präzision zum Einsatz. Bluttropfschläuche und Katheter bestehen aus Kunststoffmaterialien und Verstärkungen und erfordern eine Sterilisation nach der Herstellung.
Automotive nutzt die größte Vielfalt. Dichtungen, Zierleisten, Schläuche, Kabelbaumschutz-Ein einzelnes Auto könnte Dutzende verschiedener extrudierter Profile haben.
Konsumgüter sind selbstverständlich. Strohhalme, Kleiderbügel, Packgurte, Vorhangschienen...
Letzte Gedanken
Profilextrusion ist ein Verfahren zur Herstellung hoher Stückzahlen, das sich durch minimalen Abfall, niedrige Kosten, schnelle Durchlaufzeiten und Vielseitigkeit bei den Rohstoffen auszeichnet. Es können auch spezifische Eigenschaften wie Flammwidrigkeit, Haltbarkeit, chemische Beständigkeit und Hitzebeständigkeit erreicht werden.
Was die Aufzählungspunkte aus dem Lehrbuch angeht, stimmt alles. Aber was diesem Prozess wirklich sein Durchhaltevermögen verleiht, ist meiner Meinung nach die Kontinuität. Das Spritzgießen erfolgt in Zyklen-Form öffnet sich, Form schließt sich, es gibt eine Totzeit zwischen den Schüssen. Durch die Extrusion wird weiterhin Material herausgepumpt. Wenn Sie möchten, können Sie es 24 Stunden am Stück laufen lassen. Dieser Kontinuitätsvorteil in Bezug auf die Kosten ist fast erdrückend, wenn es um die Produktion großer Stückzahlen geht.
Natürlich gibt es Einschränkungen. Sie können nur Produkte mit konstantem Querschnitt erstellen. Die Präzision ist geringer als beim Spritzgießen. Komplexe 3D-Geometrien kommen nicht in Frage. Aber in seinem Steuerhaus kommt nichts anderes dem nahe.
Technologie- und Materialfortschritte verändern die Landschaft der Profilextrusion immer wieder. Die Integration fortschrittlicher Design- und Simulationssoftware sowie die Entwicklung von Hochleistungspolymeren- erweitern die Möglichkeiten im Hinblick auf innovative und multifunktionale Profile.
Profile, die vor zehn Jahren nicht möglich waren, können jetzt erstellt werden. Parameter, die früher ausschließlich von der Intuition erfahrener Bediener abhingen, können jetzt in Software simuliert werden. Die Branche schreitet weiter voran. Die zugrunde liegenden Prinzipien haben sich in einem Jahrhundert kaum verändert, aber die Bandbreite dessen, was Sie erreichen können, wächst ständig.
Noch etwas: Frohe Weihnachten!