Plastifizieren in kürzester Zeit - Krauss Maffei

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SPRITZGIESSEN
Plastifizieren in
kürzester Zeit
Schnecken. Die Vorteile von Barriereschnecken, mehr-
gängigen Schnecken und genuteten Zylindern wurden in
einem innovativen Hochleistungs-Plastifiziersystem zusammengeführt. Die
Plastifizierleistung kann deutlich gesteigert werden, ohne die Schneckenlänge oder
die Antriebsleistung zu verändern. Bestehende Spritzgießmaschinen lassen sich
daher kostengünstig und unkompliziert umrüsten.
D ie
MARTIN WÜRTELE
CHRISTOPH LANGE
THOMAS HUNGERKAMP
stetige Weiterentwicklung der
Werkzeug- und Temperiertechnik
sowie der Materialeigenschaften
stellt neue Herausforderungen an die Maschinenhersteller.
Vor allem im Bereich
der Verpackungsanwendungen führen
große Kavitätenzahlen und Etagenwerkzeuge
dazu, dass sich bei nahezu gleicher
Maschinengröße das Schussvolumen vervielfacht.
Die Entwicklung von sehr leicht
fließenden Materialien ermöglicht ein
deutlich größeres Verhältnis von Fließweg
zu Wanddicke und damit eine zusätzliche
Zykluszeitreduktion. Die
Verwendung schnell kristallisierender
Materialien
verringert die Restkühlzeit
und die Zykluszeit weiter.
Auch innovative Technologien
wie Impulskühlung,
konturgenaue Kühlsysteme
oder die Kühlung mit flüssigem
CO2 verkürzen die
Kühlzeit bei gleichzeitig
hoher Formteilqualität.
Neue Gestaltungsmethoden
und -hilfsmittel, beispielsweise
die Simulation
der Formfüll-,Abkühl- und
Schwindungsbedingungen,
unterstützen die Konstrukteure
dabei, den Verarbeitungsprozess
zu beschleunigen.
Schon im Vorfeld
lassen sich mit Rechnerunterstützung
Verzugsprobleme besser erfassen. Im Idealfall
kann der Verarbeiter mit einer höheren
Wärmeformstabilität der Formteile
eine schnellere Entformung erreichen.
Diese Entwicklungen ermöglichen
schnellere Zyklen und höhere Produktivität.
Gleichzeitig bewirken sie aber auch,
dass für den Dosier- und Aufschmelzvorgang
weniger Zeit zur Verfügung steht
und höhere Plastifizierleistungen bei gleicher
Schmelzequalität gefordert sind.
Schnelle Zyklen,
kurze Verweilzeiten
Glatte Drei-Zonen-Schnecken können
die besonderen Anforderungen schnell-
Aufschmelzprozess
Bild 1. Energieeintrag in die Schmelze durch Heizung und Schneckenantrieb
laufender Anwendungen in der Regel
nicht erfüllen. Hohe Schneckenumfangs-
Geschwindigkeiten von mehr als 1 m/s in
Verbindung mit kurzen Verweilzeiten
führen dazu, dass nahezu die gesamte
Energie zum Aufschmelzen des Kunststoffs
in Form von Dissipationsenergie
aufgebracht werden muss. Konvektionsund
Wärmeleitungsanteile nehmen infolge
der geringeren Verweilzeit ab.
Temperatur-Inhomogenitäten, die aus
der axialen Verschiebung der Schnecke
während des Dosiervorgangs und der dabei
abnehmenden wirksamen Schneckenlänge
resultieren, werden kaum noch
durch thermische Vorgänge ausgeglichen.
Viskositätsunterschiede, ungenügend dispergierte
Pigmente bis hin zu nicht aufgeschmolzenen
Feststoffpartikeln
sind die Folge.Bild 1 zeigt,dass die
Verkürzung der Plastifizierzeit (n0
nach n1) und/oder der Zykluszeit
an einen Betriebspunkt führen
kann, in dem die Energiezufuhr
nicht mehr ausreicht, um den
Kunststoff aufzuschmelzen.
Die Maschinenhersteller bieten
daher Hochleistungsschnecken
an, deren wirksame Schneckenlänge
mehr als 23 D beträgt.
Dies vergrößert die mittlere Verweilzeit
im Vergleich zu Standardplastifiziereinheiten.Zusätzlich
wird der Aufschmelzvorgang
durch eine Steigerung
der Wärmeleitung (Heizung)
und der inneren viskosen Reibung
(Schneckenantrieb) beschleunigt.
96 © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 6/2004

Aufgrund der größeren
Verweilzeit und
der verbesserten Aufschmelzleistung
lässt
sich der Plastifizierstrom
ohne Qualitätseinbußen
steigern, indem
entweder die Schneckendrehzahl
oder der spezifische Durchsatz
der Schnecke erhöht wird. Mit
zunehmender Schneckendrehzahl verschiebt
sich jedoch der Betriebspunkt zu
einer höheren Schneckenantriebsleistung,
während der Energieeintrag durch
die Heizung sinkt. Dieser Entwicklung
sind wirtschaftliche, konstruktive und
verfahrenstechnische Grenzen gesetzt.
Um die Durchsatz- und Aufschmelzleistung
weiter zu steigern, müssen vorhandene
Schneckenkonzepte so modifiziert
werden, dass die Energiezufuhr über den
Zylinder verbessert wird.
Mehrgängige Schnecken
Der Wärmeübergang vom Zylinder in den
Feststoff verhält sich umgekehrt proportional
zur Dicke des Schmelzefilms. Bei
mehrgängigen Schnecken verteilt sich der
Schmelzefilm auf mehrere Gänge und ist
Bild 2. Vergleich der Schmelzefilmdicken
von eingängigen und mehrgängigen Schnecken
daher dünner (Bild 2). Die Aufschmelzleistung
und auch die Plastifizierleistung
wird dadurch deutlich verbessert. Auch
die Schubspannung und somit die Dissipation
im Schmelzefilm erhöhen sich.Gerade
bei Materialien mit schlechter Wärmeleitfähigkeit
wie Polypropylen kann
durch den dünneren Schmelzefilm mehr
Energie aus der Zylinderheizung in das
Feststoffbett übertragen werden. Allerdings
verringert sich mit einem zweiten
Kunststoffe 6/2004
Steg der Einrieselquerschnitt, so dass es
besonders bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten
zu einer Teilfüllung der
Schneckengänge und zu Lufteinschlüssen
im Formteil kommen kann.
Barriereschnecken
Bei der Barriereschnecke separiert ein so
genannter Barrieresteg das aufgeschmolzene
Material vom Feststoff. Der Spalt
zwischen Barrieresteg und Zylinderinnenwand
lässt nur aufgeschmolzenes Material
oder angeschmolzene Granulatkörner
passieren, die in mindestens einer
Richtung kleiner sind als der Spalt
(Bild 3). Bei Barriereschnecken haben
sich solche Konzepte durchgesetzt, die
den Feststoff- und Schmelzekanal mit
konstanter Gangbreite (Gangsteigung)
ausgeführt sehen. Dadurch wird die für
den Wärmeübergang zur Verfügung stehende
Fläche nicht reduziert. Im Gegensatz
dazu reduziert bei konventionellen
Schnecken die Zunahme des Schmelzepools
auf der aktiven Stegflanke stetig die
Kontaktfläche zwischen Feststoff und Zylinderinnenwand.
Durch das Abschöpfen der aufgeschmolzenen
Formmasse im Schmelze-
kanal stellt sich ebenso wie bei der -
Mehrgängigkeit eine geringere Schmelzefilmdicke
mit den oben beschriebenen
Vorteilen ein.Mit zunehmendem Schmelzeanteil
nimmt die Querschnittsfläche des
Feststoffkanals kontinuierlich ab,während
die Querschnittsfläche des Schmelzekanals
zunimmt. Auf diese Weise wird eine geringe
Scherbeanspruchung der Schmelze
sichergestellt. Der kontrollierte Übertritt
von angeschmolzenen Granulatkörnern
hat zusätzlich einen positiven Effekt auf
das Temperaturniveau der Schmelze.
Genutete Zylinder
Barriereschnecken mit gekühlten Nutbuchsen
ermöglichen in der Extrusion
sehr hohe spezifische Durchsätze. Allerdings
sind deutlich höhere Antriebsmomente
und längere Schnecken erforderlich,
um auch bei großen Durchsätzen die
minimale Verweilzeit einzuhalten. Schneckenlängen
von mehr als 30 D sind nach
dem heutigen Stand der Technik üblich.
Solche Schneckenlängen sind im Spritzgießmaschinenbau
jedoch nur realisierbar,
wenn auch das Maschinenbett entsprechend
verlängert wird. Deshalb
konnten sich genutete Zylinder im Spritzgießen
nicht durchsetzen.
Kombination der Vorteile
Das neue HPX-Plastifiziersystem der
Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH,
München, vereint die Vorteile der beschriebenen
Systeme in einer neuen Generation
von Plastifiziereinheiten für
Spritzgießmaschinen. Das System besteht
aus einer mehrgängigen Barriereschnecke
Bild 3. Vergleich der Schmelzefilmdicken
von eingängigen Schnecken und Barriereschnecken
SPRITZGIESSEN ■
und einem Plastifizierzylinder,der im Einzugsbereich
mit Nuten in Achsrichtung
versehen ist (Bild 4). Während die genutete
Einzugszone einen sehr hohen Materialdurchsatz
ermöglicht, garantiert die
Kombination aus Mehrgängigkeit und
Barriereprinzip die optimale Schmelzequalität.
Bei genuteten Systemen bestimmt den
Durchsatz nicht in erster Linie der Reibbeiwert
zwischen Granulat und Stahl-
V
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SPRITZGIESSEN
Bild 4. Genuteter Einzug eines Plastifizierzylinders
oberflächen, sondern der innere Reibbeiwert
der Schüttung. Solange eine gewisse
Scherspannung nicht überschritten
wird und in der Scherebene zwischen Nut
und Schneckenkanal die Granulatkörner
nicht gegeneinander abgleiten, kann man
von einer so genannten Mutter-Spindel-
Förderung ausgehen, bei der das Material
analog einer am Mitdrehen gehinderten
Mutter auf einer Spindel in Achsrichtung
gefördert wird. Dies steigert den
Durchsatz gegenüber glattwandigen Systemen
erheblich. Die Mutter-Spindel-
Förderung erlaubt die Vorhersage zu erwartender
Durchsätze auf der Basis bewährter,
in der Extrusion angewandter
Berechnungsmodelle zur Feststoffförderung
in Nutbuchsenextrudern. Die gute
Übereinstimmung zwischen Theorie und
Praxis, die dabei erzielt wird, zeigt Bild 5.
Mit dem höheren Durchsatz muss eine
wesentlich größere Menge an Kunststoff
aufgeschmolzen und homogenisiert werden.Diese
Aufgabe erfüllt beim HPX-Plastifiziersystem
die mehrgängige Barriereschnecke.
Im Gegensatz zu konventionellen
Barriereschnecken verfügt die
Schnecke über mindestens zwei Feststoffund
Schmelzekanäle. Die Kombination
von Mehrgängigkeit und Barriereprinzip
ermöglicht es, eine größere Energiemenge
durch Wärmeleitung vom Zylinder auf das
Granulat zu übertragen. Dies erhöht bei
maximaler Auslastung des Systems zwar
den Drehmomentbedarf, jedoch steigt die
Plastifizierleistung in höherem Maße an,
so dass letztendlich die spezifisch zugeführte
mechanische Energie abnimmt. In
der Praxis macht sich diese Tatsache in ei-
i
Hersteller
Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH
Krauss-Maffei-Straße 2
D-80997 München
Tel. +49 (0) 89/88 99-0
Fax +49 (0) 89/88 99-2206
www.krauss-maffei.de
nem größeren Anteil der von den elektrischen
Heizbändern abgegebenen Leistung
an der Gesamtleistung bemerkbar. Bei geeigneter
Schneckengeometrie mit geringer
Scherbeanspruchung der Schmelze in der
Barrierezone kann zudem die Schmelzetemperatur
deutlich gesenkt werden.
Diesen Effekt verdeutlicht Bild 6 für
drei Anwendungen, die unter gleichen
Verarbeitungsbedingungen sowohl mit
einer HPX-Einheit als auch mit einer
konventionellen Hochleistungsschnecke
nachgestellt wurden.
Höhere Produktivität
Das HPX-Plastifiziersystem ist unter verschiedenen
Gesichtspunkten für den Anwender
von hohem Nutzen. Zum einen
verringern sich aufgrund der geringeren
Anwendung Material
Verpackungsartikel
CD-Trays
Basell Moplen
EP548N
PP
MFI 12
BASF PS 427 D
PS
MFI 8
Massetemperaturen die Kühlzeiten. Dies
kann in vielen Fällen direkt zu kürzeren
Zykluszeiten und damit zu einer höheren
Produktionsleistung führen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die für
kurze Zykluszeiten erforderliche Maschinenkonfiguration.
Hierzu werden häufig
elektromotorische Schneckenantriebe in
Verbindung mit Verschlussdüsen verwendet.
Diese Konfiguration erlaubt das Plas -
tifizieren während der Werkzeugbewegungen.
Durch die HPX-Plastifizierung kann
die Plastifizierzeit deutlich reduziert werden,
so dass die zusätzlichen Kosten für
elektromotorischen Schneckenantrieb und
Verschlusssystem in vielen Fällen entfallen.
Die HPX-Einheit kann in bestehenden
Maschinen eingesetzt werden, indem sie
gegen konventionelle Plastifiziereinheiten
ausgetauscht wird. Dazu sind keine
Umbauten am Maschinenbett oder am
Schneckenantrieb erforderlich. Die Nachrüstung
ist unkompliziert und kostengünstig.
Beispiele aus der Praxis
Die Eignung dieses Systems für den Einsatz
auf Spritzgießmaschinen wurde in
umfangreichen Versuchsreihen nachgewiesen.
Dabei wurden verschiedene
marktgängige Barriereschneckenkonzepte
und die HPX-Einheit unter den extremen
Bedingungen einiger schnelllaufender
Anwendungen miteinander verglichen
(Tabelle 1).Mit der HPX-Einheit ließ
sich gleichzeitig der Durchsatz erhöhen
und die Schmelzetemperatur verringern.
Durchsatzsteigerung im
Vergleich zu konventionellerHochleistungsschnecke
Reduzierung
der Massetemperatur
80 % 16 °C
40 % 5 °C
Die im Technikumsmaßstab erzielten
Ergebnisse wurden mittlerweile erfolgreich
in die Praxis übertragen. Unter anderem
befinden sich vier Einheiten mit
Schneckendurchmesser 130 mm und einer
wirksamen Schneckenlänge von 23 D
im Einsatz. Mit diesen Einheiten werden
auf Spritzgießmaschinen des Typs
KM2700/14700MC Pkw-Türinnenverkleidungen
aus unverstärktem Polypropylen
hergestellt. Der Einsatz der
HPX-Einheit ließ die Plastifizierleistung
im Vergleich zu einer konventionellen
Hochleistungseinheit um 80 % steigen.
Gleichzeitig erhöhte sich der Drehmomentbedarf
nur um 40 %. Dieser
verhältnismäßig geringe Anstieg der
Antriebsleistung ist auf die beschrie-
98 © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 6/2004
Eimer
BP Amoco
300CA06
PP
MFI 6
120 % 20 °C
Tabelle 1. Vergleich einer HPX-Einheit (SP1900C3 D70) mit einer konventionellen Hochleistungsschnecke
an drei Anwendungsbeispielen

Massedurchsatz
Bild 5. Gegenüberstellung berechneter und im Versuch ermittelter Massedurchsätze
für eine HPX-Einheit D90
bene bessere Ausnutzung der installierten
elektrischen Heizleistung zurückzuführen.
Aufgrund der drastischen
Erhöhung der Plastifizierleistung konnte
die erforderliche Plastifizierzeit deutlich
reduziert werden.
Bei der Herstellung von Verschlusskappen
konnte die Plastifizierzeit von 2,8 s
mit Barriereschnecke in glattwandigem
Zylinder auf 1,6 s mit HPX-Einheit reduziert
werden (Schneckendurchmesser jeweils
70 mm). Diese Anhebung der Plastifizierleistung
verkürzte die Zykluszeit
von 5,9 auf 5,2 s, also um mehr als 10 %.
Bild 6.
Gegenüberstellung
der Wärmeleitungsanteile
bei HPX-Einheiten
und konventionellen
Einheiten
für verschiedene
Materialien
Kunststoffe 6/2004
In beiden Fällen konnte das Potenzial
einer weiteren Zykluszeitreduktion aufgrund
der Senkung der Massetemperatur
nicht ausgetestet werden. Hier ist bei optimierter
Werkzeugtechnik mit weiteren
Zykluszeiteinsparungen zu rechnen.
Fazit
Wärmeleitung und Dissipation
Bisherige Systeme für Hochleistungsplastifizierungen
erreichen Durchsatzsteigerungen
durch höhere Drehzahlen, längere
Schnecken und stärkere Antriebe. Bei
dem von Krauss-Maffei entwickelten
SPRITZGIESSEN ■
HPX-Plastifiziersystem wird die Plastifizierleistung
deutlich erhöht,ohne diese Parameter
zu verändern. Das System besteht
aus einer mehrgängigen Barriereschnecke
und einem Plastifizierzylinder,der im Einzugsbereich
mit Nuten in Achsrichtung
versehen ist. Das verbesserte Aufschmelzverhalten
erhöht den spezifischen Durchsatz
der Schnecke. Dies ist neben den typischen
Anwendungsgebieten der Dünnwandtechnik
wie Behältern,Verschlüssen,
Kisten auch für dünnwandige technische
Artikel wie Automobilteile, Elektroartikel
usw. von Bedeutung. Für die zu erwartenden
Entwicklungen der Werkzeug-, Temperier-
und Materialtechnik stellt die
HPX-Plastifizierung ein hohes Maß an Reserve
zur Verfügung, die es dem Verarbeiter
erlaubt, all diese Maßnahmen zur Zykluszeitreduzierung
Gewinn bringend in
seinem Unternehmen umzusetzen. ■
LITERATUR
1 Bürkle, E.; Würtele, M.: Plastifizieren in Grenzbereichen
– Potenzial der Einschnecke ausgeschöpft?
Kunststoffe 92 (2002) 3, S. 38
2 Bürkle, E.; Bauer, M; Würtele, M.: Spritzgießschnecken
– Kompromisse definieren ihr Einsatzspektrum.
Kunststoffe 87 (1997) 10, S. 1272
3 Martin, G. A.: Der Einschneckenextruder: Grundlagen
und Systemoptimierung. Hrsg.: Verein Deutscher
Ingenieure, VDI-Gesellschaft Kunststofftechnik,
Düsseldorf 2001
DIE AUTOREN
DIPL.-ING. MARTIN WÜRTELE, geb. 1969, ist Leiter
Konstruktion Plastifizierung Spritzgießen der
Krauss Maffei Kunststofftechnik GmbH, München.
DIPL.-ING. CHRISTOPH LANGE, geb. 1969, ist Produktmanager
für Dünnwandtechnik bei Krauss-Maffei.
DIPL.-ING. THOMAS HUNGERKAMP, geb. 1976,
ist bei Krauss-Maffei in der verfahrenstechnischen
Entwicklung Plastifizierung Spritzgießen tätig.
Kontakt: plastifizierung@krauss-maffei.de
SUMMARY PLAST EUROPE
PLASTICATION IN RAPID TIME
SCREWS. The HPX plastication system developed by
Krauss-Maffei increases the plastication rate without
altering the screw length, screw speed and installed
drive power. Injection moulding machines can therefore
be easily retooled. The system comprises a multi-flight
barrier screw and a plastication system with a feed
zone that is grooved in the axial direction. The improved
melting behaviour increases the specific screw throughput.
This leads to shorter cycle times and increased
productivity particularly, in high-speed applications.
NOTE: You can read the complete article
by entering the document number PE102913
on our website at www.kunststoffe.de/pe
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