Steinbeis entwickelt mit Industriepartner eine raue Buchsenoberfläche
Extruder sind Fördereinrichtungen, die feste, dickflüssige und flüssige Massen nach dem Schneckenprinzip fördern. Die Massen werden unter hohem Druck durch verschiedene Temperaturzonen gepresst und ändern dabei ihren Zustand vom festen in einen viskoseelastischthermoplastischen Zustand. Die Fördereinrichtung besteht aus einer Schnecke, die in einem Zylinder läuft. Abhängig von den Materialeigenschaften und den Verarbeitungsparametern sind unterschiedliche Gestaltungsformen der Einzugszone entstanden: Man unterscheidet zwischen Glattrohr- und Nutbuchsen-Extruder. In einem Forschungsprojekt hat es sich das Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation zum Ziel gesetzt, den technisch einfacheren und kostengünstigeren Glattrohr- Extruder zu optimieren, um mit ihm höhere Drücke zu erreichen.
Der Glattrohr-Extruder befördert das Material in einer Schleppströmung zwischen den sich vorwärts bewegenden Wendeln. Die Innenflächen der Zylinder werden in einem Honprozess geglättet, um die Reibwerte zwischen den Schneckenstegoberflächen und dem Zylinder gering zu halten. Das kann jedoch durch abgleitendes Material zu Förderverlusten führen: Der Materialtransport ist dadurch begrenzt, in der Folge kann auch der Druckaufbau vor dem Austrittswerkzeug ein entsprechendes Maximum nicht übersteigen. Falls die Extrudieraufgabe jedoch einen größeren Austrittsdruck benötigt, muss auf einen Nutbuchsen-Extruder zurückgegriffen werden. In seinem Einzugsbereich sind in die Zylinderinnenflächen Nuten eingebracht, in denen das Material mitgefördert wird. Das erfordert höhere Antriebsleistungen, macht aber einen fördersteifen Transport möglich, wodurch die Durchsatzleistung verbessert wird. Da ein Extruder mit Nutbuchsen-Zylinder technisch aufwändiger ist, mehr Energie benötigt und teurer in der Anschaffung ist, bevorzugen Kunststoffverarbeiter die einfacheren Glattrohr-Extruder. Aus Sicht der Steinbeis-Experten wäre jedoch für viele Extrusionsaufgaben eine Zwischenlösung das Optimum.
Blick in die Einzugsbuchse mit Nuten
Grund genug für das Team am Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation in Dresden, sich in einem Forschungsprojekt mit einer Optimierung zu befassen. Ansatz war, die Zylinderinnenfläche im Glattrohr-Extruder mit einer aufgebrachten Beschichtung anzurauen. Gemeinsam mit dem Forschungspartner, der Arenz GmbH aus Meckenheim, untersuchten sie zunächst unterschiedliche technische Umsetzungen der Beschichtungsprozesse. Aus den verschiedenen Beschichtungsprozessen resultierten entsprechende Beschichtungssysteme, die durch eine Veränderung der Prozessparameter sowie der eingesetzten Pulverkombinationen beeinflusst werden konnten. Die erzeugten Schichtsysteme wurden anschließend auf ihre Schichtausbildung, eingestellte Rauheit und den Verschleißwiderstand hin untersucht. Zur Analyse der auftraggeschweißten Teile setzten die Forscher am Steinbeis-Zentrum auch die 3D-Erfassung mit Darstellung der Oberflächen ein. Die Flächenanalyse machte es nun möglich, die aus der Oberfläche herausragenden Anteile an Wolfram-Karbidteilchen zu ermitteln und zu vergleichen. Untersuchungen der aufgebrachten Beschichtungen zeigten, dass die feinen Wolfram-Karbide am besten geeignet sind, um die gewünschten optimierten Eigenschaften zu erreichen. Der Überstand der Partikel sollte nicht zu groß sein, da sonst der mechanische Verschleiß der Schnecke sehr hoch ist. Sehr gut geeignet sind Wolfram-Karbid-Hartstoffpartikel mit der Größe 63-170 μm.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen optimierten die Forschungspartner die Beschichtungssysteme und die zugehörigen Beschichtungsprozesse. Im Verfahren des Laserdispergierens wurde eine homogene raue Schicht erzeugt, die zu einer Art Sandpapier-Effekt führt und die Leistung des Extruders erhöht. Im Vergleich zum bisher eingesetzten Glattrohr-Extruder wird durch die Beschichtungen auch ein erhöhter Verschleißschutz erzielt.
Blick in die Einzugsbuchse „Tribop-Extruder“, Oberfläche modifiziert mittels Laserdispergieren
Der Vergleich der Tribop-Buchse mit dem Stand der Technik bestätigte das Forscher-Team darin, dass die im Projekt angestrebten Parameter erreicht wurden. Der Tribop-Extruder liefert im Vergleich zur Glattrohrbuchse einen Durchsatz von 154%. Der Ausstoßdruck liegt bei der Tribop-Buchse mit 112% ebenfalls höher und ist somit der Nachweis für die reduzierte Rückströmung. Die Antriebsleistung bzw. der Stromverbrauch der Tribop-Buchse liegt im Vergleich zur Glattrohrbuchse höher, im Gegensatz zur Nutenbuchse reduziert sich die notwendige Leistung auf 71%. Die Auswertung macht deutlich: Durch den Einsatz der Tribop-Buchse kann das Spektrum einer Glattrohr- Extruder-Anlage erweitert werden. Für die Arenz GmbH bietet sich nun die Möglichkeit ein weiteres innovatives Produkt zwischen Glattrohr- und Nutenbuchsen-Extruder anzubieten.
Kontakt
Dr.-Ing. habil. Khaled Alaluss, Daniel Hübschmann,
Prof. Dr.-Ing. Gunnar Bürkner
Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweißund Fügeverfahren, Exploitation (Dresden)
Frank Altendorf
Arenz GmbH – Plastifizier- und Verschleißtechnik (Meckenheim)