Compounds, Gesamtprogramm

Einfache Lösung bevorzugt

Unterwassergranulierung für schnelle Produktwechsel
Zwar wollte der oberfränkische Compoundierer Horst Müller Kunststoffe nicht auf die Vorteile der Unterwassergranulierung verzichten, deren technisch bedingten Probleme jedoch nicht widerspruchslos in Kauf nehmen. Und so entstand ein neues System mit zum Teil verblüffend einfachen Lösungsansätzen.

Rund 15.000 Tonnen Kunststoff-Compounds pro Jahr produziert Horst Müller Kunststoffe in Lichtenfels, darunter Spezialprodukte, wie Compounds mit Biorohstoffen und Masterbatches mit antimikrobiellen Wirkstoffen. Mit Hilfe von insgesamt etwa 1000 Tonnen Farb- und Funktionsadditiven entstehen mehr als 100 Werkstofftypen. Die Bandbreite der Produkte ist nicht nur groß, sondern die jeweiligen Mengen sind sehr unterschiedlich. Somit sind Flexibilität, schnelles Anfahren und vor allem kurze Umrüstzeiten gefragt. Die bekannten Granulierverfahren haben da ihre Schwächen. Gemeinsam mit dem österreichischen Maschinenbauer Econ suchte man nach Möglichkeiten der Effizienzsteigerung und optimierte gemeinsam die Unterwassergranulierung. Im Kern ging es um die Minimierung der Umrüstzeiten beim Produkt- und Farbwechsel sowie die einfache Bedienung. Das Ergebnis der Entwicklung ist eine ganze Baureihe an Unterwassergranuliersystemen.

Neben Compounds wie ABS/PA, ASA/PC, PP/EPDM, PC/PBT liefert Müller auch Werkstoffe auf Basis SBS (Styrol-Butadien-Styrol), SEBS (Styrol-Ethylen-Butadien-Styrol) und SEPS (Styrol-Ethylen-Propylen-Styrol) unter dem Markennamen Lifoflex, die je nach Anteilsverschiebung der Komponenten in einer großen Bandbreite und in einem großen Härtebereich von glasklar über transluzent oder naturfarben bis zu eingefärbten Varianten. Ergänzt werden die Materialcompounds durch eine fast unüberschaubare Bandbreite an compoundierten Additivbatches. Dazu Georg Ender, Prokurist und Entwicklungsleiter von Müller Kunststoffe: „Unsere Kunden verlangen nicht nur nach Compounds mit den üblichen Zusatzstoffen wie UV-Stabilisatoren, Gleitmitteln, Füllstoffen oder Farbpigmenten, sondern zunehmend nach speziellen Lösungen für neue Produkte. Beispiele sind antimikrobiell wirkende Masterbatches, bei denen Sterione einplastifiziert werden. Verarbeitet zu Bauteilen verhindern sie die Vermehrungsfähigkeit oder die Infektiosität anhaftender Mikroorganismen, wie Bakterien, aber auch Pilzkulturen.“ Derartige Sonder-Masterbatches werden zunehmend bei der Herstellung von Nassraum-Komponenten für öffentliche Bäder oder Krankenhäuser, aber auch für Sanitärartikel im Haushaltsbereich eingesetzt. Seit einiger Zeit werden auch Compounds mit organischen Stoffen, vor allem Kork, angeboten. Entscheidend ist in allen Fällen, dass die Herstellung der individuellen Produkte ohne lange Umrüstzeiten möglich und auch in Kleinmengen wirtschaftlich sinnvoll ist.

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Schneller auf den Punkt kommen

Und um das Höchstmaß an Flexibilität und Produktivität ging es in der Zusammenarbeit zwischen Verarbeiter und Econ. „Anfahrkomfort“ – unter diesem Stichwort ließen sich Versuchsreihen zusammenfassen, in denen sich das neue Granuliersystem mit Wettbewerbssystemen messen lassen musste. Wichtigster Kunstgriff ist die nahezu vollständige thermische Trennung von Düsensystem und Lochplatte. Sie gewährleiste, so die Auskunft, eine bisher unerreichte thermische Stabilität, sowohl in der Anfahrphase als auch im Dauerbetrieb.

Das funktionsentscheidende Kriterium von Unterwasser-Granulieranlagen ist die Kontrolle des Wärmehaushalts im Düsenkopf und da vor allem an der Kontaktfläche zum Prozesswasser. Ein zu starker Wärmeübergang von den Düsen an das Prozesswasser führt zum „Einfrieren“ einzelner Düsen. Als Folge steht der Schmelze ein geringerer Fließquerschnitt zur Verfügung. Der Schmelzedruck steigt und verändert die Durchflussmenge an den noch offenen Düsen. Es kommt zu unerwünschten Schwankungen in der Granulatqualität. Als Konsequenz muss die Produktion gestoppt, die Lochplatte gereinigt und das System neu angefahren werden. Die hier realisierte effiziente Isolation zwischen Schmelzedüsen und Lochplatte verhindert diesen Effekt. Das Prozesswasser, mit dem das Granulat nach dem „Schnitt“ vom extrudierten Strang gekühlt und abtransportiert wird, hat zwar direkten Kontakt zur Lochplatte und kühlt sie ab. Je nach verarbeitetem Compound sind zwischen Wasser und Schmelze Temperaturunterschiede bis 300 Grad Celsius gegeben. Augrund der thermischen Entkopplung kühlen die Strangdüsen jedoch nicht ab – und können dementsprechend auch nicht „einfrieren“.
Die Kontaktfläche zwischen den heißen Düsen und der gekühlten Seite ist minimal, entsprechend minimal ist der Wärmeabfluss aus den Düsen in das Prozesswasser. Der Kühlungseffekt des Prozesswassers bleibt auf das Granulat beschränkt. Ein zusätzlicher positiver Nebeneffekt ist, dass die einzelnen Schmelzestränge bis zum Austritt aus den Düsenöffnungen nicht abgekühlt werden. Da Temperatur und Konsistenz der Schmelze bis zum Austritt aus der Lochplatte konstant bleiben, ist die erforderliche Schnittleistung gering. Da kein „Überheizen“ des Düsenkopfes notwendig ist, wird die Schmelze nicht zusätzlich thermisch belastet. Die kommt der Granulatqualität zugute.

Auch der Lochplattenwerkstoff Ceconid weist eine nur geringe thermische Leitfähigkeit auf, vor allem aber bietet sie einen besseren Verschleißschutz als Hartmetall. Gleichzeitig bietet er gute Gleiteigenschaften und sorgt so für lange Standzeiten der Granuliermesser.

Ein wesentlicher Zusatznutzen ist die insgesamt gute Energieeffizienz. Da das Prozesswasser weniger aufgeheizt wird, muss es in Folge weniger gekühlt werden. Die Heizenergie verbleibt weitgehend im Düsenkopf, somit kann laut Econ im Vergleich zu alternativen Systemen bis zu 70 Prozent Heizleistung eingespart werden.

Anfahren auf Knopfdruck

Die konsequente Wärmetrennung hat neben der Senkung des Energieverbrauchs und der Steigerung der Prozessstabilität noch zusätzliche handfeste Vorteile, nämlich die spürbare Reduktion des Anfahrabfalls. So kann für den Anfahrvorgang auf eine Bypass-Verrohrung, wie sie bei herkömmlichen Anlagen erforderlich ist, verzichtet werden. Georg Ender fasst seine Erfahrungen zusammen: „Anfänglich war es schon erstaunlich, das Anfahren zu beobachten. Ohne ein ‚Einfrieren’ der Lochplatte zu riskieren, können wir mit lediglich 20 Prozent vom Nenndurchsatz anfahren – und das in einem Prozessschritt. Es ist kein zweiter oder dritter Neustart wegen einer verstopften Düse nötig. Das Ergebnis ist ein, im Vergleich mit vielen anderen Anlagen, ein um 50 bis 70 Prozent kleinerer ‚Anfahrkuchen’. Entsprechend gering ist der Aufwand für die Abfallentsorgung beziehungsweise das Recycling.“

Das Einsparpotenzial werde besonders bei großen Durchsatzleistungen deutlich. Beim Anfahren einer Anlage mit einer Durchsatzleistung von 4000 kg/h würden etwa 66 kg/min bis zum Start der regulären Produktion entstehen. Wenn die gleiche Anlage mit einer Ausstoßleistung von 1000 kg/h gestartet werden kann, bedeutet das lediglich einen Ausschuss von 16,6 kg/min, dass heißt nur ein Viertel. Die Granulierung wird dann beim Hochfahren auf die Nenndurchsatzleistung automatisch nachgeführt.

Für einen Compoundierer, dessen Stärke die Flexibilität bei der Abwicklung kleiner Mengen ist, ist der Umrüstaufwand von einem Produkt auf das andere ein entscheidender Kostenfaktor. Das Spülen von Extruder und Düsenkopfe ist in diesem Zusammenhang nicht das eigentliche Problem. Vielmehr ist es die sichere Entfernung von Granulatresten aus dem Zentrifugaltrockner und dem Wasserkreislaufsystem.

Georg Ender: „Unsere Forderung war eine Reinigung durch einfaches Ausspülen mit Wasser. Dabei durften keine Granulatkörner in Gehäuseecken oder <nonbreaking-hyphen>spalten zurückbleiben. Dementsprechend hat Econ Granulatzentrifuge und Wasserkreislaufsystem angepasst. Das Zentrifugengehäuse wurde so geändert, dass nun 70 Prozent der Verkleidungen zur Reinigung schnell demontiert werden können. Alle „toten Ecken“ wurden beseitigt, Neigungsflächen eingebaut. Im Ergebnis schrumpfte der Reinigungszyklus bei Müller von bisher üblichen 30 auf rund 10 Minuten. Das schafft bei den Mitarbeitern in der Produktion Reserven für die Mehrmaschinenbedienung. Gleichzeitig sei die Qualität gestiegen, denn Verunreinigungen durch in der Zentrifuge verbliebenes Vormaterial seine nahezu auf Null zurück gegangen.

Einfache Ideen sind die besten

Einige pfiffige – weil einfache – Basisideen verhelfen aus einer prinzipiell schon langen bekannten Technik zu ungeahnten Effizienzsteigerungen. Vor allem die Maßnahme der thermischen Trennung von Sieb und Düsen, technisch sicher anspruchsvoller als es auf den ersten Blick scheint, drängt sich eigentlich auf. Man muss sie „nur“ realisieren, was Econ hier beherzt angegangen ist.

Und was sich in zwischenzeitlich längerem Praxiseinsatz bewährt hat. Aber auch die besonders kompakte Bauweise der gesamten Granuliereinheit auf nur einem – fahrbaren – Grundrahmen oder das sehr einfache Anfahren tragen zur schnellen und prozesssicheren Umrüstung von einem Produkt auf das nächste bei. Und so passt das Resümee von Georg Ender: „Obwohl wir seit mehr als 40 Jahren compoundieren und stetig um die Verbesserung der Prozesse bemüht waren, hat uns das Einsparpotenzial der neuen Unterwasser-Granuliersysteme überrascht. Nun ist es an uns, dieses Potenzial durch die schrittweise Erneuerung der Anlagen zu nützen.“

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