Gut gemischt ist halb geblasen

Extrusionsqualität verbessern mit zusätzlicher Mischzone

Neuartige Mischköpfe sollen die Schmelzehomogenität verbessern, Bindenähte vermeiden und die Verweilzeiten der Schmelze verkürzen. Zudem sind einfachere Kopfkonstruktionen beim Extrusionsblasformen möglich.

Neuartiger Mischer, der in einen Blaskopf hinter den Verteilerkanal integriert wurde. (Quelle: Groß Kunststoff-Verfahrenstechnik)

Idealerweise sind Blasköpfe so gestaltet, dass der Vorformling aus einer möglichst homogenen Schmelze besteht. Diese Homogenität über Wanddicke und Umfang bezieht sich auf Temperatur, Orientierung der Moleküle, die in der Schmelze gespeicherte elastische Deformationen sowie die Verteilung der Additive und Füllstoffe. Diese Idealsituation ist in der Praxis nicht realisierbar. Bereits der vom Extruder angelieferte Vollstrang ist nicht homogen, da er unter anderem keine gleichmäßige Temperatur über den gesamten Querschnitt aufweist. Dieser Schmelzevollstrang wird in der Düse zwischen Einspeiseöffnung und Düsenaustritt in die runde Schlitzgeometrie des Vorformlings umgeformt. In den Verteilerkanalsystemen sind sehr unterschiedliche Fließkanalgeometrien im Einsatz, die mit ihren Strömungsverhältnissen die Homogenität der Schmelze mehr oder weniger verschlechtern. Das wurde bisher in der Extrusion, auch beim Extrusionsblasformen, als verfahrensbedingt und damit als nicht vermeidbar hingenommen.

In enger Kooperation mit einem Entwicklungspartner wurde deshalb die Idee eines neuartigen Mischkopfes umgesetzt. Vorrangiges Ziel war, die Schmelze am Ende des Verteilerkanalsystems intensiv zu vermischen, um deren Homogenität zu verbessern, bevor der Vorformling ausgetragen wird. Die zum Patent angemeldete Idee, dem Verteilerkanal eine spezielle Mischzone nachzuschalten, um die Schmelzehomogenität zu verbessern, lässt sich prinzipiell in jedem Extrusionswerkzeug realisieren. Zur Erprobung der Lösung wurde ein spezieller Mischer in einen existierenden Speicherkopf nachgerüstet und auf einer Produktionsanlage getestet. Auch das der Mischzone vorgelagerte Verteilerkanalsystem des Kopfes wurde geändert und auf die dem Verteilerkanalsystem angeschlossene Mischzone hin optimiert.

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Erste Tests des bestätigten, dass ein derart ausgelegter Blaskopf gegenüber konventionellen Blasköpfen eine Reihe verfahrenstechnischer Vorteile bietet. Interessant war zunächst ein Effekt, der bei der Umrüstung des Speicherkopfes nicht im Vordergrund stand. Trotz der zusätzlichen Integration des Mischers in den Speicherkopf ergab sich bei den Versuchen auf Grund des andersartigen Verteilerkanalsystems ein geringerer Betriebsdruck als bei der bisher verwendeten Fließkanalgestaltung. Erreicht wurde jedoch vor allem das vorrangige Ziel der erhöhten Homogenität: Bereits bei der ersten Auslegung wurde mit einem Polymer mit geringem elastischen eine Dickenkonstanz von 0,07 Millimeter über dem Umfang des Testteils erreicht, die keine Rückschlüsse mehr auf das in der Düse verwendete, sehr einfache Verteilerkanalsystem zuließ.

Mikroskopaufnahme eines Querschnitts durch den Bindenahtbereich eines Formteils. Die Schmelze wurde in der Mischzone des Blaskopfes in mehrere Schichten geteilt, die in der Bauteilwand wie bei einem coextrudierten Teil übereinanderliegen. (Quelle: Groß Kunststoff-Verfahrenstechnik)

Obwohl die seitlichen Einströmung das Verteilersystem zunächst eine Bindenaht erzeugt, wir diese im Mischer effektiv beseitigt. Längsschnitte parallel zur Bindenaht durch die Wand eines Bauteils, bei dem schwarzes Polymer mit naturfarbenem Polymer heraus gespült wurde, lässt deutlich die im Mischteil erzeugten Schichten erkennen. Dieser Aufbau verhindert mechanische Schwachstellen und Wanddickenunterschiede im Bindenahtbereich. Erste Versuche mit unterschiedlichen Polymeren zeigten zusätzlich, dass der Blaskopf ein nahezu betriebspunktabhängiges Verhalten aufweist. Es zeigte sich aber auch, dass für Polymere mit ausgeprägt elastischem Erinnerungsvermögen eine verfeinerte Auslegung des Mischers erforderlich war.

Prinzipiell lassen sich bestehende Blasköpfe oder auch Extrusionsdüsen mit Mischzonen nachrüsten. Vorteilhafter ist es natürlich, neue Blasköpfe oder Extrusionsdüsen mit einer dem Verteilerkanalsystem nachgeschalteten Mischzone und einem entsprechend angepassten Verteilerkanalsystem zu konzipieren, um keine Kompromisse eingehen zu müssen, und die Vorteile der Lösung voll nutzen zu können.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Heinz Groß.

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