Mehr Power in der Blasfolienextrusion

Adaptiver Kühlring für mehr Durchsatz und weniger Rüstaufwand

Blasfolien sind in aller Regel preissensible Produkte. Es besteht ein vitales Interesse daran, die Durchsätze bestehender Anlagen zu erhöhen, um maximale Effizienz der Produktion zu gewährleisten. Da der Massedurchsatz und somit die Produktivität der Blasfolienanlage stark von der Höhe des Wärmeentzugs aus dem Folienschlauch abhängt, werden bestehende Kühlsysteme stetig weiterentwickelt und optimiert.

Konzeptskizze des konstruierten Gestells mit luftführender Membran – der Prototyp wird derzeit in Betrieb genommen und hinsichtlich Massedurchsatz-Steigerungen untersucht. © IKV

Konventionelle Blasfolienanlagen kühlen die extrudierte Blase konvektiv von innen und außen. Ein Nachteil der konvektiven Kühlung ist der geringe Wärmeübergangskoeffizient. Eine Verbesserung der Kühlleistung kann unter anderem mit einer Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten erreicht werden, indem beispielsweise der Kühlluftstrom an der Außenseite des extrudierten Schmelzeschlauchs beschleunigt wird. Mit steigender Luftgeschwindigkeit sinkt zudem der statische Druck in unmittelbarer Nähe zur Blase, sodass trotz hoher Luftgeschwindigkeiten Blaseninstabilitäten vermieden werden. Diese Umwandlung von Druck in Geschwindigkeit ist nichts anderes als der Venturi-Effekt. Er kann beispielsweise durch Verwendung eines Doppellippenkühlrings oder eines Luftführungssystems erreicht werden. Luftführungssysteme führen den austretenden Luftstrom eng an der Folienaußenseite entlang. Nachteil bisher etablierter Systeme ist die fehlende Flexibilität für eine konturnahe Anpassung des Führungssystems an die Blasengeometrie. Da die Kontur des Folienschlauchs vom eingesetzten Material und den eingestellten Prozessparameter beeinflusst wird, verlangt der Einsatz starrer Luftführungssysteme bei Änderung der Folienblasengeometrie ein Wechsel des gesamten Luftführungssystems erfolgen. Dieser zeitaufwendige Umbau könnte sich mit einem flexiblen Luftführungssystem, das sich inline an die Blasengeometrie anpasst, vermeiden lassen.

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In einem aktuellen IGF-Forschungsvorhaben beschäftigt sich das IKV mit Entwicklung und Bewertung eines adaptiven, nachrüstbaren Luftführungssystems. Dank flexibler Anpassung der Geometrie des Strömungsquerschnittes durch Verstellung einer luftführenden Membran im Bereich der Folienblase, soll dieses System eine signifikante Steigerung des Massedurchsatzes bei gleichzeitig stabiler Folienblase ermöglichen. Für die Entwicklung und Erprobung wird zunächst die Blasengeometrie bei verschiedenen Prozesszuständen ermittelt. Mit einer optischen Bildanalyse bei Prozessvariationen ohne Luftführungssystem werden die Maximal- und Minimalwerte der Blasengeometrie innerhalb der Schlauchbildungszone bei verschiedenen Abständen zum Werkzeug und unterschiedlichen Prozessparametern analysiert. Anschließend wird anhand der ermittelten Werte eine adaptive luftführende und verstellbare Membran konstruiert. Die Einflüsse des neuartigen Luftführungssystems auf die Folieneigenschaften und den erzielbaren Massedurchsatz werden anschließend ermittelt. Um die Einsetzbarkeit dieses Systems in Produktionsanlagen zu erleichtern, wird außerdem ein Konzept zu Betrieb und Regelung anhand der Anforderungen aus der Folienproduktion entwickelt.

Im ersten Schritt wurden bereits verschiedene Konzepte der flexiblen Membran verglichen und bewertet. Die größte Herausforderung für die Konstruktion eines adaptiven Luftführungssystems ist es, eine reproduzierbare Geometrie der luftführenden Membran einstellen zu können und gleichzeitig über den gesamten Umfang gleiche Strömungsbedingungen für die Kühlluft sicherzustellen. Um den Spalt zwischen Folienblase und dem Luftführungssystem gering zu halten, wird ein flexibles Material als Membran benötigt. Gleichzeitig muss das Material eine Mindeststeifigkeit vorweisen, sodass es sich nicht durch den Druck der Luftströmung verformt. Um die Geometrie der Membran zu verstellen, muss an der Außenseite eine Kraft auf die Membran aufgebracht werden. Hier bieten sich hydraulische und/oder mechanische Lösungen an, die an verschiedenen Höhen die Durchmesser des Luftführungssystems kreisförmig gleichmäßig ändern. Der erste wurde bereits entwickelt werden. Die Verstellung der Luftführungsmembran übernehmen hier Druckschrauben mit aufsitzenden Führungsplättchen.

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