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Werkstofflösungen für Unterwassergranulieranlagen

Präzise ExtrusionssteuerungHochdrucksensoren für extreme Temperaturen

Hohe Drücke bei der Kunststoffverarbeitung bis 400 Grad Celsius messen, in Zukunft eventuell bei noch höheren Temperaturen. (Bild: Fraunhofer IZM)

Eine exakte Druckkontrolle ist in vielen industriellen Prozessen erforderlich. Der SOI-Hochdrucksensor (Silicon-on-Insulator) des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM ermöglicht soll eine genaue Überwachung von Prozessen bei Temperaturen bis 400 Grad Celsius ermöglichen.

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Standzeiten entscheidend verlängernWerkstofflösungen für Unterwassergranulieranlagen

Eine der wichtigsten Komponenten der Unterwasser-Granulierung (UWG) von Kunststoffen ist Lochplatte an der Extrusionsanlage. Auf dieser Platte rotierende Messer schneiden die Extrusionsstränge auf die gewünschte Granulatlänge. 

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Coperion setzt den Werkstoff Nikrodur erstmals bei der Lochplatte der neue Unterwassergranulierung Typ UG750W ein – die Lochplatte weist mehr als 5700 Bohrungen auf, der Nenndurchsatz liegt bei bis zu 70 Tonnen pro Stunde. (Bild: Coperion)

Gemeinsam mit Coperion und Gala Industries haben die Deutschen Edelstahlwerke (DEW) einen Werkstoff für die Lochplatten entwickelt, mit dem sich die Standzeiten der Anlagen mehr als verdoppeln lassen sollen.

Bereits im Jahr 2008 begann die gemeinsame Entwicklungsarbeit an einem Werkstoff, der von Anfang an kundenspezifisch für die Anwendung Unterwassergranulierung konzipiert und optimiert wurde. Gemeinsam mit unseren Kunden Coperion und Gala Industries wurde ein konkretes Anforderungsprofil für den Werkstoff erstellt, beispielsweise hinsichtlich der Verschleiß- und Korrosionseigenschaften sowie der Wärmeleitfähigkeit. Ziel war es, die Standzeiten der Anlagen um etwa 50 Prozent zu erhöhen. Für den Verschleißschutz der Lochscheiben kommen Hartmetalle oder der Sonderwerkstoff Ferro-Titanit zum Einsatz. 2008 startete die Suche nach einem neuen Werkstoff, der die Vorteile von Hartmetallen und Ferro-Titanit vereint.

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Anforderungen unter einen Hut bringen

Die DEW-Entwickler führten zahlreiche Werkstoffsimulationen im Labor durch. Ausgehend von den Titanit-Werkstoffen wurde daran gearbeitet, die drei Kerneigenschaften des Materials für diese Art von Lochplatten signifikant zu verbessern – also eine möglichst hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie eine Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Nur wenn diese Eigenschaften optimal zusammenspielen, so das Unternehmen, erhöhen sich auch die Standzeiten der Lochplatten, die unter extremen Bedingungen zum Einsatz kommen. Sie trennen den weichen Kunststoffstrom in einzelne Stränge auf, die Messer schneiden diese dann zu Granulaten. Wasser kühlt den Kunststoff zum einen, macht ihn schneidfähig und verhindert vor allem das Zusammenkleben der einzelnen Granulate. Zum anderen transportiert es die Granulatkügelchen ab. Die Schnittkanten der Messer, Wasser sowie mögliche Säure- und Chloridverbindungen im Kunststoff könnten die Oberfläche der Lochplatte angreifen und die Bohrlöcher abstumpfen lassen, so dass nach einiger Zeit kein sauberer Schnitt mehr möglich ist, wenn das verwendete Schutzmaterial nicht die entsprechenden Eigenschaften aufweist. Hinzu kommt ein starkes Temperaturgefälle. Je nach Polymersorte herrschen an der Lochplatte bis zu 350 Grad Celsius. Die sind nötig, damit das Polymer weich bleibt und sich durch die Lochplatte drücken lässt. Das Wasser zur Kühlung und zum Abtransport des Kunststoffs ist jedoch nur rund 20 bis 30 Grad Celsius warm. Je weniger Wärme also durch die Lochplatte selbst abgeleitet wird, umso geringer ist die Gefahr, dass das Polymer in den Bohrlöchern einfriert und den gesamten Prozess zum Erliegen bringt.

Die Werkstoffsimulationen und Laborversuche bestätigten, so das Unternehmen, dass ein Werkstoff für diese Anwendung produzierbar ist, der im Vergleich zum Standard-Titanit eine um 50 Prozent bessere Verschleißbeständigkeit, eine über ein Drittel höhere Korrosionsbeständigkeit und eine um ein Fünftel niedrigere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Versuchsschmelzen im Labormaßstab durch und stellten schließlich das Material im Industriemaßstab her. Das Material wurde zwei Entwicklungspartnern zum Test angeboten, die Unterwassergranulieranlagen bzw. Lochplatten in jeweils unterschiedlichen Abmessungen herstellen.

Am Ende steht die erfolgreiche Serienfertigung

Coperion stellt nach eigenen Angaben jährlich etwa rund 15 Großgranulieranlagen her und bezieht Ferro-Titanit als Platten, aus denen jeweils ein Verschleißschutzsegment herausgeschnitten wird. Mehrere dieser Verschleißschutzsegmente werden in den Lochplattenkörper eingepasst und in einem thermischen Prozess miteinander verbunden. Die Testphase für den neuen Werkstoff begann bei Coperion im Jahr 2013 damit, bei den eigenen Kunden noch zusätzliche Korrosionsversuche unter betriebsnahen Bedingungen sowie verschiedene Fertigungsversuche durchzuführen. Die Versuche hätten bestätigt, dass das neue Material auch in der Verarbeitung genauso überzeugte wie die bewährten Materialtypen. Der Herstellung eines Prototyps folgte. Dieser wurde speziell an die Bedürfnisse eines Kunden von Coperion angepasst und ist dort seit 2014 im Einsatz. Über etwa ein Jahr wurde regelmäßig die Leistung des Prototyps geprüft. 2016 startete die Serienfertigung mit Material aus Nikrodur. Gala Industries startete bereits 2015 mit der Serienfertigung.

Bei den Kunststoffverarbeitern gibt es einen Trend zum Mikrogranulat, dessen Partikel nur ungefähr 0,5 Millimeter groß sind. Je nach Anwendung sind damit kürzere Zykluszeiten erreichbar. Zudem sind Einfärbungen einfacher. Die Bohrlöcher der Lochplatten sind mit ca. 0,3 Millimetern Durchmesser entsprechend kleiner und anfälliger für das sogenannte Zufrieren. Eine geringe Wärmeleitfähigkeit des Lochplattenmaterials ist bei dieser Anwendung ausschlaggebend für den störungsfreien Prozess.

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