Abbildung 1: Extrusionsmaschine.

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
2. Extrusionsformverfahren
3. Herausforderungen bei der Polymerextrusion und Prozesskontrolle
4. Rheonics SRV Inline-Prozessviskosimeter
   • Datenintegration
   • Installationsoptionen
     • Senkrechte Installation
     • Parallele Installation im Winkelstück eingefügt
     • Parallel Inserted Inline – Waferzellenprozessadaption – SRV Stargate

• • Wichtige Überlegungen zur Installation
    • • Sensorbereich in Kontakt mit Flüssigkeit
      • Hochtemperaturbereich
      • Hoher Druck
      • Prozessanschluss und Abdichtung der Sonde
      • Sondengrenzen bei senkrechtem Einbau

Einleitung

Das Extrusionsformen ist ein hocheffizientes und vielseitiges Fertigungsverfahren in verschiedenen Branchen, das zur Herstellung kontinuierlicher Profile wie Rohre, Platten, Folien usw. verwendet wird. Es ermöglicht hohe Produktionsgeschwindigkeiten, Materialeffizienz und die Fähigkeit, komplexe Querschnittsformen mit gleichbleibender Qualität zu erzeugen. Die Extrusionsherstellung spielt eine wichtige Rolle in der weltweiten Polymer- und Kunststoffproduktion. In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Automatisierung, Echtzeit-Prozessüberwachung und der Automatisierung von Produktionsabläufen zugenommen.oring, und nachhaltige Materialien sowie die Relevanz von Recyclingprozessen haben die Präzision erhöht und die Umweltbelastung durch die Abfallreduzierung verringert.

Echtzeit-Prozessüberwachungoring ist der Schlüssel zur Gewährleistung qualitativ hochwertiger Produkte. Große Fortschritte wurden bei der Temperatur- und Drucküberwachung erzieltoring von Extrusionsprozessen. Allerdings ist die Inline-Viskositätsüberwachungoring, obwohl es einer der kritischen Faktoren ist, die den Schmelzfluss und die Formfüllung beeinflussen, und sogar noch wichtiger als Temperatur und Druck, stand es vor zahlreichen Herausforderungen. Es wurden verschiedene Methoden zur Viskositätsmessung getestet, mit besseren oder schlechteren Ergebnissen in Bezug auf Kosten, Kalibrierung, Wiederholbarkeit usw., die das Vertrauen des Bedieners beeinträchtigen. Unter diesen Umständen Rheonics Das Inline-Viskosimeter SRV ermöglicht wiederholbare Viskositätsmessungen unter den rauen Bedingungen von Extrusionsmaschinen und schließt so die Lücke für eine vollständige Kontrolle des Polymerextrusionsprozesses.

Extrusionsformverfahren

Extrusion kann als kontinuierlicher Herstellungsprozess definiert werden, der zur Herstellung von Objekten (einem Extrudat) mit einem gleichbleibender Querschnitt indem ein geschmolzenes Material durch eine Düse oder Öffnung gepresst wird, um eine Form zu bilden. Ein Extruder kann auch als Teil anderer Herstellungsverfahren (Thermoformen, Spritzgießen, Blasformen usw.) verwendet werden. Extrusion wird häufig in der Kunststoff, Metall und Gummi Industrien zur Herstellung von Produkten wie Rohre, Schläuche, Platten, Folien und Profile.

Der Schwerpunkt dieser Fallstudie liegt auf der Polymerextrusion. Im Gegensatz zur Metallextrusion kann die Polymerextrusion kontinuierlich erfolgen, solange das Material der Extrusionsmaschine zugeführt wird. Die Extrusion wird hauptsächlich für Thermoplaste verwendet, aber auch Elastomere und Duroplaste können verarbeitet werden.

Eine Extrusionsmaschine besteht im Allgemeinen aus den folgenden Teilen. Trichter, in die das Polymermaterial eingeleitet wird. Förderschnecke ist in ständiger Rotation entlang einer Fass. Der Antrieb der Schnecke erfolgt über eine Motorantrieb Einheit und Getriebe und zwingt das Material durch einen sterben. Heizelemente, die sich bei kontrollierter Temperatur über dem Zylinder befinden, erweichen und schmelzen das Polymermaterial. Nach der Matrize kann eine Form mit einem oder mehreren Hohlräumen verwendet werden, in der das geschmolzene Material abgekühlt wird, um die Form eines gewünschten Objekts anzunehmen. Einige Maschinen verwenden eine Zahnradpumpe zwischen dem Ende des Zylinders und der Matrize, um einen genau definierten konstanten Druck im austretenden Material aufrechtzuerhalten.

Die Fähigkeit der Schnecken- und Zylinderbaugruppe, ein bestimmtes Material zu extrudieren, hängt von den Eigenschaften des Kunststoffmaterials, den Eigenschaften bzw. der Konstruktion der Schnecke und des Zylinders sowie den Bedingungen ab, unter denen das System betrieben wird.

Abbildung 2: Hauptteile der Polymerextrusionsmaschine.

Herausforderungen bei der Polymerextrusion und Prozesskontrolle

Die Polymerextrusion ist ein komplexer Prozess, der eine präzise Kontrolle mehrerer Parameter erfordert, um ein qualitativ hochwertiges Ergebnis zu gewährleisten. Trotz technologischer Fortschritte bestehen sowohl beim Extrusionsprozess als auch bei seinen Steuerungssystemen noch einige Herausforderungen. Diese Herausforderungen können sich auf die Produktkonsistenz, Effizienz und die Gesamtherstellungskosten auswirken.

Wichtige Prozessparameter sind Schneckendrehzahl, Düsen- und Zylindertemperatur, Schmelzviskosität, Schmelztemperatur, Massendurchflussrate, Schmelzdruck, Abkühlrate usw. [1]. Temperatur und Druck gelten dank der Vielzahl verfügbarer Technologien als die am häufigsten inline überwachten Parameter im Extrusionsprozess. Die Schmelzviskosität (beschrieben als Fließwiderstand einer Flüssigkeit) lässt sich jedoch nicht einfach inline messen oder überwachen, obwohl sie einer der wichtigsten Parameter im Prozess ist. Die Viskosität der Schmelze hängt von mehreren Eigenschaften ab, wie z. B.:

• Dicke
• Stärke
• Konstanter Querschnitt
• Konsistenz in der Flüssigkeitszusammensetzung – homogene Mischung von Füllstoffen, Fasern, Farbstoffen usw.
• Energieverbrauch
• Thermischer Abbau

Eine hohe Viskosität der geschmolzenen Flüssigkeit kann zu schlechtem Fluss, übermäßigem Druck und Verstopfung der Düse führen, was zu Defekten wie Oberflächenrauheit und Verformungen führt. Eine niedrige Viskosität kann dagegen zu Durchhängen, übermäßiger Schrumpfung oder schwachen mechanischen Eigenschaften führen. Ziel ist es daher, die Viskosität während des Extrusionsprozesses so konstant wie möglich zu halten.

In den meisten Fällen sind Kunststoffe pseudoplastische Materialien, was bedeutet, dass sie weniger viskos (leichter fließend) werden, wenn sie schneller bewegt (geschert) werden. Daher besteht weder eine lineare Beziehung zwischen Druck und Strömung noch zwischen Scherspannung (Kraft pro Flächeneinheit, meist in Pa gemessen) und Schergeschwindigkeit (Bewegungsgeschwindigkeit paralleler Schichten einer Flüssigkeit, gemessen in s-1).

Derzeit gibt es keinen geeigneten Inline-Sensor zur Überwachungoring Viskosität in Echtzeit in Extrusionsschmelzen. Kapillarrheometer sind bekannte Laborinstrumente, die zur Untersuchung der rheologischen Eigenschaften von Polymeren verwendet werden. Dabei wird die Schmelze mit einem Kolben durch eine (sehr feine) Kapillardüse gepresst, die den Prozess in der Extrusionsmaschine zu simulieren versucht. Obwohl dies ein allgemein anerkanntes Prüfinstrument für die Viskosität ist, liefert es keine Echtzeit-Inline-Daten der Schmelzflüssigkeit. Die Hauptprobleme dieser Methode sind:

• Erfordert die Entnahme von Proben
• Nicht wirklich repräsentativ
• Keine kontinuierliche Überwachungoring
• Benötigt umfangreiche Wartung und Instandhaltung

Rheonics SRV Inline-Prozessviskosimeter

SRV ist Rheonics Inline-Viskosimeter, geeignet für weite Viskositäts-, Temperatur- und Druckbereiche. Rheonics SRV verwendet eine sehr kompakte Sonde mit einfacher Installationsanleitung und ohne Wartungs- oder Neukalibrierungsbedarf. Dank des kompakten Designs von SRV sind die Installationsmöglichkeiten vielfältig.

Abbildung 3: Rheonics Inline-SRV-Viskosimeter Slimline mit Gewindeanschluss.

Datenintegration

Rheonics SRV ermöglicht die Echtzeit-Online-Visualisierung wichtiger Parameter wie dynamische Viskosität und Temperatur in Extrusionsmaschinen. Der Sensor lässt sich problemlos in lokale Monitore integrieren.oring und Steuerungssysteme durch eine leistungsstarke Elektronik, die mehrere industrielle Protokolle unterstützt. Weitere Informationen finden Sie im Elektronik Rheonics Seite.

Rheonics Sensoren speichern außerdem Mess- und Sensorstatusdaten in einem integrierten Historian. Dieser automatische Logger ist über das Rheonics RCP-Software und ist nützlich für eine historische Ansicht der überwachten Parameter.

Installationsoptionen

Senkrechte Installation

Rheonics SRV ist senkrecht zum Schmelzstrom angeordnet und ausreichend tief eingetaucht, damit das Sensorelement der Sonde mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt.

Der Hauptvorteil dieser Installation ist die wahrscheinlich einfachste von allen. Das SRV kann in vorhandene Anschlüsse von Temperatur- oder Drucksensoren eingebaut werden. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die SRV-Sonde aus der Leitung herausragen muss, da es sich um eine invasive Sonde handelt.

Diese senkrechte Installation hat jedoch den Hauptnachteil, dass die Sonde aufgrund der hohen Viskosität und Geschwindigkeit der Flüssigkeit einer großen Biegekraft ausgesetzt ist. Viskose Belastung kann für die Standard-SRV-Sonde bei senkrechter Installation ein Problem darstellen, da sie zu viel Rauschen verursacht oder die Sonde beschädigt. Informationen zu den Beziehungen zwischen Leitungsgröße und Massen- oder Volumenratenbeschränkungen finden Sie im Abschnitt „Sondengrenzen bei senkrechter Installation“ oder im Artikel SR-Sonden für hochviskose Flüssigkeiten und hohe Flüssigkeitsgeschwindigkeiten.

Die wichtigsten Überlegungen für diese Installation sind die Leitungsgröße, die Flüssigkeitsgeschwindigkeit oder Durchflussrate und die Viskositätsbereiche. Die Leitungsgröße sollte größer als 50 – 55 mm (2 Zoll) sein, damit das Sensorelement der SRV-Sonde korrekt der Flüssigkeit ausgesetzt werden kann. Die Flüssigkeitsgeschwindigkeits- und Viskositätsbereiche werden mit der Tabelle im Abschnitt „Sondengrenzen bei senkrechter Installation“ verglichen, um die Kräfte zu überprüfen, denen die Sonde ausgesetzt sein wird. Rheonics bietet den SRV-HP für Fälle mit hohem Druck und hohen Biegekräften an.

Abbildung 4: Rheonics Senkrechter SRV-Einbau in die Extrusionslinie.

Parallele Installation im Winkelstück eingefügt

Einige Extrusionsmaschinen verfügen über einen Winkel unmittelbar vor der Düse, um Messinstrumente, wie Temperatursensoren, axial zum Durchfluss unterzubringen. Dies kann auch verwendet werden für Rheonics Inline-Viskosimeter SRV für eine Parallelinstallation.

Der Hauptvorteil besteht hier in der Verringerung der Kraft, die die Flüssigkeit auf die Sonde ausübt, im Vergleich zu einer senkrechten Installation. Bei einer parallelen Installation bleibt das Sensorelement außerdem in der Mitte der Leitung, wodurch Ablagerungen vermieden werden, die die Messwerte beeinträchtigen können. Die SRV-X6 Slimline-Sonde kann für minimalen Druckabfall verwendet werden und ist mit Leitungen kompatibel, die kleiner als 50–55 mm (2 Zoll) sind.

Die Hauptbeschränkung dieser Installation ist die Verwendung eines Winkelstücks vor der Düse. Dies erfordert umfangreiche Eingriffe in die Maschine und verändert die Ausrichtung des extrudierten Materials. Daher eignet sich diese Installationsoption nur für Extrudermaschinen, die bereits über ein Winkelstück in der Leitung verfügen. Darüber hinaus kann es bei dieser Installation zu Verschmutzungen oder Flüssigkeitsstaus im Bereich des Sensorfußes an der Winkelwand kommen. Dies hat keinen Einfluss auf die Messwerte, ist aber in keiner Leitung erwünscht.

Abbildung 5: Rheonics SRV-Parallelinstallation im Winkelstück in der Extrusionsleitung.

Parallel Inserted Inline – Waferzellenprozessadaption – SRV Stargate

Rheonics Stargate-SRV-EM, auch Stargate-Variante genannt, ist so konzipiert, dass die SRV-Sonde in der Mitte der Leitung aufgehängt und in die Prozessrohre eingebaut wird, wie in einem Waferzellenadapter. Die Vorteile dieser Lösung sind ihre Beständigkeit gegen Flüssigkeiten mit hoher Viskosität und hoher Geschwindigkeit sowie die Verringerung der Ablagerungsgefahr.

Für diese Installation ist im Allgemeinen ein Verlängerungsabschnitt in der Leitung erforderlich und dieser Eingriff ist für einige Kunden aus Kostengründen, wegen Nacharbeit oder wegen Problemen mit dem Wärmemanagement möglicherweise nicht möglich.

Beachten Sie, dass die Rückseite der Sonde der Flüssigkeit zugewandt ist. Dies ist erforderlich, um hohen Kräften standzuhalten. Darüber hinaus muss die SRV Stargate-Variante in der gleichen Größe wie die Extrusionsleitung bestellt werden, es sei denn, es können Reduzier- und Erweiterungsadapter in der Leitung verwendet werden.

Abbildung 6: Rheonics Parallele SRV-„Waferzellen“-Installation in der Extrusionslinie.

Wichtige Überlegungen zur Installation

Sensorbereich in Kontakt mit Flüssigkeit

Rheonics Die wichtigste Installationsanforderung für das Inline-Viskosimeter SRV besteht darin, dass der Sensorbereich in die Flüssigkeit eingetaucht ist und keine Ablagerungen oder Flüssigkeitsansammlungen vorhanden sind, da diese die Messwerte beeinträchtigen können. Der SRV-Erfassungsbereich ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: SRV-Erfassungsbereich.

Hochtemperaturbereich

Extrusionsprozesse erfordern normalerweise eine Flüssigkeitstemperatur im Bereich von 180 bis 220 °C (360 bis 430 °F). Diese kann je nach Material, Geschwindigkeit und Schneckenkonstruktion variieren. Rheonics Das SRV-Inline-Viskosimeter kann für Temperaturen bis zu 285 °C (545 °F) konfiguriert werden. Der Benutzer sollte bei der Bestellung die richtige Temperaturklasse auswählen. Die nächste Tabelle zeigt die Temperaturklassen für die SRV-Sonde. Bei einigen Extrusionsprozessen können sehr hohe Temperaturen von bis zu 350/370 °C (670/700 °F) erreicht werden. In diesem Fall empfehlen wir Ihnen, Kontakt aufzunehmen Rheonics Support Team bei und fordern Sie weitere Informationen an.

Tabelle 1: Temperaturbereiche des SRV Inline-Viskosimeters

Hinweis: Sensorkabel und Sensorelektronik haben unterschiedliche Temperaturgrenzen, die nicht überschritten werden sollten.

Hoher Druck

Bei Extrusionsprozessen können sehr hohe Drücke von bis zu 10,000 psi, 670 bar oder 70 MPa erreicht werden. Rheonics SRV sollte entsprechend konfiguriert werden.

Tabelle 2: Druckwerte des SRV Inline-Viskosimeters für die Extrusion

Prozessanschluss und Abdichtung der Sonde

Bei Hochdruckanwendungen müssen sowohl die Sonde als auch der Prozessanschluss für den erwarteten Druckbereich ausgelegt sein. Für senkrechten Einbau Rheonics bietet normalerweise eine G1/2”-Gewindeschnittstelle. Während für parallele Winkelstücke ein Flansch- oder Gewindeanschluss verwendet werden kann. Die Waferzellen-Installationsvariante kann über eine kundenspezifische Flanschschnittstelle mit einem O-Ring oder Metalldichtung. Vorhandene Installationsanschlüsse am Gerät können zur Montage des Rheonics Sensorsonde.

Kontakt Rheonics Support Team bei zur Besprechung geeigneter Einbaumöglichkeiten in Ihre Extrusionsmaschinen.

Sondengrenzen bei senkrechtem Einbau

Unter bestimmten Bedingungen können hochviskose Flüssigkeiten die SRV-Sonde beeinträchtigen, wenn eine senkrechte Installation verwendet wird. Durch den Flüssigkeitsfluss verursachte Biegekräfte können die Sonde beschädigen (Abbildung 8). Kräfte hängen im Allgemeinen von der Viskosität und Geschwindigkeit der Flüssigkeit ab. Das nächste Diagramm zeigt eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit in m/s und der dynamischen Viskosität in Pa.s. Kunden können das Diagramm verwenden, um zu bestimmen, ob die Prozessbedingungen eine Standard-SRV-Sonde beschädigen können.

Abbildung 8: Biegekräfte auf die Sonde aufgrund der Viskosität und Geschwindigkeit der Flüssigkeit.

Abbildung 9: Diagramm, das die Flüssigkeitsgeschwindigkeit auf der X-Achse und die maximal zulässige dynamische Viskosität auf der Y-Achse für das SRV zeigt.

Im Allgemeinen wird für die Verwendung des SRV in senkrechten Installationen eine Geschwindigkeitsbegrenzung von 12 m/s empfohlen. Eine Überschreitung dieser Geschwindigkeitsbegrenzung kann zu zu starken Messfehlern oder zu Schäden an der Sonde führen. Die folgende Tabelle zeigt, was diese Geschwindigkeit für Volumen- und Massendurchfluss bei verschiedenen Leitungsgrößen bedeutet.

Erfahren Sie mehr über den Typ-SR-Sonden zur Messung hochviskoser Flüssigkeiten und hoher Flüssigkeitsgeschwindigkeiten.

Literaturhinweise

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2665917422000150

2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141391013004497

3. https://www.dynisco.com/userfiles/files/27429_Legacy_Txt.pdf

4. HK Bruss – Viskositätsmessung zur automatischen Steuerung und Überwachungoring der Gleichmäßigkeit von Extrusionsprozessen

5. Rheonics - SR-Sonden für hochviskose Flüssigkeiten und hohe Flüssigkeitsgeschwindigkeiten.