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Fließdynamik von Extrusionswerkzeugen

Fließdynamik von Extrusionswerkzeugen

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Der Extrusionsprozess bringt einige Herausforderungen mit sich, wobei die Produktqualität in vielen Branchen der Vorreiter ist, insbesondere bei extrudierten Medizinprodukten. Medizinische Schläuche und ummantelte Produkte müssen hergestellt werden, um sehr enge Toleranzen aufrechtzuerhalten, wobei oft die Wanddicke und der Durchmesser auf Toleranzen von weniger als 0,1mm geprüft werden. Polymere, die in der medizinischen Industrie verwendet werden, können ebenfalls extrem teuer sein. Das gesamte Extrusionssystem muss sorgfältig kontrolliert und abgestimmt werden, um diese anspruchsvollen Produkte kosteneffizient herzustellen. Dies ist besonders wichtig für Konstruktionen mit mehreren Schichten und/oder mehreren Lumen.

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Verbranntes Material aufgrund zu langer Verweilzeit in der Matrize

Die Fließkanalgeometrie, durch die das Polymer fließt, ist eine kritische Komponente eines gut konzipierten Extrusionssystems. Die Verweilzeit oder die Zeit, die das Polymer durch die Düsenanordnung fließt, sollte in Betracht gezogen werden, um Verbrennung- oder Stagnationsprobleme zu vermeiden. Durch zu große Kanäle besteht die Gefahr, dass die Einwirkzeit des Polymers gegenüber Verarbeitungstemperaturen beginnen könnte, das Polymer zu zersetzen. Eine zu eingeschränkte Geometrie bedeutet oft, dass das System mit hohen Drücken betrieben wird, was oft die Produktionsgeschwindigkeit begrenzt. Außerdem können die Benutzer auf tote Stellen treffen, die das Material nicht frei fließen lassen. Wenn dies nicht korrigiert wird, kann man auf Material stoßen, das vollständig abgebaut wurde. Während diese Situationen bei allen Polymeren auftreten können, wird dies in der medizinischen Industrie aufgrund der Verwendung teurer Materialien zu einem ernsthaften Problem. Auch bei medizinischen Produkten wird üblicherweise Bariumsulfat verwendet, eine strahlenundurchlässige Substanz, die das fertige Produkt auf Röntgenaufnahmen sichtbar werden lassen. Wenn Bariumsulfat mit Hochtemperaturmaterialien wie Fluorpolymeren coextrudiert wird, müssen die Strömungskanäle so konstruiert sein, dass das Bariumsulfat nicht abgebaut wird. Tote Stellen und eine hohe Verweilzeit führen dazu, dass das Bariumsulfat gelb wird und das Produkt zerstört.

Die Sensoren und Rückmeldungen, die das System zur Verfügung stellt, sollten überprüft und verdoppelt werden, um sicherzustellen, dass das Polymer ordnungsgemäß verarbeitet wird. Die Temperatur des Polymers, das den Formhohlraum durchfließt, könnte stark von der Thermoelementablesung abweichen. Bekannt ist, dass das Thermoelement ein Sensor ist, der die Temperatur der Düsenanordung misst. In den meisen Fällen liest der Sensor die Temperatur des Polymers nicht direkt, sondern ist auf dem Außengehäuse einer Düsenanordnung installiert. Zwischen dem Polymer und dem Thermoelement kann ein erheblicher Wärmegradient auftreten, was dazu führt, dass nicht sichergestellt werden kann, dass das Polymer richtig verarbeitet wird. Da die Polymertemperatur tatsächlich kälter oder heißer als angegeben sein kann, ist es unerlässlich, beim Arbeiten mit zerbrechlichen Materialien oder beim Erstellen von Rezepten für die Linie physikalische Messungen aus dem Schmelzestrom durchzuführen. Um dies zu tun, sollten die Messungen bei Produktionsgeschwindigkeit durchgeführt werden.

Wenn das Polymer beginnt, sich durch die einschränkenden Strömungskanäle zu bewegen, entwickelt es durch die viskose Ableitung Wärme. Je schneller das geht, desto mehr Wärme trägt der Polymerfluss zum System bei, sofern alles andere gleich bleibt. Eine enge Überwachung ist kritisch für viele thermisch empfindliche Materialien wie Ethylenvinylalkohol (EVOH), wo Gele und andere Zersetzungen auftreten können. Zum Beispiel könnte man das Thermoelement betrachten und 300 ºC ablesen, aber die direkte Temperatur messen und 330 ºC erreichen. In diesem Fall müssen die Thermoelemteinstellungen angepasst werden, um die richtigen Schmelztemperaturen zu erhalten. Materialien können auch anfällig für Schmelzbruch sein – ein Phänomen, das zu einer unbefriedigenden Oberflächenbeschaffenheit des Produkts führt. Durch die Verwendung von geeigneten Werkzeuggrößen und Verarbeitungsparametern werden diese Probleme vermieden.

Laut Bill Conley, Guill National Sales Manager, kann das Unternehmen auch Doppel-, Dreifach- oder Vierfachausstoßdüsen anbieten, wenn der Extruder sehr langsam läuft. Anstatt eine andere Linie zu erhalten, verdoppelt sie effektiv das Extrusionssystem, um die Produktion zu verdoppeln oder sogar zu vervierfachen. Auf diese Weise spart der Kunde viel Geld für Ausrüstung und Verarbeitungspersonal.

Autor: Denis Finn, Product Development Engineer, Guill Tool & Engineering

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