Extrudieren von weichen PVC-Folien - Krauss Maffei

Extrudieren von
A ufgrund
FRANZ GRAJEWSKI
HENNING STIEGLITZ
hervorragender
mechanischer Eigenschaften
sowie hoher
Permeationsbeständigkeit finden
weiche PVC-Folien auf
vielen Gebieten Verwendung.
Zu nennen sind in diesem Zusammenhang
die Medizintechnik,
die Werbeindustrie
sowie die Umwelttechnik. Besonders
die beiden erstgenannten
Bereiche stellen
höchste Ansprüche an die
Qualität des Halbzeugs. Typische
Endprodukte sind Blutund
Urinbeutel sowie bedruckbare
Folien. Die geforderten
Dickentoleranzen liegen
hier bei wenigen Prozent.
Folien auf Kalandern
herstellen
Bisher wurden die zur Herstellung
der oben genannten
Produkte notwendigen Folien
nahezu ausnahmslos auf Kalandern
hergestellt. Die Plastifizierung
des pulverförmigen
Rohstoffs erfolgt bei diesen
Anlagen entweder durch Buss-
Cokneter oder Planetwalzenextruder.
Beide Systeme bereiten
das Material schonend auf
und bieten eine gute Homogenisierung
sowie Dispergierung.
Gleichzeitig bleibt
die Massetemperatur im Allgemeinen
sehr gering. Insbesondere
beim Planetwalzenextruder
lässt sich die Massetemperatur
aufgrund der
großen Oberflächen über die
Kunststoffe 10/2003
weichen PVC-Folien
Maschinenparameter stark
beeinflussen.
Nachteilig sind jedoch die
extrem hohen Investitionskosten
sowie das fehlende Druckaufbauvermögen
der Aggregate,
d. h. es besteht nicht die
Möglichkeit, die Schmelze
über ein Breitschlitzwerkzeug
dem ersten Walzenspalt zuzuführen.
Vielmehr werden die
aus dem Extruder austretenden
Schmelzestückchen mittels
Förderbänder dem ersten
Walzenspalt des Kalanders zugeführt.
Um zu verhindern,
dass sich partiell ein zu großer
Schmelzeknet bildet, pendeln
die Förderbänder über die gesamte
Breite der Walzen. Dort
wird das eingezogene Material
zur Rohfolie ausgeformt, die
jedoch noch keine ausreichende
Oberflächenqualität besitzt.
Aus dem ersten Kalanderspalt
läuft die Schmelzebahn über
die zweite Kalanderwalze in
den nächsten Spalt. Hier bildet
sich ein Knet aus, da sich die
Kunststoffmasse vor dem engeren
Walzenspalt aufstaut.
Unter dem Druck der Außenschicht
und der Walzen steht
das zurückgedrängte Material
im Knetwirbel. Die Knete sind
in allen Walzenspalten des Kalanders
vorhanden. Sie bestimmen
letztendlich die Qualität
der Folie. Aufgrund ihrer
Bedeutung werden sie bei modernen
Anlagen mit Hilfe von
Kamerasystemen permanent
vermessen und über Variation
entsprechender Verfahrensparameter
in ihrer Größe geregelt.
Um eine ausreichende Qualität
der Folie zu gewährleis-
EXTRUSION ■
Wirtschaftlich herstellen. Mit einer speziell zusammengestellten Co-Extrusions-
anlage ist es erstmalig gelungen, Folien herzustellen, für die bisher aus-
schließlich der Kalandrierprozess in Frage gekommen ist. Die Vorteile liegen in
einer wirtschaftlicheren Fertigung bei gleichzeitig hoher Qualität.
Vergleich der Verfahren
ten, sind mindestens drei Walzenspalte
und damit vier Walzen
notwendig. Bevor die Folie
von der letzten Kalanderwalze
abgezogen wird, erfolgt
der so genannte Heißbeschnitt.
Die Ränder der
Schmelzefahne werden nach
dem Breitfließen an beiden
Seiten mittels eines mitlaufenden
Rundmessers abgeschnitten
und dem ersten Walzenspalt
wieder zugeführt. Die so
hergestellte Folie wird mit einer
Abzugsvorrichtung abgenommen
und läuft dann zur
Abkühlung auf die Temperund
Kühleinrichtung. Hiernach
wird die Foliendicke vermessen.
Anschließend erfolgt
der so genannte Kaltbeschnitt,
bei dem die durch die Führung
und den Transport beschädigten
Ränder der Folie vor dem
endgültigem Aufwickeln entfernt
werden [1].
Extrusionsprozess
besser beherrschbar
Stellt man einen generellen
Vergleich zwischen Kalandrier-
und Extrusionsprozess
an (Bild 1), so liegen die Vorteile
des Kalandrierprozesses
im Bereich der Rohstoffkosten
und des Materialverbrauchs.
Aufgrund der geringen Temperaturen
während des gesamten
Plastifizier- und Ausformprozesses
sind nur geringe
Anteile an Stabilisatorzusätzen
notwendig. Die
Mischungen können entspre-
Bild 1. Eigenschaftsspinne für den Vergleich der Verfahren Kalandrieren chend kostengünstig gestaltet
und Flachfolienextrusion (je weiter, um so günstiger) werden.
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EXTRUSION
Anordnung der Co-Extrusionsanlage
Weiterhin sind die mit diesem
Verfahren erzielten Dickentoleranzen
extrem niedrig,
das heißt die notwendigen
Aufmaße, um die geforderten
Mindestfoliendicken zu erzielen,
können minimiert werden,
was sich direkt im Materialverbrauch
niederschlägt.
Darüber hinaus sind die erzielbaren
Durchsätze sehr
hoch. Folienbreiten und
-dicken können ebenfalls
ohne Austausch von einzelnen
Anlagenkomponenten variiert
werden.
Nachteilig am Kalandrierprozess
sind jedoch die sehr
hohen Investitionskosten sowie
die geringe Flexibilität hinsichtlich
anderer Materialien.
Darüber hinaus handelt es sich
um einen recht komplexen
Prozess, der schwierig beherrschbar
ist und einer genauen
Einstellung der Einzelkomponenten
bedarf.
Demgegenüber bietet die
Extrusionstechnik einige Vorteile.
Die Investitionssumme
für eine Flachfolienextrusionsanlage
ist bei entsprechend
geringeren Leistungen ca.30 bis
40 % niedriger. Durch leichte
maschinelle Modifikationen
(Schneckenwechsel) ist es möglich,verschiedene
Rohstoffe mit
unterschiedlichem Schmelzverhalten
zu verarbeiten. Die
geringere Investitionssumme
und die bessere Beherrschbarkeit
des Extrusionsprozesses
führten dazu, dass für die breite
Masse an thermoplastischen
Kunststoffen, die relativ problemlos
sind, wesentlich mehr
Flachfolien- als Kalandrieran-
Bild 4. Chill-Roll-Einheit inklusive Relaxationsrollen
Bild 2. Layout
einer Anlage für
dreischichtige
weiche PVC-
Folien
Bild 3. Dünnschnitte
durch
eine dreischichtige
PVC-Folie
lagen eingesetzt werden. Kritische
Produkte wie beispielsweise
Folien aus PVC-weich werden
jedoch nach wie vor auf Kalanderanlagen
verarbeitet, da,
wie oben bereits erwähnt, die
Qualitätsansprüche hinsichtlich
Oberfläche, Optik und
Dickenverteilung sehr hoch
sind und mittels anderer Techniken
nicht erreicht werden
konnten.
Folien für
medizinische
Anwendungen
Um die oben genannten Vorteile
der Extrusionstechnik
dennoch für diesen anspruchsvollen
Bereich nutzen
zu können, wurde vor einigen
Monaten erstmalig eine Extrusionsanlage
realisiert und
erfolgreich in Betrieb genommen,
mit deren Hilfe PVCweich-Folien
für den Medizinsektor
hergestellt werden
können. Möglich wurde dies
durch die konsequente Weiterentwicklung
der einzelnen
Anlagenkomponenten und
die exakte Abstimmung der
Aggregate aufeinander. Das
Layout der Anlage zeigt
Bild 2.
Entsprechend Bild 2 werden
bei dieser Anlage drei Einschneckenextruder
mit einem
Schneckendurchmesser von
125 mm zur Plastifizierung des
Materials eingesetzt.Die Extruder
sind mit speziellen
Schnecken ausgerüstet, die auf
dieses Produkt abgestimmt
wurden. Insbesondere die hohen
Ansprüche an die Schmelzehomogenität
stellten eine
große Herausforderung dar.Sie
konnten nur durch den Einsatz
völlig neu entwickelter Mischköpfe
und durch zusätzlich in
die Schmelzeleitungen einge-
170 © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 10/2003

Bild 5. Integration der Anlage in die Steuerung am Beispiel der C4
brachte statische Mischer erfüllt
werden. Die Temperatur der
Schmelze, die mit Hilfe eines
Messkreuzes ermittelt wurde,
weist eine maximale Inhomogenität
von +/–1,5 °C auf.
Kunststoffe 10/2003
Bei der den Extrudern folgenden
Breitschlitzdüse handelt
es sich um eine Standard-
Automatikdüse, die mit einem
entsprechenden Coex-Adapter
ausgerüstet ist. Die drei
Schmelzeströme werden hier
gleichmäßig übereinander gelegt
und zu einer Schmelzfahne
ausgeformt. Wichtig ist
hierbei, dass der Schmelze,
nachdem sie über die Breite
EXTRUSION ■
verteilt wurde, ausreichend
Relaxationszeit zur Verfügung
gestellt wird. Eventuell vorhandene
Spannungen gleichen
sich aus, und Verwerfungen
der Folie werden vermieden.
Der Einsatz von drei Extrudern
in Kombination mit einem
Coex-Adapter ergibt wesentliche
Vorteile, die die höheren
Investitionskosten rechtfertigen.
Zu nennen sind in
diesem Zusammenhang:
■ Mittelschicht aus Regenerat,
Außenschichten aus hochwertigen,
hautverträglichen
Mischungen,
■ unterschiedliche Einfärbungsmöglichkeiten
der
Schichten sowie
■ Vermeidung von durchgehenden
Störstellen in der
Folie.
Bild 3 zeigt zwei Dünnschnitte,
die einen Eindruck darüber
vermitteln sollen, welche Variationsmöglichkeiten
dem
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■
EXTRUSION
Anlagenbetreiber durch Einsatz
von drei Extrudern zur
Verfügung stehen.
Nachfolgeeinrichtungen
weiterentwickelt
Die Anforderungen an die Folie
bezüglich Planlage, Geradeauslauf
und Schrumpfwerte
erfordern auch eine Weiterentwicklung
der Chill-Roll-Nachfolge.
Sie wurde mit zusätzlichen
Kühlrollen und einer
Folien-Relaxationsstation aus-
gerüstet (Bild 4). Darüber hinaus
kann der Folie mit Hilfe
der Kühl-Prägewalzenkombination
eine definierte Oberflächenstruktur
aufgeprägt
werden.
Nach der Abkühlung erfolgt
die Vermessung der Foliendicke.
Solche Folien können
bei Anlagengeschwindigkeiten
von über 100 m/min nur mit
Automatikdüsen im Regelverbund
mit einer ausgereiften,
schnellen Foliendickenmessung
vernünftig und mit nachweisbarer
Qualität gefahren
werden. Die ermittelten Ist-
Werte werden an die Steuerung
weitergeleitet und hier mit den
Soll-Werten verglichen. Treten
zu große Abweichungen auf,
wird der Lippenbereich der
Düse angesteuert und gezielt
verändert. Die somit erreichbaren
Folientoleranzen liegen
für Foliendicken von ca.
100 µm bei +/–5 %.
Am Ende der Linie befindet
sich der Wickler.Aufgrund der
hohen Liniengeschwindigkeiten
kommen hier ausschließlich
voll automatisierte
Systeme in Frage. Sie erlauben
zum einen eine exakte Steuerung
der Bahnspannung, zum
anderen gestaltet sich der
Wickelwechsel auch bei höchsten
Liniengeschwindigkeiten
problemlos und sicher.
Eine entscheidende Komponente
der Anlage ist die
Steuerung (Bild 5). Sie hat eine
wesentliche Bedeutung für
die Effizienz der Anlage. Alle
Anlagenkomponenten müssen
von hier aus gesteuert werden
können, so dass sich der Bediener
schnell einen Überblick
über den laufenden Prozess
machen und, falls notwendig,
eingreifen kann. Trendgrafiken,
die langfristige Veränderungen
aufzeigen, stellen in
diesem Zusammenhang ein
wichtiges Hilfsmittel dar. Die
Oberfläche ist klar zu strukturieren.
Grobe Eingabefehler
sind durch entsprechende Algorithmen
und Sicherheitsabfragen
zu vermeiden.
Weiterhin ist die permanente
Aufzeichnung aller wesentlichen
Prozessparameter ebenfalls
unumgänglich, da der
Seminarhinweis
Anlagenbetreiber in der Regel
die Qualität für den gesamten
Herstellprozess nachweisen
muss.
172 © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 10/2003
Fazit
Zusammenfassend kann festgehalten
werden, dass es mit
dieser Anlage erstmalig gelungen
ist, Folien herzustellen, für
die bisher ausschließlich der
Kalandrierprozess in Frage gekommen
ist. Die Vorteile, die
sich durch diese neue Technik
eröffnen, sind vielfältig. Hervorzuheben
sind die deutlich
geringeren Investitionskosten
(ca. 40 bis 50 % einer Kalanderanlage),
die insgesamt
niedrigeren Produktionskosten
(sowohl Betriebs- als auch
Personalkosten) sowie die
höhere Flexibilität bei den verarbeitbaren
Materialien. Darüber
hinaus zeigte sich eine
deutliche Verringerung der
Nachfolgeproduktionskosten.
Die auf dieser Anlage produzierten
Folien konnten in kürzerer
Zeit verschweißt werden
und wiesen dennoch eine bis
zu 40 % höhere Schweißnahtfestigkeit
auf. ■
LITERATUR
1 Bergbohm, I. Beitrag zu einer komplexen
Kalanderregelung. Diplomarbeit
Universität Paderborn 1998.
DIE AUTOREN
DR.-ING. FRANZ GRAJEWSKI, geb.
1956, ist Technischer Leiter im Bereich
Extrusion bei Krauss-Maffei, München.
DR.-ING. HENNING STIEGLITZ, geb.
1971, ist Abteilungsleiter Mechanische
Konstruktion im Bereich Extrusion bei
Krauss-Maffei, München.
Grundlagen und Praxis der Extrusion – Extruder und
Extrusionswerkzeuge als Basis für hochwertige Produkte
Neben den notwendigen Grundlagen sollen die Praxis und die
täglichen Probleme in der Extrusion einen breiten Raum einnehmen.
Leitung: Dr. Ulrich Berghaus
17. und 18. November 2003 in Mannheim
www.kunststoffe.de/seminare