Extrusion 6-2023

39 Extrusion 6/2023 Ursachen zuzuordnen sind [ML85]. Daher werden die Einzugszonen von Kautschukextrudern bislang ungere- gelt bzw. die Speisewalze in festem Drehzahlverhältnis zur Schnecke be- trieben [PP07], was sich in Prozess- und Produktmängeln äußert. Vor diesem Hintergrund werden die Einflussparameter auf das Einzugsverhalten von Kautschukmischungen analysiert und deren Wirkung beschrieben, um unter Zuhilfenahme der Laser- messung der Knethöhe zwischen Schnecke und Speisewalze ein Regelkonzept für die Einzugszone eines Kautschukextruders zu entwickeln und zu prüfen. Untersuchungen zur Detektion von Fütterstörungen im kaltgefütterten Kautschukextruder Um die oben genannten Störungen der Fütterung im Prozess zuverlässig detektieren zu können, werden Versuche an einem 40-mm-Laborextruder (Typ 7340, TSM GmbH, Stolberg) durch- geführt, bei dem der Standardfütterstreifen mit einem Quer- schnitt von 20 x 5 mm² für eine Unterfütterung halbiert und für eine Überfütterung mit zusätzlichem Material von 10 x 5 mm² gefüttert wird. Diese Störungen werden für je 10 s aufrechter- halten. Der Extruder wird mit einer Drehzahl von 40 U/min be- trieben, die Drehzahl der Speisewalze wird auf dieselbe Umfangsgeschwindigkeit angepasst. Im Folgenden sind die Über- und Unterfütterungsversuche dar- gestellt. Der Zeitpunkt der Störungseinbringung ist in den Dia- grammen durch eine senkrechte Linie gekennzeichnet. Druckmessposition p Einzug befindet sich bei 3D Zylinderlänge, p Mitte bei 7D Zylinderlänge und p Werkzeug vor dem Extrusions- werkzeug bei 10 D Zylinderlänge. Bei der Überfütterung in Bild 1 ist zu beobachten, dass nach dem Überfüttern der Druck kurzzeitig ansteigt. Dabei werden die Am- plituden des Druckanstiegs über der Länge des Extruders gerin- ger. An der Position des Drucksensors p W (vor dem Werkzeug) werden noch geringe Druckschwankungen von 2 bar erfasst. Die Druckschwankungen treten bei der Unterfütterung ( Bild 2 ) stär- ker auf, hier weicht der Druck um bis zu 4 bar nach unten ab. Hier kann am Druck unmittelbar vor dem Werkzeug die Schwankung eindeutig durch einen Druckabfall erkannt werden. Diese Druck- schwankung kann somit den Mas- senstrom am Austritt beeinflussen und sich in Form von Dimensionsabweichungen auf die Extru- datqualität auswirken. Die Diagramme zeigen, dass sich die Druckschwankungen nur wenige Sekunden nach der Störungs- einbringung im gesamten Extruder messbar waren. Bei der Be- trachtung der Antriebsdaten fällt auf, dass sich bei jeder der Störungen unmittelbar nach der Störungseinbringung das An- triebsmoment der Schnecke kurzzeitig vergrößert (Überfüttern) bzw. verringert (Unterfüttern). Diese spontane Abweichung kann genutzt werden, um eine frühe Detektion einer Störung zu ermöglichen. Durch die Ermittlung des Gradienten (positiv oder negativ) des Drehmomentsprungs kann auf einen Materi- almangel bzw. -überschuss geschlossen und so der Störung ent- gegengewirkt werden. Pufferwirkung des Knets zwischen Schnecke und Speisewalze Die Versuche zur Identifikation des Einflusses von Fütterstörun- gen auf Druck und Durchsatz legen nach Analyse aller Mess- werte außerdem nahe, dass der Knet zwischen Speisewalze und Schnecke einen Puffer für Fütterstörungen sowohl für Über- als auch für Unterfütterung geben kann. Dies ist insbesondere aus den Messungen der Antriebsdrehmomente im Vergleich zu den Messungen aus den Drücken über der Länge des Extruderzylin- ders ersichtlich. So reagieren die Antriebsdrehmomente der Schnecke und der Speisewalze erheblich schneller auf eine Än- derung des Fütterungszustands als die Drücke im Zylinder. Dies ist exemplarisch an einer Unterfütterung des 40-mm-Extruders in Bild 3 noch einmal dargestellt. Bei Bestätigung dieser Theorie kann der Knet dauerhaft als Ma- terialbevorratung zwischen einer leeren Einzugszone und einem stehenden Knet gehalten werden. So besteht sowohl für den Fall einer Über- als auch einer Unterfütterung ein Puffer, der bei Bild 3: Unterfütterung des 40-mm-Extruders Bild 4: Knethöhe bei unterschiedlichen Drehzahlverhältnissen von Schnecke : Speisewalze, 19-mm-Extruder Druckaufzeichnung Antriebsdrehmomente 160 140 120 100 80 60 40 20 0 5,5 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 22 21,5 21 20,5 20 19,5 19 18,5 18 17,5 17 Druck [bar] T Speisewalze [Nm] T Schnecke [Nm] 20 60 100 140 180 220 260 300 20 60 100 140 180 220 260 300 Zeit [s] Zeit [s] p 2 (4 D) p 3 (7 D) p 5 (10 D) 1 : 0,67 1 : 1 1 : 1,5 70 60 50 40 30 20 10 0 [siehe Legende] 150 170 190 Zeit [s] 150 170 190 Zeit [s] 150 170 190 Zeit [s] Antriebsstrom Speisewalze [A] Knet [mm] Drehmoment Schnecke [Nm] Druck [bar]