Was verursacht Unebenheiten bei der Extrusion in Kunststoff-Extrudern für Wärmebrückenprofile?

Thermisches Ungleichgewicht in der Kunststoff-Extrusionsmaschine

Axielle und radiale Temperaturgradienten, die die Schmelzehomogenität stören

Temperaturunterschiede entlang der Länge des Zylinders sowie Schwankungen über dessen Breite führen zu einer inkonsistenten Polymer-Viskosität, wodurch die für gute Wärmebrückenprofile erforderliche Schmelzhomogenität beeinträchtigt wird. Wenn die Zuführzone zu kalt wird, verlangsamt sich der Schmelzprozess. Gleichzeitig beginnen die Polymerketten im Dosierabschnitt thermisch abzubauen, falls dieser zu heiß betrieben wird. Diese Temperaturgradienten verursachen diverse Probleme, darunter ungleichmäßige Durchflussraten, stränge mit variabler Dicke und jene lästigen Oberflächenwellen, die niemand mag. Laut einiger branchenüblicher Daten können bereits geringe Temperaturschwankungen von etwa 5 Grad Celsius die Viskositätsschwankungen um rund 30 % erhöhen, was zu dimensionsinstabilen Bauteilen führt. Hersteller haben festgestellt, dass die Investition in präzise Mehrzonen-Heizsysteme kombiniert mit regelmäßigen Überprüfungen der Zylinderisolierung dabei hilft, diese problematischen Temperaturunterschiede meistens unter Kontrolle zu halten.

Kalte Stellen und heiße Zonen, die lokalisierte Scherung und Fließtrennung verursachen

Wenn Temperaturunterschiede über den Bearbeitungsbereich hinweg auftreten, entstehen unterschiedliche Viskositätsniveaus, die zu konzentrierten Scherbelastungsstellen führen, an denen sich Materialien mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen. Kalte Bereiche um die Zuführöffnungen erzeugen einen höheren Widerstand, wodurch Polymere stärker an den Zylinderwänden haften, als sie sollten. Gleichzeitig verringern heißere Bereiche nahe den Düsen lokal die Viskosität, wodurch das Material zu schnell vorprescht, bevor es bereit ist. Diese Ungleichgewichte führen im Inneren des Systems zu spiralförmigen Strömungsmustern, zur Trennung zwischen Materialschichten an den Grenzflächen und letztendlich zu schwachen Bindungen entlang der Schweißnähte bei fertigen Extrusionen. Wärmebildkameras zeigen, dass diese geringen Temperaturschwankungen bei Anlagen mit fehlerhaften Thermoelementablesungen oder alten Heizelementen tatsächlich um 15 bis 20 Grad Celsius variieren können. Um den Betrieb während der Herstellung von thermischen Trennstellen reibungslos aufrechtzuerhalten, müssen Werksbediener ihre Sensoren regelmäßig überprüfen und die Schneckendrehzahlen entsprechend den angezeigten Temperaturprofilen anpassen. Die korrekte Durchführung verhindert jene lästigen Fließtrennungen, die die Produktqualität beeinträchtigen.

Materialbedingte Instabilitäten, die die Extrusionsgleichmäßigkeit beeinträchtigen

Feuchtigkeitsaufnahme und dampfinduzierte Schwankungen in hygroskopischen Einsatzstoffen (z. B. PA66-GF25)

Materialien wie hygroskopische Harze, einschließlich PA66-GF25, neigen dazu, Feuchtigkeit aus der Luft aufzunehmen, wenn sie vor Beginn der Verarbeitung gelagert oder bearbeitet werden. Sobald diese Materialien im Extruder Temperaturen über 220 Grad Celsius erreichen, verwandelt sich versteckte Feuchtigkeit nahezu augenblicklich in Dampf, wodurch plötzliche Druckspitzen entstehen können, die über 15 Megapascal hinausgehen. Diese schnelle Expansion stört die Konsistenz der Schmelzstoffströmung, was zu Schwankungen in der Produktionsleistung führt und dafür sorgt, dass die Wärmebruchprofile entlang ihrer Länge inkonsistente Abmessungen aufweisen. Um dieses Problem zu vermeiden, müssen Hersteller die Harzpellets vor dem Extrudieren auf etwa 0,2 Prozent Feuchtigkeitsgehalt oder darunter trocknen. Regelmäßige Prüfungen mithilfe von Methoden wie der Karl-Fischer-Titration helfen dabei, den richtigen Trocknungsgrad zu bestätigen, wodurch wiederum eine gleichbleibende Materialviskosität während des gesamten Prozesses gewährleistet und ein homogenerer Schmelzstrom über alle Chargen hinweg erreicht wird.

Nicht geschmolzene Partikel und Schichtströmung verursachen Spiralstrukturen und Delamination

Wenn das Schmelzen unvollständig ist, verbleiben feste Bestandteile, die aufgrund des Zusammenspiels von Wärme und Druck dazu neigen, sich zu den kühleren Bereichen der Werkzeugwand hin zu bewegen, wodurch eine sogenannte Schichtströmung entsteht. Was danach geschieht, ist offensichtlich, wenn man das fertige Produkt betrachtet – diese Spiralstrukturen werden auf der Oberfläche des extrudierten Produkts sichtbar. Wenn die Abkühlung zu schnell erfolgt, beginnen sich diese Schichten an ihren Grenzflächen zu trennen. Laut Tests nach dem Standard ASTM D638 kann diese Trennung die Festigkeit von Verbund-Wärmedämmelementen um 40 % bis 60 % verringern. Die gute Nachricht? Hersteller können dieses Problem beheben, indem sie die Geometrie der bei der Verarbeitung verwendeten Schnecken anpassen, um die Schmelzleistung zu verbessern und gleichzeitig eine gleichmäßige Temperatur entlang beider Achsen aufrechtzuerhalten. Wenn dies richtig umgesetzt wird, verbleiben weniger problematische Partikel und die Materialien vermischen sich homogener.

Mechanische und betriebliche Fehler in der Kunststoff-Extrusionsmaschine

Schneckenverschleiß, Helix-Abbau und inkonsistente Schmelzeflussverhältnisse

Schnecken verschleißen im Laufe der Zeit, wenn abrasive Materialien und Verunreinigungen in das System gelangen. Diese schleichende Erosion verändert die Form der Wendel und erschwert den ordnungsgemäßen Materialtransport. Wenn der Verschleiß stark genug ist, stört dies die Wärmeübertragung im gesamten Prozess. Einige Bereiche können zu kalt werden, während andere gefährlich heiße Stellen bilden, was zu lästigen Oberflächenmarkierungen und ungleichmäßigem Schmelzverhalten führt. Die meisten Anlagen führen etwa alle 500 Betriebsstunden Messungen mit dem Messschieber durch, um Probleme frühzeitig zu erkennen, bevor sie sich verschlimmern. Der Wechsel von normalen Legierungsschnecken auf gehärtete Stahlschnecken kann in einigen Fällen die Lebensdauer verdoppeln, wodurch die Schmelzequalität konstant bleibt und frustrierende ungeplante Ausfälle vermieden werden, die viel Produktionszeit verschwenden.

Die Fehlausrichtung und die Unebenmäßigkeit zwischen Zug- und Extrusionsgeschwindigkeit führen zu Wanddickenvariationen

Wenn sich die Werkzeuge verstellen, wird der Schmelzfluss ungleichmäßig umgelenkt. Gleichzeitig kann eine Diskrepanz zwischen Zug- und Extrusionsgeschwindigkeit den mittleren Teil des Profils entweder dehnen oder stauchen. Diese Probleme führen gemeinsam dazu, dass Wanddickenänderungen in Wärmedämmbändern Werte über plus oder minus 5 % überschreiten. Zum Glück können laserbasierte Ausrichtungswerkzeuge zusammen mit ordnungsgemäß synchronisierten Antriebssystemen diese Abweichungen auf unter 1 % reduzieren. Die meisten Hersteller stellen fest, dass es am besten ist, regelmäßig alle etwa 50 Produktionsdurchläufe Kalibrierprüfungen durchzuführen. Dabei überprüfen sie die Kalibrierung typischerweise mithilfe von Ultraschall-Wanddickenmessungen. Dieser Ansatz hält die Maße innerhalb akzeptabler Toleranzen und reduziert langfristig deutlich den Materialabfall.