Anwendungen
Der Extruder ist eine Industrieanlage zur kontinuierlichen Verarbeitung thermoplastischer Materialien. Er wandelt feste Polymere in eine homogene Schmelze um und erzeugt einen gleichmäßigen Materialfluss für die Weiterverarbeitung zu Halb- oder Fertigprodukten. Extrusion wird in vielen Produktionsphasen eingesetzt – von der Compoundierung bis zur Profil- oder Folienherstellung – und ist eine Kerntechnologie der Kunststoff- und Gummiindustrie.
Bedürfnisse:
Wertschöpfung aus Produktionsdaten
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Kontrolle des Extrusionsprozesses
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Temperaturregelung
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Messung der Schmelzetemperatur
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Durchflussregelung mit Schmelzepumpe
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Erkennung von Filterverschmutzung
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Bedürfnis:
Wertschöpfung aus Produktionsdaten
Bedürfnis:
Kontrolle des Extrusionsprozesses
Der Extrusionsprozess erfordert die koordinierte Steuerung von Schneckendrehzahl, Temperatur, Schmelzedruck und Hilfsantrieben. Das Steuerungssystem muss Rezepturen verwalten, schnelle Produktwechsel ermöglichen und bei Abweichungen sofort reagieren.
Lösung:
G-Mation ist die Plattform für die vollständige, synchrone und integrierte Steuerung des Extrusionsprozesses. Das Herzstück des Systems ist die CPU G-Mation P6, ergänzt durch die Remote-Module G3 mit EtherCAT-Buskommunikation. Die Temperaturregelung erfolgt über integrierte PID-Regler; auch die Antriebssteuerung kommt ohne den Einsatz externer Gateways aus. Die Benutzeroberfläche wird über einen integrierten Webserver verwaltet und auf den Browser-Panels G-Mation W55 angezeigt, die die Darstellung individuell konfigurierbarer Dashboards ermöglichen.
Hauptmerkmale der Plattform:
- Vorkonfigurierte, anpassbare Anwendungsvorlagen
- Docker-Technologie für die Installation von Applikationen wie IoT-Dashboards, Predictive Maintenance oder die Anbindung an MES- und ERP-Systeme
- Offene Architektur mit Edge-Computing-Fähigkeit
Bedürfnis:
Temperaturregelung
Ein stabiles rheologisches Verhalten und die daraus resultierende Maßhaltigkeit des Extrudats werden durch eine präzise Temperaturregelung erreicht. Es ist entscheidend, die thermische Stabilität in diesen Zonen zu gewährleisten, um schnell auf Schwankungen der thermischen oder prozessbedingten Belastung reagieren zu können. Damit können potenzielle Fehler vermieden werden wie z.B. Oberflächenfehler, Stärkeabweichungen oder Beeinträchtigungen der optischen Produktqualität.
Die Gefran-Technologie für die Temperaturregelung von Extrudern basiert auf Halbleiterrelais, PID-Reglern und Thermoelementen:
- Jedes Heizelement wird im geschlossenen Regelkreis über eine PID-Regelung gesteuert, die entweder in die SPS integriert ist oder über dedizierte Regler wie den Typ 1850 erfolgt. Damit lässt sich die Schmelzetemperatur bis auf ±0,5 °C um den Sollwert halten, mit konstanter Viskosität und ohne Oberflächen- oder Maßfehler.
- Das kompakte Halbleiterrelais GRP-H mit integriertem Kühlkörper gewährleistet eine präzise Stromregelung bis 120 A. Über IO-Link lassen sich I/O-Karten einsparen, da Befehle, Alarme und Stromaufnahme direkt integriert verwaltet werden.
Die Lösung ist skalierbar und kompatibel mit PID-Reglern, die entweder in der SPS oder in Remote-Modulen integriert sind. Funktionen zur Rezepturspeicherung und Trendaufzeichnung unterstützen schnelle Produktwechsel und die kontinuierliche Qualitätsverbesserung.
Bedürfnis:
Messung der Schmelzetemperatur
Die Schmelzetemperatur ist ein entscheidender Faktor für Viskosität und Produkteigenschaften. Eine Messung direkt im Materialfluss liefert deutlich genauere Ergebnisse als Oberflächenmessungen und verbessert die Prozessstabilität.
Gefran bietet Temperatursensoren an, die speziell für die direkte Messung der Schmelze entwickelt wurden. Sie besitzen eine Schutzhülse aus Edelstahl oder anderen, polymerkompatiblen Materialien (z. B. Hastelloy für korrosive Polymere) und basieren auf zwei Thermoelement-Technologien:
- Typ K (NiCr-NiAl), die am weitesten verbreiteten für Extrusion: einsatzfähig bis 850 °C, mit schneller Ansprechzeit und geeignet für die meisten technischen Kunststoffe.
- Typ J (Fe-CuNi), ausgelegt für etwas niedrigere Temperaturen (bis 400 °C) und für weniger aggressive Umgebungen.
Die TCM-/TRM-Sensoren können entweder separat installiert oder in kompakter Bauweise mit Schmelzedrucksensoren kombiniert werden, um Platz zu sparen und die Verdrahtung zu vereinfachen.
Bedürfnis:
Durchflussregelung mit Schmelzepumpe
Bei Anwendungen wie Rohren, Profilen oder Platten muss der Schmelzedurchfluss konstant bleiben – unabhängig von Druckschwankungen. Eine Schmelzepumpe stabilisiert den Materialfluss zwischen Extruder und Kopf, gesteuert durch Druckmessungen vor und nach der Pumpe.
Lösung:
Gefran setzt zwei hochpräzise MELT-Sensoren (vor und nach der Pumpe) ein, um die Pumpendrehzahl zu regeln, den Druck stabil zu halten und einen konstanten Durchfluss der Polymerschmelze sicherzustellen. Die Drucksensoren der Serie MELT Impact sind ideal für kritische Umgebungen und die Integration in Sicherheitslogiken:
- Ausführung mit verstärkter Membran, piezoresistivem Sensorelement und ohne Übertragungsflüssigkeit.
- Thermische Stabilität unter 1 % v. EW im Bereich von 20 bis 350 °C, geeignet auch für regenerierte oder abrasive Polymere.
- PLc-Zertifizierung und elektrischer Ausgang erhöhen Sicherheit und Zuverlässigkeit. Durch den Verzicht auf interne Flüssigkeit ist der Sensor auch für medizinische und Lebensmittelanwendungen geeignet.
Bedürfnis:
Erkennung von Filterverschmutzung
Der Filter schützt die Matrize vor Verunreinigungen, kann jedoch im Betrieb verstopfen – insbesondere bei Recyclingmaterialien. Die Druckmessung vor und nach dem Filter erkennt Verschmutzungen frühzeitig und löst automatische Reinigungsmaßnahmen oder Alarme aus.
Lösung:
Gefran bietet den Impact-Sensor für die präzise und zuverlässige Überwachung des Drucks vor und nach dem Schmelzefilter an, ideal für hohe Temperaturen (bis 350 °C) und schwierige Betriebsbedingungen wie Recycling oder die Verarbeitung gefüllter Polymere.
Hauptmerkmale:
- Membran bis zu 15-mal dicker als bei herkömmlichen Sensoren, ohne interne Übertragungsflüssigkeit; die Druckübertragung erfolgt direkt auf den Siliziumchip.
- Hohe Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen dynamische Belastungen, thermische Stabilität < 1 % v. EW im Bereich von 20 °C bis 350 °C.
- IEPLc-Version mit elektrischem Ausgang und PLc-Zertifizierung, für die Integration in Sicherheitssysteme und die Einrichtung zertifizierter Alarme.
Das Funktionsprinzip
Das Kunststoffmaterial wird über einen Trichter zugeführt, der den Rohstoff dosiert. Im Inneren des Extruders befindet sich ein Zylinder (oder „Barrel“), in dem eine Schnecke (oder mehrere Schnecken bei Doppelschneckenextrudern) rotiert. Diese erfüllt drei Hauptfunktionen: Transport des Materials, Aufschmelzen durch die kombinierte Wirkung von Reibung und Wärme sowie Homogenisierung der Schmelze.
Die Schnecke ist in Funktionszonen unterteilt (Einzugszone, Kompressionszone, Dosierzone), jeweils mit optimierten Geometrien, um Druck, Temperatur und Viskosität des Materials während des Prozesses gezielt zu steuern. Die für die Schmelze benötigte Wärme wird sowohl durch elektrische Heizelemente an der Außenseite des Zylinders als auch durch die mechanische Energie der Scherung im Material erzeugt.
Der Prozess erfolgt anhand spezifischer Rezepturen, also vordefinierter Kombinationen von Materialien und Verarbeitungsparametern, die an die Anforderungen des Endprodukts angepasst sind. Schließlich wird das plastifizierte Material an das Zylinderende gefördert, wo es durch einen Extrusionskopf mit einer Matrize strömt, die dem Materialfluss die gewünschte Form verleiht (siehe Extruder mit Flachkopfdüse und Blasfolienextruder).
Anforderungen und Technologie
Der Extrusionsprozess erfordert eine präzise Steuerung aller Prozessparameter – Schneckendrehzahl, Temperatur und Schmelzedruck. Eine stabile Temperatur in jeder Heizungszone sichert die Viskosität und verhindert Maßabweichungen.
Die genaue Messung der Schmelzetemperatur, die Durchflussregelung über Schmelzepumpen und die frühzeitige Erkennung von Filterverschmutzungen gewährleisten eine gleichmäßige Qualität und hohe Anlagenverfügbarkeit.
Weitere kritische Faktoren bei der Prozesskontrolle sind:
- Integration zertifizierter Sicherheitslogiken
- Beständigkeit der Komponenten gegenüber gefüllten oder recycelten Materialien
- Kontinuierliche Überwachung der rheologischen Eigenschaften mit Rheometern
Gefran bietet eine umfassende Palette an Steuerungsplattformen, MELT-Druck- und Temperatursensoren sowie modulare Lösungen, die sich nahtlos in jede Anlage integrieren lassen – für Effizienz, Sicherheit und gleichbleibende Produktqualität im Extrusionsprozess.
