Zeitschriften | Blasformen & Extrusionswerkzeuge

Kompaktextruder für die Mikrotechnik

In der Mikrotechnik werden sowohl­ im kontinuierlichen als auch im diskontinuierlichen Betrieb­ Extruder­ benötigt, welche­ kleine Schmelzemengen thermisch­ und stofflich optimal homogenisiert bereitstellen und gleichzeitig kurze Verweilzeiten erlauben. Der Stand der Technik­ zeigt, dass für den Bereich des Plastifizierstromes von 50 bis 200 mg/s das ideale Plastifizier­prinzip fehlt. Im Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KuZ) wurde ein Plastifizierkonzept mit gedrungenen­ Plastifizierelementen sehr kleinen­ L/D-Verhältnisses in Zusammenarbeit mit der Fa. CKT Kunststoffverarbeitungstechnik­ GmbH weiterentwickelt, welche­ den Bau außergewöhnlich­ kompakter­ Extruder erlauben. Ausgangspunkt ist die bekannte­ Scheibenplastifizierung­, welche­ wegen des zu geringen Druckaufbaus in der Schmelze (Weissenberg­-Effekt) und der problematischen Materialeinspeisung mit einer Schneckenzuführung kombiniert wird. Dieser verweilzeitoptimierte und weitgehend fördersteife Kompaktextruder kann als Grundlage verschiedener Kunststoffverarbeitungsmaschinen in der Mikrotechnik dienen, z. B. als Kleinmengenextruder für Mikroprofilextrusion und für die Mehrkomponentenextrusion oder als leistungsfähiger 3D-Druckkopf. Eine weitere erprobte Anwendungs­möglichkeit ist der Einsatz als Vorplastifizieraggregat beim Mikrospritzgießen.

Konstruktion

Ausgangspunkt der Entwicklung ist die von der Fa. CKT ent­wickelte und erprobte Plastifizier­einrichtung, bei der die Scheiben­plastifizierung mit einer Schnecken­zuführung kombiniert wird. Über das Schnecken­segment wird das Granulat dosiert­, vorgewärmt und entgast. Anschließend­ wird in dem Scherspalt zwischen der mit gleicher Schneckendrehzahl­ wie das Schneckensegment rotieren­den Scheibe und einem Stator der Kunststoff plastifiziert und homogenisiert sowie ein Teil des Förderdruckes erzeugt. Im Sinne der Miniaturisierung arbeitet die Neuentwicklung mit einem von 60 auf 40 mm reduzier­tem Rotorendurchmesser bei L/D-Verhältnissen von 1,5 bzw. 2,5 oder mit einer kompakten Ø40-mm-3-Zonenschnecke mit einem L/D-Wert von 2,5. Die Rotorspitze ist austauschbar und steht mit verschiedenen Spitzen­winkeln zur Verfügung. Dementsprechend nimmt das neugestaltete Extrudermodul Zylinder verschiedener Länge mit dem Durchmesser von 40 mm auf. Diese besitzen längenab­hängig 2 bis 3 Heizzonen und einen flüssigkeitsgekühlten Einzugs­bereich. Der Spalt zwischen der (austauschbaren) Rotorspitze (Scheibe) und dem Düsenstock ist verstellbar. Die verschiedenen Düsensysteme­ sind separat beheizt­. Für die anwendungsgerechte Erprobung wurde der oben vorgestellte Kompaktextruder in ein Modulkonzept integriert. Für die Extruderfunktionen stehen­ zwei Antriebsgrößen, eine Dosier­vorrichtung, ein Druckmess­modul, eine Strangwerkzeugfamilie (Lastdüsensystem­), ein Mikrorohr-­Werkzeug und ein beliebig erweiterbares­ Gestellsystem mit verschiebbaren Nachfolgeeinrichtungen wie Kalibrierung, Kühlwanne und Abzugsvorrichtung zur Verfügung­. Für das Applikations­beispiel Mikrospritzgießen stehen die notwendigen Adapterelemente­ für die formicaPlast® und eine Werkzeugeinsatz-Familie für Schussvolumina zwischen 240 und 600 mm³ bereit. Die Maschinensteuerung hat eine benutzerfreundliche Bedieneroberfläche für alle Antriebskomponenten und Heiz­zonen sowie Parameter­verwaltung, automatisierte Funktionen für den Anfahrprozess und Überwachung der Prozessgrößen.

Technologische Erprobung und Applikationen

Das Extrudermodul wurde mit Hilfe eines eigens dafür entwickel­ten Druckmessmoduls und Lastdüsensystems charakterisiert. Mit der Vorrichtung wurden Druck-Durchsatz-Kennlinien für verschiedene Materialien aufgenommen. Die Versuche wurden durch Strangtemperatur und Drehmomentmessung­ ergänzt. Die Ergebnisse weisen nach, dass das Prinzip der Scheibenplasti­fizierung auch in weiter miniaturisierter Form gut funktioniert und die notwendige Förderleistung bei sehr guter Schmelzequalität bringt. Bei der Neukonstruktion­ der Maschinentechnik ist eine deutliche Miniaturisierung gelungen­. Verbunden mit den ebenfalls neu entwickelten Modulbausteinen­ ist die Technik­ für verschiedenste Aufgaben der Extrusion vorbereitet. Als Beispielapplikation für die konti­nuierliche Arbeitsweise ist eine Rohrextrusionsstrecke und für den intermittierenden Betrieb eine Scheiben-Vorplastifiziereinheit für Mikrospritzgießmaschinen auf­gebaut.

 

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