Verfahren

Beratung und Kundenversuche zu den verschiedensten Verfahrenstechniken

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Plastifizierung

Die Plastifiziereinheit ist die Kernkomponente der Spritzgießmaschine, sie ist das wichtigste Funktionselement. Der Kunststoff wird von der Plastifiziereinheit gefördert, plastifiziert, homogenisiert, dosiert und eingespritzt. Sie trägt damit maßgeblich zur Produktqualität bei. An die Plastifiziereinheit werden folgende Anforderungen gestellt:

  • ausreichend hoher Plastifizierstrom
  • konstante Materialförderung über den gesamten Schneckenhub
  • gutes Einzugsverhalten
  • günstiges Verweilzeitverhalten
  • gute thermische Homogenität der Schmelze
  • gute mechanische Homogenität der Schmelze
  • hohe Reproduzierbarkeit
  • günstiges energetisches Betriebsverhalten
  • breiter Einsatzbereich
  • wirtschaftliche Standzeit

Die Gewichtung dieser Anforderungen kann in Abhängigkeit von der Anwendung sehr unterschiedlich sein. Die Auswahl, Auslegung und das Design der Plastifiziereinheit sind damit maßgebliche Faktoren für eine effiziente und wirtschaftliche Produktion.

Tabelle 1: Verschleißklassen Standardschnecken und Zylinder

Um der Vielzahl von Anwendungen mit unterschiedlicher Gewichtung der Anforderungen bestmöglich gerecht zu werden, hat Sumitomo (SHI) Demag je nach Anforderungsprofil Lösungen für die einzelnen Komponenten der Plastifiziereinheit entwickelt. Damit kann Sumitomo (SHI) Demag für jede Anwendung die geeignete Plastifiziereinheit anbieten. Darunter sind zum Beispiel spezialisierte Lösungen für Schnelllaufanwendungen speziell auf der El-Exis SP Baureihe, Lösungen für das Direkteinfärben mit Masterbatch oder Flüssigfarbe und Lösungen für die Verarbeitung teilkristalliner technischer Kunststoffe mit hohen Schmelzeenthalpien.


Die Plastifiziereinheit steht in intensivem Kontakt zum verarbeiteten Kunststoff und ist damit komplexen sich häufig überlagernden Abnutzungseffekten unterworfen. Verschiedene Abnutzungseffekte sind in der Graphik 1 „Verschleißarten und Verschleißmechanismen in Kunststoff – Plastifiziereinheiten“ dargestellt.

Graphik 1: Verschleißarten und Verschleißmechanismen in Kunststoff – Plastifiziereinheiten<br>[Quelle: Verschleiß in der Kunststoffverarbeitung, G. Menning]

Man unterscheidet hauptsächlich folgende Verschleißmechanismen:

  • Abrasion
  • Korrosion
  • Adhäsion

Abrasion wird durch Füll- oder Verstärkungsstoffe im Kunststoff verursacht. In fast jedem Kunststoff sind verschiedene Füll- oder Verstärkungsstoffe enthalten, um das Eigenschaftsprofil des Kunststoffes verschiedensten Anforderungen anzupassen.
Graphik 2 „verschiedene Füll- und Verstärkungsstoffe“ zeigt häufig verwendete Füll- und Verstärkungsstoffe. Viele dieser Partikel haben eine sehr hohe Härte. Durch die Relativbewegung der im Kunststoff enthaltenen Partikel zu den Plastifizierkomponenten kommt es zu einem abrasiven Abtrag des Werkstoffs dieser Komponenten. Neben der Härte hat auch die Geometrie dieser Partikel einen entscheidenden Einfluss auf den Abtrag.

Graphik 2: Verschiedene Füll- und Verstärkungsstoffe<br>[Quelle: Verschleiß in der Kunststoffverarbeitung, G. Menning]

In der DIN 50 900 ist Korrosion wie folgt definiert: „Korrosion ist die Reaktion eines metallischen Werkstoffs mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffs bewirkt und zu einem Korrosionsschaden führen kann. Diese Reaktion ist meist elektrochemischer Art. Es kann sich aber auch um metallphysikalische Vorgänge handeln“. Korrosion wird durch chemisch reaktive Additive und Abbauprodukte von Polymeren verursacht. Insbesondere die Vielzahl unterschiedlicher Flammschutzsysteme auf dem Markt und deren Weiterentwicklung im Zuge der Richtlinie 2002/95/EG zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe (RoHS) stellen immer wieder neue Herausforderungen.

Adhäsion oder adhäsiver Verschleiß tritt in der Plastifiziereinheit meist bei Kontakt zwischen Schnecke und Zylinder auf. Im theoretisch optimalen Fall kommt es durch die tragende Wirkung des Kunststoffs zu keinem Kontakt zwischen den beiden Komponenten. In der Praxis kann es durch verschiedene Betriebszustände wie beispielsweise Anfahren oder Stillsetzen der Maschine zu Kontakt zwischen diesen Komponenten kommen. Weiterhin können hohe Drücke und das Eigengewicht der einseitig eingespannten Schnecke zu einer Auslenkung der Schnecke und damit zu einem Kontakt führen. Dabei entstehen unter hohen Kontaktkräften sogenannte Kaltverschweißungen zwischen den Komponenten. Die entstehenden Haft- bzw. Adhäsionskräfte können größer sein als die innere Festigkeit eines der beiden Werkstoffe. Bei fortgesetzter Relativbewegung wird die Scherebene von der ursprünglichen Kontaktfläche in die weniger feste Komponente verlagert und es erfolgt ein Materialübertrag von der einen Komponente auf die Andere. Als Folge entstehen tiefe Riefen und erhabene Zonen, welche im fortlaufenden Betrieb weiteren Adhäsionsverschleiß begünstigen. Im schlimmsten Fall können diese Effekte zu einem „Fressen“ der Schnecke führen. Auch auf diese Art des Verschleißes haben der verarbeitete Kunststoff und die Prozessführung Einfluss.

Diese einzelnen Abnutzungseffekte treten in der Praxis häufig gleichzeitig auf. Speziell Abrasion und Korrosion überlagern sich sehr häufig bei der Verarbeitung von verstärkten technischen Thermoplasten.

Die wichtigsten Einflussfaktoren auf Verschleiß sind in der Graphik 3 „Einflussfaktoren Verschleiß“ dargestellt.

Graphik 3: Einflussfaktoren Verschleiß

Die Standard–Universal–Plastifiziereinheit mit einer 3-Zonen-Schnecke und einer Ring– Rückströmsperre deckt einen besonders breiten Einsatzbereich ab, deshalb wird diese Plastifiziereinheit besonders häufig eingesetzt. An sie werden aufgrund der unterschiedlichen Additivierungen, Füll- und Verstärkungsgrade unterschiedliche Anforderungen im Bezug auf Verschleißwiderstand gestellt. Aus diesem Grund wird diese Plastifiziereinheit in verschiedenen Ausführungen angeboten, siehe Tabelle 1 „Verschleißklassen Standardschnecken und Zylinder“. Diese Ausführungen unterscheiden sich in den verwendeten Werkstoffen. Die verfahrenstechnische Auslegung dieser Plastifiziereinheit ist auf einen breiten Einsatzbereich zugeschnitten.

Die Auswahl des Kunststoffs lässt sich nur bedingt nach Kriterien der Verschleißminimierung durchführen, weil meist ein definiertes Eigenschaftsprofil für das zu fertigende Formteil gefordert ist.

Auch die Verarbeitungsbedingungen beeinflussen die Verschleißraten und damit die Standzeit der Plastifizierkomponenten maßgeblich. Dazu zählen Faktoren wie Prozessparameter, Auslastung der Plastifiziereinheit und die damit verbundene Verweilzeit des Kunststoffes in der Plastifiziereinheit, ein durch Trocknen gemäß der Empfehlung des Herstellers eingestellter Feuchtigkeitsgehalt des Kunststoffs, eine geeignete Materialzuführung, keine Fremdpartikel im Granulat, optimaler Masterbatchanteil und vieles mehr.
Erfahrungsgemäß sind für die wichtigsten Kunststoffgruppen bestimmte Bereiche für Prozessparameter und Verarbeitungsbedingungen optimal, diese sind in Tabelle 2 „Prozessparameter und Verarbeitungsbedingungen“ dargestellt. Von diesen generellen Empfehlungen können aufgrund der immer weiter fortschreitenden Entwicklung der Kunststoffe Abweichungen auftreten. Aus diesem Grund empfiehlt Sumitomo (SHI) Demag immer den Hersteller des Materials zu geeigneten Prozessparametern und Verarbeitungsbedingungen zu konsultieren. Von Seiten Sumitomo (SHI) Demag wird ebenfalls anwendungstechnische Unterstützung angeboten.