Verschleißuntersuchungen an schnelllaufenden Extrudern

Verschleißuntersuchungen an schnelllaufenden Extrudern
M. Rudschuck, E. Leimann, G. Geertz
Deutsches Kunststoff-Institut
Schloßgartenstr. 6
D-64289 Darmstadt
Kurzfassung
In den letzten Jahren tendierte die Kunststoffverarbeitung zu Plastifiziereinheiten mit
immer größeren Leistungsdaten und damit zu schnelllaufenden Extrudern. In der
Praxis wird deutlich, dass Defizite bei der Werkstoffentwicklung, insbesondere bei
verschleißoptimierten Materialien, vorhanden sind. Diese zu beheben setzt fundierte
Kenntnisse der relevanten Verschleißprozesse voraus. Deshalb wurde im Rahmen
dieses Projektes der adhäsive Verschleiß in schnelllaufenden Extrudern untersucht,
der als die Hauptursache für die derzeitigen Schwierigkeiten gesehen wird.
Ein zentraler Punkt der Arbeit war die Konstruktion und der Aufbau eines sog.
Ringspalttribometers. Hierbei handelt es sich um eine Modellprüfapparatur zur Bestimmung des adhäsiven Verschleißes. Das Ringspalttribometer wurde speziell für
hohe Drehzahlen, wie sie in schnelllaufenden Extrudern vorkommen, optimiert.
Durch eine Veränderung der Probenkörpergeometrie gegenüber den bisher verwendeten Apparaturen konnte die oberflächenanalytische Auswertung erleichtert und
präziser gestaltet werden.
Durch die systematische Untersuchung von Formmassen mit unterschiedlichen
abrasiven Füll- und Verstärkungsstoffen mit Hilfe der neu entwickelten Apparatur
konnte gezeigt werden, dass der Verschleiß an den Probekörpern tatsächlich überwiegend auf adhäsiven Verschleiß zurückzuführen ist. Abrasive und korrosive Anteile
sind untergeordnet. Für den adhäsiven Verschleiß ist die Tragfähigkeit der Kunststoffschmelze maßgeblich. Die bisherigen Untersuchungen zielten darauf ab, die
Tragfähigkeit in Abhängigkeit von Verfahrensparametern wie Schmelzetemperatur
und -druck zu analysieren. Es zeigte sich dabei, dass diese Parameter die Tragfähigkeit nicht nennenswert beeinflussen. Im Rahmen dieser Arbeit stellte sich heraus,
dass die Oberflächenspannung einen Schlüsselparameter für den adhäsiven Verschleiß darstellt. Ähnlich wie bei Schmiermitteln in Radialgleitlagern kann der adhäsive Verschleiß durch benetzende Formmassen wie Polyamide reduziert werden. Bei
unpolaren, nicht benetzenden Formmassen wie Polyolefinen kommt es zu einem erhöhten adhäsiven Verschleiß.
Einleitung
Die Beschleunigung des wissenschaftlich-technischen Fortschritts bei der Verarbeitung von Kunststoff-Formmassen erfordert die Bereitstellung leistungsfähigerer
Plastifiziereinheiten [1-4]. Innerhalb der Einschneckenextrusion werden Schnellläufer
oder auch Extruder mit schnelllaufender Extruderschnecke heute immer noch nicht
als Stand der Technik angesehen, während der Schnellläufer bei der Doppelschneckenextrusion inzwischen etabliert ist [5]. Je nach Definition werden Extruder als
1
schnelllaufend bezeichnet, die entweder mit Drehzahlen oberhalb von 300 min−1 betrieben werden, oder die eine Umfangsgeschwindigkeit von mehr als 1 m/s besitzen
[5]. Die Erhöhung der Schneckendrehzahl bietet aus wirtschaftlicher Sicht eine interessante Lösung, weil auf diese Weise gegenüber der Alternative eines größeren
Extruders geringere Invesitionskosten, insbesondere für Schnecke, Zylinder und Getriebe, anfallen. Problematisch ist, dass durch die Erhöhung der Schneckendrehzahlen die Gefahr des Anlaufens der Schnecke an die Zylinderwand und eines hieraus
resultierenden Verschleißes erhöht wird.
Generell ist Verschleiß oft eine Überlagerung von Abrasion, Adhäsion und Korrosion.
Er beeinträchtigt die Produktivität von Kunststoffverarbeitungsmaschinen erheblich
[6]. Diese allmähliche oder gar plötzliche Schädigung mindert die Zuverlässigkeit und
Lebensdauer der Plastifiziereinheiten. Daraus resultiert die Aufgabe, das Verschleißgeschehen an den Funktionsgruppen der Maschinen zu erfassen und durch geeignete Maßnahmen zu beeinflussen [7]. Zur Untersuchung der Schädigungen durch die
verschiedenen Verschleißarten wurden vielfältige Prüfmethoden bzw. Prüfapparaturen entwickelt und eingesetzt. Im Anwendungsbereich der Plastifiziereinheiten gliedern sich die Prüfmethoden prinzipiell nach Verschleiß durch plastifizierte und feste
Formmassen, Korrosion und Metall-Metall-Kontakt [8].
In früheren vom Deutschen Kunststoff-Institut durchgeführten Studien [9] wurde beschrieben, dass ca. 40 % aller verschleißbedingten Ausfälle durch adhäsiven Verschleiß verursacht wurden. Insbesondere bei der Verarbeitung von Polyolefinen wie
PE-LLD auf Extrudern kommt es immer wieder zu schwerwiegenden Verschleißschäden durch adhäsiven Verschleiß [10]. Neben konstruktiven und verfahrenstechnischen Gründen für das Anlaufen von Schnecke und Zylinder kann ein weiterer
Grund die mangelnde Tragwirkung der Schmelze sein. Dies wird z. B. bei PE-LLD
vermutet [11]. Hierfür sprechen auch die im Vergleich zu PE-LD etwas anderen rheologischen Eigenschaften. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurde am Deutschen Kunststoff-Institut eine Prüfapparatur, das sogenannte Ringspalt-Tribometer,
entwickelt und gebaut [12].
In der industriellen Praxis geht der Trend bei den Plastifizereinheiten zu immer höheren Drehzahlen. Bei heutigen schnelllaufenden Extrudern können Drehzahlen von bis
zu 1200 min−1 erreicht werden [5,13]. Um den Verschleiß in diesen Extrudern praxisgerecht nachzustellen, ist eine Neukonstruktion des Ringspalttribometers und die
Anpassung an die veränderten Verarbeitungsbedingungen notwendig geworden. Ziel
des Projektes war die Entwicklung und Erprobung einer neuen Verschleißprüfapparatur zur Bestimmung des adhäsiven Verschleißes zwischen Schneckensteg und
Zylinderwand in schnelllaufenden Extrudern.
Vielfach werden einfache Verfahren wie Verschleißversuche mit Reibrädern eingesetzt, um den Verschleiß zwischen Schnecke und Schneckensteg zu simulieren. Hier
muss allerdings berücksichtigt werden, dass dabei sowohl Temperatureinflüsse, als
auch der Einfluss der Polymerschmelze nicht erfasst werden. Die Aussagekraft solcher Versuche ist somit nur beschränkt auf eine reale Plastifiziereinheit übertragbar.
Bisher gibt es keine Möglichkeiten, insbesondere die Einflüsse des Polymers, der
Additive und der Füllstoffe auf den adhäsiven Verschleiß zu untersuchen. Gerade für
viele Kunststoffverarbeiter liegt hier eine Gefahr, da schon kleine Änderungen in der
Additivierung zu einer deutlichen Zunahme von Verschleiß- und Korrosionsschäden
führen können [14]. Aus diesem Grund ist es notwendig eine Modellprüfapparatur zu
2
entwickeln, die das tribologische System ,,Zylinder-Schnecke" bei gleichzeitiger Anwesenheit von Polymerschmelze beschreibt.
Tribologische Grundlagen
In der Kunststoffverarbeitung werden zahlreiche Fertigungsverfahren angewendet,
wobei die unterschiedlichsten Verschleißvorgänge auftreten. Der in einem speziellen
Fertigungsverfahren auftretende Verschleiß resultiert immer aus einer komplexen
Beanspruchung der Werkstoffoberflächen, welche sich aus mechanischen, thermischen und chemischen Komponenten zusammensetzt. Da Verschleiß in der Regel
mit örtlich begrenzten hohen Energieumsätzen verbunden ist, sind besonders die
sog. Urformverfahren wie Spritzgießen und Extrudieren von Verschleißschäden betroffen [7]. Bei der Verarbeitung von Kunststoff-Formmassen spielt der Verschleiß an
Komponenten wie Schnecken und Zylindern eine erhebliche wirtschaftliche und
technologische Rolle. Die tribologischen Bedingungen innerhalb einer von Schnecke
und Zylinder gebildeten Plastifiziereinheit sind dabei von komplexer Natur [18]. Für
eine Analyse der in einer Plastifiziereinheit auftretenden Verschleißarten bzw. mechanismen lässt sich die in [19] beschriebene Einteilung, die auch in Abb. 1 dargestellt ist, heranziehen.
In der Darstellung erkennt man, dass die Verschleißmechanismen je nach Verarbeitungszone variieren. Auch wird ein Verschleißtyp kaum allein vorkommen, sondern
es werden sich zwei oder mehrere Verschleißmechanismen überlagern. Man erkennt
außerdem, dass der zu untersuchende adhäsive Gleitverschleiß überwiegend in der
Einzugszone (Trockengleitverschleiß) und der Meteringzone (Naßgleitverschleiß)
vorliegt.
Abb. 1: Grundlegende Verschleißarten und -mechanismen in Plastifiziereinheiten [19].
Adhäsiver Gleitverschleiß
Adhäsiver Verschleiß entsteht dann, wenn sich zwei Reibpartner unter hohen örtlichen Flächenpressungen derart annähern, dass aufgrund von atomaren Haftkräften
3
eine kurzzeitige Verschweißung der beiden Partner eintritt [20]. Im Falle geringer Adhäsionskräfte zwischen den Reibpartnern wird in der ursprünglichen Berührebene
abgeschert, ohne dass eine Schädigung entsteht. Bei hohen Haftkräften wird die
Scherebene in die Ebene minimaler Scherfestigkeit des weicheren Reibpartners verlagert, und es kommt zu Werkstoffausbrüchen [17], [21].
An den Plastifiziereinheiten können Betriebszustände auftreten, bei denen sich
Schnecke und Zylinder unter hohen örtlichen Flächenpressungen berühren [22].
Fehlt dabei ein Zwischenstoff mit Trenn- bzw. Schmiermittelwirkung oder werden ein
vorhandener Schmiermittelfilm und die artfremde Grenzschicht der Metalloberfläche
durchbrochen, kommt es zwangsläufig zum adhäsiven Verschleiß [23]. Dieser führt
bei ungeeigneten Paarungen schnell zum Fressen und letztendlich zum Totalausfall
(siehe Abb. 2) [24].
Abb. 2: Schädigungen auf Schneckenstegen hervorgerufen durch adhäsiven Gleitverschleiß.
Die gezeigten Schädigungen durch adhäsiven Gleitverschleiß treten in Kunststoffverarbeitungsmaschinen beim Kontakt zwischen Zylinderwand und Schneckensteg
auf [25], [26]. Mögliche Ursachen für das Anlaufen von Schnecke und Zylinder sind
z. B.:
•
•
•
Durchbiegung der fliegend gelagerten Schnecke, bedingt durch ihr Eigengewicht.
Ausknicken der Schnecke infolge hoher Axialkraft (Einspritzvorgang bei
Spritzgießmaschinen).
Asymmetrische radiale Druckverteilung um die Schnecke in Abhängigkeit der
Gangsteigung (z. B. Doppelschneckenextruder, An- und Leerfahren von
Plastifiziereinheiten).
4
•
•
•
Fluchtungsfehler zwischen Schnecke und Zylinder bzw. Rundlaufungenauigkeiten der Schneckenwelle.
Verzug des Zylinders durch ungleichmäßige Heizung bzw. Kühlung.
Mangelnde Schmierwirkung der Kunststoffschmelze.
Um die Schäden durch adhäsiven Gleitverschleiß möglichst gering zu halten, müssen geeignete Werkstoffe für Schnecke und Zylinder gefunden werden, die unter den
spezifischen Umgebungsbedingungen gute Notlaufeigenschaften aufweisen. Weitere
Möglichkeiten bieten konstruktive und verfahrenstechnische Maßnahmen, wohingegen Änderungen der Rezeptur der zu verarbeitenden Formmasse zur Erzielung einer
besseren Schmierwirkung oder einer höheren Tragfähigkeit anzustreben, aber in
Hinsicht auf die gewünschte Eigenschaft des Endproduktes meist abzulehnen sind.
Modellprüfapparaturen
Mit Hilfe von Prüfapparaturen sollen unter praxisnahen Bedingungen zwei wichtige
Fragen geklärt werden:
•
•
Welche Werkstoffpaarungen weisen bei Anwesenheit von Polymeren als Zwischenmedium gute Notlaufeigenschaften auf?
Welchen Einfluss übt die Schmierwirkung der Polymerschmelze aus und wie
lässt er sich charakterisieren?
Zur Beantwortung dieser Fragen lassen sich prinzipiell einfache Modellprüfapparaturen einsetzen, die auf den bekannten Prinzipien Stift/Scheibe, Kugel/Scheibe, Platte/Walze oder ähnlichen beruhen [27-28]. Solche Anordnungen, wie sie auch aus der
Schmiermittelprüfung bekannt sind, ermöglichen es, die Notlaufeigenschaften verschiedener Werkstoffpaarungen zu überprüfen, wobei der Einfluss des Zwischenmediums Kunststoffschmelze nicht in zufriedenstellender Weise berücksichtigt wird.
Reinhard [19] benutzte für Verschleißuntersuchungen eine Platte/Walze-Apparatur,
wobei der Einfluss eines polymeren Zwischenmediums durch einen gegen die Walze
gepreßten Kunststoffstift nachgebildet wird. Dabei erhöhte sich selbst bei geringen
Anpreßkräften die Tragfähigkeit derart, dass keine Verschleißmarken an Platte und
Walze festzustellen waren.
Saltzmann und Olson [29] untersuchten ebenfalls auf einem Platte/Walze-Tribometer
das Verschleißverhalten von Schnecken- und Zylinderwerkstoffen mit einer WasserÖl-Emulsion als Zwischenstoff. Die Resultate dieser Untersuchungen waren nicht
konsistent und sind nur unter Vorbehalt auf die Situation in Kunststoffverarbeitungsmaschinen zu übertragen, da das Zwischenmedium nicht praxisgerecht war.
Die Übertragbarkeit von Ergebnissen aus Modellversuchen auf die reale Plastifiziereinheit ist nur bei Anwesenheit einer Kunststoffschmelze zwischen den Reibpartnern
gegeben. Zur Realisierung von praxisnahen Bedingungen ist eine spezielle Apparatur erforderlich. Aus dem bisher Gesagten ergibt sich eine Hauptforderung an die
Modellprüfapparatur: Das in der Praxis vorliegende Tribosystem muss mit der Apparatur möglichst genau nachgebildet werden. Damit sind in erster Linie die Strömungsverhältnisse im Spalt (Druck, Temperatur, Geometrie) zwischen Schnecken-
5
steg und Zylinderwand gemeint. Als weitere Grundforderungen, vor allem im Hinblick
auf die Messergebnisse, müssen genannt werden:
•
•
•
Gleichheit der Stoffpaarung und des Oberflächenzustandes bzw. des Benetzungsverhaltens durch die Kunststoffschmelze.
Angenäherte Übereinstimmung des mechanisch-thermischen Beanspruchungszustands in der Kontaktfläche unter Berücksichtigung des Schmierungszustandes.
Gleichheit und Annäherung der Verschleißraten an praxisbezogene Werte.
An die Apparatur ist daher ein Extruder anzuschließen, der ständig Kunststoff durch
den Ringspalt fördert.
Grundprinzip und Aufbau der Prüfapparatur
Das Ringspalt-Tribometer (Abb. 2.4) ist prinzipiell eine Nachbildung des tribologischen Systems Schneckensteg/Zylinderwand [35]. Dabei werden die realen Kontaktpartner durch koaxial angeordnete Ringe ersetzt. Diese bilden einen Ringspalt, durch
den die Kunststoffschmelze gefördert wird. Während der auf der rotierenden Tribometerwelle axial verspannte Innenring an die Stelle des Schneckenstegs tritt, stellt
das feststehende Gehäuse mit einem verschiebbaren Plättchen den korrespondierenden Teil der Zylinderwand dar. Das Plättchen ist in einem Probekörperhalter untergebracht. Der Spalt zwischen den beiden Probekörpern stimmt mit dem einer realen Plastifiziereinheit überein. Durch eine Parallelverschiebung der Achsen (bzw. des
Plättchens relativ zum Innenring) wird eine Exzentrizität erzeugt und der metallische
Kontakt hergestellt. So kann das Verschleißverhalten bei definierter Anpreßkraft untersuchen werden. Zur Charakterisierung der Tragfähigkeit der Kunststoffschmelze
dient diejenige Belastung, bei der unter den gegebenen Verarbeitungsbedingungen
der Schmierfilm abreißt und metallischer Kontakt auftritt [32].
Zur Simulation des Anlaufens von Schnecke und Zylinder wird der Probekörperhalter
mit dem Plättchen radial verschoben und dadurch eine Exzentrizität im Ringspalt
hervorgerufen. Dies geschieht mit Hilfe eines Schiebers und eines Gewichtes, welches eine maximale Anpresskraft von 500 N ausübt. Die zu diesem Zeitpunkt aufgebrachte Anpresskraft gilt als die charakteristische Tragfähigkeit der Kunststoffschmelze bei den eingestellten Betriebsbedingungen. Die Hauptmessgröße beim
Ringspalttribometer ist der Gewichtsverlust der beiden Ringe, der durch Differenzmessung zu bestimmen ist. Zusätzliche Interpretationshilfen sind raster- und lichtmikroskopische Aufnahmen und die Oberflächentopographie der verschlissenen Flächen
[33-34].
Um die für das Projekt notwendigen hohen Drehzahlen zu erreichen, wurde ein
schnelllaufender Einschneckenlaborextruder verwendet. Die entsprechenden Daten
finden sich in der Tabelle 1. Die Abb. 4 zeigt das Ringspalttribometer im Einbauzustand an dem schnelllaufenden Extruder, sowie die entsprechende Konstuktionsskizze.
6
Abb. 4: Neues Ringsspalttribometer im Einbauzustand an einem schnelllaufenden Extruder
(links: Einbauzustand, rechts: Konstruktionsskizze).
Tabelle1: Kennwerte des verwendeten Extruders
Hersteller
Dr. Collin GmbH
Typ
Schneckendurchmesser
Schneckenlänge
Antriebsleistung
Schneckendrehzahl
Schneckendrehmoment
Zylinderheizleistung
Max. Druckbereich
E 30S x 25 L/D
30
25
27
1200
310
4 × 2,2
600
[mm]
[L/D]
[kW]
[min−1]
[Nm]
[kW]
[bar]
Verschleißversuche unter Schmelzeeinfluss
Ein wichtiges Forschungsziel war die Untersuchung des Einflusses einer Kunststoffschmelze auf den adhäsiven Gleitverschleiß. Zu diesem Zweck wurde der Verschleiß
einer Paarung eines Standardwerkstoffes untersucht. Als Werkstoff wurde bei diesen
Versuchen Stahl des Typs 1.8550 verwendet, der ionitriert wurde. Die Härte der
Stahlproben betrug rund 60 HRC bei einer Nitriertiefe von 0,7 mm.
7
PBT
PP
PE
PA-6 GF40
PA-6 GF30
PA-6 GK30
PA-6 GK20,5
PA-6 GK15
PA-6 SiC
PA-6
PA-6,6 GF40
PA-6,6
PMMA
0
0,5
1
1,5
Verschleiß mm
2
2,5
3
Abb. 5: Gesamtüberblick über den Verschleiß durch verschiedene Formmassen (Innenring
1.8550 ion., Plättchen 1.8550 ion., 5 kg nominelle Belastung, 600 min−1, 3000 Umdrehungen).
Einfluss von Glasfasern und Füllstoffen
Aufgrund des Kontaktes der beiden metallischen Probekörper und des sich verengenden Spaltes zwischen den Probekörpern stellt sich die Frage, inwieweit hier Glasfasern oder andere Füllstoffe das Verschleißverhalten beeinflussen. Denkbar sind
sowohl eine Reduktion des Verschleißes, da der direkte Metall-Metall-Kontakt vermieden wird, als auch eine Erhöhung, da der Spalt im Bereich der Probekörper kleiner ist als die Abmessungen der Füll- und Verstärkungsstoffe.
Aus diesem Grund wurde eine Versuchsserie durchgeführt, die den Verschleiß unter
Einfluss von verschiedenen Kunststoffschmelzen mit unterschiedlichen Füllstoffen
untersucht. Die Abb. 6 gibt einen Überblick über die verschiedenen Formmassen und
deren experimentell bestimmten Verschleiß.
8
3
PA-6 SiC
PA-6 GF40
PA-6 GF30
PA-6 GK30
PA-6 GK20,5
PA-6 GK15
PA-6
PA-6,6 GF40
PA-6,6
0
0,5
1
1,5
Verschleiß, mm
2
3
Abb. 6: Gesamtüberblick über den Verschleiß durch verschiedene Polyamide (Innenring
1.8550 ion., Plättchen 1.8550 ion., 5 kg nominelle Belastung, 600 min−1, 3000 Umdrehungen).
Der Abb. 6 ist zu entnehmen, dass der Verschleiß der Probekörper bei allen Formmassen etwa in der gleichen Größenordnung liegt. Die höchste Abrasivität zeigen
Formmassen mit Glasfasern, gefolgt von Glaskugeln und den entsprechenden ungefüllten Formmassen. Da keine großen Unterschiede zwischen gefüllten und ungefüllten Formmassen vorhanden sind, kann man davon ausgehen, dass der Verschleiß
überwiegend auf adhäsiven Verschleiß zurückzuführen ist. Ein abrasiver Mechanismus, z. B. durch das Einziehen der Glasfasern in den Kontaktbereich zwischen Plättchen und Ring und eine hieraus resultierenden Mischreibung, ist offensichtlich untergeordnet.
Einfluss der Oberflächenspannung
Bei älteren Untersuchungen mit dem Ringspalttribometer [35] konnte keine ausgeprägte Abhängigkeit der Schmelzetragfähigkeit von Massendurchsatz, Schmelzedruck und Schmelzetemperatur gefunden werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde
zunächst die Abhängigkeit des Verschleißes von der Viskosität der Formmasse untersucht. Die Abb. 7 zeigt die entsprechenden Ergebnisse. Es ist zu erkennen, dass
es keine Korrelation zwischen der Schmelzeviskosität und dem Verschleiß gibt.
9
2,5
Abb. 7: Verschleiß in Abhängigkeit der Viskosität bei Verarbeitungsbedingungen (1.8550
ion., 5 kg nominelle Belastung, 600 min−1, 3000 Umdrehungen).
Offensichtlich wird die Tragfähigkeit und dadurch der Verschleiß durch einen anderen Parameter beschrieben. Von Schmierstoffen [20] ist bekannt, dass die Gleit- und
Tragfähigkeit in erheblichem Maße von der Oberflächenbenetzung der Reibpartner
abhängig ist. Aus diesem Grund wurde der Verschleiß durch verschiedene Formmassen unterschiedlichster chemischer Zusammensetzung bestimmt. Die Abb. 8
zeigt die Ergebnisse dieser Untersuchungen. Die einzelnen Formmassen sind dabei
nach ihrer Oberflächenspannung (bei Raumtemperatur) sortiert. Die Daten für die
Oberflächenspannungen wurden aus der Literatur übernommen [35-40].
Der Abbildung 8 kann entnommen werden, dass es zwei Gruppen von Formmassen
gibt, die ähnlich wie bei der Klassifikation über den Härteunterschied, zu einer Verschleißhoch- und -tieflage führen. Vom Bedrucken von Stahlkörpern ist bekannt,
dass für eine hinreichende Haftung von Farben und Lacken diese eine minimale
Oberflächenspannung von etwa 44 mN/m aufweisen müssen [41]. Bei kleineren
Oberflächenspannungen kommt es zu einer ungenügenden Benetzung der Stahl-
10
oberfläche. Man kann der Abbildung 8 entnehmen, dass der Übergang von der Verschleißhochlage zur Verschleißtieflage etwa bei dieser Oberflächenspannung erfolgt.
Hieraus kann geschlossen werden, dass durch die Benetzung der Stahloberfläche
der Verschleiß zurückgedrängt werden kann.
Abb .8: Verschleiß in Abhängigkeit der Oberflächenspannung der Formmassen (1.8550 ion.,
5 kg nominelle Belastung, 600 min−1, 3000 Umdrehungen). Die Daten für die Oberflächenspannungen (Raumtemperatur) wurden [41] entnommen.
Zusammenfassung und Ausblick
Aufgrund der immer weiter steigenden Anforderungen an Plastifiziereinheiten und
dem Trend zu schnelllaufenden Extrudern wurde der adhäsive Verschleiß zwischen
Schneckensteg und Zylinderwand bei hohen Umdrehungszahlen untersucht.
Ein Projektziel war die Entwicklung und der Bau einer Modellprüfapparatur zur Analyse des Systems ,,Zylinder-Schnecke" beim Verschleiß in Kunststoffverarbeitungsmaschinen. Hierzu wurde in der ersten Phase des Projektes das sog. Ringspalttribometer aufgebaut. Bei diesem Tribometer handelt es sich um eine neue Konzeption, welches es erlaubt, den Verschleiß in Plastifiziereinheiten bei hohen Temperaturen, hohen Umdrehungszahlen und gleichzeitiger Beaufschlagung von Polymerschmelze zu untersuchen. Die Adaption des Ringspalttribometers an einen handels-
11
üblichen Extruder und der modulare Aufbau der Prüfapparatur ermöglichen Prüfungen bei nahezu beliebigen Prüfbedingungen (Drehzahl, Druckgefälle, Temperatur)
und eine nahezu beliebige Gestaltung des Ringspaltes. Mit Hilfe von Schnellverschlüssen kann die Apparatur im heißen Betriebszustand der Anlage zügig auseinander- und zusammengebaut werden, so dass ein schneller Wechsel der Probekörper erfolgen kann. Gegenüber den am DKI verwendeten Tribometern älterer Bauart
wurde die Probekörpergeometrie verbessert, was die oberflächenanalytische Auswertung der Probekörper erleichtert, einen schnelleren Probewechsel ermöglicht
und7 eine einfachere Handhabung der Apparatur erlaubt.
In der zweiten Projektphase wurden mittels dieses Tribometers systematische Untersuchungen zum adhäsiven Verschleiß unter Einwirkung von Formmassen mit unterschiedlichen abrasiven Füll- und Verstärkungsstoffen durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass der Verschleiß an den Proben überwiegend adhäsiver Art ist, obwohl sie mit Polymerschmelze beaufschlagt waren. Abrasive und korrosive Anteile
sind untergeordnet. Für den adhäsiven Verschleiß ist die Tragfähigkeit der Kunststoffschmelze maßgeblich. Die bisherigen Untersuchungen zielten darauf ab, die
Tragfähigkeit in Abhängigkeit von Verfahrensparametern wie Schmelzetemperatur
und -druck zu analysieren. Es stellte sich heraus, dass diese Parameter die Tragfähigkeit nicht nennenswert beeinflussen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt,
dass die Oberflächenspannung ein Schlüsselparameter für den adhäsiven Verschleiß darstellt. Ähnlich den Schmiermitteln in Radialgleitlagern kann der adhäsive
Verschleiß durch benetzende Formmassen wie Polyamide reduziert werden. Bei unpolaren, nicht benetzenden Formmassen wie Polyolefinen, kommt es zu einem erhöhten adhäsiven Verschleiß.
Mit Abschluss des Projektes steht eine leistungsfähige Prüfmethode zur Verfügung,
mit der kleine und mittelständische Unternehmen in die Lage versetzt werden,
schnell und effizient verschleißoptimierte Werkstoffpaarungen zu untersuchen und
auszuwählen.
Danksagung
Das Forschungsvorhaben Nr. 14219 N der Forschungsvereinigung Kunststoffe zum
Thema
„Modelluntersuchungen zum Verschleiß an schnelllaufenden Extrudern“
wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF gefördert.
Anmerkung
Dieser Artikel erscheint im Tagungsband zur Technomer 2007.
12
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