Mikroextrusion

Kompaktextruder für die Mikrotechnik

Plastifiziergeometrien und Extruderbaugruppe mit Dosiermodul

Grundkomponente für alle Applikationsbeispiele: Plastifiziergeometrien (links) und die Extruderbaugruppe mit dem Dosiermodul (rechts)

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 KuZ wurde ein Plastifizierkonzept mit gedrungenen Plastifizierelementen sehr kleinen L/D-Verhältnisses 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 Kunststoffverarbeitungstechnik GmbH 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.

Module für das Applikationsbeispiel Mikroextrusion

Module für das Applikationsbeispiel Mikroextrusion v.l.n.r.: Druckmessmodul, Antriebskomponente (im Bild die Kompaktvariante Gr. 20), Dosiermodul, Gestell für Nachfolgeeinrichtungen und für Extruderbaugruppe, Abzugsmodul

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.

Druck-Durchsatzkennlinien Mikroextrusion

Beispiele für Druck-Durchsatz-Kennlinien mit verschiedenen Materialien bei unterschiedlichen Rotorenlängen

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.

Komponenten für Applikationen Spritzgießen und Extrusion

Komponenten für die Applikationsbeispiele. Formgebende Komponenten für ein Mikrospritzgießwerkzeug (links oben), Düse für die Mikrorohrextrusion (links unten) und Spritzaggregat mit Scheibenvorplastifizierung (rechts).

Kontakt

Gabor Jüttner
juettner(at)kuz-leipzig.de
+49 (0)341 4941 762

Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

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