Qualitätskontrolle
Qualitäts-Prüfextruder ES 30
Das kompakte Gesamtsystem des Qualitäts-Prüfextruders ES 30 besteht aus den Komponenten (Lab-) Extruder, Rheometerwerkzeug und dem Profil-Control Rauigkeitsmessgerät PCR 20/40 von Pixargus.
Die Problematik beim Einsatz der heute gebräuchlichen Prüfmethoden im Mischsaal besteht darin, dass in der Regel nur durchschnittlich 1% der Mischungen als Ausschuss erkannt werden [1]. Am Ende der Prozesskette stellen sich jedoch oftmals erheblich höhere Ausschussquoten ein.
Hierfür kann in vielen Fällen eine unzureichende Mischungsqualität verantwortlich gemacht werden, die bei den angewandten Prüfmethoden nicht rechtzeitig als fehlerhaft erkannt wurde.
Der Qualitäts-Prüfextruder ES 30 von Harburg-Freudenberger ermöglicht die Anwendung der Verfahren
- Oberflächen-Rauigkeitsanalyse
- Extrusions-Rheometrie
zur Qualitätskontrolle im Mischsaal.
Diese sind als sehr sensitive Verfahren bekannt [1-3] und somit geeignet, die Qualitätsprüfung im Mischsaal signifikant zu verbessern.
QS-Prüfextruder ES 30
als kooperative Entwicklung von Harburg-Freudenberger Maschinenbau GmbH und Pixargus GmbH bestehend aus:
- Extruder und optional Rheometer als Einzelsysteme von Harburg-Freudenberger
- PCR 20/40 als Einzelsystem von Pixargus
Die Systeme in Kombination ergeben ein umfassendes Mischungskontrollsystem.
Kompaktes Konstruktionsprinzip des (Lab-) Extruders
Der Extruder plastizifiert die zu untersuchende Mischung und formt einen Streifen aus. Wenn die Einstell-Parameter bekannt sind, lassen sich Messungen "online" innerhalb üblicher Zykluszeiten im Innenmischer von ca. 3 Minuten durchführen.
Das Flachkanalwerkzeug enthält austauschbare Inseln und ist temperierbar ausgeführt. Dadurch können mischungsabhängig strömungstechnische Anpassungen vorgenommen werden und für die Bestimmung der Oberflächengüte optimaler Streifen extrudiert werden.
Beim kompakt gebauten Qualitäts-Prüfextruder ES 30 sind Temperiergeräte und Messschrank im Extrudergehäuse untergebracht.
Das an den Zylinder angeflanschte Beschickungsteil ist mit einer Speisewalze als Einzugshilfe ausgestattet. Zur verbesserten Reinigung ist die Speisewalze abklappbar.
Die Schnecke wird temperiert und das Gehäuse weist eine spezielle Temperaturführung in der Einzugs- und Meteringzone mit einer hohen Dynamik auf. Das führt zu sehr kurzen Ansprechzeiten.
Der ES 30 wurde so konzipiert, dass die Materialeinsätze extrem gering sind. Das L/D Verhältnis von 18 stellt zudem einen sehr stabilen Betrieb der Maschine sicher. Dadurch ergeben sich klare Vorteile:
- die Temperatur-Homogenität in der Mischung ist optimal
- die Pulsation auf ein Minimum reduziert
- ein breites Materialspektrum wird abgedeckt
Mit dem Qualitäts-Prüfextruder ES 30 werden dem Mischsaal folgende Verarbeitungsverfahren, wie z. B. die Extrusion, bezüglich der Deformationsgeschwindigkeiten realistisch abgebildet. Die Aussagefähigkeit der rheologischen Messwerte wird maximiert. Das ist mit den heute im Mischsaal gebräuchlichen Prüfmethoden nicht gegeben.
Beim Einsatz des ES 30 werden die prozessrelevanten Größen wie Schneckendrehzahl, Temperierung, Massedrücke und -temperatur angezeigt. Über eine standardisierte Schnittstelle werden diese Daten für weitere Auswertungen bereit gestellt. Vorteil: Die Implementierung in ein Dokumentationssystem wird erheblich erleichtert.
| Technische Daten | |
|---|---|
| Schneckendurchmesser mm | 30 |
| L/D Verhältnis | 18 |
| Verfahrenstechnisch wirksame Länge mm | 540 |
| Drehzahlbereich min-1 | 0 - 50 |
| Antriebsleistung kW | 5,5; |
Oberflächen-Rauigkeitsanalyse
Die Analyse der Oberflächen-Rauigkeit erfolgt mit einem Kamerasystem. Dabei wird der ausgeformte Streifen auf Oberflächendefekte (Vertiefungen und/oder Erhöhungen) analysiert.
Das System bereitet gefundene Oberflächendefekte statistisch auf und stellt diese in wählbaren Größenklassen quantitativ dar.
Die minimal messbare Fehlergröße durch das Kamerasystem beträgt ca. 30 µm. Da das menschliche Auge ab ca. 100 µm auflösen kann, wird die Leistungsfähigkeit einer rein visuellen Prüfung deutlich übertroffen.
Aufgrund des Breiten- zu Dickenverhältnisses des extrudierten Streifens ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein nicht dispergiertes Teilchen an der Oberfläche detektiert werden kann, sehr groß. Nicht dispergierte Teilchen können in der weiteren Produktion bzw. am Endprodukt zu Ausschuss führen.
Somit korreliert die Oberflächen-Rauigkeit direkt mit der Dispersionsgüte einer Mischung.
Diese Methodik ist folglich sowohl für Anwendungen interessant, bei denen es auf eine hohe Oberflächenqualität ankommt, als auch zur Bestimmung des Dispersionszustandes im Allgemeinen.
Da der Dispersionszustand eines der maßgeblichen Kriterien für die Mischungsqualität ist, lässt sich der Qualitäts-Prüfextruder ES 30 ideal zur verbesserten Mischungskontrolle einsetzen. Darüber hinaus kann das Gerät zur Mischungsentwicklung und zur Optimierung von Mischprozessen verwendet werden.
Zusätzlich bietet der ES 30 die Möglichkeit, einen größeren Anteil des Compounds innerhalb üblicher Zykluszeiten im Innenmischer zu charakterisieren. Dabei geht das untersuchte Material nicht verloren - es kann im Anschluss an die Rauigkeitsanalyse dem Produktionsprozess wieder zugeführt werden.
Extrusions-Rheometer
Die weitere Einsatzmöglichkeit des Qualitäts-Prüfextruders ES 30 besteht darin, rheologische Materialcharakterisierungen vorzunehmen. Hierfür kann das im Lieferumfang enthaltene Flachkanalwerkzeug zu einem Rheometerwerkzeug aufgerüstet werden [2, 3].
Das Prinzip basiert darauf, aus dem Druckgradienten und dem Volumenstrom im Rechteckkanal die Schubspannungen und Schergeschwindigkeiten zu berechnen.
Durch Öffnung eines Bypass lässt sich der Durchsatz im Rechteckkanal bei gleicher Verarbeitungsvorgeschichte verändern.
Dadurch können in einem Messgang zwei Messpunkte aufgenommen werden.
Da bei Kautschuken bisher kein Newton´sches Plateau gemessen werden konnte, reichen in der Regel zwei Punkte zur Beschreibung der Scherviskosität über dem gesamten Schergeschwindigkeitsbereich aus. Die Kenntnis und insbesondere die Überprüfung der Konstanz dieser Größen ist für die nachfolgende Weiterverarbeitung von großer Bedeutung.
Die Vorteile der Nutzung eines Qualitäts-Prüfextruders mit Hilfe der Oberflächen-Rauigkeitsmessung und dem Extrusions-Rheometer wurden bereits in dem Europäischen Forschungsprojekt "Mini Derucom" beschrieben
[1, 2].
[1] Limper, Keuter: Quality Assurance in the Rubber Mixing Room; Dr. Gupta Verlag, Ratingen.
[2] Review of European Rubber Research in Practice - Mini Derucom and Prodesc; Conference Proceedings of the International Conference, held on January 9 - 10th 2002, Paderborn, Germany.
[3] Glabisch, Holzmüller, Limper: Chargenprüfung von Kautschukmischungen mittels eines Extrusionsrheometers in: Mischungsherstellung der Elastomerverarbeitung, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf 1998.
