Entwicklung eines adaptiven Luftkühlrings zur Massedurchsatzsteigerung bei der Blasfolienextrusion

Abstract

Zur Steigerung der Kühlleistung in der Blasfolienextrusion haben sich Luftführungseinheiten (LFE) etabliert, welche in starrer oder flexibler Bauweise ausgeführt sind. Starre Systeme sind jedoch nur für eine prozesspunktabhängige Foliengeometrie optimiert, sodass bei einer Produktänderung die Produktion aufgrund des Austausches einer entsprechenden Luftführungseinheit unterbrochen werden muss, was zu teuren Anlagenstillständen führt. Daher sollte in diesem Forschungsvorhaben eine adaptive als auch flexible Luftführungseinheit entwickelt werden, welche gleichzeitig eine signifikante Steigerung des Massedurchsatzes in der Blasfolienextrusion ermöglicht. Mit einer mehrfach weiterentwickelten flexiblen Luftführungseinheit war es letztlich möglich, den Venturi-Effekt prozesspunktunabhängig durch eine im laufenden Betrieb an die Foliengeometrie anpassbare luftführende Membran hervorzurufen. Die Verstellung der Membran erfolgte dabei mit Hilfe von Irisblenden. Durch die Ausbildung des Venturi-Effektes waren Massedurchsatzsteigerungen im Vergleich zum konventionellen Blasfolienprozess für verschiedene Polyolefine (PE-LD, PE-LLD, PE-HD und PP) im Mittel um ca. 30% möglich. Je nach Prozesspunkt konnte eine Steigerung von bis zu 60 % erzielt werden. Durch den Einsatz der LFE kommt es allerdings zu einer Zunahme der Foliendickenschwankung von ca. 3-4 %. Verursacht werden diese Schwankungen durch einen Faltenwurf der Membran, welcher zu einer inhomogenen Abkühlung führt. Während die Luftführungseinheit die Foliendickenschwankung negativ beeinflusst, wirkt sich deren Einsatz jedoch positiv auf die mechanischen Folieneigenschaften aus. So kommt es zu einer Erhöhung der Bruchspannungen von ca. 5 % und zu einer Erhöhung der Schrumpfeigenschaften um ca. 10 %. Dieser Anstieg lässt sich durch einen höheren Orientierungsgrad der Molekülketten erklären, der durch eine frühzeitige Öffnung der Folienblase innerhalb der LFE eingeleitet wird. Die stärkeren Molekülorientierungen reduzieren zudem die Reißdehnung der erzeugten Blasfolie um ca. 5 %. Die optischen Folieneigenschaften, wie die Transparenz, bleiben unabhängig des Einsatzes der Luftführungseinheit konstant. Lediglich die Folientrübung erhöht sich in einem geringen Maß von ca. 3 %, da es zu einer Nachkristallisation innerhalb der Kühlstrecke kommt. Für einen möglichen Einsatz des entwickelten Systems in der Industrie war es zudem wichtig, mögliche Regelstrategien für eine automatisierte Einstellung der LFE in Abhängigkeit der Prozessparameter zu entwickeln. Eine mit den erhobenen Versuchsdaten entwickelte analytische Prozessmodellierung zeigte dabei keinen ausreichenden Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und der Einstellung der Luftführungseinheit, weshalb auf eine Modellierung mittels Fuzzy-Logik zurückgegriffen wurde, auf deren Grundlage eine sehr genaue Regelung ermöglicht wurde. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Datei-Upload durch TIB