Kühlstrecken  richtig dimensionieren

Die Produktionskosten lassen sich bei der Extrusion über den heißen und den kalten Anlagenteil beeinflussen. Die Kühlstrecke ist dabei für Kosten und Produktqualität besonders wichtig, wird aber häufig unterschätzt. (Bildquelle: Kybele-Fotolia)

Kunststoffe gehören zu den schlechtesten Wärmeleitern überhaupt. Diese besondere Eigenschaft der makromolekularen Polymere kann Fluch und Segen zugleich sein. Einerseits eignen  sich Kunststoffe dann besonders, wenn es auf gute thermische Isolation ankommt, zum Beispiel als Dämmmaterial im Bauwesen. Andererseits muss die im Rahmen des Verarbeitungsprozesses in das Material eingebrachte Wärme langwierig und zeitintensiv wieder entzogen werden, um ein formstabiles Produkt zu erhalten.

Während beim Aufschmelzen im Extruder zusätzlich die Wandlung von mechanischer Energie in Wärme – sogenannte Dissipation – genutzt werden kann, ist man zum Kühlen auf die optimierte Ausnutzung der klassischen Wärmetransportmechanismen – Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung – angewiesen. Deshalb nimmt die Kühlstrecke im Gesamtsystem der Extrusionslinie den mit Abstand größten Platzbedarf ein und limitiert häufig die maximale Produktionsgeschwindigkeit. Man versucht daher vielfach, die Kühlstrecke zu verkürzen oder alternativ mit dem zur Verfügung stehenden Platz einen höheren Ausstoß zu erzielen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird die Temperatur des Kühlwassers reduziert, die einzelnen Kühltanks aneinandergeschraubt um Luftstrecken zu minimieren oder es werden zusätzliche Kühlvorrichtungen – zum Beispiel druckluftbasierte Zusatzkühlringe – eingesetzt.

Kürzere Kühlstrecke – mehr Effizienz?

Durch solche Maßnahmen kann der Verarbeiter mit der Linie meist einen etwas höheren Ausstoß fahren. Doch genauso häufig ist der Betreiber dann schnell ernüchtert, wenn vorher nicht vorhandene Qualitätsprobleme gelöst oder unerwartet hohe Energiekosten beglichen werden müssen. Rechnungen, die diesen neuen Prozess gegenüber dem herkömmlichen unwirtschaftlich gestalten.

Das unkontrollierte Herabsetzen des Kühlwasser-Temperaturniveaus kann dazu führen, dass sich Eigenspannungen innerhalb des Produktes ausbilden. Diese können später zum Beispiel zu Verzug, Schwindung, Ovalitäten oder auch zu Festigkeitsproblemen – zum Beispiel Zeitstand-Innendruck – führen. Möglich sind sogar Qualitätsprobleme, die erst bei der Weiterverarbeitung auftreten. Verkürzt oder vermeidet man Luftstrecken, sogenannte Temperstrecken, kann dies derartige Probleme noch begünstigen, da das Material keine Möglichkeit bekommt, Eigenspannungen innerhalb der Kühlstrecke abzubauen. Zudem wird meist die Kühlleistung nicht einmal verbessert. Die Energiekosten zum Betrieb der Kältemaschine steigen dagegen um etwa vier Prozent, wenn das Kühlwasser nur um 1 °C kälter gefahren wird.

Druckluftbasierte Zusatz-Kühlsysteme können zwar gelegentlich die Oberflächen des Produktes positiv beeinflussen, sind jedoch eine gezielt in das Druckluftsystem eingebrachte „Leckage“. Diese verursacht Energiekosten in beträchtlicher Höhe. Wird davon ausgegangen, dass eine Leckage mit einem Durchmesser von lediglich 5 mm bei einem ganzjährigen Betrieb eines Druckluftnetzes mit 7 bar bereits Energiekosten von etwa 15.000 EUR erzeugt, ist schnell ersichtlich, wie hoch die entstehenden unnötigen Kosten sein können.

Besser Simulieren als Ausprobieren

Mit der Abkühlsimulationssoftware Chillware von SHS Plus, Oberhausen, lassen sich dagegen die Abkühlprozesse extrudierter Produkte exakt berechnen. Das Berechnungssystem basiert auf der Finite-Differenzen- / Finite-Elemente- Methode und kann die Auswirkungen unterschiedlicher Kühlwassertemperaturen, Luftstreckenlängen, Kühltanktechnologien oder auch verschiedener Materialien auf die Ausbildung von Produkteigenschaften oder die Betriebskosten simulieren.

Das System bietet dabei viele Möglichkeiten, den Produktaufbau (Mono-Layer, Coextrusion, Ummantelungen, Vollstäbe, Kabel, Flachfolien und Platten)  vorzugeben oder auch alternative Systeme, wie etwa die Rohrinnenkühlung, zu berechnen. Es wird inzwischen von vielen Kunststoffverarbeitern, Maschinenbauern und Forschungsinstituten eingesetzt.

Kühlstrecke automatisiert auslegen

Kühlstrecken  richtig dimensionieren

Ergebnis der automatischen Kühlstreckenauslegung (Bildquelle: alle SHS)

Neben den Funktionen zum Optimieren von Prozessen und Bestandsanlagen, verfügt die aktuelle Version 3.1 über eine automatisierte Kühlstreckenauslegung. Basierend auf Informationen über das produzierte Produkt, zum Beispiel zu Material, Geometrie und Abmessungen, zu Durchsatz und  Verarbeitungstemperatur, ermittelt die Software dabei selbstständig die optimierte Kühlstreckenkonfiguration und unterbreitet dem Anwender einen Initialvorschlag (Initialdesign).

Kühlstrecken  richtig dimensionieren

Abkühldiagramm der automatischen Kühlstreckenauslegung

Der zugrunde liegende Algorithmus berücksichtigt die Produktgeometrie ebenso wie das Material, den gewünschten Produktionsdurchsatz und die Abzugsgeschwindigkeit des Produktes. Zusätzlich werden beim Erarbeiten des Initialdesigns die Anschaffungskosten unterschiedlicher Kühlsysteme bekannter Hersteller einbezogen, sodass die Investitionskosten für eine neue Extrusionslinie möglichst gering gehalten werden können.

Ausgehend von dieser analytisch stattfindenden Initialauslegung kann der Anwender nun einen hybriden  – eine Kombination aus zielgerichtetem und genetischem – Optimierungsalgorithmus aktivieren, der in einer iterativen Vorgehensweise die Kühlstrecke berechnet und optimiert. Das Ergebnis ist eine vollständig konfigurierte Kühlstrecke sowie die zugehörigen Abkühldiagramme.

Kühlstrecken  richtig dimensionieren

Abkühldiagramm der automatischen Kühlstreckenauslegung

Der Zeitbedarf für eine derartige Auslegung ist von der Komplexität des Anwendungsfalls abhängig, liegt aber in der Regel in einem Bereich von einigen Minuten bis zu wenigen Stunden. Die Genauigkeit des Ergebnisses übertrifft die herkömmlichen Auslegungsstrategien, die auf überschlägigen Faustformeln – zum Beispiel 0,4 m Kühlstreckenlänge pro Kilowatt Aufschmelzleistung – basieren bei weitem. Insbesondere dann, wenn Kühlstrecken für Produkte mit hohen Liniengeschwindigkeiten oder dicken Wandstärken auszulegen sind. Oder wenn Prozesse mit einer zusätzlichen Innenkühlung versehen werden sollen. Das System ist bereits bei unterschiedlichen Maschinenbauern der Branche im Bereich der Auslegung neuer Extrusionsanlagen im Einsatz.

Genaue Messungen liefern Basis für gute Simulation

Kühlstrecken  richtig dimensionieren

Prüfaufbau zum Messen der resultierenden Eigenspannung in den Rohren, die durch die Abkühlung im kalten Anlagenteil ensteht.

Um die Vorraussetzungen für bestmögliche Simulationsgenauigkeit beim Berechnen der Temperatur sowie der Eigenspannungen zu schaffen, wurde beispielsweise mithilfe eines hochtemperaturbeständigen Roboterfahrzeuges die Innenwandtemperatur eines extrudierten Rohres bereits während des Produktionsprozesses gemessen. Die Ergebnisse solcher Messungen können den Ergebnissen der Computersimulation gegenübergestellt werden. Zusätzlich stehen Messungen der Außenwand-Temperaturen des Produktes zur Verfügung. Die Gegenüberstellung zeigt deutlich, dass das Ergebnis für unterschiedliche Prozesse mit und ohne Innenkühlung sehr genau ist. Die Abweichung der berechneten Ergebnisse von den Messdaten liegt bei weniger als zwei bis drei Prozent. Auf ähnliche Art und Weise wurde die Genauigkeit beim Bestimmen der Eigenspannungen überprüft. Auch hier wurden messtechnisch erfasste Daten mit denen aus Simulationen verglichen. Da es derzeit – neben dem häufig eingesetzten Janson-Test – keine standardisierte Methode zur Vermessung von Eigenspannungen gibt, wird aktuell eine geeignete Prüfvorschrift entwickelt und in die Standardisierung geführt. Der auf dem Messprinzip der Kraftmessung aufbauende Prüfapparat des Unternehmens, liefert Ergebnisse über die Höhe der resultierenden Eigenspannungen in Rohren – gut reproduzierbar und einfach anzuwenden.

In den letzten Jahrzehnten hat die Computersimulation Einzug in unterschiedliche Branchen gehalten. In einigen Bereichen gehören solche Berechnungswerkzeuge bereits zum Stand der Technik – in anderen hingegen wird noch auf das aus der Vergangenheit bekannte Trial-and-Error-Prinzip gebaut. Diese Vorgehensweise kann zwar in manchen Fällen Probleme lösen, liefert aber meist keine Informationen zur „Problemursache“.

Die Extrusionsbranche war lange einer dieser eher konservativen Industriezweige, in denen oft der Leitsatz „Das haben wir schon immer so gemacht.“ als Rechtfertigung für ausbleibende Veränderungen herangezogen wurde. Doch diese Branche ist nun längst auf den Zug aufgesprungen und fordert Lösungen zum Umsetzen solcher Ansätze. Das Simulieren des Materialverhaltens von Polymeren, des Verarbeitungsprozesses, das Automatisieren, Steuern und Regeln ganzer Extrusionslinien – diese Themen und Fragen wie „Warum haben wir das denn eigentlich immer so gemacht? Wäre es nicht auch auf jene Art und Weise möglich? Welche Auswirkungen hätte diese Prozessänderung auf…“ sind die aktuellen Themen der Extrusionsbranche und werden es auch sicher noch einige Jahre bleiben.

Co-Autoren

Gregor Hiesgen arbeitet in Forschung und Entwicklung,
Martin Spitz ist Technischer Leiter,
Patrick Weiss ist in Vertrieb & Consulting tätig.
alle bei SHS Plus, Oberhausen.

Über die Autoren

Kenny Saul

ist Geschäftsführer bei SHS plus, Oberhausen

saul@shs-plus.de

Gregor Hiesgen

arbeitet in Forschung und Entwicklung bei SHS Plus, Oberhausen

Martin Spitz

ist Technischer Leiter bei SHS plus, Oberhausen

Patrick Weiss

ist in Vertrieb & Consulting bei SHS Plus, Oberhausen, tätig.