07.07.2022

Extruderwellen: Schleifen ist mehr als eine Finishing-Bearbeitung.

Obwohl Schleifen eines der ältesten Fertigungsverfahren der Welt ist, hat Schleifen sehr lange im Vergleich zu den anderen spanenden Fertigungsverfahren ein Schattendasein geführt, doch das ändert sich zunehmend.

Von der Finishing-Bearbeitung zur Hochleistungszerspanung

Häufig haben wir in der Vergangenheit im Dialog schon gehört, dass Schleifen eine schöne Finishing-Bearbeitung sei. Vielleicht kommt das daher, dass die Berührungspunkte mit Schleifpapier und Winkelschleifer aus dem Baumarkt quasi jedem Heimwerker ein Begriff sind. Zugegeben, die Berührungspunkte mit den Baumarktprodukten sind deutlich höher, als mit 5-Achs-Hightech-Schleifmaschinen. Daher ist es durchaus nachvollziehbar, dass sich das Bewusstsein für die Leistungsfähigkeit von modernen Schleifprozessen noch nicht flächendeckend durchgesetzt hat.

Aber um es vorwegzunehmen: Nicht nur die prominenten spanenden Fertigungsverfahren leisten einen großen Materialabtrag in kurzer Zeit. Moderne Schleifprozesse stehen dem in nichts nach und rechnen sich häufig gleich mehrfach. Nicht nur, dass die Bearbeitungszeit vergleichbar ist, sondern Schleifen bringt auch deutlich geringere Werkzeugkosten mit sich. Aber noch attraktiver ist die Tatsache, dass komplexe Werkstücke tatsächlich komplett auf einer Maschine hergestellt werden können. Ein besonders interessantes Beispiel für die grundsätzlichen Vorteile von Schleifen, ist in den Werkzeugen von Extrusionsanlagen zu finden.

Extrusionstechnologie: Ein anspruchsvoller Bereich fürs Schleifen

Extrusion ist ein hochkomplexes Verfahren, bei der der Extruder als Fördereinrichtung kontinuierlich zähflüssige Masse unter Druck durch eine formgebende Öffnung presst. Das Grundprinzip an sich, lässt sich – stark vereinfacht natürlich – gut anhand des Kinderspielzeugs Play-Doh erklären. Die Knete wird durch eine Form gepresst und heraus kommen, dank der formgebenden Aufsätze, ganz unterschiedliche Elemente, die der Kreativität der Kleinsten förderlich sind. 

Die Produkte die sich mittels Extrusion herstellen lassen, begegnen uns mehrfach täglich. Unter anderem werden nach diesem Grundprinzip Kaugummis, Schläuche, Folien, Türdichtungen, Keil- und Zahnriemen, Bleistifte, Nudeln, Erdnussflips, Keramikprodukte, Fahrradfelgen, Fleischersatz, PVC, Frühstücksflocken, Hirsebällchen, Zwiebelringe, Mülltonnen und Gebäck hergestellt. Und die Liste lässt sich dabei beliebig erweitern.

Extruderschnecken: Hochleistung durch präzisen Schliff

Ein entscheidendes Momentum in den zur Herstellung eingesetzten Extrusionsanlagen selbst sind die Extruderschnecken. Dort kommen neben Kolben auch Einschnecken-, Doppelschnecken-, Vielwellenextruder sowie Kaskaden- und Planetwalzenextruder zum Einsatz. Je nach herzustellendem Produkt sind die Anforderungen im Hinblick auf die Geometrie der Wellen sehr unterschiedlich. 

Besonders gut lässt sich das am Beispiel von Barriereschnecken, die zum Mischen eingesetzt werden, verdeutlichen. Dabei zeichnet sich eine optimale Barriereschnecke durch eine hohe Aufschmelzkapazität und eine Reduktion der Schmelztemperatur aus. In der Kunststoffverarbeitung stellt die Barriereschnecke, die bedeutendste Schneckenart dar und wird als Standard in der Hochleistungsextrusion unter anderem für die Herstellung von Rohren, Blasfolien und Blasformen eingesetzt. Die Trennung von Feststoff und Schmelze in der Aufschmelzzone durch einen zusätzlichen Barrieresteg ist charakteristisch für eine Barriereschnecke. Je nach konkreter Anwendung sind unterschiedliche Geometrien erforderlich, um höchste Plastifizierungsleistung zu gewährleisten.

Nachstehende Abbildung zeigt vereinfacht den Aufbau der Funktionszonen einer Barriereschnecke: Einzugs-, Plastifizier- und Barrierezone sowie Misch- und Scherteil.

Schematische Darstellung einer Barriereschnecke mit den 4 Funktionszonen. 

Misch- und Scherteile haben beim Extrudieren eine besondere Bedeutung. Grundsätzlich erhöhen die Mischteile die thermische und mechanische Homogenität der Schmelze durch das Aufteilen und wieder Zusammenführen der Schmelze. Die gleichmäßige Verteilung wird durch die stromteilenden Elemente, die die Strömung passieren muss, erreicht. Scherteile erhöhen im Gegensatz dazu die Homogenität der Schmelze durch das gezielte Einbringen einer Scherbelastung. Grundsätzlich werden Misch- und Scherteile am Schneckenende angebracht, wobei mehrere Geometrieelemente hintereinander verwendet werden können.

Nachstehende Abbildung zeigt unterschiedliche gängige Misch- und Scherteilgeometrien.

Mischgeometrie: Stifte im Schneckenkanal.

Mischgeometrie: Pineapple-Mischteil.

Mischgeometrie: Ring mit Bohrungen.

Scherteil: Zylinderscherteil.

Scherteil: Wendelscherteil.

Scherteil: Maddockscherteil.

Scherteil: Troesterscherteil.

Neben dem Misch- und Scherteil kommt auch der Spitze bei der Konzeption der Wellen eine besondere Bedeutung zu. Diese ist Bestandteil der Rückstromsperren (RSP), die das Herz der Plastifizierungseinheit bildet. Während des Einspritzvorgangs der Schmelze in das Werkzeug verhindert die Rückstromsperre ein Zurückfließen des Materials in die Schneckengänge. Da diese Komponenten extremen Belastungen ausgesetzt sind, sind die Materialien und Legierungen auch entsprechend anspruchsvoll.

Hochleistungsplastifizierungstechnologie: Ein Zusammenspiel aus Geometrie und Werkstoff

Unterschiedlichste Geometrien, anspruchsvolle Werkstoffe und qualitativ-hochwertige Werkstoffausführungen auf teilweise sehr langen Wellen prädestinieren die Komplettfertigung auf Hightech-Schleifmaschinen aus der Multigrind® Baureihe.

Bisher werden derartige Werkstücke häufig auf mehreren unterschiedlichen Maschinen hergestellt. Bei solchen Fertigungsauslegungen kommen unter anderem Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Wirbelmaschinen und Poliermaschinen zum Einsatz. Diese Produktionsstrategien erfordern im Gegensatz zur Komplettfertigung auf einer Multigrind® Maschine, einen deutlich höheren Zeitaufwand sowohl beim Rüsten als auch bei der eigentlichen Bearbeitung.

Ein Grund für den Betrieb solch aufwändiger Fertigungsauslegungen ist in den unterschiedlichen Materialien und Legierungen (z.B. gehärter Stahl und aufgeschweißte Konturen) die für hocheffiziente Extruder benötigt werden, zu sehen. Im Gegensatz zu den vorgenannten Fertigungsverfahren, ermöglich die Bearbeitung mit einer Hightech-Schleifmaschine aus der Multigrind® Baureihe, die Herstellung des Werkstücks in einer Aufspannung. Damit reduzieren sich die Arbeitszeit, die Rüstzeiten und die Werkstückkosten. Dass Multigrind® Hard- und Software dieses Potential mitbringen, zeigen die unterschiedlichen Turnkey-Solutions für die Bearbeitung von Turbinenkomponenten aus Inconel, von Komponenten für die optische Industrie aus Saphirglas sowie von Präzisionswerkzeuge aus Hartmetall und Prothesen aus Speziallegierungen.  

Die Autorin

Zita Bader

Zita Bader ist im Bereich Marketing und Kommunikation der Haas Schleifmaschinen GmbH tätig.

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