Problem im Griff

Stabile Produktionsbedingungen mit Taupunkt- und Luftmengenregelung

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11.09.2014 Falsche oder wechselnde Restfeuchtewerte des Materials können während und nach der Verarbeitung von Kunststoffen gewaltige Probleme verursachen. Für stabile Produktionsbedingungen kann eine Trocknungsanlage mit automatischer Temperatur- und Taupunkt-Nivellierung kombiniert mit einer Luftmengenregelung beitragen.

Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Um den erforderlichen Gleichgewichtszustand bei der Verarbeitung von Kunststoffgranulat zu erreichen und zu erhalten, wird eine automatische Temperatur- und Taupunkt-Nivellierung (ATTN) mit der Luftmengenregelung Eta Plus kombiniert.
  • ATTN wurde speziell für Anwendungen entwickelt, bei denen die Materialien weder zu wenig getrocknet noch übertrocknet werden dürfen. Der Taupunkt der Prozessvorluft wird mit einer Regelgenauigkeit von ± 1°C genau und konstant geregelt sowie dokumentiert.

Sie ist unsichtbar, lässt sich nicht erfühlen – kann aber unerkannt ihr Unwesen treiben. Manchmal ist sie gnädig und sendet mal dezente Signale, mal deutliche Warnungen. Vielfach wird ihr Vorhandensein oder Fehlen jedoch erst entdeckt, wenn es zu spät ist. Die Feuchte des Ausgangsmaterials kann Kunststoffverarbeiter zur Verzweiflung bringen. Kommt hinzu, dass es sich dabei tatsächlich nur um sehr geringe absolute Wassermengen handelt.

Materialfeuchte entscheidend für Qualität
In der Kunststoffverarbeitung wirkt sich die Feuchte des Materials entscheidend auf Prozesssicherheit und Produktqualität aus. Erschwerend hinsichtlich der Qualitätseinbußen ist der Umstand, dass die Fehler nicht zwingend sichtbar sein müssen. Verborgene Mängel wie reduzierte mechanische Festigkeiten aufgrund chemischer Abbaureaktionen (Hydrolyse), lassen sich nur durch geeignete Analysemethoden entdecken; hierbei handelt es sich meist um zerstörende Prüfungen.
Insgesamt kann zu feuchtes Material das gesamte Eigenschaftsspektrum von   Formteilen beeinträchtigen, also neben den mechanischen auch die optischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften. Offensichtliche Fehler sind Schlieren, Hohlräume, Löcher und Blasen an der Oberfläche. Ist das Material hingegen zu trocken, können ebenfalls Probleme mit der Oberflächenqualität auftreten. Eine zu geringe Restfeuchte führt zu einer zähen Schmelze und einer höheren Scherung des Materials in der Plastifizierung; dies wiederum hat Materialschädigungen und einen Viskositätsabbau zur Folge. Besonders anfällig für die Wasseraufnahme sind natürlich hygroskopische Kunststoffe. Bei nichthygroskopischen Kunststoffen können Füll- und Verstärkungsstoffe eine versteckte Feuchteaufnahme bewirken.
Umso wichtiger ist eine definierte Rest- oder Verarbeitungsfeuchte des Granulats, trägt sie doch zu stabilen und wiederholgenauen Produktionsbedingungen bei. Ermittelt und zur Verfügung gestellt werden diese materialspezifischen Werte von den Rohstoffherstellern. Zwar werden hygroskopische Kunststoffe normalerweise vorgetrocknet angeliefert, doch gibt es in der Praxis zahlreiche „Fallen“, die zum Rückfeuchten des Materials führen.

Trocknung hängt von vier Parametern ab
Treten die ersten Probleme auf, gerät in der Regel zunächst die Maschine zusammen mit  Werkzeug und Peripherie in Generalverdacht. Natürlich sind sämtliche Einstelldaten zu überprüfen. Zu berücksichtigen ist dabei, ob die Maschine bereits automatisch einzelne von der Feuchte beeinflusste Parameter korrigiert hat. Sind die maschinen- und anlagenseitigen Aspekte überprüft, sollte dem Zustand des Materials die Aufmerksamkeit gelten.
Ausschlaggebend für das Trocknen von Kunststoffen sind die vier voneinander abhängigen Parameter:

  • Trocknungstemperatur,
  • Luftmenge,
  • Taupunkttemperatur und die
  • Trockenzeit.

Als wichtigste Größe beeinflusst die Trocknungstemperatur die Trockengeschwindigkeit. Allerdings lässt sich die Trocknungstemperatur nicht beliebig erhöhen, weil andernfalls das Material thermisch geschädigt wird oder gar anschmelzen kann. Überdies können bei einer zu hohen Temperatur Additive ausdiffundieren.
Die Trocknungsluft transportiert die Wärmeenergie, um das Material zu erwärmen, und um die Oberflächenfeuchte sowie die gegebenenfalls vorhandene Kernfeuchte im Granulat zu verdampfen und abzuführen. Zwar bestimmt die Luftmenge die Trockengeschwindigkeit, doch auch sie lässt sich nicht beliebig wählen. Viel Luft bewirkt ein schnelleres Entfeuchten, jedoch kann sie im Trockentrichter ein Fließbett verursachen sowie ebenfalls zur Übertrocknung des Materials beitragen. Darüber hinaus ist eine zu große Luftmenge schlicht unwirtschaftlich. Andererseits muss genügend Luft zur Verfügung stehen, um das Granulat im Trichter vernünftig zu durchströmen und es innerhalb einer gewissen Zeit auf die gewünschte Temperatur zu bringen.
Die Taupunkttemperatur gibt den Trockenheitsgrad der Luft an. Eine tiefe Taupunkttemperatur trägt nur bedingt zu einer schnelleren Trocknung bei, weil dem die Diffusionsgeschwindigkeit Grenzen setzt. So bewirken unterschiedliche Taupunkttemperaturen bei gleichbleibender Trocknungstemperatur nur kleine Geschwindigkeitsunterschiede beim Trocknen. Für das Trocknen der meisten hygroskopischen Kunststoffe genügt ein Taupunkt von rund -20°C. Auch sind sehr tiefe Taupunkte mit erheblichem Energieaufwand verbunden. Die benötigte Trockenzeit ist materialspezifisch von der Diffusionsgeschwindigkeit des Wassers aus dem Granulat, der Anfangsfeuchte sowie von der benötigten Restfeuchte abhängig. Zu langes Trocknen kann – in Verbindung mit einer zu hohen Temperatur – das Material schädigen.
Generell müssen die Parameter aufeinander abgestimmt werden, denn jeder beeinflusst den Trocknungsprozess und dessen Ergebnis. Das bedeutet, Änderungen eines Parameters müssen zwangsläufig mit Änderungen anderer Parameter einhergehen, um den gleichen Trocknungsgrad zu erreichen.

Enges Verarbeitungsfenster

In der Praxis wird nun das Ziel verfolgt, eine vom Durchsatz unabhängige, definierte und reproduzierbare Restfeuchte sicherzustellen. Dazu ist es erforderlich, eine geeignete Kombination aus Taupunkt- und Trocknungstemperatur zu ermitteln. Grundsätzlich ist solch ein Gleichgewichtszustand bei unterschiedlichen Parameterkombinationen möglich. Um jedoch bei langen Verweilzeiten im Trockentrichter eine thermische Schädigung des Materials zu vermeiden, ist eine Kombination aus niedrigen Trockentemperaturen und tieferen Taupunkten vorzuziehen. Zwangsläufig verlängert sich bei niedrigen Trockentemperaturen die Trockenzeit. Für eine technisch und wirtschaftlich zweckmäßige Anlagenauslegung mit konstanten Trocknungsparametern ist daher eine Beschränkung der zulässigen Anfangsfeuchte unabdingbar. Für die Auslegung einer Trocknungsanlage wird üblicherweise eine definierte Anfangsfeuchte zugrunde gelegt. Berücksichtigt wird ferner der benötigte Materialdurchsatz in Verbindung mit der erforderlichen Verweildauer des Materials im Trockentrichter.
Eine bei ungünstigen Bedingungen starke Rückbefeuchtung hat zur Folge, dass der Trockner das Material nicht in der vorher berechneten Zeit trocknen kann. Mit anderen Worten: Die reale Verweilzeit ist dann zu kurz.

Temperatur, Taupunkt und Luftmenge automatisch regeln
Um den beschriebenen Gleichgewichtszustand zu erreichen und zu erhalten, wird eine automatische Temperatur- und Taupunkt-Nivellierung (ATTN) mit der Luftmengenregelung Eta Plus kombiniert.
ATTN wurde speziell für Anwendungen entwickelt, bei denen die Materialien weder zu wenig getrocknet noch übertrocknet werden dürfen. Der Taupunkt der Prozessvorluft wird mit einer Regelgenauigkeit von ± 1°C genau und konstant geregelt sowie dokumentiert.
Eta Plus kombiniert die Luftmengenregelung des Trockners mit dem Absenken der Trockentemperatur. Das System erkennt Materialdurchsatzschwankungen und regelt die Luftmenge entsprechend. Bei stark sinkenden Durchsätzen kann das System darüber hinaus die Trocknungstemperatur bis zur Standby-Temperatur absenken. Das Zusammenspiel aller Komponenten ermöglicht überdies eine vollautomatische, reproduzierbare Trocknung ? passend zu den individuellen Gegebenheiten.
Durch die Kombination von ATTN mit der Eta-Plus-Technologie wird erreicht, dass die Entfeuchtung der Materialien durchsatz- und verweilzeitgerecht mit der maximal möglichen Energieeffizienz erfolgt und der vorgegebene Restfeuchtebereich genau eingehalten wird.
Wichtig ist allerdings, dass der Verarbeiter sein Material sowie die Zusammenhänge kennt und mit einem Feuchtemessgerät insbesondere die Anfangsfeuchte im Auge behält. Als zweckmäßig erweisen sich immer wieder selbst erstellte Trocknungskennlinien, die überdies die individuellen Gegebenheiten berücksichtigen. Dazu gehören die Daten von Anfangs- und Restfeuchte sowie der Material- und der Luftdurchsatz. Ist etwa die Anfangsfeuchte bekannt, lässt sich das System weitaus besser als mit geschätzten Angaben einstellen und fahren.

Rückfeuchten vermeiden

Ist ein Material im Anlieferungszustand nahezu verarbeitungsgerecht trocken, sollte dieser Zustand weitgehend bewahrt bleiben – natürlich ohne das Material zu schädigen. Folglich ist das Rückfeuchten im Oktabin oder im Silo durch vorbeugende Maßnahmen zu verhindern. Vielfach genügt dazu die kontinuierliche Beschleierung mit Trockenluft. Ein bereits geöffneter Oktabin sollte dabei abgedeckt werden. Und schließlich sollte eine solche Beschleierung auch in den produktionsfreien Zeiten erfolgen. Der damit verbundene Energieverbrauch ist – verglichen mit dem Trocknen von stark rückbefeuchtetem Material – zu vernachlässigen. Überdies trägt die Beschleierung zu konstanten Anfangsbedingungen bei. Denn mit einer vernünftigen Vortrocknung kann eine Trocknungsanlage insgesamt wesentlich konstanter gefahren werden – mit minimaler Luft und minimaler Temperatur sowie einem optimalen Taupunkt.
Wichtig ist schließlich auch die richtige Berechnung der Vorlage auf der Maschine. Wird die zu hoch angesetzt, besteht auch dort die Gefahr einer Rückbefeuchtung. Bewährt haben sich auf den Maschinen installierte, zuschaltbare kleine Aufsatztrockner. Diese Trichter sollten jedoch bei größeren Unterbrechungen oder am Wochenende geleert werden.

Powtech 2014 Halle 4 ? 347

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Heftausgabe: September 2014

Über den Autor

Holger Kühnau, Project Manager R&D Trockentechnik Motan, Rüdiger Kissinger, Marketingleiter Motan-Colortronic
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