Inhaltsmenü
● Die Rolle der Viskosität bei der Kunststoffextrusion
● So funktioniert die Inline-Viskositätsmessung
>> 1. Visco-P von Promix Solutions
>> 2. SOflux von Sofraser
>> 3. KI-verstärkte Gray-Box-Softsensoren
● Vorteile der Inline-Viskositätsmessung an Kunststoffextrusionsmaschinen
>> Prozessstabilität
>> Kostenoptimierung
>> Qualitätssteigerung
● Fallstudien zur Implementierung
>> Fall 1: Optimierung der XPE-Rohrisolierung
>> Fall 2: Produktion von recycelten HDPE-Rohren
● Integration mit Industrie 4.0-Ökosystemen
>> Moderne Systeme ermöglichen eine durchgängige Digitalisierung durch:
>> Wichtige Leistungskennzahlen:
● Bewältigung der Herausforderungen im Bereich der Hochviskosität
>> 1. Sofrasers Resonanztechnologie
>> 2. Scherkompensation von Promix
● Abschluss
● FAQ
>> 1. Wie geht die Inline-Viskositätsmessung mit Farbstoffschwankungen um?
>> 2. Wie sieht der ROI-Zeitplan für diese Systeme aus?
>> 3. Können Systeme verzweigte Polymere unterschiedlich überwachen?
>> 4. Wie oft müssen Sensoren kalibriert werden?
>> 5. Funktionieren diese Systeme mit Coextrusionsanlagen?
● Zitate:
Inline-Viskositätsmessung an Kunststoffen Extrusionsmaschinen haben die Polymerverarbeitung revolutioniert, indem sie eine Echtzeitüberwachung und Optimierung der Schmelzflusseigenschaften ermöglichen. Diese Technologie begegnet kritischen Herausforderungen bei der Schaumextrusion, Plattenproduktion und Profilherstellung, indem sie verwertbare Daten zur Stabilisierung von Prozessen, zur Reduzierung von Fehlern und zur Senkung der Materialkosten liefert. Im Folgenden untersuchen wir die Mechanismen, Vorteile und Branchenanwendungen anhand detaillierter technischer Analysen und Fallstudien.
Die Rolle der Viskosität bei der Kunststoffextrusion
Die Viskosität bestimmt, wie Polymerschmelzen durch Extrusionsdüsen fließen, und beeinflusst:
- Schaumdichte (z. B. XPS-, XPE- oder XPET-Schäume)
- Gleichmäßige Wandstärke bei Rohren und Folien
- Qualität der Oberflächenbeschaffenheit
- Mechanische Eigenschaften wie Zugfestigkeit
Herkömmliche Offline-Methoden (z. B. Kapillarrheometer) führen zu Verzögerungen von 30–60 Minuten für die Probenkühlung und -prüfung[7], wodurch sie für dynamische Prozessanpassungen ungeeignet sind. Eine Studie aus dem Jahr 2019, in der Inline- und Offline-Methoden verglichen wurden, ergab eine Diskrepanz von 32 % bei den Viskositätswerten bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 35 %[7], was die Risiken verdeutlicht, die sich aus der Verwendung indirekter Messungen ergeben. Im Gegensatz dazu messen Inline-Systeme wie Visco-P von Promix und SOflux von Sofraser die Viskosität direkt im Schmelzestrom mit einem Fehler von <5 %[3] und ermöglichen so sofortige Korrekturen.
So funktioniert die Inline-Viskositätsmessung
Moderne Inline-Viskosimeter kombinieren fortschrittliche Sensortechnologie mit Industrie 4.0-Funktionen, um das Schmelzverhalten unter tatsächlichen Schergeschwindigkeiten (0–1.000 s⁻⊃1;) und Temperaturen (100–350 °C) zu analysieren. Drei Schlüsselarchitekturen dominieren den Markt:
1. Visco-P von Promix Solutions
- Das modulare Design integriert ein Kapillarrheometer mit einem P1-Kühlmischer zur Homogenisierung der Temperatur (±1,5 °C)[6].
- Konvertiert die Echtzeitviskosität in die Schmelzflussrate (MFR) für Polyolefine oder die Grenzviskosität (IV) für PET[4].
- Verfügt über eine 12-monatige Datenspeicherung und automatisierte Cp/Cpk-Berichte zur statistischen Prozesskontrolle[6].
2. SOflux von Sofraser
- Die Vibrationssensortechnologie bewältigt Viskositäten bis zu 1.000.000 mPa·s mit einem Druckverlust von <2 %[1].
- Das selbstreinigende Design verhindert Materialansammlungen während der reaktiven Extrusion[3].
3. KI-verstärkte Gray-Box-Softsensoren
- Das Hybridsystem der University of Manchester kombiniert physikbasierte Modelle mit tiefen neuronalen Netzen.
- Erreicht eine Vorhersagegenauigkeit von 95 % für Viskositätsänderungen, die durch Schneckengeschwindigkeit (100–300 U/min) und Temperaturschwankungen verursacht werden[5].
- Macht invasive Rheometer überflüssig und sorgt gleichzeitig für den Durchsatz[5].
Vorteile der Inline-Viskositätsmessung an Kunststoffextrusionsmaschinen
Prozessstabilität
- Erkennt Viskositätsschwankungen von nur 500 Pa·s, verursacht durch:
- ±5 % recycelter Materialanteil
- Treibmittelschwankungen von ±0,5 %[6]
- Temperaturabweichungen von ±3°C
- Fallstudie: Durch die Anpassung der Isobutanwerte bei der XPE-Schaumproduktion wurde die Viskosität von 20.000 Pa·s auf 9.000 Pa·s reduziert und die Zellstrukturdichte auf ±1,5 kg/m⊃3 stabilisiert;[6].
Kostenoptimierung
- Reduziert die Ausschussrate um 30 % durch frühzeitige Fehlererkennung[6].
- Ermöglicht die Verwendung von 15–20 % günstigeren Mahlgütern ohne Qualitätsverlust[1].
Qualitätssteigerung
- Verbessert die Gleichmäßigkeit der Schaumzellen (CV <8 % vs. 15 % offline[7]).
- Erhöht die Produktionsgeschwindigkeit bei der PET-Folienextrusion durch präzise IV-Steuerung um 22 %[4].
| Parameter |
Traditionelle Methode |
Inline-Messung |
| Ansprechzeit |
45–90 Minuten7 |
<5 Sekunden4 |
| Messfehler |
±12 %7 |
±5 %3 |
| Datengranularität |
Einzelpunkt-Schnappschuss |
Kontinuierliche 100-Hz-Abtastung |
Fallstudien zur Implementierung
Fall 1: Optimierung der XPE-Rohrisolierung
Ein europäischer Hersteller integrierte Visco-P mit P1-Kühlmischern, um:
1. Überwachen Sie die Viskosität während der Startphasen (siehe Grafik unten).
2. Stellen Sie die Schmelztemperatur unter Zugabe von Isobutan von 135 °C auf 102,5 °C ein.
3. Erreichen Sie eine Zielviskosität von 10.000 Pa·s ±500 Pa·s und verbessern Sie die Schaumdichte um 15 %[6].
Fall 2: Herstellung von recycelten HDPE-Rohren
Mit SOflux von Sofraser, einem nordamerikanischen Werk:
- Verarbeitetes 40 % Post-Consumer-HDPE mit Viskositätsschwankungen von bis zu 25 %.
- Automatisierte Düsenspaltanpassungen sorgten dafür, dass die Wandstärke innerhalb von ±0,15 mm blieb.
- Reduzierter Energieverbrauch um 18 % durch optimierte Schererwärmung[3].
Integration mit Industrie 4.0-Ökosystemen
Moderne Systeme ermöglichen eine durchgängige Digitalisierung durch:
- OPC UA/ProfiNet-Schnittstellen zur Anbindung von Viskosimetern an MES-Systeme.
- Algorithmen zur vorausschauenden Wartung, die Viskositätstrends für den Schraubenverschleiß analysieren.
- Modelle für maschinelles Lernen, die die Viskosität mit der Zugfestigkeit des Endprodukts (R⊃2;=0,92) korrelieren[5].
Wichtige Leistungskennzahlen:
- 99,7 % Datenverfügbarkeit über 12-Monats-Zeiträume[4].
- <2 Minuten mittlere Zeit zur Erkennung von Rohstoffinkonsistenzen[5].
Bewältigung der Herausforderungen im Bereich der Hochviskosität
Für Elastomere und Spezialpolymere (50–10.000 Pa·s):
1. Sofrasers Resonanztechnologie
- Behält die Genauigkeit bei Schergeschwindigkeiten <1 s⁻⊃1 bei; durch adaptive Frequenzregelung[3].
- Verarbeitet gefüllte Compounds mit 40 % Glasfaseranteil[1].
2. Scherkompensation von Promix
- Mathematische Modelle korrigieren nicht-Newtonsche Effekte in PVC-Schaum[4].
- Die MFR-Konvertierung in Echtzeit entspricht den ASTM D1238-Standards[4].
Abschluss
Die Inline-Viskositätsmessung an Kunststoffextrusionsmaschinen hat sich von einem Werkzeug zur Qualitätskontrolle zu einem strategischen Vermögenswert entwickelt, der Folgendes ermöglicht:
- 25–30 % schnellere F&E-Zyklen für neue Polymermischungen.
- Nahezu fehlerfreie Produktion durch IoT-fähige Regelung.
- Nachhaltige Herstellung durch zuverlässige Recyclingmaterialverarbeitung.
FAQ
1. Wie geht die Inline-Viskositätsmessung mit Farbstoffschwankungen um?
SOflux von Sofraser nutzt eine scherunabhängige Vibrationsanalyse, um die Genauigkeit trotz Pigmentbeladungen von bis zu 8 % aufrechtzuerhalten[3].
2. Wie sieht der ROI-Zeitplan für diese Systeme aus?
Die meisten Anwender amortisieren sich innerhalb von 6–9 Monaten durch eine Reduzierung des Ausschusses um 18–30 % und eine Energieeinsparung von 15 %[6][1].
3. Können Systeme verzweigte Polymere unterschiedlich überwachen?
Ja. Die Software von Promix wendet automatisch das Carreau-Yasuda-Modell für LDPE und andere scherempfindliche Harze an[4].
4. Wie oft müssen Sensoren kalibriert werden?
Für die meisten Anwendungen reicht eine jährliche Kalibrierung aus, wobei die automatische Driftkompensation eine Genauigkeit von ±3 % zwischen den Diensten aufrechterhält[3].
5. Funktionieren diese Systeme mit Coextrusionsanlagen?
Absolut. Mehrschichtsysteme profitieren von der Viskositätsanpassung zwischen den Schichten, wodurch die Grenzflächeninstabilität um 40 % reduziert wird[5].
Zitate:
[1] https://trends.directindustry.com/sofraser/project-8994-139902.html
[2] https://www.promix-solutions.com/en/company/news-exhibitions/news-detail/inline-viscosity-measurement-the-key-to-optimization-in-light-foam-extrusion
[3] https://www.inventech.nl/files/product/Sofraser/PDF/sofraser_article_extrusion_plastic__elastomer_jun014.pdf
[4] https://www.ptonline.com/products/inline-viscometer-for-extrusion
[5] https://www.plasticstoday.com/extrusion-pipe-profile/advances-in-real-time-monitoring-of-polymer-melt-viscosity-during-extrusion
[6] http://www.extrusion-info.com/articles/4945
[7] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/jfpe.13199
[8] https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/0021955X19864400
[9] https://www.gneuss.com/en/polymer-technologies/extrusion/online-viscometer-vis/
[10] https://www.sofraser.com/products/soflux-extrusion-viscometer/
[11] https://www.mdpi.com/2073-4360/14/12/2316
[12] https://rheonics.com/products/inline-viscometer-srv/
[13] https://hydramotion.com/en/products/xl-series
[14] https://petpla.net/2023/07/25/inline-viscosity-measurement/
[15] https://www.plasticsmachinerymanufacturing.com/thermoforming/article/13001770/viscometer-provides-inline-measurement-for-extruder
[16] https://www.ptonline.com/articles/understanding-viscosity-in-extrusion
[17] https://www.petro-online.com/news/flow-level-Pressure/12/sofraser/inline-viscosity-measurement-on-plastics-extrusion-machinerynbsp/29540
