Extrusion 7-2021

Gruber & CO Group GmbH, Pennebach) an die Kalibratorwand angelegt und so die Außengeometrie des Rohres kalibriert. Mit einem Bandabzug (HO-06 der Firma Gruber & CO Group GmbH, Pennebach) wurde das Rohr mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit von 0,24 m/min abgezogen. Zunächst folgt die Bewertung des Betriebsverhaltens der neuar- tigen Stege hinsichtlich des sich einstellenden Druckverlusts. Die Druckverluste sind in Bild 3 über die verschiedenen Stegde- signs dargestellt. Zusätzlich sind hier die Gesamtstegvolumina aufgetragen. Die bei der Verarbeitung vergleichsweise zu PP hohe Viskosität des PE-HD verursacht höhere Druckverluste. In Anlehnung an das Gesetz von Hagen-Poiseuille ist in einem Fließkanal ohne Stege eine Korrelation zwischen Druckverlust und Fließkanal- querschnitt zu erwarten [HM16]. Dieser Effekt wird durch die Schmelzeumlenkung quer zur Extrusionsrichtung überlagert, da die Druckverluste nicht eindeutig mit den jeweiligen Fließ- querschnitten bzw. Stegvolumen korrelieren. Die im Vergleich zum konventionellen Stegdesign höchsten Druckverluste mit einem Anstieg um 36 % (PE-HD) bzw. um 52 % (PP) resultier- ten bei der ersten LPD-Variante A. Beim dritten LPD Designs C mit vier Stegen sowie des Kenics-Designs D sind ebenfalls Druckverlustanstiege von bis zu 27 % (PE HD) und 40 % (PP) zu beobachten. Folglich ist bei Einsatz der Stege A, C und D in Pro- duktionslinien mit einem höheren Energiebedarf zur Überwin- dung der Druckverluste zu rechnen. Im Gegensatz dazu stellen sich beim Stegdesign B mit dem konventionellen Stegdesign vergleichbare Druckverluste ein. Neben den Druckverlusten ist zudem die Bindenahtausprägung bzw. der Einfluss auf die mechanischen Rohreigenschaften für die abschließende Stegbewertung relevant. Dazu erfolgten mi- kroskopische und mechanische Untersuchungen. Für die mi- kroskopische Analyse wurden mit einem Vibratom (Typ Microm HM 650V der Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, USA) 20 µm dicke Dünnschnitte angefertigt und mit einem Durch- lichtmikroskop (Typ VHX 500 der Keyence Deutschland GmbH, Neu-Isenburg) bei 200-facher Vergrößerung digitale Bilder er- stellt. Um die Bindenahtausprägung zu bewerten, wurden die Bilder anschließend mit dem Bildverarbeitungsprogramm ImageJ (National Institute of Health, USA) ausgewertet und die Bindenahtlängen bestimmt. Die Bindenahtverläufe und -län- gen, der durchgehenden Bindenähte (grüne durchgezogene Li- nien) sind in Bild 4 veranschaulicht. Mehr Berstdruck durch optimierte Steggeometrie Da das Zeitstandverhalten von Rohren neben der auf das Rohr einwirkenden Temperatur maßgeblich durch den Spannungs- zustand bestimmt wird, kann die maximale Innendruckbelast- barkeit bzw. der Berstdruck der Rohre zur Beurteilung der me- chanischen Extrudateigenschaften herangezogen werden [URL21c]. Der sich in Rohren einstellende dreiachsige Span- nungszustand kann vereinfacht mit der sogenannten Kesselfor- mel abgeschätzt werden. Annahme bei dieser Berechnung sind rein radial verlaufende Bindenähte. Unter Berücksichtigung der auftretenden Innendrücke p , des mittleren Rohrdurchmessers D m sowie der Wanddicke e wird eine Vergleichsspannung σ v berechnet. Zur Bestimmung, ob ein Rohr unter den auftreten- den Innendrücken versagt, wird die Vergleichsspannung mit der materialabhängigen zulässigen Spannung inklusive Sicher- heitsfaktor S abgeglichen. Die tatsächliche Innendruckbelastbarkeit kann dagegen mithil- fe von Berstdruckprüfungen ermittelt werden. Zur Durchfüh- rung von Berstdruckprüfungen in Anlehnung an die DIN EN ISO 1402 [NN21c] wurden die Rohrproben auf eine Länge von 180 mm abgelängt und in eine abdichtende Vorrichtung (Dun- ze GmbH, Hamburg) eingespannt. Anschließend wurde ein kontinuierlicher Wasservolumenstrom von 3 cm³/s in das Rohr eingeleitet und die Probe über einen in der Norm DIN EN ISO 1402 definierten Zeitraum von 30 bis 60 s bis zum Versagen mit einem steigenden Innendruck beaufschlagt. Für jeden Ver- suchspunkt erfolgte eine dreifache Wiederholung der Prüfung. Die nach in der Prüfung ermittelten Berstdrücke sind in Bild 5 für die Rohrproben aus dem Ver- suchsmaterial PP aufgetragen. Die Stegdesigns A, C und D zeigen keine signifikanten Steigerungen der Innen- druckbelastbarkeit gegenüber dem konventionellen Stegdesign. Beim PE- HD wird dagegen deutlich, dass die Rohrproben, die mit den Stegdesigns C und D hergestellt wurden, deutlich höheren Innendrücken standhalten (vgl. Bild 5 ). So wird bei Stegdesign C ein Druckmaximum von etwa 56 bar Bild 3: Druckverluste bei Durchsatz von 3 kg/h 40 Werkzeugauslegung – Aus der Forschung Extrusion 7/2021 K A B C D 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 0 14 PP PE-HD Stegvolumen 12 10 8 6 4 2 0 Druckverlust [bar] Stegvolumen [mm 3 ] Stegdesign [-]