Blasfolien: Mehr Durchsatz und Qualität

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Das IKV forscht an der Entwicklung neuer Lösungsansätze für höhere Anlagenproduktivität sowie gesteigerte Folienqualität bei der Blasfolienproduktion.

Kunststofffolien, häufig hergestellt im Blasverfahren, sind ein fester Bestandteil des täglichen Lebens und stellen ein wichtiges Standbein der kunststoffverarbeitenden Industrie dar. Rund ein Drittel aller weltweit produzierten thermoplastischen Folien wird in der Verpackungsindustrie eingesetzt, vor allem als Primärverpackung für Lebensmittel, aber auch als Sekundär- und Tertiärverpackung (zum Beispiel zur Ladungssicherung beim Transport). Trotz der zahlreichen Anwendungen von Kunststofffolien stehen Folienhersteller vor immer größeren Herausforderungen auf nationalen und internationalen Märkten. Steigende Materialkosten und immer häufigere Produktwechsel erfordern von den Folienherstellern hohe Produktivitätsraten auf ihren Extrusionsanlagen, um wirtschaftlich erfolgreich zu bleiben. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Funktionalität und Qualität der Kunststofffolien stetig, was wiederum neue Marktsegmente eröffnet, insbesondere im Bereich der Konsumverpackungen. Damit stellen Qualität und Innovationsfähigkeit neben vielen klassischen wirtschaftlichen Maßnahmen wie Ressourceneffizienz und Anlagenproduktivität ebenfalls wichtige Erfolgsfaktoren im Wettbewerb dar.

Verbesserte Kühlung steigert Durchsatz

Im Gegensatz zur Flachfolienextrusion, bei der die Folie über einen Kontakt mit einer Walze abgekühlt wird, erfolgt die Kühlung bei konventionellen Blasfolienanlagen konvektiv mittels Kühlringen und Blaseninnenkühlungen. Da der Massedurchsatz und somit die Produktivität einer Blasfolienanlage stark von der Höhe der Kühlleistung abhängen, werden bestehende Kühlsysteme stetig weiterentwickelt und optimiert. So stehen beispielsweise zweistufige Kühlringe, Kühlringe mit zwei oder drei Lippen und höhenverstellbare Kühlringe zur Verfügung. Darüber hinaus existieren Systeme, die speziell für den Langhalsbetrieb mit hochdichtem Polyethylen (PE-HD) ausgelegt sind.

Seitenansicht des weiterentwickelten Luftführungssystems (r.) während des Extrusionsprozesses. Foto: IKV
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Ein wesentlicher Nachteil einer konvektiven Kühlung ist der geringe Wärmeübergangskoeffizient der Kühlluft, so dass das Kühlpotenzial eines Kühlrings bislang nicht vollständig ausgeschöpft wird. Eine Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten und somit ein gesteigerter Wärmeentzug aus der Folie lassen sich zum Beispiel durch eine gesteigerte Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft realisieren. Eine beliebige Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit ist aufgrund sich einstellender Blaseninstabilitäten bei zu hohen Geschwindigkeiten jedoch nicht möglich. Eine Lösung dieser Problematik bieten Luftführungssysteme, welche die Schlauchbildungszone ummanteln und somit einen Strömungsspalt zwischen Folienblase und Luftführungssystem erzeugen. Solche Systeme werden dem Kühlring nachgeschaltet und erlauben durch den Venturi-Effekt trotz hoher Luftgeschwindigkeiten eine stabile Prozessführung. Durch die Verengung des Strömungsquerschnitts zwischen Folienblase und Luftführungssystem erhöht sich aufgrund des Energieerhaltungssatzes die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, was zu einer Abnahme des statischen Drucks führt. Durch gleichzeitige Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und Senkung des Luftdrucks in diesem Bereich können sowohl die Blasenstabilität als auch die Wärmeübertragung und damit der Massendurchsatz im Vergleich zum konventionellen Prozess erhöht werden.

Um den Venturi-Effekt nutzen zu können, muss der Strömungsspalt möglichst gering eingestellt werden. Aufgrund der unterschied­lichen Blasenformen, die je nach Prozesszustand auftreten, kann ein entsprechend enger Strömungsabstand durch bisher „starre Luftführungssysteme“ nur begrenzt eingestellt werden.

Steigerung des Massendurchsatzes

Mehr Flexibilität bietet ein am IKV entwickeltes adaptives Luftführungssystem, welches durch eine „flexible“ Anpassung des Strömungsquerschnitts im Bereich der Schlauchbildungszone der Folienblase eine Steigerung des Massendurchsatzes bei gleichzeitig stabiler Folienblase ermöglicht. Da für eine erfolgreiche Prozessführung ein möglichst geringer Strömungsspalt eingestellt werden muss, wurde ein erster Prototyp eines adaptiven Luftführungssystems hinsichtlich Transparenz weiterentwickelt. Die Verstellung der luftführenden Membran erfolgt mittels Druckschrauben.

Planlage der Blasfolie endlich quantitativ messbar

Aktuelle Untersuchungen zeigen das Potenzial des entwickelten Luftführungssystems. So lässt sich der Durchsatz bei nahezu gleichen Foliendickenschwankungen im Vergleich zur konventionellen Kühlung um bis zu 32 % steigern. In weiteren Untersuchungen soll die Transparenz des neuen Proto­typen zudem dazu genutzt werden, um mögliche Korrelationen zwischen den Prozessparametern und einer idealen Membraneinstellung herzuleiten, welche als Grundlage für automatisierte Regelungskonzepte verwendet werden können. Die zuvor gezeigte Durchsatzsteigerung durch den Einsatz eines adaptiven Kühlrings stellt einen Schlüsselfaktor für die Profitabilität der Folienhersteller im immer stärker werdenden Wettbewerb auf nationalen und internationalen Märkten dar. In der Blasfolienextrusion lassen sich jedoch eine Reihe weiterer Faktoren identifizieren, die sich direkt auf die Rentabilität der Folienhersteller auswirken wie zum Beispiel die Nachhaltigkeit und Qualität. Letzten Endes hängt der langfristige wirtschaftliche Erfolg eines Folienproduzenten im Wesentlichen auch von der Qualität seiner Produkte ab. Vor diesem Hintergrund stehen die Folienhersteller neben der Notwendigkeit, wirtschaftlich und mit immer höheren Massendurchsätzen zu produzieren, vor steigenden Anforderungen hinsichtlich der Folienqualität. Aufgrund der Komplexität und Vielfalt der Produktionsprozesse und ihrer Erzeugnisse beschränken sich die heute geforderten Produkteigenschaften nicht nur auf die klassischen mechanischen und optischen Parameter, sondern umfassen auch die Weiterverarbeitungseigenschaften.

Einer der wichtigsten Qualitätsparameter in der Kunststofffolienextrusion ist die Planlage, die einen wesentlichen Grund für schlechte Folienqualität darstellt. Fehler in der Planlage können zu erheblichen Prozessstörungen bei den Weiterverarbeitungsschritten wie Bedrucken oder Laminieren und zu Qualitätsmängeln bis hin zu Produktretouren führen. Bei Planlagefehlern handelt es sich um großflächige Formabweichungen einer Folienbahn wie zum Beispiel Beulen oder Wellig­keiten. Im Idealfall soll die Folienbahn planar sein, das heißt, in einer Ebene liegen. Obwohl die Planlage ein wichtiges Qualitätsmerkmal in der Folienextrusion darstellt, wird sie in der betrieblichen Praxis meist nur stichprobenartig durch eine subjektive Sichtprüfung des Maschinenpersonals bewertet. So werden Planlagefehler in der Praxis sichtbar gemacht, indem eine circa 10 m lange Folienprobe aus einer gefertigten Folienrolle ausgeschnitten und auf dem Boden ausgebreitet wird. Die flachgelegte Folienbahn wird durch Prüfpersonal optisch auf Beulen und Welligkeiten überprüft. Die Planlageprüfung gilt als bestanden, wenn in der flachgelegten Folienbahn keine großflächigen Formabweichungen sichtbar sind. In Einzelfällen kann die Planlagequalität unter hohem Aufwand durch die sogenannte Längsstreifenmessung genauer bestimmt werden, indem die Folienbahn in schmale­ Streifen geschnitten und die Länge­ der einzelnen Streifen gemessen wird. Die Planlagefehler bewirken Längenunterschiede in den einzelnen Streifen, die zu einem charakteristischen Längenprofil über der Folienbreite führen. Mithilfe dieses Längenprofils können Größe und Lage der Planlagefehler grob abgeschätzt werden. Je schmaler dabei die Streifen geschnitten werden, desto genauer können die Planlagefehler lokalisiert werden. Diese verschiedenen Methoden erlauben jedoch keine Anpassung der Prozessparameter zur Vermeidung von Planlagefehlern, da sie erst nach dem Aufwickeln der Folienbahn durchgeführt werden können, wodurch eine Totzeitproblematik entsteht. Darüber hinaus sind diese Methoden zeitaufwendig und fehleranfällig, was die Reproduzierbarkeit der Messungen beeinträchtigt.

Schnell, reproduzierbar, objektiv und quantitativ

Vor diesem Hintergrund wurde am IKV ein optisches Messverfahren entwickelt, um die Planlagequalität schnell, reproduzierbar, objektiv und quantitativ zu messen. Grundlage für die Bestimmung der Planlagequalität ist die makro­skopische Form der Folien (zum Beispiel Welligkeiten). Dazu wurde im ersten Schritt ein Messstand auf Basis der Lasertriangulation entwickelt, um die geometrische Gestalt der Folien berührungslos zu erfassen. Ein Sensorkopf wird über der zu messenden Folie verfahren, um die Folienoberfläche dreidimensional zu erfassen.

Um die Planlagequalität aus der geometrischen Gestalt der Folien abzuleiten und zu quantifizieren, können 3D-Messdaten rechnergestützt ausgewertet werden. Beispielsweise kann das Längen­profil der Folie mithilfe von 3D-Messdaten digital bestimmt werden, ohne die Folie in Streifen schneiden zu müssen. Das digital ermittelte Längenprofil entspricht qualitativ dem nach der herkömmlichen Längsstreifenmessung ermittelten Längenprofil. Das entwickelte Verfahren ermöglicht zudem, die Breite der Streifen beliebig fein zu wählen, um die Planlagefehler ohne zusätzlichen Aufwand besser zu lokalisieren. Dieses Messverfahren ermöglicht im Vergleich zur in der heutigen Praxis manuell durchgeführten qualitativen Qualitätsinspektion eine schnelle, objektive und quantitative Beurteilung der Planlage. Eine quantitative Messung der Planlage erlaubt wiederum eine umfassende Untersuchung der prozesstechnischen Ursachen von Planlagefehlern. Lars Kraus/Can Bakir

sl

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