Präzise Schmelzepumpen für dünnste Kunststofffasern

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Bei der Herstellung von Kunststofffasern für qualitativ hochwertige Vliesstoffe, die für Corona-Schutzmasken benötigt werden, spielen Schmelzepumpen eine zentrale Rolle.

Vliesstoffe aus feinsten Kunststofffasern filtern Luft und Wasser, sie isolieren gegen Kälte und Hitze, sie absorbieren Gerüche und Flüssigkeiten: Vliesstoffe sind wahre Alleskönner. Verarbeitet in Gesichtsmasken, sind sie derzeit das Material der Stunde. Doch kommen sie wegen ihrer vielfältigen Eigenschaften auch in vielen anderen Industrieanwendungen zum Einsatz – von A wie Autositz bis Z wie Ziegeldach.

Dabei zeichnen sich alle Vliesstoffe, auch Nonwoven genannt, durch ein gemeinsames Merkmal aus: Anders als zum Beispiel bei gewebten oder gestrickten Textilien werden dort keine Garne verkreuzt oder verschlungen. Vielmehr handelt es sich um textile Flächengebilde, deren Fasern miteinander verbunden sind. Generell lassen sich Vliesstoffe auf unterschiedliche Art und Weise industriell produzieren. Die verwendeten Fasern unterscheiden sich nach Länge, Feinheit und Material. So können Nonwoven nicht nur aus chemischen Fasern, sondern auch aus Naturfasern oder Materialkombinationen bestehen.

Meltblown – viel mehr als heiße Luft

Gesichtsmasken wie auch weiteres medizinisches Schutzmaterial werden aus so genannten Meltblown-Vliesstoffen hergestellt. Denn diese Stoffe, die aus hunderten von Lagen bestehen können, besitzen ausgezeichnete Filtereigenschaften. Das Vlies allein reicht allerdings noch nicht aus, um kleinste Partikel aufzuhalten. Hier kommen vier physikalische Mechanismen zum Tragen: Siebeffekt, Trägheitseffekt, Diffusionseffekt und Elektrostatik sorgen dafür, dass selbst winzige Viren nicht durch eine Maske gelangen.

Die hervorragende Filtrationsleistung von Meltblown-Vliesstoffen ist auf das spezielle Herstellungsverfahren zurückzuführen. Denn sie bestehen aus feinsten schmelzgesponnenen Mikrofasern. Als Rohstoff für das Hightech-Material dienen Polymere wie beispielsweise Polyolefine. Der Kunststoff wird in einem Extruder aufgeschmolzen und die Polymerschmelze anschließend über eine Düse mit mehreren hundert Spinnbohrungen ausgetragen. Mittels einer Heißgasströmung unterhalb der Düsenspitze werden die Endlosfäden (Filamente) unmittelbar verstreckt und dann auf einem luftdurchlässigen Förderband abgelegt. Da sie an diesem Punkt des Produktionsprozesses noch nicht völlig erkaltet sind, verkleben sie und bilden ein Vlies.

Die Fasern, die beim Meltblown-Prozess entstehen, erfordern damit besondere Aufmerksamkeit und ein hohes kunststofftechnisches Know-how, denn sie sind extrem fein: Ein typischer Faserdurchmesser liegt bei gerade einmal einem Mikrometer. Zum Vergleich: Ein durchschnittliches menschliches Haar ist etwa 50 bis 80 Mikrometer dick.

Exakte Schmelzepumpen für feinste Kunststofffasern

Die Erzeugung solch extrem feiner Fasern ist dementsprechend komplex. Sie erfordert ein perfektes Zusammenspiel der unterschiedlichen Prozessparameter wie beispielsweise Düsengeometrie, Heißluftdurchsatz oder die Schmelzetemperatur. Besonders wichtig ist dabei der Druck. Dieser muss nicht nur umso höher sein, je dünner das Extrudat sein soll, sondern auch mit einer exakt dosierten Fördermenge korrelieren.

Schmelzepumpen leisten deshalb in diesem Zusammenhang einen wichtigen Beitrag dazu, die prozesstechnischen Anforderungen zu erfüllen und eine gleichbleibend hohe Qualität des Vliesstoffs zu gewährleisten. Denn sie sind in der Lage, einen definierten Volumenstrom mit hoher Genauigkeit zur Verfügung zu stellen und die im kontinuierlichen Betrieb erforderliche stetig hohe Leistung sowie den besten Wirkungsgrad dauerhaft sicherzustellen. Je nach Größe der Anlage, der Anzahl der Schichten oder der verwendeten Materialien kommen dabei in der Regel mehrere Schmelzepumpen parallel zum Einsatz.

Schmelzepumpen gleichen verfahrensbedingte Schwankungen aus

Eingesetzt zwischen Extruder und Matrize bzw. nachgeschaltetem Werkzeug, regelt eine solche Schmelzepumpe präzise Druck und Volumen des Extrudats und gleicht verfahrensbedingte Schwankungen aus. Sie dient also gleichermaßen als Druckaggregat und zur volumetrischen Dosierung. Die speziell ausgelegte Verzahnung dieser Zahnradpumpe ermöglicht insbesondere Transfer-, Druckerhöhungs- und Dosieranwendungen mit hohem Druck und geringer Scherbeanspruchung. Das Ergebnis ist ein gleichmäßiges Fördervolumen bei absolut konstantem Druck. Anders gesagt: Vor dem Werkzeug herrschen immer die exakt gleichen Bedingungen.

Ein weiterer Vorteil: Durch den Einsatz der Pumpe muss der erforderliche Druck nicht schon im Extruder aufgebaut werden. Dadurch reicht ein insgesamt niedrigeres Temperaturniveau aus. Über eine dementsprechend bessere Energieeffizienz hinaus verläuft der Extrusionsprozess damit auch materialschonender. Vor allem bei schersensitiven Kunststoffen kann die Viskosität bei Erwärmung so stark absinken, dass sie für eine optimale Extrusion zu flüssig werden. In der Pumpe hingegen wird das Material nur kurz gestresst und erfährt kaum Scherung.

Präzision und Effizienz im Praxiseinsatz

Ein Hersteller von solchen hochgenau arbeitenden Druckerhöhungs-Zahnradpumpen ist die global führende Maag Group: Bei der Produktion von Vliesstoff für Gesichtsmasken bieten sich dabei insbesondere die neu entwickelten Modelle der Reihe Extrex6 an. Je nach Viskosität des Produkts gewährleisten sie einen Toleranzbereich von 0,02 bar Druckabweichung. Die Voraussetzung dafür schafft insbesondere die Maag Verzahnung und die spezielle Geometrie der Räder. Diese hat die Maag Group als Pionier und Technologieführer im Bereich Zahnradpumpen, Granulier- und Filtrationssysteme sowie Pulvermühlen über Jahre weiterentwickelt und verbessert und mit der Einführung der Extrex6 eine einzigartige Schmelzepumpe auf den Markt gebracht.

Die Extrex6 Zahnradpumpe der Maag Group gewährleistet eine gleichbleibend hohe Qualität der Kunststofffasern und damit des Vliesstoffs. Foto: Maag

Eine aktuelle Anwendung bei dem chinesischen Vliesstoff-Hersteller Nanhai Nanxin Wufangbu zum Beispiel zeigt, was das konkret bedeutet: Das spezifische Durchflussvolumen ist um 10 % höher als bei vergleichbaren Pumpen. Der Temperaturanstieg über die Pumpe vermindert sich gleichzeitig um 40 % und die Pulsationen am Austrag der Schmelzepumpe sind weitestgehend reduziert. Die Energieeinsparung liegt nach Erfahrung von Maag bei 12 %. Weitere Vorteile in Bezug auf eine hohe Verfügbarkeit und geringe Betriebskosten bringt das nahezu wartungsfreie Design. Damit ist eine hohe Prozessstabilität der Produktionslinie jederzeit gewährleistet.

An der Schnittstelle zwischen Antriebswelle und Pumpendeckel arbeitet eine Viscoseal-Dichtung. In der vergleichsweise günstigen Ausführung mit einer Flüssigkühlung wird der relevante Bereich mit Wasser so abgekühlt, dass die Schmelze an dieser Stelle zähflüssiger wird. Sie kann damit nicht mehr austreten und wird über das Rückfördergewinde der Viscoseal in den Pumpeninnenraum zurückgefördert. Selbst bei niederviskosen Medien garantiert dieses Dichtungsverfahren einen einwandfreien Betrieb.

Im Vergleich zur vorangegangenen Pumpengeneration oder am Markt erhältlichen Pumpen profitiert der Anwender bei der Extrex6 Pumpenbaureihe nach Erfahrung von Maag von einer um 25 % besseren Verschleißfestigkeit und Dichtigkeit der Antriebswellen-Dichtung. Die Kühloberfläche dieser Dichtung ist zudem doppelt so groß.

Wie die Maag Group erklärt, war keine Pumpengeneration je so effizient wie die x6 Class. Die baukastenbasierte Extrex6 Class überzeugt mit ihrem weiten Anwendungsspektrum und den unterschiedlichen Druckstufen. Bis heute sind weltweit mittlerweile mehr als 900 Extrex6 Class Zahnradpumpen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen und zur vollsten Zufriedenheit der Kunden im Einsatz.

Lösungen für sämtliche Bereiche der Nonwovenherstellung

Extrex6-Pumpen von Maag Group sind aber nicht nur für Meltblown-Vliesstoffe einsetzbar, wie sie für Gesichtsmasken benötigt werden, sondern für sämtliche Bereiche der Nonwovenherstellung. Das Produktportfolio bietet dabei eine hohe Flexibilität in Bezug auf Anwendung, Pumpenmaterialien und Zubehör. So können die Systeme je nach Anforderung der Produktionslinie modifiziert werden. Die Pumpen lassen sich beispielsweise horizontal oder vertikal installieren und sind je nach benötigtem Druck und Durchsatzleistung in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich.

Die Zahnradpumpen der neuen Generation der Maag Group erweitern den Einsatzbereich für den Anwender. Die neue Pumpe arbeitet dank ihrer enormen Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrads auch bei höheren Drehzahlen ohne höheren Temperatureintrag im Produkt. Zudem wurde das Druckaufbauvermögen der Pumpe bei niedrigen Drehzahlen deutlich erhöht und damit das Fenster von der minimalen bis zur maximalen Förderrate deutlich erweitert. So können die Anwender ihren Ausstoß exakt auf ihre Bedürfnisse einstellen. Die Extrex6 Class setzt damit ganz klar einen neuen Maßstab für Zahnradpumpen, so Maag abschließend.

Wolfgang Martin/gk

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