Wendelverteiler gehören zu den leistungsfähigsten Extrusionswerkzeugen für die Herstellung von Rohren, Folien, Schläuchen und Flaschen und existieren in einer großen Variantenvielfalt am Markt. Wendelverteiler können für verschiedene Produktionsprozesse eingesetzt werden und eine gute Auslegung des Wendelverteilers entscheidet signifikant über die Qualität des produzierten Produktes.
Bei der Auslegung und Dimensionierung von Wendelverteilern existieren verschiedene Gestaltungsregeln, deren Kenntnis bzw. Beachtung einen positiven Beitrag zur Erreichung einer hohen Produktqualität haben kann. Ein paar dieser Gestaltungskriterien sollen im folgenden genannt und erläutert werden.
Die wichtigsten freien Geometrieparameter eines klassischen Wendelverteilers (ohne Betrachtung von Extruderanschluss, Primärverteilung und Düse) sind:
- Durchmesser (D)
- Bauhöhe (H)
- Anzahl der Wendeln (n)
- Steigung der Wendeln (alpha)
- Wendelkanaltiefe am Kanalanfang (t)
- Wendelkanalbreite (b)
- Spaltweite des Überstrombereichs (s)
- Umschlingunswinkel der Wendeln (phi)
- Gestaltungsdetails, Radien, Fasen, Dichtungsflächen
Der Durchmesser eines Wendelverteilers, ebenso wie die Höhe des Systems werden in der Regel durch den zur Verfügung stehenden Bauraum sowie den gewünschten Durchmesser des Produktes bestimmt. Vorteile einer kompakten Bauweise sind zum einen der verringerte Platz und Materialbedarf, zum anderen aber auch die Vermeidung von unnötig langen Fließwegen und damit unnötiger Belastung der Schmelze sowie hohe Druckverluste. Bei zu kurz dimensionierten Systemen kann jedoch die Verteilwirkung negativ beeinflusst werden.
Wendelanzahl:
„Eine Erhöhung der Wendelanzahl verbessert die Verteilwirkung und verringert den Druckverlust des Werkzeuges (bei gleichbleibender Wendelgeometrie).“
Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass bei einer Erhöhung der Wendelanzahl das freie Volumen (der Bereich im Werkzeug in dem Schmelze fließen kann) erhöht wird. Durch die damit meist verbundene Reduktion des Fließwiderstandes nimmt der Druckverlust im Werkzeug ab. Gleichzeitig wird die Schmelze auf einen größeren Bereich verteilt, wodurch die Verteilwirkung in der Regel zunimmt. Nachteilig sind natürlich die höheren Bearbeitungszeiten zum Fräsen der Fließkanäle.
Kanaltiefe der Wendeln:
„Eine Erhöhung der Kanalanfangstiefe führt zu einer gleichmäßigeren Verteilwirkung und einer Verringerung des Druckverlustes, kann aber negativen Einfluss auf die Spülbarkeit des Werkzeuges haben.“
Bei der Geometrie der Wendeln wird die Anfangstiefe und der Tiefenverlauf definiert. Die Tiefe der Wendeln nimmt mit dem Verlauf der Wendeln in der Regel kontinuierlich ab, bis diese auf den Kerndurchmesser der Pinole ausläuft. Eine hohe Anfangstiefe der Wendeln führt zu einer Verringerung des Druckverlustes im Werkzeug, kann aber negative Auswirkung auf das Verhalten des Werkzeuges bei Spül- oder Materialwechselvorgängen haben. Die nachfolgende Grafik zeigt die Simulationsergebnisse eines Wendelverteilers. Farblich dargestellt sind die auftretenden Wandschubspannungen. In den Bereichen in denen die Fließkanäle eng sind herrschen vergleichsweise hohe Schubspannungen, so dass die Werkzeugwandungen in diesem Bereich mit guter Wirkung gespült werden (z.B. im Bereich der Düse und der Überstrombereiche). Die Bereiche in denen die Fließwege große freie Volumina aufweisen sind durch geringe Schubspannungen gekennzeichnet (blaue Bereiche). Hier kann es zu Stagnation der Schmelze kommen. Grundsätzlich nimmt die Schmelze beim Durchströmen des Werkzeuges den „Weg des geringsten Widerstandes“, bei tief geschnittenen Kanälen fließt also ein Großteil der Schmelze durch den Wendelkanal. Dies hat natürlich somit auch einen Einfluss auf die Verteilwirkung.
Steigungswinkel der Wendeln:
„Geringere Steigungswinkel verbessern die Schmelzeverteilung, verursachen aber einen höheren Druckverlust.“
Der Steigungswinkel entscheidet gemeinsam mit der Bauhöhe des Systems über die Größe des Umschlingungswinkels. Als Steigungswinkel bezeichnet man ähnlich einer Gewindesteigung den Winkel, mit dem sich die Wendel um die Pinole herumwindet. In der nachfolgenden Abbildung ist der Schmelzefluss in zwei benachbarten Wendeln in unterschiedlicher farblicher Einfärbung dargestellt. Aus der Bauhöhe des Verteilers sowie dem Steigungswinkel ergibt sich hier auch der Umschlingungswinkel, in diesem Fall fast 180°.
Ebenfalls gut erkennbar ist der sich ergebende Überlappungswinkel der Schmelze im Bereich des Verteilerendes. Als Überlappungswinkel bezeichnet man den Bereich im (rotationssymmetrischen) Produkt, der von Schmelze aus zwei benachbarten Wendeln gleichzeitig gespeist wird. Je größer dieser Wnkel ist, desto effektiver werden Bindenähte vermieden (bzw. verwischt).
Spaltweite zwischen Wendeldorn und Zylinder:
„Die Anfangsspaltweite hat einen Einfluss auf die Verteilwirkung, dieser Einfluss wird aber durch den Spaltweitenverlauf dominiert. Geringe Anfangsspaltweiten führen zu erhöhtem Druckverlust.“
Da die Funktionsweise des Wendelverteilers auf dem Prinzip beruht, dass sich die Strömungsfronten die durch die Wendeln fließen mit den Strömungsfronten die aus der Wendel ausströmen und in den Spaltbereich hineinfließen überlappen, kommt der Spaltweite zwischen Dorn und Zylinder eine wesentliche Aufgabe zu. Ist diese Spaltweite zu groß, fließt nahezu die gesamte Schmelze durch diesen Überstrombereich und die Strömung im Wendelgrund kommt zum Erliegen. Ist der Überstromspalt zu eng, kann kaum Schmelze dort hindurchströmen und die dominierende Strömungskomponente tritt in der Wendelströmung auf.
Zur Erreichung eines optimalen Produktionsergebnisse ist somit eine intelligente Anpassung der Spaltweitenverlaufes notwendig. In der Praxis existieren sowohl lineare als auch progressive oder degressive Verlaufsformen.
„Der Spaltweitenverlauf hat einen starken Einfluss auf die Qualität der Verteilung des Extrusionswerkzeuges. “
In der nachfolgenden Abbildungen sind unterschiedlche Verläufe der Wendelkanaltiefe sowie der Spaltweite des Überstromspaltes dargestellt. Während die Kanaltiefe in der oberen Abbildung linear abnimmt ist der Wendeltiefenverlauf in der unteren Abbildung degressiv (zunächst schnell abnehmend, dann langsamer abnehmend).
Die korrekte Auswahl und Kombination von verschiedenen Gestaltungsdetails im Wendelverteiler entscheidet über die später zu erreichende Produktqualität. Aus diesem Grund ist es von besonderer Bedeutung, der Auslegung des Wendelverteilers einen großen Stellenwert beizumessen. Heutige Computersimulationsmethoden ermöglichen den Einblick in das Werkzeugverhalten bereits vor der spanabhebenden Bearbeitung des Stahls und helfen so unnötigen Mehraufwand zu vermeiden.
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P.S. Die oben gezeigten Abbildungen stammen aus: „Automatisierte Auslegung von Extrusionswerkzeugen“, Dissertation, Kenny Saul (frei erhältlich, erreichbar via google Suche).
