Roller Head Anlagen zur Herstellung von technischen

Roller Head Anlagen
Roller Head Anlagen zur Herstellung
von technischen Kautschukbahnen
T. C. Pohl, M. Meinert*
Roller Head Anlagen werden seit vielen Jahren zur Herstellung von Bahnen- und
Plattenware für technische Gummiartikel eingesetzt. Typische Endprodukte sind
Mattenware, Behälterauskleidungen, Fördergurte, Keilriemen, Drucktücher, Verschleißschutzplatten, Vorprodukte zum Verpressen, Schuhsohlen, Luftfedern und
vieles mehr. Für dieses Produktionsprozesse können kaum Standardanlagen eingesetzt werden, stattdessen ist es notwendig, speziell auf die jeweiligen Anforderungen des Kunden zugeschnittene Roller Head Anlagen zu konzipieren.
Roller head lines have been used for many years for the production of sheets for
technical rubber articles. Typical end products include sheet goods, tank linings,
conveyor belts, V-belts, printing sheets, wear protection panels, preliminary pressing products, shoe soles, pneumatic springs and many more. Standard systems
can rarely be used for these production processes; this must be carried out instead with the aid of roller head lines specially designed and tailor-made to the
relevant customer requirements.
1. Einleitung
Roller Head Anlagen werden seit vielen
Jahren zur Herstellung von Bahnen- und
Plattenware für technische Gummiartikel
eingesetzt. Typische Endprodukte sind Mattenware, Behälterauskleidungen, Fördergurte, Keilriemen, Drucktücher, Verschleißschutzplatten, Vorprodukte zum Verpressen,
Schuhsohlen, Luftfedern und vieles mehr
(Abb. 1).
Im Gegensatz zu Mehrwalzen-Kalanderanlagen wird beim Roller Head Prinzip der
Kalanderspalt mit Mischung aus einem Extruder mit Breitspritzkopf beschickt. Durch
die vorherige Ausformung des Querschnittes
im Breitspritzkopf können Kautschukbahnen
bis zu einem Dickenbereich von 20 mm blasenfrei hergestellt werden (Abb. 2).
Moderne Roller Head Anlagen bieten gegenüber konventionell beschickten Kalandern ein hohes Maß an Automatisierungund Rationalisierungsmöglichkeiten. Insbesondere ist hervorzuheben, dass Roller Head
Anlagen bei nahezu jeder Mischung eingesetzt werden können. Bei dem breiten Mischungsspektrum erfordert die Auswahl der
einzelnen Anlagenkomponenten viel Erfahrung und ein großes Wissen im Umgang mit
der jeweiligen Mischung.
2. Extrudertechnik
Für die Herstellung technischer Gummiartikel hat sich der kaltgefütterte Extruder,
manchmal ausgestattet mit einer Vakuumzone zur Entgasung der Mischung, durchgesetzt. Warmgefütterte Extruder in Kombination mit Walzwerken werden für schwierig zu plastifizierende Mischungen z. B. auf
Naturkautschukbasis oder bei hohem Materialrücklaufanteil eingesetzt (Abb. 3).
* Dr. Tim C. Pohl
Geschäftsbereichsleitung Gummi
Dipl.-Ing. Martin Meinert
Konstruktionsleitung Kalander
Projektleitung Kautschukmaschinen und -anlagen
Troester GmbH & Co KG, Hannover
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Stand der Technik in Roller Head Anlagen ist heute der kaltgefütterte Stiftextruder. Stifte im Extruderzylinder bewirken eine
Stromverteilung und damit ein temperaturschonendes distributives Mischen.
Das Performanceoptimum zwischen Homogenität und Ausstoß kann durch die
Schneckengeometrie, die Stiftkonfiguration oder den eingestellten Temperaturen der
Schnecke und des Zylinders beeinflusst werden. Die Auswahl der Schneckengeometrie
ergibt sich aus dem zur Verarbeitung kommenden Materialspektrum und wird den
Wünschen der Kunden angepasst (Abb. 4).
In der Medizintechnik werden auch kaltgefütterte Extruder als Vakuumextruder eingesetzt, um flüchtige Bestandteile aus der
Mischung zu entfernen.
Wenn Mischungen vor dem Ausformen
von Verunreinigungen oder nicht ausreichend eingemischten Mischungsbestandteilen befreit werden müssen, wird dies durch
einen Strainerprozess, dem Pressen der Mischung durch ein feinmaschiges Sieb, erreicht. Das Strainern kann in verschiedenen
Prozessstadien erfolgen:
• Direkt nach dem Mischvorgang mit einer
Extruder-Zahnradpumpen-Kombination.
• Nach der Lagerung und vor dem Extruder
durch einen selbständigen Zahnradextruder.
• Während des Extrudierens vor dem Breitspritzkopf.
Ein kaltbeschickter Zahnradextruder vor
dem Extruder ermöglicht dabei das größte
Prozessfenster aus Durchsatz, Schmelzehomogenität und maximal zulässiger Verarbeitungstemperatur. Die Kautschukmischung
wird durch die volumetrische Förderung
in der Zahnradpumpe unter minimaler
Scherbelastung gestrainert (Abb. 5).
3. Walzenbreitspritzkopf
(WBK)
Die optimale Beschickung des Walzenspaltes ist gegeben, wenn die zugeführte
Mischung in der Dicke und der Breite der
zu kalandrierenden Bahn angepasst werden
kann. Diese Voraussetzungen werden durch
den Breitspritzkopf erfüllt. Die Verteilung
der Mischung erfolgt durch eine so genannte Fischschwanzkontur im Breitspritzkopf.
Am Ende des Breitspritzkopfes sind leicht
auswechselbare Spritz leisten montiert.
GAK 8/2008 – Jahrgang 61
Roller Head Anlagen
Abb. 1: Anlage zur Herstellung von Verschleiß- und
Korrosionsschutzauskleidungen
Extruder:
Spritzkopf:
Kalander:
QSM 200/k - 16 D
WBK 200/2200
KDI 700x2400
Bahnenbreite
600 bis 2200 mm
Bahnendicke
0,5 bis 15 mm
Geschwindigkeit
max. 25 m/min
Abb. 3: Anlage zur Herstellung von Halbzeugen für Dichtungen
Extruder:
Spritzkopf:
Kalander:
QSM 150/k – 12 D
WBK 150/1050
KDI 400x1300
Bahnenbreite:
500 bis 950 mm
Bahnendicke:
0,9 bis 1,5 mm
Geschwindigkeit: max. 10 m/min
Abb. 5: Zahnradextruder und Vakuumextruder in Kaskadenanordnung
Abb. 2: Anlage zur Herstellung von Folien für Druckausdehnungsgefäße,
Förderbänder und medizinische Produkte
Extruder:
Spritzkopf:
Kalander:
Bahnenbreite:
250 bis 1700 mm
Bahnendicke:
0,3 bis 10 mm
Geschwindigkeit: max. 10 m/min
Abb. 4: Anlage zur Herstellung von schmalen Bahnen/Mini Roller Head System
Extruder:
Spritzkopf:
Kalander:
QSM 90/k – 14 D
WBK 90/270
KDI 200x350
Bahnenbreite:
Bahnendicke:
Geschwindigkeit:
50 bis 300 mm
0,3 bis 5 mm
max. 45 m/min
Abb. 6: Anlage zur Herstellung von Behälterauskleidungen,
Fahrbahnmarkierungsfolie
Extruder:
Spritzkopf:
Kalander:
GAK 8/2008 – Jahrgang 61
QSM 120/k – 16 D
WBK 120/1350
KDI 600x1800
QSM 150/k – 16 D
WBK 150/1400
KDI 500x1550
Bahnenbreite:
250 bis 1270 mm
Bahnendicke:
0,5 bis 25,4 mm
Geschwindigkeit: max. 30 m/min
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Roller Head Anlagen
Mit Hilfe der unterschiedlichen Austrittshöhen der Spritzleisten wird die Dicke der
Mischungsvorlage angepasst. Durch eine
Profilierung der Spritzleisten können die
Fließunterschiede bei unterschiedlichen
Mischungen kompensiert werden. Die verschiedenen Breiten der Mischungsvorlagen werden durch einfach auszuwechselnde Einlegeteile realisiert. Das Reinigen des
Breitspritzkopfes ist besonders einfach, weil
beide Kopfhälften zum Mischungswechsel
aufgeschwenkt werden. Hierdurch löst sich
die Mischung schon während des Öffnens
der Kopfhälften aus der Fließkanalkontur
(Abb. 6).
Das Roller Head Verfahren zeichnet sich
besonders durch das Erreichen von sehr engen Dickentoleranzen aus. Bei geringeren
Bahndicken ist der Einfluss des Kalanderspaltes auf die erreichbaren Toleranzen besonders
groß. Im Gegensatz dazu verringert sich der
Einfluss des Kalanderspaltes bei großen Dicken und der Einfluss der Geometrie der Mischungsvorlage bestimmt maßgeblich die Dickentoleranz der Materialbahn. Hierbei ist die
Auslegung der Fließkanalkontur sehr wichtig, damit die Vorlage aus dem Breitspritzkopf eine gleichmäßige Verteilung aufweist.
Besondere Anforderungen an das Roller Head
System stellt die Produktion von elastischen
NR-Mischungen mit einer Dicke oberhalb
10 mm dar. Zum einen hat der Walzenspalt
keinen großen Einfluss, zum anderen bewirken Rückstellkräfte in Querrichtung eine
Verschlechterung der Bahntoleranzen. Hier
kommt der Auslegung der Fließkanalkontur eine besondere Bedeutung zu. Die Ka-
Abb. 7: FEM-Strömungssimulation eines Breitspritzkopfes für verschiedene
Verteilergeometrien
Abb. 8: Anlage zur Herstellung von Halbzeugen für die Zahnriemenfertigung
nalkontur im Breitspritzkopf muss so ausgelegt werden, dass die Rückstellkräfte minimiert, aber die Mischung nicht unzulässig
belastet wird. Am Kopfaustritt ist eine exakte
Materialverteilung über die gesamte Breite
notwendig.
Um dieses zu erreichen, werden Fließkanäle heute mit Hilfe von FEM-Strömungsberechnungen ausgelegt. Abbildung 7 zeigt
ein solches Berechnungsergebnis. Dabei liegen insbesondere die Herausforderung und
die Erfahrung darin den Randbereich strömungskinetisch zu optimieren.
Für eine optimale Auslegung eines Fließkanals müssen daher auch im Vorfeld die
rheologischen Eigenschaften der Mischungen bekannt sein.
Abb. 9: Anlage zur Herstellung von Halbzeugen
für die pharmazeutische Industrie
Extruder: GS-Vak 90/k-16 D-m/Spw
Spritzkopf:
WBK 90/1050
Kalander:
KDI 400x1300
Bahnenbreite:
120 bis 1200 mm
Bahnendicke:
0,5 bis 25,4 mm
Geschwindigkeit: max. 15 m/min
Liniengeschwindigkeit [m/min]
Abb. 10: Kühlstreckenbauformen im Vergleich (Kühlmediumtemperatur = 20 °C,
Umgebungsluft = 35 °C, Extrusionstemperatur =100 °C,
mittlere Wickeltemperatur = 40 °C)
Extruder:
Spritzkopf:
Kalander:
500
QSM 200/k – 16 D
WBK 200/1650
KTI 600x1800
Bahnenbreite:
800 bis 1500 mm
Bahnendicke:
0,3 bis 3 mm
Geschwindigkeit: max. 30 m/min
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Trommelkühlstrecke mit 3 x 2 Trommeln
Luftkühlstrecke 4 x 10 m
Luftkühlstrecke 4 x 5 m
Wassersprühkühlung 6 m
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Produktdicke [mm]
GAK 8/2008 – Jahrgang 61
Roller Head Anlagen
4. Kalandertechnik
Die Kalibrierung der Materialbahn findet im Kalanderspalt statt. Die Anzahl der
Kalanderwalzen wird je nach Verfahrensaufgabe festgelegt. Hierbei können Zweioder Dreiwalzenkalander eingesetzt werden
(Abb. 8).
Damit eine planparallele Bahn mit engen
Dickentoleranzen hergestellt werden kann,
ist der Roller Head Kalander mit einer oder
mehreren der folgenden Einrichtungen zur
Kompensation der Walzendurchbiegung ausgestattet:
• Bombage an einer oder mehreren Kalanderwalzen.
• Schränkung einer Kalanderwalze.
• Gegenbiegung der Kalanderwalzen.
Die Bombage der Kalanderwalzen und die
Schränkungseinrichtung gehören zur Standardausrüstung eines Roller Head Kalanders.
Die Gegenbiegeeinrichtung der Kalanderwalzen kommt bei hochviskosen Kautschukmischungen, die zu dünnen Platten ausgeformt
werden, zum Einsatz.
Des Weiteren haben moderne Roller Head
Kalander eine hydraulische Walzenverstellung, welche eine exakte Positionierung der
Kalanderwalze erlaubt. Auch die Überwachung der maximalen Spaltkraft ist hiermit
möglich und somit ein sicherer Schutz der
Abb. 11: Zentrumswickler mit Querschneider
Walzen gegen Walzenbruch bei einer Überlastung.
Roller Head Kalander erfüllen modernste
Sicherheitsvorschriften und besitzen neben
diversen Not-Aus-Kreisläufen auch eine programmgesteuerte Überprüfung der Bremseinrichtung für den Antrieb der Kalanderwalzen (Abb. 9).
5. Nachfolgetechnik
Nach der Ausformung der Platte muss diese auf die Wickeltemperatur abgekühlt werden. Das nachfolgende Diagramm (Abb. 10)
zeigt die Abhängigkeit zwischen Plattendicke, Liniengeschwindigkeit und Art der
Kühlung. In Roller Head Anlagen werden
häufig Kühltrommelstühle mit jeweils zwei
Trommeln eingesetzt. Kühltrommeln sind
sehr effektiv bei geringen Plattendicken.
Bei großen Plattendicken wird das Abkühlverhalten von der Wärmeleitung in der Kautschukmischung dominiert. In diesem Fall ist
die Verweilzeit innerhalb der Kühlstrecke zu
erhöhen. Dies kann z. B. über eine mehrlagige Luftkühlstrecke erfolgen. Diese ermöglicht gegenüber einer Trommelkühlung eine
Selbsteinfädelung.
Innerhalb der Roller Head Anlage ist es besonders wichtig, dass das Material schonend
transportiert wird. Die Übergänge zwischen
den einzelnen Fördergurten werden mit Hilfe
Das Aufwickeln kann mit Kontaktwicklern
oder mit Zentrumswicklern erfolgen. In Kombination mit einem Querschneider erfolgen
der Querschnitt, das Restwickeln, der Wechsel des Wicklers und das Anwickeln vollautomatisch (Abb. 11). Die Zentrumswickler sind
ausgestattet mit einer Kantensteuerung für
das Material und den Zwischenläufer. Zusätzlich wird der Zwischenläufer auch zugkraftgeregelt abgewickelt.
6. Anlagensteuerung
und Regelung
Integraler Bestandteil einer modernen
Roller Head Anlage ist die Anlagensteuerung mit einer vollau tomatischen Prozessregelung. Die optimale Gestaltung der
Bedienoberflächen, sowohl auf dem SPSBildschirm als auch auf dem PC-Bildschirm,
gestattet dem Bediener eine ergonomische
Anlagenbedienung. Hierbei ist die Umschaltung der Sprachdarstellung auf die jeweilige Landessprache möglich. Aufgrund der
ausgewählten Hardware der Anlagensteuerung wird eine sehr hohe Systemverfügbarkeit erreicht. Während der Projektierung
und der Inbetriebnahme der Anlage wird die
Steuerung auf die jeweiligen Bedürfnisse des
Kunden angepasst und optimiert, um die An-
Abb. 12: Anlage zur Herstellung von Halbzeugen für Luftfederelementen
im Automobilsektor
Extruder:
Spritzkopf:
Kalander:
GAK 8/2008 – Jahrgang 61
von Tänzern und Kopfrollen so gestaltet, dass
die Materialbahn nicht gezogen und damit
verformt wird.
QSM 90/k - 12 D
WBK 90/270
KDI 150x350
Bahnenbreite:
Bahnendicke:
Geschwindigkeit:
60 bis 250 mm
0,25 bis 1 mm
max. 37 m/min
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Roller Head Anlagen
lage mit kurzen Produktwechselzeiten und
optimaler Anfahrtechnik zu betreiben. Die
grafische Prozessvisualisierung sowie die Dispositions- und Rezeptverwaltung sind weitere Bausteine für eine rationelle Fertigung.
Zur Auswertung der gefahrenen Produktion
stehen dem Fertigungsplaner und Prozessingenieur die online und historische Trenddarstellung der unterschiedlichen Prozessparameter, die Produktionsprotokollierung und
-auswertung, sowie eine statistische Prozesskontrolle zur Verfügung. Diese Prozessdaten sind nicht nur ausschließlich an der
Anlage verfügbar, sie können auch über
eine Vernetzung via Intranet oder Internet
weiteren Rechnern des Kunden zur Verfügung gestellt werden. Somit ist eine zentrale oder dezentrale Datenhaltung möglich.
Per Fernwartung können Troester-Ingenieure jede Anlage weltweit überwachen,
Hilfestellung leisten und ggf. Änderungen im Programm durchführen. Dies ermöglicht schnelle Reaktionszeiten bei
Anlagenunterbrechungen und eine zügige Wiederaufnahme der Produktion.
Dem Wartungspersonal steht ein online Wartungsmanagementsystem zur Verfügung,
welches zum richtigen Zeitpunkt darauf aufmerksam macht, welche Wartungsarbeiten
durchzuführen sind. Weiterhin informiert
das System auch darüber, welche Hilfsstoffe
hierfür benötigt werden und gibt Hinweise
zur Ausführung der Arbeiten (Abb. 12).
dig speziell auf die jeweiligen Anforderungen des Kunden zugeschnittene Roller Head
Anlagen zu konzipieren. Durch die große
Bandbreite der zur Verfügung stehenden
Extruderkonzepte und Extrudergrößen mit
Schneckendurchmessern bis 250 mm, und
der dazugehörigen Kalandertechnik mit Walzendurchmessern von 80 –700mm kann jede
Aufgabenstellung erfüllt werden.
8. Literatur
[1] H.-F. Ramm, E. Seidler:
Automation Options for Calanders and
7. Fazit
Extruders, Tire Technology International 1995
[2] G. Targiel, H. Klein:
Zur Herstellung von technischen Gummiwaren können kaum Standardanlagen eingesetzt werden, stattdessen ist es notwen-
Herstellen großer Kautschukbahnen im Einfach- und Doublierverfahren, Kautschuk +
Gummi Kunststoffe 50. Jahrgang, 1/97
Rubber Handbook
Das unverzichtbare „Wer liefert was?“ der Kautschukindustrie
in englischer Sprache
Summary
In unserem Bookshop unter
www.gupta-verlag.de
Dr.
Gup
ta V
erla
g
In 1952 the board of Sveriges Gummitekniska Förening, SGF (The Swedish Institution
of Rubber Technology) recognised the need for compiled information regarding all the
different raw materials available to the rubber industry and the ﬁrst edition of Gummiteknisk Handbok was published. Since then eight other books has been issued and
some years ago it was decided to go over to English language in order to reach a bigger
area of customers. At the same time the name was changed to Rubber Handbook. The
borderline between rubber and plastics has been shifted and is now very vague due to
mixtures between the two products, and the introduction of thermoplastic elastomers.
Autor: - - Thus many materials are used in both ﬁelds and the amount of alternatives is increasing
ISBN-10: 91-86430-70-X (ohne CD-ROM) all the time.
92-86430-70-X (mit CD-ROM)
Erscheinungsjahr: 2000
Auﬂage: 10
Verlag: SGF
Preis: 70,- EUR (100,- EUR mit CD-ROM)
Dr. Gupta Verlag · Postfach 10 41 25 · 40852 Ratingen · Tel.: +49 2102 9345-0 · Fax: +49 2102 9345-20 · [email protected] · www.gupta-verlag.de
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GAK 8/2008 – Jahrgang 61

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