Pellet-Extruder: Ist es möglich, Pellets direkt mit Zusatzstoffen zu mischen?

Der Granulatdruck, auch bekannt als Schmelzgranulat-Fertigung (FGF), wird meist mit dem Spritzgießen in Verbindung gebracht, ist aber auch im FDM-3D-Druck weit verbreitet, insbesondere unter professionellen oder industriellen Bedingungen. Es ermöglicht dem Anwender, individuelle Mischungen auf der Grundlage des gewählten Basispolymers und der Zusatzstoffe in Form von Pellets herzustellen. FGF ist die ideale Methode für den großformatigen Druck und das Prototyping sowie für die Herstellung von Filament selbst. Für den 3D-Druck mit Pellets ist ein 3D-Drucker erforderlich, der mit einem Pelletbehälter und einem Pellet-Extruder ausgestattet ist, wie z. B. dem Dyze Pulsar Pellet Extruder mit hohem Durchsatz, der mit den meisten großen 3D-Druckern kompatibel ist oder auf Roboterarmen installiert wird.

Der 3D-Druck mit Pellets bietet zahlreiche Vorteile. Die Produktionskosten sind im Vergleich zum 3D-Druck mit Filament deutlich niedriger (um 60-90 %), da Pellets in größerem Umfang verfügbar sind und weniger verarbeitet werden als Filament, was die Produktionskosten und -zeit reduziert. Außerdem ermöglicht FGF die Verwendung recycelter Materialien und eignet sich für großformatige Drucke, z. B. im Bauwesen. Ein hervorragendes Beispiel für einen Pellet-Extruder, der in groß angelegte AM-Anlagen integriert ist, ist der Pellet-Extruder-Roboter, der Teil des CEAD Flexbot-System ist.

Bild 1. Großformatiger 3D-Granulatdruck mit dem CEAD AM Flexbot. Quelle: CEAD.

Compoundierung

Eine sehr verbreitete Praxis in der Kunststoffindustrie ist die Compoundierung. Dabei werden geschmolzene Polymere mit verschiedenen Additiven gemischt, um verbesserte oder erweiterte thermomechanische Eigenschaften zu erzielen. Das Gemisch wird dann zu einem Extrudat (Kunststoffstränge) geformt, abgekühlt und an einen Granulator weitergeleitet, der das Extrudat zu Granulat zerkleinert. Das Kunststoff-Compounding ist eine hervorragende Möglichkeit, die Eigenschaften des 3D-Druckmaterials zu verbessern.

Bild 2. Muster einer PETG-Masterbatch-Mischung. Quelle: Dyze Design.

Dies geschieht durch Zugabe eines Farb-Masterbatches, um die Farbe des Polymers zu verändern, oder eines Additiv-Masterbatches, um die thermomechanische Leistung des Kunststoffs zu verbessern (bessere Bedruckbarkeit, höhere Fließgeschwindigkeit oder höhere Steifigkeit) oder ihm spezielle Eigenschaften zu verleihen. Einige der Eigenschaften, die durch Granulatmischung erreicht werden können, sind:

• Festigkeit und Flexibilität: Polymere können mit Kohlefasern oder Glasfasern gemischt werden, um die thermomechanischen Eigenschaften zu verbessern.
• UV-Toleranz: Die Zersetzung von Kunststoffen kann verlangsamt werden, indem der Mischung Verbindungen zum Schutz vor UV-Strahlung zugesetzt werden.
• Zusatzstoffe für die Lebensmittelsicherheit: Es muss sichergestellt werden, dass Kunststoffe, die für den Kontakt mit Lebensmitteln bestimmt sind, für diesen Zweck sicher sind.
• Antimikrobielle Eigenschaften: Kunststoffcompoundierung wird auch zur Herstellung von Mischungen verwendet, die das Keimwachstum auf der Kunststoffoberfläche hemmen, eine Eigenschaft, die in der Medizin von großer Bedeutung ist.
• Brandverzögerung: Einige Polymere sind mit Substanzen angereichert, die die Ausbreitung von Feuer verhindern oder hemmen, eine Eigenschaft, die in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie sehr nützlich ist.
• Magnetische Detektion: Es ist möglich, Polymergranulat mit magnetisch detektierbarem Granulat zu mischen, um einen magnetisch detektierbaren Faden zu erhalten.
• ESD-Schutz: Das Mischen von ESD-sicherem Granulat mit einer Polymerbasis ergibt ein ESD-sicheres Material.
• Farbe: Kunststoffcompoundierung ermöglicht eine praktisch unbegrenzte Farbmischung.

Das Compoundieren wird von professionellen Unternehmen mit Hilfe von Spezialgeräten wie Co-Knetern, Doppelschnecken (gleichlaufend und gegenläufig) und internen Mischern durchgeführt, um die richtige Mischung der Polymere und Additive zu gewährleisten. Das Ergebnis dieses Prozesses sind Pellets, die in einem 3D-Drucker, der mit einem Pellet-Extruder ausgestattet ist, verwendet werden können.

Pellet-Mischung

Das Mischen der Pellets erfolgt durch die bereits erwähnten Mischschnecken. Eine Mischschnecke hat drei verschiedene Zonen, die jeweils eine bestimmte Rolle im Mischprozess spielen:

1. Die Einzugszone, durch die das Granulat in den Extruder transportiert wird.
2. Die Übergangszone (Verdichtungszone), in der die Luft aus der Pelletmischung entfernt wird, während sie erhitzt und geschmolzen wird.
3. Die Dosierzone, deren Aufgabe es ist, den Druck aufzubauen und den Durchfluss des Ausgangs zu stabilisieren.

Es gibt Variationen des obigen Modells mit Schnecken mit veränderten Dosierabschnitten, wie z. B. die Maddock-Schnecke, um die Mischung und Homogenisierung der Schmelze weiter zu verbessern.

Bild 3. Typen von Mischschnecken, mit den Abschnitten (1) die Einzugszone, (2) Übergang, (3) Entlüftung und (4) Dosierung. Quelle: Dyze Entwurf.

Der zusätzliche Mischteil im Dosierteil der Schnecke hat seine Nachteile (Drehmomentbedarf, Erwärmung durch die zusätzlichen Scherbewegungen) und kann die Leistung der Schnecke und sogar den Ausstoß beeinträchtigen.

Der beste Schneckentyp zum Mischen von Kunststoffgranulat ist eine Doppelschnecke. Sie ist die am häufigsten verwendete Lösung bei der Kunststoffaufbereitung. Ein Beispiel für eine Doppelschnecke wären zwei ineinander greifende Schnecken, die sich in einem geschlossenen Zylinder drehen, um eine gute Durchmischung der Schmelze und ein homogenes Ergebnis zu gewährleisten.

Video 1. Eine Simulation der Compoundierung mit einem Doppelschneckenextrusionssystem. Quelle: EnginSoftSpa.

Der Vorteil eines Doppelschneckenextruders gegenüber einem Einschneckenextruder besteht darin, dass bei einem Extrusionssystem mit zwei Schnecken ein guter Materialfluss nicht von den Fließeigenschaften des Materials abhängt, da zwei Schnecken die Pumpleistung erhöhen. Außerdem ist in einem Doppelextrudersystem der Wärmeübergang vom Zylinder zum Material gleichmäßiger und schneller als in einem Einschneckensystem.

Einige Schnecken enthalten keinen Mischteil, um das Gewicht und die Länge der Schnecke zu verringern. Ein Beispiel für einen Pellet-Extruder, dessen Schnecke keinen Mischteil enthält, ist der Dyze Pulsar Granulat-Extruder. Der Pulsar verfügt über ein spezieller Anti-Überlauf-Mechanismus, der in der Nähe der Düse angebracht ist. Dieser Zusatz verbessert die Durchmischung erheblich, indem er der Schmelze unmittelbar vor dem Durchgang zur Düse einen gewissen Mischweg und eine feste Trennung hinzufügt. Neben dem Anti-Ozing-Mechanismus verfügt der Pulsar über eine gute Scherung in der Schnecke selbst.

Video 2. Der Dyze Pulsar Pellet-Extruder bei der Arbeit. Quelle: Dyze Design.

Diese beiden Eigenschaften zusammen kompensieren das Fehlen der Mischstufe in der Schnecke und gewährleisten die richtige Homogenisierung der Polymermischung. Ein Versuch mit dem Dyze Pulsar Granulat-Extruder, einem Masterbatch aus PETG-Granulat und 1,6 % Farbgranulat führte zu einem zufriedenstellenden Ergebnis mit ausgezeichneter Farbkonsistenz und Materialhomogenität.

Bild 4: Ein Versuch mit dem Dyze Pulsar Granulat-Extruder, einem Masterbatch aus PETG-Granulat und 1,6 % Farbgranulat. Quelle: Dyze Design.

Die Compoundierung von Kunststoffen mittels Granulatmischung ist eine Technologie, die es mittleren und großen Herstellern nicht nur ermöglicht, den Zeit- und Kostenaufwand für die Produktion zu verringern, sondern auch mehr Kontrolle über die Polymermischung für bestimmte Anwendungen zu haben, da spezielle Granulate und Filamente aus Kunststoffgranulat als Basis und einem Zusatz von Farb- oder Additiv-Masterbatch hergestellt werden können.