Extrusion von Kunststoffen als Übersicht der Verfahren

Das Wichtigste auf einen Blick

• Extrusion ist ein kontinuierliches Verfahren: Fördern, Aufschmelzen, Homogenisieren, Formen, Kalibrieren und Abziehen laufen ohne Taktzeit ab.
• Kernstück ist der Einschneckenextruder mit Einzugszone, Kompressionszone und Meteringzone, ergänzt durch Schmelzepumpe, Filtration und Düse.
• Die Düsenbauform bestimmt das Erzeugnis: Breitschlitzdüse für Platten und Flachfolien, Ringdüse für Blasfolien, Rohrkopf für Rohre und Profildüse für Profile.
• Profilextrusion, Blasfolienextrusion und Rohrextrusion unterscheiden sich in Strömungsführung, Kalibrierung und Abzugsorganisation.
• Schmelzetemperatur, Schmelzedruck und Schergeschwindigkeit entscheiden über Maßhaltigkeit, Oberfläche und Festigkeit der erzeugten Halbzeuge.

Der Extrusionsprozess Schritt für Schritt

Thermoplastische Kunststoffe lassen sich wiederholt aufschmelzen und erstarren. Diese Eigenschaft nutzt die Extrusion: Das Material durchläuft eine Maschine kontinuierlich und verlässt sie als endloser Strang mit definiertem Querschnitt.

Der Vorgang beginnt an der Dosierung. Granulat, Pulver oder Mahlgut fällt aus dem Trichter in den Einzugsbereich der Schnecke, deren Gangtiefe dort am größten ist. Reibung zwischen Gut und Zylinderwand erzeugt den Vortrieb.

Der weitere Ablauf folgt einer festen Reihenfolge:

1. Einziehen und Fördern: Die Schnecke transportiert das rieselfähige Gut in Richtung Düse.
2. Aufschmelzen: Heizbänder und dissipative Scherwärme wandeln das Granulat in Schmelze um.
3. Homogenisieren: Die Meteringzone baut Druck auf und gleicht Temperatur sowie Viskosität aus.
4. Formgeben: Die Schmelze durchströmt die Düse und nimmt deren Querschnitt an.
5. Kalibrieren und Kühlen: Wasser, Luft oder Vakuum fixieren die Geometrie, danach folgt der Abzug.

Die Schritte sind eng gekoppelt. Eine höhere Drehzahl steigert den Durchsatz, erhöht aber auch die Schergeschwindigkeit und damit den Temperatureintrag in die Schmelze.

Kühlt die Schmelze zu stark ab, fehlt der Druck für eine saubere Formgebung. Wird sie zu heiß, sinkt die Viskosität, und das Erzeugnis verliert an Maßhaltigkeit.

Aufbau und Komponenten einer Extrusionsanlage

Der Einschneckenextruder ist die Standardmaschine der Extrusion. Eine rotierende Schnecke läuft in einem beheizbaren Zylinder, dessen Innendurchmesser je nach Anwendung zwischen 20 und 200 Millimetern liegt.

Das Verhältnis von Schneckenlänge zu Durchmesser, angegeben als L/D, beträgt bei Aufschmelz- und Förderaufgaben meist 20 bis 35. Höhere Werte verbessern die Homogenisierung, kosten aber Drehmoment.

Die Schnecke gliedert sich in drei Funktionsabschnitte. Die Einzugszone mit großer Gangtiefe nimmt das Gut auf, die Kompressionszone verdichtet es unter steigendem Druck, die Meteringzone fördert die homogenisierte Schmelze zur Düse.

Hinter dem Extruder folgen je nach Aufgabe Schmelzepumpe, Siebwechsler oder Schmelzefilter und schließlich die Düse. Schmelzefiltration und Prozessüberwachung von Gneuß setzen an dieser Stelle mit Sieben und Drucksensoren an.

Der Druck vor der Düse liegt je nach Werkstoff und Querschnitt häufig zwischen 100 und 400 bar. Ein steigender Druck bei konstanter Drehzahl weist auf zusetzende Siebe oder auf Degradation hin.

Zentrales Element der Formgebung ist die Düse. Die Breitschlitzdüse erzeugt flache Stränge: Ein Verteilerkanal führt die Schmelze vom runden Extruderaustritt auf die volle Arbeitsbreite.

Im Inneren der Breitschlitzdüse sorgt ein Drosselsteg für gleichmäßige Strömung, während verstellbare Lippen die Dicke des austretenden Flachstrangs festlegen.

Eine falsche Lippeneinstellung oder ein ungleichmäßiger Verteilerkanal erzeugen typische Fehler: Randschwund, Dickenunterschiede über die Breite und Wellen im Randbereich.

Neben der Breitschlitzdüse gibt es Ringdüsen für Schläuche und Blasfolien, Rohrköpfe mit Dorn sowie Profildüsen, deren Kanal dem Zielquerschnitt folgt.

Von der Schnecke zur Schmelze: Mischen, Entgasen, Energieeintrag

Rund zwei Drittel der Energie, die zum Aufschmelzen nötig ist, stammen aus mechanischer Reibung. Nur der Rest kommt über Heizbänder in den Zylinder.

Deshalb wirkt die Drehzahl doppelt: Sie bestimmt den Durchsatz und sie bestimmt, wie viel Scherwärme die Schmelze aufnimmt.

Für Mischaufgaben erhalten Schnecken zusätzliche Elemente. Mischstifte, Scheiben oder Barrierestufen teilen den Schmelzestrom und gleichen Temperaturunterschiede aus.

Enthält das Gut Feuchtigkeit oder Lösungsmittel, kommt eine Entgasungszone hinzu. Dort fällt der Druck ab, und ein Vakuum zieht die flüchtigen Bestandteile aus der Schmelze.

Abrasiv gefüllte Compounds mit Glasfasern oder Mineralien verschleißen Schnecke und Zylinder. Verschleißfeste Werkstoffe und bimetallische Auskleidungen verlängern die Standzeit.

Düsenbauformen und Strömungsführung

Die Düse verteilt die Schmelze und gibt ihr die endgültige Form. Ihre Auslegung folgt dem Ziel, alle Bahnen möglichst gleich lang und gleich dick zu halten.

Bei der Breitschlitzdüse unterscheidet man Fischschwanz- und Kleiderbügelverteiler. Der Kleiderbügelverteiler sorgt über breite Düsen für gleichmäßigere Austrittsgeschwindigkeiten.

Der Drosselsteg vor den Lippen erzeugt einen zusätzlichen Druckverlust. Dieser Verlust verteilt sich gleichmäßig über die Breite und glättet Unterschiede aus dem Verteilerkanal.

Bei Profildüsen ist die Aufgabe schwieriger. Dünne Stege und massive Bereiche liegen nebeneinander, sodass der Kanal bewusst unterschiedlich gedrosselt wird.

Rohrköpfe arbeiten mit einem Dorn, der zentrisch in der Schmelze gehalten wird. Eine Verschiebung des Dorns verändert sofort die Wanddickenverteilung.

Nachfolgeeinheiten: Kalibrieren, Kühlen, Abziehen, Wickeln

Nach der Düse folgt die Kühlstrecke. Sie entzieht der Schmelze so viel Wärme, dass die Geometrie erhalten bleibt, bevor der Strang den Abzug erreicht.

Die Kalibrierung fixiert die Außenmaße. Vakuumkalibrierungen saugen den Strang an wassergekühlte Formflächen, Trockenkalibrierungen arbeiten mit Gleitflächen.

Der Abzug zieht den Strang mit konstanter Geschwindigkeit aus der Düse. Er gleicht den Volumenstrom aus, den der Extruder liefert.

Am Ende der Linie stehen Trenneinheiten wie Säge oder Messer sowie Wickler, Haspeln oder Stapelvorrichtungen. Sie bestimmen die Lieferform.

Alle Nachfolgeeinheiten müssen aufeinander abgestimmt sein. Eine Abweichung im Abzug überträgt sich unmittelbar auf Querschnitt und Oberfläche.

Profilextrusion: Formgebung mit engen Toleranzen

Bei der Profilextrusion verlässt ein strangförmiger Querschnitt die Düse. Fensterprofile, Dichtungen, Kabelkanäle und Nut-und-Feder-Systeme entstehen in diesem Verfahren.

Nach dem Austritt wird das Profil kalibriert. In der Vakuumkalibrierung legt sich der Strang an wassergekühlte Formbacken, während Unterdruck die Außenkontur an die Kalibrierwand zieht.

Die Herausforderung liegt im Strömungsgleichgewicht der Düse. Bereiche mit großem Querschnitt fördern mehr Schmelze als dünne Stege, weshalb Düsenkanäle bewusst unterschiedlich gedrosselt werden.

Materialverzug und Schwindung hängen vom Werkstoff ab. PVC-U und Polyamid zeigen unterschiedliche Schwindungswerte, weshalb die Düsenauslegung für jede Rezeptur getrennt erfolgt.

Ein zu hoher Abzug streckt das Profil in Längsrichtung und verringert den Querschnitt. Ein zu niedriger Abzug lässt die Strangoberfläche wellig werden.

Blasfolienextrusion: Ringdüse, Blasverhältnis und Frostlinie

Aus der Ringdüse tritt ein Schlauch aus, der über einen Blasdorn geführt und mit Luft aufgeblasen wird. Die Folie erhält dadurch ihre Breite und ihre Wanddicke.

Das Verhältnis von aufgeblasener Folienbreite zu Düsenspaltbreite heißt Blasverhältnis. Übliche Werte liegen zwischen 1,5 und 4, abhängig von Einsatzzweck und Werkstoff.

Die Frostlinie markiert den Bereich, in dem die Schmelze erstarrt. Ihre Höhe steuert Orientierung, Reißfestigkeit und Optik der Folie.

Ein Luftkühlring führt die Kühlluft gleichmäßig um den Schlauch. Ungleichmäßige Kühlung verschiebt die Frostlinie und erzeugt Dickenunterschiede rund um den Umfang.

Anschließend wird der Schlauch flachgelegt, über Umlenkwalzen geführt und aufgewickelt. Die Folie ist beidseitig verschlossen und lässt sich direkt zu Beuteln oder Verpackungen weiterverarbeiten.

Rohrextrusion: Rohrkopf, Vakuumkalibrierung und Maßhaltigkeit

Rohre entstehen aus einem Rohrkopf mit Innendorn. Der Dorn formt die Innenkontur, die Düsenhülse die Außenkontur, und ein Dornhalter stützt den Dorn in der Schmelzeströmung.

Nach dem Austritt läuft der Rohrstrang in ein Vakuumkalibrierbecken. Außenkalibrierhülsen ziehen das Rohr auf den Nenndurchmesser, während Innenluft den Querschnitt offen hält.

Die Maßhaltigkeit hängt von mehreren Größen ab: Schmelzetemperatur, Abzugsgeschwindigkeit, Unterdruck und Temperatur des Kühlwassers. Schon eine Abweichung verändert die Wanddicke.

Druckrohre aus PE für die Wasserversorgung werden nach DIN EN 12201 gefertigt, die Abmessungen und Werkstoffanforderungen festlegt.

Ultraschallmessungen im laufenden Betrieb zeigen Wanddicke und Exzentrizität. Weicht die Wanddicke über den Umfang ab, ist häufig der Dorn nicht mittig ausgerichtet.

Die drei Verfahren im direkten Vergleich

Verfahren	Düsenbauform	Kalibrierung	Typische Erzeugnisse
Profilextrusion	Profildüse mit gedrosselten Stegen	Vakuum- oder Trockenkalibrierung	Fensterprofile, Dichtungen, Kabelkanäle
Blasfolienextrusion	Ringdüse mit Blasdorn und Luftkühlring	Blasverhältnis und Frostlinie, keine starre Kalibrierung	Verpackungsfolien, Agrarfolien, Beutel
Rohrextrusion	Rohrkopf mit Dorn und Dornhalter	Vakuumkalibrierbecken mit Innenluft	Druckrohre, Kanalrohre, Schutzrohre

In allen drei Fällen bleibt das Grundprinzip gleich: Eine Schnecke schmilzt den Werkstoff auf, eine Düse formt ihn, eine Kühlstrecke fixiert die Geometrie.

Der Unterschied liegt in der Freiheit der Formgebung und in der Art, wie die Kontur gehalten wird.

Profile verlangen eine feste Kalibrierwand, Rohre eine runde Kalibrierhülse mit Innendruck. Folien werden dagegen über Luft geführt und erst durch Abkühlung stabil.

Werkstoffe und ihre Verarbeitungsfenster

Die Werkstoffauswahl bestimmt Temperaturführung, Schneckengeometrie und Trocknung. Polyolefine wie PE und PP gelten als unkritisch, weil sie kaum Feuchtigkeit aufnehmen.

PE wird meist zwischen 160 und 220 Grad Celsius verarbeitet, PP zwischen 200 und 260 Grad. Die genauen Werte liefert das Datenblatt des Herstellers.

PVC-U verlangt besondere Sorgfalt. Die Schmelze neigt bei zu hoher Temperatur und langer Verweilzeit zur Zersetzung, weshalb Stabilisatoren und kurze Verweilzeiten nötig sind.

Technische Kunststoffe wie PA, PET und PC sind hygroskopisch. Ohne Vortrocknung führt Restfeuchte zur Hydrolyse, sichtbar an Blasen, Schlieren und sinkender Festigkeit.

Extrudierte Halbzeuge aus Platten, Stäben und Rohren werden oft spanend weiterverarbeitet. Technische Daten von Ensinger zu Halbzeugen helfen bei der Werkstoffauswahl und der Auslegung.

Coextrusion und Mehrschichtprodukte

Für Barrierewirkungen kombiniert man mehrere Werkstoffe in einer Düse. Dieses Verfahren heißt Coextrusion und erzeugt Schichten mit unterschiedlichen Aufgaben.

Eine typische Struktur besteht aus Außenschicht, Haftvermittler und Barriereschicht. Als Barrierewerkstoff dient häufig EVOH, das Sauerstoff und Aromen zurückhält.

Mehrschichtdüsen arbeiten nach zwei Prinzipien. Beim Mehrfachverteiler entsteht jede Schicht in einem eigenen Kanal, beim Adapter werden die Ströme vor der Düse zusammengeführt.

Entscheidend ist die Schichtdickenverteilung. Unterschiedliche Viskositäten der Schmelzen verschieben die Grenzflächen und damit die Barrierewirkung.

Prozessgrößen und Fehlerbilder

Viele Störungen lassen sich auf wenige Ursachen zurückführen. Ich ordne sie nach ihrer Wirkungskette.

Steigt die Schmelzetemperatur, sinkt die Viskosität. Der Druck vor der Düse fällt, die Strömung wird instabiler, und die Oberfläche kann Schlieren zeigen.

Hohe Drehzahlen erhöhen die Schergeschwindigkeit. Überschreitet sie die Werkstoffgrenze, zerfallen Molekülketten, und die Mechanik des Halbzeugs verschlechtert sich dauerhaft.

Bei PA und PC führt Restfeuchte im Granulat zur Hydrolyse. Die Schmelze schäumt, die Oberfläche zeigt Fehlstellen, und die Festigkeit sinkt.

Lange Verweilzeiten bei zu hoher Temperatur erzeugen Gelpartikel und Fischaugen. Diese Störstellen bleiben in der Folie sichtbar.

Zusetzende Siebe lassen den Druck steigen und mindern den Durchsatz. Ein Siebwechsler hält den Prozess am Laufen, ohne die Linie zu stoppen.

Beispielrechnung: Durchsatz und Abzugsgeschwindigkeit

Durchsatz, Querschnitt und Abzugsgeschwindigkeit hängen direkt zusammen. Die folgende Beispielrechnung zeigt diesen Zusammenhang für ein Flachprofil.

Beispielrechnung: Ein PP-Flachprofil ist 60 Millimeter breit und 3 Millimeter dick. Die Abzugsgeschwindigkeit beträgt 2 Meter pro Minute, die Dichte von PP liegt bei etwa 0,91 Gramm pro Kubikzentimeter.

Der Querschnitt ergibt sich zu 60 mal 3 gleich 180 Quadratmillimetern, also 1,8 Quadratzentimetern. Bei 200 Zentimetern pro Minute beträgt der Volumenstrom 360 Kubikzentimeter pro Minute.

Multipliziert mit der Dichte von 0,91 Gramm pro Kubikzentimeter ergibt sich eine Massenleistung von rund 328 Gramm pro Minute, also etwa 19,7 Kilogramm pro Stunde.

Wer die Abzugsgeschwindigkeit verdoppelt, verdoppelt auch den Durchsatz. Der Extruder muss diese Leistung dann über Drehzahl und Schneckengeometrie bereitstellen.

Reicht die Schmelzeleistung nicht aus, sinkt der Düsendruck. Das Profil wird dünner, die Maßhaltigkeit leidet, und die Oberfläche zeigt Einfallstellen.

Qualitätssicherung und Inline-Messung

Extrudierte Produkte werden während des Laufs gemessen, nicht erst danach. Ultraschall prüft Wanddicken an Rohren, optische Systeme erfassen Breite und Oberfläche.

Röntgen- und Wirbelstromsensoren zeigen Schichtdicken bei Mehrschichtfolien. Sie liefern die Daten, mit denen Regelkreise Abzug und Dicke nachführen.

Die Messwerte wandern in die Prozessdokumentation. Sie dienen dem Nachweis, dass Toleranzen über die gesamte Charge eingehalten wurden.

Normen, Prüfungen und rechtliche Vorgaben

Normen sichern die Vergleichbarkeit von Werkstoffen und Erzeugnissen. Die Schmelze-Massefließrate nach DIN EN ISO 1133 beschreibt das Fließverhalten eines Kunststoffs und dient als Eingangsprüfung.

Welche Normen und rechtlichen Rahmenbedingungen beim Deutschen Institut für Normung für ein Erzeugnis gelten, prüfen Hersteller vor der Markteinführung.

Wie Normen in der betrieblichen Praxis angewendet werden, zeigt sich in Prüfplänen, dokumentierten Messwerten und wiederkehrenden Abnahmen.

Fensterprofile aus PVC-U werden nach DIN EN 12608 geprüft, Rohre aus PE nach DIN EN 12201. Beide Normen legen Maße, Toleranzen und Prüfverfahren fest.

Auf europäischer Ebene steuert die Plastikstrategie der Europäischen Kommission die Anforderungen an Recyclingfähigkeit und Rezyklateinsatz.

Für extrudierte Verpackungsfolien bedeutet das steigende Anteile von Rezyklat. Rezyklate verändern Viskosität und Fließverhalten, weshalb Temperaturführung und Filtration angepasst werden müssen.

Checkliste zum Anfahren einer Extrusionslinie

1. Werkstoff prüfen: Charge, Restfeuchte und Fließfähigkeit vor dem Start kontrollieren.
2. Temperaturzonen aufheizen und die vollständige Aufheizzeit abwarten.
3. Düse, Kalibrierung und Abzug auf das Produkt einstellen.
4. Mit niedriger Drehzahl anfahren und Druck sowie Schmelzetemperatur beobachten.
5. Erst nach stabiler Schmelze auf Nenndrehzahl und Nennabzug hochfahren.

Ein zu schnelles Hochfahren überfordert die Kalibrierung. Das Profil reißt oder verzieht sich, weil die Kühlstrecke die Wärme nicht schnell genug abführt.

Ein zu langsames Anfahren verlängert dagegen die Verweilzeit im Zylinder. Thermoempfindliche Werkstoffe wie PVC-U können dabei bereits Schaden nehmen.

Häufige Fragen

Was unterscheidet Extrusion vom Spritzguss?

Beim Spritzguss wird jede Formfüllung getaktet, beim Extrudieren läuft das Material kontinuierlich. Spritzguss erzeugt diskrete Teile, die Extrusion endlose Stränge und Halbzeuge.

Wie viele Zonen hat eine Extruderschnecke?

Standardausführungen haben drei Funktionszonen: Einzug, Kompression und Metering. Für Mischaufgaben kommen zusätzliche Misch- und Scherelemente hinzu.

Warum ist die Frostlinie bei der Blasfolienextrusion wichtig?

An der Frostlinie erstarrt die Schmelze. Ihre Höhe beeinflusst Orientierung, Reißfestigkeit und Dickenverteilung der Folie.

Wie wird ein Rohr nach der Extrusion kalibriert?

Außen sorgt eine Vakuumkalibrierung für den Nenndurchmesser, innen hält Druckluft den Querschnitt offen. Beide Größen müssen aufeinander abgestimmt sein.

Welche Rolle spielt Recycling bei extrudierten Produkten?

Rezyklate sind ein wachsender Rohstoffstrom. Sie verändern Viskosität und Verarbeitungsfenster, sodass Drehzahl, Temperatur und Filtration angepasst werden müssen.