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In der Kunststoffindustrie setzen wir die Extrusion ein, um Folien, Platten, Rohre und Profile herzustellen. Extruder mit einer angeschlossenen Blasformeinheit verwenden wir, um Flaschen, Kanister, Tanks und andere Behälter zu fertigen. Bei dieser Fertigungstechnik ist der Schneckenextruder am weitesten verbreitet.

Energieeffiziente Schneckenantriebe für Extruder

Neben der Heizung ist in einem Extruder der Schneckenantrieb einer der Hauptenergieverbraucher. Um den gesetzlichen Vorgaben, den steigenden Strompreisen und der Forderung nach einem kleineren  CO2-Fußabdruck begegnen zu können, ist der Schneckenantrieb ein guter Ansatzpunkt, um die Energieeffizienz von Produktionsmaschinen zu steigern.

Dabei gibt es erprobte Lösungen, die zu einer verbesserten Gesamtenergieeffizienz des Extruders führen können.

Verschiedene Antriebsvarianten für Schneckenextruder

Welcher Antrieb die richtige und beste Wahl ist, hängt von den jeweiligen Prozessanforderungen ab.

Grundsätzlich kommen für den Betrieb einer Extruderschnecke drei verschiedene elektrische Antriebssysteme in Betracht:

Asynchronmotoren

In vielen Extrudern werden die robusten Asynchronmotoren eingesetzt. Denn wegen ihrer Vielseitigkeit ermöglichen sie die Nutzung in verschiedenen Anwendungen und sorgen für eine gute Betriebseffizienz der Produktionsanlage. Erhältlich sind sie sowohl in luft- als auch in wassergekühlter Form.

Allerdings ist ihr Bedarf an Bauraum etwas größer.

Zudem sind ihre Präzision und Dynamik begrenzt. Asynchronmotoren sind in vielen Einsatzzwecken die richtige Lösung. Das gilt vor allem dann, wenn die Anwendungen weniger komplex sind und genug Bauraum zur Verfügung steht.

Synchronantriebe

Um Maschinenkonzepte energieeffizienter auszugestalten, bieten sich Synchronantriebe mit Getriebe oder als Direktantrieb an. Im Vergleich zu Asynchronmotoren haben Synchronmotoren einen höheren Wirkungsgrad über einen weiten Drehmoment- und Drehzahlbereich. Das kann vor allem dann mit Energieeinsparungen einhergehen, wenn ein breiter Materialmix verarbeitet wird.

Permanenterregte Synchronmotoren in Kombination mit einer feldorientierten Regelung ermöglichen, die Drehzahl präzise zu steuern.

Deshalb sind Synchronantriebe die bevorzugte Wahl, wenn Anwendungen eine exakte Regelung der Geschwindigkeit oder ein konstantes Drehmoment erfordern. Ein weiterer Pluspunkt ist die höhere Leistungsdichte, die dazu führt, dass Synchronmotoren kompakter designt werden können als Asynchronmotoren.

Energieeffiziente Synchronmotoren können als Motor-Getriebe-Kombination in Schneckenantrieben mit einem Leistungsspektrum bis 300 kW eingesetzt werden.

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Eine wassergekühlte Ausführung verbessert den Wärmeübergang und optimiert so die erreichbare Nennleistung. Ein weiterer Pluspunkt der Wasserkühlung besteht darin, dass der Wärmemantel die Geräusche reduziert.

Schließt die Wasserqualität oder das Kühlkonzept eine Wasserkühlung aus, kann eine luftgekühlte Version eingesetzt werden. Hat diese nicht die Schutzart IP54, sondern die Schutzart IP23, kann die Leistungsdichte zusätzlich optimiert werden. Spezielle Dichtungen machen den Antrieb robust und sorgen dafür, dass zum Beispiel PVC-Pulver per Extrusion verarbeitet werden kann.

Direktantriebe

Verarbeiten Extruder unterschiedliche Materialien, laufen sie oft im Teillastbetrieb. Extruder, die Kunststoffe wie zum Beispiel PP oder PS verarbeiten, werden außerdem mit höheren Drehzahlen der Schnecke betrieben. Hier lohnt sich ein Direktantrieb, weil er den Wirkungsgrad im Teillastbereich verbessert.

Eine Steigerung der Drehzahl wirkt sich bei dieser Anwendung zudem positiv auf das Verhalten des Wirkungsgrads aus.

Ein weiterer Pluspunkt ist, dass mechanische oder hydraulische Übertragungselemente durch den Direktantrieb wegfallen. Vor allem bei höheren Drehzahlen hat das positive Effekte auf die Energieeffizienz der Anlage, den Lärmpegel und auch auf den Wartungsaufwand.

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Direktantriebe:
Direktantriebe mit einem breiten Drehmoment- und Drehzahlspektrum sind als hochpolige, permanenterregte Synchronmotoren in wasser- und luftgekühlter Ausführung erhältlich. Durch verschiedene Achshöhen kann die Baulänge fein abgestuft und der Plastifizierantrieb der Schnecke dadurch technisch und wirtschaftlich optimal ausgelegt werden. Eine Lösung mit Stirnradgetriebe ist ebenfalls verfügbar. Ebenso gibt es die Antriebe mit verschiedenen Wellen, wie zum Beispiel einer Vollwelle, einem Sackloch, einer Hohlwelle oder einer Innenverzahnung, um die Schnecke optimal aufzunehmen. Ein integriertes Drucklager kann Axialkräfte kompensieren.

Energieeffiziente Schneckenantriebe für Extruder (1)

Intelligente Regelungstechnik für mehr Effizienz

Als Ergänzung zum Motor sollte auch ein passender Servoumrichter zum Einsatz kommen. Eine feldorientierte Regelung sorgt für eine hohe Genauigkeit des Drehmoments und der Drehzahl sowie für eine präzise Regelgüte über einen weiten Stellbereich der Drehzahl und des Drehmoments.

Speziell für Extruder ist die Schnecken-Entspannfunktion eine intelligente Lösung. Dabei wird das Motordrehmoment über eine Rampe verringert, bevor der Extruder abschaltet. Weil die Schnecke dadurch nicht schlagartig entspannt und zurück federt, wird einem Verschleiß vorgebeugt.

Diese Funktion kann durch eine Blockadeüberwachung erweitert werden, die in den Servoantrieb integriert ist. Sie schützt die Schnecke vor einer Überlastung durch Materialstau. Die Software enthält zudem eine Funktion, durch die der Extruder frei gefahren werden kann. Das senkt das Risiko, dass die Schnecke bricht, aufwändig gereinigt werden muss oder die Produktivität verloren geht, weil der Extruder plötzlich abschaltet.

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Ein intelligentes Energiemonitoring im Servoantrieb bewirkt, dass der Energieverbrauch des Plastifizierantriebs ohne zusätzliche Sensorik erfasst werden kann. Verschleiß oder Potenziale zur Prozessoptimierung lassen sich so frühzeitig erkennen.

Bei energieeffizienten Lösungen für Extruder spielt auch die Antriebstopologie eine wesentliche Rolle. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie der Plastifizierantrieb intelligent in die Topologie eingebunden werden kann.

Komponenten der intelligenten Antriebstechnik für Extruder

Anreihtechnik für einen höheren Elektrifizierungsgrad

Für hybride Blasformmaschinen, die einen elektrischen Schneckenantrieb und eventuell eine elektrische Einspritzachse haben, ist eine Anreihtechnik mit einer Monoeinheit in einem Zwischenkreisverbund sinnvoll. Meist ist schon ein elektrischer Schneckenantrieb vorhanden, den eventuell weitere elektrische Achsen ergänzen.

Eine große und leistungsstarke Monoeinheit wird dann mittels intelligenter Verbindungstechnik direkt mit der Anreihtechnik verknüpft. Das spart nicht nur Platz im Schaltschrank, sondern ist auch einfach und kostengünstig zu realisieren. Denn beide Geräte nutzen die gleiche Firmware.

Weil der Engineering-Aufwand gering ist und eine separate Einspeisung entfällt, kann der Elektrifizierungsgrad der Blasformmaschine sehr wirtschaftlich gesteigert werden. Außerdem sorgt der gemeinsame DC-Zwischenkreis dafür, dass die generatorische Leistung zwischengespeichert und später wieder als motorische Leistung verwendet werden kann.

Extruderschnecken können mit Asynchronmotoren oder mit Synchronmotoren mit Getriebe oder im Direktantrieb laufen.

Entscheidend ist, dass ein geeigneter Motor für die Schnecke ausgewählt, optimal in die Maschinentopologie eingebunden und das Antriebssystem exakt dimensioniert wird. Damit ist die Grundlage geschaffen, um die Energieeffizienz zu optimieren, den ökologischen Fußabdruck zu reduzieren und zugleich eine gute Performance zu erzielen.

Elektrifizierung in hybriden Blasformmaschinen