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29.09.2017

60 Jahre Doppelschneckenextruder-Entwicklung

Vom zweiwelligen Schneckenkneter zum Hochleistungsextruder

Der „Zweiwellige Schneckenkneter“ (ZSK), der Urvater aller Doppelschneckenextruder, feiert seinen 60. Geburtstag. Als Werner & Pfleiderer, heute Coperion GmbH, im Jahr 1957 das erste Modell dieser gleichsinnig-drehenden, dichtkämmenden Maschinen ausgeliefert hat, war deren seither durchlaufene, rasante Entwicklung kaum vorstellbar.

  • Der Urvater aller ZSK-Doppelschneckenextruder: Der von Rudolf Erdmenger gebaute Prototyp mit Kardanwellenantrieb und zahlreichen Entlüftungsdomen (© Coperion)

    Der Urvater aller ZSK-Doppelschneckenextruder: Der von Rudolf Erdmenger gebaute Prototyp mit Kardanwellenantrieb und zahlreichen Entlüftungsdomen (© Coperion)

  • Moderner Hochleistungsextruder: Der Typ ZSK Mc18 mit 18 Nm/cm³ spezifischem Drehmoment und einem Da/Di von 1,55 für die Aufbereitung von Produkten mit hohem Drehmomentbedarf, z. B. einige technische Kunststoffe (© Coperion)

    Moderner Hochleistungsextruder: Der Typ ZSK Mc18 mit 18 Nm/cm³ spezifischem Drehmoment und einem Da/Di von 1,55 für die Aufbereitung von Produkten mit hohem Drehmomentbedarf, z. B. einige technische Kunststoffe (© Coperion)

  • Hygienic-Design-Ausführung: Doppelschneckenextruder ZSK Mv Plus mit 54 mm Schneckendurchmesser speziell für die hohen Anforderungen der Lebensmittelproduktion  (© Coperion)

    Hygienic-Design-Ausführung: Doppelschneckenextruder ZSK Mv Plus mit 54 mm Schneckendurchmesser speziell für die hohen Anforderungen der Lebensmittelproduktion (© Coperion)

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Sie führte von einem aus heutiger Sicht relativ einfachen Kneter mit 170 kg/h Durchsatz zu anspruchsvollen Hochleistungs-Aufbereitungsmaschinen für vielfältige Aufgaben in der Kunststoff-, Chemie-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie.

In vier Jahren vom Prototyp zur Serienreife

Die ersten Entwicklungen des noch heute in allen ZSK-Modellen verwendeten Funktionsprinzips gehen auf die Arbeiten von Rudolf Erdmenger bei Bayer, Leverkusen, zurück, die er 1943 gemeinsam mit Walter Meskat im IG-Werk Wolfen begann und ab 1945 in der Arbeitsgruppe „Hochviskostechnik“ weiterführte. Dort entwickelte er ein Dichtprofil für gleichsinnig drehende, ineinander greifende Schnecken.

Dies war die Geburtsstunde des selbstreinigenden ZSK-Doppelschneckenextruders, der unabhängig von der Viskosität und den Reibeigenschaften des Füllguts funktionstüchtig ist. Anders als bei den heutigen ZSK-Doppelschneckenextrudern waren die Schnecken bei diesem ersten Prototyp noch übereinander angeordnet.

Werner & Pfleiderer erwarb bereits 1953 eine exklusive Lizenz für diese Maschine von Bayer und entwickelte sie in weiteren vier Jahren zur Produktionsreife.

Durchsatz um Faktor 35 gesteigert

Seither hat der ZSK-Doppelschneckenextruder eine enorme Leistungssteigerung erfahren: Bezogen auf den gleichen Achsabstand ist der Durchsatz heute 35-mal so groß wie zu Beginn. Darüber hinaus können Compoundiermaschinen beim Aufbereitungsprozess heute eine wesentlich größere Zahl verfahrenstechnischer Aufgaben übernehmen, weil das Verfahrensteil, das ursprünglich bei 6 D (also dem sechsfachen Schneckendurchmesser) lag, heute auf bis zu 80 D verlängert werden kann.

Zugleich ist die nutzbare Leistung rasant gewachsen. Lag das spezifische Drehmoment der ersten ZSK noch bei 3,7 Nm/cm³, so erreicht der Mv Plus heute 11,3 Nm/cm³ und der Hochleistungsextruder Mc18 sogar 18 Nm/cm³.

Dies und die ebenfalls realisierte, erhebliche Drehzahlsteigerung von 150 min-1 auf 1200 min-1 bzw. 1.800 min-1 – die anfangs von Fachleuten zum Teil durchaus kritisch gesehen wurde – haben gemeinsam die heutigen, enorm hohen Durchsatzraten der ZSK ermöglicht.

Wichtige Entwicklungsschritte

Die heute erreichte Leistungsfähigkeit und Flexibilität des ZSK-Doppelschneckenextruders sind das Ergebnis kontinuierlicher Entwicklungsarbeiten der Ingenieure von Werner & Pfleiderer und Coperion. Markante Entwicklungsschritte waren dabei:

  • der Übergang zu einem Verfahrensteil mit variablen Gehäuseelementen und mit Schnecken, die aus unterschiedlichen Schneckenelementen zusammengesetzt sind. Dies schafft Flexibilität, um unterschiedliche verfahrenstechnische Aufgaben kostengünstig zu lösen.
  • die Entwicklung der Verbindung zwischen Schneckenwelle und Schneckenelementen vom einfachen Nut-Feder-Prinzip über eine Vielkeilwelle bis zur hoch beanspruchbaren Evolventenverzahnung . Sie wird mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode optimiert, in einem speziellen Fertigungsverfahren hergestellt und kann heute geforderte hohe Drehmomente übertragen.
  • die Einführung verbesserter Werkstoffe und Fertigungsverfahren. Mit ihnen ließ sich das Verhältnis von Außen zu-Innendurchmesser der Schnecke (Da/Di) von ursprünglich 1,22 auf heute 1,55 (Mc18 und MEGAcompounder) und 1,80 (Mv Plus) steigern und damit das freie Volumen im Prozessraum entscheidend vergrößern.
  • zahlreiche Entwicklungen mit dem Ziel, das heute zur Verfügung stehende hohe Drehmoment voll auszuschöpfen. Beispiel dafür ist die Feed Enhancement Technology (FET) für den deutlich verbesserten Einzug von Füllstoffen mit geringer Schüttdichte sowie die effiziente, betriebssichere Seitenentgasung ZS-EG.
  • die Entwicklung einer Vielzahl von Materialien und Beschichtungen für die produktberührenden Flächen der Schnecken und Gehäuse, um eine lange Betriebsdauer des Verfahrensteils und eine hohe Reinheit der erzeugten Produkte zu ermöglichen.

Was die Zukunft bringt

Heute spielen Themen wie Energieeffizienz, Ressourcenschonung und die Einbindung der Hochleistungsextruder in das digitale Umfeld der Unternehmen eine zunehmende Rolle. „Mit unserer neuesten Entwicklung, den kürzlich eingeführten Involuten Schneckenelementen, steigern wir zudem in vielen Prozessen die Durchsatzleistung und die Produktqualität um ein Vielfaches und tragen somit zur effizienteren Nutzung der Anlagen und Ressourcen bei“, so Frank Lechner, Head of Process Technology bei Coperion. (kk)

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Unternehmensinformation

Coperion GmbH

Theodorstr. 10
DE 70469 Stuttgart
Tel.: 0711 897-2515
Fax: 0711 897-3981

Weiterführende Information
  • Erschienen in Kunststoffe 05/2017

    Extruder-Schneckenelemente mit Evolventenverzahnung

    Höhere Durchsätze, geringere Energieeinleitung

    Um die Durchsatzraten seiner Extruder der Baureihe ZSK zu erhöhen, hat Coperion spezielle Schnecken- und Knetelemente mit Evolventenverzahnung entwickelt. Die Schnecken sollen sich insbesondere für Anwendungen eignen, bei denen die Dispergierleistung eine Beschränkung darstellt.   mehr

    Coperion GmbH

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