Extrudieren eines Profils und Blasfolienherstellung

Eine Düse eines 3D-Druckers ist eine Extrusionsdüse, und sie quillt auf wie eine solche. Dies ist die sauberste Demonstration, die sich auf einer Werkbank durchführen lässt. Heizen Sie den Hotend auf Drucktemperatur auf, wobei die Düse frei über dem Bett steht, und extrudieren Sie langsam in die Luft. Fangen Sie den Strang auf, lassen Sie ihn abkühlen und messen Sie ihn mit dem Mikrometer. Er ist **größer als die Düse**. Eine 0,4-mm-Düse ergibt typischerweise einen freien Strang von 0,45 bis 0,55 mm, je nach Polymer und Temperatur. Führen Sie dies für PLA, PETG und ABS durch und tabellieren Sie das Aufquellverhältnis für jedes. Ändern Sie dann die Bedingungen und beobachten Sie, wie sich das Verhältnis verschiebt: - **Extrudieren Sie schneller.** Das Aufquellen nimmt zu, weil die Ketten in der Düse stärker gedehnt werden und stärker zurückschnellen. - **Extrudieren Sie heißer.** Das Aufquellen nimmt ab, weil die Ketten Zeit haben, sich zu entspannen, bevor sie erstarren. Jetzt heben Sie es auf. Extrudieren Sie in die Luft und ziehen Sie den Strang mit einer Pinzette schneller weg, als er austritt. Messen Sie erneut: Der Strang ist dünner als die Düse. Das ist **Abzug (Draw-down)**, und in einer echten Anlage übernimmt die Abzugseinheit genau diese Aufgabe mit kontrollierter Geschwindigkeit. Diese beiden gegenläufigen Effekte sind der Kern der Profilextrusionsregelung. Schritt 4 quantifiziert die Kombination.

Stelle nun einen Formabschnitt her statt eines runden. Du brauchst eine kleine Düse: eine Platte mit einem Schlitz oder einem Kreuzschnitt, montiert dort, wo der Strang austritt. Die günstigste funktionierende Variante ist eine **Düsenplatte für eine 3D-Drucker-Düse**: eine dünne Messing- oder Aluminiumplatte, gebohrt und mit einem 2 mm Schlitz gefeilt, etwa einen Millimeter unterhalb der Düse in einer Klemme gehalten, sodass das Extrudat hindurchgepresst wird. Grob, heiß und fummelig, aber sie zeigt die beiden wichtigsten Dinge. **Die Führungslänge (land).** Der parallele Abschnitt der Düse nach der Verjüngung. Eine kurze Führung ergibt mehr Aufquellen und eine rauere Oberfläche; eine längere Führung lässt die Ketten innerhalb der Düse relaxieren und ergibt einen gleichmäßigeren, genaueren Querschnitt. Fertige zwei Platten an, eine mit 1 mm und eine mit 4 mm Führungslänge, und vergleiche das Extrudat. **Ungleichmäßiger Fluss.** Extrudiere durch einen Schlitz, der an einem Ende breiter ist. Die Schmelze tritt dort schneller aus, wo die Düse offener ist, daher biegt sich das Profil beim Austritt zur langsamen Seite. Jedes asymmetrische Profil verhält sich so, und eine echte Düse wird absichtlich mit ungleichen Führungslängen gefertigt, um den Fluss auszugleichen – deshalb wird eine Extrusionsdüse an der Maschine von Hand abgestimmt und nicht bereits im CAD-Stadium fertiggestellt. Kühle das Extrudat so, wie es eine echte Linie tut: Führe es durch eine flache Wasserwanne wenige Zentimeter von der Düse entfernt. Beachte, dass zu schnelles Abkühlen die Außenseite erstarren lässt, während sich das Innere noch zusammenzieht, und der Querschnitt sich verbiegt. Schmelzflüssiges Polymer bei 200–260 °C, eine heiße Messingplatte und Wasser in unmittelbarer Nähe. Gesichtsschutz, Handschuhe, eine stabile Klemme, und jage einen herabfallenden heißen Strang niemals mit den Händen hinterher.

Geblasene Folie ist Extrusion mit hochgedrehter Streckung: Die Schmelze verlässt eine ringförmige Düse als dünner Schlauch, Luft bläst ihn auf das Mehrfache seines Durchmessers auf, während eine Walzenquetsche ihn nach oben zieht, und zwar um ein Vielfaches schneller, als er ausgetreten ist. Er erstarrt mitten in der Luft, gestreckt in beide Richtungen zugleich. Auf einer Werkbank kann man keine Folie blasen, aber man kann die *Eigenschaft* erzeugen, die sie hat, und zeigen, dass sie wichtig ist, und genau das ist der Teil, der es wert ist, ihn zu kennen. Nimm eine Tragetasche oder ein Stück Verpackungsfolie. Schneide zwei Streifen, einen in Walzenlaufrichtung und einen quer dazu. Die Walzenlaufrichtung ist meist an den Falzlinien oder an einem Aufdruck erkennbar. Reiße beide von Hand. Einer reißt sauber und leicht in einer geraden Linie; der andere widersteht und wandert ab. Dann ziehe beide mit der Federwaage bis zum Bruch und notiere die Kraft. Dieser Unterschied ist die **Orientierung**: Die Ketten sind in einer Richtung stärker ausgerichtet als in der anderen, daher ist die Folie entlang dieser Richtung stark und reißt zwischen ihnen. Eine Tasche, die sich über ihre Länge wunderbar reißen lässt, quer dazu aber nicht, ist eine Tasche, deren Aufblasverhältnis und Abzugsverhältnis nicht ausgewogen waren. Mache nun denselben Test an einem Stück **Gießfolie** – Frischhaltefolie oder ein Bogen aus dem Bestand der Vakuumformstufe. Sie verhält sich in beide Richtungen deutlich gleichmäßiger, und sie ist außerdem schwächer. Darin liegt der Kompromiss: Orientierung verschafft Festigkeit in der Richtung, in der man orientiert, und nimmt sie der anderen Richtung weg. Behalte dieses Ergebnis im Kopf. Die nächste Stufe treibt es viel weiter und macht daraus eine Flasche.

**Zuschreibung, ehrlich dargestellt.** Für diese Stufe wird kein einzelnes Patent beansprucht. Die Schneckenextrusion von Kunststoffen entstand im Laufe des neunzehnten Jahrhunderts aus der Gummiindustrie und war in den 1930er Jahren gut etabliert. Der Katalog führt bereits die Stufe der Bleirohrextrusion als deren metallverarbeitenden Vorläufer. Dutzende Anmeldungen betreffen bestimmte Werkzeuge, Schnecken und Kompensationen der Düsenaufweitung. Keine davon ist *das* Extrusionspatent, und eines zu behaupten hieße, eine Ordnung zu erfinden, die die Geschichte so nicht hat. **Was es für die Wirtschaftlichkeit leistet.** Extrusion ist der günstigste Weg, Polymer in brauchbare Geometrie zu überführen, weil das Werkzeug kontinuierlich läuft und seine Kosten über die Länge statt über einzelne Teile verteilt werden. Deshalb werden die billigsten Kunststoffgegenstände der Welt, etwa Folie, Beutel, Rohr und Profil, extrudiert, und deshalb kann ein kleines Spritzgussteil mehr kosten als ein Meter extrudiertes Profil, das zehnmal so viel wiegt. **Orientierung ist die Idee, die man mitnehmen sollte.** Alles, was in einer Folien- oder Faserlinie nach der Düse kommt, dient dazu, das Polymer zu strecken, während es erstarrt, denn Strecken richtet die Ketten aus, und ausgerichtete Ketten sind deutlich fester. Die nächste Stufe ist dasselbe Prinzip, gezielt in zwei Richtungen angewandt, um eine Flasche herzustellen, die fünf bar hält. **Ehrliche Grenzen.** Extrusion erzeugt konstante Querschnitte und sonst nichts. Jede Veränderung entlang der Länge muss nachträglich hinzugefügt werden. Die Toleranzen sind deutlich weiter als beim Spritzguss und schwanken mit Linien­geschwindigkeit, Schmelztemperatur und Abkühlung. Die Düsenaufweitung lässt sich für einen realen Compound nicht mit brauchbarer Genauigkeit berechnen, daher werden Düsen gefräst, gefahren, vermessen und nachgearbeitet. Die Laborarbeit in Schritt 2 ist eine kleine, ehrliche Version genau dieser Schleife. Außerdem verzeiht der Prozess feuchtes Ausgangsmaterial nicht: Hygroskopische Polymere müssen getrocknet werden, sonst verdampft das Wasser in der Düse zu Dampf, und das Extrudat kommt geschäumt und mit Schlieren heraus.