Bei der Extrusion (von ‚hinausstoßen‘, ‚-treiben‘) werden plastisch verformbare bis dickflüssige Massen unter Druck kontinuierlich aus einer formgebenden Öffnung (auch Kalibrierung, Düse, Matrize oder Mundstück genannt) herausgepresst. Die geformte Masse wird als Extrudat bezeichnet und härtet in der Regel beim Austritt aus der Öffnung des Werkzeugs durch Abkühlung oder chemische Reaktion aus. Durch Extrusion können Profile mit komplexen Querschnitten in beliebiger Länge erstellt werden. Die Extrusion von keramischen Massen oder Metallen wird auch als Strangpressen bezeichnet.

Verfahren Produkte der Extrusionstechnik finden sich in zahlreichen Anwendungsgebieten wieder. Abhängig von den Eigenschaften des zu verarbeitenden Materials, der Druckerzeugung und dem gewünschten Ergebnis lassen sich unterschiedliche Verfahren unterscheiden. Bei der Kaltextrusion wird mit niedrigen Drücken, Temperaturen und Scherkräften, bei der Warmextrusion mit höheren Temperaturen und bei der Heißextrusion sowohl mit hohen Drücken als auch hohen Temperaturen gearbeitet. Das Zusammenführen von artgleichen oder fremdartigen Materialien vor dem Verlassen der Profildüse wird auch Koextrusion genannt.

Extruder Der Extruder wurde schon vor 1900 für die Kautschukindustrie eingesetzt. Nach einiger Zeit entdeckte auch die Lebensmittelindustrie vielseitige Verwendungsmöglichkeiten. Durch den großen Boom der Kunststoffindustrie Mitte des letzten Jahrhunderts hat sich der Extruder zudem als wichtiges verfahrenstechnisches Element in der kontinuierlichen Produktion von thermoplastischen Kunststoffartikeln etabliert.

Grundsätzlich können Extruder in zwei Prozessprinzipien unterteilt werden: Verarbeitungs- und Aufbereitungsextruder. Verarbeitungsextruder dienen hauptsächlich der Formgebung (in der Regel Kolben- und Einwellenextruder), während Aufbereitungsextruder der chemischen und physikalischen Modifizierung (reagieren, mischen, entgasen etc.) von Stoffen dienen (gleichlaufender dichtkämmender Doppelwellenextruder, Buss-Ko-Kneter etc.).

Je nach Produkt wird mit Drücken von 10 bis zu 1500 bar und Temperaturen von 60 bis 300 °C gearbeitet.

Kolbenextruder mini|Kolbenextrusion von Knetmasse mit einem Kinderspielzeug

Bei dieser Bauform wird der Druck mittels eines Kolbens erzeugt (engl. ram extrusion). Kolbenextruder werden vor allem eingesetzt, wenn sich das zu verarbeitende Material nicht mittels Schneckenextrudern verarbeiten lässt oder ein häufiger Produktwechsel durchgeführt werden soll, bei dem es im Schneckenextruder zur Vermischung der Rohstoffe käme.

Kolbenextruder werden häufig für keramische Materialien verwendet. Schneckenextruder haben in der Keramikproduktion den Nachteil, dass sich die Schnecken durch die abrasive Keramikmasse schnell abnutzen. Auch Materialien, die empfindlich auf Scherkräfte reagieren, sind in Kolbenextrudern besser zu verarbeiten. Kolbenextruder können schnell gereinigt werden und die Flächen, die in Kontakt mit der Extrusionsmasse treten, sind kleiner als bei Schneckenextrudern.

Durch Verwendung von entsprechend großen Zylindern kann semi-kontinuierlich und durch den parallelen Einsatz von zwei Kolbenextrudern kann ganz kontinuierlich produziert werden.

Schneckenextruder mini|Schematische Darstellung eines Schneckenextruders. mini|Schnecke eines Vakuum-Extruders mini|3-Zonen-Schnecke: Meteringzone – Kompressionszone – Einzugszone mini|P = Steigung, h = Gangtiefe, D = Außendurchmesser

Bei dieser Bauform, auch Schneckenpresse genannt, wird der Druck mittels einer Extruderschnecke („Schnecke“) erzeugt. Sie befindet sich in dem sogenannten Schneckenzylinder, dessen Nenndurchmesser nahezu gleich dem Außendurchmesser der Schnecke ist. Am vorderen Ende des Schneckenzylinders befindet sich die formgebende Auslassöffnung. Am hinteren Ende des Zylinders befindet sich der Antrieb, in den meisten Fällen ein Elektromotor mit Getriebeeinheit, der für die Rotation der Schnecke sorgt.

Die Längenbezeichnungen von Schneckenextrudern wird in 25D, 30D, 40D etc. angegeben, was heißt, dass das 25-fache (30-fache, 40-fache etc.) des Schneckendurchmessers die Länge ergibt. Zur Ausstoßsteigerung werden Einschneckenextruder, sogenannte Schnellläufer, mit Drehzahlen von bis zu 1500 Umdrehungen pro Minute hergestellt.

Die zu verarbeitenden Materialien werden der Schnecke meist kontinuierlich über einen Trichter von oben zugeführt. Entscheidend ist bei mehreren Komponenten die exakte und reproduzierbare Dosierung. Man unterscheidet in Abhängigkeit vom Regelungsmechanismus zwischen gravimetrischen und volumetrischen Dosierungen. Weitere Komponenten können über Seitenbeschickung, Nadelventile etc. in den Schneckenzylinder eingebracht werden. In der Kunststoffverarbeitung sind dies z. B. sogenannte Masterbatches oder Flüssigfarben (Färbemittel), Verstärkungsfasern, Alterungsschutzmittel oder Weichmacher. Mit entsprechender Dosiertechnik besteht die Möglichkeit, Flüssigfarben stromabwärts in die Kunststoffschmelze zu injizieren. Somit muss bei Farbwechseln nur noch ein Teilbereich der Produktionslinie gespült werden, was eine erhebliche Material- und Zeitersparnis bedeutet.

Die Extruderschnecke selbst wird im Allgemeinen in drei Zonen aufgeteilt, die unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Im hinteren Bereich des Schneckenzylinders befindet sich die sogenannte Einzugszone. In dieser wird das zu extrudierende Material, das z. B. als Feststoff in Form von Granulat oder Pulver vorliegt, über einen Trichter eingespeist („Fütterung“) und gegebenenfalls aufgeschmolzen (bei Thermoplasten). Durch die Drehung der Schnecke wird das Material weiterbefördert. An diese schließt sich die Kompressionszone an, in der das Material durch die verringerte Gangtiefe der Schnecke weiterverdichtet und damit der für den Austrag im Werkzeug notwendige Druck aufgebaut wird. Abschließend sorgt die Austragszone bzw. Meteringzone für einen homogenen Materialstrom zum Werkzeug hin.

Es gibt Extruder mit einer, zwei oder mehreren Schneckenwellen. Die Förderung und der Druckaufbau werden beim Einschnecken- und (gleichläufigen) Doppelschneckenextruder durch die Friktion der mit der Schnecke rotierenden Masse an der stehenden Gehäusewand (Zylinder) bewirkt – man spricht in diesem Zusammenhang von Friktionsförderung. Die so in der Rotation zurückbleibende Masse wird von den wendelförmigen Schneckengängen zur Auslassdüse geschoben. Beim gegenläufigen Doppelschneckenextruder überwiegt das Prinzip der Zwangsförderung.

Die Form bzw. Bauart der Schnecken bestimmt die Eigenschaften.

mini|Schnitt durch die Aufschmelzzone einer Standardschnecke. Die Bezeichnungen lauten: Aktive Flanke – Schmelzbecken – Feststoffbett – Passive Flanke mini|Barriereschnecke: Schmelzkanal – Feststoffkanal mini|Schnitt durch die Aufschmelzzone einer Barriereschnecke. Bezeichnungen wie oben, mit mittlerem Barrieresteg.

Einschneckenextruder sind kostengünstig, durchmischen aber nicht so gut. Wichtig bei der Auslegung einer Schnecke ist der voraussichtliche Füllgrad über die Prozesslänge. Er wird maßgeblich durch die Steigung P der Schnecke und die Gangtiefe h beeinflusst. Mit größer werdender Steigung nimmt hierbei der Füllgrad immer weiter zu, so dass der Druck nach Erreichen des vollgefüllten Zustands weiter zunimmt. Auf diese Weise wird der zum Durchströmen des Werkzeugs notwendige Druck aufgebaut. Barriereschnecke mit zusätzlichem Steg zu Beginn der Barrierezone, dessen Höhe geringer ist als die des Hauptstegs. Dieser Steg wird als Barrieresteg bezeichnet. Durch den Barrieresteg wird der Schneckenkanal in Schmelze und Feststoffkanal aufgeteilt. Die Spaltweite ist so klein, dass keine Feststoffteilchen über den Steg in den dahinterliegenden Schmelzekanal gelangen können. Durch die Trennung von Schmelze und Festkörper ist ein besserer Aufschmelzvorgang gewährleistet, da keine Feststoffinseln in der Schmelze herumschwimmen können.In der Austragszone einer Barriereschnecke sind Homogenisierelemente wie Scher- und Mischteile vorhanden.Gegen Ende der Barrierezone wird der Feststoffkanal kleiner und der Schmelzekanal größer. Dadurch werden die verbleibenden Festkörper durch Dissipation gezwungen, auch in Schmelze zu gehen. Doppelschneckenextruder: Beim gleichläufigen Doppelschneckenextruder rotieren die Schnecken in gleicher Drehrichtung, beim gegenläufigen in entgegengesetzter Drehrichtung. Die Schnecken können parallel oder konisch angeordnet sein. Da das Spiel zwischen den Schnecken besonders eng und die Neigung zu Verschleiß entsprechend höher ist, müssen sie höchste Qualitätskriterien in Bezug auf Festigkeiten und Härten erfüllen. Vielwellenextruder

Weitere Bauformen Kaskadenextruder Planetwalzenextruder Ringextruder

Prozessmesstechnik in der Extrusion Da in Extrusion und Compoundierung sehr ähnliche Maschinenkonzepte (Extruder) eingesetzt werden, sind hierfür dieselben Verfahren wie in der Prozessmesstechnik in der Compoundierung verfügbar.

Nach der Extrusion kann am Bauteil noch in der Produktionslinie die Ermittlung weiterer Qualitätsparameter erfolgen: Vermessung der Dimensionen des Bauteils z. B. mit Lichtvorhängen Farbmessung am ExtrudatT. Hochrein, J. Botos, K. Kretschmer, P. Heidemeyer, B. Ulmer, T. Zentgraf, M. Bastian: Schneller und näher am Prozess. In: Kunststoffe, 2012, S. 9. Qualitätskontrolle mit Kamerasystemen

Anwendungen und Produkte Produkte der Extrusionstechnik finden sich in zahlreichen Anwendungsgebieten wieder, z. B. in Bauindustrie (Hoch- und Tiefbau), Automobilindustrie, Luftfahrtindustrie, Medizintechnik, Möbelindustrie (vor allem Küchen- oder Büromöbel), Messebau, Verpackungen, Agrareinsatz, Schlauchanwendungen und Granulierung.

Beispiele für Produkte, die durch Extrusion erzeugt werden, sind: Rohre, Stäbe (Halbzeug) Profile wie Fensterrahmen, Kabelkanäle oder Dichtungen Ummantelungen, wie z. B. für Elektrokabel Schläuche Platten mittels Breitschlitzdüse, die nach der Fertigung bei Bedarf durch Thermoformung umgeformt werden können. Folien (mittels Blaskopf oder Breitschlitzdüse und nachgeschaltetem Kalander) Laufflächen von Autoreifen Kleinere Autoteile (Innentürverkleidungen, Rückspiegelfassungen) Wischgummi beim Scheibenwischer Fahrradfelgen Keil- und Zahnriemen durch Zuführen von Kupferdraht durch den Extruderkopf Türdichtungen Extrudierte Polystyrol-Hartschaumplatten (XPS) Blei- und Buntstifte aus Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen Keramik, Spaltklinker, Lochziegel und im Gießerei-Formenbau Vorprodukte bei der Seifenherstellung Stearinkerzen Nudel-Teigwaren, Knabbergebäck, Kekse, Formfleisch Herstellung von Chemiefasern Kühlkörper Filament (Recycling für Fused Deposition Modeling)

Kunststoffe mini|Ein Drainagerohr, das mittels Extrusion hergestellt wurde.

Kunststoff und Kunststoffgranulate, auch Compound-Granulate

Durch Extrusion können beispielsweise nahtlose Platten, Rohre und Profile mit über der Länge konstantem Querschnitt hergestellt werden. Auch Kunststoffbehälter wie Flaschen, Dosen oder Kraftstofftanks werden durch Extrusion hergestellt. Ein extrudierter Schlauch wird von einer Form umschlossen und mittels Druckluft an die Werkzeugwand geblasen. In diesem Fall spricht man von Extrusionsblasformen.

mini|Extruder für Kunststoff-Fußleisten mini|Extruder zur Ummantelung von Leitungen