In der Extrusion bestimmt das Werkzeug – gemeinhin als Düse oder Extrusionskopf bezeichnet – ob ein Profil, ein Schlauch, eine Folie oder ein Rohr die geforderten Toleranzen, Oberflächengüten und mechanischen Eigenschaften erreicht. Während Schneckengeometrie und Schmelzefilterung die Schmelze aufbereiten und reinigen, ist die Düse der Ort, an dem aus einer formlosen Kunststoffschmelze ein geometrisch definiertes Halbzeug entsteht. Die Auslegung solcher Werkzeuge verbindet Strömungsmechanik, Werkstofftechnik und verfahrenstechnische Erfahrung – ein Fehler im Kanaldesign manifestiert sich unmittelbar als Maßabweichung, Eigenspannung oder Oberflächenfehler im Endprodukt.
Trotz der enormen Vielfalt extrudierter Produkte lassen sich alle Düsenwerkzeuge auf wenige strömungstechnische Grundprinzipien zurückführen. Das Verständnis dieser Grundlagen ist Voraussetzung für die sachgerechte Auswahl, den Betrieb und die Optimierung von Extrusionswerkzeugen.
Strömungstechnische Grundlagen: Druckabfall, Scherrate und Verweilzeit
Kunststoffschmelzen sind nicht-newtonsche, viskoelastische Fluide. Ihre Viskosität hängt von Temperatur, Scherrate und – bei manchen Materialien – von der Scheuergeschichte ab. Im Düsenkanal wird die Schmelze durch Druckdifferenz vorwärtsbewegt; der lokale Druckabfall ergibt sich aus der Kanalgeometrie, der Durchflussrate und der materialspezifischen Fließkurve. Für einfache kreisrunde Kanäle gilt die Hagen-Poiseuille-Beziehung als Näherung, die jedoch für nicht-newtonsche Medien mit Korrekturfaktoren – etwa dem Rabinowitsch-Korrekturfaktor – angepasst werden muss.
Gleichmäßige Schmelzegeschwindigkeit über den gesamten Düsenaustrittsquerschnitt ist das zentrale Auslegungsziel. Ungleichmäßige Geschwindigkeitsprofile führen zu Verzug, Eigenspannungen und Maßabweichungen im abgekühlten Produkt. Daneben ist die Verweilzeit im Werkzeug zu kontrollieren: Zu lange Verweilzeiten – insbesondere in schlecht durchströmten Totzonen – begünstigen thermischen Abbau und Verfärbungen, vor allem bei temperaturempfindlichen Materialien wie PVC oder PVDF.
Bauformen: Flach-, Rohr-, Profil- und Mehrschichtdüsen
Flachdüsen – auch Breitschlitzdüsen genannt – kommen bei der Folien- und Plattenextrusion zum Einsatz. Ihr charakteristisches Merkmal ist die Umformung eines kreisförmigen Schmelzestroms in einen breiten, flachen Schmelzefilm. Die interne Kanalgeometrie übernimmt dabei eine Verteilerfunktion: Klassische Bauformen sind der Kleiderbügel-Verteiler (engl. coat-hanger manifold), der durch seine geschwungene Kontur für einen gleichmäßigen Druckabfall über die gesamte Werkzeugbreite sorgt, sowie der T-Verteiler, der einfacher zu fertigen, aber strömungstechnisch weniger ausgeglichen ist.
