In der Kunststoffextrusion ist der Schmelzedruck eine der kritischsten Messgrößen überhaupt. Er beeinflusst die Durchsatzrate, die Dimensionsgenauigkeit des Extrudats sowie die thermische und mechanische Belastung von Schnecke, Zylinder und Werkzeug. Trotz seiner zentralen Bedeutung wird die Druckmessung in der Praxis oft als selbstverständlich vorausgesetzt, ohne dass die Messprinzipien, Fehlerquellen und Kalibrieranforderungen systematisch betrachtet werden. Dabei entscheidet die Qualität der Druckmessung unmittelbar über die Aussagekraft von Prozessregelungen und Qualitätssicherungssystemen.
Schmelzedrucksensoren arbeiten unter extremen Bedingungen: Temperaturen zwischen 150 °C und über 400 °C, hohe statische Drücke von bis zu 700 bar oder mehr, aggressive Polymerschmelzen sowie mechanische Schwingungen aus dem Extruderantrieb. Diese Randbedingungen bestimmen maßgeblich, welches Messprinzip und welche Sensorausführung für eine gegebene Applikation geeignet ist.
Messprinzipien: Dehnungsmessstreifen, Kapillare und piezoelektrische Aufnehmer
Das mit Abstand verbreitetste Messprinzip in der Schmelzedruckmessung ist der hydraulisch übertragene Druck über eine mit Natrium- oder Quecksilberbenetzung gefüllte Kapillare auf eine außenliegende Messzelle mit Dehnungsmessstreifen (DMS). Die schmelzeberührende Membrane aus hochwertigem Stahl überträgt den Druck auf die Füllflüssigkeit in der Kapillare, die wiederum auf den eigentlichen Druckaufnehmer wirkt. Dieses Prinzip entkoppelt die empfindliche Messelektronik thermisch von der Schmelze und erlaubt die räumliche Trennung von Messaufnehmer und Auswerteschaltung.
Aufgrund der gesundheitlichen und regulatorischen Risiken durch Quecksilber setzen Hersteller heute nahezu ausschließlich auf Natrium-gefüllte Systeme oder auf galinische Legierungen als Übertragungsmedium. Alternativ werden direkt messende Sensoren eingesetzt, bei denen die Membran unmittelbar mit einem DMS-Element oder einem piezoelektrischen Kristall verbunden ist. Piezoelektrische Aufnehmer sind besonders für dynamische Druckmessungen geeignet, da sie sehr hohe Steifigkeit und schnelle Ansprechzeiten bieten, jedoch keine statischen Gleichdrücke dauerhaft messen können. Für quasi-statische Betriebsbedingungen in der Extrusion überwiegen daher DMS-basierte Systeme.
Einbaulage, Membrangestaltung und thermische Einflüsse
Die korrekte Einbaulage des Sensors ist entscheidend für die Messgenauigkeit. Die Membranfläche muss bündig mit der Innenwand von Zylinder oder Werkzeugkanal abschließen, um weder eine Totraumzone noch eine Störstelle in der Schmelzeströmung zu erzeugen. Toträume begünstigen Materialstagnation, thermischen Abbau und Farbschleppeffekte, was bei Rezepturwechseln oder Hochtemperaturpolymeren besonders kritisch ist. Gleichzeitig darf die Membrane nicht in den Strömungskanal hineinragen, da sie sonst mechanisch beansprucht wird und die Strömungsgeometrie verfälscht.
