Hersteller von Kfz-Klimaanlagen spezifizieren mehrschichtige Verbundrohr-Extrusionsanlagen für die Kältemittelschlauch-Barriereschicht und die Permeationsbeständigkeit.

Das Problem der Kältemittelmigration, das durch Mehrschichtextrusion gelöst wird

Haben Sie sich jemals gefragt, warum die Klimaanlage Ihres Autos nach wenigen Jahren nachgefüllt werden muss, während Ihr Kühlschrank zehn Jahre ohne Wartung läuft? Die Antwort liegt im Schlauch. Klimaanlagen im Auto arbeiten unter deutlich härteren Bedingungen als stationäre Kühlgeräte: ständige Vibrationen, Temperaturschwankungen von -40 bis +125 Grad Celsius, Kontakt mit Chemikalien im Motorraum und die flexible Schlauchführung, die die Schlauchwand bei jeder Biegung mechanisch beansprucht. Unter diesen Bedingungen wandern die Kältemittelmoleküle – klein, beweglich und unter Druck – stetig durch die Schlauchwand. Ein herkömmlicher einlagiger Gummischlauch für Klimaanlagen kann allein durch Permeation 15 bis 30 Gramm R134a-Kältemittel pro Jahr verlieren. Über die erwartete Lebensdauer moderner Fahrzeuge von 10 bis 15 Jahren entspricht dies einem erheblichen Anteil der gesamten Kältemittelmenge.

Mein Name ist Yufeng Ji, und ich habe meine berufliche Laufbahn der Konstruktion von Extrusionsanlagen für automobile Fluidfördersysteme gewidmet. Zu Beginn meiner Karriere in dieser Branche waren einwandige Schläuche Standard, und Kältemittelleckagen durch die Schlauchwand wurden als unvermeidbare Eigenschaft flexibler Verbindungen hingenommen. Die Einführung von SAE J2064 — der Standard für Kfz-Klimaanlagenschläuche — veränderte alles, indem er maximale Permeationsraten vorschrieb, die einlagige Schläuche nicht zuverlässig erreichen konnten. Dieser Standard, zusammen mit ISO 13050 Für die Prüfung der Permeation von Kältemittelschläuchen wurde die technische Anforderung geschaffen, die die Extrusion von mehrlagigen Verbundrohren erfüllen sollte.

Die Physik der Permeationsbeständigkeit ist einfach: Ein Barrierematerial mit dichter Molekularstruktur – typischerweise Polyamid (Nylon 6 oder Nylon 12) oder Ethylen-Vinylalkohol (EVOH) – wird zwischen die Schichten des Basisschlauchmaterials eingebettet. Kältemittelmoleküle, die die äußeren Gummi- oder TPV-Schichten leicht durchdringen, treffen auf die Barriereschicht und werden effektiv zurückgehalten. Die erforderliche Dicke der Barriereschicht beträgt lediglich 0,1–0,2 mm – dünner als zwei Blatt Papier – reduziert die Permeation jedoch um 85–95 % im Vergleich zum unverstärkten Basismaterial.

Co-Extrusionstechnologie: Wie drei Schichten zu einem Rohr werden

Das Herzstück einer Extrusionsanlage für Mehrschichtrohre ist der Co-Extrusionsdüsenkopf – die Komponente, in der zwei oder drei separate Schmelzströme zu einem einzigen Mehrschichtrohr zusammengeführt werden. In einer typischen Konfiguration für einen Kfz-Klimaanlagenschlauch speisen drei Extruder eine einzige Düse: Extruder A fördert das Material der Innenschicht (typischerweise eine modifizierte Gummimischung oder TPV, die für die Kältemittelverträglichkeit ausgelegt ist), Extruder B die Sperrschicht (PA oder EVOH) und Extruder C das Material der Außenhülle (eine abriebfeste Gummi- oder TPV-Mischung, die für die Hitze- und Chemikalienbeständigkeit im Motorraum entwickelt wurde).

Im Inneren der Düse fließen die drei Schmelzeströme durch präzise gefertigte Kanäle – sogenannte Spiralen oder Verteilerkanäle –, die jedes Material zu einem gleichmäßigen Ring verteilen. Die drei Ringe treffen am Düsenaustritt zusammen und verbinden sich dort unter Hitze und Druck zu einem einzigen Schlauch mit drei deutlich voneinander getrennten Schichten. Der entscheidende Kontrollparameter ist die relative Dicke jeder Schicht, die durch die unabhängige Anpassung der Schneckendrehzahl jedes Extruders konstant gehalten wird. Ein typischer Kältemittelschlauch besteht zu 60–70 % aus der Innenschicht, zu 5–10 % aus der Sperrschicht und zu 25–30 % aus der Außenschicht (je nach Dicke).

Ich habe Dutzende dieser Anlagen in Betrieb genommen, und das häufigste Anlaufproblem ist die Ablösung der Barriereschicht – die Barriereschicht trennt sich von der inneren oder äußeren Schicht, weil die Schmelztemperaturen am Konvergenzpunkt nicht übereinstimmen. PA6-Barriereschichten werden bei 230–250 °C verarbeitet, während TPV-Außenschichten bei 180–200 °C verarbeitet werden. Ist die Chiptemperatur auf TPV eingestellt, kommt das PA zu kalt an und verbindet sich nicht. Ist sie hingegen auf PA eingestellt, wird das TPV beschädigt. Die Lösung ist ein Chip mit unabhängig beheizten Zonen – typischerweise drei bis fünf Zonen entlang des Schmelzpfads –, die jedes Material bis zum Konvergenzpunkt auf seiner optimalen Verarbeitungstemperatur halten.

Unser Rohrextrusionsleitungen Für Anwendungen im Automobilbereich wird ein modulares Düsenkopfdesign verwendet, bei dem die Spiraldorne für jede Schicht unabhängig voneinander ausgetauscht werden können. Das bedeutet, dass eine heute für PA-Barriere konfigurierte Anlage morgen durch den Austausch des Barriereschichtdorns auf EVOH-Barriere umgerüstet werden kann – ein Umrüstvorgang von 2–3 Stunden im Vergleich zu dem Tag oder länger, der für den Austausch eines kompletten Coextrusionskopfes benötigt wird.

R1234yf: Der Kältemittelwechsel treibt neue Investitionen voran

Der Wechsel der Automobilindustrie von R134a zu R1234yf ist wohl der größte Treiber für Investitionen in die Extrusionskapazitäten für mehrlagige Klimaanlagenschläuche. R1234yf hat ein Treibhauspotenzial (GWP) von 4 – im Vergleich zu R134a mit einem GWP von 1430 – und ist damit gemäß der europäischen F-Gas-Verordnung und ähnlicher, weltweit eingeführter Rahmenbedingungen die ökologisch bevorzugte Wahl. Allerdings weist R1234yf auch eine etwas höhere Permeationsrate durch die meisten Elastomere auf als R134a, und seine Einstufung als leicht entzündlich (A2L) bedeutet, dass die Leckagekontrolle sowohl aus Umwelt- als auch aus Sicherheitsgründen erforderlich ist.

Dies erzeugt ein direktes Nachfragesignal für mehrlagige Barriere-Schläuche. Ein einlagiger Schlauch, der den Permeationsgrenzwert nach SAE J2064 für R134a erfüllt, kann den Grenzwert für R1234yf um 20–40 % überschreiten. Dadurch wird die Barriereschicht für neue Fahrzeugplattformen obligatorisch und nicht mehr optional. Für Hersteller von Extrusionsanlagen und Schläuchen bietet dies ein erhebliches Investitionspotenzial. Ich schätze, dass der weltweite Bestand an Extrusionsanlagen für Kfz-Klimaanlagenschläuche im Zeitraum 2025–2030 zu 30–40 % erneuert oder modernisiert wird, da die Umstellung auf R1234yf in den Produktionszentren Asiens und Südamerikas vollständig anläuft.

Die Anforderungen an die Qualitätsprüfung von Schläuchen nach R1234yf sind deutlich strenger. Inline-Überwachungssysteme – Laser-Durchmessermessgeräte mit einer Genauigkeit von 0,01 mm, Ultraschall-Wanddickensensoren zur Überprüfung der Barriereschicht-Kontinuität und Funkenprüfgeräte zur Erkennung von Nadellöchern – gehören heute zur Standardausstattung neuer Extrusionsanlagen und sind nicht mehr optional erhältlich. Eine Anlage, die 30 Meter Mehrschichtschlauch pro Minute produziert, stellt etwa 1,8 Kilometer Produkt pro Stunde her. Ohne Inline-Qualitätsüberwachung führt eine Unterbrechung der Barriereschicht von nur 30 Sekunden zu 15 Metern nicht konformem Schlauch – und dieses 15-Meter-Segment nachträglich auf einer 500-Meter-Rolle zu finden, ist nahezu unmöglich.

Materialauswahl für die Leistungsfähigkeit der Barriereschicht

Die Wahl zwischen PA6, PA12 und EVOH als Barrierematerial erfordert Kompromisse, die sowohl den Extrusionsprozess als auch die Leistung des fertigen Schlauchs beeinflussen. PA6 bietet das beste Kosten-Nutzen-Verhältnis: Es reduziert die Permeation um 88–92 % im Vergleich zu unbeschichteten Schläuchen bei Materialkosten, die etwa 2–3 Mal so hoch sind wie die des Basismaterials TPV. Es lässt sich gut auf Standard-Einschneckenextrudern mit einem L/D-Verhältnis von 24:1 bis 30:1 und einer Standard-Nylonschnecke verarbeiten. Die größte Einschränkung von PA6 ist seine Feuchtigkeitsempfindlichkeit: Es absorbiert bis zu 3 Gew.-% Feuchtigkeit bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit, und feuchtes PA6 hydrolysiert während der Extrusion, wodurch Hohlräume in der Barriereschicht entstehen. Ein Trockenmitteltrockner, der einen Taupunkt von -40 °C halten kann, ist daher unerlässlich für jede Produktionslinie, die PA6-Barriereschichten verarbeitet.

PA12 bietet eine geringere Feuchtigkeitsaufnahme (ca. 1,5 % bei Sättigung gegenüber 3 % bei PA6) und eine höhere Flexibilität, wodurch es sich besonders für Schläuche eignet, die Biegeprüfungen mit engem Radius bestehen müssen. Allerdings ist seine Permeationsbeständigkeit etwa 15–20 % geringer als die von PA6 gleicher Dicke, und die Materialkosten sind etwa 40–60 % höher. Bei Klimaanlagenanwendungen in Kraftfahrzeugen, wo die Schlauchführung im Motorraum – wie bei frontgetriebenen Fahrzeugen mit quer eingebauten Motoren üblich – enge Biegungen aufweist, rechtfertigt die höhere Flexibilität von PA12 oft den höheren Preis.

EVOH bietet von den drei Materialien die beste Permeationsbeständigkeit – bis zu 99 % weniger Kältemittelmigration –, erfordert jedoch eine deutlich komplexere Verarbeitung. EVOH ist extrem feuchtigkeitsempfindlich (Sättigung bei 7–8 % Feuchtigkeit), benötigt eine spezielle Schneckenkonstruktion, um scherinduzierte Degradation zu verhindern, und muss in einem engen Temperaturfenster (190–230 °C) verarbeitet werden, um sowohl das Entschmelzen als auch die thermische Zersetzung zu vermeiden. Für Anwendungen, die absolut niedrigste Permeationsraten erfordern – wie beispielsweise Wärmepumpensysteme für Elektrofahrzeuge, bei denen jeder Kältemittelverlust die Heizleistung direkt reduziert – ist EVOH die technisch überlegene Wahl, erfordert jedoch ein qualifizierteres Extrusionsteam und eine strengere Prozesskontrolle als PA6 oder PA12.

Praktische Linienkonfiguration für die Produktion von Kfz-Klimaanlagenschläuchen

Basierend auf den Spezifikationen, mit denen ich am häufigsten arbeite, wenn ich Schlauchhersteller berate, die in den Markt für Kfz-Klimaanlagen einsteigen, folgt hier eine Referenzkonfiguration für eine komplette Extrusionslinie für mehrschichtige Verbundrohre, die auf die Einhaltung der SAE J2064 abzielt.

Die Extruderkonfiguration sieht drei Einschneckenextruder vor – typischerweise 45 mm für die Innenschicht, 30 mm für die Barriereschicht und 45 mm für die Außenschicht – alle mit Bimetallzylindern und nitrierten Schnecken zur Verarbeitung abrasiver Compounds. Der Barriereschichtextruder sollte mit einer korrosionsbeständigen Schnecke und einem korrosionsbeständigen Zylinder ausgestattet sein, wenn EVOH verarbeitet wird, da dieses bei den Verarbeitungstemperaturen Essigsäure freisetzt. Der Coextrusionsdüsenkopf verfügt über einen dreilagigen Spiraldorn mit unabhängig voneinander beheizten Zonen (mindestens 5 Heizzonen), Schmelzedruckmessumformern an jedem Schichteinlass und einem Schnellwechselsystem für den Dorn. Die Düse sollte für einen maximalen Innendruck von 350 bar mit einem Sicherheitsfaktor von 2,5 ausgelegt sein.

Im nachgelagerten Bereich beginnt die Kalibrierungs- und Kühlsektion mit einem Vakuum-Kalibriertank mit präziser Durchmesserregelung, gefolgt von einem Sprühkühltank und einem Tauchkühltank. Die gesamte Kühlstrecke sollte eine Verweilzeit von mindestens 15 Sekunden bei maximaler Bandgeschwindigkeit gewährleisten. Die Abzugsvorrichtung nutzt ein Raupenbandsystem mit präziser Geschwindigkeitsregelung (Genauigkeit: 0,1 %), und ein servogesteuerter, fliegender Fräser ist mit der Bandgeschwindigkeit synchronisiert. Für einen detaillierteren Einblick in die Integration dieser Linien in komplette Fertigungszellen siehe … JURRY Produktkatalog Umfasst vollständige Systemkonfigurationen einschließlich der Integration von nachgelagerten Wickel-, Druck- und Verpackungsprozessen.

Häufig gestellte Fragen

Welche Mindestdicke der Barriereschicht ist erforderlich, um die Permeationsanforderungen gemäß SAE J2064 zu erfüllen?

Die minimale effektive Barriereschichtdicke gemäß SAE J2064 beträgt 0,08 mm für PA6 und 0,05 mm für EVOH bei sachgemäßer Verarbeitung ohne Mikroporen oder Schichtunterbrechungen. In der Praxis streben die meisten Schlauchhersteller 0,10–0,15 mm an, um einen Sicherheitsspielraum gegen Prozessschwankungen zu gewährleisten. Unterhalb dieser Mindestwerte wird die Barriereschicht mikroskopisch diskontinuierlich, wodurch Kältemittelmoleküle die Barriere vollständig umgehen können. Der limitierende Faktor ist nicht der intrinsische Permeationswiderstand des Barrierematerials, sondern die Gleichmäßigkeit der Schmelzverteilung in der Coextrusionsdüse. Eine Düse mit ungünstiger Spiralkanalgestaltung kann eine Barriereschicht erzeugen, deren Dicke entlang des Umfangs zwischen 0,05 und 0,15 mm variiert, wodurch dünne Stellen entstehen, an denen sich die Permeation konzentriert.

Wie kommt die Extrusionsanlage mit den unterschiedlichen Verarbeitungstemperaturen der einzelnen Schichtmaterialien zurecht?

Der Co-Extrusionskopf nutzt unabhängig voneinander gesteuerte Heizzonen – typischerweise Keramikbandheizungen mit integrierten Thermoelementen –, um jeden Schmelzestrom bis zum Konvergenzpunkt auf seiner optimalen Temperatur zu halten. Der Kanal für die innere Schicht kann beispielsweise auf 200 °C für TPV, der Kanal für die Barriereschicht auf 240 °C für PA6 und der Kanal für die äußere Schicht auf 195 °C für die Deckschicht eingestellt werden. Die zentrale technische Herausforderung besteht in der thermischen Trennung benachbarter Kanäle, um eine Wärmewanderung zu verhindern, die die Materialien mit niedrigerer Temperatur zersetzen würde. Moderne Co-Extrusionsköpfe nutzen Luftspalte und isolierende Abstandshalter zwischen den Spiralabschnitten, um innerhalb des Düsenkörpers Temperaturgradienten von 40–50 °C auf einer Strecke von nur 30–40 mm zu erreichen.

Wie hoch ist die typische Produktionsleistung einer Extrusionsanlage für mehrlagige Kfz-Klimaanlagenschläuche?

Eine optimierte Produktionslinie für mehrlagige Klimaanlagenschläuche mit 13 mm Außendurchmesser und 8 mm Innendurchmesser – die gängigste Größe für Kältemittelleitungen in Kraftfahrzeugen – produziert typischerweise 20–35 Meter pro Minute, was etwa 1.200–2.100 Metern pro Stunde oder 8.000–15.000 Metern pro 8-Stunden-Schicht entspricht. Der limitierende Faktor ist in der Regel die Kühlleistung und nicht die Extrusionsrate – der Schlauch muss vor dem Abziehen und Schneiden auf unter 40 Grad Celsius gekühlt werden, um Verformungen zu vermeiden. Produktionslinien für kleinere Durchmesser von 6–8 mm Außendurchmesser für sekundäre Klimaanlagenkreisläufe können bei ausreichender Kühlung 40–50 Meter pro Minute erreichen. Die jährliche Gesamtproduktion einer einzelnen Produktionslinie im Zweischichtbetrieb an 250 Tagen beträgt ca. 1,5–2,5 Millionen Meter, was ausreicht, um den Bedarf an Klimaanlagenschläuchen für etwa 150.000–250.000 Fahrzeuge zu decken.

Kann eine bestehende Extrusionsanlage für einlagige Rohre für die Produktion mehrlagiger Rohre umgerüstet werden?

Eine Nachrüstung ist technisch möglich, erfordert jedoch den Austausch des Einschicht-Düsenkopfes gegen einen Mehrschicht-Coextrusionskopf sowie die Hinzufügung mindestens eines weiteren Extruders – typischerweise eines 30-35-mm-Extruders für die Barriereschicht. Der vorhandene Hauptextruder kann häufig für die Innenschicht weiterverwendet werden, und die nachgelagerten Anlagen sind in der Regel ohne Modifikationen mit der Mehrschichtschlauchproduktion kompatibel. Allerdings muss das Steuerungssystem aufgerüstet werden, um die drei Extrudergeschwindigkeiten zu koordinieren und die Schichtdickenverhältnisse beizubehalten. Dies erfordert häufig den Austausch der SPS der Anlage oder die Hinzufügung eines dedizierten Coextrusions-Steuerungsmoduls. Eine Nachrüstung kostet typischerweise 40-60 % einer neuen Anlage und dauert von der Bestellung bis zur Inbetriebnahme 4-6 Wochen, im Vergleich zu 12-16 Wochen für eine komplett neue Anlage.

Welche Inline-Qualitätsprüfungen sind für die Herstellung von Klimaanlagenschläuchen in der Automobilindustrie unerlässlich?

Vier Inline-Tests gelten als unerlässlich für die SAE J2064-konforme Produktion. Erstens misst ein Laser-Durchmessermessgerät kontinuierlich den Außendurchmesser und löst einen Alarm aus, wenn dieser die vorgegebene Toleranz von typischerweise ±0,15 mm überschreitet. Zweitens überprüft ein Ultraschall-Wanddickenmesssystem die Gesamtwandstärke und kann bei fortschrittlichen Systemen die Dicke einzelner Schichten bestimmen. Drittens erkennt ein Hochfrequenz-Funkenprüfgerät mit 20–30 kV Gleichspannung Nadellöcher oder Hohlräume in der Schlauchwand, indem der Schlauch durch einen Elektrodenring geführt wird. Jeder leitfähige Pfad durch einen Defekt löst ein Markierungssystem aus, das den fehlerhaften Abschnitt identifiziert. Viertens sorgt ein kontinuierlicher Längenencoder für die genaue Meterzählung bei der Spulenproduktion und die Rückverfolgbarkeit. Bei Produktionslinien für Schläuche europäischer Erstausrüster (OEMs) wird ein fünfter Test – die Berstdruckmessung an Schnittabschnitten – typischerweise offline in festgelegten Intervallen von jeweils 500–1000 Metern durchgeführt, anstatt kontinuierlich inline.