Neue Wave-Schneckenkonzepte in High-Speed Extrudern

Inhalte: Die Einschneckenextrusion zählt gegenwärtig zu den Kernkompetenzen der modernen Kunststoffverarbeitung. Vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Rahmenbedingungen stellt die Durchsatzsteigerung der Verarbeitungsmaschinen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen Schmelzequalität eines der vorrangigen Entwicklungsziele vieler Maschinenhersteller dar. Dies erfordert neben einer zielgerichteten Schneckenauslegung vor allem ein tiefes Verständnis der Transportvorgänge im Extruder. Im Zuge dieser Forschungsarbeit sollen feststoffbettzerbrechende Schneckenkonzepte in der Hochgeschwindigkeitsextrusion näher untersucht werden, unter dessen Definition speziell Wave- und Energy-Transfer-Schnecken in den Fokus rücken. Um das hohe Potential dieser Konzepte hinsichtlich Durchsatzleistung und Schmelzequalität ausnützen zu können, hat die korrekte Auslegung der angesprochenen Zonen oberste Priorität. Dazu soll im Rahmen der Forschungsarbeit der Einsatz von Wave- und Energy-Transfer-Sektionen in der Aufschmelzzone von schnelllaufenden Einschneckenextrudern näher untersucht. Dadurch wird ein nachhaltiger Beitrag zur Gestaltung schnelllaufender Einschneckenextruder in Kombination mit feststoffbettzerbrechenden Schneckenkonzepten geliefert. Hypothesen: Im Rahmen der Forschungsarbeit werden Prozessmodelle erweitert, um eine physikalisch fundierte Optimierung von Wave- und Energy-Transfer-Sektionen im Aufschmelzbereich von schnelllaufenden Einschneckenextrudern vornehmen zu können. Dadurch soll das hohe Potential dieser Schneckenkonzepte vollständig ausgenützt werden. Methoden: ImZuge der Forschungsarbeitwerden Experimente sowohl an einemneuartigen Schneckendemonstrator als auch auf schnelllaufenden Glattrohr- als auch Nutbuchsenextruder durchgeführt. Der Schneckendemonstrator erlaubt die gezielte Analyse des Aufschmelzprozesses in feststoffbettzerbrechenden Fließkanälen. Zur Verbesserung der bestehenden Prozessmodelle werden analytische sowie numerische Methoden eingesetzt. Spezieller Fokus wir dabei auf die Netzwerkstheorie und das Finite-Volumen-Verfahren gelegt. Innovation und Neuigkeitsgehalt: Die wenigen Forschungsarbeiten, die sich mit der Thematik auseinandersetzen, lassen viele Fragen offen. Voruntersuchungen belegen, dass sich durch ein frühes Zerbrechen des Feststoffbettes in schnelllaufenden Extrudern erhöhte Ausstoßraten mit den hohen Anforderungen hinsichtlich Schmelzequalität vereinen lassen. Besonders der Einsatz von Wave- und Energy-Transfer-Sektionen ist hier von hohem Interesse, da diese Geometrien ein hohes Potential hinsichtlich des Zerbrechens des Feststoffbettes aufweisen. Da jedoch die angesprochenen Sektionen bis dato vorrangig in schmelzedominierten Zonen zu finden sind, erfordert der Einsatz im Aufschmelzbereich eine Erweiterung der bestehenden Prozessmodelle, um eine physikalisch abgesicherte Auslegung zu ermöglichen.

Die Einschneckenextrusion zählt gegenwärtig zu den Kernkompetenzen der modernen Kunststoffverarbeitung. Vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Rahmenbedingungen stellt die Durchsatzsteigerung der Verarbeitungsmaschinen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen Schmelzequalität eines der vorrangigen Entwicklungsziele vieler Maschinenhersteller dar. Dies erfordert neben einer zielgerichteten Schneckenauslegung vor allem ein tiefes Verständnis der Transportvorgänge in der Plastifiziereinheit. In diesem Forschungsprojekt wurden Wave-Dispersions-Schnecken näher untersucht, unter dessen Definition speziell Wave- und Energy-Transfer-Schnecken in den Fokus rücken. Wesentliches Charakteristikum dieser Schneckenkonzepte ist eine nach der Einzugszone positionierte zwei- oder mehrgängige Funktionszone mit alternierendem Gangtiefenprofil, das ein verbessertes Austrags-, Misch- und Auschmelzverhalten im Vergleich zu herkömmlichen Schneckenarten provozieren soll. In der Vergangenheit haben sich nur wenige wissenschaftliche Studien mit der Auslegung von Wave-Dispersions-Schnecken beschäftigt, wodurch deren hohes Potential hinsichtlich Durchsatzleistung und Schmelzequalität nicht vollständig ausgenützt werden konnte. Die hier beschriebene Forschungsarbeit hat das Prozessverhalten von Wave-Dispersions-Schnecken modelltheoretisch und experimentell analysiert und neue Prozessmodelle entwickelt, um eine physikalisch fundierte Optimierung von Wave- und Energy-Transfer-Sektionen zu ermöglichen. Unter Einsatz unterschiedlicher Rohstoffe wurden experimentelle Untersuchungen sowohl an einem neuartigen Schneckendemonstrator als auch auf genuteten Einschneckenextrudern durchgeführt. Dabei wurde das Fließverhalten der Kunststoffschmelze in Wave-Dispersions-Zonen systematisch untersucht und charakteristische Prozessparameter wie z.B. Schneckendrehzahl, Durchsatz, Druckverhalten oder Energieeintrag ausgewertet. Die abgeleiteten Ergebnisse wurden einerseits zur Optimierung der vorhandenen Schneckenkonzepte und andererseits zur Entwicklung neuer Auslegungsrichtlinien für Wave-Dispersions-Schnecken herangezogen. Zur Beschreibung des komplexen Strömungsverhaltens der Kunststoffschmelze in Wave-Dispersions-Schnecken wurde ein analytisches Fördermodell entwickelt. Die Neuartigkeit dieses Modells liegt in der Kopplung des strukturviskosen Srömungsverhaltens der Kunststoffschmelze mit dem zugrundeliegenden dreidimensionalen Strömungsfeld im Schneckenkanal. Das neue Schmelzefördermodell eignet sich zur Vorhersage des Druck-Durchsatzverhaltens von druckaufbauenden als auch überfahrenen Wave-Dispersions-Zonen. Im Unterschied zu herkömmlichen Modellierungsansätzen berücksichtigt die neue Theorie die Wechselwirkung des dreidimensionalen Strömungsfeldes und des strukturviskosen Fließverhaltens und ermöglicht somit eine praxisnahe Beschreibung des Druck-Durchsatzvermögens von Wave-Dispersions-Schnecken. Die hohe Genauigkeit des vorgestellten Modells wurde im Rahmen einer numerischen und experimentellen Validierungsstudie bestätigt.