Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulation: Vorhersage und Optimierung des Planetwalzenextrusions-Prozesses

Immer komplexere Produkte stellen die Kunststoffindustrie vor zunehmende Herausforderungen in der Aufbereitung. Doppelschneckenextruder stoßen dabei zunehmend an ihre verfahrenstechnischen Grenzen hinsichtlich hoher Mischwirkung bei gleichzeitig geringer Materialbelastung. Der Planetwalzenextruder (PWE) mit seinem einzigartigen Funktionsprinzip stellt in diesem Anwendungsfeld eine Maschine mit hohem Potential dar. Mangelndes Prozessverständnis führt jedoch dazu, dass Auslegung und Prozessoptimierung durch zeit- u. kostenaufwändige Versuchsreihen erfolgen. Simulationsmodelle, wie sie bei Doppelschneckenextrudern etabliert sind, können für den PWE aufgrund der komplexen Geometrie und Spindelbewegung nicht angewendet werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Erstellung eines dreidimensionalen numerischen Modells des Schmelzetransports und das Mischverhaltens im PWE und die darauf basierende Erweiterung eines anwenderfreundlichen Simulationstools für eine optimierte Auslegung des Extrusionsprozesses.

Der Lösungsansatz besteht darin, zunächst die für die Simulation erforderlichen Materialdaten zu ermitteln und diese durch Materialmodelle zu beschreiben. Die experimentellen Untersuchungen sowie die 3D-Simulationen sollen Aufschlüsse über die Vorgänge im PWE geben. Begleitend erfolgt eine analytische Modellierung des Extruders. Die analytischen Modelle werden schließlich in ein Simulationstool implementiert. Abschließend werden Validierungsexperimente durchgeführt und mit den Berechnungen verglichen.

Auf Basis des Simulationstools können KMU den Extrusionsprozess schnell, effektiv und kostengünstig gestalten und optimieren. Zudem können aus den Erkenntnissen der Experimente und 3D-Simualtionen allgemeine Handlungsempfehlungen zur Auslegung von Druckaufbau- und Mischzonen abgeleitet werden. Das neu gewonnene Prozessverständnis durch die Untersuchungen führt darüber hinaus zu einer Erhöhung der Produktqualität, wodurch die KMU ihre Position am Markt festigen können.

Ergebniszusammenfassung:

Immer komplexere Compounds stellen die Kunststoffindustrie vor größer werdende Herausforderungen in der Aufbereitung. Standardmäßig eingesetzte Extruder stoßen dabei zunehmend an ihre verfahrenstechnischen Grenzen hinsichtlich hoher Mischwirkung bei gleichzeitig geringer Materialbelastung. Der Planetwalzenextruder (PWE) mit seinem einzigartigen Funktionsprinzip stellt in diesem Anwendungsfeld eine Maschine mit hohem Potential dar. Mangelndes Prozessverständnis führt jedoch dazu, dass die Prozessauslegung durch zeit- und kostenaufwändige Versuchsreihen erfolgt. Simulationsmodelle, wie sie bei Doppelschneckenextrudern etabliert sind, können für den PWE aufgrund der komplexen Geometrie und Spindelbewegung nicht angewendet werden. Ziel des Forschungsvorhabens war daher die Erstellung eines numerischen Modells des Schmelzetransports im PWE sowie die darauf basierende Erweiterung eines Simulationstools für eine optimierte Auslegung des Extrusionsprozesses.

Der Lösungsansatz bestand darin, zunächst die für die Simulation erforderlichen Materialdaten zu ermitteln und diese durch Materialmodelle zu beschreiben. Experimentelle Untersuchungen mit einem speziellen Messzylinder sowie die numerischen Simulationen geben Aufschlüsse über die Vorgänge im PWE. Begleitend erfolgte eine analytische Modellierung des PWE. Der Fokus lag dabei in der Abbildung des Prozessverhaltens von verschiedenen Planetenspindeln. Die analytischen Modelle wurden schließlich in ein Simulationstool implementiert. Abschließend wurden Validierungsexperimente durchgeführt und mit den Berechnungen verglichen.

Die Simulationstools können von Unternehmen genutzt werden, um die Auslegung von Extrusionsprozessen auf dem PWE zu unterstützen. Das neu gewonnene Prozessverständnis durch die experimentellen und theoretischen Untersuchungen kann zudem zu einer Erhöhung der Produktqualität beitragen, wodurch insbesondere kmU ihre Position am Markt festigen können.