Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines Konzeptes für Speisewalze und Einzugszone zur automatisierten Durchsatzoptimierung von Kautschukextrudern

Ein zentrales Ziel bei der Kautschukextrusion besteht darin, den Extrusionsprozess mit möglichst hohem Durchsatz und gleichzeitig hoher Maßhaltigkeit zu betreiben. Maßschwankungen resultieren unter anderem aus Druckschwankungen im Werkzeug. Diese wiederum können zurückgeführt werden auf Schwankungen bei den zu verarbeitenden Materialchargen und besonders Ungleichmäßigkeiten beim Füllen der Schnecke in der Einzugszone.

Ziel des Vorhabens ist es, die Ursachen der Druckschwankungen im Extrusionsprozess aufzuzeigen und zu beseitigen. Hierzu soll die Frage beantwortet werden, wie mit geeigneter Sensorik (z. B. mit Druck- und Temperatursensoren) die Pulsationen im Einzugsbereich erfasst und die Messwerte basierend auf einem Prozessmodell für den Einzugsbereich so genutzt werden können, dass mithilfe eines möglichst einfachen modellbasierten Regelkonzepts der Extruder in einem robusten und durchsatzoptimalen Betriebspunkt betrieben werden kann. Die erforderlichen Modifikationen an der Speisewalze (z. B. Temperierung, separater Antrieb, Sensorik) und in der Einzugszone (z. B. Wendeltasche, Überschneidung der Schneckenstege, Gangzahl, Sensorik) sollen sich in bestehende Kautschukextruder integrieren lassen. Das abzuleitende modellbasierte Regelkonzept auf Basis von umfangreichen Untersuchungen muss allgemein gültig sein, sodass dieses auch von kmU ohne eigene Forschungsaktivitäten eingesetzt werden kann. Verarbeiter profitieren unmittelbar von dem aufgebauten Prozessverständnis. Anlagenhersteller können basierend auf dem aufgezeigten Speisewalzenkonzept eigene Produkte entwickeln und anbieten, welche die Grundlage für eine weitere Digitalisierung des Extrusionsprozess darstellt. Langfristig tragen die Forschungsergebnisse zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von kmU durch Erhöhung der Produktivität sowie Verringerung des Ausschusses bei.

Ergebniszusammenfassung:

Durch die in diesem Vorhaben generierten Forschungsergebnisse kann der

Kautschukextrusionsbranche eine neue Option zu Regelung des Materialzustroms in den

Kautschukextruder aufgezeigt werden. Diese kann die Stabilität erhöhen und damit die Produktivität

verbessern kann. Der Fokus lag hierbei bei der Frage, welche Aktuatoren in der Lage sind, den

Materialzustrom in den Kautschukextruder zu beeinflussen. Zudem wurde untersucht, über welche

gemessenen Werte sich für eine schnelle und präzise Detektion von Fütterschwankungen

herangezogen werden können. Dabei wurden Schmelzdruck, Antriebsdrehmomente und die Höhe

des Knets zwischen Schnecke und Speisewalze untersucht. Dabei ermöglicht die Detektion der

Knethöhe mittels Lasermessung eine Messung von Fütterstörungen noch vor der Detektion einer

Antriebsdrehmomentabweichung in der Schnecke. Der Knet dient zudem bis zu anlagenspezifischen

Grenzen als Puffer für plötzliche Über- und Unterfütterung. Auf Basis dieser Knethöhenmessung

wurde eine Regelung der Speisewalzengeschwindigkeit, die sich als adäquater Hebel zur

Beeinflussung der Materialzuflusses herausstellt, implementiert. Diese ist in der Lage,

Überfütterungen durch Verringerung der Geschwindigkeit und Unterfütterungen durch Erhöhung der

Geschwindigkeit auszugleichen. Weiterführend wurde der Einfluss des Schneckendesigns in der

Einzugszone auf den Druckaufbau und den erzielbaren Durchsatz anhand von auf Länge der

Einzugszone gekürzten Schnecken überprüft. Dabei ergeben sich erhebliche Unterschiede im

Druckaufbau und in der Förderleistung durch unterschiedliche Gangsteigungen und

Überschneidungen im Einzug. Dies weist auf die Notwendigkeit hin, Einzugszone und weitere Zonen

der Schnecke sorgfältig aufeinander abzustimmen. Zuletzt wurde durch den Einsatz von genuteten

Zylinder in der Einzugszone aufgezeigt, dass ein starker Druckaufbau erzielt. Eine derartige

Modifikation führt allerdings auch dazu, dass Fütterschwankungen, wenn sie bis zur Schnecke

gelangen, starke Druckschwankungen im Prozess und folglich Abweichungen in der

Extrudatgeometrie hervorrufen können. Die Erkenntnisse aus dem Forschungsvorhaben kommen

insbesondere kleinen und mittelständischen Anlagenbauern der Kautschukindustrie zugute, welche

Extruder auslegen und fertigen, sowie Verarbeitern von Kautschuk, die Profile im Extrusionsverfahren

herstellen und ihre Prozesse stabiler gestalten möchten. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.