Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbesserte Betriebspunktauslegung durch Simulation des axial-ortsaufgelösten Energieeintrags bei der Verarbeitung von Kunststoffen auf gleichläufigen Doppelschneckenmaschinen

Der modulare Aufbau von Doppelschneckenextrudern ermöglicht eine Vielzahl an Schneckenkonfigurationen. Eine zentrale Aufgabe für Maschinenhersteller und Compoundeure ist die Auswahl geeigneten Anlagenaufbauten und Prozessparameter. Simulationen werden heutzutage als wesentlicher Bestandteil der Entwicklungsprozesse eingesetzt, um die Auslegung der Prozesse zu vereinfachen. Allerdings sind die bisherigen Berechnungen des Energieeintrags fehlerbehaftet: Bei der Leistungsberechnung sind in wissenschaftlichen Untersuchungen Abweichungen zum Experiment von 10-20 % zu verzeichnen, bei komplexeren Schnecken und Rezepturen können Abweichungen von bis zu 50 % auftreten. Daher müssen berechnete Ergebnisse in zeit- und kostenintensiven Verfahren überprüft werden. Produktionsverzögerungen und ein höherer Einsatz von Energie, Material und Zeit sind die Folge.

Problematisch ist weiterhin, dass nur eine integrale Betrachtung des Energieeintrags über Gesamtschneckenlänge möglich ist, wodurch die Energieeinträge innerhalb der einzelnen Schneckenzonen nicht bekannt sind. Die Kenntnis über die Energieeinträge pro Schneckenelement/-zone würde die Auslegung der Anlagenkonfiguration um ein Vielfaches vereinfachen (d. h. Kosten und Zeit einsparen), da gezielt Elemente/Zonen mit zu hohem oder zu niedrigem Energieeintrag ausgetauscht/modifiziert werden könnten.

Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel das Verständnis des axial-ortsaufgelösten Energieeintrags entlang der Schneckenwelle zu erweitern, indem eine Kombination von Messtechnikentwicklung und Prozessmodellierung die Vorhersagegenauigkeit der Berechnungen des Energieeintrages verbessert. Somit ergeben sich viele Vorteile für kmU durch den Einsatz geeigneter Simulationsmethoden: beschleunigte Prozessoptimierung, Reduzierung der Entwicklungszeiten, Voraussage von bisher unberücksichtigten Drehmomentspitzen an den Wellen sowie eine höhere Anlagenverfügbarkeit.

Ergebniszusammenfassung:

Die Hauptanforderung an einen Doppelschneckenextruder bei der Kunststoffaufbereitung ist die optimale Mischwirkung bei maximalem Materialdurchsatz und minimalem Energieeintrag. Dabei stellt die Auswahl der geeigneten Schneckenkonfiguration und Prozessparameter eine zentrale Herausforderung für Maschinenhersteller und Compoundeure dar. Aufgrund der komplexen Abhängigkeiten von Material-/Prozessparametern ist die Prozessauslegung mit einem großen Aufwand verbunden. Für die Vielzahl mittelständischer Compoundeure wird es zunehmend schwieriger, bei steigender Rezepturvielfalt die optimalen Prozessparameter zu identifizieren.

Die Forschungsergebnisse ermöglichen kmU einen einfacheren Zugang zur Simulation des Energieeintrags in Extrudern. Insbesondere durch das Simulationstool sollte es den Maschinenherstellern sowie verarbeitenden kmU mit einem geringeren Aufwand an Trial-and-Error Versuchen möglich sein, den Compoundierprozess gezielter an neue Anforderungen anzupassen, um so die Produktqualität zu steigern und sich am Markt weiter etablieren zu können.

Auf wissenschaftlicher Ebene konnte mit Hilfe der Kombination von experimentellen Untersuchungen und Simulationsentwicklungen in diesem Projekt ein tiefgreifendes Verständnis zum Energieeintrag im Extruder ermöglicht werden. Durch die Untersuchungen konnten vor allem im Hinblick auf den axialen ortsaufgelösten Energieeintrag neue Erkenntnisse gewonnen werden. So kann die Feststoffförderzone aufgrund ihres verhältnismäßig geringen Energieeintrags weiter unberücksichtigt bleiben, wo hingegen die Schmelzeförderung und der Druckaufbau mehr Energie benötigen als bisher angenommen. Auch konnte das Fachwissen um die unterschiedlichen Drehmomentbelastungen der beiden Extruderschnecken erweitert werden.

Eine Messystementwicklung zur online Bestimmung des axial-ortsaufgelösten Drehmoments entlang der Extruderschnecke konnte nicht umgesetzt werden. Zur Evaluierung der Simulationen wurde auf offline Methoden zurückgegriffen.