Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erhöhung der Energieeffizienz bei der Kautschukaufbereitung durch eine Mischzeitreduktion auf Basis datengetriebener, mathematischer Modelle

Am Anfang der Prozesskette zur Produktion von Elastomerbauteilen steht die Herstellung von Kautschukmischungen, die auf einer festen Rezeptur beruht. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist eine gesteigerte Energieeffizienz durch die Reduzierung der Mischzeit bei der Herstellung von Kautschukmischungen in Innenmischern. Um dies zu erreichen, werden vom Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) und dem Lehrstuhl für Prozessleittechnik (PLT) datengetriebene mathematische Modelle der Mischphasen entwickelt, die eine Mischzeitminimierung unter Angabe bestimmter Qualitätsgrößen erlauben.Grundlage der Prozessmodelle sind umfassende Untersuchungen des Mischprozesses, um Einflussparameter und Qualitätsgrößen zu ermitteln. Mithilfe von parametrierten Transformationsvorschriften werden die Ausgangsgrößen mit den Eingangsgrößen verknüpft, um so den Mischprozesse in den einzelnen Phasen modellhaft abzubilden. Die Lösungen der Differentialgleichungen erlauben es, unter Angabe von Randbedingungen und qualitätsbestimmenden Zielgrößen ein Minimierungsproblem zu definieren, das eine Reduzierung der Mischzeiten in einzelnen Phasen ohne Einbußen der Qualität der Kautschukmischungen zum Ziel hat. Zur Optimierung des Mischprozesses werden systematisch Mischvorschriften für einzelne Mischphasen beginnend mit der Zugabe des Kautschuks bis zum Inkorporationszeitpunkt des Rußes für unterschiedliche Kautschuke optimiert. Es wird dadurch eine Basis für eine konsequente Zykluszeitreduktion der Mischprozesse für kautschukverarbeitenden kmU erarbeitet. Ergebnis des Forschungsvorhabens ist ein empirisch entwickeltes Modell zur Erhöhung der Energieeffizienz durch die Optimierung des Mischprozesses und die Reduzierung der Mischzeit. Den kmU werden die erarbeitenden Strategien zur Optimierung des Mischprozesses für unterschiedliche Kautschuke nach Projektende zur Verfügung gestellt und können genutzt werden, um die Wirtschaftlichkeit des Unternehmens zu steigern.

Ergebniszusammenfassung:

Die Entwicklung eines Prozessmodells zur funktionalen Beschreibung der Zusammenhänge zwischen den Mischparametern und jeweiligen Qualitätsgrößen der untersuchten Einzugs-, Mastikations- und Füllstoffeinarbeitungsphase war im Rahmen des Projektes nur teilweise möglich. Hier besteht noch weiterer Forschungsbedarf. Es lassen sich jedoch erste Aussagen hinsichtlich der Eignung der datenbasierten, mathematischen Modelle zur Beschreibung der hochkomplexen Mischprozesse treffen. In diesem Forschungsvorhaben wurden dazu erste Lösungsansätze demonstriert. Eine genaue Quantifizierung der durch die entwickelten Modelle erreichbaren Steigerung der Produktivität und Energieeffizienz ist aufgrund der erstmaligen Umsetzung des Lösungsansatzes nur schwer möglich.

Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Mischphasen anhand der aufgezeichneten Prozessdaten erfolgreich erkannt werden können, was die Möglichkeit für eine phasenweise Optimierung der Mischvorschriften eröffnet. Zudem konnten der Einfluss verschiedener Mischparameter auf die Dauer der Einzugs-, Mastikations- und Füllstoffeinarbeitungsphase gezeigt werden. Die Ergebnisse liefern Erkenntnisse über grundlegende Zusammenhänge, die es künftig ermöglichen können, weitere Prozessmodelle zur Verbesserung der Mischungsherstellung in Innenmischern zu entwickeln.

Die allgemeingültige Übertragbarkeit der entwickelten Modelle konnte im Rahmen des Projektes nicht gezeigt werden. Für die Übertragung von statistischen Modellen gibt es derzeit keine Vorschriften. Am Beispiel der Scale-Up-Versuche für die Einzugsphase wurde gezeigt, dass die Übertragbarkeit der entwickelten datenbasierten Prozessmodelle keine brauchbaren Ergebnisbeiträge bringt.