Investigation of the influence of the cylinder temperature control on the process behavior of single-screw extruders and design of a practical cylinder temperature control
Final Report Abstract
Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, eine Strategie für die automatisierungsfähige Suche nach einer optimalen Zylinderwandtemperatur für Einschneckenextruder zu erarbeiten. Die Wahl des Temperaturprofils an der Zylinderwand beeinflusst unter anderem das Aufschmelzverhalten des zu verarbeitenden Kunststoffs und hat somit direkte Auswirkungen auf die Homogenität des Endproduktes. Außerdem wird auch das Druckaufbauerhalten und somit das Druck-Durchsatz-Verhalten direkt durch das Aufschmelzverhalten und folglich durch das Zylindertemperaturprofil beeinflusst. So lassen sich mit der Wahl eines geeigneten Temperaturprofils am Zylinder der Durchsatz und die Schmelzequalität steigern, welche insgesamt zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit beitragen. Darüber hinaus ist aus energetischer Sichtweise sinnig die übermäßige Einbringung von Wärmeenergie zu reduzieren. Diese überschüssige Energie muss in den nachfolgenden Heizzonen wieder über Lüfter oder andere Kühlvorrichtungen aus dem System abgeführt werden. Zur Untersuchung des Einflusses der Zylindertemperatur auf die Schmelzequalität wurden zwei Glattrohr- Einschneckenextruder mit einem Durchmesser von 45 mm und 30 mm und einem L/D-Verhältnis von 32 mit einem Druckaufnehmer und einem Temperaturmessschwert verwendet. Die Extruder besitzen sechs (fünf) separate Heizzonen, die individuell eingestellt werden können. Die Untersuchungen wurden mit einer Dreizonenschnecke und Barriereschnecke und den Materialien PS (Styrolution 495N, 124N) und PP (Moplen 420M) durchgeführt. Auf einer externen Anlage wurden Untersuchungen mit einem Nutbuchsenextruder mit Ø70 mm, einer Barriereschnecke und den Materialien PP, LDPE und LDPE mit Gleitmittel durchgeführt. Dabei wurde der Einfluss von unterschiedlichen Temperaturprofilen (Hump-, Ramp-, Decrease- und Flat-Profile) analysiert. Darüber hinaus wurde auch der Einfluss der einzelnen Heizzonen auf unterschiedliche Prozessparameter untersucht. Aufgrund der umfangreichen experimentellen Untersuchungen konnten Kernaussagen formuliert werden: Eine niedrige Zylindertemperatur im Einzugszone (im Vergleich zur Kompressionszone (∆T=50-80 K)) begünstigt die Feststoffreibung, sorgt für eine höhere Förderstabilität, reduziert auf diese Weise Druckschwankungen an der Schneckenspitze und ermöglicht einen höheren Durchsatz bei gleicher Drehzahl. Eine erhöhte Zylindertemperatur über der Kompressionszone unterstützt den Aufschmelzprozess, was sich anhand der Durchsatzsteigerung sowie der Reduzierung der Druckschwankungen deutlich zeigt. Die Zylindertemperatur der Meteringzone beeinflusst maßgeblich die Massetemperatur, wobei der Einfluss größer wird, je kleiner die Drehzahl ist. Mithilfe der experimentellen Untersuchungen konnte anschließend eine Wissensdatenbank aufgestellt werden in der Verhaltensregeln zusammengefasst wurden. Zur Umsetzung der selbstoptimierenden Regelung wurde ein Fuzzy-Regelalgorithmus verwendet Die Eingangsgrößen stellen die Druck- und Temperaturschwankung an der Schneckenspitze dar. Als Ausgangsstellgröße wird eine Temperaturänderung genutzt. Der Fuzzy- Regler verarbeitet, unter Berücksichtigung der aufgestellten Verhaltensregeln, linguistische Variablen und liefert präzise Stellgrößen zur Änderung des Temperaturprofils. Dafür wird das analoge Eingangssignal fuzzifiziert und die Stellgröße anschließend auf Grundlage der Regelbasis mit Hilfe der Defuzzifizierung ausgegeben. In dem automatischen Regelungsalgorithmus können verschiedene Ziele wie. eine gewünschte Massetemperatur, maximale Druck- oder Temperaturschwankung etc. festgelegt werden. Das Zylindertemperaturprofil gilt als optimiert, sobald die vordefinierten Werte erreicht werden oder eine vordefinierte Anzahl an Iterationen durchlaufen wurde. Im letzteren Fall wird die Temperatur eingestellt, welche die geringste Druckschwankung innerhalb der tolerierten Temperaturschwankung aufweist. Anschließend wird die nächste Zylinderzone gewechselt. Dieser Ablauf wird bis zur letzten Zone wiederholt. Zusammenfassend ist zu resümieren, dass die selbstregelnde Zylindertemperatursteuerung viele Vorteile bietet. Aufgrund der selbstoptimierenden Regelung kann eine quantifizierbare und konstante Schmelzequalität für verschiedene Materialien gewährleistet werden, die nicht von schichtwechselbedingten Schwankungen beeinflusst wird. Insbesondere ist es mithilfe der Fuzzy-Regelung möglich, unabhängig vom Maschinenbediener oder Trial-and-Error-Versuchen, ein Zylindertemperaturprofil zu bestimmen, welches eine vorher definierte Schmelzehomogenität aufweist.
Publications
- Einfluss des Zylindertemperaturprofils auf das Prozessverhalten und Strategien zur Ermittlung einer optimalen Temperaturführung, Extrusionstechnik 2017: Anlagentechnik und Prozessführung 4.0, VDI-Jahrestagung, Köln (2017)
Schöppner, V., Resonnek, V.
- Investigation of the Barrel Temperature Profile on the Process Behavior of Single Screw Extruders and Strategies to Determine the Optimal Temperature Control. 33rd Polymer Processing Society Annual Meeting 2017, Cancun, Mexiko (2017)
Schöppner, V.; Resonnek, V.
- Self-Optimizing Barrel Temperature Setting Control of Single Screw Extruders for Improving the Melt Quality; 34th Polymer Processing Society Annual Meeting 2018, Taiwan, Republik China (2018)
Schöppner, V.; Resonnek, V.
- Determination of the Barrel Temperature Setting of Single Screw Extruders Using Fuzzy Logic, ANTEC 2019, Detroid, USA (2019)
Schöppner, V.; Resonnek, V.
- Extruder optimier dich, Kunststoffe 1/2019, Carl Hanser Verlag
Schöppner, V.; Resonnek, V.
