Funktionsintegriertes Extruderkonzept mit frei rotierender Schneckenhülse und dynamischem Mischer zur Gewährleistung einer hohen Schmelzequalität im High-Speed-Betrieb

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Johannes Karl Wortberg
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 288888720

Die Erhöhung des Durchsatzes zur Leistungssteigerung von Extrudern kann u. a. durch die Anhebung der Schneckendrehzahl umgesetzt werden. Entsprechend nimmt die Anzahl der Schnellläufer im industriellen Einsatz stetig zu. Die High-Speed-Extrusion stellt nach wie vor ein interessantes Forschungsfeld dar. Entscheidend für die Steigerung der Drehzahl ist die Einhaltung der zulässigen Schmelzetemperatur bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen Schmelzequalität. Es ist jedoch bekannt, dass der spez. Durchsatz mit steigender Drehzahl sinkt, wodurch die zulässige Materialtemperatur schnell erreicht wird. Auch die steigende Scherung des Materials bewirkt einen rapiden Anstieg der Temperatur. Daher wird versucht die High-Speed-Extrusion durch altern. Extrusionstechniken wie dem High-Speed-S-Truder (HSST) zu forcieren. Das Konzept basiert auf der Trennung von Feststoff und Schmelze. Es verwendet eine frei rotierende Schneckenhülse mit radialen Bohrungen, um Schmelze aus dem Gang der schnell rotierenden Schnecke zu entfernen. Ein Dynamic Mixing Ring (DMR) dient der Homogenisierung. Plastifizierversuche mit dem HSST fielen positiv aus. Dennoch konnten einige Verbesserungsansätze aufgezeigt werden. Insbesondere der Einsatz eines dynamischen Mischers unter High-Speed-Bedingungen sowie eine ungleichmäßige Abfuhr der Schmelze über der Schneckenhülse hemmen die erzielbaren Drehzahlen und Durchsätze. Konstruktive Maßnahmen zur verbesserten Schemlzeabfuhr und -förderung ebenso wie zur Reduzierung der Schererwärmung sind daher von primärem Interesse. Gelingt es, die o. g. Problempunkte zu beheben, ließen sich die Effizienz und Funktionalität weiter steigern. Unter Verwendung eines eigens entwickelten Materialmodells zur CFD-Simulation von Schmelzprozessen werden umfangreiche Simulationen und Analysen der Plastifizierung im HSST durchgeführt, um weiteres Prozessverständniss zu erlangen und Optimierungsmaßnahmen zu erarbeiten. Die Simulationen dienen der Auslegung eines geeigneten Schneckendesigns, um die Schmelzeabfuhr über der Länge der Schneckenhülse zu vergleichmäßigen sowie zur Verbesserung des Schneckenhülsendesigns. Hierzu zählt vor allem eine Überarbeitung des Längenverhältnisses zwischen Einzugszone und Schneckenhülse. Der eingesetzte DMR ist eine der Hauptursachen für die Materialerwärmung und wird an die Bedingungen des High-Speed-Betriebs angepasst. Parallel zu den o. g. Arbeiten wird eine Software zur Vorauslegung des S-Truders entwickelt, die den Plastifiziervorgang und die auftretenden Strömungen im HSST für ein vorgegebenes Design von Schnecke und Schneckenhülse weitestgehend analytische berechnet. Die Anzahl der teils aufwändigen, numerischen CFD- Rechnungen kann so künftig auf ein Minimum beschränkt werden. Der optimierte HSST wird im Labormaßstab umgesetzt. Plastifizierversuche dienen der Bestimmung seiner Funktions- und Leistungsfähigkeit, d. h. der maximal erzielbaren Durchsätze, der Temperaturentwicklung sowie der Schmelzequalität.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen