Funktionsintegriertes Extruderkonzept mit frei rotierender Schneckenhülse und dynamischem Mischer zur Gewährleistung einer hohen Schmelzequalität im High-Speed-Betrieb
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit dem alternativen Plastifizierkonzept des High-Speed-S-Truders in seiner ursprünglichen Konfiguration mit langer Schneckenhülse konnten bereits zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Trotzdem ergaben sich verfahrenstechnische Herausforderungen, für die im Rahmen des DFG-Projektes Lösungen ermittelt werden. Durch die konstruktive Optimierung des kalottenförmigen DMRs hin zu einer Wabenstruktur konnte die Oberfläche erheblich reduziert werden, die zur Bildung eines Scherspaltes beiträgt. Hierdurch konnte sowohl die Temperaturentwicklung als auch der Druckverbrauch verbessert werden. Darüber hinaus haben sich die auftretenden Rückströmungen von Schmelze innerhalb des Schneckenhülsenkanals durch die eine verkürzte Schneckenhülse stark reduziert, Eine weitere Eindämmung der Rückströmungen ist mit der Verwendung einer axial-genuteten Schneckenhülse möglich, da sie zu einem gleichmäßigeren Druckprofil im Schneckenkanal unterhalb der Schneckenhülse beiträgt. Neben den verbesserten Fließeigenschaften im Schneckenhülsenkanal können mit der axial-genuteten Schneckenhülse der maximal-erreichbare Durchsatz für die erprobten Betriebspunkte von 200 min^-1 bis 800 min^-1 – bei gleichzeitiger Senkung der Schmelzetemperatur – gesteigert werden. Die Entwicklung einer druckinversen Schneckengeometrie mittels einer 3-Barrieren-Schnecke führte zu keinem verbesserten Betriebsverhalten. Durch die Verwendung eines Bypasses ist es erstmals möglich, Homogenitätsuntersuchungen an extrudiertem Material durchzuführen. Die Anfertigung von Thermografieaufnahmen und Dünnschnitte ermöglicht eine Analyse der thermischen und stofflichen Schmelzehomogenität über die getesteten Betriebspunkte. Hierbei zeigte sich für die Betriebspunkte 200 min^-1 bis 600 min^-1 sowohl bei den Thermografieaufnahmen als auch bei den Dünnschnitten eine zufriedenstellende Homogenität. Für den Betriebspunkt bei 800 min^-1 konnten in den Thermografieaufnahmen vereinzelt kalte Schmelzevolumina detektiert werden. Auch weiße Bereiche in den Dünnschnitten deuten auf nicht vollständig plastifizierte Domänen hin. Eine Adaption des HSST an die Technikumsblasfolienanlage des Instituts für Produkt Engineering unterstreicht dessen Potenzial für die Anwendung in Realprozessen. Weitere Entwicklungsarbeiten sind jedoch notwendig.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Einsatz innovativer Simulationstechniken zur Entwicklung eines High-Speed-Extrusionskonzeptes auf Basis von Feststoff-Schmelze-Trennung. Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2016
Karrenberg, G.
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Virtual and Experimental Comparison of Different Dynamic Mixing Devices for Single Screw Extrusion. SPE ANTEC, Anaheim (USA), 2017
Neubrech, B.; Wortberg, J.
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Simulation Based Investigations on Dissipation Reduction in Grooved Melting Zones Using a High-Speed-Extruder. PPS 34, Taipeh (Taiwan), 2018
Janßen, M.; Wortberg, J.
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Two Concepts for Extending the 3D-Simulation Technique of Melting Processes in High-Speed-Extrusion Based on a Custom Material Model. SPE ANTEC, Detroit (USA), 2019
Janßen, M.; Wortberg; Neubrech, B.; Stratmann, B.; Wortberg, J.; Schiffers, R.
