Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Einsatz temperierter Einschnecken in der Kunststoffverarbeitung
Final Report Abstract
Ziel dieses Fortsetzungsantrages war es, die in den ersten beiden Projektjahren gesammelten Erkenntnisse im Bereich der Temperierung von Einschnecken zu erweitern. Hierzu wurde zunächst damit begonnen, eine geeignete Schnecke zu konstruieren und anschließend fertigen zu lassen. Diese wurde so gestaltet, dass eine Variation der Länge und Position der Bohrung, sowie der Art und Menge des Temperiermediums ermöglicht werden. Parallel zu diesem ersten Arbeitsschritt wurde ein Berechnungsmodell für intern innentemperierte Einschnecken entwickelt. Die Modellierung erfolgte hierbei in Anlehnung an die im ersten Projektabschnitt generierten Berechnungsmodelle für extern temperierte Schnecken. Aus diesem Grund wurde die Temperiereinheit in eine finite Anzahl von Teilstücken aufgeteilt. In jedem dieser Abschnitt findet anschließend eine stoffliche und energetische Bilanzierung statt. Weiterhin wurden die im ersten Abschnitt erstellten Berechnungsmodelle für den Bereich der Kunststoffschmelze weiterentwickelt und eine neue Koppelbedingung für die beiden Teilsysteme Kunststoffschmelze und Temperierbohrung entwickelt. Zur Validierung der erstellten Modellgesetze wurde eine Vielzahl von experimentellen Untersuchungen durchgeführt. Hierbei wurde die Einflüsse der Bohrungsgeometrie (Länge, Position der Bohrung, Einbauten) und des Temperiermediums (Art und Menge) untersucht, Ferner wurden verschieden Kunststoffe und Heizzonenprofile verwendet. Im Laufe der Untersuchungen zeigte sich, dass durch die Verwendung einer internen Schneckentemperierung eine Beeinflussung des Extrusionsprozesses möglich ist. Allerdings traten diese nur bei manchen Prozessen und in keinem erkennbaren Schema auf. Dennoch konnte gezeigt werden, dass eine positive Beeinflussung des Prozesses im Sinne von Temperaturabsenkungen der Schmelze und Einsparungen von Energie festgestellt werden konnten. Es wurden allerdings auch negative Beeinflussungen, wie etwa instationäres Verhalten, beobachtet. Um ein möglichst umfangreiches Prozessverständnis zu erlangen, wurde etwa zur Mitte des Projektes mit der Konzeption und Fertigung einer speziellen Messtechnikschnecke begonnen, die es ermöglicht die Temperaturen und Drücke innerhalb der Temperierbohrung zu bestimmen. Es konnten allerdings kaum belastbare Ergebnisse generiert werden, sodass eine abschließende Validierung der Modelle zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht stattfinden konnte. Neben den experimentellen Untersuchungen wurden CFD-Simulationen für den Bereich der Temperierbohrung durchgeführt. Diese zeigten für große Bohrungsdurchmesser (42mm) gute Übereinstimmungen mit realen Prozeesen. Für kleine Durchmesser (10mm) traten allerdings Effekte auf, welche nicht physikalisch erklärbar sind. Auf Anfrage wurde vom Vertreiber der Software bestätigt, dass für diese Durchmesserbereiche ein grundlegender Berechnungsfehler in der Software vorhanden ist. Da die für die experimentellen Untersuchungen verwendete Bohrung einen Durchmesser von 10mm aufweist, war eine zuverlässige Simulation der Realgeometrie nicht möglich. Zur Qualifikation des wissenschaftlichen Nachwuchses wurden zehn studentische Arbeiten vergeben. Weiterhin wurde ein Transferantrag zum bearbeiteten Thema bewilligt.
Publications
- „Temperature modelling of the melt for tempered screws in single extrusion by giving constant heat fluxes“. PPS Europe 2010, Istanbul/Turkey
Schöppner, V.; Lakemeyer, C.; Klus, S.; Anger, K.; Hörmann, H.
- „Coupled computation for internally tempered single extrusion-screws”. PPS 2011, Marrakesh/Morokko
Schöppner, V.; Lakemeyer, C.; Hörmann, H.
- „Thermal considerations of tempered single extruding screws: influence of screw tempering to melt temperature”. WAK-Internetzeitschrift, 04/2011, S. 137-159, Carl Hanser Verlag, München, 2011
Schöppner, V.; Lakemeyer, C.; Hörmann, H.; Schöppner, V.; Anger, K.
