Ganzheitliche Simulation der Plastifizierung von Polymerwerkstoffen, des Feststoff- und Schmelzetransports in Einschneckenextrudern mittels CFDEM - Gemeinsame Betrachtung von Einzugszone, Schmelzzone und Metering Zone.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324934383

In der Kunststoffverarbeitung werden mit Einschneckenextrudern Profile, Rohre, Platten, Folien und noch viele andere Produkte hergestellt. Der Einschneckenextruder ist eine kontinuierlich arbeitende Produktionsmaschine. Die Optimierung konzentriert sich häufig auf eine Durchsatzsteigerung bei gleichzeitig hoher Produktqualität. Bisherige Untersuchungen zeigen, dass die Durchsatzsteigerung zum einen von dem Einzug des Kunststoffes in den Extruder und zum anderen vom Aufschmelzverhalten eingeschränkt ist. Bei hohen Drehzahlen kommt es im Einzug häufig zu Teilfüllung der Schneckengänge. Das darauffolgende Aufschmelzen muss vollständig und gleichmäßig erfolgen, um eine hohe Produktqualität sicherstellen zu können. Dabei liefern simulative Ansätze, besonders dreidimensionale Ansätze, einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Transportvorgänge in der Einzugs- und Aufschmelzzone des Extruders. In bestehenden Simulationsmodellen wurden beide Zonen aufgrund der komplexen physikalischen Vorgänge an der Übergangsstelle stets getrennt voneinander betrachtet. Allerdings ist eine zonenübergreifende Betrachtungsweise unbedingt erforderlich, da es nicht zielführend ist, den Durchsatz zu steigern, ohne die Produktqualität sicherzustellen. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die erstmalige zonenübergreifende dreidimensionale Simulation eines gesamten Einschneckenextruders, namentlich der Einzugs- und Aufschmelz- und Meteringzone in einer einzigen Simulationsumgebung. Die Diskrete-Elemente-Methode soll für die Simulation des Transports der Kunststoffpartikel in der Einzugszone eingesetzt werden. Dabei werden die Kunststoffpartikel einzeln simulativ abgebildet. Die folgende sich in der Aufschmelzzone entwickelnde Schmelzeströmung soll mit Hilfe der Finiten-Volumen-Methode und insbesondere der Volume of Fluid Methode für die Phasen Schmelze und Luft berechnet werden. Die Kopplung der Fluidphasen und des Feststoffs erfolgt in der Simulationsumgebung CFDEM®coupling über ein neues Aufschmelzmodell, das erstmalig im Rahmen des D-A-CH-Vorgängerkooperationsprojekts aufgestellt, in die Simulationsumgebung implementiert und an einer Messapparatur validiert wurde. Zunächst soll das neu geschaffene Bindeglied mit dem es möglich wurde die Einzugszone und Aufschmelzzone eines Extruders erstmals gemeinsam zu simulieren, breiter an einem Einschneckenextruder mit mehreren Betriebspunkten validiert werden. Im Weitern soll der Simulationsansatz sowohl DEM-seitig, als auch CFD-seitig sowie das Aufschmelzmodell selbst erweitert und weiter verfeinert werden, um erstmals einen Extruder mit Drei-zonen-Schnecke vollständig simulieren zu können. Die Simulationen werden mit Versuchen an einem Extruder validiert. zusätzlich zu den gemessenen Druck- und Temperaturdaten sollen auch sogenannte dead-stop Experimente herangezogen werden, um sowohl den Beginn des Aufschmelzens als auch das Ende Aufschmelzens und im Einschneckenextruder abgleichen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Dr. Christoph Goniva