Dreidimensionale Modellierung der Kunststoffförderung im Einschneckenextruder - Gemeinsame Betrachtung der Einzugszone und Aufschmelzzone

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Mechanische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• 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 Schneckendrehzahlen kann die Schnecke häufig nicht ausreichend Granulat vom Trichter einziehen, um die Kanäle vollständig aufzufüllen. Die eingezogenen Kunststoffpartikel müssen in der folgenden Aufschmelzzone vollständig und gleichmäßig aufgeschmolzen werden, 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 werden 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 der Einzugs- und Aufschmelzzone 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 berücksichtigt. Die folgende sich entwickelnde Schmelzeströmung soll mit Hilfe der Finiten-Volumen-Methode berechnet werden. Die Kopplung beider Phasen erfolgt in der Simulationsumgebung CFDEM®coupling über ein neues Aufschmelzmodell, das erstmalig im Rahmen dieses Forschungsvorhabens aufgestellt und in die Simulationsumgebung implementiert werden soll. Zunächst soll das Simulationsmodell an einem speziellen Versuchsaufbau aufgestellt und validiert werden. Anschließend soll die Allgemeingültigkeit an einem Einschneckenextruder mit glatter und genuteter Einzugszone nachgewiesen werden. Zusätzlich zu den gemessenen Druck- und Temperaturdaten sollen auch sogenannte dead-stop Experimente herangezogen werden, um sowohl den Feststoff-Schmelze Übergangspunkt als auch das Aufschmelzverhalten im Einschneckenextruder abgleichen zu können. Erste Optimierungsvorschläge am Einzugszylinder und an der Schnecke sollen ebenfalls ausgearbeitet werden.Das Projekt soll im Rahmen eines internationalen D-A-CH-Projektes umgesetzt werden. Die Kooperation besteht aus den Forschungsinstituten Institut für Kunststofftechnik (Universität Stuttgart, Deutschland) und CFDEMresearch (Linz, Österreich). Im Rahmen der Kooperation sollen die Kompetenzen beider Forschungsinstitute vereinigt werden.

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