Particle Simulation for the Conveying Behavior of Granules in Grooved Bushing Extruders
Final Report Abstract
Die Einschneckenextrusion ist mengenmäßig eines der wichtigsten Verarbeitungsverfahren für thermoplastische Kunststoffe. Bei der Auslegung von Nutbuchsenextrudern ist die Simulation ein gängiges Mittel, um Kosten für experimentelle Untersuchungen im Trial-and-Error-Verfahren einzusparen. Bestehende Berechnungsmethoden auf Basis analytischer Gleichungen sind jedoch einigen Annahmen und Vereinfachungen unterworfen. Deswegen war es das Ziel dieses Forschungsvorhabens, unter Zuhilfenahme numerischer Simulationen der Diskrete-Elemente-Methode (DEM), die bestehenden Berechnungsansätze und die dazugehörigen Annahmen zu überprüfen sowie eine angepasste Modellierung zu entwickeln. Die DEM war schon in der Vergangenheit erfolgreich zur Beschreibung der Feststoffförderung in Glattrohrextrudern eingesetzt worden. Es wurden zunächst an drei exemplarischen Kunststoffen, einem Polyethylen (PE), einem Polyproylen (PP) und einem Polyamid (PA) die notwendigen Materialeigenschaften bestimmt und ein Simulationsmodell mitsamt der notwendigen Einstellparameter herausgearbeitet. Dazu wurden Reibwerte und die Granulatabmessungen bestimmt sowie ein erster Abgleich zwischen Simulation und Experiment durchgeführt. Als Benchmark dienten hierbei Durchsatzuntersuchungen an einem Nutbuchsenextruder sowie Kompressionsuntersuchungen an einer Zug-Druck-Prüfmaschine. Die gewählten Simulationseinstellungen führten zu überwiegend guten Übereinstimmungen zu den entsprechenden Experimenten. Weiterhin wurde ein Prüfstand entwickelt, mit dem sich die Feststoffförderung in genuteten Einzugszonen isoliert untersuchen lässt. Es wurde ein verkürztes Einfüllgehäuse mit Nutbuchse konstruiert, dem sich eine Gegendruckvorrichtung vorschalten lässt. Letztere ist ebenfalls in diesem Forschungsvorhaben überarbeitet worden, um die erhöhten Anforderungen bei der Versuchsdurchführung durch die hohen Drücke erfüllen zu können. Mittels eines statistischen Versuchsplans, in dem verschiedene Material-, Geometrie- und Prozessparameter variiert worden sind, wurde mit dem DEM-Simulationsmodell eine breite Datenbasis erzeugt, die einen systematischen Vergleich mit bestehenden Modellierungsansätzen und experimentellen Untersuchungen erlaubte. Variiert wurden der innere Reibwert, der Granulatdurchmesser, der Zylinderdurchmesser, die Gangtiefe, die Gangsteigung, der Nutenwinkel, die Umfangsgeschwindigkeit und der Gegendruck. Es zeigte sich, dass die Annahmen bestehender analytischer Ansätze überwiegend gerechtfertigt sind. Dazu gehören die Annahme eines gegendruckunabhängigen Durchsatzes und die Einteilung der Feststoffförderung in die sogenannten Förderfälle 1a, 1b und 2a. Bestehende Abweichungen im Förderfall 2a konnten mithilfe eines neu definierten regressierten Korrekturfaktors verringert werden. Bekannte komplexe Strömungsphänomene, die vor allem im Förderfall 1b auftreten, wie z. B. das Stagnieren einzelner Granulatschichten oder das Abweichen von einer idealen Blockströmung, konnten mit den DEM-Simulationen sichtbar und verständlich gemacht werden. Schließlich zeigt sich auch bei der Validierung mithilfe des neu konstruierten Versuchsstands eine gute Übereinstimmung zwischen den Simulationen, analytischen Berechnungen und den experimentellen Untersuchungen.
Publications
- Development of a Solids Conveying Throughput Model for Grooved Barrel Extruders Based on Discrete Element Simulations. In: Hopmann, C., Dahlmann, R. (Hrsg.): Advances in Polymer Processing 2020: Proceedings of the International Symposium on Plastics Technology. Berlin, Heidelberg: Springer, 2020
Schöppner, V.; Brüning, F.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-662-60809-8_5) - Calibration of a Contact Model for DEM Simulations of Grooved Feed Sections of Single Screw Extruders. Proceedings of the 36th International Conference of the Polymer Processing Society (PPS-36), 2021
Schöppner, V.; Brüning, F.
