Automatisierte Mischeroptimierung für das physikalische Extrusionsschäumen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441921604

Das physikalische Schäumen von Kunststoffen ist ein etabliertes Verfahren zur Herstellung von leichten, gut isolierenden Materialien mit zellulärer Struktur. Durch das Einbringen von Gas in eine Kunststoffmatrix lassen sich Eigenschaften wie eine geringe Dichte, hohe mechanische Dämpfung und gute Isolationseigenschaften gezielt steuern. Besonders in der Bau- und Transportindustrie spielen geschäumte Kunststoffe eine wichtige Rolle, da sie Materialeinsparung und Gewichtsreduktion ermöglichen. Die verbreitetsten Varianten sind thermoplastische Schäume, die durch ihre Vielseitigkeit und Recyclingfähigkeit besonders attraktiv sind. Die Herstellung erfolgt meist durch Extrusion, wobei Treibmittel wie Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid in die heiße Kunststoffschmelze mittels Mischern am Ende der Schnecke gleichmäßig eingebracht werden. Entscheidend für die Qualität des Schaums ist ein kontrollierter Prozessablauf: Beim Austritt aus der Düse sinkt der Druck abrupt, wodurch das Treibmittel expandiert und die gewünschte Zellstruktur entsteht. Dabei beeinflussen Parameter wie Temperatur, Druck und Treibmittelkonzentration die Zellgrößenverteilung und die Homogenität des Schaums. Eine hohe Viskosität der Kunststoffschmelze führt zu kleineren, stabileren Blasen mit hoher Druckfestigkeit. Ist die Viskosität jedoch zu hoch, kann das Blasenwachstum behindert werden. Eine zu niedrige Viskosität hingegen führt zu instabilen Strukturen mit größeren Hohlräumen. Ein wenig erforschter, aber entscheidender Faktor ist die Geometrie des Mischers. Sie beeinflusst maßgeblich die Verteilung des Treibmittels in der Schmelze und damit die Qualität des entstehen-den Schaums. Während die Steuerung von Temperatur, Druck und Treibmittelzufuhr bereits gut untersucht ist, gibt es bisher wenige systematische Studien zu den Wechselwirkungen zwischen Mischerdesign und Blasenbildung. Ein besseres Verständnis dieser Zusammenhänge wird die Effizienz des Schäumprozesses deutlich verbessern und die Qualität der Produkte optimieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen