Design und Optimierung von Wave-Dispersions Schnecken
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wave-Schnecken können in der Einschneckenextrusion eine bessere Aufschmelzleistung und Mischwirkung bei gleichzeitig niedrigerem Energieeinsatz gegenüber konventionellen Schneckenkonzepten erreichen. Aufgrund dieser Vorteile werden Wave-Schnecken in der kunststoffverarbeitenden Industrie vermehrt eingesetzt. Allerdings beruht die Schneckenauslegung nur auf Erfahrungswerten, da es an tiefem Verständnis fehlt, wie sich die Schneckengeometrie auf das Prozessverhalten auswirkt. Folglich bleibt ein großer Spielraum für die Prozessoptimierung ungenutzt. Im Zuge des Forschungsvorhabens wurden zwei verschiedene Ansätze zur Simulation von Einschneckenextrudern verfolgt. Ziel ist es, mit diesen Simulationsmodellen die komplexe Strömungssituation in Wave-Schnecken genauer abzubilden und somit eine gezieltere Schneckenauslegung zu ermöglichen. Die Kunststofftechnik Paderborn (KTP) fokussiert sich auf CFD-Simulationen unter Berücksichtigung der Feststoffförderung und der Plastifizierung, womit das disperse Aufschmelzen in Wave-Schnecken vorhergesagt werden kann. Um ein besseres Prozessverständnis zu erlangen, wurde der Materialtransport in verschiedenen Wave-Schnecken für zwei kommerzielle Kunststofftypen mit unterschiedlichem Fließverhalten simuliert. Basierend auf den Simulationsergebnissen wurden insgesamt drei optimale Designs ermittelt: je ein Design pro Kunststofftyp, sowie ein universelles Design. Die ausgewählten Designs wurden zusammen mit drei weiteren bestehenden Varianten experimentell untersucht und anhand eines eigens entwickelten Gütemaßes bewertet. Am Institute of Polymer Processing and Digital Transformation (IPPD) wird für die Vorhersage der Schmelzeförderung in Wave-Schnecken auf ein institutseigenes Berechnungsprogramm zurückgegriffen, das die Kanal- und Leckströmung mittels Netzwerktheorie abbildet und im Vergleich zu dreidimensionalen CFD-Simulationen deutlich geringere Rechenzeiten benötigt. Die hinterlegten Modelle für die lokale Förderwirkung und Dissipation wurden in diesem Projekt dahingehend angepasst, dass diese die dreidimensionale gekrümmte Kanalkontur unverfälscht abbilden, um auch in den tiefgeschnittenen Bereichen von Wave-Schnecken die Schmelzeförderung zielgenau vorhersagen zu können. Die verbesserte Vorhersagequalität des angepassten Berechnungsprogramms wurde anhand von Ausstoßversuchen an einem schnelllaufenden Extruder erfolgreich demonstriert. Die Erkenntnisse und Simulationsmodelle aus diesem gemeinsamen Forschungsprojekt bilden den Grundstein für eine physikalisch fundierte Auslegung von Wave-Schnecken in der kunststoffverarbeitenden Industrie. Dies leistet letztlich einen Beitrag zu wirtschaftlicheren und umweltschonenderen Formgebungsprozessen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Development of an Analytical Mathematical Modelling Approach for a More Precise Description of Disperse Melting in Solid Bed Breaking Screw Concepts, Conference Proceedings ANTEC 2021, Denver
Dörner, M. & Schöppner, V.
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Vorteilhaftes Prozessverhalten von Wave-Schnecken in der Einschneckenextrusion, Fachtagung TECHNOMER, 2021, Chemnitz
Schall, C.; Dörner, M. & Schöppner, V.
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Melt Conveying in Single-Screw Extruders: Modeling and Simulation. Polymers, 14(5), 875.
Marschik, Christian; Roland, Wolfgang & Osswald, Tim A.
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On the Wave to Successful Mixing, Kunststoffe International 3/2022.
Frank, M.; Dörner, M.; Marschik, C.; Schall, C. & Schöppner, V.
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Correction factors for the drag and pressure flows of power‐law fluids through rectangular ducts. Polymer Engineering & Science, 63(7), 2043-2058.
Marschik, Christian & Roland, Wolfgang
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Extended melt‐conveying models for single‐screw extruders: Integrating domain knowledge into symbolic regression. Polymer Engineering & Science, 63(11), 3639-3656.
Marschik, Christian; Roland, Wolfgang & Kommenda, Michael
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Predicting the pumping capability of single-screw extruders: A comparison of two- and three-dimensional modeling approaches. AIP Conference Proceedings, 2773, 020002. AIP Publishing.
Marschik, Christian & Roland, Wolfgang
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The Wave Must Be Right, Plastics Insights 7/2023, 2023
Schall, C.; Frank, M. & Schöppner, V.
