Dreidimensionale Modellierung des Doppelschneckenextruders mit einer Immersed Boundary Methode

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506336246

Die experimentelle Auslegung und Optimierung von Doppelschneckenextrudern (DSE) ist oft sehr teuer und zeitaufwendig. Die dreidimensionale, numerische Prozesssimulation ist daher für den zukünftigen technologischen Fortschritt in der Kunststoffindustrie von großer Bedeutung. Dadurch können verschiedenste Konfigurationen mit geringeren Kosten in kürzester Zeit ressourceneffizient analysiert und virtuell optimiert werden. Obwohl es bereits in den letzten Jahren auf diesem Gebiet vielversprechende Entwicklungen und Forschungsaktivitäten gab, stellt die dreidimensionale Simulation von DSE auch heute noch eine große Herausforderung dar. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass bewegte, ineinandergreifende Elemente nicht ohne Weiteres durch klassische, körperangepasste Simulationen berechnet werden können. Mit der stetigen Weiterentwicklung der Computertechnologie geht auch die Entwicklung neuer, leistungsstarker Simulationsmethoden einher. So ist die Immersed Boundary Methode eine sehr vielversprechende Simulationsmethode, um derzeitige Grenzen bei der Simulation ineinandergreifender, bewegter Elemente zu überwinden. Ziel dieses Forschungsprojekts ist daher die Entwicklung und Validierung eines neuartigen IBM-Solvers in OpenFOAM zur dreidimensionalen Simulation von Einphasenströmungen in einem TSE. Validiert werden soll der neu entwickelte Solver zum einen innerhalb eines kontrollierten Laborversuchs durch eine neuartige Messapparatur und zum anderen erstmals auf einem realen Doppelschneckenextruder als Scale-up hin zu realen Prozessbedingungen. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes stellen einen weiteren Schritt zur rechnergestützten Auslegung dar und können in Zukunft genutzt werden, um verschiedene DSE-Konfigurationen realitätsnah zu simulieren. Aufgrund der Komplexität der Simulation ist dies bisher nicht oder nur in vereinfachter Weise möglich. Darüber hinaus soll dieses Forschungsvorhaben den Weg für die zukünftige Entwicklung eines gekoppelten Strömungslösers ebnen, der sowohl Feststoffpartikel im Sinne der Diskrete Elemente Methode (DEM) als auch eine Strömungssimulation anhand eines geeigneten IBM-Solvers abdeckt. Eine solche gekoppelte CFD-DEM-Simulation ist letztlich notwendig, um das Aufschmelzen während der Extrusion abzubilden und somit in Zukunft alle Verfahrenszonen des DSE gemeinsam zu simulieren.

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