Modellierung transienter Prozesse in Hochleistungs-Einschneckenextrudern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Schöppner
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549080467

Die Einschneckenextrusion zählt zu den Kernkompetenzen der Kunststoffverarbeitung. Um wirtschaftlich und nachhaltig produzieren zu können, sind neben einer Durchsatzsteigerung sowohl ein pulsationsfreier Austrag des Materials, als auch die Vermeidung von Stillstandszeiten und Ausschuss von großer Bedeutung. Dies erfordert eine zielgerichtete Schneckenauslegung, vor allem bei Verwendung von Hochleistungsschnecken wie Barriere- und Wellen-Dispersions-Schnecken. Ziel des Forschungsantrages ist, Simulationsmodelle zur Verfügung zu stellen, welche bereits in der Schneckenauslegung verwendet werden können. Hierdurch sollen vor allem transiente Effekte vorhersagbar werden. Beispiele hierfür sind Druck-, Temperatur- und Ausstoßschwankungen infolge von schwankenden Materialeigenschaften, welche insbesondere bei recyceltem Material auftreten können. Ebenso sollen Spülzeiten bei Materialwechseln simuliert werden können, sodass diese bereits in der Schneckenauslegung berücksichtigt und somit Ausschuss reduziert werden kann. Im angestrebten Forschungsantrag sollen Simulationsmodelle zur transienten Berechnung von Einschneckenextrudern (Glattrohr und Nutbuchse) erarbeitet werden, um Prozessinstabilitäten wie eine instationäre Feststoff- und Schmelzeförderung sowie Prozessschwankungen durch inkonstante Materialeigenschaften simulieren zu können. Der erste von zwei Ansätzen ist die Beschreibung des gesamten Extrusionsvorgangs durch ein Simulationsmodell, in welchem neben der Schmelzeförderung auch die Feststoffförderung und -plastifizierung numerisch gelöst wird. Hierfür muss insbesondere die Feststoffreibung gezielt beschrieben werden, sodass die Feststoffförderung und somit das Druck-Durchsatzverhalten des gesamten Extrusionsprozesses akkurat beschrieben werden kann. Der Vorteil einer Kombination der Feststoff- sowie Schmelzeförderung innerhalb eines Modells ist die Berechnung des gesamten Extrusionsprozesses innerhalb einer Simulation, erfordert jedoch hohe Rechenkapazitäten sowie Berechnungszeiten. Der zweite Ansatz verwendet die schmelzedominierte Berechnung des Einschneckenextruders mittels der Netzwerktheorie. Hierzu wird der Fließkanal des Extruders in viele helixförmige Kanalabschnitte aufgeteilt und mittels bereits aus numerischen Simulationen hergeleiteten Regressionsgleichungen das Druck-Durchsatzverhalten sowie die Dissipationsleistung in den Abschnitten berechnet. Im Rahmen des Forschungsprojektes wird das Modell zusätzlich um Modelle zur Verweilzeitverteilung ergänzt, sodass das Modell auch für transiente Simulationen nutzbar wird. Die beiden Ansätze zur Simulation von Einschneckenextrudern werden sowohl experimentell validiert als auch miteinander verglichen, um Empfehlungen für verschiedene Problemstellungen (Verstopfen, Druckschwankungen, Spülzeiten), welche bisher nur ungenügend beschreibbar und vorhersagbar sind, geben zu können. Weiterhin wird eine Kopplung der Modelle angestrebt, sodass die Vorteile beider Verfahren kombiniert werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Gerald Berger-Weber