Hochleistungsextrusion – Noch mehr Leistung durch Simulation

Die Weiterentwicklung und simulative Auslegung von Einschneckenextrudern mit genuteter Plastifizierzone (EEgP) wird am IKT stetig weiter erforscht - (Bild: IKT).

Die Einschneckenextrusion gilt als das am weitesten verbreitete Verarbeitungsverfahren in der Kunststoffindustrie. Steigende Anforderungen hinsichtlich der Produktionsgeschwindigkeit und -flexibilität treiben den technischen Fortschritt innerhalb der Extrusion stetig voran und stellen diese zunehmend vor neue Herausforderungen. Besonders in der heutigen, durch steigende Leistungs- und Effizienzanforderungen geprägten Zeit, gewinnt die mathematische Beschreibung der Prozesse zunehmend an Bedeutung. Dies hat nicht nur Kosteneinsparungen in der Extruderauslegung zur Folge, sondern birgt auch ein erhebliches Potential zur anschließenden Prozessoptimierung. Aus diesem Grund wird am Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart ein erheblicher Forschungsaufwand zur weiteren Optimierung der analytischen Modelle sowie numerischen Simulationsmethoden betrieben. Mithilfe neuer analytischer und numerischer Modelle zur Auslegung von Einzugs-, Aufschmelz- und Mischzone in Kombination mit der 3D-Simualtion von Extrusionswerkzeugen kann somit der vollständige Extruder hinsichtlich heutiger Anforderungen optimiert werden. Das IKT zeichnet sich auf diesen Gebieten durch jahrzehntelange Erfahrung und weitreichende Kompetenzen aus.

Steigende Anforderungen an die Produktionsgeschwindigkeit haben zu einem zunehmenden Interesse an schnelllaufenden Einschneckenextrudern geführt. Da bei diesen Anlagen der Durchsatz bei hohen Drehzahlen nicht länger linear steigt, ist die Auslegung von Schnecken mit gängigen, etablierten Berechnungsmodellen für fördersteife Extruder erschwert und bedarf einer Korrektur. Aktuelle Forschungsarbeiten am IKT untersuchen den Einfluss der Granulateigenschaften sowie der Geometrie von Schnecke und Zylinder im Einzug auf den Verlauf des Durchsatzes über der Drehzahl mit dem Ziel, die Erkenntnisse in die Durchsatzberechnung zur Auslegung von Schnellläufern zu implementieren. Ein zukünftiges ganzheitliches Modell könnte eine von den verschiedenen Einflussfaktoren abhängige Schüttdichtefunktion beinhalten, um die etablierten Ansätze zur Durchsatzberechnung zu erweitern.

Extruder mit genutetem Plastifizierzylinder in Kombination mit einer Barriereschnecke (EEgP) weisen wirtschaftliche und verfahrenstechnische Vorteile gegenüber herkömmlichen Anlagen auf. Obwohl die herausragende Leistung eines EEgP in der Vergangenheit bereits mehrfach experimentell nachgewiesen wurde, sind die genauen Aufschmelzmechanismen immer noch nicht vollständig geklärt. Am IKT wird daher die Aufschmelzzone von Extrudern mit genuteten Plastifizierzylindern experimentell untersucht und darauf aufbauend bestehende Ansätze zur Modellierung der Aufschmelzzone weiterentwickelt und validiert. Anhand eines erweiterten Modells ist es möglich, die Aufschmelzleistung eines EEgP für strukturviskose Flüssigkeit ohne großen Rechenaufwand analytisch zu berechnen.

Um die Auslegung von Extrusionswerkzeugen zu erleichtern, werden heutzutage auch verstärkt numerische Simulationsmethoden eingesetzt. Dazu wird häufig die Strömungsgeometrie als CAD-Modell erstellt und anschließend darauf aufbauend ein Berechnungsgitter generiert. Bei einer Variation der Werkzeuggeometrie muss wiederholt ein CAD-Modell erstellt, vernetzt und simuliert werden. Bei mehreren Iterationsschritten wird diese Prozedur sehr zeitaufwendig. Ein aktuell am IKT entwickelter Ansatz verzichtet auf die Erstellung eines CAD-Modells und erstellt direkt ein parametrisiertes Rechengitter am Beispiel eines parametrisierten Axialwendelverteilers. Untersucht werden dabei die Auswirkungen verschiedener Geometrieparameter auf den Druckverlust und auf die Geschwindigkeitsverteilung am Austritt des Werkzeugs.

Neben effizienten Auslegungsmethoden müssen Extrusionsanlagen auch während der Produktion flexibel auf Änderungen reagieren können. Zudem werden die Kunststoffverarbeiter auch weiterhin zunehmend vor der Herausforderung stehen, vermehrt kleine Losgrößen wirtschaftlich herzustellen. Bei häufigen Werkstoff- und Farbwechseln auf einer Produktionsanlage spielt dabei die Verweilzeit im Extruder eine entscheidende Rolle, da eine breite Verweilzeitverteilung zu hohen Ausschussmengen während des Wechsels führt. Die Einflüsse von Werkstoff und Prozessparametern auf die Verweilzeitverteilung wird daher am IKT experimentell untersucht. Ein Messflansch zwischen Extruder und Drosselwerkzeug ermöglicht dabei die Aufzeichnung der Amplitude im Inline-Messverfahren. Dazu wird am IKT das Verweilzeitspektrum bei drei verschiedenen Extruderkonzepten mittels Ultraschalltechnik ermittelt. Untersucht werden ein Glattrohr-, ein Nutbuchsenzylinder und ein EEgP.

Diese und weitere aktuelle Forschungsaktivitäten und Erkenntnisse auf dem Gebiet der Hochleistungsextrusion werden im Rahmen des 25. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquiums vorgestellt.

Weitere Informationen:
www.stuttgarter-kunststoffkolloquium.de, www.ikt.uni-stuttgart.de

25. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 22.-23. März 2017, Stuttgart

Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik (IKT), Stuttgart

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