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Analyse und Optimierung von Einschneckenextrudern mit schnelldrehenden Schnecken

Die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Arbeiten befassen sich mit der experimentellen und theoretischen Untersuchung des Betriebsverhaltens von Scher- und Mischteilen bei einem Extrudersystem mit schnelldrehenden Schnecken. Die Untersuchung konzentriert sich auf weitverbreitete Polyolefintypen und einen Schneckendurchmesser von 35 mm. Die Größe der Schnecke resultiert aus dem in der Praxis häufig geforderten Durchsatzspektrum von etwa 200 bis 300 kg/h. Hierbei wird die Schmelzeaustragszone entkoppelt von dem Einzug und der Plastifizierzone betrachtet. Für die Untersuchungen werden Mischteile ausgesucht, die sich aufgrund ihrer Bauformen stark im Betriebsverhalten voneinander unterscheiden. Als Referenz dient eine eingängige Schnecke ohne zusätzliche Mischelemente. Die untersuchten Scher- und Mischteile werden mit Drehzahlen von bis zu 1000 U/min und Durchsätzen von bis zu 325 kg/h betrieben.

Die experimentelle Analyse beinhaltet die Auswertung des Druckes, der Schmelzetemperatur und der stofflichen Homogenität in Abhängigkeit von der Drehzahl, des spezifischen Durchsatzes und des Gegendruckes. Zusätzlich wird bei der experimentellen Untersuchung eine Methode zur ganzheitlichen Beurteilung der thermischen Homogenität des Extrudates vorgestellt, die auf der Infrarotthermometrie basiert. Diese ist mit Hinblick auf die Untersuchungsziele besonders interessant. Der Vergleich mit unterschiedlichen Temperatur-Messmethoden zeigt dabei die enormen Vorteile dieses Verfahrens. Anhand der neuartigen Analysemöglichkeit werden die Einflüsse von Verfahrensparametern (wie Gegendruck oder spezifischer Massedurchsatz) auf die thermische Homogenität diskutiert. Aufbauend auf dieser Auswertemethode konnte erstmalig ein qualitativer Zusammenhang zwischen der stofflichen und thermischen Homogenität hergestellt werden.

Die experimentelle Untersuchung wird durch dreidimensionale, nicht-isotherme und nicht-newtonsche CFD-Simulationen unterstützt. Dabei werden bei allen Mischern eine hohe Netzqualität und somit auch eine Berechnungsrobustheit erreicht. In einer Parameteranalyse werden zahlreiche Einflüsse auf die Berechnungsqualität erörtert. Hierzu gehören sowohl softwareinterne Einstellungen als auch Materialparameter und thermische Randbedingungen. Da die letzteren teilweise nicht zur Verfügung stehen, muss das thermodynamische Verhalten teils abgeschätzt oder iterativ ermittelt werden. Sind die erforderlichen Größen bekannt, kann das Systemverhalten sehr genau berechnet werden. Die durchgeführten Simulationen werden anhand der experimentell ermittelten Größen (Druck und Temperatur) validiert und zeigen sehr gute Übereinstimmungen. Für die Auswertung der stofflichen Homogenität anhand der Simulationsergebnisse werden einige Kriterien vorgestellt und analysiert. Dazu werden Systemgrößen wie Verweilzeiten oder Schub- und Dehnspannungen entlang von Bahnlinien ausgewertet. Werden alle experimentellen und theoretischen Ergebnisse zusammengefasst, so ergeben sich einige interessante Ansätze für die Auslegung von Extrudern mit schnelldrehenden Schnecken. Neben der Berechnung der Scher- und Mischteile werden für die untersuchte Referenz-Schneckengeometrie einige geometrisch abgeänderte Varianten untersucht. Anhand der Simulationen werden grundsätzliche Abhängigkeiten der Drehzahl auf das Betriebsverhalten bei unterschiedlichen Gangtiefen und Gangsteigungen vorgestellt.

Read this abstract in English at Kunststoffe-international.com
 Paul Gorczyca

Paul Gorczyca
Lehrstuhl für Konstruktion und Kunststoffmaschinen
Universität Duisburg-Essen

Informationen

Freie Schlagwörter: Extrusion, High Speed, Schnecke, Einschnecke, Extruder, Einschneckenextruder, Schnellläufer, Kunststoff, Kunststoffverarbeitung, Optimierung, Scherteil, Mischteil, Scherelement, Mischelement, Simulation, FEM, Mischverhalten, Homogenität, thermisch, stofflich, Temperatur, Druck, Temperaturverhalten
Institut / Lehrstuhl: Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Universität Duisburg-Essen
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Johannes Wortberg (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann
Erscheinungsjahr: 2011
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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