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Einsatz innovativer Simulationstechniken zur Entwicklung eines High-Speed-Extrusionskonzeptes auf Basis von Feststoff-Schmelze-Trennung

Die Extrusion ist eines der bedeutendsten Verfahren zur Verarbeitung von Kunststoffen. Entsprechend stark ist das Interesse an der Sicherstellung effizienter und wirtschaftlicher Prozesse. Die mit einem Extruder erzielbaren Durchsätze stellen hierbei eine primäre Richtgröße dar. Eine Anhebung der erzielbaren Durchsätze ist somit anzustreben.

Das größte Potenzial zur Realisierung dieses Ziels wird vielfach im Einsatz schnelldrehender Schnecken gesehen. In der Einschneckenextrusion sind hierfür jedoch noch entscheidende Probleme, insbesondere bzgl. der Einhaltung zulässiger Schmelzetemperaturen und der Gewährleistung einer ansprechenden Extrudatqualität, zu lösen.

Im Rahmen dieser Dissertation wird daher die Entwicklung des sogenannten High-Speed-S-Truder-Konzeptes unter Einsatz innovativer Simulationstechniken vorangetrieben. Hierzu wird zunächst das bestehende Konzept mittels umfangreicher experimenteller sowie theoretischer Arbeiten untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der Generierung von Prozesswissen bzgl. der Aufschmelzabläufe und Strömungsvorgänge im High-Speed-S-Truder. Vor allem dem Einsatz von computergestützten Simulationsmethoden wird dabei eine besondere Bedeutung zuteil, da diese es ermöglichen, einen detaillierten virtuellen Einblick in das Innere der Maschine zu erhalten. Einen Schwerpunkt dieser Arbeit stellt daher die Ausarbeitung eines innovativen und universell einsetzbaren Materialmodells sowie dessen Implementierung in eine kommerzielle CFD-Umgebung dar. Das Materialmodell ermöglicht die gemeinsame Abbildung von Feststoff und Schmelze als ein strömendes Kontinuum. Es berücksichtigt sowohl rheologische als auch thermodynamische Materialeigenschaften, die über einem breiten Temperaturbereich - von Raum- bis über die Verarbeitungstemperatur hinaus - abgebildet werden. Mittels des Materialmodells wird die Extrusion mit dem High-Speed-S-Truder simuliert, analysiert und Optimierungspotenziale werden aufgedeckt.

Auf Grundlage der hierdurch gewonnenen Erkenntnisse wird ein überarbeiteter Prototyp mit frei rotierender Schneckenhülse zur Feststoff-Schmelze-Trennung entwickelt. Durch den unkonventionellen, aber dennoch simplen Aufbau des High-Speed-S-Truders unterscheiden sich die im Inneren ablaufenden Plastifiziervorgänge teils deutlich von den bekannten Mechanismen. Daher werden auch die Vorgänge im neuen Prototypen mittels des o.g. Materialmodells im Rahmen von weiteren CFD-Simulationen sichtbar gemacht und die getroffenen konstruktiven Änderungen überprüft und optimiert. Die Leistungsfähigkeit des neuen High-Speed-S-Truders wird durch reale Plastifizierversuche mit gängigen Standard-Kunststoffen (PE-LD, PE-LLD, PS) nachgewiesen.

Read this abstract in English at Kunststoffe-international.com
 Gregor Karrenberg

Gregor Karrenberg
Lehrstuhl für Konstruktion und Kunststoffmaschinen
Universität Duisburg-Essen

Informationen

Freie Schlagwörter: High-Speed-Extrusion, Feststoff-Schmelze-Trennung, Strömungssimulation (CFD), Modellbildung, Materialmodell, Rheologie
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 Bonten
Erscheinungsjahr: 2016
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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