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Modellbildung von Produktwechselprozessen in Extrusionswerkzeugen

Die effiziente Durchführung von Produktwechseln bietet insbesondere bei der kontinuierlichen Herstellung von Waren aus Kunststoff hohe Einsparpotenziale bezüglich Material- und Energiebedarf sowie Anlagenverfügbarkeit. Unter Berücksichtigung unterschiedlicher Aspekte ist die Zielsetzung dieser Arbeit, Produktwechselvorgänge in Extrusionsprozessen wissenschaftlich zu untersuchen und durch eine geeignete Modellbildung beschreibbar zu machen. Die Prognose von Wechselvorgängen gelingt durch das in dieser Arbeit vorgestellte analytische Modell. Dies zeigt sich anhand des Vergleichs der berechneten und der experimentell ermittelten Wechselmassen.

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen eine starke Abhängigkeit der Wechselvorgänge zu den strömungsmechanischen Materialeigenschaften. Es ist insbesondere ein deutlicher Einfluss des Viskositätsverhältnisses beider Wechselpartner zu identifizieren. Auf die Viskositäten der Wechselpartner nimmt dabei neben der Geometrie des Werkzeuges vor allem der Betriebspunkt des Prozesses Einfluss. Durch die Annahme, dass vornehmlich die Eigenschaften des Zielmaterials, vor allem die Schubspannung, den Wechsel dominieren, wird es möglich, den Wechsel auf den einzelnen Abschnitten eines Stromfadens längster Verweilzeit zu prognostizieren. Zur Bestimmung des Wechselverhaltens in Extrusionswerkzeugen werden im Allgemeinen numerische Mehrschichtsimulationen vorgeschlagen. Um auch quantitative Ergebnisse zu erzielen, wird die Simulation mit Hilfe des analytischen Ansatzes kalibriert.

In Verarbeitungsanlagen kommt es bei allen realen Polymeren in Abhängigkeit von der Temperatur und der Verweilzeit im Extrusionssystem zu Alterungsphänomenen. Bei Produktwechseln mit niedrigem Viskositätsverhältnis der Wechselpartner entstehen insbesondere in den wandnahen Schichten verhältnismäßig lange Verweilzeiten. Eine thermo-rheologische Charakterisierung von Polyolefinen zeigt neben den zeitabhängigen Einflüssen unter thermischer Belastung auch eine zusätzliche Abhängigkeit der Alterungsphänomene von der Schergeschwindigkeit die das Material erfährt.

Die betriebspunktabhängigen Einflüsse auf Wechselprozesse lassen sich auf eine Veränderung der strömungsmechanischen Materialeigenschaften zurückführen. So sind Einsparungen der Wechselmasse in Abhängigkeit von der Massetemperatur damit zu begründen, dass ein höheres Verhältnis der Viskositäten von Ziel- zu Ausgangsmaterial erreicht wird. Anhand der Untersuchungen ist davon auszugehen, dass Wechsel aufgrund hoher Schubspannungen immer bei maximalem Durchsatz durchzuführen sind. Einsparungen der Wechselmasse durch wiederholte Variationen des Durchsatzes während eines Wechsels zeigen sich nicht.

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 Levente Szoeke

Levente Szoeke
Lehrstuhl für Konstruktion und Kunststoffmaschinen
Universität Duisburg-Essen

Informationen

Freie Schlagwörter: Produktwechsel, Material- und Farbwechsel, Produktwechsel mit Zwischenstufe, Betriebspunkte, thermo-rheologisch, Wandfließgeschwindigkeit, analytishe Berechnung Produktwechsel, numerische Simulation Produktwechsel, EVOH und Haftvermittler, Reinigungscompounds
Institut / Lehrstuhl: Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abt. Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Universität Duisburg-Essen
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Johannes Wortberg (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. Wojciech Kowalczyk
Erscheinungsjahr: 2014
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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